CN106163680A - 大口径管配置组件和用于制造大口径管配置组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于管线的大口径管配置组件(1)，其包括：具有第一外径和第一壁厚的第一管段(2)和具有第二外径和第二壁厚的第二管段(3)。在此，第一外径和第一壁厚分别大于第二外径和第二壁厚，所述第一管段(2)与所述第二管段(3)在过渡区域(5)中相互连接、特别是焊接，并且所述第一管段(2)和所述第二管段(3)以及过渡区域(5)设有不间断的和均匀的、多层的外部涂层(10)，该外部涂层包括不间断的、均匀的熔结环氧(FBE)内层(11)和不间断的、均匀的聚烯烃外层(12)。此外，本发明涉及用于制造这样的大口径管配置组件(1)的方法。

Description

大口径管配置组件和用于制造大口径管配置组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于管线的大口径管配置组件以及一种用于制造这样的大口径管线的方法。
背景技术
大口径管一般用作支承结构元件(用于风力发电设备的塔架)或用作管道领域的引导介质的构件。它们则例如用作输水管线管、输气管线管或输油管线管。
为了制造管线通常使用统一的管件(长度约6至12m，直径约300至2200mm，壁厚约8至40mm)。为此通常使用有机涂层的钢管件，这些钢管件设有外部涂层并且在必要时还设有内涂层。管端通常是裸露的并且在现场相互焊接和接着进行补充涂层。
在海底铺设的输气管线的情况中，为了在铺设中(和在必要时也在运行中)以有规律的间距地支撑管线抵抗由周围的水施加在该管线上的外部过压，需要具有不同外径/壁厚的大口径管。
所谓的止屈器管用作支座，这些止屈器管由多个在内径相同的同时具有不同外径的管件构成。这样的止屈器管通常具有约12m的长度并且例如分别包括三个约4m长的部段。在此，中间的部段具有扩大的外径，该外径由增加的、加固的壁厚造成。这个壁厚增加的区域比管件或管线的其余区域具有高得多的抵抗外部压力负荷(Aussendruckbelastung)(外部过压)的抗力。它起到用于确定的管线长度的支撑元件的作用，该管线长度由多个具有正常(较小)壁厚的管段制作而成。根据水深和那里存在的压力每隔500m至1500m需要这样的止屈器管。
用于管线的管道段是预制的并且除了端部之外在工厂中完全被涂层。作为涂层，3层聚烯烃(聚乙烯或聚丙烯)涂层(参见ISO 21809-1)是普遍的。
为了准备涂层，首先对管进行清洁、喷射除锈和除尘。接着为管表面涂熔结环氧(FBE)底漆。为此将包括多种成份的粉末状环氧树脂混合物涂敷到经加温的管(150℃至250℃)上。在此，环氧树脂成份逐渐变为熔体，它们在该熔体中混合、相互以所期望的方式起反应，在所谓的凝胶时间(约5至40s)后凝固并最后硬化。
熔结环氧底漆的通常层厚为约80μm至250μm且最多为450μm。接着将粘合剂涂敷到熔结环氧层上，该粘合剂用作用于最后涂敷的聚烯烃层的增附剂。在熔结环氧层尤其是用作用于管外表面的密封防腐的同时，粘合剂中间层履行用于聚烯烃外层的增附的任务，该聚烯烃外层在相应层厚的情况下用作抵御环境影响的屏障并且用作对管线的机械保护。为了海底铺设的、基础为多岩的或多石的管线，根据聚烯烃质量，总层厚在约3.5mm至4.7mm之间。
这样的设有聚烯烃覆盖层的钢管具有涂层的高的动态断裂韧性，因而它们既在运行中(即在铺设好的状态中)也在铺设期间得到保护抵御外部的机械损害(参见例如EP1401936B1)。还由EP2399058公知了另外的涂层系统，在该专利文献中为管设置聚酰胺层，该聚酰胺层例如设计为陶瓷层上的外层或具有设置在其间的增附剂的聚烯烃层上的外层。
对涂层的质量起决定性作用的是内层的、即熔结环氧底漆的质量，其必须直接涂敷到经过加温的管外表面上。在众所周知的涂层方法中，为此借助比较紧密地围绕管子延伸的感应线圈对需涂层的区域(一个管段)进行加温。在此将管或者说管段直线地沿着其轴线引导穿过感应线圈，该感应线圈局部地在钢材中产生涡流，这些涡流根据电阻在线圈的区域中局部地对管进行加温。经过加温的管段从线圈中出来，在那里然后借助喷嘴将环氧树脂材料涂敷到经过加温的管表面上，在那里然后由热量决定地进行熔化过程、混合过程和熔化过程。对于无瑕疵的涂层来说，管子中或需涂层的管段中的非常精确而有规律的热量控制是必要的。
在所谓的包括不同厚度的管段的止屈器管的情况中，分别对不同厚度的各个管段分离地进行涂层，接着将其相互焊接并且然后在过渡区域(也是焊缝区域)中拼合之后进行补充涂层。这种方法成本比较高而昂贵并且不能完全均匀地与已经存在的管涂层连接的补充涂层的质量可能在它们的质量方面出现问题。
然而利用众所周知的连续式方法(Durchlaufverfahren)和连续装置(感应线圈、环形喷嘴)不能实现止屈器管的不间断的均匀涂层。在局部加温的情况中、特别是在具有较小外径与较大外径(或者小的或大的壁厚)的区段之间的过渡区域中不能实现均匀的热量控制。在感应加温的情况中，由于在工件与感应线圈之间的不同的间隙尺寸，在这个区域中引入管内的能量波动很大。因此在这个区域中不能实现牢固的熔结环氧涂层。
因此海底铺设管线所需的止屈器管的制造、特别是还在涂层方面成本高而昂贵。此外，由于过渡区域的必要的补充涂层，即使在能够以完整地由三个区段预制并且在工厂条件下完整地预先涂层的状态在铺设位置提供止屈器管的情况下，在过渡区域的涂层质量有可能受到限制。按照传统方式制作的止屈器管在过渡区域中会更易受腐蚀，因为这里不得不使用不同的涂层系统并且因此只能有限地实现各涂层系统与管本身的最佳粘着以及相互之间的最佳粘附。
发明内容
因此的目的是：提供一种特别是在涂层方面改进的用于管线的大口径管配置组件、特别是如下的管配置组件，在这些管配置组件中能够共同对不同直径或壁厚的管段进行加工并以最佳的质量对其进行涂层。
如权利要求1所述的大口径管配置组件以及如权利要求8所述的用于制造大口径管配置组件的方法实现了这个目的。
根据本发明的大口径管配置组件包括具有第一外径和第一壁厚的第一管段和具有第二外径和第二壁厚的第二管段。在此，第一外径和第一壁厚大于第二外径和第二壁厚。两个管段(第一管段和第二管段)在过渡区域中相互连接、特别是焊接并且设有涂层，该涂层的出众之处在于：第一管段和第二管段以及过渡区域设置有不间断的和均匀的、多层的外部涂层，该外部涂层包括不间断的、均匀的熔结环氧(FBE)内层和不间断的、均匀的聚烯烃外层。通过这种方式确保：所有管段和过渡区域连续地具有涂层，该涂层具有牢固特性。
不间断的或连续的在此意味着：在一个持续的过程中将涂层涂覆到第一管段和第二管段以及过渡区域上。均匀的在此意味着：层中的每一个层既沿着纵方向(轴向)也沿着周向具有均匀的材料结构而在成份、特性和质量方面没有明显区别。
这样的大口径管配置组件在它的成本和它的涂层质量方面优于众所周知的大口径管配置组件。
具有如下的设计方案，在这些设计方案中，(具有较大外径和较大壁厚的)第一管段设置在两个具有较小外径和较小壁厚的(第二)管段之间并且与这些第二管段连接。这样一个配置组件也称为止屈器管并且分别特别适合于以它的具有标准尺寸的端部区段集成到一个管线中，该管线包括具有较小直径和较小壁厚的管。
在一种设计方案中，在此将熔结环氧内层在一个工序中涂覆到第一管段和第二管段以及过渡区域上。通过如下方式实现对此必要的温度控制(在较小壁厚与较大壁厚的区段之间的过渡区域中相同的温度)，即，第一管段和第二管段以及过渡区域为了准备涂层而在炉子、特别是空气循环加热炉中被加热到190℃至250℃之间、优选230℃的统一的、提高的涂层温度。使用相应确定尺寸的和相应设计的炉子确保：当在所有区域中以及特别是在过渡区域中涂敷熔结环氧内层时可以保障均匀的温度变化过程和因此均匀的和不间断的涂层。
在本发明的另一种构造中，在第一工序和第二工序中涂覆聚烯烃外层作为均匀的、不间断的层，其中，第一工序包括将聚烯烃粉末利用静电喷绒法(在凝胶时间内)置入到熔化的熔结环氧内层中，而第二工序包括将聚烯烃粉末利用火焰喷涂法涂覆到加有聚烯烃的熔结环氧内层上。通过将聚烯烃粉末涂覆或置入到熔化的熔结环氧内层中确保：可以保障在熔结环氧内层与聚烯烃外层之间的非常均匀的连接。熔化的熔结环氧内层的概念在此表示刚刚涂覆到经过加温的管上的、依然处于它的所谓的凝胶状态中的熔结环氧熔体。在凝胶状态中进行不可逆的混合过程和聚合过程，熔结环氧涂层在熔化到经加热的并且从炉子中出来之后冷却的管上之后经过这些过程。
在第二工序中，利用火焰喷涂法将聚烯烃粉末涂覆到熔结环氧内层上。在此一方面将聚烯烃粉末在熔化状态中涂敷到熔结环氧内层上并且同时影响对这个具有位于其内的聚烯烃成份的熔结环氧内层的冷却过程，因而可以实现在内层与聚烯烃外层之间的紧密的连接。
在另一种设计方案中通过如下方式使涂层和特别是聚烯烃外层聚合，即，将整个大口径管配置组件冷却到50℃至70℃、特别是60℃的温度。这特别是在水池中进行。
具有如下的设计方案，在这些设计方案中利用层厚为80至450μm的熔结环氧内层和层厚为3.5至4.7mm的聚烯烃外层涂敷大口径管配置组件。
在另一种设计方案中，聚烯烃外层含有聚丙烯(PP)材料。聚丙烯材料在它们的机械特性(冲击韧性)、它们的化学稳定性(耐海水)和它们的温度特性方面特别好地适合于在海底铺设的管线中使用。
根据本发明的用于制造这样的大口径管配置组件的方法包括步骤：
－准备大口径管配置组件，其包括具有第一外径和第一壁厚的第一管段和具有第二外径和第二壁厚的第二管段，其中，第一外径和第一壁厚分别大于第二外径和第二壁厚，并且第一管段与第二管段在过渡区域中相互连接、特别是焊接。
－在炉子、特别是空气循环加热炉中将整个大口径管配置组件加温到在190℃至280℃之间的、优选260℃的加工以及热处理温度上。
－将不间断的、均匀的熔结环氧(FBE)内层涂覆到大口径管配置组件上。
－作为可选，在涂覆熔结环氧内层之后不接触地(例如借助高温计)检测大口径管配置组件的温度并且将其用于过程控制。为此与钢表面不同，熔结环氧表面具有恒定不变的辐射率。
特别是对钢表面温度的热监视在这些壁厚不同的管中具有特别的意义。这通过相应地建立和使用测量技术来实现。特别是测量技术的运用以及测定的测量数据的阐明与这种方法相匹配。
在此处说明的方法中的温度变化过程和由此得出的钢温度以及钢表面温度除了调节涂层所需的温度窗口之外还能够实现对真正的钢的受控的热处理。这可以通过使用的炉技术以及温度控制展现出来并且对于所谓的止屈器管的可用性来说是必要的(抗断裂性(Kollapsbestaendigkeit))。
－将不间断的、均匀的聚烯烃外层涂覆到熔结环氧(FBE)内层上，
－通过在淬火处理中、特别是在水池中将大口径管配置组件冷却到50°至70℃、特别是60℃的温度使聚烯烃外层聚合/结晶。
在本方法的一种设计方案中，不间断的、均匀的熔结环氧(FBE)内层的涂覆包括：
－沿着管纵轴线输送大口径管配置组件，围绕管纵轴线旋转大口径管配置组件，和
－沿着螺旋线将环氧树脂材料(例如出自固定的涂层装置的粉末)涂覆到经过加温的大口径管配置组件上。
由此确保：将沿着周向和纵方向均匀延伸的熔结环氧内层涂覆到管表面上。
在本方法的另一种设计方案中，不间断的、均匀的聚烯烃外层的涂覆包括：
沿着管纵轴线输送大口径管配置组件，围绕管纵轴线旋转大口径管配置组件，
－利用例如静电喷绒法(作为替换还有静电法)将聚烯烃材料从固定的涂层装置中特别是沿着螺旋线置入到熔化的熔结环氧内层中，和/或
－利用火焰喷涂法沿着螺旋线将聚烯烃材料涂覆到熔结环氧内层上并且使聚烯烃外层聚合。
在这种方法变型中保障：涂覆不间断的、均匀的聚烯烃外层，该聚烯烃外层通过两个依次的工艺步骤(静电喷绒法和火焰喷涂法)实现聚烯烃外层与熔结环氧内层的紧密连接并且能够构成在聚烯烃外层的所期望的层厚中。
具有根据本发明的大口径管配置组件的管线或者具有根据本发明的方法制造的大口径管配置组件的管线与传统的管线相比在止屈器管段中的涂层质量方面提供优点。
附图说明
下文参照附图对本发明的实施例加以阐述。其中：
图1示出根据本发明的大口径管配置组件；
图2示出图1的区域A的示意性剖视图；
图2a示出根据本发明的大口径管配置组件的替换设计方案的区域A的示意性剖视图；
图3示出用于根据本发明的大口径管配置组件的涂层装置的示意图；
图4示出用于根据本发明的大口径管配置组件的淬火装置的示意图；
图5示出根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出的是一个大口径管配置组件1，其包括设置在两个第二管段3之间的第一管段2。所示出的大口径管配置组件1是一个所谓的止屈器管，该止屈器管用于在海底铺设的管线中支撑抵抗外部压力。这样的止屈器管1的典型尺寸例如如下：
总长度：12m，
每个管段的长度：4m，
第一管段和第二管段的内径：762mm，
第二管段的壁厚：39mm，
第一管段的壁厚：74mm。
图2示出的是图1的细部A的示意性剖视图。第一管段2在与第二管段3的过渡区域5中借助焊缝4与所述第二管段3连接。
图2a示出的是一种替换的设计方案。过渡区域5在此包括持续的、机械加工的、变细的过渡区域8a(在此为截锥形的)，该过渡区域转入到一个管状的连接区域8b中并且经由焊缝4与第二管段3连接。连接区域8b和第二管段3具有相同的几何形状。
为了防护不受外部影响，大口径管配置组件1在它的外表面上具有不间断的、均匀的、多层的外部涂层10，该外部涂层包括同样不间断的和均匀的熔结环氧(FBE)内层11(FBE层)和不间断的、均匀的聚烯烃外层12(例如PP层(聚丙烯层))。这个聚烯烃外层12基本上由聚丙烯材料构成。
熔结环氧层具有200μm至250μm的层厚，聚丙烯层12具有3250μm至4500μm的层厚。外部涂层10的两个层11和12分别和共同构成一个连续的、均匀的层，该层既沿着周向也沿着纵方向(沿着管轴线7)将管外表面6完全覆盖。这既适用于各管段的周面也适用于第一管段2的自由端面8以及过渡区域5。作为可选，大口径管配置组件1的内表面9具有内部涂层13。
借助图3、4和5进一步说明涂层方法。准备大口径管配置组件1(S001)和将其首先在热风炉20中加温到190℃至250℃、特别是230℃的温度(S002)。炉子20为此设计为它能够容纳整个大口径管配置组件1或者其中至少一个主要区段，使得在通过炉子20时对第一管段2、第二管段3和过渡区域加温，使得它们具有后续的涂层所需的均匀的温度变化过程。
大口径管配置组件1沿着箭头方向(箭头21，S031)离开炉子20并且同时围绕管轴线7旋转(箭头22，S032)和经过第一涂层装置23，该第一涂层装置沿着一条螺旋线不间断地、均匀地和有规律地将环氧树脂材料涂敷到经过加温的大口径管配置组件1的管外表面6上(S033)。环氧树脂材料24以粉末状涂敷并且在经过加温的管外表面6上(通过大口径管配置组件1的固有热)熔化并且在那里构成不间断的、均匀的层，该层紧密且密封地与管外表面6的表面轮廓连接(S003)。
同样通过特殊的方法来实施对涂层前准确的钢表面温度的测定和证明。集成在涂层段(Beschichtungsstrecke)中的激光高温计29特别是(在熔结环氧内层11上的)熔结环氧涂层之后不接触地经由辐射30来测量大口径管配置组件1的温度(S034)。作为替换或补充，也可以(在聚烯烃外层12上的)聚烯烃涂层之后测量所述温度(S045)。
通过这种方式的精确的温度测量得到改善，因为大口径管配置组件1(所谓的止屈器管)的未涂层的表面段(例如由于不同的机械加工和热处理)会具有不同的表面辐射率，这些表面辐射率会局部地使直接在钢表面上的测量歪曲。通过通常的方法在测量技术方面不能检测不同的辐射率，因为通常将红外线高温计校准在钢表面的仅仅一个确定的然而可能剧烈波动的辐射率上。
由于经过(预)涂层的表面段的辐射率是恒定不变的，因此能够在涂层过程期间进行对大口径管配置组件1的充分精确的、不接触的温度测量并且允许精确地控制涂层过程。
接着涂覆聚烯烃外层(12)(S004)。在此，大口径管配置组件沿着输送轴线通过(S041)并且第二涂层装置25旋转(S042)，该第二涂层装置利用静电喷绒法将聚烯烃粉末、特别是丙烯粉末添加到依然处于凝胶相中的环氧树脂层的表面中。使得聚烯烃材料26进入粉末状或绒状(S043)。
最后，在经过第三涂层装置27时利用火焰喷涂法将聚烯烃外层涂敷到熔结环氧层11上(S045)。火焰喷涂法用于在涂层前使聚烯烃材料26a熔化。聚烯烃外层12在此经由熔化在熔结环氧层11中的聚丙烯绒26特别紧密地与这些聚丙烯绒连接。
为了加速外部涂层的、特别是聚烯烃层12的聚合/晶化，最后在一个水槽28中对大口径管配置组件1进行冷却(到约60℃的继续加工温度)(S005)。经过这个冷却处理，外部涂层10部分硬化并且因此对于后续的继续加工或者对于运输来说直到它约24小时后完全硬化为止对外部损害相对不敏感。
在涂层装置23、25、27中，要么自动化地要么手动地或者部分机械化地涂敷环氧树脂材料24或聚丙烯绒26和聚丙烯滴26a。如下地调节组合地实现大口径管配置组件的所期望的螺旋式运动的输送速度和旋转速度(方向21和22)，即，实现均匀的、不间断的层结构。
对于专业人员来说在后续的权利要求的范畴中获得本发明的其它变型。
附图标记
1 大口径管配置组件
2 第一管段
3 第二管段
4 焊缝
5 过渡区域
6 管外表面
7 管轴线
8 端面
8a 过渡区域
8b 连接区域
9 内表面
10 外部涂层
11 熔结环氧(内)层
12 聚烯烃(外)层
13 内部涂层
20 炉子
21 箭头
22 箭头
23 第一涂层装置
24 环氧树脂材料
25 第二涂层装置
26 聚丙烯绒
26a 聚丙烯滴
27 第三涂层装置
28 水槽
29 激光高温计
30 辐射

Claims (12)

1.用于管线的大口径管配置组件(1)，其包括：
具有第一外径和第一壁厚的第一管段(2)和具有第二外径和第二壁厚的第二管段(3)，其中
第一外径和第一壁厚分别大于第二外径和第二壁厚，
所述第一管段(2)与所述第二管段(3)在过渡区域(5)中相互连接、特别是焊接，并且
所述第一管段(2)和所述第二管段(3)以及过渡区域(5)设有不间断的和均匀的、多层的外部涂层(10)，该外部涂层包括不间断的、均匀的熔结环氧内层(11)和不间断的、均匀的聚烯烃外层(12)。
2.如权利要求1所述的大口径管配置组件(1)、特别是止屈器管，在其中所述第一管段(2)设置在两个所述第二管段(3)之间并且与这些第二管段连接。
3.如权利要求1或2所述的大口径管配置组件(1)，其中，熔结环氧内层(11)在一个工序中被涂覆到所述第一管段(2)和所述第二管段(3)以及过渡区域(5)上，其中，所述第一管段(2)和所述第二管段(3)以及过渡区域(5)为了涂层而在炉子(20)、特别是空气循环加热炉中被加热到在190℃至250℃之间、优选230℃的统一的、提高的涂层温度。
4.如权利要求1、2或3所述的大口径管配置组件(1)，其中，聚烯烃外层(2)在第一和第二工序中被涂覆，其中，
第一工序包括利用静电喷绒法将聚烯烃材料置入熔化的熔结环氧内层中，并且
第二工序包括利用火焰喷涂法将聚烯烃材料涂覆到熔结环氧内层上。
5.如权利要求1、2、3或4所述的大口径管配置组件(1)，其中，聚烯烃外层(12)通过淬火处理、特别是在水池(28)中聚合，并且大口径管配置组件(1)被冷却到50°至70℃、特别是60℃的温度。
6.如权利要求1、2、3或4所述的大口径管配置组件(1)，其中，熔结环氧内层(11)具有80μm至250μm的层厚，而聚烯烃外层(12)具有3250μm至4500μm的层厚。
7.如前述权利要求之任一项所述的大口径管配置组件(1)，其中，聚烯烃外层(12)具有聚丙烯(PP)材料。
8.用于制造大口径管配置组件(1)的方法，其包括：
-(S001)准备大口径管配置组件(1)，其包括具有第一外径和第一壁厚的第一管段(2)和具有第二外径和第二壁厚的第二管段(3)，其中，第一外径和第一壁厚分别大于第二外径和第二壁厚，并且第一管段与第二管段在过渡区域中相互连接、特别是焊接；
-(S002)在炉子(20)、特别是空气循环加热炉中将大口径管配置组件(1)加温到在190℃至250℃之间、优选230℃的加工温度；
-(S003)将不间断的、均匀的熔结环氧内层(11)涂覆到大口径管配置组件(1)上；
-(S004)将不间断的、均匀的聚烯烃外层(12)涂覆到熔结环氧内层(11)上；
-(S005)通过在淬火处理中、特别是在水池(28)中将大口径管配置组件(1)冷却到50°至70℃、特别是60℃的温度来使聚烯烃外层(12)聚合/晶化。
9.如权利要求8所述的方法，其中，(S003)即不间断的、均匀的熔结环氧内层(11)的涂覆包括：
-(S031)沿着管轴线(7)输送大口径管配置组件(1)，
-(S032)围绕管轴线(7)旋转大口径管配置组件，
-(S033)沿着螺旋线将环氧树脂材料(24)从第一涂层装置(23)涂覆到经过加温的大口径管配置组件(1)上。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中，(S004)即不间断的、均匀的聚烯烃外层(12)的涂覆包括：
-(S041)沿着管轴线(7)输送大口径管配置组件(1)，
-(S042)围绕管轴线(7)旋转大口径管配置组件(1)，
-(S043)利用静电喷绒法特别是沿着螺旋线将聚烯烃材料(26)从第二涂层装置(25)置入到熔化的熔结环氧内层(11)中，和/或
-(S044)利用火焰喷涂法沿着螺旋线将聚烯烃材料(26a)涂覆到熔结环氧内层(11)上。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，(S003)即不间断的、均匀的熔结环氧内层(11)的涂覆和/或(S004)即不间断的、均匀的聚烯烃外层(12)的涂覆包括：
-(S034；S045)在熔结环氧内层(11)和/或聚烯烃外层(12)上不接触地检测大口径管配置组件(1)的温度。
12.管线，其包括如权利要求1至7之任一项所述的大口径管配置组件(1)和/或包括根据如权利要求8至11之任一项所述的方法制造的大口径管配置组件(1)。
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