CN102884354A

CN102884354A - 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

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Publication number: CN102884354A
Application number: CN2011800226695A
Authority: CN
Inventors: 西博德·比盖克斯; 杰罗米·瓦林
Original assignee: Total SE
Current assignee: TotalEnergies SE
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: EA201201409A1; EP2558761A1; AU2011239823A1; IL222113A; EA021861B1; AU2011239823B2; MY165073A; EP2558761B1; BR112012025957B1; CA2794992A1; CN102884354B; CY1115345T1; BR112012025957A2; AR080881A1; US20130028580A1; WO2011128545A1; AP2012006547A0; FR2958992B1; FR2958992A1; US9020333B2

Abstract

本发明涉及用于运输碳氢化合物的管道，所述管道包括沿纵向(X)延伸的中空的内管，该中空的内管用于运输在该内管中的流体。所述管道还具有电气绝缘外表面(2b)、加热层(3)，所述加热层布置在内管上并包含嵌入在聚合物材料中的碳纤维、布置在加热层(3)周围的绝热层(10)、布置在绝热层(10)周围的外管(11)，所述外管适用于抵抗至少大于100巴的外压、间隔装置(10a)，所述间隔装置用于在离内管(2)一定距离处以固定的方式支撑外管(11)，以及能量供给装置(6)，所述能量供给装置用于将电流供给到加热层(3)以便加热内管。

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。

此类管道目前通常用于陆地上或海洋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在管道上的铜导体来电加热此类管道。

文献CN2436761-Y和CN201354918-Y描述了具有碳纤维层的用于运输碳氢化合物的管道，所述碳纤维层适于供电来加热管道。

此类管道使用作为电导体的碳纤维来加热流体比用铜导体更为有效。

本发明的目标是完善这类管道，并且尤其是改善它们抵抗外压的能力。

根据本发明的一个实施例，用于运输包含碳氢化合物的流体的管道包括：

-中空的内管，其沿纵向延伸并且用于运输在内管中的所述流体，所述内管具有至少一层电气绝缘外表面，

-内管上的加热层，其包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在加热层周围的绝热层，

-在绝热层周围的外管，所述外管适于承受至少大于100巴的外压，

-布置在内管和外管之间的间隔装置，该间隔装置在离内管一段距离处牢固地支撑外管，以及

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

有了这些布置，尤其是在绝热层和间隔装置周围使用外管，该管道可以承受大于100巴的高外压，以使此类管道可以应用于海中较深处。

在根据本发明管道的不同实施例中，可以有选择地使用下列一个或多个布置：

-外管包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维；

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

外管的碳纤维以至少第二预定角度缠绕在内管周围，以适于获得所述外管的机械强度；

-间隔装置包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述间隔装置形成在内管和加热层上；

-电能供给装置包括连接元件，所述连接元件与至少一个大体横向的或部分成角度的接触表面相接触，该接触表面位于加热层在纵向上一端部的附近。

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内管，并且该管道用于运输在内管中的所述流体，所述内管具有至少一层电气绝缘外表面，所述方法至少包括下列步骤：

-在内管上形成加热层，所述加热层包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在加热层周围布置绝热层，

-布置间隔装置，

-在绝热层周围布置外管，所述外管适于承受至少大于100巴的外压，并且将所述间隔装置布置在内管和外管之间，该间隔装置在离内管一段距离处牢固地支撑外管，以及

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

在根据本发明用于生产管道的方法的不同实施例中，可以有选择的使用下列一个或多个布置：

-加热层的形成是通过以第一预定角度将碳纤维缠绕在内管周围来实现的，以适于获得所述加热层的电阻；

-间隔装置包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，并且所述间隔装置直接形成在内管上，并且在加热层形成后直接形成在加热层上；

-外管由嵌入在聚合物材料中的碳纤维直接形成在间隔装置上；

-外管通过以至少第二预定角度将碳纤维缠绕在间隔装置和绝热层周围形成，以适于获得所述外管的机械强度。

本发明的其它特征和优势，通过以下对以非限制性实例给出的实施例的描述并参照附图而得以清晰。

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。

在不同的图中，相同的附图标记表示同样的或相似的元件。

本说明书中提及的纵向应理解为图中的方向X。说明书中提及的横向应理解为图中的方向Y或Z。这些提及的方向仅仅为便于阅读和理解本发明。

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

图1a和1b在平面XZ中以纵向横截面示出根据本发明的管道1，并在平面YZ中以横向横截面示出管道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包括中空的内管2，该内管沿纵向X轴方向，在管道的第一和第二端(1a，1b)之间延伸。该内管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。

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

内管2也可以由导电材料制成，例如，钢。在这种情况下，至少在其外表面2b上，该内管包括一层在图2中可见的电气绝缘层2d，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，尤其是根据加热层的电压V而变化。

至少将一层加热层3和一层绝热层10施加在管道1的内管上，布置或形成间隔装置10a，以及在所述间隔装置10上布置或形成外管11。

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。该聚合物可有利的为聚酰胺(PA)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)。

碳纤维能够传导电流通过焦耳效应来加热内管。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 = ρ_{fibre} . \frac{L}{π . D_{moy} . \cos^{2} 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是加热层3在纵向X上介于第一和第二端部(1a，1b)之间的长度，

-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是相对于X轴方向由碳纤维形成的倾角。

在定尺寸时，厚度E_p和倾角α可以定义加热层3的电阻，以及因此加热内管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上介于第一和第二端部之间的电压。

倾角α可以假定为0度到70度之间的任意值。然而，为方便制造以及由于当弯曲管道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，加热层3的电阻R便可以在很大的范围内改变。

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，所述碳纤维被定向成大体在预成形的带的所述主方向上。

加热层可以由子层堆叠制成，每个子层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在相邻子层间倾角不同的碳纤维。例如，如上所述每个子层都是使用预成形的带形成的。作为一种变体，两层连续的子层可以具有对立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。

有了加热层3中的碳纤维的倾角，可以获得用于加热的期望电阻R。

由于该加热层3包括适当分布在聚合物材料中的碳纤维，管道2周围的加热便更加均匀。另外，如果一个或多个碳纤维在管道上的某处破裂，那么电流仍然继续流动。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，如此的管道1便对制造缺陷和会导致局部伤害的操纵事故非常宽容。

在纵向X上，周期地沿着管道1布置间隔装置10a。间隔装置的功能是在离内管一段距离处牢固地支撑外管11并保护绝热层10免受管道1外侧的高外压。

例如，间隔装置由从加热层3朝外管11径向延伸的环形单元组成，大体在垂直于纵向X的横平面中。

间隔装置10a可以是包括嵌入在聚合物材料中的增强填料的复合物，该间隔装置形成于内管2和加热层3上。该增强填料可以包括玻璃纤维或芳纶纤维来增加所述间隔装置的机械强度。

可选的是，它们由从加热层3纵向地和径向地朝着外管11延伸的一个或多个单元组成。在这种布置中，间隔装置10a可以被挤压出或在装配有加热层3的内管2上。

绝热层10可以预成形在适于安装在所述间隔装置10a之间的宽带形式的材料内：每条带的宽度大体上和在纵向X上的间隔装置之间的距离相同，并且其长度和加热层3的外圆周相同。每个隔绝层带10都是通过把它绕在间隔装置10a之间的加热层3周围上来安装的。隔绝层带10例如由绝热能力强的材料例如聚氨酯(PU)泡沫体组成。

作为变体，该绝热层10由注射装置注射至由加热层3、间隔装置10a，以及外管11界限的腔体内。可选的是，间隔装置10a包括纵向的开口以便于连续的腔体相互连通，并且绝缘层10的材料可以由所述注射装置注射至所有腔体内。在此类情况下，绝缘层10的材料有利的是泡沫体，例如聚氨酯(PU)。

外管11可由钢或包括碳纤维和例如聚酰胺(PA)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的复合材料制成。

外管11可以有利的包括一种复合材料，该复合材料包括至少一种嵌入在聚合物中的增强填料，该增强填料至少包括碳纤维。有利的是，采用与加热层3、间隔装置10a，以及外管相同的聚合物。同样有利的是内管2也由相同的聚合物制成。管道1是多层复合材料，其包括例如聚酰胺(PA)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物。于是便可以将这类管道制造得非常长且以全自动的方式完成。在这种布置中，即使它包括例如碳纤维这样较贵的材料，这类管道的成本也较低。

外管11可以用与用于制造加热层3相同的技术制造。它可以包括多个子层，每层子层都包括成预定倾角的碳纤维。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。

有了外管11，管道1便非常有刚性。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。

有了外管11，管道1还可以抵抗非常高的挤压力。为了在纵向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来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。

有了外管11中碳纤维的倾角，就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。

有了非常有刚性的外管11，内管2就可以具有较小的厚度并由略欠刚性的材料制成，意即其只能够支撑建造所述内管2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只离内管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)的内管，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，代表15mm厚度的所述子层具有下列机械特性：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的一个实施例，其包括：

-用于加热层3的电能供给装置6，其用于引导电流至加热层3，以及

-用于管道的机械装配装置，其用于将其与其它设备或其它包括同样的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，以便施加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，以及连接元件6b，其与加热层3的碳纤维相接触并且与所述电缆6a相连。

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在纵向横截面上具有倾斜的形状，并且进入加热层3的沟槽3a，在至少部分倾斜在所述沟槽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具有围绕着纵向轴X的环形形状，该沟槽3a位于加热层在纵向上一端部的附近。

有了这种布置，增加了介于连接元件6b和加热层3之间的接触表面。

在图3中示出装配装置7，装配装置7例如包括：

-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，然后是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，和通过诸如螺栓那样夹紧装置12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也适用于支撑加热层3的能量供给装置6。

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。

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

光纤可以嵌入加热层3。

有利的是，内管2由聚合物制造，并且温度传感器或光纤嵌入在内管2中，以便温度传感器测量至少一个介于加热层3和内管2的内表面2a之间的温度。这种更接近流体的测量值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延伸的中空的内管2并且用于运输在内管中的流体，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步骤：

-在内管上形成加热层3，所述加热层3包括嵌入聚合物材料的碳纤维，

-在加热层3周围布置绝热层10，

-布置间隔装置10a，

-在绝热层10周围布置外管11，所述外管11适用于承受至少大于100巴的外压，并且将所述间隔装置布置在内管2和外管11之间，以此在离内管2一段距离处牢固地支撑外管11，以及

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

内管2可通过聚合物类型的材料挤出成形。

加热层3的成形可以通过在内管2周围以第一预定角度缠绕碳纤维来实现，以适于获得所述加热层3的电阻。为达到这个目的，使用预成形的复合带，将其缠绕在内管2周围，然后加热聚合物至部分熔融并连接至内管。

间隔装置10a包含嵌入在聚合物材料中的增强填料。它们可以通过任意工艺，例如铸造、挤出、共挤，在形成加热层3后，直接形成在内管2以及加热层3上。

外管11可以由嵌入在聚合物材料中的碳纤维，直接在装置10a上形成。也可以使用预成形的复合带，将其缠绕在间隔装置10a周围，然后加热聚合物至部分熔融并连接至所述间隔装置。

外管的碳纤维可以选择性地以至少一个预定的角度缠绕，以适于获得外管11的机械强度，以使所述外管承受例如大于100巴并且优选的是大于200巴的外压。

最后，管道1可以用连续的制造方法来制造，其中，内管2是挤出的，将加热层3成形在内管上，在纵向腔体的成形期间将间隔装置挤压至加热层3上，将绝热材料注射至所述腔体，并且将外管11成形在间隔装置上。

Claims

1.用于运输包含碳氢化合物的流体的管道，所述管道包括：

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

-在所述内管上的加热层(3)，其包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维，

-在所述加热层(3)周围的绝热层(10)，

-在所述绝热层(10)周围的外管(11)，所述外管(11)适用于承受至少大于100巴的外压，

-布置在所述内管(2)和所述外管(11)之间的间隔装置(10a)，所述间隔装置在离所述内管(2)一定距离处牢固地支撑外管(11)，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内管。

2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述外管(11)包括嵌入在聚合物材料中的碳纤维。

3.根据权利要求2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内管(2)周围，以适于获得所述加热层(3)的电阻，以及

-所述外管(11)的碳纤维以至少第二预定角度缠绕在所述内管(2)周围，以适于获得所述外管(11)的机械强度。

4.根据上述权利要求中任一项所述的管道，其特征在于，所述间隔装置(10a)包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，所述间隔装置形成于所述内管(2)和所述加热层(3)上。

5.根据上述权利要求中任一项所述的管道，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)与至少一个大体横向的或部分成角度的接触表面相接触，所述接触表面位于所述加热层(3)在所述纵向(X)上的一端部的附近。

6.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)延伸的中空的内管(2)，并且所述管道用于运输在所述内管中的所述流体，所述内管(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步骤：

-在所述内管上形成加热层(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)周围布置绝热层(10)，

-布置间隔装置(10a)，

-在所述绝热层(10)周围布置外管(11)，所述外管(11)适用于承受至少大于100巴的外压，并且将所述间隔装置布置在所述内管(2)和所述外管(11)之间，以使所述间隔装置在离所述内管(2)一段距离处牢固地支撑所述外管(11)，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)，其中所述电流流入所述加热层来加热所述内管。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热层(3)的形成是通过以第一预定角度将碳纤维缠绕在所述内管(2)周围来实现的，以适于获得所述加热层(3)的电阻。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述间隔装置(10a)包括嵌入在聚合物材料中的增强填料，并且在所述加热层(3)形成后，所述间隔装置直接形成在所述内管(2)和所述加热层(3)上。

9.根据权利要求6到8中任一项所述的方法，其特征在于，所述外管(11)由嵌入在聚合物材料中的碳纤维直接形成在所述间隔装置(10a)上。

10.根据权利要求6到9中任一项所述的方法，其特征在于，所述外管(11)通过以至少第二预定角度将碳纤维缠绕在所述间隔装置(10a)和所述绝热层(10)周围形成，以适于获得所述外管(11)的机械强度。