CN104159723A - 生产柔性管主体的方法和柔性管主体 - Google Patents

Abstract

公开了一种柔性管主体（100）和生产这种柔性管的方法。该方法包括：提供一段热塑性（302）或热固性材料的复合材料（300），其中分散有导电材料（304）；将该段施加到心轴（401）上或柔性管主体的层上；以及通过感应加热线圈（403）的感应加热来加热该段以使热塑性或热固性材料固化。

Description

生产柔性管主体的方法和柔性管主体

技术领域

本发明涉及柔性管主体和生产柔性管主体的方法。特别地，但非排它性地，本发明涉及将包括热塑性材料或热固性材料和导电材料的复合物用于形成管主体的一个或多个层。

背景技术

传统地，柔性管用于将生产流体（诸如油和/或气和/或水）从一个位置运输到另一位置。柔性管特别适用于将海下位置（其可以在水下深处，例如1000米或更深）连接到海平面位置。管可以具有通常高达约0.6米的内径。柔性管通常形成为柔性管主体和一个或多个端部配件的组件。管主体通常形成为形成了压力承受管道的分层材料的组合。管结构允许大的偏转而不会造成有损管在其寿命期间的功能的弯曲应力。管主体通常被构建为包括金属层和聚合物层的组合结构。

未结合的（unbonded）柔性管已用于深水（小于3300英尺（1005.84米）和超深水（大于3300英尺）开发。对石油不断增加的需求导致在越来越深处进行勘探，其中，环境因素更加极端。例如，在这样的深和超深水环境中，海底温度增加了生产流体冷却到可能导致管堵塞的温度的风险。增加的深度也增加了与其中柔性管必须操作的环境相关联的压力。因此，增加了对于柔性管主体的层的高水平性能的需要。

柔性管也可以用于浅水应用（例如，小于约500米深度）或者甚至用于岸上（陆上）应用。

在柔性管中，常常使用聚合物层，诸如PVDF（聚偏二氟乙烯）。然而，大部分聚合物将具有特定的最大可容许的应变，高于这个最大可容许的应变，损坏材料的风险更高。柔性管层常常被形成为在一个或多个聚合物层内具有残余应力。PVDF常常经受由于挤压层被冷却之后的热冲击所造成的高残余应力。当在高温挤压（例如约215℃）时挤压也可能在PVDF中造成裂开问题。

在过去用于以某种方式缓解应力和应变减小强度问题的一种技术是使用纤维加强的聚合材料（或复合物）作为柔性管中的结构元件。与已知的金属材料相比，复合物提供高比强度和刚度并且能减小管重量（减小最高张力）并且增加管的耐化学性。复合物可以最初被设置为“预浸体”，即，利用纤维预浸渍。

然而，当缠绕所形成的带材以形成管状管主体的层时，将应变引入到了材料内，这影响了性能。

US2003/0026928公开了一种柔性管，其包括纤维和热固性树脂的复合带材。带材由通过粘合剂结合在一起的薄、叠置的层合件形成。当层弯曲到管主体表面上时，使用薄层合件帮助减小应变。然而，应变并未被完全排除，而且也必须谨慎地控制层厚度、粘合剂覆盖和施加时间。而且，在使用中，结合的层合件的层将易于受到层合件间剪切影响，因为在管移动或层扭转期间，界面相互作用。

而且，当制备复合带材层时，带材可以使用例如红外辐射而加热。然而，这种技术可能对管层的外部造成损坏，同时，管层的内部并未被充分加热。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地减轻上文所提到的问题。

本发明的实施例的目的在于在柔性管主体中提供复合材料的层，复合材料的层给予管强度和刚度，同时也在管弯曲时给予管充分的柔性。

本发明的实施例的目的在于在复合材料的柔性管主体中提供防护层，其基本上没有残余应变。

本发明的实施例的目的在于提供一种形成聚合物层的方法，其比已知的方法更加可控。

本发明的实施例的目的在于提供一种加热聚合物层的方法，其允许比已知方法更均匀的加热。

根据本发明的第一方面，提供一种生产柔性管主体的方法，包括：

提供一段热塑性或热固性材料的复合材料，其中分散有导电材料；

将该段施加到心轴或柔性管主体的层上；以及

通过感应加热来加热该段以使热塑性或热固性材料固化。

根据本发明的第二方面，提供一种柔性管主体，包括：

热塑性或热固性材料的复合材料层，其中分散有导电材料；

其中通过将复合材料施加到心轴或柔性管主体的另一层上并且通过感应加热来加热复合材料以固化热塑性或热固性材料而形成该层。

本发明的某些实施例提供以下优点：减小或排除了在所形成的管主体层中的残余应力。这导致在例如强度和寿命方面更高的性能，改进的卷绕性和改进的柔性。

本发明的某些实施例提供以下优点，提供形成柔性管主体的方法，其得到对于聚合物材料加热更高度的控制，无论材料从内侧向外加热，还是仅在外侧加热。

本发明的某些实施例可以容易地合并到现有的管形成设备内。本发明的某些实施例提供在成本效益和易于使用方面的改进。

附图说明

还在下文中参考附图进一步描述了本发明的实施例，在附图中：

图1示出了柔性管主体；

图2示出了立管组件；

图3示出了本发明的带材元件；

图4示出了管层形成设备；

图5示出了本发明的另一带材；

图6示出了另一管层形成设备；

图7为本发明的方法的流程图；以及

图8为本发明的一种方法的另一流程图。

在附图中，相似的附图标记指代相似零件。

具体实施方式

贯穿本描述，将参考柔性管。应了解柔性管为管主体的一部分和一个或多个端部配件的组件，在端部配件的每一个中端接管主体的相应端部。图1示出了如何由形成压力承受管道的分层材料的组合形成根据本发明的实施例的管主体100。尽管在图1中示出了多个特别层，但应了解本发明广泛地适用于包括由多种可能材料制成的两个或更多个层的同轴管主体结构。还应指出的是，只是为了说明性目的示出了层厚度。

如图1所示，管主体100包括可选的最内构架层101。构架101提供联锁构造，其可以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、外部压力和拉伸防护压力和机械破碎负荷而塌缩。应认识到本发明的某些实施例适用于‘平滑管腔’操作（即，无构架层）以及‘粗糙管腔’应用（具有构架层）。

内部压力护套102充当流体保持层并且包括聚合物层，聚合物层确保了内部流体完整性。应了解该层本身可以包括多个子层。应认识到当利用可选的构架层时，内部压力护套常常被本领域技术人员称作阻挡层。在无构架层的操作（被称作平滑管腔操作）中，内部压力护套可以被称作衬套。

可选的压力防护层103为结构层，其具有接近90°的捻角，这增加了柔性管对于内部压力和外部压力和机械破碎负荷的耐受性。该层也在结构上支承内部压力护套并且通常具有联锁构造。

柔性管主体还包括可选第一拉伸防护层105和可选的第二拉伸防护层106。每个拉伸防护层为结构层，结构层具有通常在10°与55°之间的捻角。每个层用来维持拉伸负荷和内部压力。拉伸防护层常常成对相互缠绕。

如图所示的柔性管主体还包括可选的带材层104，其帮助容纳下面的层并且在某种程度上防止在相邻层之间的磨损。

柔性管主体还通常包括可选的绝缘层107和外护套108，外护套包括用于保护管防止海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损和机械破坏的聚合物层。

每个柔性管包括管主体100的至少一部分（有时被称作区段或部段）以及位于柔性管的至少一端的端部配件。端部配件提供一种机械装置，其形成在柔性管主体与连接器之间的过渡。例如，如图1所示的不同的管层在端部配件中端接，使得在柔性管与连接器之间转移负荷。

图2示出了适合于从海下位置201向浮动设施202运输生产流体（诸如油和/或气体和/或水）的立管组件200。例如，在图2中，海下位置201包括海下流动管线。柔性流动管线205包括柔性管，其完全地或部分地搁置于海底204上或者埋入于海底下方并且用于静态应用中。流动设施可以由平台和/或浮标或者如图2所示的船只提供。立管组件200被提供为柔性立管，也就是说，将船只连接到海底设施的柔性管203。柔性管可以在具有连接端部配件的柔性管主体的区段中。

应意识到存在不同类型的立管，如本领域技术人员熟知的那样。本发明的实施例可以用于任何类型的立管，诸如自由悬浮（自由悬链式立管）、在某种程度上受到约束的立管（浮标、链）、完全受到约束的立管或者封闭于管中（I型管或J型管）。

图2还示出了柔性管的部分如何可以用作流动管线205或跨接管206。

如图3所示，提供一段带材300以用于形成根据本发明的第一实施例的管主体层。带材300为其中分散有碳纤维304的热塑性复合材料302（在此情况下PVDF）。碳纤维304以足够的量提供以便能通过从制造点附近的感应加热线圈的感应提供热，并且可以由本领域技术人员来确定。因此，任何合适的铁磁材料可以用于这个目的。

如图4所示，带材300被施加到心轴401上，心轴401以恒定速度旋转而以均匀的间距接收带材。带材可以略微重叠以便形成管形构件。刚好在接收于心轴401上之前，带材300穿过或邻近感应加热线圈403。加热线圈403传递交流电流并且形成磁场。电能转移到碳纤维304，碳纤维304因此产生热。这导致热塑性材料302从穿过它伸展的纤维直接接收局部热，热足以使热塑性树脂302固化。因此，带材300可以固结为管整体件。可以在适当冷却时间之后移除心轴以留下固结的柔性管主体层。在此示例中，固结层形成管主体的最内部（平滑管腔）衬套。替代地，管主体的另外的层可以在移除心轴之前添加到所形成的层上。

由于碳纤维分散于复合物基质中，可以在整个带材上均匀地发生加热。感应加热线圈可以被精确地调谐以根据特定材料和应用要求提供具体感应加热量。碳纤维的分数可以是任何合适量，诸如在约40%与约75%之间。碳纤维可以在特定方向定向以帮助给予该材料在该方向改进的强度特征。

由于在带材螺旋缠绕之前不久发生加热，在发生缠绕时，带材将保持为可成型的形状。因此，在层内的应变将减小或甚至排除，因为材料在固化阶段之后并不弯曲或变形到新位置。

碳纤维不仅帮助在结构上加强复合材料，改进强度和重量性质，而且也充当铁磁材料，其中，可以通过感应加热线圈在附近感应电场。

在上文所描述的实施例的变型中，薄带材的堆叠可以如图5所示堆叠以形成类似于带材300的带材500，准备用于缠绕。前体长度以层合方式宽边对齐宽边而堆叠。带材的卷绕和树脂的固化因此以与上文所描述的相同方式发生。

通过利用相对更薄的带材堆叠来形成层，可以更谨慎地控制碳纤维的初始对准并且因此使碳纤维的初始对准更均匀地定向。而且，前体材料在固化阶段之前在弯曲和卷绕期间不太可能受损。

在图6中示出了本发明的另一实施例。带材600施加到心轴601上，心轴601以恒定速度旋转从而以均匀间隔来接收带材。带材600可以与关于图3所描述的相同，或者可以是其中分散有导电元件的另一聚合物热塑性或热固性材料。带材可以略微重叠以便形成管形构件。在接收于心轴601上之后，带材600通过或邻近感应加热线圈603。加热线圈603将能量转移到带材中的导电纤维，导电纤维因此产生热。热足以使聚合物固化，并且带材600将固结为管的整体件。在此示例中，固结层形成管主体的最内（平滑管腔）衬套。

在上文所描述的实施例的变型中，可以使用聚合物带材，聚合物带材可能不存在碳纤维或者其它导电长丝。因此带材可以由基本上100%聚合物或非导电材料形成。聚合物带材施加到例如金属（钢）构架层上。构架层以恒定速度旋转以接收带材。在接收于构架层上之后，带材穿过或邻近感应加热线圈。加热线圈向金属构架层转移能量，其因此生成热。来自构架层的热足以固化相邻聚合物带材层，并且聚合物带材将固结为管的整体件。在此示例中，固结的聚合物层形成管主体的阻挡层。

在另一变型中，金属材料可以沿着管主体的长度邻近特定层或在特定层内具体地定位，以便提供“热点”用于在那些具体位置固化聚合物。应意识到金属层无需为构架层，而可以是管主体的任何导电层。

在上文所描述的实施例的另一变型中，不含碳纤维或其它导电长丝的第一聚合物带材（诸如聚乙烯）施加到心轴或构架层上，心轴或构架层以恒定速度旋转以接收带材。此外，包括导电元件的另一带材（例如具有碳纤维的聚乙烯）缠绕于第一带材上。在感应加热带材时，两个带材固化并且结合以形成单个层。形成的层将可以用作流体保持层，并且具有增强的抗塌缩性和耐压性。这种层将用于替换构架层、阻挡层和压力防护层中的一些或全部。

在聚合物固化时，存在各种已知的问题，诸如由于形成过程和由于所涉及的温度而在材料内的残余应力，这可能影响性能并且可能导致物理缺陷，诸如裂开。除了上文所描述的均匀并且可控制的加热方法之外，其也可以适用于对于聚合物的冷却速率具有良好控制。一般而言，相比于较快冷却速率，缓慢冷却速率将是优选的。因此，可以使管主体经历例如感应加热器顺序，其提供依序减小的热水平。替代地，聚合物层可以使用感应加热被预热到特定温度并且然后允许以其最优选的冷却速率冷却。

上文所描述的发明提供聚合物层的准确、可控制和均匀加热和固化。所形成的层也将在减小或排除残余应力方面是有益的，因此提高了层和总的管结构的性能。

虽然上文所描述的方法包括将带材施加到旋转心轴上，但也能使用固定心轴并且通过移动带材本身来缠绕该带材。

虽然描述了热塑性聚合物，但管层可以同样以类似方式由热固性聚合物（诸如环氧树脂）形成。本发明的方法可以用于交联聚合物（诸如PEX）。

带材层的截面形状可以是适合于该应用的任何形状，诸如矩形、椭圆形、圆形等，或者由两个或更多个相对应零件形成。

柔性管主体可以替代地在将整个管主体感应加热以固化聚合物层之前完全构建。

对于本领域技术人员显然的是，关于上文所描述的实施例中的任何实施例所描述的特点可互换地用于不同的实施例之间。上文所描述的实施例为示出本发明的各种特点的示例。

贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”和“包含”和它们的变型表示“包括但不限于”，并且它们并非旨在（并且不）排除其它部分、添加剂、组分、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，单数也涵盖复数，除非上下文有其它要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，说明书应被理解为既设想到单数也设想到复数，除非上下文有其它要求。

关于本发明的特定方面、实施例或示例所描述的特点、整体、特征、化合物、化学部分或基团应被理解为适用于本文所描述的任何其它方面、实施例或示例，除非与之不兼容。说明书（包括所附的权利要求、摘要和附图）中公开的全部特点，和/或公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合形式结合在一起，除了至少一些相互排斥的特征和/或步骤组合之外。本发明并不限于任何前述实施例的细节。本发明可以扩展至说明书（包括所附的权利要求、摘要和附图）中公开的任何新的特点，或任何新的特点的组合，或扩展至公开的任何方法或过程的任何新的步骤、或步骤的任何新颖组合。

将读者的注意力吸引到与本申请的说明书同时提交或在之前提交的所有文件和文献，这些文件和文献与本说明书一起向公众公开以便于查阅，并且这些文件和文献的内容以引用的方式合并到本文中。

Claims (17)

1. 一种生产柔性管主体的方法，包括：

提供一段热塑性或热固性材料的复合材料，其中分散有导电材料；

将所述段施加到心轴上或柔性管主体的层上；以及

通过感应加热来加热所述段以使所述热塑性或热固性材料固化。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述施加步骤之前执行所述加热步骤。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括：提供多段热塑性或热固性材料的复合材料，其中分散有导电材料；并且在所述施加和加热步骤之前，堆叠所述多个段以形成所述段。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加热步骤之前执行所述施加步骤。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述段施加到柔性管主体的金属层上。

6. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述施加步骤包括将所述段螺旋缠绕到心轴上或柔性管的层上。

7. 根据任一项前述权利要求项所述的方法，其特征在于，所述复合材料包括基质材料和多个导电纤维。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多个导电纤维包括碳纤维。

9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳纤维包括碳纳米管。

10. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述复合材料包括PVDF。

11. 一种柔性管主体，包括：

热塑性或热固性材料的复合材料的层，其中分散有导电材料；

其中，通过将所述复合材料施加到心轴上或柔性管主体的另一层上并且通过感应加热来加热所述复合材料以固化所述热塑性或热固性材料而形成所述层。

12. 根据权利要求11所述的柔性管主体，其特征在于，所述复合材料包括基质材料和多个导电纤维。

13. 根据权利要求11或12所述的柔性管主体，其特征在于，所述多个导电材料包括碳纤维。

14. 根据权利要求13所述的柔性管主体，其特征在于，所述碳纤维包括碳纳米管。

15. 根据权利要求11至14中任一项所述的柔性管主体，其特征在于，所述复合材料包括PVDF。

16. 一种基本上如在上文中参考附图所描述的方法。

17. 一种基本上如在上文中参考附图所描述的柔性管主体。