CN102239356B - 减少在挠性管中的流体湍流 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于减少在挠性管中的流体湍流的方法和装置。所述方法包括如下步骤，沿着由挠性管体的最内层的内表面（40）提供的孔区域推进一细长卷（60）的衬里材料，以及至少部分地展开这卷衬里材料从而在孔区域内径向向外地将这卷衬里材料延伸成为与构架的内表面成邻接关系。

Description

减少在挠性管中的流体湍流

本发明涉及可以使用来从一个位置传输流体，例如产品流体、输出流体或注射流体到另一个位置的挠性管。具体地，但非限制性地，本发明涉及一种用于减少在粗糙孔挠性管中传输的流体中的流体湍流的方法和装置。

传统地，挠性管使用来从一个位置传输产品流体、输出流体或注射流体，例如油和/或气和/或水到另一个位置。挠性管尤其用来将海底位置连接到另一个海底位置或海平面位置。挠性管通常形成为一定长度的挠性管体以及在管体端部处的一个或多个端部配件。管体通常形成为管状材料层的复合结构，这些材料层形成容纳流体和压力的导管。管结构是挠性的并且允许相对较大的挠曲，但不会导致在期望使用寿命上损害管的功能的弯曲应力。管体大体上，但不是必须地，构成为包括金属层和聚合物层的复合结构。挠性管可以用作为陆上的或在海底位置的流动管线。挠性管也可以使用作为跨接管线或立管。

已知有粗糙孔的挠性管和平滑孔的挠性管。平滑孔的挠性管包括流体保持层，称为衬里。衬里的平滑内表面限定流体沿着其传输的孔。然而，有时当孔被减压时，在衬里径向外侧的挠性管的环形区域内的累积压力可能引起衬里塌陷，并且这导致不能恢复的损坏。一种解决方案是在流体保持层内提供构架。这就是所谓的粗糙孔应用并且构架，其由以互锁的形式螺旋地缠绕的成形条形成，在孔被减压时通过支撑流体保持层来阻止流体保持层的塌陷。当使用构架时，流体保持层称为阻挡层。

粗糙孔应用遇到的问题是构架层的互锁成形条对沿着挠性管的流体的流动具有不利的影响。构架的不规则内表面有效地导致流体流内的涡的形成，其会引起压力变化。这些压力变化会导致问题的出现，尤其当发生共振时。产生的这些压力波动和振动会引起损坏并且最终导致连接到挠性管的附属设备的故障。术语涡激振动（VIV）已经在现有技术中使用来描述上述问题导致的现象。

本发明的一个目标是至少部分地减轻上述问题。

本发明某些实施例的目标是改进粗糙孔挠性管或其他挠性管的流动特性，在上述其它挠性管中，内孔沿着它的整个长度或者整个长度的一部分是不规则的或波浪形的。

本发明某些实施例的一个目标是全部或部分地消除与涡激振动关联的问题。

本发明某些实施例的一个目标是提供使得针对涡激振动的解决方案能够配备在现有粗糙孔挠性管上或者能够包含在初始挠性管制造阶段的装置和方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种减少在挠性管中的流体湍流的方法，所述方法包括步骤：

沿着由挠性管体的最内层的内表面提供的孔区域推进一细长卷的衬里材料，以及

至少局部展开这卷衬里材料，从而在孔区域内径向向外地将这卷衬里材料延伸为与构架的内表面成邻接关系。

根据本发明的第二方面，提供了一种减少在挠性管中的流体湍流的装置，所述挠性管包括具有粗糙内表面的最内层，所述装置包括：

一细长卷的衬里材料，其具有比挠性管体的最内层的内直径小的外直径。

本发明的某些实施例提供了一种减少在粗糙孔挠性管中的流体湍流的方法，其使得一卷衬里材料引入到构架层内并且展开，从而有效地使挠性管的内孔平滑。沿着衬里长度形成的纵向或螺旋狭缝提供两个优点，使得衬里能够以方便的方式结合在或配装在构架内以及提供通过衬里厚度的流体连通路径以便避免在挠性管的内孔被减压时衬里的塌陷。

本发明的某些实施例提供一种衬里，其是可配装的、可拆除的和/或可替换的以便可以在现场将它配装到用于任何目的（例如，比如立管、跨接管线或流动管线）的几乎任何粗糙孔挠性管，不需要首先恢复挠性管。

本发明的某些实施例利用一种卷起的衬里，其本身可以使用来支撑监测设备或其他辅助设备，例如光纤、常规导线、和/或传感器以便当衬里放置在恰当位置时，这些装置可以同步放置在操作位置。

下文将仅以举例方式通过参考附图描述本发明的某些实施例，其中：

图1表示挠性管体；

图2表示跨接管线、流动管线和立管；

图3表示在构架层下面的衬里；

图4a表示一卷卷起的衬里材料；

图4b表示一卷展开的衬里材料；

图5a、5b、5c表示边缘信息；

图6表示展开一卷双稳态材料；以及

图7表示清管器的移动。

在附图中相似的附图标记标示相似的部件。

在整个说明书中将参考挠性管。应该理解，挠性管是一部分管体和一个或多个的端部配件的组件，管体的端部终止在每个端部配件上。图1表示管体10是如何根据本发明的实施例由形成压力容纳导管的层状材料复合物形成的。虽然一些具体的层表示在图1中，但是应该理解，本发明广泛可应用于包括两层或多层的复合管体结构。还应该注意，层厚度仅示出为示意之目的。

如图1所示，管体包括内构架层11。构架提供互锁金属结构，其可以使用作为内层以完全或部分地阻止内部压力护套12的由于管减压、外部压力、可拉伸护面压力以及机械毁坏性载荷引起的塌陷。应该认识到，本发明的实施例可以用于这种“粗糙孔”应用或“粗糙”内表面接触所传输的流体的其他应用。

内部压力护套12用作流体保持层并且通常包括确保内部流体完整性的聚合物层。应该理解，这层本身可以包括许多子层。应该认识到，当使用构架层时，内部压力护套通常在现有技术中称为阻挡层。

压力护面层13形成在内部压力护套上，并且是具有接近90°的捻角的结构层，其增强了挠性管对内部和外部压力以及机械毁坏性载荷的抵抗力。这层也在结构上支撑内部压力护套并且通常由互锁金属结构组成。

挠性管体还可以包括一个或多个的胶带层14、及第一可拉伸护面层15和第二可拉伸护面层16。每个可拉伸护面层是具有通常在20°到55°之间的捻角的结构层。每层使用来承受张力载荷和内部压力。这些可拉伸护面层成对地反向缠绕。

挠性管体还包括外部护套17，其包括用来保护管抵抗海水和其他外部环境渗入、腐蚀、磨损或机械破坏的聚合物层。还可以包括一个或多个的绝缘层18。

每个挠性管包括至少一部分,有时候称为一段或一节,的管体10以及位于所述挠性管的至少一个端部处的端部配件。通常端部配件使用在这段挠性管体的两个端部处。端部配件提供在挠性管体和连接器之间形成过渡的机械设备。例如图1所示的不同管层以在挠性管与连接器之间传递载荷这种方式终止在端部配件内。多段的挠性管可以以端对端布置的方式连接在一起以延长挠性管的长度。相邻的段可以包括相同挠性管体的段或者挠性管体具有不同的层和/或物理性质的段。

图2表示适于从海底位置21传输产品、输出或注射流体，例如油和/或气和/或水到浮动设施22的立管组件20。例如，在图2中，海底位置21连接到海底流动管线23。挠性流动管线包括完全或局部设置在海床上或埋藏在海床下的挠性管。浮动设施可以例如由钻井平台和/或浮标、或如图2所示地由船提供。立管20设置为挠性立管，也就是说，将船连接到海床装置的挠性管。可替代地，挠性管可以使用作为跨接管线24。

图3表示通过图1所示的挠性管体的剖面，但是为了简要省略了胶带层，并且包括适当定位的衬里材料层。如图3所示，挠性管体10与相应于挠性管体内孔中心的中心纵向轴线30关联。产品、输出或注射流体等在使用中沿着这个孔传输。图3所示的挠性管体包括衬里材料31的内层，其设置为与形成构架11的互锁缠绕物的内表面成邻接关系。构架11的径向外部是阻挡层12，其用作挠性管体的流体保持层并且因此限定流体沿着其传输的孔。压力护面层13形成在阻挡层12的径向外部以提供对其的支撑。还示出了可拉伸护面15、16、绝缘18和外护套17。外护套是挠性管体的径向最外层。

图4a、4b表示衬里材料卷如何以卷绕的方式被沿着构架层的“粗糙”内表面引入。如图4A所示，构架的内表面40由构架的互锁缠绕物的径向最内表面限定。构架的径向最外表面41由构架的每个缠绕物的径向最外表面限定。（为了简要，构架径向外部的其他层没有示出在图4a或4b中）。

一细长卷的衬里材料31被卷起以便该衬里材料的卷的外表面42的直径D小于与构架的内表面40关联的直径L。应该认识到，当这细长卷的衬里材料被沿着挠性管体的孔放置时，用固定装置阻止这个卷展开。在图4a中的固定装置示出为一定长度的粘胶带43，其相对于这卷衬里材料的下层部分45固定这卷衬里的最外边缘44。应该认识到，根据本发明的某些实施例可以使用各种不同的固定方法。适当地沿着这卷衬里材料的长度形成一系列焊接。适当地使用沿着衬里材料的长度延伸的单个细长焊接。适当地使用沿着衬里材料延伸的单个一定长度的胶带。适当地使用粘接在沿着衬里材料长度的不同位置的多个胶带条。这卷衬里材料因此以卷起的圆柱体构造临时地被保持在一起。这个卷起的圆柱体被插入挠性管的孔内并且沿着内孔推动或拉动（如下文将要描述的）直到这卷衬里材料沿着孔延伸预定长度。这可以是挠性管体整个长度的完全长度或部分长度。

一旦适当定位时，将这卷衬里材料固定在它的卷起状态的固定装置被释放。随后导致这卷衬里材料展开到图4b示出的位置，其中衬里材料的外表面42变成为与构架层的内表面40成邻接的关系。应该认识到，如图4b所示，当这卷衬里材料从它如图4a所示的固定状态展开到如图4b所示的非固定状态时，衬里材料本身交叠的长度x减少。

图5a、5b、5c本发明的可替代实施例，其中这卷衬里材料的沿着这卷衬里材料长度延伸的细长边缘的轮廓可以设计为使得在衬里材料的外表面邻接构架的内表面时的释放/展开状态中，这些边缘区域嵌套成配合关系。例如，如图5a所示，边缘区域是台阶状的，而在图5b中，边缘区域是锥形的，而在图5c中，边缘区域是V形切口的。使用这种轮廓形状的优点是当展开时，这卷衬里材料的内表面为被输送的流体提供基本上平滑的内孔。

使用一卷带狭缝的衬里材料在粗糙（不规则、有划痕、或波浪形的）表面（例如，但不限于，由粗糙孔挠性管的构架提供的内表面）上形成衬里层提供两个优点。首先这细长卷的材料可以容易地沿着挠性管体的孔引入并且随后展开。其次，这卷衬里材料的不密封的叠置的或邻接的端部提供在挠性管体的内孔区域和衬里材料的外表面42与阻挡层12的内表面之间的环状区域之间的流体连通路径Z。没有这种路径，收集在内衬里与阻挡层12之间的气体在孔区域被减压时会导致最内侧的衬里的塌陷。

一旦被适当地放置和展开，这卷衬里材料提供从内部覆盖挠性管的粗糙波浪表面的抗湍流护套。这层衬里材料可以以许多不同技术来制造，比如例如先制造为薄片然后卷起，或者先制造为挤压圆柱形衬里然后以直线或螺旋的方式沿着其整个长度割开。穿过衬里的例如通孔的流体连通路径不是必需的，因为在非密封构造中，在衬里材料的卷起边缘的交叠或邻接处，会自动产生流体连通路径。

应该认识到，这卷衬里材料是可拆除的并且可替换的，并且因此可以被配装到几乎任何的挠性管，例如当用作立管、流动管线、或跨接管线等时，而不需要首先恢复挠性管。

图6和7表示如何通过根据本发明某些实施例的一卷衬里材料来使挠性管的波浪表面平滑。如图6所示，一卷“双稳态”复合材料提供在目标位置。例如制造挠性管的地方。这可以发生在仅形成了挠性管的初始内表面时的时间点或者可以发生在挠性管体制造过程的后续阶段中。可替代地，目标位置是当挠性管在原位但是已经关闭一定时间长度时在配装操作期间挠性管的位置。这卷双稳态材料60具有对准地进入/出纸页的轴线A。当这卷双稳态复合材料60展开时，展开的材料自然地采用另一种形状。这种能够沿着一个自然方向卷绕和卷起并且随后展开以采用另一形状的材料是已知的，例如聚乙烯和玻璃纤维或聚乙烯和尼龙树脂材料，其可以用或可以不用例如玻璃纤维或碳纤维增强。这种材料已经记载在例如EP-B-0891248和EP-B-1091902中，这两个文献在此通过参考并入。当卷绕材料展开时，割开和卷起站61割开该材料并且允许它卷成具有与挠性管的纵向轴线相应的纵向轴线的卷起的卷。割开和卷起站61还可以将该衬里材料的卷起的卷固定在卷起形式。例如，该站可以包括胶带应用阶段或焊接装置。应该认识到，在沿着挠性管体的内孔推进这卷衬里之前，可以任选地使割开、卷起、和固定阶段发生在不同位置。卷绕的材料可以已经是“隔开”的以便不需要割开功能。

可以通过许多任选技术的任何一种来沿着挠性管体的孔引导这卷衬里材料。例如，如图6所示，双稳态复合物材料使得，在材料中有足够的刚度以便当沿着挠性管体的内孔从图6左侧推动材料时，这卷衬里材料的前边缘前进。可替代地，可以固定一个或多个细绳到前边缘和该卷衬里材料，并且从出口端将这些细绳拉过挠性管体的长度。通过沿着第一方向吹动固定有细绳的管道清管器通过挠性管体，将用于从入口端拉动该卷衬里材料通过挠性管的细绳适当地定位。随后拉动细绳使得该卷衬里材料沿着与初始吹动清管器的方向相同或相反的方向通过挠性管体。

在这卷衬里材料被适当地沿着挠性管的整个长度或沿着预定长度（例如在挠性管靠近辅助装置的端部区域处的短距离或内孔受到破坏的地方）定位后，将衬里材料卷固定在卷起状态的固定装置被断开，并且衬里材料径向向外地推动成与构架的内表面或其他波浪形表面成邻接关系。如图7所示，这可以通过沿着方向P沿着挠性管体的长度在这卷衬里材料内驱动管道清管器70来实现。管道清管器的外表面71具有比由衬里材料卷成的卷的内表面限定的内直径I大的外直径。因此当沿着这卷衬里材料的内长度驱动清管器70时，导致这卷衬里材料展开，从而将衬里材料径向向外延伸成为与构架的内层成邻接关系。在扩张之前，应该认识到，清管器使这卷衬里材料扩张的程度使得固定装置被断开以促进这卷衬里材料的展开。

应该认识到，本发明的某些实施例提供可以沿着挠性管体的长度引入监测装置的方便方法。这种类型的监测装置是已知的，其中应该连续或时不时地监测孔的状况。例如，可以通过将光纤光缆或普通导线和/或传感器安装到衬里材料卷上并此后将该衬里定位在挠性管体的孔内，而引入这些光纤光缆或普通导线和/或传感器。

在该申请文件的整个说明书和权利要求书中，术语“包括”和“包含”及该词的变形，例如“包括”和“包括”，意味着“包括，但不限于”，并且不是旨在（并且决不）排除其它部分、附加物、部件、整体、或步骤。

在该申请文件的整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有说明，否则单数包含复数。具体地，当使用不确定冠词时，申请文件应该理解为考虑接受复数和单数的，除非文中另外说明。

参照本发明的具体方面、实施例或实例描述的特征、整体、特性、化合物、化学成分或基团应该理解为可以应用于本文描述的任何其它方面、实施例或实例，除非与其不相容。

Claims (21)

1.一种减少在用于从海底位置传输流体的挠性管中的流体湍流的方法，所述方法包括步骤：

沿着由挠性管体的最内层的内表面提供的孔区域推进一细长卷的衬里材料，所述最内层是具有粗糙内表面的构架，以及

至少部分地展开这卷衬里材料，从而在孔区域内径向向外地将这卷衬里材料延伸成为与构架的内表面成邻接关系。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

通过推动这卷衬里材料的后端区域经过所述孔区域来沿着所述孔区域推进这卷衬里材料。

3.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

通过拉动这卷衬里材料的前端区域经过所述孔区域来沿着所述孔区域推进这卷衬里材料。

4.如权利要求3所述的方法，还包括步骤：

推进固定到这卷衬里材料的前端区域的清管器经过所述孔区域。

5.如权利要求3所述的方法，还包括步骤：

推进固定到至少一个细绳元件的清管器经过所述孔区域；

固定所述细绳的端部区域到这卷衬里材料的前端区域；以及

沿着所述孔区域拉动所述细绳。

6.如前述权利要求任意一项所述的方法，还包括步骤：

在这卷衬里材料被适当地沿着所述挠性管的孔区域定位之后，释放固定装置，并且允许这卷衬里材料自然地展开该衬里材料的薄片，该固定装置用于固定这细长卷的衬里材料的最外侧边缘区域到这卷衬里材料的下层区域。

7.如权利要求1到5任意一项所述的方法，还包括步骤：

在这卷衬里材料被适当地沿着所述挠性管的孔区域定位之后，沿着这卷衬里材料的内孔推进清管器，所述清管器的外直径大于这卷衬里材料的内孔的内直径。

8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：

当沿着这卷衬里材料的内孔推进所述清管器时，同时还释放将这卷衬里材料的最外侧细长边缘区域固定到这卷衬里材料的下层区域的固定装置。

9.如前述权利要求1-5中任意一项所述的方法，还包括步骤：

在这卷衬里材料被适当地沿着所述挠性管的孔区域定位之后，径向向外地展开这卷衬里材料直到该衬里材料的具有一定轮廓的第一细长边缘区域与该衬里材料的薄片的相应的具有一定轮廓的其余细长边缘区域嵌套。

10.如权利要求9所述的方法，其中该衬里材料的薄片的第一和其余边缘区域的轮廓是锥形的或者包括匹配凹口形状。

11.如前述权利要求1-5中任意一项所述的方法，还包括步骤：

在沿着所述挠性管体的孔区域推进这卷衬里材料之前，将细长的、基本上矩形的衬里材料薄片卷成一卷，从而提供这卷衬里材料。

12.如权利要求1到5任意一项所述的方法，还包括步骤：

在沿着所述挠性管体的孔区域推进这卷衬里材料之前，从存储位置展开一卷沿着第一材料轴线卷起的双稳态复合材料，以及

允许该展开的复合材料沿着第二材料轴线卷起以提供这卷衬里材料。

13.如权利要求1到5任意一项所述的方法，还包括步骤：

在沿着所述挠性管体的孔区域推进这卷衬里材料之前，挤压出具有预定长度、厚度和外直径的圆柱形衬里；

沿着伸长的长度以直线或螺线方式割开该圆柱形衬里；以及

卷起该割开的圆柱体以从而提供这卷衬里材料。

14.如权利要求11所述的方法，还包括步骤：

固定这卷衬里材料的最外侧边缘区域到所述卷的下层区域从而防止所述卷展开。

15.一种配装衬里到挠性管的方法，包括任意一项前述权利要求所述的方法。

16.一种前述权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中最内层包括构架。

17.一种减少在用于从海底位置传输流体的挠性管中的流体湍流的装置，包括：

所述挠性管的管体的构架层包括粗糙内表面；

构架层的径向外部的阻挡层；

一细长卷的衬里材料层，其具有比挠性管体的最内层的内直径小的外直径，衬里材料设置为与构架层的内表面成邻接关系。

18.如权利要求17所述的装置，还包括：

将这卷衬里材料的最外侧边缘区域固定到该衬里材料的下层区域的至少一个固定装置。

19.如权利要求18所述的装置，其中所述固定装置包括一个或多个的焊接或一个或多个的粘胶带条。

20.如权利要求17到19任意一项所述的装置，还包括：

这卷衬里材料的第一细长边缘区域具有第一剖面轮廓；

这卷衬里材料的其余细长边缘区域具有另一剖面轮廓；以及

所述第一和另一剖面轮廓使得当这卷衬里材料展开成为与所述构架的内表面成邻接关系时，这卷衬里材料的边缘区域能够嵌套在一起。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述第一和另一轮廓的每一个都是锥形的或者包括阳剖面和匹配的阴剖面或者包括匹配的台阶区域。

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