CN101305231A - 低温管道结构与方法 - Google Patents

Abstract

套管管道具有将热应力从内管传递至外管的隔壁，其中至少部分隔壁形成产品通过内管行进的管路。最优地，所述管道是传输液化天然气的低温管道。合适的是，绝缘材料可以布置在内外管之间，同时间隔装置可以保持管间的距离。

Description

低温管道结构与方法

本申请要求我们的序号为60/556,535的美国临时专利申请的权益，该申请于2004年3月26日提交，其在此引入作为参考。

技术领域

传输低温物质(通常至少低于-200°F)的管道的结构与方法。

背景技术

流体和/或气体在管道中的低温传输经常存在着问题，这是由于进入管道的流体或气体的低温导致大多数的管材实质收缩，从而产生相当大的热应力。虽然人们为适应热应力进行了许多尝试，但这些解决方案又引起了新的困难。

在大多数已知的结构中，低温管道采取一种套管结构，在这种结构中，外保护管沿圆周方向包围内管道，低温物质在所述内管道中传输。因此，这种系统通常包括充满绝缘材料或抽成低压的环状空间。这种绝缘的例子包括如EP0412715中所教导的泡沫绝缘体，如WO2004/099554中所披露的柱状缠绕气凝胶，以及如GB1422156中所描述的真空的利用。但是，所有或者几乎所有已知的绝缘材料都不能减小低温物质进入管道时所形成的热应力。因此，即使绝缘将冷损失减少到至少一定程度，但绝缘材料也无法为所述套管结构提供任何结构上的支持。

为了减少热应力和改进管道的结构稳定性，可以采用如GB2168450中所描述的褶皱绝缘材料。替代地，如法定发明注册H594中所记载的那样对所述环状空间加压。但是，这种稳定性通常依然是不足的，尤其是对于相对长的管道。也可以如GB2186657中所描述的那样，通过提供允许管道的一段相对于另一段活动的膨胀接头和/或风箱来减小热应力。不幸的是，虽然这种结构在相当程度上(即使如果不是全部)减小了低温管道上的热应力，但新的不利因素出现了。其中，膨胀接头和/或风箱易于泄漏，安装相对困难，并且一旦出现故障，更换很麻烦。

替代地，通过采用应力锥将低温管与外管连接，套管结构中的热应力也可以减少，所述应力锥将外管的轴向应力转化为低温管上的压缩应力，如编号为3,865,145和4,219,224的美国专利所描述的那样。在这种结构中，当装配管道时，预压外管的端部，这样会在低温管上产生压缩负载。低温物质一进入低温管，热收缩就会平衡所述压缩。同样地，如GB1,348,318中所描述的，低温管的热收缩力被传递到外套，所述外套的预压是可选择的。由于安装相对简单，并且力的传递程度可以控制，这种结构在概念上是很吸引人的。但是，在这种结构中，因为众多的焊缝需要顺次排列，所以安装相对复杂。而且，由于外管与内管的特定连接，以及应力锥的特定布置与结构，应力会集中在连接两段低温管的焊缝上。

在另一已知的方法中，低温产品管道可如编号为6,145,547的美国专利所教导的那样由INVAR^TM(36％镍钢)制造，该材料具有非常低的膨胀和收缩特性。因而，在这种管道中热应力几乎完全消除并且构造确实简单。但是，INVAR^TM钢相对昂贵，因此成本常常受到限制。

因此，虽然现有技术中低温管道有多种结构可用于减小热损失和热应力，但所有或者几乎所有的结构都存在着一些不利因素。所以，仍然需要对低温管道的结构和方法进行改进。

发明内容

本发明涉及管道的结构和方法，尤其是包含有隔壁的低温管道，其使用隔壁从内管向外管传递热应力，其中部分隔壁形成管路，该管路以不固定的方式地连接管道的两个内管，并且将产品从两个内管中的一个传送到另一个。最优地，该管道是传输液化天然气(LNG)的低温管道，而该隔壁是金属隔壁。但是，另一方面，非金属隔壁在这里也是适用的。这样的非金属隔壁通常会经由内管与外管间的摩擦联结传递热应力，并且仅在某些情况下才形成内管所运送的产品的管路。

在本发明主题的一个方面，低温管道包含有隔壁，该隔壁具有内部过渡元件以及连接至并至少部分地围绕所述内部过渡元件的第一、第二外部过渡元件。在这些实施例中，优选的是内部过渡元件形成从第一低温管道向第二低温管道传送低温产品的管路。优选地，第一和第二过渡元件将第一和第二外套管道分别与第一和第二低温管道连接，以使第一和第二低温管道中的热应力负载分别传递到第一和第二外套管道。

最优地，内部过渡元件具有管结构，其内径与第一和第二低温管道的内径大致相同，和/或外部过渡元件中的至少一个具有与第一和第二外套管道大致相同的外径。在第一和第二外部过渡元件之间还可设置袖部，并且内部过渡元件以及第一和第二低温管道中的至少一个至少部分围有绝缘材料。另外，可提供覆盖第一和第二外部过渡元件的外部绝缘。通常，内部过渡元件与外部过渡元件相邻，但并非必要。这里较合适的是，可以在第一和第二外套管道的至少一个上结合重物(例如，覆盖层)。

既而，在本发明主题的另一个方面，关注低温套管管道的安装接头，其中，安装接头的内部部分以不固定的方式连接该管道产品管路的第一和第二单元，安装接头的外部部分连接该管道外套的第一和第二单元，而且安装接头的内外部分连接在一起以使热应力负载从产品管路的第一和第二单元分别传送至管道外套的第一和第二单元。

最典型的是，所关注的安装接头的外部部分分成两个环状元件，其经由角形连接器与内部部分连接，和/或在两个环状元件之间设置袖部。更优地，绝缘材料可将产品管路的至少之一与该内部部分连接在一起，并且绝缘材料可以覆盖该外部部分以形成外部绝缘。

在本发明主题的又一个方面，连接第一和第二套管管道的方法可因而包括一个提供具有内部部分和外部部分的安装接头的步骤。在另一步骤中，该内部部分连接至套管管道中产品管路的第一和第二单元，以及在另一步骤中，该外部部分连接至套管管道中外套的第一和第二单元，其中执行不固定连接和连接的步骤以使所述内部和外部部分在套管管道中联合将热应力负载从产品管路的第一和第二单元分别传递至外套的第一和第二单元。

本发明的各种目的、特征、方面和优势将借助附图以及下面的本发明优选实施例的详细描述而变得更为直观。

附图说明

图1A是依据本发明主题的一个带有隔壁的管道的截面示意图。

图1B是图1A所示隔壁的详细视图。

图1C是依据本发明主题的另一个带有隔壁的管道的截面示意图。

图1D是图1C所示隔壁的详细视图。

图2是不具有隔壁的图1A所示管道的另一截面的示意图。

图3是围绕有绝缘体并连接有支撑外管的间隔装置的典型内产品管的照片。

具体实施方式

发明人披露了管道，尤其是传输低于环境温度的物质(例如，低温物质)的管道，所述管道能够以既增加机械稳定性又具有合适热绝缘的方式被构造，同时维持简单的机械结构，其制造和安装相对较便宜。

在本发明主题特别优选的方面，低温管道由传统材料制造。例如，套管管道中产品管可由额定为低温使用的钢(例如，9％镍钢)制造，而外套管可由碳钢制造。这种结构中的热绝缘优选为高性能毫微多孔气凝胶产品，通常约2英寸厚，在环境压力下毯形安装于该环状空间内。

在本发明主题的一个典型方面，使用多个隔壁(非金属，混合物，或金属)和间隔装置以在产品管道和外管道间形成环状空间，其中所述环状空间至少部分充满多微孔或毫微多孔绝缘材料。所述隔壁优选构造成(并连接所述内外管道)使得隔壁可将内低温产品管道上由收缩引起的轴向压缩负载传递至外套管道。在大多数这种管道的实施例中，所述环状空间的压力将处于环境压力下。因此，可意识到的是，这样构造成的套管系统可起到结构支柱的作用，并且在外界环境压力下在所述环状空间内保持热绝缘，从而不需要昂贵的合金、产生/维持真空、或使用膨胀风箱。

更特别地，在本发明主题更优选的方面，在管道端部连接内外管道的所述隔壁借助外管道的硬度平衡压缩力。在这种结构中，收缩力传递至外部管道，外部管道因此被压缩。为防止受压弯曲，围绕内产品管道设置间隔装置(例如，热隔离)以在各管间保持预定的距离，同时再围绕产品管道的剩余表面设置低温泡沫(例如，毫微多孔或多微孔泡沫)。尤其可意识到的是，这种管道结构非常有利允许使用9％镍钢制造产品管道以减少制造成本。

例如，图1A所描述的一个优选管道。这里，管道100A构造成套管管道，其具有分别形成第一和第二内管单元110A和110A’的内产品管。外管单元120A和120A’沿圆周方向围住内单元。安装接头120A由通过不固定连接至内管而形成产品管路一部分的内部部分122A、以及连接至外管单元120A和120A’的外部部分124A和124A’组成。附加的外部中间单元126A连接外部部分124A和124A’，并提供绝缘层130A以减少潜在的冷损失。

图1B显示了图1A所示安装接头120A的详细视图。这里，内部部分122B分别与内管单元110B和110B’焊接在一起，并进一步与依次焊接到外管单元120B和120B’的外部部分124B和124B’焊接起来。如上所述，中间单元126B焊接至外部部分124B和124B’。当然，应当认识到的是，虽然通常优选将安装接头通过焊接构造在原处，但也可使用单一安装接头，此时仅能焊接(或另外的连接方式，包括螺纹连接、法兰连接和胶合)于所述内外单元。几个等级的不锈钢已经为所述结构作了评估，并取决于服务需要和管道结构，确定以下材料在所述关注的结构中是特别优选的(316型不锈钢(ASTM A312)，和/或9镍钢(ASTM 333第8级管))。还可认识到的是，所述内管和/或外管的安装可以在运送低温物质过程中在冷却时满足松弛/收缩的要求。但是，通常优选没有上述要求的结构。

替代地，如图1C所描述的，也可以利用非金属隔壁将热应力从内管单元传递至外管单元，其中利用非金属隔壁140C的内外表面通过摩擦和剪应力连接器将热应力从内管单元110C和110C’传递至外管单元120C和120C’。图1C所示非金属隔壁更详细的典型视图在图1D中给出，其中内外绝缘未示出。

这里所关注的非金属隔壁是通常用作中间隔壁的，它与优选为金属的主端部隔壁分担一些热应力负载的传递。非金属隔壁优选包括坚硬的复合泡沫，它不仅用作绝缘体，也还作为传递热应力的媒介，所述热应力通过内管路和外包管之间的摩擦进行传递。凭借最终的热应力负载添加剪应力连接器的运用可能是必需的，它可以作为安装接头的边来焊接或者形成预先制作或铸造的形态。这些安装接头片可安装在管子的两个规则的单元之间并且最优的是也形成产品管路。内管路将是管子的短单元，其中所述剪应力连接器附于该外部表面，同时外管将包括分开的袖部以易于装配和焊接(所述剪应力连接器将用于内表面，如图1D所示)。

应当意识到的是，所述剪应力连接器可有多种形状，并且该特别的形状和结构将至少部分依赖于所述非金属隔壁的最终设计、内部非金属绝缘的材料特性、和/或连接器的形状。值得进一步关注的是，非金属隔壁可以通过环氧胶珠或包扎工具固定到内管路和外包管，以方便借助摩擦和壁表面剪应力的传递。

通常，优选的是，金属隔壁将用于套管结构的端部或者方向上的过渡变化处，例如在管道的弯曲处。无论如何，如果使用非金属隔壁，它将用作中间隔壁以在负载小于端部的区域传递热应力。在埋于地下或受限的管道中，因为在地下管道中(或在地上管道中的一些情形中，沿其长度在垫板上有直通限制)沿外部包套管的负载被传递至土壤，所以该端部将试图比管道内部部分前进更多。

因此，通常优选两个隔壁联合密封隔壁间的环状空间。在这个结构中，通常优选该环状空间处于环境压力下。但是，当在整个设计中引入泄漏检测系统时，保持该环状空间的压力稍高于环境压力可能是有利的。在这种情况下，环状空间压力的任何改变都会导致泄漏检测，无论是外部的还是内部的。

金属隔壁用于端部以实现所述环状空间的密封以及允许由轴向压缩负载引起的收缩的传递。另外，非金属隔壁的使用贯穿所述管道结构以提供额外的密封或用于挡水以及提供额外的负载传递。在这些隔壁之间，为了易于制作，使用非金属间隔装置或定中心装置以提供额外的支撑和结构硬度。图3描述了典型的非金属间隔装置(外管未示出)，其中内管被毫微泡沫绝缘体302(例如，各种各样的商用气凝胶或其它弹性绝缘覆盖层)所围住。间隔装置304优选由绝缘材料制成并靠着内管，以及限制带306保持该间隔装置处于预定的位置。

绝缘和间隔装置材料优选保持在外界环境压力下，这可以通过借助金属或非金属隔壁的密封来实现。所述隔壁将由内部低温运送管上轴向压缩负载引起的收缩传递至外部套管。由此形成的管道束是结构要素，它无需借助膨胀风箱或超低热收缩合金来处置所述热收缩和膨胀负载。

更好的机械稳定性可以通过将套管装配放置在受限的外界环境中来实现。例如，所关注的管道可以放置在沟槽中，同时精选的回填材料安装于管道之上。因此，在这种结构中，隔壁与外管道上的负载被传递至周围土壤。同样地，所述管道在地面上也可以受到限制。例如，所述管道可以放置在包含滑行的或装有万向接头的支撑的垫板基础上。

通常所关注的是，现有技术中有许多方法可用于所述(预先制作或装配)管道的安装，并且可认识到的是，特别的安装方法至少部分依赖所述管道的结构和重量。但是，特别优选的安装方法包括安装的拖曳方法或是借助水面驳船的安装。

关于特别管道的结构，所关注的是，特殊的需要通常将会指定所述结构。例如，管道内径通常定为易于操纵在特殊的时间框架内从油轮卸下LNG的流动的需要。因而，在这些使用方法中，正常的管道壁厚将符合直径与壁厚之比低于50，这样将允许管道在预期的低压下操作。类似的管道束结构已经构造用于底部拖曳和深度限制拖曳方法，该深度限制拖曳方法用于安在最大长度介于7和10英里之间的安装以及在介于400和500海里的距离之上拖曳至安装地点的安装。另一方面，尤其是在需要较长距离返回岸边地点的地方，所关注的是通过将LNG产品从低压流转变为较稠密状态的压力流使最大长度延长超过10英里，所述较稠密状态压力流将LNG保持在使蒸汽汽化最小化的范围内。但是，这个结构需要产品传送管道壁厚的增加和随之而来的整个设计的改变，伴随着绝缘需要的相应减少。

在更为关注的方面，优选地，管道将包含监测系统以处理在海底环境传输低温物质中的保险和安全问题。例如，在特别优选的方面，如图2示意性描述的，一个或更多光纤传感器可以用于测量实时张力、温度、振动和深水管道中的流动，其中传感器210、220和230可连接至内管、外管，和/或分别布置在内外管之间的绝缘空间内。在其它有利因素中，由于其具有多路传输能力、免除电磁干扰、坚固性和长距离信号传输能力，光纤传感器在深水中的运用是具有吸引力的。光纤传感器的益处还包括轻量级结构和相对小的尺寸，以及长寿命。而且，光纤传感器常常是惰性/抗腐蚀的，对要考察的物理结构的影响很少或没有，并且可以在带有易爆或易燃物质的环境中安全地运行。发明人近来的监测试验成功地使用了光纤传感器(数据未示出)，包括低温监测、张力和所关注的LNG管道热量的测试单元。

尽管所关注的管道结构和方法优选用于低温气体和液体，尤其用于LNG卸货和海上LNG终端，但这里还有许多可选择的利用被认为是适当的。例如，所关注的可选择的利用包括用于灌注LNG产品、储存和从容器卸货的传送管线，用于航空或其它应用的液态氢和氧的加料管线，以及其它需要通过管道传输低温产品的应用。所关注的利用还包括LPG的传输、低于环境温度的气体和液体的传输(例如，液化二氧化碳、LPG、液氮等等)。

因此，管道结构和方法的特殊实施例和应用已经予以披露。然而，本领域的技术人员明白，在不脱离此处创造性概念的情况下，除了已经描述的之外，更多的修改是可能的。因而，本发明的主题除所附权利要求的精神外将不受到限制。而且，在说明书和权利要求书的说明中，所有术语应当以最宽泛的可能的方式予以解释并保持上下文一致。特别是，术语“包括”和“包含”应当解释为以非排除的方式提到元件、组分或步骤，并指出所提及的元件、组分或步骤可以存在、被利用或是与其它没有明确提及的元件、组分或步骤组合。此外，如果在此引入作为参考的参考文献中的术语的定义或使用与与这里所规定的术语定义不一致或相反，则这里所规定的术语定义适用，而参考文献中的术语定义不适用。

Claims (20)

1.一种低温管道包括：

隔壁，其具有内部过渡元件以及第一和第二外部过渡元件，所述第一和第二外部过渡元件连接至所述内部过渡元件并至少部分地包围所述内部过渡元件；

其中所述内部过渡元件形成从第一低温管道向第二低温管道传送低温产品的管路；并且

其中所述第一和第二外部过渡元件将第一和第二外套管道分别连接到所述第一和第二低温管道，以使所述第一和第二低温管道上的热应力分别传递至所述第一和第二外套管道。

2.如权利要求1所述的管道，其中所述内部过渡元件具有内径与所述第一和第二低温管道的内径大致相等的管结构。

3.如权利要求1所述的管道，其中所述外部过渡元件中的至少一个具有与所述第一和第二外套管道的外径大致相等的外径。

4.如权利要求1所述的管道，还包括布置在所述第一和第二外部过渡元件之间的空间中的袖部。

5.如权利要求1所述的管道，其中所述内部过渡元件以及所述第一和第二低温管道中的至少一个被绝缘材料至少部分地围住。

6.如权利要求1所述的管道，还包括覆盖所述第一和第二外部过渡元件的外部绝缘。

7.如权利要求1所述的管道，其中所述内部过渡元件和外部过渡元件是相邻的。

8.如权利要求1所述的管道，还包括连接至所述第一和第二外套管道中的至少一个的重物覆盖层。

9.一种用于低温套管管道的安装接头，其中所述安装接头的内部部分以不固定的方式连接所述管道中产品管路的第一和第二单元，其中外部部分连接所述管道中外套的第一和第二单元，并且其中内部和外部部分连接在一起，以将来自所述产品管路第一和第二单元的热应力负载分别传递至所述管道中所述外套的第一和第二单元。

10.如权利要求9所述的安装接头，其中所述外部部分被分成两个环状元件，其经由角形连接器连接至所述内部部分。

11.如权利要求10所述的安装接头，其中在所述两个环状元件间的空间中布置有袖部。

12.如权利要求9所述的安装接头，还包括连接至所述产品管路和内部部分中的至少一个的绝缘材料。

13.如权利要求9所述的安装接头，还包括绝缘材料，其覆盖所述外部部分以形成外部绝缘。

14.如权利要求9所述的安装接头，其中所述内部和外部部分是相邻的。

15.一种连接第一和第二套管管道的方法，包括：

提供具有内部部分和外部部分的安装接头；

将所述内部部分以不固定的方式连接至套管管道中产品管路的第一和第二单元；

将所述外部部分连接至套管管道中外套的第一和第二单元；和

其中以不固定的方式连接和连接的步骤被执行，以使所述内部和外部部分在套管管道中协同将热应力负载从产品管路的第一和第二单元分别传递至所述外套的第一和第二单元。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述套管管道是低温套管管道。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述不固定连接的步骤包括焊接。

18.如权利要求15所述的方法，还包括将绝缘材料连接至所述产品管路第一和第二单元中至少一个的步骤。

19.如权利要求15所述的方法，还包括将间隔装置连接至所述产品管道第一和第二单元中至少一个的步骤，以在所述产品管路和外套间保持一定距离。

20.如权利要求15所述的方法，还包括将重物连接至所述外套第一和第二单元中至少一个的步骤。

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