CN102883868A - 用于运输包含碳氢化合物的流体的管道及此类管道的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运输碳氢化合物的管道(1)，所述管道包括沿纵向(X)延伸的中空的管子，该中空的管子用于运输在该管子中的流体。所述管道还具有电气绝缘外表面(2b)、布置在管子(2)上并包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维的加热层(3)、布置在加热层(3)上的电气绝缘层(4)、布置在电气绝缘层(4)上并包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维的增强层(5)，以及能量供给装置(6)，该能量供给装置用于将电流供给到加热层(3)以便加热管子(2)。

Description

用于运输包含碳氢化合物的流体的管道及此类管道的生产方法

本发明涉及用于运输包含碳氢化合物的流体的管道。

此类管道目前普遍用于陆地上或海中非常寒冷的环境下，有时用于水下深处。在此类情况中，流体会凝结或冻结，或者可能会出现结蜡。这些流体反应会导致阻塞和干扰流体在管道中的运输。这就是为何有时加热此类管道来防止这些问题。一种公知的技术是通过布置于管道上的铜导体来电加热此类管道。

文献CN2800021-Y描述了此类用于运输碳氢化合物的管道，该管道具有由玻璃纤维增强的塑料管子、第一碳纤维层，以及由玻璃纤维增强的第二塑料层。该第一层可供电来加热管子。

此类管道使用作为电导体的碳纤维来加热流体比用导电的铜管道更有效且更均匀。

本发明的目标是完善这类管道，并且尤其是提高它们的机械强度。

根据本发明的实施例，用于运输包含碳氢化合物的流体的管道包括：

-中空的管子，其沿纵向延伸并且用于运输在管子中的所述流体，所述管子具有至少一层电气绝缘外表面，

-管子上的加热层，并且该加热层包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-加热层上的电气绝缘层，该电气绝缘层包括电气绝缘材料，

-电气绝缘层上的增强层，并且该增强层包括嵌入在聚合物中的增强填料，所述增强层适用于加固管道，所述增强填料包括碳纤维，以及

-电能供给装置，其用于将电流导入所述加热层，所述电流流入所述加热层以便加热所述管子。

有了这些布置，尤其是使用包括碳纤维的增强填料，该增强层具有比现有技术中的第二层更大的机械强度。例如，这使得它可以承受非常强的外压，例如大于200巴，以便这类管道可以应用在海中较深处。

另外，这种类型的管道更轻，有助于运输和安装。

在根据本发明的管道的各种实施例中，可以有选择的使用下列一个或多个布置：

-加热层的碳纤维以第一预定角度缠绕在管子周围，以适于获得所述加热层的电阻，以及

增强层的碳纤维以至少第二预定角度缠绕在管子周围，以适于获得所述增强层的机械强度；

-管道在其每个端部处还包括用于将管道固定至其它设备例如其他管道的装配装置，所述其它设备包括互补的装配装置，所述装配装置刚性地连接至增强层并且适于支撑加热层的能量供给装置；

-电气绝缘层的电气绝缘材料包括嵌入在聚合物材料中的玻璃纤维或芳纶纤维，

-电能供给装置包括连接元件，该连接元件与位于纵向上的加热层一端部的横截面相接触；

-电能供给装置包括连接元件，该连接元件具有环形形状的横截面和斜面形状的纵截面，所述连接元件安装在加热层的沟槽中，所述沟槽具有与连接元件形状互补的形状；

-电能供给装置包括至少一个接收设备，接收设备连接至加热层，并且适用于接收感应磁场，以及适用于在加热层中产生电流，所述感应磁场由位于离加热层一段距离处的发射设备输出；

-管道还包括至少一个温度传感器，温度传感器用于连接至用于调整加热层中电流的控制装置；

-温度传感器包括光纤，该光纤适用于测量至少一条在纵向上沿着管道的温度廓线；

-管子由聚合物材料制成，并且光纤嵌入在管子中。

本发明还涉及生产用于运输包含碳氢化合物的流体的管道的方法，所述管道包括沿纵向延伸的中空的管子，并且该管道用于运输在管子中的所述流体，所述管子具有至少一层电气绝缘外表面，所述方法至少包括下列连续步骤：

-在管子上形成加热层，所述加热层包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在加热层上形成电气绝缘层，所述电气绝缘层包括电气绝缘材料，

-在电气绝缘层上形成增强层，所述增强层包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述增强层适用于加固管道，所述增强填料包括碳纤维，以及

-布置用于将电流导入所述加热层的电能供给装置，所述电流流入所述加热层来加热管子。

在根据本发明用于生产管道的多种实施例中，可以有选择的使用下列一种或全部两种布置：

-每个层的形成都是通过下列步骤实现的：

-在先前的层周围螺旋地施加至少一条适当的复合材料带，以及

-加热该带一段预定的时间至该带的聚合物材料部分熔融，以便该带粘附至先前的层上；

-已成形的管道被加工成在加热层上具有倾斜底部的沟槽，所述沟槽适用于适应至少一个具有互补形状的连接元件。

本发明的其它特征和优势将从以下以非限制性实例给出的实施例的描述中并参考附图而变得清晰。

图中：

-图1a是根据本发明的管道的纵向截面图，

-图1b是图1a的管道的横向侧视图，

-图2是图1的管道的加热层的变体的放大图，

-图3是图1的管道一端部的纵向截面图，并且示出能量供给和装配装置，以及

-图4是图1的管道的能量供给装置的变体的放大图。

在各个图中，相同的附图标记表示相同或相似元件。

本描述中提及的纵向应理解为图中所示的方向X。本描述中提及的横向应理解为图中所示的方向Y或Z。提及这些方向仅仅为便于阅读和理解本发明。

本发明中的术语“管道”应该理解为包括用于在至少一个入口和一个出口之间运输流体的管子的装置，所述装置可包括其它元件，例如阀或多个旁路。

图1a在平面XZ中以纵截面示出根据本发明的管道1，以及图1b在平面YZ中以横截面示出管道1。在这些图中，仅示出X轴上方的上半部分，下半部分通过关于X轴的对称性大体相同。

管道1包括中空的管子2，该管子沿纵向X轴方向，在管道的第一和第二端(1a，1b)之间延伸。该管子2包括在X轴附近的内表面2a，以及离X轴更远处的外表面2b。在内表面2a之内，在位于腔体各端部的入口和出口之间纵向地延伸有腔体2c。该腔体2c适用于运输所述入口和出口之间的流体。

图1b示出具有大体圆柱形形状的管道1，但是其它形状也可实施。

管子2可以用电气绝缘材料制成，例如聚合物。这种材料可有利地为聚酰胺(PA)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)。

管子2也可以由导电材料制成，例如钢。在这种情况下，至少在管子外表面2b上，该管子包括一层在图2中可见的电气绝缘层2d，该电气绝缘层例如，由上述聚合物中的一种所组成，或包括嵌入在上述相同类型的聚合物材料中的玻璃纤维或芳纶纤维的复合材料。这层电气绝缘层2d在横向上具有例如在0.5mm至10mm之间的厚度，尤其是根据加热层3的电压V而变化。

至少将下列层施加在管道1的管子2上：

-加热层3，

-电气绝缘层4，以及

-增强层5。

加热层3是复合材料，其至少包括嵌入在聚合物中的碳纤维。聚合物可有利地为聚酰胺(PA)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)。

碳纤维能够传导电流根据焦耳效应来加热管子。此类加热层3介于管道第一和第二端部(1a，1b)之间的电阻R可以用下列公式近似：

$R={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fibre}}\·\frac{L}{\mathrm{\π}.D_{\mathrm{moy}}.{\cos }^2\mathrm{\α}.E_p}$

其中：

-ρ_fibre是碳纤维的电阻率，具有例如在20℃时ρ_fibre＝1,9.10^-5Ω.m的值，该值大体是20℃时铜的电阻率的1100倍，

-L是在纵向X上介于第一和第二端部(1a，1b)之间的加热层3的长度，

-D_moy是加热层3的平均直径，

-E_p是横向方向上的加热层的厚度，以及

-α是由相对于轴X方向的碳纤维形成的倾角。

在定尺寸时，厚度E_p和倾角α使得可以定义加热层3的电阻，以及因此加热管子2消耗的电能P。电能P等于P＝V²/R，其中V是施加至所述加热层3的介于第一和第二端部的电压。

倾角α可以假定为0度到70度之间的任意值。但是，为方便制造及由于当弯曲管道1(例如，在将其布置于海床期间)时复合材料具有分层的危险，因此在用一低值来表示倾角时，该倾角α有利的是大于10度。

对范围在10度到70度之间的倾角来说，因数cos²α大体在0.12到0.97之间变化，这意味着仅定义该碳纤维的倾角α，就可以在很大的范围内改变加热层3的电阻R。

加热层3可以由公开文献FR-2,873,952中示出类型的已知装置，使用预成形的复合材料带来制造，每条带都在主方向上延伸并且包括嵌入在聚合物中的碳纤维，所述碳纤维被大体定向在预成形的带的所述主方向上。

加热层3可以由子层堆叠制成，每个子层都包括被摆成相对于纵向X成预定倾角α_i的碳纤维。因此每个子层都包括不同于相邻子层的倾角的碳纤维。例如每个子层都是由如上所述的预成形的带形成的。作为一种变体，两层连续的子层可以具有相反的倾角从而形成一个从加热层3外表面看去是斜方形的网格。

每个标识i的子层都具有倾角α_i、厚度E_pi、平均直径D_moyi，以及基本电阻R_i。每个标识i的子层的基本电阻R_i都可由上述用于在单一的倾角上具有的碳纤维的层的公式计算出。然后加热层3的电阻R便能通过平行布置每个子层的基本电阻R_i来计算，即，用

来计算。

使用加热层3中的碳纤维的倾角，可以获得用于加热的期望电阻R。

使用包括适当分布在聚合物材料中的碳纤维的加热层3，围绕管道2的加热便更加均匀。另外，如果一个或多个碳纤维在管道上的某处破裂，则电流仍继续流动。同样，如果使用多个不同角度的子层，那么碳纤维交叉并至少部分地相互连接，以便电流和加热在加热层3中保持均匀。只有纤维破裂的区域受影响。因此，这样的管道1便对制造缺陷和会导致局部伤害的操纵事故非常宽容。

电气绝缘层4是电气绝缘的。例如其由包括嵌入在聚合物中的玻璃纤维的复合材料组成。聚合物有利地适于良好的粘附至先前的层(加热层3)。该聚合物可与加热层3中使用的聚合物相同。

电气绝缘层4必须足够厚从而避免电流从加热层3中损失，即使是当管道1变形或弯曲时。该电气绝缘层4的横向厚度是，例如在0.5mm到10mm之间，尤其是根据加热层3的电压V而变化。

增强层5是包括至少一种嵌入在聚合物中的碳纤维的复合材料。该增强填料至少包括碳纤维和聚合物。该聚合物有利地适用于粘附至先前的层(电气绝缘层4)。有利的是，对所有的这三层使用相同的聚合物：加热层3、电气绝缘层4，以及增强层5。此外，管子2有利的是由相同的聚合物制成。管道1是多层复合材料，其包括诸如聚酰胺(PA)或聚偏二氟乙烯(PVDF)那样的聚合物。于是便可以生产这类长度非常长的管道且以全自动的方式完成。有了这种布置，即使这类管道包括诸如碳纤维那样较贵的材料，其成本也较低。

但是，使用由碳纤维制成的增强填料存在至少两个缺点，这两个缺点促使本领域技术人员避免使用该增强填料：该增强填料比玻璃纤维更昂贵，并且它是可导电的，这样就需要在加热层3和增强层5之间使用至少一层电气绝缘层4，并因此使生产管道变得复杂。

但是，碳纤维比玻璃纤维更牢固，从而使获得相同机械强度所需的碳纤维数量更少。因此，涉及该材料的产品的附加成本低于材料本身的附加成本，于是导致管道1具有更小的占用空间或外径。

增强层5可以用与用于制造加热层3相同的技术制造。其可包括多个子层，每层子层都包括成预定倾角倾斜的碳纤维。此外，每层子层都可以使用预成形的带形成。另外，子层的倾角具有相反于临近或毗邻的子层的倾角的值。于是有利的是，这些子层的倾角在20度到70度之间。

有了增强层5，管道1就非常有刚性。该管道可以承受非常高的外压，例如大于100巴，并且优选的是大于200巴。为更好地抵抗外压，有利的是倾角在60到70度之间，并且优选的是接近于65度。因此增强层5比管子2更有刚性，从而使管道1具有良好的刚度。

由于增强层5，管道1还可以抵抗非常高的挤压力。为了沿纵向X有更好的抗压强度和抗拉强度，有利的是倾角在20到30度之间，并且优选的是接近25度。

管道1还可以抵抗非常高的弯曲力。该管道可以被弯成较小曲率半径，例如小于20m，并且优选的是小于10m。在50到70度之间的倾角优选的用于获得较小的曲率半径。在搁置在海床之前，无论使用“S-布置”还是“J-布置”技术来形成管道的一个或多个弯曲，管道都能用在深海中而没有安装期间受损的危险。

有了增强层5中碳纤维的倾角，可以为管道获得抵抗压力、纵向挤压或拉伸，或弯曲应力的期望机械强度。

有了非常有刚性的增强层5，管子2可以具有较小的厚度并由比增强层5略欠刚性的材料制成，意即该材料只能够支撑建造在所述管子上的连续层，而支撑不了管道1上外压的应力。于是加热层3只离管子2的内表面2a一小段距离，从而对所运输的流体的加热更有效。另外，加热流体所需要的能量也更少。

例如，直径6英寸(大约是直径15mm)的管子，包括54层嵌入在聚酰胺PA11聚合物中的碳纤维层，第一子层具有±25度的倾角以及第二子层具有±65度的倾角，所述子层代表15mm的厚度，该管子具有下列机械特性：抗245巴外压的抗力、抗1500巴内部流体压力的抗力，以及550公吨的抗拉强度。

图3示出根据本发明的管道的端部1b的实施例，其包括：

-用于加热层3的电能供给装置6，该电能供给装置用于将电流引导至加热层3，以及

-用于管道的机械装配装置7，该装配装置用于将其与其它设备或其它包括相同或互补的装配装置的管道相连接。

管道1的每个端部1a、1b都包括电能供给装置，以便供应在两个电能供给装置之间的电压V引起电流I流进加热层3。根据欧姆定律，我们得到：I＝V/R。

所示电能供给装置6包括有关于管道1外侧的电缆6a，以及与加热层3的碳纤维相接触并且与所述电缆6a相连的连接元件6b。

根据第一变体(未示出)，连接元件6b在所述加热层3的横向接触表面上与加热层3的碳纤维相接触，所述接触表面大体垂直于纵向X并位于所述加热层3的纵向端部。该接触表面大体是环形的。

根据第二变体，如图3所示，连接元件6b在纵截面上具有倾斜形状，并且进入加热层3的沟槽3a，在所述沟槽3a的接触表面上与加热层3的碳纤维相接触。连接元件6b和沟槽3a都具有围绕着纵向X的环形形状。

有了这种布置，增加了连接元件6b和加热层3之间的接触表面。

根据第三种变体，在如图4所示的放大图中，沟槽3a穿过增强层5、电气绝缘层4，以及加热层3。该连接元件6b通过一涂层从而电气绝缘于增强层5，防止所述增强层5中电流的损失。连接元件6b的一端部具有与先前变体相同的倾斜形状，用于接触加热层3的碳纤维。

根据第四种变体(未示出)，电能供给装置6包括至少一个接收设备，其连接至加热层3并且适于接收感应磁场和在加热层中产生电流。该感应磁场由位于离所述加热层一段距离处的发射设备输出。

有了这种布置，能量非接触式地由管道1的外部输出至加热层3。淘汰了先前变体中横向穿过外部和加热层之间的管道1的电缆6a。能量供给装置6的流体密封性的实现和装配装置7都得到了简化。

在图3中示出装配装置7，装配装置7包括例如：

-与内管2相连接的第一部分8，其包括例如紧固连接至沿纵向X延伸的内管2的纵向部分8a，及向外延伸的径向部分8b，以及

-第二部分9，其包括安装成在管道1的外表面上流体液密的纵向部分9a，以及通过诸如螺栓那样的夹紧装置紧固连接至第一部分8的径向部分8b的径向部分。

装配装置7也可适用于支撑加热层3的能量供给装置6。

在以上描述的层上方，管道1还可包括(未示出)：

-在增强层5周围的绝热层，其用于把管道1与外部热绝缘，

-在所述绝热层周围的刚性的外管，以及

-布置在管子2和外管之间的间隔装置，

间隔装置适用于在离管子2一定距离处牢固地支撑外管，并且适用于保护绝热层免受管道1外部的高外压。

外管可以由钢或复合材料制成，该复合材料包括碳纤维和诸如聚酰胺(PA)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物。于是外管便具有对增强层5描述的所有优势和特性。

最后，管道1可包括用于连接至用于调节加热层3中的电流的控制装置的温度传感器。

温度传感器可包括光纤，该光纤用于测量在纵向X上沿着管道1的温度廓线。控制装置便因此接收到大量温度测量，每个测量都对应于纵向X上沿着管道1的不同位置。

光纤可以嵌入先前复合材料中的一种，即加热层3中的复合材料、电气绝缘层4中的复合材料，或者增强层5中的复合材料。

有利的是，管子2由聚合物制造并且温度传感器或光纤嵌入在管子2中，以便温度传感器测量至少一个介于加热层3和管子2的内表面2a之间的温度。这种更接近流体的测量为控制装置的调节提供了更具代表性的信息。

管道1可以由下列方法制造。

所述管道包括沿纵向X延伸的中空的管子2，其用于运输在管子中的流体，所述管道2具有至少一层电气绝缘外表面2a。

该方法包括至少下列连续步骤：

-在管子上形成加热层3，所述加热层3包括嵌入在聚合物材料内的碳纤维，

-在加热层3上形成电气绝缘层4，所述电气绝缘层4包括电气绝缘材料，

-在电气绝缘层4上形成增强层5，所述增强层5包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述增强层5适用于加固管道，所述增强填料包括碳纤维，以及

-布置用于将电流导入所述加热层3的电能供给装置6，所述电流流入所述加热层3来加热管子2。

各层的形成通过下列方法实现：

-在先前的层周围螺旋地施加至少一层适当的复合材料带，以及

-加热该带一段预定时间至该带的聚合物材料部分熔融，以便该带粘附至先前的层上。

可选择地，已成形的管道被加工成在加热层3上具有倾斜底部的沟槽3a，所述沟槽3a适用于适应至少一个互补形状的连接元件6b。

Claims (13)

1.用于运输包含碳氢化合物的流体的管道，所述管道包括：

-中空的管子(2)，其沿纵向(X)延伸并且用于运输在所述管子中的所述流体，所述管子(2)具有至少一层电气绝缘外表面(2b)，

-在所述管子上的加热层(3)，并且所述加热层包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在所述加热层(3)上的电气绝缘层(4)，所述电气绝缘层包括电气绝缘材料，

-在所述电气绝缘层(4)上的增强层(5)，并且所述增强层(5)包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述增强层(5)适用于加固所述管道，所述增强填料包括碳纤维，以及

-电能供给装置(6)，其用于将电流导入所述加热层(3)，所述电流流入所述加热层来加热所述管子。

2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于：

-所述加热层(3)的碳纤维以第一预定角度缠绕在所述管子周围，以适于获得所述加热层(3)的电阻，以及

-所述增强层(5)的碳纤维以至少第二预定角度缠绕在所述管子周围，以适于获得所述增强层的机械强度。

3.根据权利要求1或2所述的管道，还包括位于所述管子各端部的装配装置(7)，所述装配装置用于将所述管道牢固地连接至其他设备例如其他管道，所述其他设备包括互补的装配装置，所述装配装置(7)刚性地连接至所述增强层(5)，并且所述装配装置(7)适用于支撑所述加热层(3)的所述能量供给装置(6)。

4.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述电气绝缘层(4)的所述电气绝缘材料包括嵌入在聚合物材料中的玻璃纤维或芳纶纤维。

5.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述电能供给装置(6)包括连接元件(6b)，所述连接元件(6b)与位于纵向(X)上的所述加热层(3)一端部的横截面相接触。

6.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述电能供给装置(6)包括连接元件(6b)，所述连接元件具有环形形状的横截面和斜面形状的纵截面，所述连接元件(6b)安装在所述加热层(3)的沟槽(3a)中，所述沟槽(3a)具有与所述连接元件(6b)形状互补的形状。

7.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述电能供给装置(6)包括至少一个接收设备，所述接收设备连接至所述加热层(3)并且适用于接收感应磁场，以及适用于在所述加热层(3)中产生电流，所述感应磁场由位于离所述加热层(3)一段距离处的发射设备输出。

8.根据权利要求1所述的管道，还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于连接至用于调整所述加热层(3)中的电流的控制装置。

9.根据权利要求8所述的管道，其特征在于，所述温度传感器包括光纤，所述光纤适用于测量至少一条在纵向(X)上沿着管道的温度廓线。

10.根据权利要求9所述的管道，其特征在于，所述管子(2)是由聚合物材料制成的，并且所述光纤嵌入在所述管子(2)中。

11.生产用于运输包含碳氢化合物的流体的管道的方法，所述管道包括沿纵向(X)延伸的中空的管子(2)，并且所述管道用于运输在管子中所述流体，所述管子(2)具有至少一层电气绝缘外表面(2b)，所述方法至少包括下列连续步骤：

-在所述管子上形成加热层(3)，所述加热层(3)包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在所述加热层(3)上形成电气绝缘层(4)，所述电气绝缘层(4)包括电气绝缘材料，

-在所述电气绝缘层(4)上形成增强层(5)，所述增强层(5)包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述增强层(5)适用于加固所述管道，所述增强填料包括碳纤维，以及

-布置用于将电流导入所述加热层(3)的电能供给装置(6)，所述电流流入所述加热层(3)来加热所述管子(2)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，各层(3、4、5)的形成是通过下列方法实现的：

-在先前的层周围螺旋地施加至少一条适当的复合材料带，以及

-加热所述带一段预定时间至所述带的聚合物材料部分熔融，以便所述带粘附至先前的层上。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，已成形的所述管道被加工成在所述加热层(3)上具有倾斜底部的沟槽(3a)，所述沟槽(3a)适用于适应至少一个具有互补形状的连接元件(6b)。

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