鋼帶層壓管中鋼帶的粘合制造技術

提供一種在管內鋼層間搭接剪切強度和剝落強度增加的鋼帶層壓管和制造此類鋼帶管的方法。將以溶膠－凝膠或硅烷粘合促進劑涂布的鋼帶卷繞在里襯上以在鋼帶層壓管中形成彼此粘合的鋼層。在另一實施方案中，使用纖維填料和樹脂將管中的鋼層粘合在一起。在進一步的實施方案中，使用玻璃球和樹脂將鋼層粘合在一起。使用連續增強填料或玻璃球而粘合在一起的鋼帶可以用溶膠－凝膠或硅烷進行涂布。在另一實施方案中，也可將溶膠－凝膠或硅烷混合在用于將鋼層粘合在一起的樹脂中。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

技術介紹
高壓導管如輸油管和輸氣管常常以傳統的鋼管進行建設。這些管線受內壓和外壓的影響。要求有內壓以在管線內傳輸流體或氣體。當管線埋在地下或浸漬在水中時，外壓產生于管線上土壤或水的重量。當鋼管具有承受內壓和外壓所必要的強度時，它們對腐蝕十分敏感。腐蝕環境來源于內部外來介質(如通過管線傳輸的液體或氣體)與鋼的接觸或外部傳導性外來介質與鋼的接觸。當管道埋在地下時，外部外來介質為土壤；或當管道浸漬在海洋中時，外部外來介質為海水；或當管道沿下水道系統流動或暴露在雨中時，外部外來介質為水。腐蝕降低管道的強度，可導致管道在壓力下泄露或破裂。為了克服這些缺陷，已開發了鋼增強復合管。這些管具有以聚合材料涂布的鋼壁或嵌入纖維增強復合材料如纖維玻璃樹脂體系中的鋼壁。涂料或樹脂體系通過防止鋼與外來介質的接觸保護鋼免遭腐蝕。鋼增強復合管的例子在Cocks的專利No.4，351，364中已公開，在此通過引用并入本文。其中公開的管為夾在內襯和外襯之間壁結構部分。襯里為富含樹脂的玻璃或其它纖維增強層。壁結構部分由三或多個以結構環氧樹脂涂布的鋼結構增強層制成。管的各個層在芯軸或管卷切機上連續安裝，一層覆蓋在另一層上。每一襯里層通過成螺旋形卷繞樹脂潤濕纖維粗紗而形成。每一鋼層通過成螺旋形卷繞樹脂涂布的鋼帶而形成。鋼層按一層覆蓋在另一層上的方式進行繞制。一旦被“繞制”，管即固化。這類管通常稱之為鋼帶層壓管或“SSL管”。典型地，在SSL管中重疊鋼層之間所希望的搭接剪切強度為1800psi。僅使用一種樹脂體系，通過將一個鋼層粘合在另一個鋼層上是不能達到這樣的強度的。為了達到這一強度，在通過卷繞在管中形成鋼層前，通常對鋼進行噴砂處理。噴砂在鋼上產生機械糙度，使機械/粘合劑的粘合更強。但是，這種粘合在潮濕環境中難以持久。對由使用EPON826/IPD粘合劑粘合的噴砂鋼樣品組成的搭接剪切樣品進行的測試表明在熱水中暴露505小時后搭接剪切強度損失了80％。另外，由于表面氧化，噴砂鋼表面的老化顯著降低了搭接剪切強度。而且，噴砂處理是一個繁重的過程。典型地，對生產規模量的鋼帶進行噴砂，需要5000馬力的空氣壓縮機。由于噴砂的粉塵和噪音特點，也需要特殊的設施。因此，需要一個將鋼帶形成層彼此粘合和與SSL管襯里粘合的體系，避免對鋼帶噴砂的需要。也發現僅以一種樹脂相互粘合的鋼帶層的剝離強度不夠。據認為剝離強度不夠是由沿形成層的鋼帶長度方向的粘合厚度差異所致。在生產速度下對樹脂粘合厚度的控制一般不是很精確的。有時在樹脂中使用片狀玻璃填料以改進鋼帶之間的剪切強度。典型地，片狀玻璃填料占樹脂的5-10wt％。但是，即使使用片狀玻璃填料，在生產速度時仍然難以控制鋼帶之間的粘合厚度，由此導致帶剝離強度不夠。與SSL管中鋼帶相互粘合有關的另一問題是在鋼帶之間樹脂基質的破裂，也導致剝離強度降低。進一步的問題是在固化時發生的樹脂收縮，也導致鋼帶之間粘合強度的降低。SSL管一般受熱濕條件的影響，在鋼層之間的粘合在組合模式破壞即剪切/剝落破壞的條件下常常失敗。因此，在熱濕條件下，鋼層之間的粘合保持有效百分數的搭接剪切強度和剝離強度是十分重要的。另外，為了加速SSL管的制造過程，希望任何所使用的樹脂系統的去堆積時間(即除去在形成粘合層的鋼帶之間過量樹脂所要求的時間)較短以便減少制造時間，由此降低制造成本。因此，需要一種樹脂體系，該體系可允許在生產速度時控制鄰接鋼帶層之間和鋼帶層與SSL管的襯里之間的粘合厚度。另外，需要一種樹脂體系，該體系在固化時可增強對破裂生長的阻力，在固化過程中收縮減小。進一步，希望有一種樹脂體系，該體系在熱濕條件下使SSL管的鋼帶之間的剝離強度和剪切強度得到改進，并使去堆積時間減少。專利技術概述為了改進SSL管中鋼層之間的搭接剪切強度，使用溶膠-凝膠或有機官能硅烷形式的粘合促進劑涂布形成鋼層的鋼帶。在一個實施方案中，將溶膠-凝膠涂料用作粘合促進劑。溶膠是一種在溶劑、常為醇中含部分反應金屬-有機前體(通常金屬-醇鹽如-OSi(OR)3)的溶液。R為非水解有機基團，具有使溶膠-凝膠涂料與環氧或其它有機樹脂粘合的官能度。凝膠為一種包含在溶膠中通過反應形成的、其中封閉有連續液相的連續固體骨架的物質。溶膠-凝膠加工包括由溶膠和凝膠制備固體、通常為膜或涂料。典型地，溶膠-凝膠通過水解和凝固溶膠溶液形成。以鉻酸鹽改性的溶膠-凝膠涂料在熱濕環境中提供更好的長期耐久性。在另一實施方案中，鋼帶以有機官能或雙官能硅烷涂布。有機官能硅烷如Y-R-Si-X3硅烷有兩類官能度。硅烷部分Si與無機底物即鋼鍵合。在R、橋基和Si之間的鍵為十分穩定的有機鍵，而X、可水解基團和硅烷中的硅原子之間的鍵為較不穩定的無機鍵，可被無機底物(鋼)和硅原子之間的鍵取代。因為SSL管粘合鋼帶形成層在組合模式破壞即剪切/剝落破壞的條件下常常失敗，所以希望粘合鋼層在熱濕條件下保持其搭接剪切強度和剝離強度。為了在優選實施方案中完成這一希望，本專利技術在用于粘合鋼帶的樹脂中使用連續纖維增強填料。這些填料使得可以控制粘合厚度、改進鋼帶之間粘合的剪切強度、改進粘合剝離強度和降低樹脂基質收縮以及增加樹脂基質抗破裂的能力。典型的連續增強纖維填料由芳綸(kevlar)、碳和玻璃制成。這些纖維優選以面網如無規合成面網如C-玻璃面網和無規面網、編織布如船帶、粗紗帶、單方向帶和單絲網狀物的形式存在。面網、編織布、帶和網狀物均為‘帶形，即它們為連續層狀。因此，可將面網、編織布、帶和網狀物卷繞在鋼層上。在圍繞鋼帶管層卷繞前，將面網、編織布、帶和網狀物以適當的樹脂進行浸漬。可選擇地，在卷繞面網、編織布、帶和網狀物前將樹脂施用于鋼帶層上或將樹脂施用于面網、編織布、帶和網狀物上。另外，在將樹脂施用于繞制的第一鋼帶層部分前，可以碎纖維或短切纖維代替面網、編織布、帶和網狀物與樹脂按產生高纖維含量的量進行混合。可選擇地，可將樹脂施用于卷繞鋼帶和可將碎纖維或短切纖維施用于樹脂上。當使用纖維填料時，優選的纖維填料含量在30至70的體積百分數之間。在纖維填料中的纖維作為間隔團控制連續鋼層間的間隔，進而控制鋼層間的粘合厚度，其結果是剝離強度得到改進。在另一個實施方案中，可以玻璃球(也稱為Zeeospheres或微球)非連續填料代替連續纖維增強填料使用。由于球狀，Zeeospheres可在樹脂中緊密填裝。在用于粘合SSL管中鋼帶的樹脂中使用連續纖維增強填料可改進管的操作壽命。可將這些填料用于形成樹脂基質，樹脂基質用于粘合以粘合促進劑如溶膠-凝膠或硅烷處理的鋼帶或經噴砂處理的鋼帶或不以任何方式或形式處理的鋼帶。另外，不將粘合促進劑施用于鋼帶，而可將粘合促進劑混合在用于粘合鋼帶的樹脂中。附圖的簡要描述附圖說明圖1描述了在底物和溶膠-凝膠涂層之間形成的Fe-O-Si鍵的示意圖。圖2為測試結果圖，描述了暴露在熱水中對以鉻-改性溶膠-凝膠涂布的粘合鋼帶和噴砂鋼帶的搭接剪切強度的影響。圖3描述了四個可水解基團的典型結構式。圖4描述了三個不可水解有機基團的典型結構式。圖5描述了乙烯基三乙氧硅烷的結構式。圖6描述了在有機官能硅烷涂料與環氧化物之間形成橋接的Si-C鍵。圖7為以鉻酸鹽改性溶膠-凝膠涂布的粘合鋼帶和以有機官能硅烷涂布的粘合鋼帶在230°F時平均搭接剪切本文檔來自技高網...

【技術保護點】
形成層壓管的方法，包括步驟： 形成至少一部分的管內層； 以溶膠－凝膠涂料涂布第一鋼帶； 在內層上卷繞該鋼帶；和 在繞制的鋼帶上形成外層。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：RS弗里德里奇，GJ安得里斯，Q盛，LT英格爾哈特，S德比，J范布拉克爾，
申請(專利權)人：阿邁隆國際公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]