CN103906959A - 细长带及制造该细长带的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种细长带和生产细长带的方法。所述带适合用于形成柔性管本体中的互锁卷绕组的螺旋卷绕层，并且所述带构造成用于与相邻卷绕组互锁，其中，所述带具有包括以下构造的截面轮廓：第一表面，该第一表面在使用中形成螺旋卷绕层的径向内表面；另一表面，该另一表面在使用中形成远离第一表面而径向向外延伸的侧壁，并且该另一表面用于形成与相邻卷绕组的区域接触的接触表面；以及过渡表面，该过渡表面连接第一表面和另一表面；其中，过渡表面包括弯曲表面；并且其中，弯曲表面在接近第一表面的区域具有比在接近另一表面的区域更大的曲率半径。

Description

细长带及制造该细长带的方法

技术领域

本发明涉及一种细长带和制造该细长带的方法。特别地但非绝对地，本发明涉及一种用于形成用于柔性管本体中的压力防护层的互锁卷绕组的螺旋卷绕层的细长带。这种柔性管本体适于在石油和天然气工业中使用。

背景技术

通常，利用柔性管将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从一个位置输送至另一个位置。柔性管在将海底位置（其可以是水下较深处）连接至海平面位置的方面是特别有用的。柔性管通常被形成为一种由柔性管本体与一个或更多个端部装配件构成的组件。管本体通常被形成为由分层材料构成的组合件，这些分层材料形成了承压管道。该管结构允许发生很大的偏转而不会在其使用期限内产生削弱该管的功能性的弯曲应力。管本体通常被构建成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，管本体包括一个或更多个压力防护层（armour layer）。这种层上的主要负荷由径向力形成。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垮塌或爆裂的卷绕的线的横截面轮廓有时称为耐压轮廓。当压力防护层由螺旋卷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，将拉伸载荷施加于这些线上。

已将未结合的柔性管用于深水（小于3,300英尺（1,005.84米））开发和超深水（大于3,300英尺）开发。对石油的需求不断增大，而石油使得对环境因素更为极端的越来越深的深度处进行勘探。例如，在这样的深水和超深水环境中，海底温度增大了将输送流体冷却至可能导致管堵塞的温度的风险。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的高级别的性能的需求。

提高防护层的载荷响应以及因此提高防护层的性能的一种方式为由更厚更强并且因此更强大的材料制造这些层。例如，对于压力防护层——其中这些层通常由卷绕的线形成——其中该层中相邻的卷绕组互锁，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。

另外，本申请的发明人已发现由于特定的耐压轮廓、与压力防护层相邻的层可能被损坏。

WO98/16770、WO2009/087348、WO2010/055323、US2004/0182462、US2010/0059134、US6,739,355、US5,275,209、US6,192,941、US6,283,161、US6,065,501、EP1141606、EP1395769以及US4,549,581公开了具有各种形状的横截面的卷绕组。

发明内容

本发明的目的是至少部分地缓解上述问题。

本发明的实施方式的目的是提供一种改进的带轮廓，该改进的带轮廓用于形成用于压力防护层的互锁卷绕组的螺旋卷绕层。

本发明的实施方式的目的是提供一种带轮廓，该带轮廓适于形成压力防护层，该压力防护层减小或消除了柔性管本体中的相邻层的应力。

本发明的实施方式的目的是提供一种带轮廓，该带轮廓适合用于形成压力防护层，该压力防护层减小了损坏相邻的流体保持层的风险。

根据本发明的第一方面，提供了一种细长带，该细长带用于形成柔性管本体中的互锁卷绕组的螺旋卷绕层，该带构造成用于与相邻卷绕组互锁，其中，该带具有包括以下构造的截面轮廓：

第一表面，该第一表面在使用中形成螺旋卷绕层的径向内表面；

另一表面，该另一表面在使用中形成远离第一表面径向向外延伸的侧壁，并且该另一表面用于形成与相邻卷绕组的区域接触的接触表面；以及

过渡表面，该过渡表面连接第一表面和另一表面；

其中，该过渡表面包括弯曲表面；

并且其中，该弯曲表面在接近第一表面的区域比在接近另一表面的区域具有更大的曲率半径。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造柔性管本体的方法，包括绕着大致管状的底层而螺旋卷绕上述类型的一个或多个带。

本发明的某些实施方式提供的优点是，第一表面可以是螺旋卷绕的以形成压力防护层的卷绕组，使得在压力防护层的下面的（径向向内地）层在层中的接触应力和应变方面不受到大变化。

本发明的某些实施方式提供的优点是，减小或防止了相邻的聚合物阻挡层或衬垫中的突变的应变变化。

本发明的某些实施方式提供了一种弯曲表面，其具有从第一表面至另一表面减小的曲率半径。柔性管本体可以制造为具有压力防护层和径向内部聚合物阻挡层或衬垫。通过这种弯曲表面，在接近防护层的卷绕组之间的部分的区域中的聚合物层上的接触应力随着变换的曲率逐渐地减缓。

本发明的某些实施方式提供的优点是，柔性管本体被设置为具有改进的性能和使用寿命。特别地，流体保持层被突然穿破的可能性被避免。

附图说明

在下文中参照附图进一步描述本发明的实施方式，附图中：

图1示出了柔性管本体；

图2示出了上升装置（riser）、流动管线以及跨接件（jumper）；

图3示出了已知柔性管本体的一部分；

图4示出了图3中所示的部分A的放大图；

图5示出了压力防护带的横截面轮廓；

图6示出了图5中所示的部分A的放大图；

图7示出了图5中所示的部分B的放大图；

图8示出了本发明的两个带卷绕组的局部图；

图9示出了带的互锁卷绕组的压力防护层的一部分。

在附图中，相似的附图标记指的是相似的部件。

具体实施方式

在整个本说明书中，将参照柔性管进行说明。将会理解的是，柔性管是由管本体的一部分与一个或更多个端部装配件构成的组件，管本体的相应端部终止于这些端部装配件中的每一个端部装配件中。图1示出了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管本体100。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。还将会注意到，层的厚度仅仅是出于说明性的目的而示出的。

如图1中所示，管本体包括可选择的最内部的构架层101。该构架提供了互锁结构，该互锁结构可被用作最内层以完全地或部分地防止内部压力护套102由于管减压、外部压力、拉伸防护压力、和机械粉碎载荷而塌缩。将会了解到，本发明的某些实施方式可应用于“光滑孔”操作（即没有构架）和这种“粗糙孔”应用（具有构架）。

内部压力护套102作为流体保持层并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。将会理解的是，该层本身可以包括多个子层。将会了解到，当使用可选择的构架层时，内部压力护套通常被本领域技术人员称为屏障层。在没有这种构架的操作（所谓的光滑孔操作）中，内部压力护套可以被称之为衬套。

压力防护层103是铺设角接近90°的结构层，该结构层提高了柔性管对内部压力和外部压力及机械粉碎载荷的抵抗力。该层还在结构上支承内部压力护套，并且通常包括互锁的构造。

柔性管本体还包括可选择的第一拉伸防护层105和可选择的第二拉伸防护层106。每个拉伸防护层都是铺设角通常在10°与55°之间的结构层。每个层都被用于承受拉伸载荷和内部压力。拉伸防护层通常是成对地反向卷绕的。

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择的绝缘层107和外部护套108，该外部护套108包括用于保护管不受海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损、和机械损坏影响的聚合物层。

每个柔性管都包括至少一个部分，该至少一个部分有时与位于柔性管的至少一端处的端部装配件一起被称之为管本体100的区段或部段。端部装配件提供了在柔性管本体与连接器之间形成过渡的机械装置。如例如在图1中所示的不同的管层以在柔性管与连接器之间传递载荷的方式终止在该端部装配件中。

图2示出了上升装置组件200，该组件适合于将产品流体（例如油和/或气体和/或水）从海底位置201输送至漂浮设备222。例如，在图2中，海底位置201包括海底流动管线。柔性流动管线225包括柔性管，该柔性管完全地或部分地位于海底224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。上升装置组件200设置成柔性上升装置，即，将船连接至海底设备的柔性管223。柔性管可成具有连接端部装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，存在不同类型的上升装置。本发明的实施例可与任何类型的上升装置一起使用，这些上升装置例如为自由悬置的上升装置（自由悬链式上升装置）、在一定程度上受限的上升装置（例如浮标、链条）、完全受限的上升装置或者封闭在管（I管或J管）中的上升装置。

图2还示出了如何可将柔性管的部分用作流动管线225或跨接件(jumper)226。

如上所述，本申请的发明人已发现由于某些耐压轮廓，与压力防护层相邻的层经过一段时间后可能被损坏。已认识到这种问题是由于层内的应变变化引起的，特别是流体保持层。

图3示出了已知的柔性管本体的一部分，其包括压力防护层的卷绕组3011-3和径向的内聚合物流体保持层302。图4示出了图3中部分A的放大图。当带被卷绕以形成压力防护层时，压力防护层的内表面303由重复的相邻的卷绕组的带轮廓的一个边缘形成。当然，单个带可以作为重复的卷绕组而缠绕（如图3中所示），或者，可能具有不同轮廓的多个带可以相继地卷绕，使得每一个带轮廓的一个边缘形成防护层的内表面。对于任一种方式，每一个轮廓的基部基础表面形成防护层的内表面303。

在相继的卷绕组沿着每一个卷绕组的边缘304的长度走到一起的区域中，通常的情况是形成内（基部）表面的带轮廓的边缘远离基部朝向带轮廓的每一个侧壁以小的、恒定的曲率半径3051弯曲。类似地，相邻的卷绕组也远离内表面朝向侧壁以小的、恒定的曲率半径3052弯曲。这在邻接的卷绕组与相邻的径向内层，例如聚合物阻挡层302之间留下非常近似于三角形形状的空间306。在该区域306中，已发现底层例如聚合物阻挡层302和/或中间聚合物牺牲层（未示出）可能蠕变到这些三角形的空间中。这是由于来自通过管传送的流体的高的内部压力将径向内层推动朝向压力防护层并将径向内层推向卷绕组之间的空间中。这引起聚合物层的一部分与压力防护层的基部接触且聚合物层的不受支持并且被推动到卷绕组之间的间隙的一部分中的局部区域。在卷绕组走到一起的局部区域中，对于位于压力防护层之下的层的支撑的突变引起对那些底层的材料的高的剪切和应变。这可能导致断裂或微裂。

在柔性管中，位于压力防护层之下的层常常为聚合物层，例如PVDF（偏聚二氟乙烯），但将理解，许多材料可以是适合的，例如聚合物、金属或合成物。适合的材料可以可由管设计者选定以匹配管的使用条件。然而，大多数材料将具有某一最大容许应变，在该最大容许应变以上对材料的损坏的风险将极度地变大。这样，上述的在压力防护层的卷绕组之间的间隙的存在会导致底层的潜在损坏和潜在失效。当聚合物的区域在应变之下时，那个区域的特性可能会变化成使得该区域变得更弱。聚合物在应力区域中比在周围材料处更容易变形，从而引起该聚合物中的甚至更高的应变水平，这导致塑性铰效应。

图5示出根据本发明的实施方式的用于形成压力防护层103的带500的截面。将理解的是：在整个说明书中，做出对带的参照，并且将理解，该术语将被广义地解释为包括了具有能够绕着底层结构以螺旋方式卷绕的预成型截面的细长结构。在本实施方式中，所述带为碳素钢并且截面的轮廓具有大致为似块状的性质。

细长带500具有这样的轮廓，该轮廓包括：第一表面502，第一表面502在使用中形成螺旋卷绕层的径向内表面；第二（另一）表面504，第二表面504在使用中形成远离第一表面502径向向外延伸的侧壁；第三（又一）表面506，第三表面506在使用中形成远离第一表面502径向向外延伸的另一侧壁；以及第四表面508，第四表面508在使用中形成螺旋卷绕层的径向外表面。第一和第四表面502、508大致平行且间隔开。第二和第三表面504、506大致平行且间隔开。在使用中，第一表面502为聚合物覆面。

在本实施方式中，带具有近似“Z”形的轮廓，该近似“Z”形的轮廓包括前缘钩部510和后缘钩部512。这些钩部已经在WO98/16770中被描述，该文献通过参引合并到本文中，并且，为了简明，将不再进行具体描述。然而，应注意，由于带被螺旋卷绕以形成层，相邻的卷绕组将被第一卷绕组的后缘钩部互锁，所述第一卷绕组放置在相邻的卷绕组的谷区域514中，该谷区域514位于前缘钩部与主体部518之间。

如能够从图6和7中看到的——图6和7示出了图5的部分A和B的放大视图，第一表面502在其端部处弯曲以分别转换至第二和第三表面504、506中。如在本文中使用的，为了清楚起见，轮廓的这两个弯曲部分516、520将被称为过渡表面，但是清楚的是，过渡表面在技术上不需要为分开的表面而是可以为第一表面或第二表面或第三表面的一部分。

过渡表面516在接近第一表面502的区域中比在接近第二表面504的区域中具有更大的曲率半径。过渡表面520在接近第一表面502的区域中比在接近第三表面506的区域中具有更大的曲率半径。

过渡表面520通常与过渡表面516成镜像，但是侧壁504、506不需要垂直于第一表面502。事实上，在该实施方式中，侧壁504、506的每一个稍微地倾斜地远离90°线。

图8示出相邻的卷绕组走到一起的区域，该区域具有两个相邻的卷绕组8021-2和流体保持层804。如图8中所示，卷绕组的基部表面（聚合物覆面表面）8061首先轻缓接着变得更陡峭地远离轴线而弯曲。

（大圆的）浅的、渐变的曲线具有大的曲率半径而（小圆的）更紧缩的曲线具有小的曲率半径。这样，从压力防护层的径向最内基部8061开始，曲率半径以大圆的大半径R1开始，并且接着减小至较小的半径R2。

而且，卷绕组8022的基部表面8062首先轻缓接着变得更陡峭地远离轴线而弯曲。从压力防护层的径向最内基部8062开始，曲率半径以大圆的大半径R3开始，并且接着减小至较小的半径R4。

图9示出由上述的带形成的压力防护层的一部分的截面轮廓。带螺旋卷绕到底层管状层或心轴上，使得带侧壁（第二或第三表面）大致与相对的侧壁相遇，以形成管状层。将理解的是：存在螺旋卷绕组运动的一些余隙，这是由于管弯曲和屈曲至一定程度。然而，这将基本上不会影响压力防护层与底层之间的压力的分布。

适当地，每个过渡表面从第一表面平滑地交融至第二或第三表面。

通过上述的弯曲的过渡表面，避免了相邻层的材料内的接触应力和应变中的突变。即，在接近卷绕组之间的防护层的部分的区域中，聚合物层上的接触应力随着变化的曲率渐渐地减缓。因此，压力在卷绕组相遇的区域上渐渐地变化。聚合物层经受接触应力中的缓慢增加的变化率。这样，沿着压力防护层的基部的从完全被支撑到不被支撑的转换部受到平缓的影响，并且聚合物层中的剪切力和应变力的整体水平与已知的布置相比减小。

另外，形成在相邻卷绕组与相邻的径向内层之间的间隙被最小化，使得不存在让大量的内层蠕变到那个间隙中的空间。

此外，避免了与相邻的径向内层接触的压力防护层上的尖锐的边缘。

与已知的构造相比，压力防护层自身的强度有效地保持不变。因此，当流体保持层受到来自柔性管中的传送的流体的高的内部压力时，压力防护层将继续令人满意地支撑并限制流体保持层。

已发现，当过渡表面的曲率与抛物线的一半类似时（沿着中心或y轴线竖向向下地分割，在本文中称为“半抛物线的”），或者与指数曲线类似，于是可以实现特别好的结果。通常，当曲率半径以恒定的变化率变化时（减小），则可以实现好的结果。

上述的发明适合用于各种应用，包括用作所有的高压柔性管中的压力防护层，以及用作上升装置，例如使用PVDF阻挡系统的装置之类的上升装置。

可以对上述详细设计进行各种改型。例如，上述的材料仅仅是示例并且许多材料对特定的管层而言可以是适合的。带例如可以为聚合物、弹性体、塑料、热塑性塑料、热固性聚合物、偏聚氟乙烯、金属、不锈钢、合金或复合材料。

虽然上文已经描述了大体Z形的轮廓，但将理解，本发明可以应用于许多不同轮廓的细长带。

虽然细长带在上文已经被描述为适合用于形成柔性管的压力防护层，但将理解，所述带可以用于各种其他目的。例如，所述带可以被采用来形成柔性管的其他层，例如可伸长的防护层。

在上述的示例中，所述带的第一（径向最内）表面沿着表面的中央部分为平坦的（形成直线）。替代地，第一表面可以完全地为曲线形地，例如具有沿着主要部分的大曲率半径的非常轻缓的曲线，并且接着在端部处渐变成较小的曲率半径。

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，除非文中另有说明，否则单数包含复数。特别地，在使用不定冠词时，除非文中另有说明，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、实施例或示例描述的特征、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，除非与其不相兼容。在本说明书(包括任何所附权利要求、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任意组合，将其中这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合排除在外。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(包括任何所附权利要求、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，并且所有这样的文件和文档的内容通过引用结合于本文中。

Claims (22)

1.一种细长带，所述细长带用于形成柔性管本体中的互锁卷绕组的螺旋卷绕层，所述带构造成用于与相邻卷绕组互锁，其中，所述带具有包括以下构造的截面轮廓：

第一表面，所述第一表面在使用中形成所述螺旋卷绕层的径向内表面；

另一表面，所述另一表面在使用中形成远离所述第一表面而沿径向向外延伸的侧壁，并且用于形成与相邻卷绕组的一区域接触的接触表面；以及

过渡表面，所述过渡表面连接所述第一表面和所述另一表面；

其中，所述过渡表面包括弯曲表面；

并且其中，所述弯曲表面在接近所述第一表面的区域比在接近所述另一表面的区域具有更大的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的细长带，其中，所述第一表面平顺地融合至所述过渡表面中。

3.根据权利要求1或2所述的细长带，其中，所述弯曲表面的曲率半径从所述第一表面向所述另一表面减小。

4.根据权利要求3所述的细长带，其中，所述弯曲表面的曲率半径从所述第一表面向所述另一表面线性地减小。

5.根据权利要求3或4所述的细长带，其中，所述弯曲表面的曲率半径从所述第一表面向所述另一表面单调递减。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的细长带，其中，所述弯曲表面形成半抛物线曲线。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的细长带，还包括：又一表面，所述又一表面在使用中形成远离所述第一表面而沿径向向外延伸的另一侧壁，并且所述又一表面用于形成与相邻卷绕组的一区域接触的接触表面；以及另一过渡表面，所述另一过渡表面连接所述第一表面和所述又一表面，其中，所述另一过渡表面包括弯曲表面，并且其中，所述弯曲表面在接近所述第一表面的区域比在接近所述又一表面的区域具有更大的曲率半径。

8.根据权利要求7所述的细长带，其中，所述又一表面和所述另一表面彼此大致平行。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的细长带，其中，所述第一表面大致为平坦的。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的细长带，其中，所述第一表面为弯曲的。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的细长带，其中，所述带构造成与所述细长带的相邻卷绕组互锁。

12.根据权利要求1至10中的任一项所述的细长带，其中，所述带构造成与另一带的相邻卷绕组互锁。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的细长带，其中，所述带具有Z形轮廓。

14.根据权利要求13所述的细长带，其中，位于所述螺旋卷绕层中的相邻卷绕组通过放置在相邻卷绕组的谷区域中的卷绕组的钩状区域互锁。

15.一种用于运输被传送的流体的柔性管本体，包括如前述权利要求中的任一项所述的细长带，所述细长带被螺旋卷绕以与相邻卷绕组互锁。

16.一种柔性管，包括根据权利要求15所述的柔性管本体以及至少一个端部装配件。

17.一种包括根据权利要求16所述的柔性管的上升装置、流动管线、或跨接件。

18.一种制造柔性管本体的方法，包括绕着大致管状的底层而螺旋卷绕根据权利要求1至14中的任一项所述的类型的一个或多个带。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述底层包括流体保持护套。

20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括在所述螺旋卷绕的带上形成一个或多个层。

21.一种大致如参照附图在本文中所描述的细长带。

22.一种大致如参照附图在本文中所描述的方法。

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