用于強(qiáng)化復(fù)合管的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于強(qiáng)化復(fù)合管的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的相互引用
[0002]本申請要求2012年4月19日提交的美國專利申請?zhí)?3/451，103的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助研宄或開發(fā)的聲明
[0004]不適用。
[0005]微縮膠片附錄的引用
[0006]不適用。
技術(shù)領(lǐng)域
[0007]本發(fā)明涉及用于強(qiáng)化在運(yùn)輸流體和氣體中使用的熱塑性管的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0008]運(yùn)輸流體(乃至氣體)如水和化學(xué)品可以是昂貴的以及消耗時間的。例如，在如今能源缺乏的環(huán)境中，有效的油類和氣體回收技術(shù)是極其重要的。一種用于誘導(dǎo)回收的裝置是使用誘導(dǎo)的水力壓裂方法。將主要由水和沙組成的“壓裂流體”或“泵送流體”或“水力壓裂流體”在高壓下注入生產(chǎn)層(producing format1n)，產(chǎn)生允許資源從其被捕獲的巖石孔自由移動的裂縫?？梢韵蛩蜕车幕旌衔镏刑砑踊瘜W(xué)品(產(chǎn)生滑溜水)，以增加流體流動。壓裂提供將更大面積的地層連接至井的傳導(dǎo)路徑，從而增加天然氣和液體可以從目標(biāo)層回收的面積。
[0009]通過管道系統(tǒng)向回收地點(diǎn)(以及可能來自壓裂方法的流體的副產(chǎn)物，有時被稱為返排水(flowback water)，從該地點(diǎn)去除)供應(yīng)用于壓裂方法的水。管道系統(tǒng)可以由數(shù)百或數(shù)千碼的管組成。管道系統(tǒng)可以包括通過連接器聯(lián)結(jié)在一起以形成總管道系統(tǒng)的數(shù)百個管。雖然技術(shù)上有效，但是環(huán)境保護(hù)論者擔(dān)憂水力壓裂流體可能從管道系統(tǒng)泄漏，從而對環(huán)境造成損害。因此，由于環(huán)境憂慮，不可以對油類和氣體儲藏庫存在的許多區(qū)域進(jìn)行開采。
[0010]用于運(yùn)輸流體如水的常規(guī)管由鋼或其它金屬如鋁制成。最新的管由塑性材料如高密度聚乙烯(HDPE)組成。相對于金屬管，HDPE管具有一些優(yōu)勢，包括低成本、耐磨性、耐腐蝕性、高的耐沖擊性以及更大的柔性(其在不平的地形上是特別有用的)。這些管對于氣體、化學(xué)品和水應(yīng)用是持久的，并且可以被重復(fù)使用。
[0011]例如，常規(guī)的Yelomine(TM)管具有每30英尺(ft.)長度300鎊(lbs.)的重量密度。這種管具有中等的耐久性，但是在流體運(yùn)輸應(yīng)用期間需要支撐結(jié)構(gòu)(如支撐塊(support block))。
[0012]在如今的流體運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的常規(guī)鋁管具有901bs./30ft.長度的重量密度的輕重量。然而，它不是非常持久的，并且與Yelomine(TM)管一樣在流體轉(zhuǎn)移期間需要支撐系統(tǒng)。它具有略大于I的壓力與重量之比。
[0013]雖然HDPE管是目前在使用中，這樣的目前使用包括厚壁式HDPE管，如DR9HDPE管。為了確保在高的流體運(yùn)輸壓力下管道系統(tǒng)的完整性，HDPE管的壁通常大于I英寸厚。例如，DR9HDPE管具有1.11英寸的壁厚度。DR9HDPE管具有極大的6501bs./30ft的重量密度。它是高度持久的，但是成本超過鋁管近3倍。管難以在粗糙的、不平的或森林地形中運(yùn)輸。通常，需要卡車或其它機(jī)械搬運(yùn)車以運(yùn)輸用于系統(tǒng)的建造的沉重管。這些管通常被埋藏，然后是不可再使用的。DR9HDPE管的壓力與重量之比小于0.4。因此，雖然厚壁式HDPE管可以比鋁管或Yelomine (TM)管更持久，但是目前在工業(yè)上使用的厚壁式HDPE仍然是極重的。而且，連接這些單獨(dú)的厚壁式管以產(chǎn)生管道系統(tǒng)可能是慢的和繁重的。也就是說，對接熔合(butt fusing)系統(tǒng)常常用來聯(lián)結(jié)厚壁式管。由于其工藝以及需要向用于管連接的安裝地點(diǎn)運(yùn)送沉重設(shè)備，使用對接熔合系統(tǒng)常常是耗時的。此外，由于環(huán)境憂慮，聯(lián)接器較少(coupler-less)的管道系統(tǒng)或幾乎沒有聯(lián)接器的系統(tǒng)是合乎需要的，因為大多數(shù)泄漏發(fā)生在聯(lián)接器或連接處。因此，目前使用的厚壁式的HDPE管在遠(yuǎn)距離上或在高壓下通過粗糙的地形運(yùn)輸液體或氣體方面可能是不可行的。
[0014]需要的是除了其它還可以經(jīng)受環(huán)境以及流通的油和氣體回收方法的氣體和流體壓力的輕量和劃算的HDPE管道系統(tǒng)。為了便于運(yùn)輸和安裝，需要設(shè)計和構(gòu)造該新系統(tǒng)。輕量的管可以由2個人舉起和搬運(yùn)。該新系統(tǒng)需要提供高流動性和高強(qiáng)度的溶液。該系統(tǒng)需要在地上應(yīng)用中允許最小的塊或支持系統(tǒng)。確切地說，新的管道系統(tǒng)在使用或空置期間可以平放在地上。然而，地下安裝不被該新系統(tǒng)限制。因為該新系統(tǒng)可以用熱塑性材料(如HDPE)制造，該管道系統(tǒng)可以抵抗盜竊(因為金屬管常常被偷)。
[0015]此外，該新系統(tǒng)可以用于其它應(yīng)用，如在緊急情況或氣體和化學(xué)運(yùn)輸期間的水灌溉或臨時供水或免除浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)本發(fā)明的公開內(nèi)容，公開了機(jī)械管道系統(tǒng)以及制造供機(jī)械管道系統(tǒng)使用的管道元件的方法。如在本文中所公開的，并入本發(fā)明的方面的系統(tǒng)包括管，其中，管為薄壁并且由高密度聚乙烯(HDPE)材料制成。在建造過程期間，冷卻薄壁式HDPE管，隨后用熱塑性纖維帶纏繞。帶由連續(xù)且拉緊的纖維制成，其中，纖維可以由玻璃、碳或合成纖維(如Kevlar(TM)纖維)制成。在環(huán)境室溫(大約72° F)和相對低的濕度(例如，大約30)，將帶施加于管。帶和管由熱源供熱，然后使其冷卻。在加熱以及后來冷卻時，帶結(jié)合(產(chǎn)生均勻或整體的結(jié)合)至產(chǎn)生強(qiáng)化的薄壁管的管?？梢赃M(jìn)一步由帶纏繞管的端部以增加管端部的強(qiáng)化。隨后可以用UV保護(hù)的且耐磨損的膜纏繞強(qiáng)化管。如果管需要經(jīng)受高壓，在施用UV/耐磨損性膜之前，在環(huán)境溫度施加熱塑性纖維帶的第二次纏繞或更多次纏繞，加熱并冷卻。該系統(tǒng)也可以包括耦聯(lián)的連接器，其中連接器的內(nèi)部與管的端部的外部接合。使用機(jī)械力或電力以固定管的端部至耦聯(lián)的連接器上。
[0017]在本文中公開的系統(tǒng)和方法是技術(shù)上有利的，因為其產(chǎn)生了供高壓應(yīng)用(包括高壓水運(yùn)輸、水灌溉或臨時供水和排水應(yīng)用)使用的機(jī)械管道系統(tǒng)。該系統(tǒng)和方法是進(jìn)一步有利的，因為用于高壓流體和氣體運(yùn)輸?shù)墓艿涝c現(xiàn)有的管道系統(tǒng)相比是更輕的(考慮到2個人運(yùn)送和建造)且更持久，并且也更不易于滲漏。該系統(tǒng)和方法在以下方面也是有利的，它們包含時間節(jié)省元件，在目前的應(yīng)用中更容易并且更快地部署和/或去除管道系統(tǒng)。考慮到以下的說明書、權(quán)利要求書和附圖，其它技術(shù)優(yōu)勢對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是明顯的。
【附圖說明】
[0018]在附圖中，由以下各個公開的實施方式的詳細(xì)說明可以獲得對本發(fā)明的更好的理解，其僅以實例說明的方式給出，因此不限于本發(fā)明，并且其中:
[0019]圖1是圍繞根據(jù)本發(fā)明的熱塑性管編織的帶的透視圖。
[0020]圖2是現(xiàn)有技術(shù)熱塑性纖維帶的俯視圖。
[0021]圖3是沿著根據(jù)本發(fā)明的圖1中的線A-A的熱塑性管的截面圖。
[0022]圖4是用根據(jù)本發(fā)明的熱塑性纖維帶纏繞的熱塑性管的透視圖。
[0023]圖5是施加于圍繞根據(jù)本發(fā)明的熱塑性管纏繞的熱塑性纖維帶的UV保護(hù)/耐磨損性帶的透視圖。
[0024]圖6是用于連接熱塑性管的現(xiàn)有技術(shù)聯(lián)接器的透視圖。
[0025]圖7是現(xiàn)有技術(shù)電子恪合聯(lián)接器(electronic fus1n coupler)的透視圖。
[0026]圖8是根據(jù)本發(fā)明具有暴露區(qū)的熱塑性管的透視圖。
[0027]圖9是根據(jù)本發(fā)明連接熱塑性管的電子熔合聯(lián)接器的側(cè)視圖。
[0028]圖10是根據(jù)本發(fā)明制造強(qiáng)化熱塑性管的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]在圖1中，顯示了熱塑性管或管I。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，管I是薄壁式高密度聚乙烯管。與用于油和氣體應(yīng)用中流體/氣體運(yùn)輸?shù)某Ｒ?guī)現(xiàn)有技術(shù)厚壁式熱塑性(例如，聚乙烯)管不同，根據(jù)本發(fā)明的管I具有小于0.5英寸，優(yōu)選地，小于0.25英寸的厚度。由于管的薄壁，管I是柔性的。而且，薄壁式管I將不能承受在油和氣體應(yīng)用中的壓力和其它因素，其中在一種實施方式中，流體的壓力超過200PSI。對于強(qiáng)化，管I用纖維帶10纏繞。在一種實施方式中，帶10由管的類似材料制成，如高密度聚乙烯熱塑性帶。帶包括連續(xù)纖維15，在如圖2所示的一種實施方式中，連續(xù)纖維15是拉緊的并且沿著帶的長度。這樣的帶，例如玻璃纖維HDPE帶，在商品名Celstran(TM)(型號CFR-TP HDPE GF70-01)下由Ticona Engineering Polymers制造。在一種實施方式中，帶由按重量計70%的玻璃纖維制成并且寬度為一英尺。也考慮了諸如6英寸的其它寬度。纖維沿著帶連續(xù)向前(單向的)并且是拉緊的。
[0030]管I放置在支撐平臺上，并且由冷卻裝置(未顯示)冷卻。這樣的冷卻裝置可以包括定位冷卻器或冷卻室。也考慮了其它的冷卻方法。在一種實施方式中，利用大約72° F的環(huán)境室溫和干燥濕度環(huán)境(在一種實施方式中，約30的相對濕度)，冷卻管I直至管的外表面溫度為40° F或以下。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，環(huán)境條件，如溫度和濕度可以影響生產(chǎn)過程。沿著其中心軸旋轉(zhuǎn)冷卻的管I。當(dāng)旋轉(zhuǎn)管I時，將帶10 (—般來說在環(huán)境室溫)施加于管1，以在管I上產(chǎn)生單層的帶10。為了確保使用最小量的帶10完全覆蓋管I (以減輕總管的重量)，以理發(fā)店旋轉(zhuǎn)桿(barber pole)的樣式牢固地施加帶10，其中一些帶可以重疊以產(chǎn)生重疊區(qū)3。使用熱源(如鐵(熨斗，烙鐵，iron))(未顯示)將帶10的端部固定在管I的外表面上，以確保帶10圍繞管I緊緊纏繞(不松弛)。隨后通過相同或其它熱源12加熱帶10和管I至一定溫度以產(chǎn)生均勻或整體結(jié)合。在一種實施方式中，熱源12加熱帶10和管I至大約375至450° F的表面溫度。帶和管的HDPE材料熔融產(chǎn)生均勻或整體結(jié)合。在加熱過程期間，管I由于熱膨脹而擴(kuò)展。由于帶10牢固地纏繞在管I上，并且纖維15是連續(xù)并且拉緊的，在管膨脹時，帶10的纖維15滲入并將其自身嵌入(包埋，embed)