CN101517297A - 改进型软管 - Google Patents

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Abstract

一种软管，其包括位于细长的内部和外部夹紧构件(22，24)之间的柔性材料管体(12)，其中管体(12)包括位于内部和外部加强层(14，16)之间的密封层(18)，其中外部夹紧构件(24)由能够环绕管体缠绕的柔性非刚性材料制成。

Description

改进型软管
技术领域
本发明涉及一种软管，特别是一种具有改进的外部夹紧构件的复合软管。本发明尤其与可以在低温条件下使用的软管有关。软管的典型应用包括在压力下从流体储存器中抽运流体。例如包括供给民用取暖油或者液化石油气(LPG)到锅炉中；从固定或浮式生产平台运送油田生产的液体和/或气体到船舶货舱，或者从船舶货舱到岸基存储单元；尤其是在一级方程式比赛的加油期间，传送燃料到跑车上；和运送腐蚀性流体，如硫酸。
背景技术
使用软管在低温下运输流体，如液化石油气是众所周知的。这样的软管通常用于运输液化石油气如液化天然气(LNG)和液化丙烷气(LPG)。
为了使软管具有足够的柔韧性，在任何特定长度上必须至少部分地由柔性材料构造，即非刚性材料。
这样软管的结构一般包括位于内部和外部螺旋绕组钢护线之间的柔性材料管体。上述两线通常以相同的节距缠绕，但是上述绕组彼此间隔半个节距的宽度。管体典型地包括内部和具有中间封闭层的外部层。内部和外部层为结构提供强度以运送在其中的流体。通常，管体的内部和外部层包括由聚酯形成的纤维层如聚对苯二甲酸乙二醇酯。中间封闭层提供密封以阻止流体渗透出软管，并且典型地为聚合物薄膜。
护线典型地在张力下环绕管体内部和外部表面施加。护线主要用于保持管体的几何形状。此外，外部线可用于抑制软管在高压下的过度周向变形。
这种一般类型的软管在欧洲公开号为0076540A1的专利中有描述。在上述专利说明书中描述的软管包括双向拉伸聚丙烯的中间层，所述中间层用于提高软管抵抗由于反复弯曲引起的疲劳的能力。
另一软管在GB-2223817A中有描述。上述专利中描述的软管是复合软管，它包括内螺旋金属核，多层塑料材料纤维和薄膜缠绕在该核上，至少一层玻璃布和至少一层铝箔彼此邻近并且缠绕在塑料材料上，和外部螺旋金属线圈架。此软管适于运输易燃的燃料和油。
复合软管的各种改进在专利文献WO01/96772，WO2004/044472和WO2004/079248中有描述，上述专利文献的内容仅供参考。
FR2235324公开了一种柔性管，它包括夹在2线圈之间的塑料层和加强层，所述线圈优选地为塑料材料。
DE3440459公开了一种包括夹在内部和外部金属或塑料材料螺旋体之间的保护嵌体的软管。
FR1499956公开了另一种管子。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种软管，其包括设置于细长的内部和外部夹紧构件之间的柔性材料管体，其中管体包括密封层和至少一个加强层，并且外部夹紧构件由能够环绕管体缠绕的柔性非刚性材料制成。
柔性非刚性材料的应用使外部夹紧构件易于环绕软管周围缠绕，特别是与传统非柔性和刚性的钢制外部夹紧构件相比。传统的钢制夹紧构件当然可以缠绕在软管上，但是并不属于标准意义上的柔性，即“能够容易地弯曲而不断裂”。传统的钢制夹紧构件需要能够环绕软管缠绕金属的专用机器，而柔性夹紧构件大体上由操作者环绕软管缠绕，但是通常仍然需要使用机器以达到合适的拉紧水平。在优选实施方式中，外部夹紧构件具有足够低的抗弯强度使其在纵向上不能支撑自身重量。
外部夹紧构件应具有足够的柔性，以使其可以环绕软管的其余部分缠绕而不产生断裂，并且可以应对在使用中施加到软管上的弯曲应力而不产生断裂。
因此，外部夹紧构件可以像能够环绕软管缠绕的绳子或者丝带一样，而不像传统的钢制夹紧构件需要施加大的弯曲力以环绕软管缠绕。
外部夹紧构件的优选特性，除最小的抗弯刚度以外，是它具有高抗拉强度，抗蠕变和/或具有最小的抗扭强度。
上述特性使外部夹紧构件可以很容易地环绕软管缠绕，同时使其保持高的卷绕张力以挤压软管的内部层。
设想外部夹紧构件可以优选为实心(即非空心的)构件。
在一个优选实施方式中，外部夹紧构件由多条纱线形成，每条纱线由多根加捻或者未加捻纤维形成。在一个供选择的实施方式中，外部夹紧构件是柔性的非刚性单纤维。在另一个供选择的实施方式中，外部夹紧构件可以由嵌入到柔性的非刚性聚合物基体中的纵向纤维(金属和/或聚合物的)形成；上述纤维可以是单纤维或者小金属线。
柔性的非刚性外部夹紧部件的应用被发现给予复合软管许多传统的钢制外部夹紧构件不具备的优点。第一，软管的制造更容易，因为更容易将外部夹紧构件施加到软管的其余部分。第二，外部夹紧构件的材料与传统的钢制夹紧构件相比更具弹性，因而不存在突发故障点，相反故障是逐步地。第三，外部夹紧构件可以引起软管爆裂阻力的改进，由于外部夹紧构件具有最小的抗弯刚度，增加外部夹紧构件的厚度是可能的，并且因此其强度，与传统的钢制夹紧构件相比，不会影响其便于施加于软管其余部分的。另一方面，如果传统钢制夹紧构件的厚度增加，最终环绕软管缠绕它会变得不切实际。
优选地，在管体和外部夹紧构件之间设置附加层，所述附加层在环绕管体缠绕外部夹紧构件之前施加。
最优选地，管体包括夹在内部和外部加强层之间的密封层。
优选地，软管进一步包括当管体受到轴向拉力时适于减少管体变形的轴向加强装置，并且当轴向加强装置受到轴向拉力时，所述轴向加强装置进一步适于施加向内的径向力到管体的至少一部分上。
在一个特别优选实施方式中，管体和轴向加强装置的破坏应力在1-10％范围内。更优选地，在环境温度和低温下破坏应力超过5％。
通过这样的设置，轴向加强装置提高了软管应对轴向应力的能力，并且同时在轴向拉伸过程中通过挤压管体的至少一部分而有助于软管的结构整体性。此外，管体的材料和轴向加强装置是最好兼容的以便于在操作中它们以相似的方式完成，以便于没有单个元件受到过度的应力和应变。这意味着管体和轴向加强装置的材料以相似的方式应对应变。对于本发明主要设想的上述软管应用的类型来说，一般需要至少3％的弯曲应变(对于圆筒形元件)。然而，中间层滑动和螺旋型定位元件的矫直将会造成这种滑动，仍然存在1％量级的合成应变作用于软管壁的结构元件。这可与对金属而言0.2％的典型屈服应力相比。
特别优选地，轴向加强装置由非金属材料制成，尤其是塑料材料-合适的材料以下将详细介绍。因为金属材料不大可能具有期望的应变特性。
优选地，管体和轴向加强装置包括相同的材料，最优选地为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，以下将进一步详细描述。
优选地，在外部夹紧构件和轴向加强装置之间设置又一加强层。
加强层的极限强度优选为对于8”(200mm)直径的软管为100到700KN之间。优选地加强层的失效弯曲应变范围为2％到15％。理想地，另外的加强层与轴向加强装置的材料相同，最优选地为UHMWPE。
优选地，轴向加强装置包括管状的由薄片材料形成的大致管状护套，以便于所述护套可以在受到轴向拉力时保持其管体形状的完整性。软管可以具有两个或多个管状护套以进一步提高软管处于轴向拉力下的性能。
在特别有利的实施方式中，轴向加强装置设置为大致管状织带(braid)的形式。在此说明书中术语“织带”涉及由两种或多种纤维或者纱线相互缠绕以形成细长结构的材料。织带的特征之一为当受到轴向拉力时可以伸长。织带的另一特征为当设置为管状形式并且受到轴向拉力时其直径会减小。因而通过设置环绕管体或者在管体内的管状织带，当受到轴向拉力时，所述织带将在管体的至少一部分上施加向内的径向力。
优选地，整个管状护套设置为织带的形式。但是，只在管状护套的一个或多个部分长度上设置织带是可能的。
同样优选地，织带以任意方式环绕管状护套的圆周延伸。但是，只在管状护套的部分圆周上设置织带是可能的。
织带可以为双轴形式(即织带只由两相互缠绕的纤维或者纱线形成)或者三轴形式(即还存在纵向延伸的纤维或者纱线，以增加轴向强度)。
尽管优选地是以织带的形式设置轴向加强装置，也可以以能够满足上述功能要求的其他形式设置。因而，轴向加强装置可以为环绕管体螺旋缠绕的线或者绳的合适布置。
软管结构的材料应该选择为使软管能够在其预期的环境中使用。因而，需要软管能够运送压力流体而不使流体透过软管壁泄露。还需要软管能够经受住重复弯曲，和经受住由软管和流体重量结合引起的轴向应力。此外，如果软管被期望用于运送低温流体，其材料应该能够在极冷的温度下工作而性能不会明显降低。
加强层或者每一加强层主要用于经受在传送流体期间软管受到的周向应力。因而，任何符合柔性程度要求和能够经受住必要应力的加强层都是能满足要求的。此外，如果软管用于传送低温流体，那么加强层或每一加强层必须能够经受住低温环境。
优选地，加强层或每一加强层由以螺旋方式缠绕成管状的薄片材料形成。也就是说当施加轴向力想拉开缠绕部分时，加强层或每一加强层对于轴向拉力不具有很多阻力。加强层或每一加强层可以包括薄片材料的一个单一连续层，或者可以包括薄片材料的两个或更多单一连续层。但是，更通常地(取决于软管的长度)，薄片材料的层或每一层可由沿软管长度设置的多个独立长度的薄片材料形成。
在优选实施方式中，每一加强层包括织物，更优选地为机织物(woven fabric)。加强层或每一加强层可以是天然或合成材料。加强层或每一加强层适于由合成聚合物如聚酯，聚酰胺或聚烯烃形成。合成聚合物可以是形成织物的纤维或者纱线。
当加强层或每一加强层包括聚酯时，优选地为聚对苯二甲酸乙二酯。
当加强层或每一加强层包括聚酰胺时，它可以是脂肪族聚酰胺(aliphatic polyamide)，如尼龙，或者可以是芳香族聚酰胺，如芳纶化合物。例如，加强层或每一加强层可以是聚对苯二甲酰对苯二胺(poly-(p-phenyleneterephthalamide))，如KEVLAR(注册商标)。
当加强层或每一加强层包括聚烯烃时，它可以是聚乙烯，聚丙烯或聚丁烯均聚物，或共聚物或三聚物，优选地为单轴向或双向定位。更优选地，聚烯烃是聚乙烯，并且最优选地聚乙烯是高分子量聚乙烯，尤其是UHMWPE。
本发明中使用的UHMWPE一般具有的平均分子量是400,000以上，典型地为800,000以上，通常是1,000,000以上。平均分子量通常不超过大约15,000,000。UHMWPE优选地以分子量从大约1,000,000到6,000,000为特征。UHMWPE在本发明中最有用的是高定向和可以通常在一个方向上拉伸至少2-5次和在另一方向上至少10-15次。
UHMWPE在本发明中最有用的是具有大于80％的平行定位，更通常地为大于90％，优选地为大于95％。结晶度一般大于50％，更通常地为大于70％。85-90％的结晶度是可能的。
UHMWPE在例如下述专利文献中有描述，US-A-4344908，US-A-4411845，US-A-4422993，US-A-4430383，US-A-4436689，EP-A-183285，EP-A-0438831，和EP-A-0215507。
特别有利地是，加强层或每一加强层包括高定向UHMWPE，如从DSM高性能纤维BV(荷兰公司)可获得的商品DYNEEMA，或者US公司联信公司(AlliedSignal Inc.)的商品SPECTRA。
关于UHMWPE的其它细节由DSM高性能纤维BV发行的，版本为02/98，命名为“DYNEEMA；纤维的最高性能；特性和应用”的贸易手册公开。关于SPECTRA的其它细节由联信公司发行的，版本为5/96，命名为“Spectra性能材料”的贸易手册公开。这些材料自从20世纪80年代就可以得到。
在优选实施方式中，加强层或每一加强层包括由布置在纬线和经线方向上的纤维形成的机织物。我们发现特别有利地是，加强层或每一加强层设置为使织物经线方向相对于软管轴向的角度向小于20°；此角度最好大于5°。在优选实施方式中，加强层或每一加强层设置为使织物经线方向相对于软管轴向的角度为10°到20°，最优选地为大约15°。
密封层主要用于防止传送的流体通过管体泄露。因而，任何符合柔性程度要求和具有期望的密封功能的密封层都是满足要求的。此外，如果软管用于传送低温流体，密封层必须能够抵抗低温。
密封层可以由与加强层或每一加强层相同的基础材料制成。作为选择，密封层可以是含氟聚合物，如：聚四氟乙烯(PFTE)；氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene copolymer)，如：从杜邦氟制品的商品特富龙FEP得到的六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物(四氟乙烯-全氟丙烯)；或者氟化烃-全氟烷氧基烷烃(fluorinatedhydrocarbon-perfluoralkoxy)-从杜邦氟制品的商品特富龙PFA得到。这些薄膜可以通过挤压或者吹炼制成。
优选地，密封层由以螺旋方式缠绕成管状的薄片材料形成。与加强层一样，也就是说当施加轴向力以拉缠绕部分时，密封层或每一密封层对于轴向拉力不具有很多阻力。密封层可以包括薄片材料的一个单一连续层，或者可以包括薄片材料的两个或更多单一连续层。但是，更通常地(取决于软管的长度)，薄片材料的层或每一层可以由沿软管长度设置的多个独立长度的薄片材料形成。如果需要的话，可以在内部加强层设置包括一个或多个热收缩密封套筒(即管状)的密封层。
我们希望密封层包括多个薄膜重叠层。优选地为至少2层，更优选地为至少5层，更好为至少10层。实际上，密封层可以包括20，30，40，50或者更多薄膜层。层数的上限取决于软管的外形尺寸，但是不可能需要超过100层。通常，最多50层已经足够了。每一薄膜层的厚度范围典型地为50-100微米。
当然，设置多于1个密封层是希望的。
特别优选地密封层的实施方式中描述如下：
轴向加强装置还可以由与加强层或每一加强层相同的材料形成。因而很明确地，轴向加强装置，加强层或每一加强层和密封层都可以由相同的基本化合物形成。但是，为提供需要的功能，化合物的形式必须是不同的，即轴向加强装置提供轴向加强功能，加强层或每一加强层提供抵抗周向应力的强化作用，密封层提供密封功能。我们发现UHMWPE是最合适的，特别是产品DYNEEMA和SPECTRA。这些材料在低温条件下效果也很好。在以上关于加强层中论述过的UHMWPE的优选参数(分子量范围等)，对于轴向加强装置同样是适当的。在这方面应当指出，但是，用于轴向加强装置的UHMWPE的参数不需要与用于加强层的UHMWPE的参数相同。
轴向加强装置可以设置于管体层的内部。但是，优选地轴向加强装置位于管体和外部夹紧构件之间。在另一优选实施方式中，所述轴向加强装置设置于管体层内，而还有另一轴向加强装置设置于管体和外部夹紧构件之间。
当软管用于低温应用时，最好在管体上提供隔热。可以在外部线和管状护套之间和/或外部线外部提供隔热。隔热可以包括常规的为低温设备提供隔热的材料，如合成泡沫材料。优选地，轴向加强装置还环绕隔热层设置以压缩隔热层和保持它们的结构完整性。优选地，除位于外部夹紧构件和管体之间的轴向加强装置之外，还设置有环绕隔热层的轴向加强装置。特别合适的隔热形式以下将详细说明。
根据本发明的另一方面，提供一种软管，所述软管包括位于细长的内部和外部夹紧构件之间的柔性材料管体，其中管体包括密封层和至少一个加强层，并且外部夹紧构件由能够环绕管体缠绕的柔性聚合物材料制成。根据本发明此方面的软管可以包括根据本发明第一方面的软管的特征和额外特征的任何理想地结合。根据本发明另一方面，提供了一种制造软管的方法，包括：
(a)将细长的内部夹紧构件环绕一管状芯轴缠绕以形成内部线圈；
(b)可选择地将薄片形式的内部加强层螺旋地环绕包缠所述内部线圈和芯轴；
(c)将薄片形式的密封层螺旋地环绕包缠所述内部加强层；
(d)将薄片形式的外部加强层螺旋地环绕包缠所述密封层；
(e)把由柔性非刚性材料形成的细长的外部夹紧构件环绕缠绕外部加强层以形成外部线圈；
(f)固定步骤(e)中生成的软管的端部；和
(g)从芯轴移出软管。
优选地，外部夹紧构件具有足够低的抗弯刚度以使其在纵向上不能够支撑自身重量。
理想地，外部夹紧构件具有柔性绳或者带的形式。
优选地，所述方法在步骤(d)和(e)之间进一步包括以下步骤：
(d1)将管状轴向加强护套拉过芯轴的自由端，使得芯轴在轴向加强护套内延伸，然后沿芯轴拉动所述轴向加强护套使得其至少部分地覆盖管体，其中，轴向加强护套适于在管体受到轴向拉力时减小管体的变形，并且适于在轴向加强护套受到轴向拉力时在管体的至少一部分上施加向内的径向力。
优选地，夹紧构件和薄片材料在拉紧的条件下施加以使软管具有良好的结构完整性。
优选地，如上所述，步骤(b)中的薄片材料包括夹有密封层的两个加强层。在优选实施方式中，内部加强层以薄片形式，螺旋地环绕内部夹紧构件和芯轴缠绕；密封层以薄片形式，螺旋地环绕内部加强层缠绕；外部加强层以薄片形式，螺旋地环绕密封层缠绕。通常会设置多个密封层。
管状轴向加强护套可以与上述轴向加强护套相同，优选地为织带。
优选地，内部和外部夹紧构件以大体上具有相同的节距的螺旋构型施加，并且外部线圈的线圈位置与内部线圈的线圈位置偏移半个节距长度。
根据本发明的软管可以具有WO01/96772，WO2004/044472和WO2004/079248中所述软管的特征。特别地，软管可以具有WO01/96772和WO2004/044472中所述的端部配件。
在本发明的上述方面，每个夹紧构件典型地包括螺旋缠绕夹紧构件，以便于它们形成线圈，特别是螺旋线圈。夹紧构件的螺旋线典型地设置为它们彼此偏移半个螺旋线节距的距离。夹紧构件用于紧紧地夹住管体以保持管体层不动和使软管具有结构完整性。内部夹紧构件优选地为金属，特别是钢，奥氏体不锈钢或铝。如果需要的话，内部夹紧构件可以电镀或覆盖有聚合物。内部夹紧构件优选地为刚性或相对非柔性的，因为它具有为软管提供内部支承结构的功能。典型地，内部夹紧构件是足够刚硬的以至于其环绕芯轴缠绕必须使用能够使其弯曲的机器。内部夹紧构件优选地为具有足够的刚性以便于它能够在纵向上支承其自身的重量。优选的内部夹紧构件和外部夹紧构件的区别之一是它可以独立地保持任何它弯曲成的形状(即线圈)而不需要任何额外的支承。而外部夹紧构件需要软管其余部分的支承，和在端部拉紧以保持其形状。
尽管夹紧构件可以具有相当大的抗拉强度，在线圈中设置线意味着夹紧构件可以在受到相对小的轴向拉力时变形。线圈的任何重大变形将很快破坏软管的结构完整性。
根据本发明，外部夹紧构件由柔性的非刚性材料制成。外部夹紧构件可以主要和全部是聚合物材料，特别是聚合物纤维，或者可以主要或全部是金属，特别是金属纤维，如金属(典型地为钢)缆，线或绳，只要夹紧构件是柔性和非刚性的。在一实施方式中，外部夹紧构件是金属，特别是金属纤维，如钢，和聚合物材料，特别是聚合物纤维，如UHMWPE的结合体。
最优选地，如上所述外部夹紧构件由UHMWPE制成。可选择地，外部夹紧构件可以由Kevlar(RTM)或者聚酯制成。外部夹紧构件还可以包括基体中的加强纤维如玻璃或碳。
外部夹紧构件的柔性应是足够的以使其能够环绕软管缠绕。
柔性外部夹紧构件的应用使生产高强度软管而不增加其重量和抗弯强度成为可能。这使得施加更高张力以支承软管结构在一起成为可能并且减小了现有技术中与金属线有关的回弹，所述回弹由弯曲的弹性元件造成，所述弯曲存储在弯曲的金属线中。此外，由于柔性的外部夹紧构件，不必塑性弯曲(更大直径的)金属线-这提高了对施加拉伸的控制。柔性夹紧构件克服了使用同质金属线对于已知材料来说要增加线的强度只能通过增加线的直径(强度与直径的平方成比例)的缺点，但是，不利的是，这相当大地增加了抗弯刚度(抗弯刚度与直径的四次方即面积的二次矩成比例)。
根据本发明的软管可以在多种条件下使用，如温度高于100℃，温度从0℃到100℃和温度低于0℃。若选择合适的材料，软管可以在温度低于-20℃，低于-50℃或者甚至低于-100℃的条件下使用。例如，对于传送LNG，软管可能在低至-170℃，或者更低的温度下工作。此外，软管还可以被预期用于传送液态氧(沸点为-183℃)或者液态氮(沸点为-196℃)，在这种情况下，软管需要在-200℃或更低的温度下工作。
根据本发明的软管还可以用于多种不同用途。典型地，软管内径的范围可以是从大约50mm到大约600mm，更典型地从大约200mm到大约400mm。通常，软管的工作压力范围可以是从大约500kPa测量值到大约2000kPa测量值，或者可能到大约2500kPa测量值，这些压力涉及软管的工作压力，而不是爆裂压力(其必须大几倍)。体积流速取决于流体介质，压力和内径。典型地流速为从1000m3/h到12000m3/h。
根据本发明的软管还可以用于腐蚀性材料，如强酸。
附图说明
图1示出根据本发明的软管在工作中可能受到的主要应力的示意图；
图2示出根据本发明软管的横截面示意图；
图3示出根据本发明软管的加强层的结构的截面图；
图4A示出根据本发明软管的管状轴向加强护套的结构的截面图，所述轴向加强护套处于放松条件；
图4B示出根据本发明软管的管状轴向加强护套的结构的截面图，所述轴向加强护套处于收紧状态；
图5A、5B、5C和5D示出根据本发明软管的四种应用；
图6示出根据本发明软管的密封层的横截面图；
图7更详细地示出图2中软管的隔热层的横截面图。
具体实施方式
更详细地，图1示出软管H在使用期间通常受到的应力。周向应力(hoop stress)用箭头HS表示，其是切向地作用于软管H周边的应力。轴向应力用箭头AS表示，其是沿着软管H的长度方向轴向地作用的应力。弯曲应力用FS表示，其是当软管H弯曲时横向地作用于软管纵向轴线的应力。扭转应力(torsional stress)用TS表示，其是绕着软管的纵向轴线作用的扭应力(twisting stress)。压挤应力(crushing stress)用CS表示，其由径向施加于软管H外部的负载产生。
周向应力HS由软管中的流体压力产生。轴向应力AS由软管中的流体压力以及软管H中的流体重量和软管H自身的重量的结合产生。弯曲应力FS是由需要使软管H弯曲以将其放置在适当的位置上造成的。现有技术中的软管一般能够经受住周向应力HS，弯曲应力FS和扭转应力TS，但是较少的能经受住轴向应力AS。因此，当现有技术中的软管在受到大的轴向应力AS时一般需要被支撑，以使轴向应力AS最小化。
经受住轴向应力AS的问题已经被本发明解决。在图2中根据本发明的软管一般用10表示。为了提高图2中各层缠绕的清晰度，在其它图中，并没有示出。
软管10包括管体12，所述管体12包括内部加强层14，外部加强层16，和夹在层14和16之间的密封层18。环绕着外部加强层16外表面布置用于提供轴向加强的大致管状护套20。
管体12和管状护套20位于由钢制成的内部螺旋线圈线22和由柔性聚合物(如UHMWPE)制成的外部螺旋线圈线24之间。内部和外部线22和24被布置为它们彼此偏移对应于线圈半个螺旋节距长度的一段距离。
软管还包括在图1中示出的用附图标记200表示的端部配件。
隔热层26环绕外部线24布置。所述隔热层可以使用传统的隔热材料，如塑料泡沫，或者以下关于图7描述的材料。
加强层14和16包括合成材料的机织物，如UHMWPE或者芳纶纤维。图3示出了内部加强层14，从中可以清楚地看出内部加强层14包括沿经线方向W布置的纤维14a和沿纬线方向F布置的纤维14b。在图3中为了提高清晰度只示出了层14。我们意外地发现通过将内部加强层14设置为使经线方向W处于相对于软管10的纵向轴线小于20°，典型地大约为15°的低角度可以改善软管10的轴向强度。上述角度在图3中的用符号α示出。外部加强层16的结构和方向大体上与内部加强层14相同；外部加强层16的角度α可以与内部加强层14的角度α相同或者不同。
密封层18包括多个环绕内部加强层14的外表面包缠的塑料薄膜层，以在内部和外部加强层14和16之间提供流体密封。
软管10进一步包括位于护套20和外部线24之间的加强层21。加强层21可以具有与护套20和管体12相似的特性。
管状护套20由编织成管状织带的两组纤维20a和20b形成。这由图4A和4B示出，在这些附图中为了提高清晰度只示出了管状护套20。在纤维20a和20b之间存在间隔28，以便于当管状护套20受到轴向拉力时纤维20a和20b可紧缩移入到间隔28中。这以试图减小管状护套20直径的方式动作，使其环绕管体12绷紧，从而增加软管10的结构完整性和爆裂压力。图4B示出了在收紧状态下的管状护套20。
图6中更详细地示出了密封层18。密封层18的应用提高了软管抵抗弯曲应力FS和周向应力HS的性能。
如图6所示，密封层18包括由第一聚合物(如高定向UHMWPE)制成的多个薄膜层18a，它们与由第二聚合物(如PFTE或者FEP)制成的多个薄膜层18b交叠布置，上述两种聚合物具有不同的硬度。层18a和18b环绕内部加强层14的外表面包缠以在内部和外部加强层14和16之间提供流体密封。如上所述，层18a和18b不必以一种交替的方式设置。例如，所有层18a可以设置在一起，并且所有层18b可以设置在一起。
图7中更详细地示出了隔热层26。所述隔热层主要与提高软管抵抗弯曲应力FS的性能以及隔热软管的性能有关。
隔热层26包括内部层26a，内部层26a由已经喷涂，浇铸或者其他方式施加到管体12和外部线24上的聚氨酯形成。硬化以后，聚氨酯层26a形成内部嵌入有外部线24的坚固基体。这有利于将外部线24固定就位。在优选实施方式中，内部层26a在其内部具有气泡。
隔热层26包括在层26a上的层26b。层26b包括由玄武岩纤维(basalt fibre)形成的织物。层26b提供了软管10的大部分隔热性能。
隔热层26进一步包括在层26b上的层26c。层26c包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)如迪尼玛(DYNEEMA)或者斯佩克特拉(SPECTRA)。层26c主要用于加强抵抗周向和弯曲应力的强度。
隔热层26进一步包括压挤层26d，压挤层26d用于压挤所述层26b，因为我们发现玄武岩纤维层26b的隔热性能在压挤条件下提高很多。压挤层26d可以，例如，包括紧紧环绕包缠所述层26c的绳或线。优选地，压挤层26d包括与如上述护套20类似的轴向加强护套。
另外的包含气泡的聚氨酯层(图中未示出)可设置在层26d上以进一步提高软管10的隔热性能和浮力。另外的不包含气泡的聚氨酯层(图中未示出)可设置在包含气体的聚氨酯层上。另外的聚氨酯层可以附加地或者替代地设置在层26d中。对于层26a自身也可包含气泡。
软管10可以由以下工艺制造。第一步是将内部线22环绕支撑芯轴(图中未示出)缠绕，以提供具有期望节距的螺旋排列。支撑芯轴的直径对应于期望软管10的内径。然后内部加强层14环绕包缠内部线22和支撑芯轴，使得经线方向W设置为期望的角度α。
组成密封层18的多个塑料薄膜层18a，18b环绕包缠内部加强层14的外表面。通常，薄膜18a和18b具有大体上小于软管10长度的长度，以便于多个具有各自长度的薄膜18a和18b环绕缠绕内部层14。薄膜18a和18b优选地以交替方式穿过密封层18的厚度设置。典型地穿过密封层18的厚度存在5个独立的薄膜层18a和18b。
外部加强层16环绕包缠密封层18，使得经线方向W设置为期望的角度(可以是α，或者其它一些与α接近的角度)。管状轴向加强护套20位于外部加强层16的外部，然后另外的加强层21环绕包缠护套20。
然后，外部线24环绕包缠另外的加强层21，以提供具有期望的节距的螺旋排列。外部线24的节距通常与内部线22的节距相同，并且线24的位置通常设置为使线24的线圈以对应于半个节距长度的距离与线22的线圈偏移；这由图2示出，其中节距长度由P表示。
然后，聚氨酯树脂被喷涂到加强层21的外表面上以形成覆在加强层21和外部线24上的树脂涂层。然后上述树脂经过硬化，以形成层26a。上述树脂在硬化前(典型地是在喷涂或者油漆之前)可被充气以在其中提供气泡。玄武岩纤维层26b然后环绕包缠聚氨酯层26a，并且UHMWPE层26c然后环绕包缠所述层26b。最后，压挤层26d施加于层26c上。
软管10的端部可以通过将套管卷边到软管10内部的嵌入件上而密封。一般在软管10移出芯轴以后施加终端。
图5A到5D示出了软管10的三个应用。在图5A到5C的每一个中，浮式生产储卸容器(FPSO)102通过根据本发明的软管10连接到液化天然气(LNG)载体104上。所述软管10把LNG从FPSO102的储藏罐运送到LNG载体104的储藏罐中。在图5A中，软管10位于海平面106以上。在图5B中，软管10浸没在海平面106以下。在图5C中，软管10漂浮在海平面附近。在每种情况下软管10运送LNG都不需要任何中间支撑。在图5D中LNG载体通过软管10连接到岸基储藏设备108。
软管10可以用于很多除了图5A到5C中示出的应用以外的其它应用。上述软管可以用于低温或者非低温条件下。

Claims (31)

1、一种软管，包括设置于细长的内部和外部夹紧构件之间的柔性材料管体，其中管体包括密封层和至少一个加强层，并且外部夹紧构件由能够环绕管体缠绕的柔性非刚性材料制成。
2、如权利要求1所述的软管，其中，外部夹紧构件主要或者全部由聚合物材料形成。
3、如权利要求1或2所述的软管，其中，外部夹紧构件由超高分子量聚乙烯形成。
4、如权利要求1所述的软管，其中，外部夹紧构件主要或者全部由金属形成。
5、如上述权利要求之一所述的软管，其中，外部夹紧构件具有足够低的抗弯刚度以使其在纵向上不能够支撑自身重量。
6、如上述权利要求之一所述的软管，其中，外部夹紧构件具有柔性非刚性绳、线、缆或者带的形式。
7、如上述权利要求之一所述的软管，其中，外部夹紧构件是由多根未加捻的或者加捻的聚合物纤维形成的纱线的形式。
8、如权利要求1-6之一所述的软管，其中，外部夹紧构件是柔性非刚性单纤维的形式。
9、如上述权利要求之一所述的软管，其中，内部夹紧构件由与外部夹紧构件相比相对不柔软的刚性材料形成。
10、如上述权利要求之一所述的软管，其中，内部夹紧构件由金属形成。
11、如上述权利要求之一所述的软管，其中，内部夹紧构件由钢形成。
12、如上述权利要求之一所述的软管，其中，内部和外部夹紧构件包括螺旋线圈。
13、如上述权利要求之一所述的软管，其中，管体包括至少两个加强层，并且密封层位于所述加强层的两个之间。
14、如上述权利要求之一所述的软管，进一步包括由设置为管形的薄片材料形成的大致管状护套的轴向加强装置，以便于当受到轴向拉力时管状护套可以保持其管形的完整性。
15、如上述权利要求之一所述的软管，其中，轴向加强装置设置为大致管状织带的形式。
16、一种制造软管的方法，包括：
(a)将细长的内部夹紧构件环绕一管状芯轴缠绕以形成内部线圈；
(b)可选择地将薄片形式的内部加强层螺旋地环绕包缠所述内部线圈和芯轴；
(c)将薄片形式的密封层螺旋地环绕包缠所述内部加强层；
(d)将薄片形式的外部加强层螺旋地环绕包缠所述密封层；
(e)把由柔性非刚性材料形成的细长的外部夹紧构件环绕缠绕外部加强层以形成外部线圈；
(f)固定步骤(e)中生成的软管的端部；和
(g)从芯轴移出软管。
17、如权利要求16所述的方法，其中，外部夹紧构件主要或者全部由聚合物材料形成。
18、如权利要求16或17所述的方法，其中，外部夹紧构件由超高分子量聚乙烯形成。
19、如权利要求16所述的方法，其中，外部夹紧构件主要或者全部由金属形成。
20、如权利要求16到19之一所述的方法，其中，外部夹紧构件具有足够低的抗弯刚度以使其在纵向上不能够支撑自身重量。
21、如权利要求16到20之一所述的方法，其中，外部夹紧构件具有柔性非刚性绳、线、缆或者带的形式。
22、如权利要求16到21之一所述的方法，其中，外部夹紧构件是由多根未加捻的或者加捻的聚合物纤维形成的纱线的形式。
23、如权利要求16到21之一所述的方法，其中，外部夹紧构件是柔性非刚性单纤维的形式。
24、如权利要求16到23之一所述的方法，其中，内部夹紧构件由与外部夹紧构件相比相对不柔软的刚性材料形成。
25、如权利要求16到24之一所述的方法，其中，内部夹紧构件由金属形成。
26、如权利要求16到25之一所述的方法，其中，内部夹紧构件由钢形成。
27、如权利要求16到26之一所述的方法，其中，内部和外部夹紧构件包括螺旋线圈。
28、如权利要求16到27之一所述的方法，在步骤(d)和(e)之间进一步包括以下步骤：
(d1)将管状轴向加强护套拉过芯轴的自由端，使得芯轴在轴向加强护套内延伸，然后沿芯轴拉动所述轴向加强护套使得其至少部分地覆盖管体，其中，轴向加强护套适于在管体受到轴向拉力时减小管体的变形，并且适于在轴向加强护套受到轴向拉力时在管体的至少一部分上施加向内的径向力。
29、如权利要求16到28之一所述的方法，其中，线圈和薄片材料在受拉状态下施加。
30、如权利要求16到29之一所述的方法，其中，内部和外部夹紧构件以大体上具有相同节距的螺旋构型施加，并且外部线圈的线圈位置与内部线圈的线圈位置偏移半个节距长度。
31、如权利要求16到30之一所述的方法，其中，轴向加强护套包括管状织带。
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