CN107289204A - 阵列型预变形双层机械管及其衬里管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列型预变形双层机械管及其外管和衬里管。衬里管的外壁紧贴外管内壁，且衬里管的外壁和外管的内壁之间具有多处不贴合的塑性变形。塑性变形设置于衬里管的表面，且朝向衬里管的中心向下凹陷，塑性变形的位置为衬里管的临界缺陷位置，临界缺陷为周期性设置的人工缺陷。本发明的阵列型预变形双层机械管及其衬里管通过人为地设置多个周期性、规则性排列的临界缺陷，改变了内管和外管的接触结构，从而避免衬里层随机产生的无规律的缺陷。

Description

阵列型预变形双层机械管及其衬里管

技术领域

本发明涉及一种双层管道及其衬里管，更具体地说，涉及一种阵列型预变形双层机械管及其衬里管。

背景技术

在石油行业中使用的防腐管道，外管和衬里管都是金属材料。这是一种双金属衬里管，英文是MECHANICALLY LINED PIPE，缩写为MLP，本专利翻译成机械管。这种机械管是在承载管的里面套一个薄的防腐合金衬里层，从而复合成双金属管。传统机械管的金属衬里存在一个技术瓶颈，就是当机械管承受弯曲载荷时，金属衬里层容易从外管失稳脱落。

由于各种原因(比如上述的防腐)所需要的双材料层机械复合产品，其中里面较薄的一层是衬里层。外层和里层通过机械复合来一体成型。机械复合是一种物理层面上(比如通过压力)的结合，没有金相层面上原子间的结合。这种双材料层机械复合产品适用于各种各样的结构，包括箱体、圆柱体或者球体等任何形状的结构。

双材料层机械复合产品的内外层需要采用不同的材料，从而内外层各自起到各自的作用，比如在防腐管道里，外管是高强钢起到承载的作用，内衬里层是合金起到防腐的作用。双材料层机械复合产品的内外层通常采用价格不同的材质。比如前面提到的防腐管道，外管材料是价格相对便宜的普通高强钢，而里层金属衬里层是价格昂贵的合金层。通过设计使用较薄的金属衬里层，从而起到节省成本的目的。

到目前为止，衬里层是纯粹的圆管，采用和外管一模一样的形状，其出发点是使双材料层管的二个管尽最大努力成为一个管，如果变形则共同变形。

为了达到这个目的，在制造双材料层机械复合产品时，目前工艺通常需要预先在内外管结合面预先打磨光滑，确保在内外管之间不留任何缝隙，从而使内外管成为一个整体。

但是这种纯粹圆管衬里实际上很难达到不留任何缝隙的要求。无论加工精度如何高，内外材料层实际上都不可能加工成纯粹的圆柱形，即内外管之间存在″几何缺陷″，而且缺陷往往出现在不同的地方。这种微小的差别，导致传统双材料层机械复合产品的衬里层在受弯曲时，比如石油行业中的管道经过卷筒安装时，衬里层(内管)从外管失稳脱离，而脱落处即为″缺陷″所在的位置。

这种传统机械管技术存在严重工艺缺陷，因为光洁度是很难保证的，只有在理论上才有可能。只要在内管外表面或者外管内表面有微小缺陷，机械管难免会失稳。

面对失稳脱落问题，流行的解决方法是增加衬里层的厚度，将纯粹圆管衬里层按抗弯曲失稳需要而不断增加壁厚。但这和双材料层机械复合产品的本意是为了节省成本的出发点相悖。

发明内容

针对现有技术中存在的双层管的″缺陷″处极易发生脱落的问题，本发明的目的是提供一种阵列型预变形双层机械管及其衬里管。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阵列型预变形双层机械管，包括外管和衬里管。衬里管的外壁紧贴外管内壁，且衬里管的外壁和外管的内壁之间具有多处不贴合的塑性变形。

根据本发明的一实施例，塑性变形设置于衬里管的表面，且朝向衬里管的中心向下凹陷，塑性变形的位置为衬里管的临界缺陷位置，临界缺陷为周期性设置的人工缺陷。

根据本发明的一实施例，临界缺陷位置为：W_o(x，θ)＝W_ocr·f_ox(x)·f_oθ(θ)，其中：W_o为临界缺陷，是轴向x坐标和周向θ坐标的函数，其中f_ox(x)为轴向函数，L是管道长度，m_o是轴向半正弦波个数，a是指数；f_oθ(θ)为周向函数，n_o是周向半正弦波个数，b是指数；W_ocr为临界缺陷值，当a＝b＝2时，临界缺陷值为k1、k2和k3为按工况确定的常数，R_L为衬里半径，L为管道长度。

根据本发明的一实施例，外管和衬里管均为金属材料。

根据本发明的一实施例，塑性变形的位置为规则排列的阵列形状。

根据本发明的一实施例，每一个塑性变形处均设有加强筋。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阵列型预变形衬里管，衬里管的表面具有多个塑性变形，塑性变形设置于衬里管的表面，且朝向衬里管的中心向下凹陷，塑性变形的位置为衬里管的临界缺陷位置，临界缺陷为周期性设置的人工缺陷。

根据本发明的一实施例，临界缺陷位置为：W_o(x，θ)＝W_ocr·f_ox(x)·f_oθ(θ)，其中：W_o为临界缺陷，是轴向x坐标和周向θ坐标的函数，其中f_ox(x)为轴向函数，L是管道长度，m_o是轴向半正弦波个数，a是指数；f_oθ(θ)为周向函数，n_o是周向半正弦波个数，b是指数；W_ocr为临界缺陷值，当a＝b＝2时，临界缺陷值为k1、k2和k3为按工况确定的常数，R_L为衬里半径，L为管道长度。

根据本发明的一实施例，塑性变形的位置为规则排列的阵列形状。

根据本发明的一实施例，外管的强度大于衬里管的强度。

在上述技术方案中，本发明的阵列型预变形双层机械管及其衬里管通过人为地设置多个周期性、规则性排列的临界缺陷，改变了内管和外管的接触结构，从而避免衬里层随机产生的无规律的缺陷。

附图说明

图1是现有的衬里层的结构示意图；

图2是本发明衬里层的结构示意图；

图3是预变形轴向阵列示意图；

图4是预变形周向阵列示意图；

图5是本发明阵列型预变形衬里预制方法的流程图；

图6A～6C是加强筋的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明公开了一种特别类型的新型衬里层、应用该衬里层的双层管、以及该双层管的制造方法(预制方法及其配合的加强筋)。本发明的核心是衬里层，其中文名全称是阵列型预变形衬里层，英文名称全称是Grid-Lined Pre-Dimpled Liner，缩写为GPL，这是一种预加了阵列型变形的衬里层，比如预先加工了在轴向和周向同时按一定规律排列的微小凹凸变形的非纯粹圆柱型衬里层。

如图1和图2所示，是用网格表示的一截圆管衬里的示意图，外管没有画出，其中图1是纯粹的圆管，图2是人为地在纯粹圆管表面经过特别处理从而形成了预应变后的衬里。

阵型预变形衬里的理论基础是临界缺陷。

在理论上，纯粹圆管衬里可以承受无限大的弯曲载荷而保持圆管状态不变。但是纯粹圆管是不可能的，因为无论什么样的加工工艺，都难免会留下几何缺陷。几何缺陷的大小决定衬里的承载能力。当实际几何缺陷小于临界缺陷时，衬里具有无限高的抗弯曲能力；而当几何缺陷大于临界缺陷时，衬里将随着弯曲载荷的增加而逐渐丧失抗弯曲能力。

阵型预变形衬里层的定义是：施加了临界缺陷的衬里层。

预变形衬里所施加预变形的目的是通过人为地施加临界缺陷从而避免衬里层的随机产生的无规律的缺陷。临界缺陷是一个衬里管的一种最优化选择，其抗弯曲能力最大。

因此，如图2所示，本发明的阵列型预变形双层机械管，包括外管1和衬里管2。衬里管2的外壁紧贴外管1的内壁，且衬里管2的外壁和外管1的内壁之间具有多处不贴合的塑性变形。塑性变形设置于衬里管2的表面，且朝向衬里管2的中心向下凹陷，塑性变形的位置为衬里管2的临界缺陷3位置，临界缺陷3为周期性设置的人工缺陷。

进一步地，如图2所示，塑性变形的位置为规则排列的阵列形状，并且在每一个塑性变形处均可以设有加强筋4。此外，外管1和衬里管2均为金属材料，外管1的强度大于衬里管2的强度。

具体来说，临界缺陷3分布于衬里表面，其缺陷大小随轴向和周向变化，即：

W_o(x，θ)＝W_ocr·f_ox(x)·f_oθ(θ) (1)

式(1)中：

W_o为临界缺陷，是轴向x坐标和周向θ坐标的函数

f_ox(x)为轴向函数

f_oθ(θ)为周向函数

W_ocr为临界缺陷值

轴向和周向函数取决于具体衬里的工况，一种近似计算方法是把轴向函数简化为：

式(2)中，L是管道长度，m_o是轴向半正弦波个数，a是指数。

同时可以把周向函数简化为：

式(3)中，n_o是周向半正弦波个数，b是指数。

一旦轴向和周向函数确定，临界缺陷值就可以根据能量法求得，当a＝b＝2时，临界缺陷值可以表达为：

式(4)中，k1、k2和k3为按工况确定的常数，R_L为衬里半径，L为管道长度。

上述计算临界缺陷的方法还可以扩展为如下算法：

阵列型预变形的个数，通常用m₀，n₀来表达。

如图3中m₀＝8，图4中n₀＝16。具体m₀和n₀的大小取决于内外管1和2的材料、直径和壁厚等参数，而且需要根据实际工况决通过分析计算决定。

预变形在理论上可以用展开的正弦波比如和来表达。

每一个预变形都很细小，是一种在衬里管2径向的微凹凸(可以比喻成日程生活中常见的酒窝或者涟漪)，从而不影响管道的机械功能。预变形的大小用W_ocr来表达：

式(5)中：μ₂和μ₃分别是：

式(6)中：

α_L2＝α_Lθ+να_Lx (9)

α_P2＝α_Pθ+να_Px (10)

C_{woδw_b}＝π (14)

在式(6)到式(14)中t_L、t_P分别是衬里管2和外管1的壁厚，R_Li、R_Lo和R_L分别是衬里管2的内半径、外半径和中线半径，R_PO是外管1的外径，R_r和β可以分别取值1000R_L和0.001，α_Lx、α_Lθ、α_PX和α_Pθ分别是衬里管2和外管1在轴向和周向的热膨胀系数，ν是泊松比。

以一截0.3m长度海底管道为例，承受高温高压，其参数在表一和表二中给出：

表一：管道参数

表二：热膨胀系数

此工况下的预变形在周向和轴向按规律排列，如表三所示：

表三：预变形阵列安排

mo	no	wocr(mm)
			7	25	0.1

对于本发明外管1和衬里管2的双层管结构，其在制作工艺上有两种不同的方式。其一是分别制作外管1和衬里管2，另外一种方法是采用阵列型预变形衬里预制方法，如图5所示，主要包括以下步骤：

S1：根据外管1的形状和尺寸，制作与外管1相匹配的衬里管2的预制件。

S2：在预制件的外表面上计算多个预变形位置，预变形位置即为预制件的临界缺陷3位置，临界缺陷3为周期性设置的人工缺陷。

S3：将预制件插入外管1之中，具体来说可以分为以下2个子步骤：

S3.1：在计算出的预变形位置设置加强筋4。

S3.2：将带有加强筋4的预制件插入外管1之中。

S4：在管内施加内压，使得预制件与外管1成为一体，且预制件在预变形位置的周边产生微小的塑性变形。

在上述步骤中，计算临界缺陷3的方法如前所述，这里不再赘述。

此外，在双层管的结构及预制方法中均会用到加强筋4，如图6A-6C所示，加强筋4为规则形状部件，按一定规则排列设置于衬里预制件的外表面，例如形成轴向或周向的阵列排列。加强筋4的材料为高强钢，其强度大于或等于外管1的材料，其形状为立方体薄片或球体颗粒。

加强筋4可以有多种形态，既可以是按一定规则离散分布的部件，也可以是连续规则分布的部件。

图6A和6B所示的加强筋4是规则离散分布的，图6A所示的加强筋4为立方体，而图6B所示的加强筋4为″十″字形，也可以是″一″字形的或者″|″字形的。图6C所示的加强筋4是连续分布的，相当于把图6B的十字形的每条边分别延长，并且相邻的加强筋4之间相互连接形成网络状的加强筋4，从而实现连续分布的规则排列。

综上所述，机械管的内管外表面或者外管内表面的缺陷小于临界缺陷时，机械管在理论上永远不会失稳脱落。机械管道临界缺陷非常小，在几百丝的范围内。根据本发明的临界缺陷理论，传统机械管在工艺上根本无法在允许的制造成本内控制制造精度来满足临界缺陷的要求。

因此，与其提高工艺来确保表面的光洁度来防止衬里层失稳脱落，不如按临界缺陷来引入缺陷，使得内衬层到处能够微小失稳脱落，从而防止局部失稳脱落。

传统机械管需要的内衬厚度随着对弯曲要求提高而增加厚度，而本发明的双层管的衬里厚度甚至只需要1mm厚度，或者使用加工工艺所需要的最小厚度。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种阵列型预变形双层机械管，其特征在于，包括：

外管和衬里管；

所述衬里管的外壁紧贴外管内壁，且所述衬里管的外壁和所述外管的内壁之间具有多处不贴合的塑性变形。

2.如权利要求1所述的阵列型预变形双层机械管，其特征在于，所述塑性变形设置于衬里管的表面，且朝向衬里管的中心向下凹陷，所述塑性变形的位置为衬里管的临界缺陷位置，所述临界缺陷为周期性设置的人工缺陷。

3.如权利要求2所述的阵列型预变形双层机械管，其特征在于，所述临界缺陷位置为：

W_o(x，θ)＝W_ocr·f_ox(x)·f_oθ(θ)，其中：

W_o为临界缺陷，是轴向x坐标和周向θ坐标的函数，其中

f_ox(x)为轴向函数，L是管道长度，m_o是轴向半正弦波个数，a是指数；

f_oθ(θ)为周向函数，n_o是周向半正弦波个数，b是指数；

W_ocr为临界缺陷值，当a＝b＝2时，临界缺陷值为

k1、k2和k3为按工况确定的常数，R_L为衬里半径，L为管道长度。

4.如权利要求1所述的阵列型预变形双层机械管，其特征在于，所述外管和衬里管均为金属材料。

5.如权利要求1所述的阵列型预变形双层机械管，其特征在于，所述塑性变形的位置为规则排列的阵列形状。

6.如权利要求5所述的阵列型预变形双层机械管，其特征在于，每一个所述塑性变形处均设有加强筋。

7.一种阵列型预变形衬里管，其特征在于，所述衬里管的表面具有多个塑性变形，所述塑性变形设置于衬里管的表面，且朝向衬里管的中心向下凹陷，所述塑性变形的位置为衬里管的临界缺陷位置，所述临界缺陷为周期性设置的人工缺陷。

8.如权利要求7所述的阵列型预变形衬里管，其特征在于，所述临界缺陷位置为：

W_o(x，θ)＝W_ocr·f_ox(x)·f_oθ(θ)，其中：

W_o为临界缺陷，是轴向x坐标和周向θ坐标的函数，其中

f_ox(x)为轴向函数，L是管道长度，m_o是轴向半正弦波个数，a是指数；

f_oθ(θ)为周向函数，n_o是周向半正弦波个数，b是指数；

W_ocr为临界缺陷值，当a＝b＝2时，临界缺陷值为

k1、k2和k3为按工况确定的常数，R_L为衬里半径，L为管道长度。

9.如权利要求7所述的阵列型预变形衬里管，其特征在于，所述塑性变形的位置为规则排列的阵列形状。

10.如权利要求7所述的阵列型预变形衬里管，其特征在于，所述外管的强度大于所述衬里管的强度。