具有嵌入式傳感元件的復(fù)合帶和復(fù)合桿的制作方法
【專利說明】具有嵌入式傳感元件的復(fù)合帶和復(fù)合桿
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求申請日為2013年7月2日的序列號為61/841,963的美國臨時專利申請 的提交權(quán)益，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
[0003] 發(fā)明背景
[0004]由在聚合物樹脂中嵌入的纖維形成的復(fù)合帶和復(fù)合桿用于各種各樣的應(yīng)用中。例 如，這樣的帶并且更特別地由這樣的帶形成的桿可用作輕質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)件。這樣的桿的一種 特別應(yīng)用在石油和天然氣行業(yè)中，例如在水下應(yīng)用中以及在陸地石油和天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域。 在陸地或水下應(yīng)用中，例如可在立管、傳送管線、連接件(umbilical)和/或其它合適的管組 件中使用多層管。在生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用中，可在立管、安裝地點流動線、輸出管線和/或其它合適 的管組件中使用多層管。電力連接件例如經(jīng)常用于在海面和位于海床上的設(shè)備之間傳送流 體和/或電信號。為了幫助增強(qiáng)這樣的連接件，試圖使用拉擠碳纖維桿作為單獨(dú)的負(fù)載元 件。這樣的桿的其它應(yīng)用例如可以包括在高電壓電纜、系繩等中的用途。帶的應(yīng)用例如可以 包括在高壓容器中提供對其的增強(qiáng)的用途?？偟膩碚f，復(fù)合帶和復(fù)合桿可用于例如可需要 高強(qiáng)度重量比元件、高耐腐蝕性和/或低熱膨脹性質(zhì)的任何合適的應(yīng)用中。
[0005] 然而，目前已知的用于制造復(fù)合帶和復(fù)合桿的方法和裝置存在許多顯著的問題。 例如，典型地通過使用聚合物樹脂浸漬纖維粗紗來形成復(fù)合帶和復(fù)合桿。許多粗紗依賴于 熱固性樹脂(例如乙烯基酯)來幫助實現(xiàn)所需的強(qiáng)度性質(zhì)。熱固性樹脂難以在制造過程中使 用，并且不具有用于與其它材料形成層的良好的結(jié)合特性。此外，在其它類型的應(yīng)用中，試 圖由熱塑性聚合物來形成浸漬的粗紗。例如，Bryant等人的美國專利公開號2005/0186410 描述了試圖將碳纖維嵌入熱塑性樹脂中以形成電傳遞電纜的復(fù)合芯部。令人遺憾的是， Bryant等人注意到：由于纖維未充分潤濕，這些芯部表現(xiàn)出缺陷和干斑，其導(dǎo)致不良的耐久 性和強(qiáng)度。這樣的芯部的另一個問題在于熱塑性樹脂無法在高溫下工作。
[0006] 最近，開發(fā)了允許使用熱塑性樹脂和纖維粗紗來形成復(fù)合帶和復(fù)合桿的方法和裝 置。然而，這些目前已知的方法和裝置的使用在一些情況中導(dǎo)致復(fù)合桿具有所不需要的高 空隙度。另外，目前已知的方法和裝置典型地為昂貴的，并產(chǎn)生高度過量的廢物。
[0007] 更進(jìn)一步地，復(fù)合帶和復(fù)合桿以及其中使用復(fù)合帶和復(fù)合桿的部件和應(yīng)用的監(jiān)控 變得越來越受到關(guān)注。例如，在高壓應(yīng)用中，可需要監(jiān)控復(fù)合帶和/或復(fù)合桿的性能，使得可 以在顯著損壞或失效發(fā)生之前從服務(wù)中移除使用復(fù)合帶和復(fù)合桿的部件。另外，在復(fù)合帶 和/或復(fù)合桿經(jīng)受顯著有害暴露的應(yīng)用中，例如在石油和天然氣應(yīng)用中，類似地可需要監(jiān)控 復(fù)合帶和/或復(fù)合桿的完整性和/或暴露，使得可以在完整性的破壞或者過度暴露發(fā)生之前 從服務(wù)中移除使用復(fù)合帶和復(fù)合桿的部件。
[0008]據(jù)此，改進(jìn)的帶和桿以及用于形成這樣的復(fù)合材料的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法在本領(lǐng)域 中是所需的。特別地，目前存在對于具有傳感特性的帶和桿的需求，其可以監(jiān)控和報告帶和 桿的性能、暴露等的變化。另外，目前存在對于具有這樣的帶和桿的需求，所述帶和桿具有 這樣的傳感特性并進(jìn)一步提供所需的強(qiáng)度、耐久性、溫度性能以及由特定應(yīng)用所要求的尺 寸需求。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 根據(jù)本公開的一種實施方案，公開了一種復(fù)合帶。所述復(fù)合帶包括熱塑性材料和 嵌入所述熱塑性材料中的多根連續(xù)纖維。所述多根連續(xù)纖維在所述熱塑性材料內(nèi)具有整體 上單向的取向。所述復(fù)合帶進(jìn)一步包括嵌入所述熱塑性材料中的傳感元件。
[0011] 根據(jù)本公開的另一種實施方案，公開了一種復(fù)合桿。所述復(fù)合桿包括芯部。所述芯 部包括熱塑性材料和嵌入所述熱塑性材料中的多根連續(xù)纖維。所述多根連續(xù)纖維在所述熱 塑性材料內(nèi)具有整體上單向的取向。所述芯部進(jìn)一步包括嵌入所述熱塑性材料中的傳感元 件。所述芯部具有約5%或更小的空隙分?jǐn)?shù)。
[0012] 在下文更加詳細(xì)地闡明本發(fā)明的其它特征和方面。
【附圖說明】
[0013] 將在本說明書的余下部分中（包括參考附圖）更加具體地闡明本發(fā)明的全面和授 權(quán)的公開內(nèi)容，包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言的最佳實施方式，其中：
[0014] 圖1為根據(jù)本公開的一種實施方案的壓力容器的透視圖；
[0015] 圖2為根據(jù)本公開的一種實施方案的電纜的透視圖；
[0016] 圖3為根據(jù)本公開的一種實施方案的浸漬系統(tǒng)的示意性說明；
[0017] 圖4為根據(jù)本公開的一種實施方案的模具的透視圖；
[0018] 圖5為圖4中所示模具的橫截面視圖；
[0019] 圖6為根據(jù)本公開的一種實施方案的用于模具的歧管組件和澆口通道的分解圖；
[0020] 圖7為根據(jù)本公開的一種實施方案的至少部分地限定浸漬區(qū)域的第二浸漬板的一 種實施方案的透視圖；
[0021] 圖8為根據(jù)本公開的一種實施方案的浸漬區(qū)域的一部分的特寫橫截面視圖；
[0022]圖9為根據(jù)本公開的一種實施方案的浸漬區(qū)域的下游端部的特寫橫截面視圖；
[0023] 圖10為根據(jù)本公開的一種實施方案的臺階(land)區(qū)域的透視圖；
[0024] 圖11為根據(jù)本公開的一種實施方案的臺階區(qū)域的透視圖；
[0025] 圖12為根據(jù)本公開的一種實施方案的用于將傳感元件引導(dǎo)至帶內(nèi)的引導(dǎo)組件的 透視圖；
[0026] 圖13為可在本發(fā)明中使用的拉擠成型系統(tǒng)的一種實施方案的示意性說明；
[0027] 圖14為根據(jù)本發(fā)明可使用的各種校準(zhǔn)模具的一種實施方案的俯視橫截面視圖；
[0028] 圖15為根據(jù)本發(fā)明可使用的校準(zhǔn)模具的一種實施方案的側(cè)視橫截面視圖；
[0029] 圖16為根據(jù)本發(fā)明可使用的校準(zhǔn)模具的一種實施方案的一部分的正視圖；
[0030] 圖17為根據(jù)本發(fā)明可使用的成形輥的一種實施方案的正視圖；
[0031] 圖18為根據(jù)本發(fā)明可使用的浸漬模具和固化模具的側(cè)視圖，包括用于嵌入傳感器 元件的管；
[0032] 圖19為根據(jù)本發(fā)明可使用的浸漬模具和固化模具的側(cè)視圖，包括用于便于嵌入傳 感器元件的管；
[0033] 圖20為根據(jù)本發(fā)明可使用的浸漬模具、固化模具和校準(zhǔn)模具的側(cè)視圖，包括用于 嵌入傳感器元件的管；
[0034] 圖21為根據(jù)本發(fā)明可使用的用于嵌入傳感器元件的固化通道的透視圖；
[0035] 圖22為根據(jù)本發(fā)明可使用的用于嵌入傳感器元件的一種替代性的固化通道的透 視圖；
[0036] 圖23為根據(jù)本公開的一種實施方案的帶的透視圖；
[0037] 圖24為根據(jù)本公開的一種實施方案的帶的橫截面視圖；以及
[0038] 圖25為根據(jù)本公開的一種實施方案形成的復(fù)合桿的透視圖；并且
[0039] 在本說明書和附圖中附圖標(biāo)記的重復(fù)使用意圖表示本發(fā)明的相同或相似的特征 或要素。
[0040] 代表性實施方案的詳細(xì)描述
[0041] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，本討論僅描述了示例性的實施方案，并不意圖 作為本發(fā)明更寬范圍的限制。
[0042] 總的來說，本公開涉及在其中嵌入傳感元件的帶和桿。所述傳感元件可有利地監(jiān) 控和報告帶和/或桿、以及使用所述帶和/或桿的部件的性能和/或暴露的變化。另外地或者 可替代地，所述傳感元件可以監(jiān)控和報告所述帶、桿和/或部件所經(jīng)受的環(huán)境的變化。這樣 的監(jiān)控和報告可以允許在失效之前從服務(wù)中將所述帶、桿和部件移除、修復(fù)或者以其它方 式進(jìn)行調(diào)整。另外地或者可替代地，這樣的監(jiān)控可以允許對在各種應(yīng)用中使用的其它部件 做出調(diào)整，以根據(jù)需要來補(bǔ)償性能、暴露或環(huán)境所報告的任何變化。
[0043]根據(jù)本公開形成的帶或桿包括連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性（"CFRT"）材料。CFRT材料包 括熱塑性材料和嵌入其中的多根連續(xù)纖維。在根據(jù)本公開的帶和桿中使用的合適的熱塑性 材料例如包括聚烯烴(例如聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等）、聚酯（例如聚對苯二甲酸丁二醇 酯（"PBT"））、聚碳酸酯、聚酰胺(例如PA12、Nyl 〇n?)、聚醚酮(例如聚醚醚酮（"PEEK"））、聚醚 酰亞胺、聚亞芳基酮(例如聚亞苯基二酮（"ΡΗ)Κ"））、液晶聚合物、聚亞芳基硫醚(例如聚苯 硫醚（"PPS"）、聚二亞苯基硫醚酮、聚亞苯基硫醚二酮、聚二亞苯基硫醚等）、含氟聚合物(例 如聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基鏈烷聚合物、四氟乙烯聚合物 (petraf luoroethylene)、乙稀-四氟乙稀聚合物等）、聚縮醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙稀聚 合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（"ABS"）），等等。
[0044] 根據(jù)本公開的熱塑性材料可以進(jìn)一步包括嵌入其中以增強(qiáng)熱塑性材料的多根纖 維。在示例性實施方案中，CFRT材料包括連續(xù)纖維，盡管應(yīng)當(dāng)理解的是，在其中還可包括長 纖維。所述纖維可分散于熱塑性材料中以形成CFRT材料。如在其中所使用的，術(shù)語"長纖維" 通常意指非連續(xù)的纖維、絲、紗線或粗紗，且與"連續(xù)纖維"相反，其通常意指具有通常僅由 部件長度限制的長度的纖維、絲、紗線或粗紗。在聚合物材料中分散的纖維可以由本領(lǐng)域已 知的任何常規(guī)材料形成，例如金屬纖維、玻璃纖維(例如E玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃、AR玻 璃、R玻璃、S玻璃例如S1玻璃或S2玻璃），碳纖維(例如石墨）、硼纖維、陶瓷纖維(例如氧化鋁 或氧化娃）、芳族聚酰胺纖維（例如由E · I · duPont de Nemours，Wilmington，Del ·銷售的 Kevlar?)、合成有機(jī)纖維（例如聚酰胺、聚乙烯、聚對苯、對苯二甲酰胺、聚對苯二甲酸乙 二醇酯和聚苯硫醚），以及已知用于增強(qiáng)聚合物組合物的各種其它天然或合成的無機(jī)或有 機(jī)纖維材料。玻璃纖維、碳纖維和芳族聚酰胺纖維為特別所需的。在示例性的實施方案中， 如在圖18中所示的，連續(xù)纖維可為整體上單向的。
[0045] 根據(jù)本公開的帶或桿進(jìn)一步包括嵌入其中的一個或多個傳感元件。每個傳感元件 嵌入熱塑性材料中，并經(jīng)配置以監(jiān)控和/或報告所述帶和/或桿的性能的變化。在一些實施 方案中，傳感元件例如可以是光纖電纜?？商娲?，傳感元件可以是射頻識別（"RFID"）發(fā)射 器。更進(jìn)一步地，傳感元件例如可以是銅纖維、鋁纖維、或其它合適的金屬或金屬合金纖維。 更進(jìn)一步地，傳感元件例如可以是傳導(dǎo)液體傳感電纜、水傳感電纜、燃料或油傳感電纜、或 者液體有機(jī)溶劑電纜，其例子可見于Tsuen Wan，NT，Hong Kong的CAS Systems Limited。當(dāng) 帶或桿的性能、暴露或周圍環(huán)境發(fā)生變化時，傳感元件的性質(zhì)可變化。這樣的性質(zhì)例如可以 包括電信號(例如電壓）、光學(xué)信號強(qiáng)度、光振幅干涉、微張力、和被動射頻信號強(qiáng)度。可基于 例如如上所述的性質(zhì)來直接地或者優(yōu)選間接地測量的其它這樣的性質(zhì)包括位移、應(yīng)變、溫 度和pH水平?？杀O(jiān)控并校正性質(zhì)的這些變化，使得可由這些性質(zhì)變化來接收性能、暴露或環(huán) 境的變化。根據(jù)本公開的傳感元件的使用由此允許帶、桿、使用所述帶和/或桿的部件、和/ 或在其應(yīng)用中將被移除、修復(fù)、替換和/或調(diào)整的其它部件。
[0046] 在圖1中示出使用根據(jù)本公開的帶158的應(yīng)用的一種實施方案。在這種實施方案 中，提供了具有側(cè)壁12的壓力容器10。根據(jù)本公開形成的帶158圍繞壓力容器10、例如圍繞 側(cè)壁12進(jìn)行纏繞，從而增強(qiáng)壓力容器10。由帶158提供因增強(qiáng)的強(qiáng)度并且在這種實施方案中 特別是增強(qiáng)的環(huán)向抗拉強(qiáng)度所致的提高的額定壓力?？梢愿鶕?jù)需要或需求周向地、螺旋地 或者以任何其它的方式纏繞所述帶158。另外，可加熱帶158以促進(jìn)固化和與壓力容器的結(jié) 合，并在壓力容器上施加之后，可將其冷卻以進(jìn)一步促進(jìn)固化和結(jié)合。
[0047] 在圖2中示出使用根