技術領域：

本發(fā)明涉及熱塑性復合材料管道制造技術領域，具體的說是一種利用3d打印成型技術制備一種大口徑熱塑性復合材料纖維增強長輸管及其制造方法和裝置。

背景技術：
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對于石油天然氣行業(yè)而言，管道運輸是目前最安全、最經濟和對環(huán)境破壞最小的運輸方式。油氣田中物料輸送大都采用遠距離壓力管道輸送。這類管道通常需要承受較大的壓力或者復雜載荷與苛刻的作業(yè)環(huán)境。而隨著油氣消費的不斷增大，為提高輸送效率，大口徑(600mm以上)、高壓(5mpa以上)輸送技術成為長輸管道的趨勢和方向。這就對管道材質與性能等方面的要求越來越高。

行業(yè)內最先使用的管道材料以鋼質和玻璃鋼材質為主，但鋼材管線耐腐蝕性能差，內部容易結垢影響流體流動性且安裝運營成本高；高強度鋼材會使管道延性降低，管道止裂性能變差，不利于管道安全運營。而玻璃鋼管線存在接頭多、性能低等問題。大口徑玻璃鋼管壓力高時密封困難，且在負壓下容易發(fā)生坍塌。其他材質的如pe、pvc等純塑料管強度低，根本不能滿足長輸管道的使用要求。

隨著復合材料技術的發(fā)展，非金屬復合材料管在油氣集輸等領域逐步得到廣泛應用，主要包括柔性復合管和塑料合金復合管等。但大部分是小口徑管道(≤150mm)，大口徑管道相對較少。如熱塑性塑料內襯復合管在實際使用過程中通常是以增加塑料內襯層的厚度提高其環(huán)剛度防止其發(fā)生坍塌，但這會造成原材料用量的大幅度增加，使復合管重量和制造成本大幅增加；另一方面會減小管內流體的流通內徑，大大降低了流體輸送效率。

3d打印技術是近年來迅猛發(fā)展的一種快速成型技術，應用范圍不斷拓展至航空航天、汽車、船舶、生物、食品、建筑等多個領域。大型3d打印設備的問世使得大尺寸制品的打印成為可能，并使制造打印成本大幅度降低，在工業(yè)生產和日常生活中越來越具有實際應用價值。但就目前而言，3d打印技術在連續(xù)性纖維增強復合材料制造領域的相關研究在國內外還比較少見。本發(fā)明采用3d打印技術制備一種連續(xù)纖維增強的熱塑性復合管道，實現了連續(xù)性纖維增強復合材料制備與成形一體化。

技術實現要素：
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本發(fā)明的目的是，提供一種能夠解決長輸管道現存技術問題，滿足油氣管道輸送耐腐蝕和耐高壓、大口徑以提高流體輸送效率等多項需求的基于3d打印技術的大口徑熱塑性復合材料長輸管及其制造方法和裝置。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下的技術方案：

一種熱塑性復合材料長輸管，其結構由內向外依次是內襯層、纖維增強層和外保護層，所述的熱塑性復合材料長輸管的長度8～10m，管徑為1000～1500mm，所述內襯層厚度為10～50mm；增強層厚度為50～200mm，外保護層厚度為10～50mm。

本發(fā)明所述的內襯層和外保護層均采用熱塑性聚合物材料擠出成型工藝，所述的纖維增強層由高強度纖維和熱塑性聚合物3d復合打印而成，所述的高強度纖維為玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、超高分子量聚乙烯纖維中的單一纖維或其中幾種復合的纖維束，所述的熱塑性聚合物為pp、pe或hdpe、pvdf、pps、pa、peek中的一種或幾種，其中擠出料和3d打印料聚合物材料形態(tài)分別為粒料和絲狀。

本發(fā)明還提出了一種熱塑性復合材料長輸管的制造方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：制備內襯層，根據實際應用需要，選取熱塑性聚合物材料通過擠出機制備內襯層，所述的熱塑性聚合物為pp、pe或hdpe、pvdf、pps、pa、peek中的一種或幾種；根據所選材料不同，擠出溫度i區(qū)間為220℃-365℃；通常情況下，常規(guī)油氣輸送應用通常選用hdpe材料為內襯層，在高溫區(qū)塊或者酸性介質領域則選用高性能聚合物如pps、pvdf、peek作為內襯層；

步驟2：將內襯層管件固定在一根芯軸上，然后在內襯層管件的外層，利用3d打印技術，實現熱塑性樹脂和增強纖維材料復合成型一體化，制備管道的纖維增強層；

步驟3：在纖維增強層表面擠出包覆外保護層，最終得到熱塑性復合材料長輸管的成品。

本發(fā)明進一步還提出了一種熱塑性復合材料長輸管制造裝置，其特征在于設有纏繞機大盤，纏繞機大盤中間開設管件通孔，用于套設待處理管件的芯軸穿過通孔，纏繞機大盤由電機進行驅動繞芯軸旋轉；芯軸沿軸向前后往復運動，其中芯軸固定在芯軸支架上，芯軸支架經滑塊與導軌相連接，還設有與芯軸支架相連接的推進/牽引機構，芯軸支架在推進/牽引機構的驅動下沿導軌往復運動，導軌的延伸方向與管件軸向方向平行；纏繞機大盤側面設有增強纖維卷筒和聚合物絲料料盤、分別用于驅動卷筒和料盤轉動的兩個驅動電機、張緊裝置、送絲電機、導向管、3d打印機頭、滾珠絲桿滑臺組；其中3d打印機頭安置在滾珠絲桿滑臺組上，滾珠絲桿滑臺組配有步進電機，步進電機驅動滾珠絲杠滑臺組帶動打印機頭沿著大盤徑向做運動；張緊裝置位于卷筒和料盤與送絲電機之間，由多個張緊輥構成，為纖維提供合適的張力；聚合物絲和增強纖維通過驅動電機驅動卷筒和料盤放絲，經過張緊輥保持適當的張力，然后通過送絲電機分別經過兩個導向管將二者導入3d打印機頭內，其中將增強纖維導入3d打印機頭內部中空螺桿通道，將聚合物絲導入機頭腔體并纏繞于螺桿之上。

本發(fā)明的張緊裝置包括輥輪支架和三組張力調節(jié)輥，其中第一組和第二組張力調節(jié)輥分別經輥輪支架設置在第三組張力調節(jié)輥的上方，三組張力調節(jié)輥形成v型送料通道，支架上設有輥輪位置調節(jié)機構，第一組和第二組張力調節(jié)輥與第三組張力調節(jié)輥之間的距離和相對位置關系可調，卷筒或料盤送出的物料分別經第一組張力調節(jié)輥、第三組張力調節(jié)輥、第二組張力調節(jié)輥送出，通過調整張力調節(jié)輥的角度和相對位置可以調節(jié)張緊拉力調節(jié)。

本發(fā)明通過基于動態(tài)扭矩傳感器組建的自動控制系統(tǒng)調節(jié)張緊輥位置和送絲電機與放卷電機轉速，從而精準控制3d打印機頭內的送絲量，提高管道成型的精度。其基本原理是由傳感器測定張力調節(jié)輥的扭矩值，然后把扭矩數據轉換成張力信號反饋回張力控制器，通過此信號與控制器預先設定的張力值對比，計算出控制信號，控制放卷電機(料盤和卷筒的驅動電機)運行轉矩和張力調節(jié)輥的位置實現張力調節(jié)。最終使得實際張力與給出張力相互一致，從而實現張力恒定的目的。

本發(fā)明所述的3d打印頭由打印頭殼體、噴嘴、中空螺桿、傳動裝置、步進電機、加熱和控溫裝置組成，打印頭殼體為中空的結構，打印頭殼體前端設有出料噴嘴，打印頭殼體內螺桿通過電機驅動，螺桿設有中空孔道，螺桿與噴嘴之間設有加熱裝置和溫控裝置，聚合物絲通過張緊裝置、送絲電機并經導向管送入3d打印頭殼體內，并纏繞于螺桿之上，被加熱熔融并隨著螺桿旋轉不斷向前推進，增強纖維通過張緊裝置、送絲電機經另外一個導向管穿過中空孔道送入同一3d打印頭殼體內，并在噴嘴處被熔融樹脂浸漬包覆，然后在螺桿和絲材推力作用下從噴嘴處擠出形成復合纖維絲。

本裝置在制備增強層時3d打印機頭的基本工作原理如下：熱塑性聚合物絲和增強纖維盤繞在卷筒或料盤上，驅動電機驅動卷筒和料盤放絲。經過張緊輥保持適當的張力，然后通過送絲電機分別經過兩個導向管將二者導入3d打印機頭內，其中將增強纖維導入3d打印機頭內部中空螺桿通道，將聚合物絲導入機頭腔體并纏繞于螺桿之上。主要通過基于動態(tài)扭矩傳感器組建的自動控制系統(tǒng)調節(jié)張緊裝置和送絲電機轉速，從而精準控制3d打印機頭內的送絲量，提高管道成型的精度。聚合物絲在打印機頭內部受熱熔融，熔融樹脂在螺桿和絲材推力作用下到達噴嘴。增強纖維在噴嘴處被熔融樹脂浸漬包覆，然后從噴嘴處擠出，形成復合纖維絲。3d打印機頭整體裝置及卷筒固定于一個可以繞管道軸向旋轉的轉盤裝置上，打印機頭可以在轉盤上沿管道徑向做一定幅度的運動。芯軸可以沿管道軸向前后往復移動。通過調節(jié)大盤旋轉、打印機頭和芯軸移動速率等參數控制復合纖維絲在內襯層上的打印過程。在整個管道增強層生產線上有兩臺甚至多臺相同的轉盤打印設備。然后逐層打印，最后得到增強管件。

本發(fā)明制備管道增強層過程中采用3d打印工藝，以熱塑性樹脂與連續(xù)纖維為原材料，在打印頭內部進行熔融浸漬，實現復合材料制備與成形一體化。本發(fā)明制備的熱塑性復合材料長輸管在各項性能上與傳統(tǒng)工藝制備的管道沒有太大差距，且本發(fā)明的熱塑性復合材料長輸管相比傳統(tǒng)管道具有以下優(yōu)點：不需要使用金屬材料，具有輕量化、耐高溫、耐腐蝕、柔韌性好、氣密性好、內外壓力等級高、安裝方便等顯著特點，其內壁光滑、大口徑、高內外壓力等級可以獲得更高的流體速率與流量，特別適合于長輸油氣管道方面的應用。

附圖說明：

附圖1為本發(fā)明中熱塑性長輸管(1a)及其截面(1b)的結構示意圖。

附圖2為本發(fā)明中基于3d打印技術制備熱塑性復合材料長輸管纖維增強層的工作原理圖。

附圖3為纏繞機纏繞大盤正面視圖。

附圖4為本發(fā)明中3d打印機頭的結構示意圖。

附圖5為本發(fā)明中張緊機構的工作原理圖。

附圖標記如下：內襯層1、纖維增強層2、外保護層3、纏繞大盤4、3d打印機頭5、滾珠絲桿滑臺組6、管件通徑7、芯軸8、傳動裝置9、驅動電機10、基座與支架11、聚合物絲12、增強纖維13、料盤或卷筒14、張緊裝置15、送絲電機16、導向管17、螺桿18、噴嘴19、傳感器與調節(jié)裝置20、放卷電機21、張力控制器22。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發(fā)明中的進一步詳細描述。但本發(fā)明不限于下列實施例。

如附圖所示，本發(fā)明提供了一種熱塑性復合材料長輸管，其特征在于，其結構由內向外依次是內襯層1、纖維增強層2和外保護層3。

本發(fā)明采用3d打印技術，主要包括以下步驟：首先通過擠出機擠出制備內襯層1；將內襯層1管件固定在一根芯軸8上，穿過纏繞機纏繞大盤通徑7，然后在內襯層1管件的基礎上，利用特制的3d打印機頭5，實現熱塑性樹脂和增強纖維材料復合成型一體化，制備管道的纖維增強層2。最后在管件表面擠出包覆外保護層3，最終得到熱塑性復合材料長輸管的成品。

其中，打印纖維增強層2的具體方法是：根據管道纖維增強層2的實際尺寸和其他材料的一些具體參數，完成管道纖維增強層2的3d建模，利用相關軟件對三維模型進行分層處理，并得到離散化的二維層片信息；再結合管道的性能需求和3d打印技術原理，最終得到3d打印的路徑程序和其他相關數據信息；根據以上信息開始進行3d打印。主要通過纏繞大盤4繞軸旋轉、打印機頭5沿管道徑向運動和芯軸8沿軸向前后運動來調節(jié)打印角度和軌跡。聚合物絲12經張緊裝置15、送絲電機16穿過導向管17進入打印機頭5內部并受熱熔融，熔融樹脂在螺桿18和絲材推力作用下到達噴嘴19。增強纖維13經張緊裝置15、送絲電機16穿過另外一個導向管17，經過打印機頭螺桿18中空孔道送入同一3d打印機頭5內，并在噴嘴19處被熔融樹脂浸漬包覆，然后從噴嘴19處擠出，形成復合纖維絲。然后開始打印過程。其中，3d打印機頭的溫度參數是制備過程中的關鍵參數，對于管道的性能起到決定性的作用。打印速度對管道的力學性能影響不大，但如果打印速度過大，則可能會影響管道的成型精度，所以打印速度保持在110～250mm/min之間時可以得到較好的打印效果。

基于動態(tài)扭矩傳感器組建的自動控制系統(tǒng)調節(jié)張緊輥位置和送絲電機16與放卷電機21轉速，從而精準控制3d打印機頭內的送絲量，提高管道成型的精度。其基本原理是由傳感器20測定張力調節(jié)輥的扭矩值，然后把扭矩數據轉換成張力信號反饋回張力控制器22，通過此信號與控制器預先設定的張力值對比，計算出控制信號，控制放卷電機21(料盤和卷筒的驅動電機)運行轉矩和張力輥位置調節(jié)裝置20實現張力調節(jié)。最終使得實際張力與給出張力相互一致，從而實現張力恒定的目的。

實施例1

管道內襯層采用聚苯硫醚pps；增強層中纖維為玻璃纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護層為高密度聚乙烯hdpe。三個結構層由內至外厚度依次為40mm、100mm、30mm，管道內徑1200mm。

基本參數設置：擠出溫度ⅰ為300～320℃；打印機頭溫度為180～200℃；擠出溫度ⅱ為200～220℃。

實施例2

管道內襯層采用聚偏氟乙烯pvdf改性樹脂；增強層中纖維為芳綸纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護層為高密度聚乙烯hdpe。三個結構層由內至外厚度依次為35mm、90mm、20mm，管道內徑1400mm。

基本參數設置：擠出溫度ⅰ為220～240℃，打印機頭溫度為180～200℃；擠出溫度ⅱ為200～220℃。

實施例3

管道內襯層采用聚醚醚酮peek；增強層中纖維為碳纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護層為高密度聚乙烯hdpe。三個結構層由內至外厚度依次為30mm、100mm、20mm，管道內徑1200mm。

基本參數設置：擠出溫度ⅰ為350～365℃；打印機頭溫度為180～200℃，擠出溫度ⅱ為200～220℃

根據實施例1～3中所列管道結構參數及3d打印工藝的各主要技術參數制造熱塑性性復合材料長輸管。

與傳統(tǒng)的擠出成型制造工藝相比，本發(fā)明具有操作簡單、成型精確度更高等顯著優(yōu)點，并實現了熱塑性樹脂材料與增強纖維的成型一體化。采用3d打印技術制造的熱塑性復合材料長輸管與采用傳統(tǒng)擠出工藝制備的相同規(guī)格的管道在力學性能上沒有太大差別，完全可以滿足實際應用需要。

3d打印工藝與傳統(tǒng)擠出工藝制備管道性能對比

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應視為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。