CN104024712A - 柔性管本体及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种柔性管本体及制造柔性管本体的方法。该柔性管本体包括层，该层包括由夹持在两个另外的子层(417、419)之间的至少第一子层(415)所形成的带元件，其中，该第一子层具有比两个另外的子层中的至少一个子层更小的密度。

Description

柔性管本体及方法
技术领域
本发明涉及一种柔性管本体及提供该柔性管本体的方法。特别地但非排他性地，本发明涉及一种具有层的柔性管本体，该层具有优异的能量吸收性能和单位重量强度性能，可用于例如构架层(carcass layer)、护面层(armour layer)或者外层。
背景技术
通常，利用柔性管将诸如油和/或气体和/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(其可以是深水处，也就是1000米或更深)连接至海平面位置方面中是特别有用的。管可以具有通常高达大约0.6米的内直径。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配件构成的组件。管本体通常被形成为由形成承压导管的分层材料构成的组合件。管结构允许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。
无束缚的柔性管已被用于深水(小于3,300英尺(1,005.84米))开发和超深水(大于3,300英尺)开发。正是对石油的不断增大的需求造成了于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，海底温度增大了将生产流体冷却至可能导致管堵塞的温度的风险。增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层的高级别的性能的需求。
在许多已知的柔性管设计中，管本体可以包括构架层。构架通常为径向最内侧层并且支承流体保持层(屏障层)。提供构架以有助于柔性管承受在深水及超深水深度下由于外部压力、及由于来自外部护面层的压力而经受的碾压载荷而经受的碾压力。螺旋地缠绕具有轮廓的带来形成基本上圆筒形的构架层是已知的。带可以具有钩区域和谷区域，使得当带被卷绕时，通过将第一卷绕组的钩状区域套入随后卷绕组的谷区域来互锁相邻的卷绕组。对于当由于各种原因管孔被减压时的情况来说，构架层还可用于有助于承受碾压载荷。
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护面层。这种层上的主要载荷由径向力形成。压力护面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或内部压力造成的径向力。因此，防止管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。当压力护面层由形成环形部件的螺旋卷绕的线形成时，来自管上的外部压力或内部压力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。
在许多已知的柔性管设计中，管本体包括一个或更多个拉伸护面层。这种层上的主要载荷是张力。在诸如深水和超深水环境之类的高压应用中，由于内部压力端盖载荷和柔性管自支承重量的结合而使拉伸护面层经受高的拉伸载荷。由于长时间段地经受这种条件，因此这可能引起柔性管失效。
柔性管还可以用于浅水应用(例如小于约500米的深度)或者甚至用于海岸(陆地)应用。
一种用以提高载荷响应及因此提高护面层或构架层的性能的方法是由更厚、更高强度且因此更坚固的材料来制造层。例如，对于通常由与层中相邻的卷绕组互锁的卷绕的线所形成的层的压力护面层来说，由更厚的材料制造该线导致强度适当地增大。然而，柔性管的重量随着所使用的材料增多而增加。最终，柔性管的重量可能成为管的使用中的限制因素。另外，使用越来越厚的材料制造柔性管会明显地增加材料的成本，这也是一个缺点。
WO2011/073687和WO2011/073688公开了一种包括互锁的卷绕组的构架层的柔性管。
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柔性管本体的层，该层与已知的构型相比具有提高的强度特性。
本发明的实施方式的目的是提供一种柔性管本体的层，该层与已知的构型相比具有高的刚度然而更轻的重量。
本发明的实施方式的目的是提供一种柔性管本体的层，该层与已知的构型相比具有改进的性能。
根据本发明的第一方面，提供一种用于从海底位置输送流体的柔性管本体，包括：
层，该层包括由夹持在两个另外的子层之间的至少第一子层形成的带元件，其中，第一子层具有比所述两个另外的子层中的至少一个子层更小的密度。
根据本发明的第二方面，提供一种提供用于从海底位置输送流体的柔性管本体的方法，包括：
提供层，该层包括由夹持在两个另外的子层之间的至少第一子层所形成的带元件，其中，第一子层具有比该两个另外的子层中的至少一个子层更小的密度。
本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种具有足够强度、刚度和硬度、然而与固体材料的层相比具有减轻的重量的管本体层。因此，柔性管将能承受更深的水深，和/或需要更少的浮力模块用以抵消管中由管自身的重量所引起的拉伸。
本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种具有高的第二转动惯量的管本体层。
本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种管本体层，其作为构架层和/或外层特别地有用并且具有改进的能量吸收性能。
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，其中：
图1示出了柔性管本体；
图2a和图2b示出了构架层；
图3示出了上升装置组件；
图4示出了构架层；以及
图5示出了图4的构架层的一部分的放大图。
在附图中，相同的附图标记指的是相同的部件。
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配件构成的组件，管本体的相应端部终止于这些端部配件中的每一个端部配件中。图1示出了根据本发明的实施方式是如何由形成承压导管的分层材料的组合来形成管本体100的。尽管在图1中示出了多个特定层，但是应理解的是，本发明可被广泛地应用于包括由多种可能的材料制成的两个层或更多个层的同轴的管本体结构。还应注意的是，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、拉伸护面压力、和机械碾压载荷而垮塌。应了解到，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)。
图2a更加详细地示出了构架层101的横截面。构架层通过螺旋地卷绕带形成，使得相邻的卷绕组1011、1012、1013互锁。在图2b中示出了单个卷绕组1011。
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。应理解的是，该层本身可以包括多个子层。应了解的是，当利用可选择的构架层时，内部压力护套通常被那些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为衬套。
可选择的压力护面层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碾压载荷的抵抗力。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护面层105和可选择的第二拉伸护面层106。每个拉伸护面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。拉伸护面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择的带层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个端处的端部配件一起被称为管本体100的区段或部段。端部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配件中。
图3示出了上升装置组件300，该上升装置组件适于将产品流体(诸如油和/或气体和/或水)从海底位置301输送至漂浮设备302。例如，在图3中，海底位置301包括海底流动管线。柔性流动管线305包括柔性管，该柔性管完全地或部分地搁置在海底304上或者埋入海底下面并且用于静态应用中。漂浮设备可由平台和/或浮标或者如在图3中所示的船提供。上升装置组件300设置成柔性上升装置，即，将船连接至海底设备的柔性管303。柔性管可以是连接端部配件的柔性管本体的区段。
应当认识到的是，如本领域技术人员所周知的，存在不同类型的上升装置。本发明的实施方式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3还示出了如何可将柔性管的部分用作流动管线305或跨接件(jumper)306。
图4示出了根据本发明的实施方式的构架层的横截面。构架层401由如下的带形成：该带被螺旋地卷绕以形成沿着柔性管本体的长度轴向延伸的层。这里，相邻的卷绕组4031、4032在一定程度上互锁。构架带的横截面具有虚拟中心线C并且在带的第一边缘具有向内转弯部分405。部分405被弯曲成水平(线性)区域407，并且接着带被弯曲成大致线性区域409，该大致线性区域409首先朝向中心线延伸并接着向前延伸超过中心线。接着，在再次朝向虚拟中心线C弯曲并且以另外的向内转弯部分413的方式终止之前，带的中央区域409远离向内转弯部分405的方向转向另外的水平(线性)区域411。根据图4中所示出的卷绕组，第一向内转弯部分405朝向(并且超过)虚拟中心线大致向下转弯，并且另外的向内转弯部分413朝向(并且超过)虚拟中心线大致向上转弯。
如在图4中所示(以与图2a中相同的方式)，第一卷绕组的向内转弯部分405跨接(ride)在线性区域409与相邻卷绕组的另外的向内转弯部分413之间，第一卷绕组的向内转弯部分405作为形成跨接表面的边界的邻接表面。这允许在相邻卷绕组之间的一些横向运动。第一卷绕组的另外的向内转弯部分413跨接在向内转弯部分405与相邻卷绕组的线性区域409之间，第一卷绕组的另外的向内转弯部分413作为形成跨接表面的边界的邻接表面。这允许在相邻卷绕组之间的一些横向运动。
构架带在卷绕以制造构架层之前完成。在该示例中，带由夹持在另外的子层417与又一另外的子层419之间的第一子层415形成。
在图5中更详细地示出了带的横截面。在该示例中，另外的子层417、419为不锈钢面板，并且第一子层由多个不锈钢纤维(丝)421制成，该多个不锈钢纤维(丝)421被半随机地定向并具有在其之间的孔或敞开区域。同样地，第一子层415具有比两个另外的子层417、419中的至少一个子层更小的密度。纤维被称为“半随机”定向，这是由于尽管纤维在两个面板417、419之间被稍微挤压使得大多数纤维421具有离相邻面板的轴线在大约20°到80°之间的铺设角度θ，但是纤维通常是随机地定位的。纤维和面板通过铜焊或者烧结而被加热并被扩散连结直到组件形成单一结构。符合该描述的产品称为FibercoreTM。
在本发明的典型的实施方式中，纤维421可以具有例如在大约10微米到1000微米(μm)的直径，并且更优选地在50微米与100微米之间。在第一子层415中的纤维421的体积分数可以为大约5％到50％，并且更优选地，在10％与30％之间。第一子层415的厚度可以为大约0.5毫米到2毫米(mm)，并且更优选地，在0.8毫米与1.4毫米之间。另外的子层417、419的厚度可以为大约0.1毫米到1毫米，并且更优选地在0.2毫米与0.4毫米之间。
如在本文中所使用的，术语丝用于包含任何种类的纤维、绳、线等。丝可以单独地提供或者以例如填料的形式提供。
根据上文所描述的本发明，层具有优异的强度重量比和高的硬度，且仍保持可成形性和可焊接性。也就是说，在不增加层的重量(或者对于相同厚度的材料来说重量减小)的情况下增加层的强度。
上述的层对于吸收能量来说特别地有用，由此当层受冲击时，能量沿多个方向传播通过纤维以吸收冲击。因此，这种层作为用以吸收诸如例如容器碰撞之类的冲击的外层、以及作为用以承受例如碾压压力的构架层或者防护是有用的。
层还可以具有在防火方面的其他优点，这是由于较靠近火的子层通过丝的子层而与层的剩余部分分开。同样地，热量也从管本体的剩余部分被分离。
对于如上所述的详细的设计的多种改型是可能的。例如，虽然上文实施方式描述了构架层，但是子层的构型也可以被同等地用以形成柔性管本体的诸如护面层或者外层之类的不同层。
虽然已经描述了特定形状的构架层，但是可以使用其他横截面形状。例如，带可以仅仅为并不互锁的平面矩形轮廓的带。这可以用作诸如防护线之类的管本体的内部(即，不是径向最外侧也不是径向最内侧的)层并且成本有效的。替代性地，轮廓可以为使得相邻的卷绕组具有一定程度的重叠的阶梯状。替代性地，层可以具有褶皱的轮廓，这可以在低温应用中使用。
虽然已经描述层401由不锈钢制成，但是可以使用其他材料，诸如碳钢、碳锰钢、微合金钢、低合金钢、钛合金、镍合金或者它们的混合物。丝和外部子层可以分别由不同的材料制成。例如，丝可以为由纺织纤维、编织纤维或者编结纤维制成的织物。应当注意的是，镍合金给予优良性能的管层，对于外部子层中的一个子层(即，将形成管本体的径向最内侧面的子层)使用镍合金将给予构架层优良的抗腐蚀性，并且节省了由镍合金形成整个构架的成本。替代性地，对于柔性管本体的外层来说，径向地最外侧子层可以由镍合金形成，以给予良好的防腐蚀性。
当丝由非金属材料制成时，可以增加层的绝缘性能。这在有助于防止跨越管结构的温度梯度方面将具有益处。温度梯度对例如气体运移可能具有不利的影响。通过用侧壁来密封丝子层的剩余侧可以进一步地增加绝缘性。
尽管上文已经描述了三个子层，但是如特定的应用所需的，层可以具有不同数量的子层。在更简单的形式中，层可以包括均质的金属面板子层和丝子层，由此丝子层在所用中定位成与另一个管本体层相邻。
对于本领域技术人员来说明显的是，与上述实施方式相关的任一所述特征能在不同实施方式之间可交换地适用。上文描述的实施方式为用以说明本发明的各个特征的示例。
贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”和“包含”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，否则说明书应当理解为设想了复数以及单数。
结合本发明的特定方面、实施方式或示例描述的特征、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、实施方式或示例，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，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展至在本说明书(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颖的特征或任何新颖的组合，或者扩展至这样披露的任何方法或工艺的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。
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 (23)

1.一种用于从海底位置输送流体的柔性管本体，包括：
层，所述层包括由夹持在两个另外的子层之间的至少第一子层所形成的带元件，其中，所述第一子层具有比所述两个另外的子层中的至少一个子层更小的密度。
2.根据权利要求1所述的柔性管本体，其中，所述第一子层具有比所述两个另外的子层两者均更小的密度。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述另外的子层的每者均由均质材料制成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述第一子层包括由金属、复合材料、玻璃、碳纤维、纳米管或者由纺织纤维、编织纤维或者编结纤维制成的织物所制成的多个丝。
5.根据权利要求4所述的柔性管本体，其中，所述多个丝随机地或半随机地定向。
6.根据权利要求4或者5所述的柔性管本体，其中，所述多个丝烧结或者铜焊或者以其他方式粘附于所述另外的子层。
7.根据权利要求4、5或者6所述的柔性管本体，其中，所述多个丝在所述丝之间以及在所述另外的子层之间限定一个或更多个孔。
8.根据权利要求4至权利要求7中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述多个丝由不锈钢制成。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述两个另外的子层由不锈钢制成。
10.根据权利要求4至权利要求7中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述多个丝由镍合金制成。
11.根据权利要求1至权利要求8或者权利要求10中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述两个另外的子层中的至少一个子层由镍合金制成。
12.根据权利要求4至权利要求7中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述多个丝由钛合金制成。
13.根据权利要求1至权利要求8或者权利要求12中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述两个另外的子层中的至少一个子层由钛合金制成。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述带元件被螺旋地卷绕，并且所述带元件具有使得所述带的相邻卷绕组互锁的横截面轮廓。
15.根据权利要求14所述的柔性管本体，其中，所述带的所述横截面轮廓构造成使得允许互锁的相邻卷绕组的一定程度的横向运动。
16.根据权利要求1至权利要求13中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述带元件螺旋地卷绕，使得所述带的相邻卷绕组不互锁，并且所述带元件具有宽度比厚度更大的横截面轮廓。
17.根据权利要求1至权利要求13中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述带元件螺旋地卷绕，使得所述带的相邻卷绕组不互锁，并且所述带元件具有阶梯状的横截面轮廓，使得所述带的相邻卷绕组具有一定程度的重叠。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述层是构架、护面层或者外层。
19.一种提供用于从海底位置输送流体的柔性管本体的方法，包括：
提供层，所述层包括由夹持在两个另外的子层之间的至少第一子层所形成的带元件，其中，所述第一子层具有比所述两个另外的子层中的至少一个子层更小的密度。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括螺旋地卷绕所述带元件并且使相邻卷绕组互锁的步骤。
21.根据权利要求19所述的方法，还包括螺旋地卷绕所述带元件并且使相邻卷绕组重叠的步骤。
22.一种大致如参照附图在上文中所描述的柔性管本体。
23.ー种大致如参照附图在上文中所描述的方法。
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