CN101586708A - 深海油气输送复合管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋油气输送技术领域的深海油气输送复合管及其制造方法，包括：钢带层、内管、管接头和保温层和保护层，其中：管接头固定设置于内管的两端，钢带层、保温层和保护层依次设置于内管的外部。本发明通过采用抗拉强度在1000MPa以上的钢带作为外层材料包裹在强度级别较低的可焊管的管外壁制成高抗拉性能和抗疲劳性能又便于安装施工，经济且安全可靠的深海油气集输管。

Description

深海油气输送复合管及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种海洋油气输送技术领域的装置及其制造方法，具体是一种深海油气输送复合管及其制造方法。

背景技术

在过去的50多年中，海洋开发的深度以h≈(1/540)N^3.5的规律递增(Sarpkaya，2004)。离岸产油的水深纪录不断被打破，世界上已经出现了水深超过3000米的油井。将石油或天然气从海底井口输送到海面作业平台的油气输送管道-立管是进行深海油气开采的关键设备之一。这些管道受到内压、外压、轴向拉力和弯矩的作用，同时由海流引起的立管涡激振动是导致立管结构疲劳破坏的主要原因。因此寻求抑制立管涡激振动或提高立管疲劳性能的措施一直是深海立管研究者努力的主要方向。深海立管或油气集输管线所处的海洋环境较浅海要恶劣得多。不但管道在工作时的受力状态要苛刻，同时管道安装也要比浅海困难得多。因此对深海油气管线的材料的力学性能，设计、制造及安装都提出更高的要求。

目前立管的安装形式主要有顶部张紧式，悬链线式及其混合式。深海立管由于长度较大，易于受到海流的作用产生涡激振动，同时受到顶部张力或弯矩的作用使得立管的焊接接头处易于产生疲劳等损伤，在实践中采用高强度高韧性材料，如钛合金，高强度钢X70，X80等材料。常用立管的结构型式有单层管和多层复合柔性管，复合材料立管主要见于实验研究中。多层复合柔性立管，目前世界上只有少数几个公司能生产，价格昂贵且供货得不到保障。钛合金管造价太高，同样也面临涡激振动疲劳问题。对于深海立管来说，从海底井口到海面采油平台，管线长度从几百米到几千米，立管所受内压、外压、轴向力和弯矩随不同部位(深度)而不同，涡激振动的幅值和频率也将不同。合理的立管设计能够综合考虑上述因素随位置的变化，采用单层钢管则不易实现该目的。

从现场安装角度来说，油气输送管道通常是由若干根一定长度的钢管(一般为十多米长)在海上铺管船上通过焊接连接而成。对于一定长度的油气输送管道来说，每根钢管的长度越小管线的焊缝就越多，海上施工劳动强度越大，效率就越低，安装成本高。同时焊缝是钢管的薄弱环节，研究表明疲劳裂纹易发生于焊缝焊趾、未焊透、夹杂、错边等缺陷处，且一旦出现宏观裂纹，发生裂纹扩展穿透管壁而泄漏或断裂。无论是发生泄漏还是断裂都将对安全生产和海洋环境产生严重危害。深海立管由于长度较大，易于受到海流的作用产生涡激振动，对于顶张紧型立管同时还受到顶部张力的作用使得立管的接头处易于产生疲劳等损伤，涡激振动疲劳损伤是立管主要的失效形式。对于悬链线立管近海底部分受到较大的附加弯矩，同时也受到平台涡激运动导致的疲劳损伤。立管由于涡激振(运)动产生的疲劳损伤和立管的材料性能，结构几何尺寸及阻尼等相关。就结构的抗疲劳或止裂性能来说，单层结构不如多层结构。

复合钢管结构一是提高结构的阻尼和柔性，二是提高其疲劳阻抗，减少焊缝。深海立管施工环境差，应尽可能地减少焊接接头，每一根钢管尽可能的长，这样就可以使得海上施工的效率得以提高。

经过对现有技术的检索发现，现有技术主要采用可焊接的中低强度钢带或型钢带在端部和封头焊接连接，如申请号94109273.9的“型钢绕带式压力容器及其制造方法和绕带装置”以及申请号91228870.1的“用于深冷低温的多层绕带式高压容器”均用来制造多层式高压容器，在深海油气开发用立管中，现有技术中只有多层柔性管采用类似结构，成本很高，不能实现不可焊钢材之间的复合。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种深海油气输送复合管及其制造方法，采用高抗拉强度的钢带作为外层材料包裹在强度级别较低的可焊管的管外壁制成具有高的抗拉性能和抗疲劳性能又便于安装施工，经济且安全可靠的深海油气集输管。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及深海油气输送复合管包括：内管、钢带层，管接头和保温层和保护层，其中：管接头固定设置于内管的两端，钢带层、保温层和保护层依次设置于内管的外部。

所述的内管为若干根可焊管对接焊制成，该可焊管为钢材或钛合金制成。

所述的钢带层包括：轴向钢带层、轴向钢带锁紧环、环向钢带锁紧环和两层环向钢带层，其中：轴向钢带层环绕包覆于内管外壁圆周上，轴向钢带锁紧环与轴向钢带层并分别与管接头紧密套接固定，两层环向钢带层分别依次环绕包覆于轴向钢带层外侧，环向钢带锁紧环位于环向钢带层的两端并紧密套接于环向钢带层的外部。

所述的轴向钢带层为若干根沿内管轴向平行紧密排列的钢带；

所述的环向钢带层为若干根沿内管的轴向紧密环向缠绕的钢带；

所述的钢带截面形状为矩形或圆形，其中：矩形钢带的宽度或圆形钢带的直径为1mm～60mm。

所述的管接头为焊接式接头或法兰式接头，在管接头的锥颈上设有凹槽，该凹槽的尺寸与环向钢带锁紧环相匹配，其中所述的法兰式接头的法兰端面分别设有密封凸面和密封凹面。

所述的轴向钢带锁紧环的内壁为锥形结构，该锥形结构与管接头的锥颈相匹配。

所述的环向钢带锁紧环为两块相同的双瓣半圆结构，该双瓣半圆结构的两端面设有波浪形状的扣紧槽。

所述的保温层为筒状结构，由多孔保温材料制成；所述的多孔保温材料为聚氨酯或泡沫塑料。

所述的保护层为筒状结构，由硬质防水材料制成；所述的硬质防水材料为PVC、聚氯乙烯或玻璃钢。

本发明涉及上述深海油气输送复合管的制造方法包括以下步骤：

第一步、将若干根可焊管通过对接焊焊成长的内管，套上轴向钢带锁紧环，将内管与管接头对焊，经探伤合格后磨削平内管的外壁焊缝；

第二步、按照内管的外周长和钢带的宽度确定钢带数量，将钢带在内管的外壁上沿内管轴向平行紧密排列制成轴向钢带层，然后再通过轴向钢带锁紧环的锥面将轴向钢带层两端锁紧于管接头上；

第三步、将若干根钢带在轴向钢带层的外部一端沿内管的轴向紧密环向缠绕，至达到轴向钢带层的外部另一端制成第一层环向钢带层后沿反方向再次缠绕第二层环向钢带层，最后分别将第一层环向钢带层的钢带首端和末端与第二层环向钢带层的钢带首端和末端固定连接后用环向钢带锁紧环在管接头锥颈上的凹槽处锁紧，制成复合管。

第四步、将复合管的两端密封后进行过压测试使内管和钢带层胀贴紧；

所述的过压测试是指以压强为16MPa～80MPa进行水压胀贴处理并兼作水压试验。

第五步、对复合管的外部喷涂或涂刷防腐蚀油漆，待油漆干燥后在复合管的外部依次套接并固定保温层和保护层，复合钢管制备完成。

本发明与现有技术相比：采用不可焊接的抗拉强度在1000MPa以上的钢作为外层复合层材料，通过机械连接方式进行复合制成复合管，使得复合管的结构和可用材料的范围更宽，充分发挥不同材料的性能，获得性能优化的复合管。

附图说明

图1为本发明主剖视图；

图2为本发明横剖视图；

图3为本发明中段管的纵剖视图；

图4为焊接式接头示意图；

图5为法兰式接头的示意图；

其中：图5a为密封凸面示意图；图5b为密封凹面示意图；

图6为轴向钢带锁紧环结构示意图；

图7为环向钢带锁紧环结构示意图；

其中：图7a为双瓣半圆结构；图7b为局部放大示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：内管1、钢带层2，第一管接头3、保温层4、保护层5和第二管接头6，其中：第一管接头3和第二管接头6分别固定设置于内管1的两端，钢带层2、保温层4和保护层5依次设置于内管1的外部。

所述的内管1为4根可焊管对接焊制成。

如图2和图3所示，所述的钢带层2包括：轴向钢带锁紧环7、环向钢带锁紧环8、轴向钢带层9、第一环向钢带层10和第二环向钢带层11，其中：轴向钢带层9环绕包覆于内管1外壁圆周上，轴向钢带锁紧环7与轴向钢带层9并分别与第一管接头3和第二管接头6紧密套接固定，第一环向钢带层10和第二环向钢带层11分别依次环绕包覆于轴向钢带层9外侧，环向钢带锁紧环8位于第二环向钢带层11的两端并在管接头锥颈上的凹槽处紧密套接于第二环向钢带层11的外部。

如图3所示，所述的轴向钢带层9为80根沿内管1轴向平行紧密排列的矩形钢带12；

如图2所示，所述的第一环向钢带层10和第二环向钢带层11为8根沿内管1轴向紧密环向缠绕的矩形钢带13；

所述的矩形钢带12的截面宽度为8mm，所述的矩形钢带13的截面宽度为6mm；

如图4所示，所述的第一管接头3为焊接式接头，在第一管接头3的锥颈14上设有凹槽15，该凹槽15的尺寸与环向钢带锁紧环8相匹配使得第二环向钢带层11的两端得以紧密套接；

如图5a和图5b所示，所述的第二管接头6为法兰式接头，在第二管接头6的锥颈14上设有凹槽15，该凹槽15的尺寸与环向钢带锁紧环8相匹配，该法兰式接头的法兰端面分别设有密封凸面16和密封凹面17。

如图6所示，为轴向钢带锁紧环7的剖面视图，该轴向钢带锁紧环7的内壁18为锥面，该锥面的斜率与第一管接头3或第二管接头6的锥颈14相匹配。

如图7a和图7b所示，为环向钢带锁紧环8的剖面视图，该环向钢带锁紧环8为两块相同的双瓣半圆结构，该双瓣半圆结构的两端面设有波浪形状的扣紧槽19，用于将环向钢带锁紧环8扣紧于第二环向钢带层11上；

所述的矩形钢带12和矩形钢带13采用抗拉强度1000MPa以上的材料制成。

所述的保温层4为筒状结构，由多孔保温材料制成；所述的多孔保温材料为泡沫塑料。

所述的保护层5为筒状结构，由硬质防水材料制成；所述的硬质防水材料为聚氯乙烯。

本实施所述输送复合管具体通过以下步骤制备获得：

第一步、将可焊管通过对接焊焊成长的内管1，将内管1的一端与第一管接头3对接焊，将内管1的另一端与第二管接头6对接焊，经探伤合格后磨削平内管1的外壁焊缝；

第二步、按照内管1的外周长和矩形钢带12的宽度确定圆形钢带12的数量，将矩形钢带12在内管1的外壁上沿内管1轴向平行紧密排列制成轴向钢带层9，然后再通过轴向钢带锁紧环7的内壁18的锥面将轴向钢带层9的两端分别锁紧于第一管接头3和第二管接头6上。

第三步、将矩形钢带13在轴向钢带层9的外部一端沿内管1的轴向紧密环向缠绕，至达到轴向钢带层9的外部另一端制成第一层环向钢带层10后沿反方向再次缠绕第二层环向钢带层11，最后将第一层环向钢带层10的矩形钢带13的首端和末端和第二层环向钢带层11的矩形钢带13的首端和末端固定连接后用钢带锁紧环8锁紧，制成复合管。

第四步、将复合管的两端密封后以压强为28MPa进行水压胀贴处理使内管1和钢带层2胀贴紧；

第五步、对复合管的外部喷涂或涂刷防腐蚀油漆，待油漆干燥后在复合管的外部依次套接并固定保温层4和保护层5，复合钢管制备完成。

本实施例中采用的内管1为强度级别相对较低的可焊管，利用其良好的塑性韧性、可焊性及低的成本或耐腐蚀性能，外层的矩形钢带12和矩形钢带13采用抗拉强度1000MPa以上的材料制成，利用钢带很高的抗拉性能来合理分配管所受到的轴向及环向载荷，钢带和管接头之间采用机械连接实现不可焊材料间的复合。

在壁厚相同的情况下，由于只有内管1采用焊接，而内管1又受到外部三层钢带层的约束，并且钢带无中间接头而使整根复合管成为一个连续的整体，从而保证内管不会产生过大的局部变形，因而也就不易发生断裂或泄漏。

Claims (10)

1、一种深海油气输送复合管，包括：内管、管接头、保温层和保护层，其特征在于，还包括钢带层，其中：管接头固定设置于内管的两端，钢带层、保温层和保护层依次设置于内管的外部。

2、根据权利要求1所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的钢带层包括：轴向钢带层、轴向钢带锁紧环、环向钢带锁紧环和两层环向钢带层，其中：轴向钢带层环绕包覆于内管外壁圆周上，轴向钢带锁紧环与轴向钢带层并分别与第一管接头或第二管接头紧密套接固定，两层环向钢带层分别依次环绕包覆于轴向钢带层外侧，环向钢带锁紧环位于环向钢带层的两端并在管接头锥颈凹槽处紧密套接于环向钢带层的外部。

3、根据权利要求2所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的轴向钢带层为若干根沿内管轴向平行紧密排列的钢带，该钢带截面形状为矩形或圆形。

4、根据权利要求2所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的环向钢带层为若干根沿内管的轴向紧密环向缠绕的钢带，该钢带截面形状为矩形或圆形。

5、根据权利要求3或4所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的管接头为焊接式接头或法兰式接头，在管接头的锥颈上设有凹槽，该凹槽的尺寸与环向钢带锁紧环相匹配。

6、根据权利要求5所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的法兰式接头的法兰端面分别设有密封凸面和密封凹面。

7、根据权利要求5所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的轴向钢带锁紧环的内壁为锥面，该锥面与管接头的锥颈相匹配。

8、根据权利要求2所述的深海油气输送复合管，其特征是，所述的环向钢带锁紧环为两块相同的双瓣半圆结构，该双瓣半圆结构的两端面设有波浪形状的扣紧槽。

9、一种根据权利要求1所述的深海油气输送复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将若干根可焊管通过对接焊焊成长的内管，套上轴向钢带锁紧环，将内管与管接头对焊，经探伤合格后磨削平内管的外壁焊缝；

第二步、按照内管的外周长和钢带的宽度确定钢带数量，将钢带在内管的外壁上沿内管轴向平行紧密排列制成轴向钢带层，然后再通过轴向钢带锁紧环的锥面将轴向钢带层两端锁紧于管接头上；

第三步、将若干根钢带在轴向钢带层的外部一端沿内管的轴向紧密环向缠绕，至达到轴向钢带层的外部另一端制成第一层环向钢带层后沿反方向再次缠绕第二层环向钢带层，最后分别将第一层环向钢带层的钢带首端和末端与第二层环向钢带层的钢带首端和末端固定连接后用环向钢带锁紧环在管接头锥颈上的凹槽处锁紧，制成复合管；

第四步、将复合管的两端密封后进行过压测试使内管和钢带层胀贴紧；

第五步、对复合管的外部喷涂或涂刷防腐蚀油漆，待油漆干燥后在复合管的外部依次套接并固定保温层和保护层，复合钢管制备完成。

10、根据权利要求9所述的深海油气输送复合管的制备方法，其特征是，所述的过压测试是指以压强为16MPa～80MPa进行水压胀贴处理并兼作水压试验。

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