CN103379991B - 柔性管本体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

为了制造柔性管本体，将预浸复合材料的一段拉伸防护元件(300)朝向流体保持层(602)供给。拉伸防护元件(300)穿过引导件(604)和预加热器(606)。拉伸防护元件(300)然后施加至流体保持层(602)，拉伸防护元件由于层(602)的旋转、层(602)的线性平移、以及拉伸防护元件供给件(601)的固定位置而卷绕在流体保持层(602)上。元件(300)在恒定的预定受控张力下供给至流体保持层。定位头(608)有助于将元件(300)定位在流体保持层(602)上。当拉伸防护元件盘绕到管本体上时，管本体继续在线性方向上移动并且管本体移动穿过炉(610)。

Description

柔性管本体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种柔性管本体以及制造柔性管本体的方法。特别但并非排他地，本发明涉及复合物(特别是纤维加强的聚合物材料)在柔性管本体的防护层(armour layer)中的使用。
背景技术
通常，柔性管用于将成品流体(诸如油和/或气体和/或水)从一个位置输送到另一个位置。在将海底位置连接至海平面位置方面，柔性管是特别有用的。柔性管通常形成为柔性管本体与一个或多个端部配件的组件。管本体通常形成为形成承压管道的分层材料的组合。管道结构允许具有大的挠度，而不导致损害管在其使用期内的功能性的弯曲应力。管本体通常构建为包括金属层和聚合物层的组合结构。
在许多已知的柔性管设计中，管本体包括一个或多个压力防护层。这样的层上的主要载荷由径向力构成。压力防护层通常具有用以互锁的特定的横截面轮廓，从而能够维持和吸收由管上的外部压力和内部压力造成的径向力。防止管本体由于压力而导致的毁坏或爆裂的盘绕的线横截面轮廓有时称为耐压轮廓。当压力防护层由螺旋盘绕的线形成的环形部件构成时，由管上的外部压力或内部压力造成的径向力致使环形元件扩张或收缩，使拉伸载荷处于这些线上。
在许多已知的柔性管设计中，管本体包括一个或多个拉伸(tensile，抗拉)防护层。这样的层上的主要载荷为张力。在高压应用中，诸如在深水以及超深水环境中，拉伸防护层经受由于内部压力端盖载荷和柔性管的自支撑重量的组合而导致的高的张力载荷。由于在较长的时间段内经受这样的状况，因而这可导致柔性管中的故障。
已将未粘合的柔性管用于深水(小于3,300英尺(1,005.84米))以及超深水(大于3,300英尺)的开发中。对于油的日益增大的需求使得开采发生在环境因素更为极端的越来越大的深度处。例如，在这样的深水和超深水环境中，海底温度增大了冷却至可能导致管堵塞的成品流体的风险。更大的深度还增大了与柔性管必须在其中操作的环境相关的压力。结果，增大了对柔性管本体的压力防护层和拉伸防护层的高级别的性能的需求。
提高防护层的载荷响应以及因此性能的一种方式为，由更厚更强并且因此更稳健的材料制造这些层。例如，对于其中这些层通常由盘绕的线形成的压力防护层(其中该层中相邻的绕组互锁)，由更厚的材料制造线致使强度适当地增大。然而，由于使用更多的材料，因而柔性管的重量增大。最后，柔性管的重量可成为在使用柔性管方面的限制因素。另外，使用越来越厚的材料制造柔性管显著地增大了材料的成本，这也是一个缺点。运送和安装柔性管的经济性和物流变得无法承受。
在过去已用于以某种方式缓解上述问题的一种技术在于，使用纤维加强的聚合物材料(或复合物)作为柔性管中的结构性部件。复合材料提供高的比强度和刚度并且可实现减小管道重量(减小顶部张力)，并且与已知金属材料相比，提高了管道的化学抗性。复合物初始可作为“预浸材(pre preg)”(即，预先浸渍以纤维)来提供。
采用高强度、高刚度纤维的热固性复合物不可延展并且不能如金属一样发生塑料变形，并且具有大约2％或以下数量级的有限的最终应变。用于制成具有合理尺寸的部分的复合物因此带来了制造工艺方面的困难。热固性材料被定义为在固化之后不能重新熔化的材料。热固性材料为处于其未固化或部分地固化的状态中的材料。已固化的热固性复合物在此定义为热固材(thermoset)。热固性复合物可形成为带并且可受热以使材料固化。然而，当盘绕所形成的带以形成管状管本体的层时，会将应变引入到材料中，这会影响性能。在盘绕到圆柱形基部上的过程中，带在两个平面上弯曲，这可导致翘曲。
US2003/0026928披露了一种柔性管，该柔性管包括纤维与热固性树脂的复合带。该带由通过粘结剂粘合在一起的薄的叠置的层压件构成。使用薄层压板有助于减小当该层弯曲到管本体的表面上时的应力。然而，应变并未完全消除，并且还必须精心地控制层厚、粘合范围以及施加时间。并且，在使用时，由于在管的运动或者层的扭转过程中的界面的相互作用，粘合的层压件的层易于受到层压件之间的剪切作用的影响。
发明内容
本发明的目的在于，至少部分地缓解上述问题。
本发明实施例的目的在于，在柔性管本体内设置复合材料层，该复合材料层为管道提供强度和刚度，以避免压溃或冲破(burst-through)，同时在管弯曲时还为管提供充分的柔性。
本发明实施例的目的在于，在复合材料的柔性管本体中提供防护层，这些防护层基本不受残余应变的影响。
本发明实施例的目的在于，提供拉伸防护层和/或压力防护层，这些层受到保护从而不会粘结至相邻的线、不受摩擦以及环境因素(诸如温度和化学物质等)的影响。
根据本发明的第一方面，提供一种制造柔性管本体的方法，包括：
提供一段热固性复合材料；
在预定张力下将所述段螺旋地盘绕在流体保持层上；
并且然后加热所述段，以使热固性复合材料固化。
根据本发明的第二方面，提供一种柔性管本体，包括：
流体保持层；以及
至少一个防护层，包括设置在所述流体保持层上的一段热固性复合材料，
其中，通过在预定张力下将所述段螺旋地盘绕在流体保持层上并且然后加热所述段以使热固性复合材料固化来形成所述防护层。
本发明的特定实施例提供这样的优点，即，防护层基本或者完全不受残余应变的影响，这是因为材料的段是“原位”固化的，即，在固化阶段之后并未形成在新的位置中。本发明的特定实施例提供一种柔性管，与具有标准防护层的管相比，该柔性管形成为具有减小的重量和提高的性能。复合材料在重量被控制的情况下提供高的强度。可选择特定的材料以用于所需的应用。然而应当认识到的是，本发明特别适于深水和超深水操作，其中，长的管段和周围的水自身的重量使得管上的压力较高，并且每单位重量材料的高的强度是最重要的。
附图说明
在下文中参照附图进一步描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了柔性管本体；
图2示出了立管(riser)组件；
图3a和图3b示出了拉伸防护元件；
图4示出了处于其卷绕位置中的拉伸防护元件；
图5示出了处于其卷绕位置中的压力防护元件；
图6示出了用于制造管本体的设备；
图7示出了另一拉伸防护元件；
图8示出了用于制造管本体的另一设备；
图9示出了卷绕有带的图7的拉伸防护元件；
图10示出了制造管本体的一种方法；
图11示出了制造管本体的另一种方法；
图12示出了制造管本体的另一种方法；以及
图13示出了制造管本体的另一种方法。
具体实施方式
在附图中，相同的参考标号是指相同的部件。
贯穿本说明书，将对柔性管进行说明。应当理解的是，柔性管为管本体的一部分与一个或多个端部配件的组件，管本体的各个端部终止于每个端部配件中。图1示出了管本体100是如何根据本发明实施例由形成承压管道的分层材料的组合形成的。尽管在图1中示出了多个特定的层，但是应当理解的是，本发明广泛地适用于包括由多种可能的材料制成的两个或更多个层的同轴管本体结构。还应当注意到的是，仅仅出于说明的原因而示出了层的厚度。
如在图1中所示，管本体包括可选的最里面的构架(carcass)层101。该构架提供互锁结构，该结构可用作最里层，以防止内部压力护套102由于管道的减压、外部压力、以及拉伸防护的压力和机械压溃载荷(crushing load)而导致的完全的或部分的损毁。应当理解的是，本发明的特定实施例适用于“滑镗(smooth bore)”操作(即，不具有构架)以及这样的“粗镗(rough bore)”应用(具有构架)。
内部压力护套102用作流体保持层并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。应当理解的是，该层自身可包括多个子层。应当认识到的是，在使用可选的构架层时，本领域的技术人员通常将内部压力护套称为障碍层。在不存在这样的构架(所谓的滑镗操作)的操作中，内部压力护套可称为衬里(liner)。
可选的压力防护层103为具有的布设角(lay angle)接近90°的结构层，该结构层提高了柔性管对内部和外部压力以及机械压溃载荷的抗性。该层还在结构上支撑内部压力护套，并且典型地由互锁结构组成。
柔性管本体还包括可选的第一拉伸防护层105以及可选的第二拉伸防护层106。每个拉伸防护层均为具有的布设角典型地介于10°与55°之间的结构层。每一层均用于支撑拉伸载荷和内部压力。拉伸防护层通常成对地反向盘绕。
所示出的柔性管本体还包括可选的带层104，该带层有助于包含底层并且在一定程度上防止相邻层之间的磨损。
柔性管本体通常还包括可选的绝缘层107和包含聚合物层的外部护套108，该聚合物层用于保护管道免受海水的渗入以及其他外部环境、腐蚀、磨损和机械破坏的影响。
每个柔性管均包括与位于柔性管的至少一端处的端部配件一起的至少一部分，有时称为管本体100的一个区段或一段。端部配件提供机械装置，该机械装置形成柔性管本体与连接器之间的过渡。不同的管层(例如如在图1中所示的)以在柔性管与连接器之间传递载荷的方式终止在端部配件中。
图2示出了立管组件200，该组件适合于将成品流体(例如油和/或气体和/或水)从海底位置201输送至漂浮设备202。例如，在图2中，海底位置201包括海底流线。柔性流线205包括柔性管，该柔性管完全地或部分地位于海底204上或者埋入海底下面并且用在静态应用中。漂浮设备可由平台和/或浮标或者如在图2中所示的船提供。立管组件200设置成柔性立管，也即，将船连接至海底设备的柔性管203。柔性管可成具有连接端部配件的柔性管本体的区段的形式。
应当认识到的是，如本领域技术人员所知，存在不同类型的立管。本发明的实施例可与任何类型的立管一起使用，这些立管例如为自由悬置的立管(自由悬链式立管)、在一定程度上受限的立管(例如浮标、链条)、完全受限的立管或者封闭在管(I管或J管)中的立管。
图2还示出了如何可将柔性管的部分用作流线205或跨接件(jumper)206。
图3a和图3b示出了用于形成本发明的拉伸防护层的元件的实例。元件3001或3002(在本技术领域中可称为带)包括复合基体材料302和加强纤维304。相关尺寸、横截面形状以及基体材料与纤维的比以举例的方式示出，并且可构造成适合特定的应用。元件的横截面形状可为大致矩形、大致椭圆形、大致圆形等，或者可由两个或更多个对应的单件构成，或者可为任何其他的横截面。
通过将元件螺旋地卷绕在径向内层上(诸如以在图4中示出的形式)使一个或多个元件形成拉伸防护层。在典型的使用中，拉伸防护元件以10到55°的布设角盘绕。可替换地，当本发明旨在用于柔性管本体的压力防护层时，防护元件可以接近90°的布设角盘绕，如在图5中所示。
在该实例中，复合基体材料302为环氧树脂，并且加强纤维304为碳纤维。基体材料与纤维的复合物可从Zoltek公司以预浸材的形式获得。该预浸材可以部分固化的状态(其中已化学地阻碍固化以实现容易的操作)获得，该预浸材为连续的预浸材料，其中整个材料上具有均匀的最小的应力分布。基体与纤维的比(纤维的体积分数)为大约50％。然而，多种热固性预浸材是合适的，诸如热固性聚酰亚胺、双马来酰亚胺(bismaleimides)、酚醛塑料(phenolics)以及改良型环氧树脂。加强纤维可为任何合适的纤维，诸如玻璃、陶瓷、金属、聚合物纤维(诸如芳香聚酰胺(aramid))或其混合物。纤维的体积分数可为从大约40％到大约75％的任何量，合适地为从大约40％到大约65％的任何量。该复合物可进一步包括其他改良剂，诸如染料或增塑剂。合适的是，多数加强纤维沿着拉伸防护元件的纵向轴线在纵向上定向。可包括一些横向的或成角度的纤维，以助于使结构稳定。例如，纤维中的50％以上或60％以上或70％以上或80％以上或90％以上可在与材料的长度大致上成轴向的方向上对准。这样的定向可有助于在使用过程中使防护元件稳定。
图6示出了用于制造包括在图3a和图4中示出的拉伸防护元件的柔性管本体的设备600。
为了制造柔性管本体，将预浸复合材料的一段拉伸防护元件300朝向流体保持层602供给。可选地，可将活动芯轴用作最里面的基部，以对其周缘地施加层。如果从如所示的左手侧看去，则流体保持层602在顺时针方向上旋转并且以合适的预定旋转速度旋转。流体保持层602还以恒定的预定速度在由箭头A所示的方向上运动。当然，可替换地，该拉伸防护元件的段可围绕固定的流体保持层旋转。
在该实施例中，拉伸防护元件300穿过引导件604和预加热器606(尽管设备的这些特征是可选的)。引导件604有助于正确地定位元件300，并且预加热器606有助于使预浸材略微地软化以施加到流体保持层602上。
拉伸防护元件300可然后施加至流体保持层602，拉伸防护元件由于层602的旋转、层602的线性平移、以及拉伸防护元件供给件601的固定位置而卷绕在流体保持层602上。元件300在100N的恒定的预定受控张力下供给至流体保持层。可在个例的基础上改变所述张力，以适于拉伸元件的材料和尺寸。所述预定的张力大于0，并且可介于例如50到1000N之间，例如介于50到150N之间、介于50到250N之间或者介于50到500N之间。
尽管仅示出了一个拉伸防护元件供给件601，然而也可使用其他供给件以允许其他防护元件盘绕在管本体上。其他防护元件将增加层中的防护元件的数量(以及相对密度)。元件的合适的数量可选择成使得，这些元件具有足够的间隙从而不会彼此重叠和摩擦，然而却为柔性管提供充分的拉伸支撑。应当认识到的是，另一层拉伸防护元件可设置在第一层拉伸防护元件上，例如，通过在相反的方向上将元件反向盘绕至第一层。
定位头608有助于将元件300定位在流体保持层602上。
当拉伸防护元件盘绕到管本体上时，管本体继续在线性方向(箭头A)上移动并且管本体移动穿过炉610。
炉610设定为220℃以启动防护元件300的环氧树脂的固化，尽管如此，然而显然可选择其他的温度，这将影响环氧树脂的固化时间以及因此管本体应当穿过炉的速度。
在该实施例中，热固性材料由炉在加热区域中固化。显然，热固性材料能可替换地以其他方式固化，诸如通过应用其他形式的辐射或者化学地固化。
防护层的复合物的这样的“原位”固化使得能够在材料内基本或完全不存在残余应变的情况下形成防护层，这是因为材料在固化之后并不发生显著的弯曲或者重组。在材料处于其预固化的状态(这并不影响材料)下并且在固化后未对材料施加任何弯曲应力或扭转应力时，会发生弯曲半径和扭转。相比于已知的防护元件，这带来了更高品质的产品，因为该防护元件比包含一些残余应变的已知防护元件包含更多有用的强度。就每一分量的材料的强度而言该产品相比于已知防护层是更有效的，并且因此用于更深应用的更长的管是可能的。
通过在受控的张力下盘绕拉伸防护元件，该元件通过作用其自身与流体保持层之间的相互的径向力而接收一定量的固结压力(consolidation pressure)。该压力有助于固化过程。
在布置防护元件相对于彼此的定位时，用户应当考虑热固性材料的任何收缩性。
图8示出了根据本发明另一个实施例用于制造柔性管本体的设备。在图8中示出的设备与在图6中示出的设备类似。然而，如在图7和图9中所示，使用各种拉伸防护元件。
在该实施例中，堆叠复合材料多个段，以形成拉伸防护元件。前驱(precursor)段可从一片复合预浸材料(可从Zoltek公司购得)中切割，并且然后以层压的方式宽边对齐宽边(broad side to broad side)地堆叠。
合适的是，大致所有的加强纤维沿着拉伸防护元件的纵向轴线在纵向方向上定向。这样的定向可有助于在使用期间使防护元件稳定。通过以特定的方向和/或角度对纤维进行定向，元件的弹簧刚度是可控的。
拉伸防护元件还包括热收缩带，该热收缩带覆盖和封装复合材料的堆叠的段。收缩带自身为已知的材料，其为以预先通过加热和在特定方向上延伸来处理的聚合物带，为该带赋予具有定向的聚合物链的定向形式。热的施加使过程相反，致使带朝向其初始位置向后收缩。可使用可从Aerovac Systems有限公司购得的“Shrink Tite”带。
热收缩衬套或编织管衬套可用于封装复合材料。然而，在该实施例中，热收缩带盘绕在堆叠的复合材料上，重叠部分为大约50％。
制造柔性管本体的方法与参照图6所描述的方法类似。然而，该方法进一步包括以下初始步骤：堆叠复合材料的段7001、7002，以形成拉伸防护元件；以及将热收缩带702卷绕在堆700上。该卷绕阶段可通过绕线装置(spooling means)机械地执行。设备800的其余部分以与设备600相同的方式起作用，并且通过与上述方法相同的方法来操作。
图9更详细地示出了绕线装置902。
通过由平坦的片切割而来的元件的堆来形成拉伸防护元件700，从而可更精心地控制加强纤维的初始对准，并且因此纤维可在平坦的片中更均匀地定向。在所述堆中，纤维保持均匀地定向。
另外，通过使用元件的堆，使得预浸材料不会在卷绕到流体保持层上的阶段中的弯曲过程中伸展或者变得损坏。然而，避免了对非常薄的复合材料层(如在现有技术中所需的)的需求。
热收缩带用于在一定程度上压缩预浸材，从而对预浸材料施加固结压力。该压力以与在张力下盘绕防护元件的压力类似的方式有助于固化过程。可将热收缩带作为替代来使用或者与张力下盘绕一起使用。
此外，来自热收缩带的固结压力还有助于在固化过程期间在堆叠的复合材料层之间形成良好的粘合力，提供固化之后的单个加固的热固性元件。
此外，热收缩带可用作防护元件的保护层，防止相邻的元件在固化过程期间粘合在一起。当整个结构在使用中易于发生弯曲时，这确保防护元件的自由运动。热收缩带层还可提供单独的线之间抵抗磨损的一定程度的保护，并且通过形成物理渗透屏障而提供抵抗存在于管的环面中的流体渗透的另一保护层。在一个可替换实施例中，可在固化阶段之后去除热收缩带。
由于防护元件是与如第一实施例中那样“原位”固化的，因而也实现了相同的优点，即，在形成的防护层中不存在残余应变。
拉伸防护件和压力防护件两者均可以该方法连续地形成，并且元件的横截面可选择成适于功能性层。例如，压力防护元件可具有Z形横截面，使得该元件能够与相邻的元件段互连。
通过本发明，预浸复合材料可在具有很小的张力的情况下盘绕在管本体内层上或者芯轴上，仅需要非常基础的旋转机器。
在图10的流程图中示出了制造柔性管本体的方法。在图11的流程图中示出了另一种方法。在图12的流程图中示出了又一种方法。在图13的流程图中示出了又一种方法。
可对如上所述的详细设计做出各种修改。例如，图7的热收缩带可修改为包括PTFE带或其他低摩擦性材料(特别在表面上)，以便改进相邻元件或相邻层之间的摩擦性能。可对柔性管本体添加一个或多个其他层，诸如在图1中所示的层。
对于本领域技术人员而言显然的是，参照上述任何实施例所描述的特征可互换地应用在不同的实施例中。上述实施例为用以说明本发明的各个特征的实例。
贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”及其变型表示“包括但不限于”，并且这些词语并非旨在(并且并不)排除其他组分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，除非文中另有要求，否则单数包含复数。特别地，在使用不定冠词时，除非文中另有要求，否则应当理解为本说明书设想了复数以及单数。
结合本发明的特定方面、实施例或实例描述的特征、整体、特性、组合物、化学组分或组应当理解为适用于在本文中描述的任何其他方面、实施例或实例，除非与其不相容。在本说明书(包括任何从属权利要求、摘要和附图)中披露的所有特征和/或这样披露的任何方法或工艺的所有步骤可组合成除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外的任意组合。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至在本说明书(包括任何从属权利要求、摘要和附图)中披露的特征的任何新的特征或任何新的组合，或者延伸至这样披露的任何方法或工艺的步骤的任何新的步骤或任何新的组合。
读者的注意力应当关注于与本申请相关的与本说明书同时或在本说明书之前提交的并且与本说明书一起公开供公众检查的所有文件和文档，并且通过引用将所有这样的文件和文档的内容结合于本文中。

Claims (16)

1.一种制造柔性管本体的方法，包括：
提供多段热固性复合材料，以及将所述多段堆叠以形成拉伸防护元件；
对所述多段热固性复合材料施加热收缩带或热收缩衬套以封装所述多段热固性复合材料；
在预定张力下将所述拉伸防护元件螺旋地卷绕在流体保持层上；
并且然后加热所述拉伸防护元件，以使所述热固性复合材料固化并在堆叠的所述多段热固性复合材料之间形成粘合力，同时防止所述拉伸防护元件的相邻的元件在固化期间粘合在一起；其中所述拉伸防护元件形成防护层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热固性复合材料包括热固性基体材料和多个加强纤维。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个加强纤维中的50％以上在与材料的所述段大致成轴向的方向上对准。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述防护层基本不受残余应变的影响。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述预定张力处于100N到1000N的范围内。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，螺旋地卷绕的步骤包括螺旋地卷绕所述拉伸防护元件，使得所卷绕的材料的相邻区段不重叠。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，螺旋地卷绕的步骤包括螺旋地卷绕所述拉伸防护元件，使得所卷绕的材料的相邻区段至少部分地重叠。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热收缩带或热收缩衬套包括低摩擦性材料。
9.一种柔性管本体，包括：
流体保持层；以及
至少一个防护层，包括设置在所述流体保持层上的拉伸防护元件，所述拉伸防护元件包括热固性复合材料的多个堆叠段，并且进一步包括位于所述热固性复合材料的多个堆叠段上的热收缩带或热收缩衬套，用以封装所述热固性复合材料，
其中，通过在预定张力下使所述拉伸防护元件螺旋地卷绕在所述流体保持层上并且然后加热所述拉伸防护元件以使所述热固性复合材料固化并在所述热固性复合材料的多个堆叠段之间形成粘合力，同时防止所述拉伸防护元件的相邻的元件在固化期间粘合在一起，来形成所述防护层。
10.根据权利要求9所述的柔性管本体，其中，所述热固性复合材料包括热固性基体材料和多个加强纤维。
11.根据权利要求10所述的柔性管本体，其中，所述多个加强纤维中的50％以上在与材料的所述段大致成轴向的方向上对准。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的柔性管本体，其中，所述防护层基本不受残余应变的影响。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的柔性管本体，其中，所述预定张力处于100N到1000N的范围内。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的柔性管本体，其中，所卷绕的材料的相邻区段不重叠。
15.根据权利要求9至11中任一项所述的柔性管本体，其中，所卷绕的材料的相邻区段至少部分地重叠。
16.根据权利要求9所述的柔性管本体，其中，所述热收缩带或热收缩衬套包括低摩擦性材料。
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