CN104081101B - 连接头与运输致冷流体的挠性运输管道的组件 - Google Patents

Abstract

所述组件包括铠装(4)的端部部分在拱形体(12)上的紧固卡环(20)，紧固卡环由至少两个180°的扇形部(21)形成，扇形部在内部包括宽度等于或大于15mm的圆柱形的紧固区域(23)，卡环的扇形部(21)之间布置中间间隙(22)并且扇形部之间通过弹性紧固部件(31)相连接，弹性紧固部件能够通过紧固区域(23)在铠装(4)的所述端部部分上施加等于或大于75MPa的紧固压力。

Description

连接头与运输致冷流体的挠性运输管道的组件

技术领域

本发明涉及连接头与运输致冷流体的挠性运输管道的一种组件。

背景技术

来自例如气体液化工艺的致冷流体例如是温度小于-160℃的液化天然气。

这类流体的运输，特别是从液化单元向运输船或从运输船向存储单元的运输，通常通过挠性运输管道来实施，所述挠性运输管道的内径大约为400mm，以保证高流量和快速转装。

被使用于在海上环境执行这些操作的挠性管道最为经常性地被分为两类，架空挠性管道和浮动的或海下的挠性管道。

在并肩类型的转装构型的情形中，在其中，船沿着码头或浮动单元被引导，架空挠性管道的长度大约为40到70米。在串联类型的构型中，在其中，船被引导至浮动单元的尾部或首部，船和浮动单元是基本上对齐的，架空挠性管道的长度大约为100到170米。并肩构型比另一构型需要强度更大的挠性管道。

对于在船和浮动单元之间通过浮动的或海下的挠性管道进行转装，该挠性管道的长度可达到大约350米。这些浮动的或海下的管道通常是这样的管道：考虑到挠性管道会被浸没，由于曲率半径更小和源自特别是浮动支架的运动的动态应力更强以及相对于外部环境的密封性更为难以掌控，所述管道在最为严苛的条件中进行作业。

一般性地，挠性管道从内向外包括多层，即：

-波纹内管，规定径向地通向管道轴线的多个波纹，

-至少一拉伸铠装层，铠装是卷绕的，该层围绕波纹管布置，

-至少一隔热层，围绕铠装层布置，和

-密封外罩壳。

拉伸铠装层由呈螺旋形卷绕的奥氏体不锈钢制的拉伸铠装形成。

挠性管道还包括连接头，所述连接头用于在管道之间进行连接或与端部设备进行连接，这些连接头应在同时保证良好的固连和良好的密封性的条件中来实施。

实际上，连接头应保证多种作用，所述多种作用是波纹管的端部的固定、拉伸铠装的锚固、以及外罩壳和该外罩壳的压接部件的热保护。

为此，连接头此外包括端部法兰，所述端部法兰用于连接到另一连接头或端部设备的端部法兰。连接头的端部法兰通过密封焊缝和如有需要通过其它合适的部件固定在波纹管的自由端部上。

连接头还包括在波纹管的端部上穿入的金属拱形体，在金属拱形体上通过焊接固定所述至少一铠装层的铠装的端部。

不过，当挠性管道在连接头附近在拉伸方面和在弯曲方面被强烈促动时，铠装的端部的焊接固定会显得是不足够的和焊缝会过早地断裂。

发明内容

本发明的目的在于提出连接头与挠性管道的一种组件，所述组件允许较大地减少当管道在拉伸和弯曲方面被非常强烈地促动时传递到铠装的端部的焊缝的作用力。

本发明的对象从而在于连接头与运输致冷流体的挠性运输管道的组件，所述管道包括波纹内管、围绕波纹内管布置的呈螺旋形卷绕的交错的和叠置的至少一对拉伸铠装层、围绕该至少一对拉伸铠装层布置的至少一隔热层、和密封外罩壳，所述连接头此外包括与波纹内管的自由端部相固连的端部法兰和在波纹内管的所述自由端部上穿入的金属的拱形体，在金属的拱形体上通过焊接固定所述至少一对拉伸铠装层的铠装的端部，其特征在于，所述组件包括将铠装的端部部分紧固在拱形体上的紧固卡环，紧固卡环由至少两个支承扇形部形成，支承扇形部在内部包括宽度等于或大于15mm的圆柱形的紧固区域，紧固卡环的支承扇形部之间布置一中间间隙并且支承扇形部之间通过弹性紧固部件相连接，弹性紧固部件能够通过紧固区域在铠装的所述端部部分上施加等于或大于75MPa的紧固压力。

根据本发明的组件可包括一个或多个以下特征，单独地或根据技术上可能的所有组合：

-卡环包括三个120°的扇形部，

-圆柱形d紧固区域的宽度在15mm到200mm之间，

-通过紧固卡环的支承扇形部的紧固区域所施加的紧固压力在75MPa到300MPa之间，

-弹性紧固部件在相邻的两个支承扇形部之间的每个间隙处包括一系列的旋拧构件，所述旋拧构件连接所述支承扇形部和垂直于紧固卡环的纵向轴线延伸，每个旋拧构件连接到弹簧或垫圈类型的一弹性元件，

-紧固区域由至少一圆柱形的支承件形成，

-紧固区域由平行的两个圆柱形的支承件形成，

-在接头的端部法兰边侧的圆柱形的支承件的直径略小于在挠性管道边侧的圆柱形的支承件的直径，

-每个圆柱形的支承件在每侧具有一锥形支承部分，和

-一聚合物材料层插置在紧固卡环的圆柱形的紧固区域与铠装层之间。

附图说明

通过阅读接下来的参照附图仅作为示例给出的描述，本发明将更好地得到理解，附图中：

-图1是运输致冷流体的挠性运输管道的局部透视图，

-图2是根据本发明的连接头与挠性管道的组件的示意性的局部轴向半剖视图，

-图3是根据本发明的组件的铠装的端部部分的紧固卡环的示意性透视图，

-图4是卡环的弹性紧固部件的示意性横向剖视图，

-图5到图8是紧固卡环的示意性横向剖视图，示出在铠装的端部部分上支撑的支承区域的不同形状，

-图9是紧固卡环的一变型的示意性透视图，和

-图10到图12是简图，示出由卡环通过铠装的端部部分的摩擦进行紧固的紧固原理。

具体实施方式

在图1上，局部地示出挠性管道1，所述挠性管道用于从液化单元向运输船或从运输船向存储单元运输致冷流体，如液化气。管道1的长度例如大于30米和特别是在30到350米之间。挠性管道界定轴线为AA的致冷流体的中心流通通道2。

作为示例，挠性管道1从内向外包括：

-不锈钢制的波纹内管3，能够保证流体的密封性和耐内压的强度，

-至少一对呈螺旋形卷绕的拉伸铠装层4，特别是以奥氏体不锈钢制成，能够支撑由管道1施加的轴向载荷，

-一组以气凝胶为基础的隔热层6，和

-密封外罩壳9，由一个在另一个上压制的两个管形聚合物罩壳7和8组成。这种冗余具有保证管道1的外部密封性的目的，以避免海水渗入壁体内部。

挠性管道1在其每个端部包括一连接头，所述连接头用于使多个挠性管道段部之间连接和也用于将挠性管道与端部设备进行连接。这些连接头应在同时保证良好的固连和良好的密封性的条件中实施。

在图2上，示出连接头10与挠性管道1的一组件。

在该附图上，仅仅示出连接头10的与本发明有关系的元件，组成该连接头的其它元件被去除，以方便理解。

组成挠性管道1的不同的层3到9以轴向剖视图示出。

如在图2上所示，连接头10包括端部法兰11，所述端部法兰通过已知类型的合适部件与波纹管3的自由端部3a相固连。该连接头10还包括在波纹管3的自由端部3a上穿入的金属拱形体12，该金属拱形体12包括已知类型的、与端部法兰31联结的联结部件。

所述至少一对铠装层4由金属的铠装形成，铠装层的自由端部4a通过焊接固定在金属的拱形体12的外表面上。在金属的拱形体12附近，铠装4通过在铠装层上穿入的保持卡环19进行保持。

交错的铠装层对的拉伸铠装有利地以绝对值基本上相等但符号相反的螺旋角进行卷绕。因此，例如，如果该对的两层之一以基本上等于+35°的角度卷绕，另一层以基本上等于-35°的角度卷绕。该特征允许在扭转方面平衡管道1，即限制其在拉伸作用下转动的趋势。

为了限制在内管3和铠装层4之间的摩擦，在图1上未显示的防摩擦层有利地插置在这些金属层之间。这些防摩擦层可特别是通过以聚酰胺制或以PTFE制的聚合物带的卷绕实现。

拉伸铠装层4的螺旋角有利地在20°到50°之间。

如图2所示，组件包括紧固卡环20、铠装4的在金属拱形体12上的端部部分4b。

紧固卡环20包括至少两个支承扇形部21，支承扇形部能够进行组装以形成紧固卡环20。因此，截取扇形部21的角度的和等于360°。

紧固卡环20例如由角度相同的扇形部形成，特别是两个180°的扇形部21，和优选地，如在图3上所示，由三个120°的扇形部形成。

在卡环20的扇形部21中(图3和图4)布置有数毫米的中间间隙22，所述中间间隙在安装时通过安装角进行调节，允许对管道1的热膨胀现象进行补偿。

一般性地，卡环20的扇形部21在内部包括宽度L等于或大于15mm的圆柱形紧固区域23。卡环20的扇形部21通过弹性紧固部件31(图4)相连接，所述弹性紧固部件能够通过紧固区域23在铠装4的端部部分4b上施加等于或大于75MPa的紧固压力。

优选地，圆柱形的紧固区域23的宽度L在15mm到200mm之间。

如在图5到图8上所示，卡环20的扇形部21的紧固区域23由至少一圆柱形的支承件25形成。

作为示例，圆柱形的支承件25的宽度L大约为15mm或圆柱形的支承件25的宽度L大约为50mm。

根据在图7上所示的一变型，紧固区域23由平行的两个圆柱形的支承件25形成。优选地，位于接头10的端部法兰11边侧的圆柱形的支承件25的直径略小于位于挠性管道1边侧的圆柱形的支承件25的直径，以在所述挠性管道边侧比在所述法兰边侧略少地紧固。

根据在图8上所示的一变型，圆柱形支承件25在每侧具有一锥形支承部分25a，以保证铠装4的逐渐紧固和从而避免应力集中的现象。这类锥形支承部分25a在挠性管道1边侧比在端部法兰11边侧更为有用，这是因为铠装4的线材在挠性管道1边侧是活动的和在另一边侧是固定的。在牢固地使之锁紧前使活动的线材逐渐地紧固的事实允许降低疲劳风险，特别是在非常严苛的应用的情形中。

在图5到图8上所示的不同变型都相对于位于卡环20的半长度处的横向平面具有对称性。然而该特征不是必不可少的，卡环可完美地包括一个或多个非对称的支承件25。

具有多个支承件25，而非单一支承件的事实具有方便安装的优点。在此情形下，卡环的轴线自然地平行于金属拱形体12的轴线定位，而不需要楔紧卡环20以避免可能的角度倾转。

如在图2到图4上所示，弹性紧固部件31在两个扇形部21之间在每个间隙22处包括一系列的旋拧构件32，所述旋拧构件由螺钉或螺栓组成，螺钉或螺栓垂直于卡环20的纵向轴线延伸。

作为示例，每系列的旋拧构件32由三十个旋拧构件组成。

每个旋拧构件32的头部32a容置在一镗孔27中，所述镗孔布置在扇形部21中，所述旋拧构件32的主体32b通过孔口28穿过该扇形部21。主体32b的螺纹部分在攻丝扣孔29中拧紧，所述攻丝扣孔布置在相邻的扇形部21中并与孔口28对齐。

每个旋拧构件32与一弹性元件35相关联，弹性元件是弹簧类型的或弹簧垫圈类型的，插置在对应的旋拧构件32的头部32a与镗孔27的底部之间。

由所述至少一圆柱形的支承件25在铠装4的端部部分4b上施加的紧固压力在75MPa到300MPa之间。

出于减轻卡环20重量的目的，如图9所示，组成该卡环的扇形部21的厚度和/或宽度被减小。体积尺寸由呈交错布置的三十个紧固构件31确定。在接合区域处的体积尺寸未被减小。为此和如在该附图上所示，紧固构件31的位置凸出地进行布置。

图10和图11示出使用呈两部分的卡环20进行紧固的紧固原理。卡环在形成圆柱形的核形体的铠装4上施加压力P，所述压力取决于卡环的尺寸和在每个间隙22上所施加的紧固作用力F。

在卡环20的厚度E小于其内径D很多的情形中，压力P按照如下定则：

$P\≈\frac{2F}{\mathrm{DL}}---\left(1\right)$

L是卡环的长度。

该公式对于包括多于两个扇形部21的卡环20仍是有效的，当卡环20包括较多数目的扇形部21时，压力P的圆周形分布更好。三个扇形部21构成良好的妥协。

对于由三个扇形部21形成的卡环20，卡环包括30个一组呈三组分布的90个旋拧构件31。每个旋拧构件31压缩弹簧垫圈35的间隙，弹簧垫圈具有大约33000N回复作用力。

因此：F＝30×33000≈1000000N即大约100吨。

此外：E≈35mmD≈515mm。

此外，卡环20的紧固宽度为：L＝20mm

因此，根据方程(1)：P≈(2×1000000)/(20×515)＝194MPa。

由卡环20作用于宽度为20mm的圆柱形中心支承件25处的紧固压力从而大约为200MPa。

这种非常高的压力允许承接由摩擦作用施加在铠装4的线材上的全部张力。

实际上，基于图12的说明，通过摩擦作用保持铠装4的线材的保持作用力Fr近似等于：

Fr≈fr.P.L.l(2)

fr是在铠装4的线材与拱形体12之间的摩擦系数，l是铠装4的线材的宽度，系数fr通常在0.15到0.2之间。

在该情形中，铠装4的线材是不锈钢制的矩形线材，其截面l＝14mm×e＝2mm和弹性限值Ys＝300MPa。

因此：Fr≈0.15×200×20×14＝8400N

不过，铠装4的每个线材保持在弹性域中的可支撑的最大张力Tm大约是：

Tm＝Ys.l.e＝300×14×2＝8400N

如此，铠装的每个线材的焊缝不遇到任何作用力，全部张力通过摩擦承接。

在摩擦系数小于0.15例如大约0.1的情形中，这减小Fr，焊缝承接一部分张力。

通过摩擦的保持作用力Fr与压力P和宽度L的积成正比(方程(2))。理论上，在可增大宽度L的范围内，从而不需要强加较大的压力P。因此，参照之前的示例，用P＝40MPa和L＝100mm来替代P＝200MPa和L＝20mm可获得相同的结果。

然而，所发现的是，压力P应大于或等于75MPa，以对铠装4层的几何缺陷进行补偿，该压力的一部分被使用于正确地紧贴线材，余下的压力用于产生通过摩擦的保持作用力。几何缺陷特别是与线材的几何允差(在相邻线材之间的厚度差)相联系和尤其是与使线材预成型的难度相联系，所述预成型用以使得线材具有螺旋形的轨迹，同时保留完美地在拱形体12上或在下层上支靠的基座。

这是为什么实际上以下标准应被遵循：

P≥75MPa和L≥15mm

当管道1是空的时，拱形体12和卡环20基本上具有相同的温度，所述温度接近环境温度。

当管道运输-160℃的液化气时，卡环20的温度可能是30℃，大于拱形体12的温度，以使得卡环的直径比拱形体的直径趋于增大更多。与该现象相联系的卡环的直径的相对增加ΔD可如下表示：

α是组成拱形体12和卡环20的材料的热膨胀系数，ΔT是在卡环20和拱形体12之间的温度差。

拱形体、卡环和铠装有利地以奥氏体不锈钢制成，这是因为，这种材料具有在非常低的温度下保持延展性的优点。奥氏体不锈钢的热膨胀系数基本上比碳钢的热膨胀系数更高(对于奥氏体不锈钢为1510^-6K^-1和对于碳钢为1210^-6K^-1)。

在本情形中，D＝515mm，α＝1510^-6K^-1和ΔT＝30°。因此：

ΔD≈1510^-6×515×30≈0.23mm

在这些条件中，卡环的周长的相对变化是π×ΔD≈0.73mm。

不过，卡环包括通过三个间隙分开的三个扇形部，以使得每个间隙承接该变化的1/3，即大约为0.25mm。

为了避免在管道1投用时失去紧固，卡环20包括弹性紧固部件35。在本情形中，这些部件35的行程大于或等于0.4mm，该行程远远足以与热现象相关联的0.25mm的间隙变化相适。

未显示的聚合材料层优选地插置在卡环20的圆柱形紧固区域23和铠装层4之间。该聚合材料层的厚度大约为2cm，避免铠装层划痕，同时传递紧固压力。

Claims (11)

1.连接头(10)与运输致冷流体的挠性运输管道(1)的组件，所述挠性运输管道(1)包括波纹内管(3)、围绕波纹内管(3)布置的呈螺旋形卷绕的交错的和叠置的至少一对拉伸铠装(4)层、围绕该至少一对拉伸铠装(4)层布置的至少一隔热层(6，8)、和密封外罩壳(9)，所述连接头(10)此外包括与波纹内管(3)的自由端部(3a)相固连的端部法兰(11)和在波纹内管(3)的所述自由端部上穿入的金属的拱形体(12)，在金属的拱形体上通过焊接固定所述至少一对拉伸铠装层的拉伸铠装(4)的端部(4a)，其特征在于，所述组件包括将拉伸铠装(4)的端部部分(4b)紧固在拱形体(12)上的紧固卡环(20)，紧固卡环由至少两个支承扇形部(21)形成，支承扇形部在内部包括宽度等于或大于15mm的圆柱形的紧固区域(23)，紧固卡环(20)的支承扇形部(21)之间布置一中间间隙(22)并且支承扇形部之间通过弹性紧固部件(31)相连接，弹性紧固部件能够通过紧固区域(23)在拉伸铠装(4)的所述端部部分(4b)上施加等于或大于75MPa的紧固压力。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，紧固卡环(20)包括三个支承扇形部(21)。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，圆柱形的紧固区域(23)的宽度在15mm到200mm之间。

4.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，通过紧固卡环(20)的支承扇形部(21)的紧固区域(23)所施加的紧固压力在75MPa到300MPa之间。

5.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，弹性紧固部件(31)在相邻的两个支承扇形部(21)之间的每个中间间隙(22)处包括一系列的旋拧构件(32)，所述旋拧构件连接所述支承扇形部(21)并垂直于紧固卡环(20)的纵向轴线延伸，每个旋拧构件(32)连接到弹簧或垫圈类型的一弹性元件(35)。

6.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，紧固区域(23)由至少一圆柱形的支承件(25)形成。

7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，紧固区域(23)由平行的两个圆柱形的支承件(25)形成。

8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，在连接头(10)的端部法兰(11)边侧的圆柱形的支承件(25)的直径略小于在挠性运输管道(1)边侧的圆柱形的支承件(25)的直径。

9.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，每个圆柱形的支承件(25)在每侧具有一锥形的支承部分(25a)。

10.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，一聚合物材料层插置在紧固卡环(20)的圆柱形的紧固区域(23)与拉伸铠装(4)层之间。

11.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，紧固卡环(20)包括两个180°的支承扇形部或包括三个120°的支承扇形部。