具有復合材料管和金屬連接器的管元件的制作方法
【專利說明】具有復合材料管和金屬連接器的管元件
[0001]本發明涉及一種管元件，該管元件具有由纖維增強塑料制成的管和至少一個金屬連接器，該金屬連接器與該管連接，使得連接裝置可以傳遞扭矩和軸向力，并且該金屬連接器具有螺紋、尤其是圓錐形螺紋，或法蘭，通過所述螺紋或法蘭可以將金屬連接器與另一個金屬連接器螺紋連接，以便連接兩個管元件。本發明還涉及一種用于制造這種管元件的方法。
[0002]現有技術中，例如在用于石油鉆探的鉆桿中已知這種管元件，其具有由纖維增強塑料、主要是CFK(碳纖維增強塑料)制成的管和用于連接兩個管元件的金屬連接器，以便提供比迄今一般的鋼質鉆桿更輕的鉆桿。CFK在重量較小的情況下提供高強度和剛度。然而它僅允許非常有限的后處理，并且幾乎不可能用其制造有承載能力的連接件、例如螺紋。因此使用固定在管端部上的金屬連接器。現有技術中通過徑向插入的銷釘進行在金屬連接器和塑料管之間的連接。為了傳遞較高的扭矩和力并且經受不利的環境條件，需要多個足夠大尺寸的銷釘分布在圓周上。其弊端在于，這種管元件的安裝由此比較耗費。此外無論是塑料管中還是金屬連接器中，在連接區域內必須存在足夠的材料，以便可以補償由用于銷釘的孔造成的削弱。這必然導致較厚和較大的連接區域或導致承載能力較小的管元件。另一種解決方案是粘接連接。然而難以實施對其質量的保證。
[0003]本發明所要解決的技術問題是，提供一種管元件，該管元件具有安裝更簡單、更可靠的且空間需求更少的在金屬連接器和纖維增強塑料管之間的連接裝置，以及提供一種用于制造這種管元件的方法。按本發明的管元件應當特別適合用于例如石油鉆探時的鉆桿，或適用于其他的應用、如驅動軸或如在石油源和運輸平臺之間的管連接裝置，該運輸平臺例如在海上輸油時用作所謂的冒口(Riser)。
[0004]該技術問題對于管元件來說按本發明由此解決，金屬連接器以連接區域從外部包圍管，存在配合套筒，該配合套筒以連接區域與管的內側接觸，金屬連接器和配合套筒分別具有圓柱形螺紋，通過圓柱形螺紋將金屬連接器和配合套筒相互螺紋連接。通過圓柱形的螺紋連接確保，使連接區域可靠且按規定地接觸。該解決方案的優點是，大大簡化了在金屬連接器和復合材料管之間的連接裝置的安裝，方式是只需兩個金屬部件相互螺紋連接。圓柱形螺紋需要較少的沿徑向的結構空間并因此就直徑而言非常節省空間，這能夠實現實施得非常細的連接裝置。為了可以傳遞更大的力，可以增大螺紋長度和/或增大在管上的連接區域的長度。
[0005]管優選具有由玻璃纖維或芳綸纖維構成的或特別優選由碳纖維構成的纖維增強部。在此，纖維以粗紗或織造織物帶或稀松平紋織物帶(通常為非織造帶)卷繞的方式分別一層或多層并且也組合地布置。纖維增強部被塑料基質包圍。作為基質材料特別適合的是熱塑性塑料或優選熱固性塑料、如環氧樹脂。基質材料在卷繞之前可以已經存在于纖維增強部上，或在卷繞時或卷繞之后被涂覆。硬化或固化通過在爐中的熱處理實現。金屬連接器和配合套筒優選由鋼、鑄鋼、鑄鐵、鋁合金或鈦制成。在驅動軸的情況下，代替用于連接兩個管元件的圓錐形螺紋優選使用法蘭，通過該法蘭將管元件相互螺紋連接。本發明可以同樣有利地使用于這種管元件。
[0006]改善連接的質量和安裝特性的按本發明實施方式的其他有利特征存在于各從屬權利要求中。
[0007]為了實現良好的力傳遞并因此可靠且牢固的連接，在金屬連接器上和在配合套筒上的圓柱形螺的優選的長度處于螺紋直徑的10%到500%之間、特別優選在10%到100%之間的范圍內。連接區域的優選的軸向長度為螺紋直徑的10%到500%之間、特別優選100%到500%之間，管在所述連接區域中被夾在金屬連接器和配合套筒之間。
[0008]管元件可以在與第一金屬連接器對置的第二管端部上具有第二金屬連接器，該第二金屬連接器如同第一金屬連接器一樣與管連接。多個管元件可以這樣相互連接成一條較長的線路，該線路可以傳遞扭矩和軸向力。若金屬連接器具有圓錐形螺紋，則有利的是，第一金屬連接器具有圓錐形內螺紋，第二金屬連接器具有匹配的圓錐形外螺紋。但分別具有兩個圓錐形內螺紋和兩個圓錐形外螺紋的管元件也可以始終交替地組合成一條較長的路線。
[0009]特別優選，管在外側上具有連接區域，該連接區域是圓錐形地朝所述管端部變尖的表面并且與金屬連接器的連接區域接觸，其中，該連接區域設計成相應配合地圓錐形成型的表面。就連接區域而言，在本申請中理解為錐形，從而表面或者具有直邊圓錐形狀或曲邊圓錐形狀。也就是說該表面沿軸向不僅可以具有直的而且具有連續彎曲的走向。圓錐形地變尖理解為，表面的直徑沿軸向減小，圓錐形地擴寬理解為，該直徑沿軸向增大。
[0010]通過圓錐形形狀，在通過圓柱形螺紋螺紋連接在一起時，在金屬連接器和配合套筒之間的管的連接區域上產生表面壓力，由此，該連接裝置可以傳遞更大的力。除了夾緊夕卜，可以在金屬連接器和管之間的連接區域內施加粘結劑。這增大了連接裝置的強度并且可以保證管的內部空間和周圍環境之間的密封。此外，在建立管和金屬連接器之間的連接時，粘結劑降低零件之間的摩擦。
[0011]優選，管外側在與金屬連接器的連接區域中的圓錐體相對管的軸線的傾斜角在0.1°到30°之間、特別優選在0.5°到5°之間。因此，可實現特別可靠的連接。太小的角度不能實現較高的表面壓力，太大的角度減小連接面可供使用的軸向長度。
[0012]為了實現在連接裝置中更大的表面壓力或作為在管外側上圓錐形表面的備選，管可以在內側上具有連接區域，該連接區域是圓錐形地朝所述管端部變尖的表面并且與配合套筒的連接區域接觸，其中，配合套筒的連接區域設計成相應配合地圓錐形成型的表面。此處也可以在配合套筒和管之間施加粘結劑。
[0013]優選，管內側在與配合套筒的連接區域內的圓錐體相對管軸線的螺旋角為0.1°
至Ij 30°之間、特別優選在0.5°到5°之間。
[0014]為了在制造時簡化管的卷繞，可以存在內管，該內管尤其由金屬或纖維增強塑料或熱塑性塑料制成，并且優選設有在內側上的涂層，該涂層由比內管更耐油或鉆孔液或其他化學試劑的材料制成，其中，纖維復合管卷繞在內管上，以便這樣形成整個管結構，并且其中，內管具有比纖維復合管更小的壁厚。作為涂層的備選，內管可以由更耐油或鉆孔液或其他化學試劑的材料制成。
[0015]對于一些應用、例如對于鉆桿來說應當通過管元件傳遞數據或電能。為此，可以在管的壁中或在內管和管之間存在電線，該電線從管的一端延伸至管的另一端并且與插頭連接，該插頭位于金屬連接器的內部，并且在管元件與另一個管元件通過尤其圓錐形螺紋或法蘭螺紋連接時，該插頭適合于與另一個管元件中的另一個插頭或電線形成電連接。一個優點是，電線在管的壁中被保護。插頭可以尤其是環形地設計。插頭此處一般理解為適合建立電連接的部件，通過該電連接可以傳遞數據或能量。在管元件之間的電連接可以通過插頭與配合觸點的物理接觸建立或通過插頭與配合件的電磁耦合、即無線地實現。在此，在管元件上也可以存在多根電線和/或多個插頭。
[0016]為了針對其中有油或其他介質流動的內部空間對插頭進行保護，配合套筒可以具有布置在配合套筒與連接區域對置的端部上的擋板，該擋板設計成，使得在安裝好管元件時，插頭沿徑向看完全地位于金屬連接器和配合套筒之間。
[0017]為了將電線在旋擰在金屬連接器上時能不被損壞地在金屬連接器的區域內從管導引至插頭，配合套筒優選具有在圓柱形螺紋內的軸向槽或具有在圓柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔。槽更可容易制造。縱向孔的優點是，螺紋由此不被中斷并且不被削弱。
[0018]當多個管元件在運行中旋擰在一起并且旋擰分開的情況下，為了使配合套筒和金屬連接器之間的圓柱形螺紋連接裝置不再松脫，有利的是，在配合套筒和金屬連接器之間設有扭轉止動器。該扭轉止動器尤其可以設計成優選在配合套筒的端面上的焊縫。焊縫可以設計成連續或中斷的環形或設計成一系列焊點。備選地，扭轉止動器也可以設計成至少一個銷釘，該銷釘軸向地插入配合套筒和金屬連接器之間的孔中。
[0019]因為在一些應用中，管元件被流體介質，例如油或鉆孔液流過，所以重要的是將壓力損失保持得很小。為此有利的是，配合套筒的內表面具有沿軸向完全連續走向的內部型材而無邊棱或臺階突變。該連續的類似噴嘴的走向導致流動優化的、在不同管元件的連接部位的區域內具有較小壓力損失的管元件。迄今已知的管元件的缺點是，這些管元件在連接區域內造成更大的壓力損失。通過按本發明類型的在金屬連接器和管之間的連接裝置可以實現，通過配合套筒形成流動優化的內部型材。
[0020]對于按本發明的用于制造上述管元件的方法，本發明的技術問題由此解決，
[0021]-通過纖維材料圍繞芯件、尤其是在內管上的卷繞而制造管，
[0022]-在利用纖維材料制造管時在連接區域內卷覆配合套筒，
[0023]-與纖維材料共同地或在纖維材料之后涂覆基質材料，
[0024]-將管與配合套筒共同地在爐中熱處理，其中，硬化或固化基質材料，
[0025]-以及將金屬連接器利用其