CN104508449B - 用于超深水域应用的居间密封 - Google Patents

Abstract

公开了密封结构和用于测试柔性管的密封结构的完整性的方法。该方法包括将第一环状密封元件和第二环状密封元件定位在柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，接合部的区域位于第一环状密封元件与第二环状密封元件之间；并且通过朝向该区域延伸的端口使第一密封元件与第二密封元件之间的区域增压至0.2MP或更大的预定压力。

Description

用于超深水域应用的居间密封

技术领域

本发明涉及用于超深水域应用的居间密封。特别地，但非排他性地，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诸如油和/或气和/或水之类的产品流体从一个位置输送至另一位置。柔性管在将海底位置(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更多个端部配件的组件。管本体通常形成为形成承压导管的分层材料的组合。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。管本体通常构成为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)的开发。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深的位置处进行勘探。例如，在这种深水和超深水环境中，洋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，对用于柔性管本体的层以及对管本体层与端部配件的连接的高水平性能的需求增大。

柔性管为管本体的一部分与一个或更多个端部配件的组件，管本体的相应端部在所述一个或更多个端部配件中的每个端部配件中终止(terminate)。图1示出了如何可由形成承压导管的分层材料的组合形成管本体100。尽管在图1中示出了许多特别的层，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、聚合物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骨架层101。骨架提供了能够用作最内层的互锁构造，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压碎载荷而引起的内压力护套102的塌陷。骨架层通常为金属层，由例如不锈钢形成。骨架层也能够由复合材料、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，平滑膛孔)或具有骨架(粗糙膛孔)的情况下使用。内压力护套102用作流体保持层，并且包括确保内部流体完整性(integrity)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，内压力护套通常被本领域所属技术人员称作阻挡层。在没有该骨架(平滑膛孔操作)的情况下的操作中，内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压力和外压力以及机械压碎载荷的耐受性。该层还在结构上支承内压力护套，并且通常可形成为以接近90°的敷设角(lay angle)卷绕的线材的互锁构造。压力防护层通常为金属层，由例如碳钢形成。压力防护层也能够由复合材料、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上并且以通常介于大约10°至55°之间的敷设角沿着管的长度螺旋形地卷绕的多个金属线材形成(以将强度传递至该层)。拉伸防护层通常成对地反向卷绕。拉伸防护层通常为金属层，由例如碳钢形成。拉伸防护层也能够由复合材料、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隔离层107和外护套108，该外护套108包括用于保护管免受腐蚀、磨损、机械损坏以及海水和其他外部环境的侵入的聚合物层。

每个柔性管包括有时也称作本体100的节段或部段的至少一部分，以及位于柔性管的至少一端部处的端部配件。端部配件提供形成柔性管本体与连接器之间过渡的机械装置。例如，如图1中示出的不同的管层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节段连接在一起或用于将柔性管本体的节段连接至诸如刚性海底结构或浮动设施之类的终端装备。同样地，在其他变化的使用中，柔性管能够用于提供上升管组件(riser assembly)，上升管组件用于将流体从海底流动管线输送至浮动结构。在该上升管组件中，柔性管的第一节段可连接至柔性管的一个或更多个其他节段。柔性管的每个节段包括至少一个端部配件。图2示出了适于将诸如油和/或气和/或水之类的产品流体从海底位置201输送至浮动设施202的上升管组件200。

图3中示出了比如在WO 2007/144552或EP 1867907中公开的已知的端部配件组件300的横截面。端部配件组件300包括端部配件本体306，该端部配件本体306包括沿其长度伸延的内部膛孔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306的第一端部处，限定有开口区域303，柔性管本体100的节段的端部位于该开口区域303中并且然后在该开口区域303中终止。在端部配件本体306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。连接器能够直接地连接至柔性管本体的相邻节段的另一端部配件本体的相匹配的连接器。这通过使用螺栓或一些其他形式的紧固机构能够实现。在该构型中，端部配件可以以靠接的构型定位。替代性地，连接器304可连接至浮动或静止的结构，比如船、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、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。

与提供用于柔性管本体的端部的端部配件相关联存在各种问题。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(swaging)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，该管本体的层可以是例如聚合物的。端部配件在设计上变化从而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，比如居间密封环，其可用于在柔性管本体的居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泄漏的危险，因此不能获知该密封的有效性如何。

迄今为止，在将端部配件在管本体上的组装期间验证密封系统的测试可能不足以检验当管被增压时在使用中的完整性。这是因为用于端部配件元件的构造中使用的材料当承受载荷、例如当管被增压时呈现弹性材料性质(behaviour)。部件的弹性运动/位移的量将根据管中的压力以及部件的材料特性确定。例如，依赖于螺纹紧固系统的密封的接合部出于其构造力的考虑并且因此出于其密封完整性的考虑将在组装期间需要对紧固件进行高的预加载，以确保在密封件中保持密封的完整性所需要的压缩力即使当管中所施加的压力试图分离接合部时仍然是占优势的。

图4示出了关于图3的框A中所示的结构的变型。所示结构包括端部配件套壳304、端部配件本体306以及内密封环600，如同图3。然而，该组件还包括第一套环构件308和第二套环构件310，第一套环构件308和第二套环构件310设置成终止管本体的居间密封层312。居间密封层可在径向上设置在压力防护层314的外部并且用于密封压力防护层。

该组件也包括附加密封环316，该附加密封环316被称作居间密封环，因为其靠置于管本体的居间密封层进行密封。此外，该组件包括O型圈320、322以帮助阻塞沿着第一套环构件308的边缘的潜在的泄漏路径。

应当知道，O型圈通常用于有效的密封，然而O型圈密封件的位置和性能非常依赖于其周围的材料的特性和性能。O型圈密封结构的每侧上的压缩力是保持密封的关键。由于当管增压时不可能在如图4中所示的已知的构型上执行测试，因此很难能够检验在运行中密封系统的性能。此外，如果端部配件组件的套环构件或其他相邻部件——O型圈位于端部配件组件的套环构件或其他相邻部件之间——例如因为轴向延伸的螺栓变松而松弛(即，沿柔性管的轴向方向移动离开)，那么O型圈沿管的径向方向掉出处于不适当的位置。

测试该结构中的O型圈320、322和密封环316的完整性在以前是不可能的。此外，可能存在以下问题：正确地定位O型圈，以及在高压力下当部件中的一些发生弹性弯曲时在这些O型圈上的维持其密封完整性所需的压缩力可能减小或甚至丧失。

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结构的完整性的方法，该方法包括：

将第一环状密封元件和第二环状密封元件定位在柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，接合部的区域位于第一环状密封元件与第二环状密封元件之间；以及

通过朝向第一环状密封元件与第二环状密封元件之间的区域延伸的端口使该区域增压至大约0.2MPa或更大的预定压力。

根据本发明的第二方面，提供了用于确保柔性管的密封结构的完整性的组件，包括：

第一环状密封元件和第二环状密封元件，该第一环状密封元件和第二环状密封元件位于柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，接合部的区域位于第一环状密封元件与第二环状密封元件之间；以及

端口，该端口朝向第一环状密封元件延伸以用于对第一环状密封元件与第二环状密封元件之间的区域增压。

根据本发明的第三方面，提供了基本上如本文中参照附图所描述的方法。

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。

本发明的某些实施方式提供了如下优势：提供了针对已知结构的提高可靠性的密封系统。本发明的某些实施方式提供了在部署之前测试在柔性管中的密封元件的密封完整性的方法。同样地，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示出了上升管组件；

图3示出了端部配件；

图4示出了关于端部配件设计的变型；

图5示出了端部配件组件的一部分；

图6示出了在组装期间的图5的一部分；

图7示出了进一步组装之后的图5的一部分。

在附图中，相同的附图标记表示相同部件。

具体实施方式

图5示出了端部配件的密封结构的一部分的截面。该组件包括第一套环构件508和第二套环构件510，第一套环构件508和第二套环构件510设置成终止管本体的居间密封层512。居间密封层可在径向上设置在压力防护层514的外部并且用于密封压力防护层。

该组件还包括居间的密封环516、518，以用于阻塞沿着第一套环构件508和居间密封层512的径向外部面的潜在泄漏路径。第一密封环设置在第一套环构件与第二套环构件之间，并且设置在居间密封层512的一部分上。第二密封环设置在第二套环构件510的相反侧处并且位于居间密封层512的一部分上。就此而言，在该示例中，第一密封环和第二密封环具有相同的直径(和半径)。在密封环516、518之间为测试端口524，该测试端口524设置在第二套环构件510中，测试端口524延伸为从第二套环构件的径向外表面至套环构件的径向内表面的通道。

第一密封环和第二密封环以相同的方向定向以有助于其安装和增能(在下面更详细地讨论其增能)。即，每个密封环面向相同的轴向方向(其中，图5的截面中楔状部面向右侧)。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为密封件增能。例如，沿一个方向的单一轴向运动可用于为密封件两者增能。此外，密封件两者的相同的取向允许使用简单的安装技术，并且由于在增能期间密封环之间的聚合物阻挡层中的应力不反作用于密封力而提供更可靠的密封。

此外，该组件包括两对O型圈520、521、522、523以帮助阻塞沿着第一套环构件508的边缘的潜在的泄漏路径。O型圈为同轴的并且沿着第一套环构件508的围绕柔性管的周向轴线延伸的表面526、528设置。在该示例中，O型圈520和521具有相同的直径，并且O型圈522和523具有相同的直径。在O型圈520、521之间为测试端口530，该测试端口530设置在第一套环构件508中，该测试端口530延伸为从第一套环构件的径向外表面至套环构件的径向内表面的通道。在O型圈522、523之间为测试端口532，该测试端口532设置在第一套环构件508中，该测试端口532延伸为从第一套环构件的径向外表面至套环构件的径向内表面的通道。

为了提供良好的密封，密封环应该通过挤压动作进行增能。这涉及将两个相邻的元件——在密封环516的情况下，第一套环构件508和第二套环构件510——集合到一起(沿任一方向或同时)直至进一步的运动被限制为止。然后，将相邻元件更紧密地集合到一起，这样可能使密封环536的楔状部变形并且将楔状部与在下方的管层(居间密封层512)迫压成紧密密封构型。管层还可略微变形。

如图6中所示，使用挤压工具534来为密封环516、518增能，该挤压工具534沿如图中所示从右至左的方向被推压。当然，替代性地，套环构件能够朝向静止的挤压工具被推压，或者全部元件被同时迫压在一起。该动作为如上描述的密封圈两者增能。然后，可移除挤压工具以提供对测试端口524的接近途径。

通过密封环就位并且形成密封，测试端口524可用于测试密封环的完整性。在测试模式下，可将流体(例如，水或空气)引入端口524以对两个密封环之间的区域增压。被引入的压力可适当地为2MPa或更大。压力可以预定成模拟在水下使用时所经受的液体静压力。同样地，流体可经由端口524引入并且使该流体增压至已经根据在运行中管的使用需求而预定的水平。特定结构可保证测试至例如5MPa、或10MPa、或20MPa、或30MPa、或40MPa或达到50MPa。

根据该结构，密封环516、518和居间密封层512之间的接合部将接纳增压的流体。当达到增压状态时，由于第一密封环516和第二密封环518，则在测试时间段该区域不应该看到压力下降。该区域可增压预定的时间段，例如5分钟，或到达2小时或更长。如果压力保持许多小时，当流体可开始渗透聚合物护套(居间密封层512)时，测试的时间段将变得有用性减小。在测试时间段监控在压力下的流体的压力。如果设备未给出如通过压力降表示的泄漏或失效的指示，那么可确认密封件516的完整性。

除了该测试，类似类型的压力测试可使用测试端口530来执行以对O型圈对520、521进行测试。此外，类似类型的压力测试可使用测试端口532来执行以对O型圈对522、523进行测试。不仅在组装过程期间而且当管被增压时，对于O型圈的该测试有效地提供了这些密封件的完整性的检验，因为密封件的位置和构型确保密封的性能不会如先前设计的情况一样由于将连接件保持在一起的螺纹紧固件的弹性性质而减小或丢失。

适当地，O型圈对可被测试至大约0.2MPa的压力。

当对密封环516和O型圈520、521、522、523的测试具有积极的结果(即，密封件在所施加的压力下保持其完整性)时，可以移除压力、关闭端口并且可以将柔性管构造完成以准备好使用。密封环518实际上变得多余，其仅用于作为测试结构的一部分。

图7示出了已经应用端部配件的附加部件之后的结构，该端部配件的附加部件包括端部配件套壳538和排气通道540。端部配件结构的剩余部分(未示出)可以以已知方式设置。

对以上描述的详细的设计的多种改型是可能的。例如，除了挤压工具之外，其他结构可用于为密封环增能。例如，可使用螺栓，将该螺栓朝向第一套环构件驱动至第二套环构件中并且拧紧至对密封环进行挤压的程度。

该密封结构不需要设计成测试居间密封件。类似结构可以用于测试例如与靠置于端部配件套壳的外套环构件相邻的密封件。根据柔性管所需的条件可使用多种层和层的组合。

通过以上描述的结构，能够测试在水下非常深的深度——比如1000m或更深——处并且/或者以高压操作而使用的柔性管中所用的密封元件的可靠性。因为在部署在海中之后在没有完全地重新终止管的情况下不能替换有缺陷的密封元件，替换有缺陷的密封元件包括在管能够再次使用之前将管从其使用位置移除、将包括缺陷密封元件的端部配件移除、并且重新配装新的端部配件结构，所以特别有用的是能够具有密封元件的性能的高置信度。

通过在第一环状密封元件和第二环状密封元件之间形成腔室，能够施加高压来测试所需密封元件中的至少一者的完整性，而管的剩余部分不经受该高压。同样地，高压仅施加在管的待测试的点处。

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

对于某些柔性管本体结构，在压力防护层上设置密封层(居间密封件)是有用的。然后，压力防护层和骨架层均可用于给予管耐压性。通过本发明，能够保证压力防护层将不会被来自海环境的液体静压力浸没(flooded)。同样地，压力防护层的性能可被信赖作为用于超深水域应用的压力(管塌陷)耐受层的部分。

本领域的技术人员应当清楚的是，关于上述实施方式中的任何实施方式所描述的特征能够在不同实施方式之间以可互换的方式应用。上述实施方式为示出本发明的各种特征的示例。

贯穿本说明书的描述与权利要求，措辞“包括”与“包含”以及其变型意味着“包括但不限于”，并且其不意在(也不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，除非上下文另外要求，否则单数涵括了复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另外要求，否则本说明书应当理解为设想了复数以及单数。

除非本文中描述的实施方式或示例与其互不相容，否则结合本发明的特别方面、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任何其他方面。本说明书中公开的全部特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)以及/或者如此公开的任何方法或过程的所有步骤都可以以除这些特征和/或步骤中的至少某些特征和/或步骤相互排他的方式组合以外的任何组合进行组合。本发明不受任何前述实施方式的细节的限制。本发明延伸至本说明书中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，或者延伸至如此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说明书同时提交或在本说明书之前提交的与本申请相关的并且与本说明书一起向公众审查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 (8)

1.一种用于测试柔性管的密封结构的完整性的方法，包括：

将第一环状密封元件和第二环状密封元件定位在柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，所述接合部的区域位于所述第一环状密封元件与所述第二环状密封元件之间；并且

通过朝向所述第一环状密封元件与所述第二环状密封元件之间的所述区域延伸的端口使所述区域增压至0.2MPa或更大的预定压力，并且

其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件为具有包括楔状部的横截面的密封环，并且其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件在相同的轴向方向上取向，使得所述楔状部背向端部配件组件的端部配件本体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一环状密封元件具有与所述第二环状密封元件相等的直径。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件设置成与所述柔性管的柔性管本体的聚合物密封层相邻并且在径向上设置在所述柔性管本体的所述聚合物密封层的外部。

4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括如下步骤：通过将所述柔性管的所述两个元件中的一者或两者朝向另一元件迫压，为所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件增能。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定压力为0.2MPa至50MPa。

6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

将第一O型圈和第二O型圈定位在柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，所述接合部的区域位于所述第一O型圈与所述第二O型圈之间；以及

通过朝向所述第一O型圈与所述第二O型圈之间的所述区域延伸的端口使所述区域增压至0.2MPa的预定压力。

7.一种用于确保柔性管的密封结构的完整性的组件，包括：

第一环状密封元件和第二环状密封元件，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件位于柔性管的两个元件之间的接合部中，其中，所述接合部的区域位于所述第一环状密封元件与所述第二环状密封元件之间；以及

端口，所述端口朝向所述第一环状密封元件与所述第二环状密封元件之间的区域延伸以用于对所述第一环状密封元件与所述第二环状密封元件之间的所述区域增压，

其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件为具有包括楔状部的横截面的密封环，并且其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件在相同的轴向方向上取向，使得所述楔状部背向端部配件组件的端部配件本体。

8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述第一环状密封元件和所述第二环状密封元件被挤压就位。