CN103348171A - 柔性管以及具有集成传感器的端部配件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制造柔性管体的设备和方法。所述方法可包括：提供流体保持层；将多个拉伸铠装元件缠绕在所述流体保持层周围；并且将容纳至少一个纤维元件的抗压细长主体缠绕在所述流体保持层周围以及径向地位于所述多个拉伸铠装元件中的两个之间。在将管体组装到端部配件中之后，可固化所述细长主体内所提供的基质材料。

Description

柔性管以及具有集成传感器的端部配件

本发明涉及一种用于监测预定参数的设备和方法。尤其但并非排他地，本发明涉及监测应变、温度和/或声学等参数。例如，在石油和天然气行业中，可在柔性管内原位地监测这些参数。

通常，柔性管用于将产品流体（诸如，油和/或气体和/或水）从一个位置传输到另一个位置。柔性管尤其可用于连接海底位置和海平面位置，并且可用于浅水区（小于1000英尺（304.8米））、深水区（小于3300英尺（1005.8米））、以及超深水区（大于3300英尺）。柔性管通常形成为管体和一个或多个端部配件的一个组件。管体通常形成为形成承压导管的层状材料的复合材料。管体通常建造成复合结构，其包括金属和聚合物层。管体结构形成为允许大幅偏斜，而不产生在其使用期损害管体的功能的弯曲应变。

然而，要理解的是，在海底的这种操作深度中存在恶劣的环境条件，不仅包括高压和较强的潮汐运动，而且包括人为条件，诸如，与过往的运载工具发生碰撞等等。

近年来，注意力已经转向连续地监测柔性管的各种参数，诸如，应变、温度以及声学，以便协助检测在管体内的结构损坏。这种结构损坏可为泄漏、断线、管道过度弯曲（即，在发生损伤之前，弯曲超过最大容许限度）、以及管道和外部环境之间的相互作用，诸如，与其他物体发生碰撞。

作为监测柔性管内的应变、温度以及声学的方法，已经沿着管结构的长度包含位于防护导管内的原始纤维和/或金属管纤维（FIMT），并且这些纤维与管道外面的查询装置连接。纤维用作发射光的光纤，并且通常由玻璃制成。纤维可包括布拉格光栅，据此，向下传递纤维的微分衍射光用于测量所需参数。可分析所输出的读数，以便确定在一段时间内的管道的状态，并且因此采取正确的措施。

已知的方法可使用压力铠装和/或拉伸（tensile）铠装线，以便携带导管。将凹槽形成在线缆形式的侧边缘内，导管铺设在该侧边缘内并且结合到合适的位置中。管道受到作用力时，通过与线缆的这种结合，导管因此经受相同的状态。使用布拉格光栅蚀刻的纤维结合到导管的内部，记录导管所经受的运动，从而实现应变监测。

通过包括不与导管的内部结合的FIMT，可监测温度，因此，能够独立于应变记录该温度。可通过相似的方式配置纤维，以便监测声学状态。

将导管组装到线缆中，并且最终在端部配件阶段从线缆中去除这些导管，以便这些导管能够与查询装置连接，这是已知方法所面临的挑战。在制备方面，线缆硬度控制着在携带导管的线缆内形成最初的凹槽；过硬或过软的线缆难以产生所需要的凹槽几何形状。此外，由于在应用铠装层之前，导管必须安装和结合到线缆的凹槽中，所以生产时间延长。在组装端部配件的同时完成管道时，导管必须与铠装线分离，以便于这些导管与外部装置连接。导管结合至线缆中时，难以从凹槽中去除导管，并且这可在材料内引起不必要的应变。

本发明的一个目标在于，至少部分缓解上述问题。

本发明的实施例的一个目标在于，与已知的配置相比，在制造过程中，能够比较容易地将纤维和/或包含纤维的导管包含到管结构内。

本发明的实施例的一个目标在于，能够将纤维和/或包含纤维的导管包含到管结构内，从而在利用端部配件安装而包含管道层时，比较容易地拆卸管结构。

本发明的实施例的一个目标在于，为柔性管提供较低成本的纤维光学技术。

根据本发明的第一方面，提供了一种制造柔性管体的方法，包括：

提供流体保持层；

将多个拉伸铠装元件缠绕在所述流体保持层周围；并且

将容纳至少一个纤维元件的抗压细长主体缠绕在所述流体保持层周围以及径向地缠绕在所述多个拉伸铠装元件中的两个之间。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于从海底位置中输送流体的柔性管体，包括：

流体保持层；

多个拉伸铠装元件，其位于所述流体保持层周围；并且

抗压细长主体，其容纳至少一个纤维元件，所述纤维元件位于所述流体保持层周围以及径向地位于所述多个拉伸铠装元件中的两个之间。

根据本发明的第三方面，提供了一种制造柔性管的方法，包括：

提供柔性管体，其包括容纳至少一个纤维元件的抗压细长主体，用于检测与柔性管相关的一个或多个参数；

将所述细长主体至少部分地装有可流动的可固化基质材料；

将柔性管体连接到至少一个端部配件，从而所述细长主体从所述端部配件中突出，以便与感测装置连接；以及

固化所述基质材料。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于从海底位置中输送流体的柔性管，包括：

柔性管体，其包括抗压细长主体，所述细长主体容纳至少一个纤维元件，用于感测与柔性管相关的一个或多个参数；

至少一个端部配件，其与柔性管体的端部连接；

其中，所述细长主体至少部分地装有基质材料，并且

其中，所述细长主体从所述端部配件中突出，以便与感测装置连接。

本发明的某些实施例提供了以下优点：用于测量应变、温度等参数的纤维元件可便宜地并且方便地结合在柔性管体内，无需其他形成步骤来制备用于容纳纤维的凹槽。这种设置可利用缠绕的拉伸铠装元件之间的间隙，以便定位抗压细长主体，或者通过使用细长主体代替拉伸铠装元件，产生间隙。

本发明的某些实施例提供了以下优点：在所需的时刻，或者由发生的预定事件引起时，在柔性管内可连续地或重复地监测应变、温度等参数。

本发明的某些实施例提供了以下优点：通过固化，可局部结合纤维元件（包括原始纤维或FIMT），以便将纤维元件限制在位，这也可有助于其组装和移除。

本发明的某些实施例提供了以下优点：较为精致的纤维元件可组装在柔性管内，同时，周围的基质材料为可流动的材料，从而保护纤维元件，然后，允许固化和设置基质材料，以便将纤维元件限制在位。

在后文中，参看附图，进一步描述本发明的实施例，其中：

图1显示了柔性管体；

图2显示了立管组件；

图3a、3b和3c显示了各种纤维元件；

图4a和4b显示了在拉伸铠装层内位于适当位置中的包含纤维的导管；以及

图5显示了端部具有端部配件的管体。

在图中，相似的附图标记表示相似部件。

在整个说明书内，提及柔性管。要理解的是，柔性管为一部分管体及一个或多个端部配件的组件，在每个端部配件内，管体的相应端部终止。图1显示了根据本发明的一个实施例可由形成承压导管的层状材料的复合材料形成管体100的方式。虽然图1中显示了多个特定的层，但是要理解的是，本发明广泛地适用于复合管体结构中，这种结构包括由多种可能的材料制成的两层或更多层。要进一步注意的是，仅仅为了进行说明，显示了层厚。

如图1中所示，管体的一个实例包括最里面的框架层101。框架提供了一种互锁结构，其可用作最内层，以便完全或部分防止由于管道减压、外部压力以及拉伸铠装压力和机械压碎载荷造成内部压力护套102倒塌。要理解的是，本发明的某些实施例适用于‘滑膛’以及这种‘粗镗’应用中。

内部压力护套102用作流体保持层，并且包括确保内部液体的完整性的聚合物层。要理解的是，这层本身可包括多个子层。要理解的是，使用框架层时，本领域的技术人员通常将内部压力护套称为阻挡层。在没有这种框架的操作（所谓的滑膛操作）过程中，内部压力护套可称为衬垫。

压力铠装层103为结构层，其铺设角接近90°，这种结构层提高了柔性管对内部压力和外部压力以及机械压碎载荷的抵抗性。该层也在结构上支撑内部压力护套。

柔性管体也包括第一拉伸铠装层105和第二拉伸铠装层106。每个拉伸铠装层为结构层，其铺设角通常在20°至55°之间。每层用于维持拉伸负荷和内部压力。拉伸铠装层通常成对地反向缠绕。

所显示的拉伸管体也包括胶带层104，其有助于包含底层并且在某种程度上阻止相邻层之间的磨损。

柔性管体通常也包括绝缘层107和外部护套108，外部护套包括聚合物层，该聚合物层用于保护管道不渗透海水和免受其他外部环境的影响、腐蚀、磨损以及机械损伤。

每个柔性管包括至少一部分，该部分有时与位于柔性管的至少一端的端部配件一起称为管体100的一个区段或部段。端部配件提供一种机械装置，该装置在柔性管管体和连接器之间形成过渡。例如，图1中所示的不同的管道层通过这种方式在端部配件内终止，以便在柔性管和连接器之间传输负荷。

图2显示了一种立管组件200，其适合于将产品流体（诸如，油和/或气体和/或水）从海底位置201传输到浮动的设备202中。例如，在图2中，海底位置201包括海底流线。海底流线205包括柔性管，该柔性管完全或部分地位于海床204上或埋在海床下面并且用于静态应用中。平台和/或浮标或图2中所示的轮船可提供浮动的设备。立管200用作软立管，即，将轮船连接至海床装置的柔性管。

要理解的是，本领域的技术人员熟知具有不同类型的立管。本发明的实施例可使用任何类型的立管，诸如，自由悬挂式立管（自由的悬链式立管）、在某种程度上限制的立管（浮标、链条）、完全限制的立管或封闭在管（I或J形管）内的立管。

图2也显示了柔性管体部分可用作流线205或跳线206的方式。

如上所述，一部分管体在端部配件内终止。柔性管的端部配件可用于将柔性管的区段连接在一起或者用于将这些区段连接到终端设备中，诸如，刚性海底结构或浮动的设备。例如，该终止可包括将柔性管体的每层固定到端部配件中，在WO2007/144552中进行了大致描述。

图3a、3b和3c显示了本发明的抗压导管（细长主体）302的各种实例。导管可由金属形成。导管容纳可由玻璃制成的纤维元件，用于纤维光学感测方法中，并且该部件可具有各种形式。例如，导管为中空保护管，并且可具有大致圆形、矩形、方形或椭圆形剖面。

在图3a中，导管302包含原始纤维304。如图3b中所示，导管包含金属管纤维（FIMT），其包含光纤304和金属管306。此外，导管302基本上装有基质材料，诸如，热固化环氧树脂，以便在导管内将FIMT更好地保留在位。如图3c中所示，除了FIMT，导管302也包含其他原始纤维310，这些纤维沿着导管的长度延伸并且直接在基质材料内结合。树脂所封装的这种原始纤维可用作纤维光学传感器设备的一部分，以便测量应变。这是因为，在导管内锁定纤维并且导管处于应变中时，负荷直接传输给纤维。纤维可通过布拉格光栅（FBG）蚀刻或者可为分布式温度感测（DTS）系统，在本领域中众所周知。另一方面，不直接由树脂封装的纤维（诸如，图3a中所示的纤维，或图3b中所示的FIMT304、306）不从其周围经受应变。因此，可测量真实的温度读数。而且，可使用FBG或DTS。

根据本发明的一个实施例，任何上述设置中的纤维元件可包含在柔性管内，以便监测应变、温度、声学特性等等。通过监测这些参数，这些结果可用于检查金属层内的增长的热量、温度变化（可由浸没的环形物造成）、铠装曲率造成的应变、管道内的总应变等等。可确定使用期内立管的疲劳寿命曲线或聚合物温度曲线。此外，这些结果可确定在其使用期限内管道是否过度弯曲或过热。

在本发明的一个实施例中，导管缠绕在先前形成的层（诸如，流体保持层、压力铠装层或另一个拉伸铠装层）周围，位于拉伸铠装层的其他线缆旁侧。导管可径向地位于两个拉伸铠装线之间。由于导管302抗压，所以导管可有效地用作另一根拉伸铠装线，同时也容纳监测管道的参数时所需要的纤维。为了确保导管302的抗压性，能够计算导管和/或基质材料的至少一个维度的刚度系数。这根据其维度、导管的横截面形状、以及制造导管的材料，进行确定，并且本领域的技术人员可根据特定应用的具体要求进行计算。因此，可预先制造导管，从而在固化时或者如果固化，那么其机械性能与拉伸铠装线相似。

在图4a中，显示了拉伸铠装层。包含纤维的导管302通过与拉伸铠装线相同的方式缠绕在拉伸铠装线的旁侧，有效地代替一个拉伸铠装线。因此，导管径向地位于两根拉伸铠装线之间。未显示柔性管体的其余层。

或者，如图4b中所示，在填充系数小于100%时（即，在未缠绕拉伸铠装线，以便进行接触时），包含纤维的导管302可位于一个间隙内，该间隙位于拉伸铠装线之间。因此，并非代替拉伸线，导管为所有拉伸线的补充。理想地，导管应抗压，至少与拉伸铠装线一样牢固，并且也应通过周围的铠装线抵抗变形或抗压。

导管本质上为拉伸铠装线的一个额外元件，而非拉伸线的组成部分时，可与铠装线同时应用。在制造管体之前，不需要制备线缆。使用铠装线铺设导管的方法在某种程度上取决于导管的几何形状。例如，如果导管具有圆形剖面，那么将使用一个额外的行星绕线筒附接件（用于标准的扁线机器）在施加拉伸铠装线的过程中，可铺设该导管。如果导管的剖面为方形，那么由于这不会在导管内引起扭曲，所以通过使用与拉伸线相同的铺设技术，可铺设该导管。

形成管体时，层通常在端部配件内依次终止。因此，虽然包含纤维的导管应从端部配件中突出，以便能够与查询装置（传感器监测单元）连接，但是与其周围的铠装线类似地处理包含纤维的导管302。

图5显示了在端部配件500内终止的管体100。拉伸铠装线105轻轻地脱离其自然路径，并且在端部配件的外壳504的内部表面和端部配件主体506和轴环元件508之间形成的腔体502内终止。导管302通过孔插入端部配件主体506内，从而该导管可与查询装置（未显示）连接。孔可为装有橄榄形件（olive）的标准端口，以便将导管锁定在端部配件中（以便防止滑动）并且防止海水进入内部元件中。查询装置可位于海面上，以便允许接近该装置。腔体502可装有环氧树脂，以便将铠装线保持在位。

通过端部配件安装导管时，有利于将导管作为铠装线的单独元件进行处理。因此，相比于感测元件与铠装线结合的已知方法，该处理更简单。

在装入导管的环氧树脂还未固化的同时，处理并且通过端部配件馈送导管时，进一步实现更容易的安装。因此，通过端部配件进行安装之后，可用于固化和设置环氧树脂。或者，可仅仅在已经应用热量的指定区域内固化导管。通过这种方法，可正常地完成制造，通过处于未固化状态的环氧树脂，可将管道运送到其指定位置，然后，离岸进行固化。

光纤可为环状或拼接，以便沿着相同的导管向上返回。激光可沿着光纤向下发送光脉冲，并且探测器可测量对于每个光脉冲的反射。例如，查询装置然后可分析这些结果，以便确定应变或温度。

制成的管组件然后可用于进行流体输送，同时连续或定期地监测其应变、温度等等。读数可与警报系统连接，用于在不利的读数在预定的容许极限之外时，通知用户。

在本说明书的整个描述和权利要求书内，措辞“包括（comprise）”和“包含（contain）”及其变化表示“包括但不限于”，并且其目的并非在于（并且不）排除其他部分、添加物、元件、整体或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求书内，单数包含复数的意义，除非文中另有规定。尤其地，使用不定冠词时，该说明书要理解为包括复数以及单数，除非文中另有规定。

结合本发明的一个特定的方面、实施例或实例进行描述的功能、整体、特征、化合物、化学部分或基团要理解为适用于本文中所描述的任何其他方面、实施例或实例，除非与其不相容。本说明书（包括任何附属权利要求书、摘要和附图）内所公开的所有功能和/或这样公开的任何方法或工艺的所有步骤可通过任意组合相结合，除了这种功能和/或步骤中的至少某些互相排斥的组合以外。本发明不限于任何上述实施例的细节。本发明延伸至本说明书（包括任何附属权利要求书、摘要和附图）内所公开的功能中的任一个新功能或任一个新组合、或延伸至这样公开的任何方法或工艺的步骤中的任一个新步骤或任一个新组合。

将读者的注意力引向与和本应用相关的本说明书同时提交的或在本说明书之前提交的以及公开以供公众查阅本说明书的所有论文和文档，所有这些论文和文档的内容通过引用的方式并入本文中。

Claims (29)

1.一种制造柔性管体的方法，包括：

提供流体保持层；

将多个拉伸铠装元件缠绕在所述流体保持层周围；以及

将容纳至少一个纤维元件的抗压细长主体缠绕在所述流体保持层周围并径向地位于所述多个拉伸铠装元件中的两个之间。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在缠绕所述拉伸铠装元件和细长主体的步骤之前，将内部压力护套缠绕在所述流体保持层周围。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述拉伸铠装元件为线缆钢筋束。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，容纳至少一个纤维元件的所述细长主体为FIMT（金属管中的纤维）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个纤维元件配置成能够与感测装置连接，所述感测装置用于监测与所述柔性管相关的一个或多个参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个纤维元件配置成监测温度和应变中的至少一个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个纤维元件的纤维通过布拉格光栅蚀刻，和/或在预定位置处至少部分地与所述细长导管结合。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个拉伸铠装元件和所述细长主体同时缠绕在所述流体保持层周围。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述细长主体形成为与拉伸铠装元件具有大致相同的尺寸。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括，在所述多个拉伸铠装元件上缠绕一层其他的拉伸铠装元件。

11.一种用于从海底位置中输送流体的柔性管体，包括：

流体保持层；

多个拉伸铠装元件，设置于所述流体保持层周围；以及

抗压细长主体，其容纳至少一个纤维元件，所述纤维元件设置于所述流体保持层周围并且径向地位于所述多个拉伸铠装元件中的两个之间。

12.根据权利要求10所述的柔性管体，进一步包括位于所述流体保持层与所述拉伸铠装元件之间的内部压力护套。

13.根据权利要求11或12所述的柔性管体，其中，所述拉伸铠装元件为线缆钢筋束。

14.根据权利要求11到13中任一项所述的柔性管体，其中，容纳至少一个纤维元件的所述细长主体为FIMT（金属管中的纤维）。

15.根据权利要求11到14中任一项所述的柔性管体，其中，所述至少一个纤维元件配置成能够与感测装置连接，所述感测装置用于监测与所述柔性管相关的一个或多个参数。

16.根据权利要求15所述的柔性管体，其中，所述至少一个纤维元件配置成监测温度和应变中的至少一个。

17.根据权利要求11到16中任一项所述的柔性管体，其中，所述至少一个纤维元件的纤维通过布拉格光栅蚀刻，和/或在预定位置处至少部分地与所述细长导管结合。

18.根据权利要求11到17中任一项所述的柔性管体，其中，所述细长主体与拉伸铠装元件具有大致相同的尺寸。

19.根据权利要求18所述的柔性管体，进一步包括位于所述多个拉伸铠装元件之上的一层其他的拉伸铠装元件。

20.一种制造柔性管的方法，包括：

提供柔性管体，所述柔性管体包括容纳至少一个纤维元件的抗压细长主体，用于感测与所述柔性管相关的一个或多个参数；

将所述细长主体至少部分地装有能够流动的可固化基质材料；

将所述柔性管体连接到至少一个端部配件，从而所述细长主体从所述端部配件突出，以便与感测装置连接；以及

固化所述基质材料。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述基质材料为环氧树脂。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述固化步骤包括，使得所述基质材料受热。

23.根据权利要求20到22中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括，将另一量的基质材料加入所述端部配件中，用于限制所述多个拉伸铠装元件的端部，并且与所述基质材料同时地固化所述另一量的基质材料。

24.根据权利要求20到23中任一项所述的方法，其中，所述柔性管体如根据权利要求11到19中任一项所述。

25.一种用于从海底位置中输送流体的柔性管，包括：

柔性管体，其包括抗压细长主体，所述细长主体容纳至少一个纤维元件，所述至少一个纤维元件用于感测与所述柔性管相关的一个或多个参数；

至少一个端部配件，其与所述柔性管体的端部连接，

其中，所述细长主体至少部分地装有基质材料，并且

其中，所述细长主体从所述端部配件突出，以便与感测装置连接。

26.根据权利要求25所述的柔性管，其中，所述基质材料为环氧树脂。

27.根据权利要求25或26所述的柔性管，其中，所述基质材料已经受热而固化。

28.根据权利要求25到27中任一项所述的柔性管，其中，所述端部配件包括另一基质材料，用于限制所述多个拉伸铠装元件的端部。

29.根据权利要求25到28中任一项所述的柔性管，其中，所述柔性管体如根据权利要求11到19中任一项所述。

Images