CN102047019B - 具有内置端部件的软管 - Google Patents
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Abstract
软管包括柔软的且柔性的管状主体(PP)，该主体从内向外包括：包含细丝(10)的压力拱(1b-1c)，细丝嵌入在弹性体层中，并以相对于母线的54.7°的角度以螺旋形卷绕；和附接的密封层(1a)；以及一对刚性端部连接器(EC)，所述连接器包括两个同轴圆柱形套管，一个圆柱形套管为内套管(2)，密封层(1a)被推入内套管中，该密封层被保持在内套管中，而另一个圆柱形套管为外套管(7)，在与主体(PP)相同的一侧上轴向延伸出内套管(2)，外套管包围压力拱的可变直径过渡区域；端部连接器设有可变轮廓的一对柔软的环形支撑元件(5，6)，所述环形支撑元件位于该过渡区域，并分别夹在密封层(1a)与压力拱(1b-1c)之间以及压力拱(1b-1c)与套管(7)之间，从而防止细丝膨胀时剪断。这种管意在特别用于石油化学工业，用于输送液体或者气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种软管，且更具体地，涉及一种具有一体的端部末端的软管。
该软管的结构特别但非必须适用于石油工业中用于输送液体或者气体的应用。
背景技术
该类型的软管(在下文中被更简单地称为“输货软管”)通常具有相当小的长度、很少超过12米，且能够在固定设备之间形成柔性连接。
当需要长度大于可用长度时，可以将多个输货软管相互连接。
输货软管的内径较大，大于5cm，典型地，在约7cm至11cm之间。
特别是在石油工业中的环境中，这些输货软管可能受到非常剧烈的张力。
被输送的流动体的压力可以超过700bar(或者70MPa)且其温度可以超过150℃。这些流动体可以由可能是强腐蚀性的液体或者气体构成，例如石油、固香剂、水、硫化氢(H2S)或者二氧化碳(CO2)。
特别地，这样的输货软管可能受到相当多种的外部应力(例如高径向应力和轴向应力)、在组装期间作用在其端部上的张力、暴露于可能在-40℃至+70℃的温度下、或者抵靠地面的磨损。
输货软管的寿命随着应用的不同而不同，但通常应长于10年，且其结构系统必须能够确保人和设备的安全。
输货软管必须是轻的，以便于其运输和处理，同时还具有显著的挠曲能力，从而在需要时允许其采用小的弯曲半径。
总的来说，主要有两个系列的输货软管：
-“粘接结构”的输货软管，由混合在弹性材料内的由钢和/或合成材料(特别是芳族聚酰胺纤维)制成的细丝状加固件构成；这些通常具有多个层的加固件被嵌入弹性体中，使得组件形成不可分离的单元；
-“非粘接结构”的输货软管，由确保机械性能的钢部件层以及确保密封的塑性材料部件层构成，在这两类层之间具有相对滑动的可能性。
在以下的描述中以及在权利要求中，按惯例使用常规术语“细丝”表示线缆、纺线、纤维或者粗纱。
通过术语理解：
-“纤维”，具有非常小的直径的基本圆柱形构造，通常由合成材料或者有机材料或者钢制成，且多数情况下以纺线或者粗纱的形式组合；
-“粗纱”，具有小截面的长股，由平行纤维构成，通常在石油工业中由该术语表示；
-“纱线”，具有小截面的长股，由扭绞并旋转在一起的纤维构成，通常在石油工业中由该术语表示；
-“线缆”，编织在一起的一束合成纱线或者钢纱。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有以下特征和优点的输货软管：
a)耐高于700bar(或者70Mpa)的高压，具有较大的内径(大于50mm)；
b)轻质，线性质量不超过每米几千克；
c)采用小弯曲半径的能力；
d)设有加固件的结构，所述加固件由具有很高的抗张强度和限于大致5％的最大伸长的多层合成细丝构成；
e)抗腐蚀环境(特别是H2S、CO2和水)；
f)结构能够被制造成使得输货软管的两个端部连接器末端不能从其主要柔性圆柱形部分分离，以保持每层纤维的卷绕连续性；
g)设有用于在没有卷边的情况下将每层紧固到端部末端的系统的结构(卷边可能导致剪断细丝)；
h)采用前述两个系列的输货软管之间的折中，使得承受压力的输货软管的主要部分或者主体构成粘接结构，而由塑性材料或者弹性材料制成的密封层像非粘结结构一样可移除并可更换，具有这两个元件的相对滑动的可能性。
可以满足前述要求的根据本发明的输货软管包括多功能的且柔性的管状主要部分或者主体，所述主要部分或者主体由至少两个同轴管状元件构成，且在其两个端部的每个端部处可密封地连接到刚性管状连接器末端。
根据本发明：
-构成所述主体的两个同轴管状元件从外侧朝着内侧包括：
a)压力拱，包括抗张强度高且厚度薄的多层细丝，所述细丝被以螺旋形并相互反向地卷绕，具有相对于轮廓板的缠绕角度，所述缠绕角度恒定且大致等于54.7°，这些细丝被嵌入到弹性体层中；
b)由塑性材料(例如聚酰胺)或者弹性体制成的能够附接的密封层，所述密封层的外表面与压力拱的内表面接触但不形成为一体，使得当内高压导致输货软管膨胀时，这两个层之间能够轻微相对滑动；
-连接器末端包括两个互成一体的同轴圆柱形套管，即：
α)内套管，该内套管的内径等于密封层的外径，使得密封层无间隙地装配在内套管中，并且通过机械阻塞部件在内套管的自由端部处被保持，该套管的外径略大于压力拱的内径，压力拱以特定程度的夹紧包围内套管且被固定在内套管上，还与密封层分离；
β)外套管或者凸缘，外套管或者凸缘的内径略大于压力拱的外径，该凸缘从输货软管主体在大于内套管的长度的长度上轴向延伸，凸缘从压力拱有间隙地包围具有变化直径的过渡区域；
-连接器末端设有由柔性的且弹性变形的材料制成的一对环形支撑元件(环)，所述支撑元件(环)具有可变轮廓且被布置在压力拱的所述过渡区域处，一个支撑元件被夹在密封层与压力拱之间，而另一支撑元件被夹在压力拱与凸缘之间。
由于该布置，即使在内高压的情况下，也能避免在输货软管主体与端部末端的连接区域中剪断细丝。承受径向应力的凸缘控制支撑元件的膨胀。
此外，根据本发明的特定数量的可能附加的但非限制性的特征：
-所述多功能的且柔性的管状主要部分或者主体包括同轴地包围另外两个管状元件的第三管状元件，即柔性保护钢罩，所述外套管连接到柔性保护钢罩；
-所述细丝由合成材料制成，例如由芳族聚酰胺制成；
-所述末端在其周缘设有一组紧固部件，所述紧固部件与细丝对齐地定位，且每层包括将两个末端在一个方向上然后在另一个方向上交替地相互连接的细丝的非中断网，同时细丝在紧固到紧固部件上时绕过所述紧固部件；
-所述密封层是可移除的以及可更换的；
-所述机械阻塞部件是穿过密封层的开口的圆锥形夹环；
-夹在密封层与压力拱之间的环形支撑元件具有最大厚度的中央区域和在该中央区域的每侧上逐渐变薄的部分，该部分的厚度朝着外侧和朝着内侧减小；
-环形支撑元件通过位于末端侧上的较薄的部分倚靠所述内套管的自由端部的互补轮廓的内壁；
-位于环形支撑元件的主体侧上的更薄的部分与夹在所述压力拱与所述凸缘之间的另一环形支撑元件的互补轮廓的大致圆锥形的端部分轴向相对；
-夹在压力拱与凸缘之间的环形支撑元件构成形成压力拱的一体部分的弹性材料的膜的端部凸圈；
-所述细丝的包围连接器末端的内套管的部分由在内套管与外套管之间延伸的树脂涂覆。
如上所述，构成压力拱的每层细丝因此具有“连续”型的优点，该“连续”型由在输货软管的两个端部之间来回伸展的且围绕紧固部件的单一螺旋卷绕细丝形成；例如，根据以本申请人署名的文献WO 2007/112785已知的布置，紧固部件为与端部末端一体的链轮，若需要则可参考该文献。
这些链轮在此可被布置在内套管的周缘。
此外，将压力拱的端部分保持在该内套管周围有利地通过在将内套管与外套管分隔的环形间隙中流动的可硬化的树脂的存在而被加强；因此，压力拱的端部分被嵌入并保持在树脂中。
应注意，根据上述文献WO 2007/112785的建议，由于细丝相对于在末端处的压型板的缠绕角度大于54.7°、且有利地在56°与65°之间，因此获得输货软管主体与端部连接器末端的密封连接，使得在管中占主导地位的内压的影响下，产生在细丝上的张力用于加紧密封套上和所述端部末端上的层。
尽管在技术上以可变节距缠绕细丝的原理是令人满意的，然而该原理产生一个与由于在斜率不同而在输货软管主体中的细丝的表面密度必然小于其端部处的表面密度的缺点；实际上，如上所限定的，以给定的缠绕角度接触的两个相邻细丝在该角度更小时会相互分离。
由于组合根据本发明的装置，如上所述，相对于压型板大致等于54.7°的恒定缠绕角度可以在输货软管的整个长度上、包括在其端部末端处被保持，这解决了所述密度问题，并且使用于制造产品的方法更容易。
附图说明
本发明的其它特征和优点通过现在参考附图提供的本发明的描述而显现出，附图作为示例示出一个可能的实施方式，其中：
图1为在端部连接器末端示出的根据本发明的软管的端部分的轴向截面的局部视图，该管未受到高的内压；
图2为类似于图1所示的视图，该管在内部液压的作用下受到径向膨胀；
图3为类似于图2所示的更大比例的局部视图。
具体实施方式
图1中，通过参考标记PP和EC分别表示输货软管主体(部分可见)和其一个端部末端(左侧末端)。
当然，类似的组件被设置在管的另一端，用于右侧末端。
每个末端具有端部分100，用于通过已知类型的密封连接例如螺接而连接到相邻的输货软管的类似末端。
输货软管主体PP具有圆筒形壁1，该圆筒形壁1具有轴线X-X’，该圆筒形壁1具有多层结构，该多层结构从外侧向内侧包括：保护钢罩1d、压力拱1b-1c以及可附接的密封层1a。压力拱通过其内表面与密封层的外表面接触。然而，压力拱与包围其的更大直径的罩1d分离。
压力拱1b-1c包括弹性材料制成的芯，在该芯内包含有抗张强度高且厚度较薄的多层细丝10。
这些细丝以螺旋形并相互反向地卷绕，具有相对于压型板的缠绕角度，该缠绕角度恒定且大致等于54.7°；如在前述文献WO 2007/112785(特别参见第12页，第6-12行)中所述，该角度值确保层的平衡，该层不易在内压的影响下径向或者轴向变形。
然而，细丝在受到由内压产生的高的张应力时可以变得更长。
密封层1a例如由柔性的且可弹性变形的材料制成，例如由塑性材料或弹性材料制成，其质量被选择成以机械地、热学地或者化学地抵抗在管中待输送的流体的攻击以及与所考虑的应用相关的各种应力，同时确保完全密封。
密封层的外表面与压力拱1b-1c的内表面接触，但未通过粘接或者任何其它方式与其形成一体；因此，可以在轴向上进行这两个层之间的相对滑动。
同样以X-X’为中心的连接器末端EC由刚性材料(例如钢)的零件构成。
连接器末端EC包括内套管2以及外套管或凸缘7，内套管2的内径等于密封层1a的外径，外套管或凸缘7沿轴向从软管主体PP(朝着图的右侧)延伸；因此，其长度大于内套管2的长度。
内套管2具有扩大的自由端20，自由端20具有较大的直径，端部分100被夹在并螺接在自由端20中。
该较大的端部分20与套管2的其余部分的过渡通过具有圆锥形壁的中间区域实现。密封层完全地、同轴地穿过套管2的主要部分内直到该中间区域；中间区域的内表面用作密封层1a的开口Ea的座。该开口因此也采用圆锥形形式且通过具有互补的圆锥形表面的阻塞环4倚靠该开口的座。阻塞环4被中间环3压住，中间环3自身被螺接元件100压住，以确保在开口Ea的座与环4之间的一定的夹紧力，并确保在该位置的良好密封。
还设置专门的密封设备(未示出)，以确保元件100、3和20之间的连接的密封。
元件100、3和20具有中央开口，该中央开口呈圆形截面并具有轴线X-X’，当输货软管静止(未膨胀)时，该中央开口的直径等于密封层1a的内径D0。
内套管2的外径略大于压力拱1b-1c的内径；压力拱1b-1c以特定程度的夹紧被安装在内套管上；因此，在该位置，压力拱1b-1c与密封层1a分离，内套管2的主要部分的壁被夹在压力拱与密封层之间。
因此，在内套管2的主要部分的外端区域(在图中的左侧)中，靠近上述的过渡区域，套管2设置有多个沿着周向、朝着壁的外侧径向地布置的链轮21。根据类似于在WO 2007/112785中描述和示出的布置，这些链轮用于紧固构成每个层的细丝，所述细丝绕过(bypass)链轮。
内端区域(在图的右侧)通过壳体71连接到罩1d的自由端部。例如通过粘接实现这些连接。
在分隔两个套管2和7的环形空隙空间中，可以在真空状态下注入可硬化的树脂。
一旦硬化，该树脂9覆盖压力拱的端部分以及链轮21和绕过链轮21的细丝10。
这样，获得压力拱与末端的机械稳固连接；该连接还通过在套管2的壁的外围处挖出的许多环形槽22的存在而被加强，环形槽22在轴向张力的情况下趋于阻止压力拱的滑动。
根据本发明的一个特征，连接器末端EC设有一对由柔性的且可弹性变形的材料制成并具有可变轮廓的环形支撑元件或者环5、6。
这些元件中的一个元件(标记为5)具有大致双锥形的外形，该元件的中央区域具有较大的直径，该中央区域的厚度基本对应于内套管2的厚度。元件5具有圆柱形的中央开口，该中央开口的直径等于穿过该元件5的密封层1a的外径。
元件5被夹在密封层1a与压力拱1b-1c之间，且邻接内套管2的开口。更准确地，套管2的开口的内壁23具有大致与元件5的外部分(末端EC侧)互补的圆锥形轮廓。在用于压力拱的直径变化的过渡区域中，元件5的内部分(主体PP侧)具有圆锥形部分，该圆锥形部分倚靠压力拱的内壁。
另一元件6为形成压力拱的外层的膜1c的端部凸圈(end bead)。
元件6的外径等于凸缘7的内径。
元件6装配在该凸缘的内入口部分(主体PP侧)中。元件6的中央开口从外侧(末端EC侧)逐渐展开，以呈现大致圆锥形的轮廓，该中央开口与用于压力拱1b的直径变化的过渡区域的轮廓互补。
因此，该过渡区域被夹在到两个柔性的且有弹性的内元件5和外元件6之间。
更特别地，通过参考图2和图3，现在描述输货软管在受到强烈的内压时在端部末端EC处的状态。
过压导致输货软管主体PP的层1a和1b-1c的径向膨胀。不膨胀的外保护罩1d不会阻碍该膨胀，因为外保护罩1d的内径基本大于压力拱的外径。
初始时密封层的等于D0的内径变为大于D0的值D1。直径的增大涉及细丝10的伸长(作为参考，该伸长可以达到5％)，但不改变其缠绕角度。
在两个直径之间的在图2和图3中用ZT表示的过渡区域中，观察到柔性支撑元件5朝着外侧被压挤，这随后朝外推压力拱的部分1b，该部分1b倚靠另一柔性支撑元件6，并压挤该支撑元件6。
这些应力由刚性管状凸缘7承受。
因此，完全控制了层1a和1b的逐步膨胀，而没有剪断细丝10的风险。
应注意，端部连接器末端EC与输货软管主体PP的连接是在没有卷边的情况下实现的。
在密封层1a磨损或者损坏(例如开裂)的情况下，可以容易地更换密封层。为此，仅需要拧开连接器元件100，移除阻塞环3和4，通过轴向张力移除密封层1a，替换为新的密封层，然后通过将元件4、3和100置回原位而堵塞这些端部。
无需更换整个输货软管，这在经济方面是有利的。
凸缘7仅确保承受径向应力，而不确保将主体轴向保持在末端中，通过将细丝的层与每个末端固定来确保将主体轴向保持在末端中。
当然，根据使用所要求的特征、特别是所实现的细丝的直径和层的数量来选择链轮21的数量和尺寸。
紧固部件不必一定是链轮，更不必一定是圆柱形指状物；特别地，紧固部件可以例如由钩、齿和/或狭槽构成。
当然，代替被布置在同一横平面中的单组链轮(或者类似的紧固部件)，可以设置类似的多组链轮，例如略微轴向偏离的两组或者三组链轮。
细丝可以具有圆形截面，但这不是必需的。
细丝由具有高抗张强度的材料制成。
合适的材料包括合成材料，特别是芳族聚酰胺，以及碳、玻璃和钢。
细丝必须足够纤细和柔韧，以能够尽可能靠近地绕过紧固部件、链轮或者其它部件。
Claims (13)
1.一种软管，包括多功能的且柔性的管状主体(PP)，所述主体由同轴的两个管状元件构成，且所述主体的两个端部中的每一个端部密封地连接到刚性管状连接器末端(EC)，其特征在于：
-构成所述主体的同轴的所述两个管状元件从外侧朝着内侧包括：
a)压力拱(1b-1c)，其包括抗张强度高且厚度小的多层细丝(10)，所述细丝被以螺旋形并相互反向卷绕，相对于轮廓板具有恒定且大致等于54.7°的缠绕角度，这些细丝被嵌入到弹性体层中；
b)由塑性材料或者弹性体制成的能够附接的密封层(1a)，所述密封层(1a)的外表面与所述压力拱(1b-1c)的内表面接触但不形成为一体，使得当内高压导致所述软管膨胀时，这两个层之间能够轻微相对滑动；
-所述连接器末端包括互成一体的两个同轴圆柱形套管，即：
α)内套管(2)，所述内套管(2)的内径等于所述密封层(1a)的外径，使得所述密封层无间隙地装配在所述内套管(2)中，并且通过机械阻塞部件(4)在所述内套管的自由端部处被保持，所述内套管(2)的外径略大于所述压力拱(1b-1c)的内径，所述压力拱(1b-1c)以一定程度的夹紧力包围所述内套管且被固定在所述内套管上，还与所述密封层(1a)分离；
β)外套管(7)，所述外套管(7)的内径略大于所述压力拱(1b-1c)的外径，所述外套管沿着所述软管的主体的轴向在大于所述内套管(2)的长度的长度上延伸，并且，所述外套管有间隙地包围所述压力拱(1b-1c)的具有变化直径的过渡区域；
-所述连接器末端设有由柔性的且可弹性变形的材料制成的一对环形支撑元件(5，6)，所述环形支撑元件具有可变轮廓且被布置在所述压力拱(1b-1c)的所述过渡区域处，一个环形支撑元件(5)被夹在所述密封层(1a)与所述压力拱(1b-1c)之间，而另一环形支撑元件(6)被夹在所述压力拱(1b-1c)与所述外套管(7)之间。
2.根据权利要求1所述的软管，其特征在于，所述主体(PP)包括同轴地包围所述两个管状元件的第三管状元件，即柔性钢保护罩(1d)，所述外套管(7)连接到所述柔性钢保护罩(1d)。
3.根据权利要求1或2所述的软管，其特征在于，所述细丝(10)由合成材料制成。
4.根据权利要求3所述的软管，其特征在于，所述细丝(10)由芳族聚酰胺制成。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的软管，其特征在于，一方面，所述连接器末端(EC)在其周缘设有一组紧固部件(21)，所述紧固部件(21)与所述细丝对齐地定位，另一方面，每层细丝包括将所述连接器末端(EC)在一个方向上然后在另一个方向上交替地相互连接的非中断的细丝(10)的网，所述细丝在紧固到所述紧固部件(21)上时绕过所述紧固部件(21)。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的软管，其特征在于，所述密封层(1a)是可移除的以及可更换的。
7.根据权利要求6所述的软管，其特征在于，所述机械阻塞部件(4)为穿过所述密封层(1a)的开口(Ea)的圆锥形夹环。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的软管，其特征在于，夹在所述密封层(1a)与所述压力拱(1b-1c)之间的所述环形支撑元件(5)具有最大厚度的中央区域和在该中央区域的每侧上逐渐变薄的部分，所述逐渐变薄的部分的厚度朝着外侧即连接器末端侧和朝着内侧即主体侧减小。
9.根据权利要求8所述的软管，其特征在于，所述环形支撑元件(5)通过其位于所述连接器末端侧上的较薄的部分倚靠所述内套管(2)的自由端部的互补轮廓的内壁。
10.根据权利要求8所述的软管，其特征在于，位于所述环形支撑元件(5)的主体侧上的较薄的部分与夹在所述压力拱(1b-1c)与所述外套管(7)之间的另一环形支撑元件(6)的互补轮廓的大致圆锥形的端部轴向相对。
11.根据权利要求9所述的软管，其特征在于，位于所述环形支撑元件(5)的主体侧上的较薄的部分与夹在所述压力拱(1b-1c)与所述外套管(7)之间的另一环形支撑元件(6)的互补轮廓的大致圆锥形的端部轴向相对。
12.根据权利要求1至2中任一项所述的软管，其特征在于，夹在所述压力拱(1b-1c)与所述外套管(7)之间的所述环形支撑元件(6)构成形成所述压力拱(1b-1c)的一体的部分的弹性材料的膜(1c)的端部凸圈。
13.根据权利要求1至2中任一项所述的软管，其特征在于，所述细丝(10)的包围所述连接器末端(EC)的内套管(2)的部分由在所述内套管(2)与所述外套管(7)之间延伸的树脂涂覆。
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