CN104487814A - 组件与密封测试 - Google Patents

Abstract

公开了测试柔性管的密封环的完整性的组件和方法。该方法包括邻近第一套环构件和柔性管本体层设置第一密封环；通过朝向主压力保持端部配件部件迫压密封环或者通过朝向密封环迫压压力保持部件来激励第一密封环；邻近第一套环构件和第二套环构件设置第二密封环；通过朝向压力保持部件迫压密封环或者通过朝向密封环迫压压力保持部件来激励第二密封环；以及通过朝向第一密封环与第二密封环之间的区域延伸的端口使该区域加压至5MPa或更高的预定压力。

Description

组件与密封测试

技术领域

本发明涉及组件以及组件的密封测试。特别地，但非唯一地，本发明涉及设置在柔性管的端部配件中的流体密封系统，包括密封构型及其测试。

背景技术

传统的柔性管用于将产品流体，例如油和/或气和/或水，从一个位置输送至另一位置。柔性管在将水下位置(其可以是深水下，也就是说1000米或更深)连接至海平面位置方面特别有用。该管可以具有通常达到大约0.6米的内径。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。该管结构在不引起损害管在其寿命期间的功能的弯曲应力的情况下允许较大偏斜。管体通常构造成包括金属层和聚合物层的组合结构。

非粘结的柔性管已经用于深水(小于3,300英尺(1,005.84米))和超深水(大于3,300英尺)下的开发。正是对油的需求日益增大导致了在环境因素更加极端的越来越大的深度处进行勘探。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度增大了将产品流体冷却至可能会导致管阻塞的温度的风险。增加的深度还增大了与柔性管必须在其中操作的环境相关联的压力。因此，对柔性管本体层以及管本体层与端部配件的连接的高水平性能的要求增大。

柔性管为管本体的一部分与一个或多个端部配件的组件，管本体的相应端部在所述一个或多个端部配件中的每个端部配件中终止。图1示出了如何由形成承压管道的分层材料组合形成管本体100。尽管在图1中示出了许多特定的层，但是管本体结构可包括由各种可能的材料制造的两个或更多个同轴的层。例如，管本体可由金属层、复合材料层或不同材料的组合形成。层厚度仅为说明性目的而示出。

如图1中所示，管本体包括可选的最内侧骨架层101。骨架提供了可以用作最内层的互锁构型，以完全地或部分地防止由于管降压、外部压力和拉伸防护压力以及机械挤压载荷而引起的内部压力护套102的塌缩。骨架层通常为金属层，由例如不锈钢形成。骨架层也可由复合材料、聚合物或其他材料或材料的组合形成。管本体可以在没有骨架层(即，滑膛)或具有骨架(粗膛)的情况下使用。内部压力护套102充当流体保持层，并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。应理解的是，该层自身可包括许多子层。应了解的是，当使用可选的骨架层时，内部压力护套通常被本领域技术人员称作阻挡层。在没有该骨架(滑膛操作)的情况下的操作中，内部压力护套可被称作衬里。

可选的压力防护层103为结构层，该结构层增加了柔性管对内部压力和外部压力以及机械挤压载荷的耐受性。该层还在结构上支承内部压力护套，并且通常形成为以接近90°的铺设角(lay angle)缠绕的线的互锁构型。压力防护层通常为金属层，由例如碳钢形成。压力防护层也可由复合材料、聚合物或其他材料或者材料的组合形成。

柔性管本体还包括可选的第一拉伸防护层105和可选的第二拉伸防护层106。每个拉伸防护层用于承受拉伸载荷和内部压力。拉伸防护层通常由位于内层外并且以通常介于大约10°与55°之间的铺设角沿着管的长度螺旋形地缠绕的多个金属线形成(以向该层提供强度)。拉伸防护层通常成对地反向缠绕。拉伸防护层通常为金属层，由例如碳钢形成。拉伸防护层也可由复合材料、聚合物或其他材料或者材料的组合形成。

柔性管本体通常还包括可选的绝缘层107和外部护套108，该外护套108包括用于保护管免受海水和其他外部环境渗透、腐蚀、磨损、机械损害的聚合物层。

每个柔性管包括管本体100的至少一部分——有时也称作部段或节段，以及位于柔性管的至少一端处的端部配件。端部配件提供形成柔性管本体与连接器之间的过渡的机械装置。例如，不同的管层在图1中示出为在端部配件中终止以在柔性管与连接器之间传递载荷。

柔性管的端部配件可用于将柔性管本体的部段连接在一起或用于将柔性管本体的段部连接至诸如刚性水下结构或浮动设施之类的终端装备。同样地，在其他不同的使用中，柔性管可用来提供用于将流体从水下流动管线输送至浮动结构的立管(riser)组件。在该立管组件中，柔性管的第一部段可连接至柔性管的一个或多个其他部段。柔性管的每个部段包括至少一个端部配件。图2示出了适于将产品流体，例如油和/或气和/或水，从水下位置201输送至浮动设施202的立管组件200。

图3中示出了例如在WO 2007/144552或EP 1867907中公开的已知的端部配件组件300的横截面。端部配件300包括端部配件本体301，该端部配件本体301包括沿其长度延伸的内部孔302。端部配件本体由钢或其他这种刚性材料制成。在端部配件本体301的第一端部处，限定有敞开的口部区域303，柔性管本体100的一段的端部位于该口部区域303中并且然后终止。在端部配件本体301的另一端部处为连接器304。该连接器304形成为端部配件本体上的大致盘状扩口区域。连接器可被直接地连接至柔性管本体的相邻段的另一端部配件本体的配合连接器。这可以通过使用螺栓或某种其他形式的紧固机构实现。在该构型中，端部配件可以以背靠背的构型设置。替代性地，连接器304可连接至浮动或静止的结构，例如船、平台或其他这种结构。柔性管本体的多种层被引入至端部配件组件，被切割成适合的长度，并且与端部配件的特定部分密封地接合。

存在与用于柔性管本体的端部的端部配件的设置相关联的各种问题。端部配件必须既确保良好的紧固又确保良好的密封。特别地，可以设置内密封环600和外密封环309以在柔性管本体的相邻的层与端部配件之间进行密封。密封由挤压动作形成，该挤压动作引起密封环和/或管本体的相邻的层的变形以及管本体的层的压缩，该管本体的层可以例如是聚合物。端部配件在设计上进行变化以适应柔性管本体的不同的变型。某些端部配件设计可包括其他密封环，例如中间密封环，其可用来在柔性管本体的中间护套层与端部配件之间形成密封。一些已知的结构由于其在将端部配件附接至管本体的组装/制造阶段期间不能被容易地或可靠地测试而可能具有增大的泄漏风险，因此无法获知这种密封的有效性如何。

迄今为止，还不能对端部配件本体的特定密封件在与水下环境中——例如，深水或超深水深度——使用时经受的压力相等的近似压力下进行测试(即，对密封件的完整性进行验证)。特别地，还不能对中间密封件或外部密封件在可以从水的外部流体静压力得到的压力下进行测试。已知技术仅可以对管本体结构中的连续的密封层之间的空隙空间进行加压；在管本体中的非被支承的外护套层不破裂的情况下，最外侧空隙空间仅可被加压至小于大约1MPa的压力。在不使用大的外部压力来支承该外层或明显地测试密封件承受外部压力的能力的情况下(例如，在加压腔、例如高压腔内对整个管进行测试，其中，没有加压腔足够大的能够接纳管的整个轴)，该测试/密封完整性验证是不可能的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于测试柔性管的密封环的完整性的方法，包括：

邻近第一套环构件和柔性管本体层设置第一密封环；

通过将密封环朝向主压力保持端部配件部件迫压或者通过将压力保持部件朝向密封环迫压来激励第一密封环；

邻近第一套环构件和第二套环构件设置第二密封环；

通过将密封环朝向压力保持部件迫压或者通过将压力保持部件朝向密封环迫压来激励第二密封环；以及

通过朝向第一密封环与第二密封环之间的区域延伸的端口使该区域加压至5MPa或更高的预定压力。

如本文所使用的，术语“主压力保持端部配件部件”用于表示端部配件的用于保持压力的任何部分，或用于模拟端部配件的一部分的任何元件，例如端盖。实际上，其可以是例如端部配件本体、外壳或内套环。

根据本发明的第二方面，提供了用于检验柔性管的密封结构的完整性的组件，包括：

主压力保持端部配件部件，该主压力保持端部配件部件设置成覆盖柔性管本体的敞开的口部；

第一密封环，该第一密封环设置在压力保持部件、第一套环构件以及柔性管本体层之间；

第二密封环，该第二密封环设置在第一套环构件、第二套环构件以及柔性管本体层之间；

并且组件还包括：朝向第一密封环延伸的端口，该端口用于对第一密封环与第二密封环之间的区域进行加压。

根据本发明的第三方面，提供了一种套件。

根据本发明的第四方面，提供了基本上如本文中参照附图所描述的组件。

根据本发明的第五方面，提供了基本上如本文中参照附图所描述的方法。

本发明的某些实施方式提供了如下优势：提供了与已知结构相比具有提高的可靠性的密封系统。

本发明的某些实施方式提供了在部署之前测试柔性管的密封完整性的方法。这样，可以更准确地预测柔性管的寿命。

附图说明

下文中将参照附图对本发明的实施方式进行进一步描述，在附图中：

图1示出了柔性管本体；

图2示出了立管组件；

图3示出了端部配件；

图4示出了密封测试装备的一部分；

图5示出了图4的密封测试装备；

图6示出了图4的一部分的放大视图；

图7示出了连接至端部配件的管本体；以及

图8示出了图7的一部分的放大视图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

图4示出了包括根据本发明的实施方式的结构的密封测试装备的一部分的截面，该结构被用来测试密封系统的构型。图5示出了整个密封测试装备。图4和图5的结构可用于测试密封环的参数，例如形状、尺寸、所用材料等，并且可以用于确认密封环相对于其周围部件的结构和设计，以及用于应用至其他测试的测试方法本身(如以下例如关于图7和图8更详细描述的)。

该设备包括端盖402，该端盖402连接至柔性管本体404的多个层。端盖402充当主压力保持端部配件部件。

虽然在图4中未示出，但是管本体的剩下的一端也可以加盖(例如根据图5)，从而形成封闭的腔室。通过给管本体的两个端部都加盖，流体可经由端口405被引入管本体的孔403中以模拟在管使用期间经受的孔压力。然而，测试设备主要关注当承受来自管本体外的压力(例如，在水下经受流体静压力)时的密封完整性。因此，管孔403不需要被加压。端口405可以被关闭，或连接至压力计以检查孔的空隙空间内的压力(压力降低可指示管本体的塌缩)。

图4中所示的管本体层包括中间护套406、两个金属拉伸防护线层408、410以及内部聚合物衬里412，该中间护套406可以是PE、PEX、TPE、PA-11、PA-12、或PVDF聚合物。当然，在本发明的其他实施方式中，管本体层可以不同。替代性地，护套406可为外护套。

测试装备还包括第一套环构件414、第二套环构件416和支承管418。第一套环构件和第二套环构件为金属的、环状的并且具有配合于管本体404和相邻的端盖402的横截面。支承管通过相对于在管本体的另一端处的设备对在管本体的一端处的测试设备进行支承来为管本体的经历测试的部段提供刚度。

邻近于第一套环构件414和中间护套406设置有第一密封环420，该第一密封环420由金属(此处为316型号不锈钢)制成。即，密封环420位于端盖402、第一套环构件414与中间护套406之间。

邻近于第一套环构件414和第二套环构件416设置有第二密封环422，该第二密封环422也由金属(也为316型号不锈钢)制成。即，密封环422位于第一套环构件、第二套环构件与中间护套406之间。密封环本身为已知的设计，例如在EP 1867907中描述的。

该设备还包括螺栓426、428以及用于支承中间护套406的套筒424。虽然在图4中示出了两个螺栓426，但是围绕该设备的外周可以存在两个或更多个螺栓426。螺栓426用于将套环构件固定至端盖。虽然在图4中示出了两个螺栓428，但是围绕该设备的外周可以存在两个或更多个螺栓428。螺栓428用于将支承管418固定至第二套环构件416。

O型圈430定位在第一套环构件414中设置的空隙中，其功能为防止沿着端盖402与第一套环构件414的接合面的泄漏路径。

如上所述，为了提供良好的密封，密封环应该通过挤压动作被激励以形成牢固的密封。这涉及到两个相邻的元件(在密封环420的情况下，这两个相邻元件为端盖402和第一套环构件414)聚到一起(沿任一方向或同时)直至进一步的运动被阻止。然后，相邻元件被更靠近在一起，这可以使密封环421的楔状部变形并且迫压楔状部进入与下方的管层(中间护套406)的紧密密封构型。管层还可略微变形。

与其他已知的构型相反，在管的该区域中设置有两个密封环，其中，第二密封环422与楔状部421同轴地设置并且相对于楔状部421设置在相反侧上。第二密封环422也通过挤压被激励。在该示例中，这可以通过将螺栓426朝向端盖402迫压来实现。这将朝向端盖推压第一套环构件414以激励第一密封环420，并且朝向第一套环构件推压第二套环构件416以激励第二密封环422。

第一密封环和第二密封环定向在相同的方向上，这样有助于其安装和激励。即，每个密封环面向同一个方向(其中，楔状部面向图4的横截面中的左侧)。这样允许当在密封件上执行挤压动作时对两个密封件进行类似地处理以激励密封件。例如，可以通过沿一个方向的单一轴向运动激励两个密封件。此外，两个密封件的相同的取向允许使用简单的安装技术并且提供了更可靠的密封，因为在激励期间密封环之间的聚合物阻挡层中的应力不对抗密封力。

端盖402中设置有测试端口432，该测试端口432为从端盖的外边缘朝向第一密封环与第二密封环之间的区域径向向内延伸的通道。

图6示出了两个密封环420、422的区域的放大视图。在使用时，即，在测试模式下，流体(例如，水或空气)可被引入至端口432中以对两个密封环之间的区域进行加压。适当地，引入的压力为5MPa或更高。该压力可被预先确定为模拟在水下使用时经受的流体静压力。因此，流体可经由端口432被引入并且使该流体加压至已经根据运行中的管的使用需求预先确定的水平。当然，施加的压力应该被限制在低于可能破坏管的压力的水平。特定结构可保证测试达到例如5MPa、或10MPa、或20MPa、或30MPa、或40MPa、或50MPa。

通过该结构，如通过虚线A指示的元件之间的接合部将接收加压流体。在测试期间监控处于压力下的流体的压力。当达到加压状态时，由于第一密封环420和第二密封环422以及O型圈430，在测试期间该区域不应该看到压力降。该区域可被加压预定的时间段，例如5分钟，或达到2小时或更长。如果压力保持许多小时，测试时期将变得不太有用，因为流体可能开始渗透聚合物护套406。

如果设备未给出如压力下降所表现出来的泄漏或失效的指示，那么可以确认密封件420的完整性。

对以上描述的详细的设计的多种改型是可能的。例如，密封结构不需要设计成测试中间密封件。类似的结构可用于测试与靠在端部配件外壳上的外部套环构件相邻的密封件，例如，如图7和图8中那样。根据柔性管所需的条件可使用多种层以及层的组合。当以上描述的螺栓用于既将套环紧固在一起又挤压密封环时，可使用其他装置来挤压密封环，例如通过施加外力，例如使用挤压工具向压力保持部件的一部分施加力。挤压工具可在使用之后被移除。可使用其他装置来固定套环，例如粘接剂或焊接件等。

虽然以上已经描述了密封环如由316型号不锈钢形成，但是也可以使用其他材料。例如，可以使用其他不锈钢、其他金属、625型号镍合金、其他镍合金、或其他材料、或材料的组合。

图7示出了本发明的另一实施方式，其中，包含密封测试结构。图7示出了连接至端部配件702的柔性管本体704。在该示例中，管本体具有比前述实施方式(例如，关于图1描述的实施方式)更多的若干层，每个层以已知的方式终止在端部配件处。通过该结构，管孔703不被加压。

以与如以上描述的第一实施方式中类似的结构在端部配件中设置有第一密封环720和第二密封环722。

该设备还包括第一套环构件714和第二套环构件716。第一套环构件和第二套环构件为金属的、环状的，并且具有与管本体404和端部配件702的外壳734配合的横截面。

该设备还包括螺栓726。虽然在图7中仅示出一个螺栓726，但是围绕设备的外周可存在两个或更多个螺栓726。螺栓726用于将套环构件固定至端部配件外壳。

O型圈730定位在第一套环构件714中设置的空隙中，其功能为防止沿着外壳734与第一套环构件714的接合面的泄漏路径。

在柔性管构造期间，通过(沿任一方向或同时)将外壳734和第一套环构件714聚到一起来激励密封环720，直至进一步的运动被阻止。然后，相邻元件被更靠近在一起，这样可以使密封环721的楔状部变形并且迫压楔状部成进入与下方的管层(外护套706)的紧密的密封构型。管层还可以略微变形。

第二密封环722与楔状部721同轴地设置并且相对于楔状部721设置在相反侧上。第二密封环722也应该通过挤压被激励。在该示例中，这可以通过将螺栓726朝向端部配件外壳734迫压来实现。这将朝向外壳推压第一套环构件714以激励第一密封环720，并且朝向第一套环构件推压第二套环构件716以激励第二密封环722。

在端部配件外壳734中设置有测试端口732，该测试端口732为从外壳的外边缘朝向第一密封环与第二密封环之间的区域径向向内延伸的通道。

图8示出了两个密封环720、722的区域的放大图。在使用时，即，在测试模式下，流体可被引入至端口732中以对两个密封环之间的区域进行加压。适当地，被引入的压力可以为5MPa或更高。该压力可被预先确定为模拟在水下使用时经受的流体静压力。当然，施加的压力应该限制为低于可能破坏管的压力的水平。

图8中所示的实施方式另外包括可选的铬镍铁合金镀层736，添加该铬镍铁合金镀层736以帮助防止或减轻腐蚀并且因此帮助保持密封。

通过以上描述的结构，如由虚线B指示的元件之间的接合部将接收加压流体。当达到加压状态时，由于第一密封环720和第二密封环722以及O型圈730，在测试期间该区域不应看到压力降。该区域可被加压预定的时间段，例如5分钟，或达到2小时或更长。如果设备未给出如压力的下降所表现出来的泄漏或失效的指示，那么可以确认密封件720的完整性。

当对密封环720测试时，在积极的效果下(即，密封件在所施加的压力下保持其完整性)，压力可以被移除，端口732被关闭，并且柔性管构型可以完成以准备好使用。密封环722可变得有效地冗余(其使用仅作为测试结构的一部分)，或可用作预防性的第二密封件。

通过以上描述的结构，能够测试在水下更深的深度——例如1000m或更深——处使用的柔性管中所使用的密封环的可靠性。

通过在第一密封环和第二密封环之间形成腔室，可以施加高压来测试第一密封环的完整性，而管的剩余部分不经受该高压。这样，高压仅施加在管的待测试的点处。

特别有用的是能够具有密封环的性能的高置信度，因为当部署在海中之后不可能在不进行完全地重新终止管的情况下替换有故障的密封环，而替换有故障的密封环包括在管能够重新使用之前将管从其使用位置移除、将包括有故障的密封环的端部配件移除、以及重新配装新的端部配件结构。

通过以上描述的发明，可以对密封环参数进行测试以找到最适合的构造，并且可以对元件的结构进行测试以找到最适合的结构。

通过以上描述的发明，可以在柔性管的构造期间测试密封环以在部署柔性管之前确保其密封完整性。

本领域的技术人员将清楚的是，关于上述实施方式中的任一实施方式所描述的特征能够在不同实施方式之间互换地应用。上述实施方式为示出本发明的各种特征的示例。

贯穿本文的说明书和权利要求，措辞“包括”和“包含”以及其变型意味着“包括但不限于”，并且其不意在(也确实不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本文的说明书和权利要求，除非上下文另外要求，否则单数也涵盖了复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另外要求，否则本文应当理解为涵盖了复数以及单数。

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、化合物、化学根或化学基团应当理解为能够适用于本文描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非互不相容。本文(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的全部特征和/或公开的任何方法或过程的所有步骤都可以以任何组合进行组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不受限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展至本文(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合，或者扩展至公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。

读者的关注针对与本文同时提交或在本文之前提交的与本申请相关的并且与本文一起向公众开放的所有文件和文档，并且所有这些文件和文档的内容通过参引并入本文中。

Claims (17)

1.一种测试柔性管的密封环的完整性的方法，包括：

邻近第一套环构件和柔性管本体层设置第一密封环；

通过朝向主压力保持端部配件部件迫压所述密封环或者通过朝向所述密封环迫压所述压力保持部件来激励所述第一密封环；

邻近所述第一套环构件和第二套环构件设置第二密封环；

通过朝向所述压力保持部件迫压所述密封环或者通过朝向所述密封环迫压所述压力保持部件来激励所述第二密封环；以及

通过朝向所述第一密封环与所述第二密封环之间的区域延伸的端口使所述区域加压至5MPa或更高的预定压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，设置所述第一密封环的步骤还包括将所述第一密封环设置成直接地邻近所述压力保持部件。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：在所述第一套环构件与所述压力保持部件之间设置O型圈，从而阻断所述第一套环构件与所述压力保持部件之间的可能的泄漏路径。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括使用所述第一套环构件将所述第一密封环朝向所述压力保持部件迫压。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，激励所述第二密封环的步骤包括将所述压力保持部件和所述第一套环构件朝向所述第二套环构件迫压。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，激励所述第二密封环的步骤包括将所述第二套环构件朝向所述压力保持部件和所述第一套环构件迫压。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述套环构件为中间套环构件或外部套环构件。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述预定压力为大约5MPa至50MPa。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括抵靠所述柔性管本体层压缩所述第一密封环和/或第二密封环以使所述柔性管本体层部分地变形。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述压力保持部件为端盖或端部配件。

11.一种用于检验柔性管的密封结构的完整性的组件，包括：

主压力保持端部配件部件，所述主压力保持端部配件部件设置成覆盖柔性管本体的敞开的口部；

第一密封环，所述第一密封环设置在所述压力保持部件、第一套环构件以及所述柔性管本体的层之间；

第二密封环，所述第二密封环设置在所述第一套环构件、第二套环构件以及所述柔性管本体的层之间；

所述组件还包括：朝向所述第一密封环延伸的端口，所述端口用于对所述第一密封环与所述第二密封环之间的区域进行加压。

12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述端口设置成能够将所述区域加压至5MPa或更高的预定压力。

13.根据权利要求11或12所述的组件，其中，所述端口设置在所述压力保持部件中。

14.根据权利要求13所述的组件，其中，所述压力保持部件为端部配件或端盖。

15.一种套件，包括根据权利要求11至14中的任一项所述的元件。

16.一种基本上如本文中参照附图所描述的组件。

17.一种基本上如本文中参照附图所描述的方法。