CN1073220C - 海底保温管道 - Google Patents

Abstract

适用于水中或水底的，由沥青组成(20)保温的，改进了的廉价的保温管道(10)或管道组件。

Description

海底保温管道

本发明涉及保温管道、利用沥青组分的管道保温材料，具体涉及较价廉的保温海底管道。

低温时，通过管道的流体会受到液体产物例如石油的高粘度和石蜡形成的阻滞，同时受到天然气之类产物中水合物形成的阻滞。这类问题可以通过采用保温管道减少，但是保温管道在陆地上的价格就很昂贵，而在海上尤其昂贵。对海底管道而言，为了减少对保温的需要而在产物中注入各种各样的化学试剂，这通常更会增加费用。但是新近，越来越多的石油和天然气是在更深、更冷的水中，从采用了减低粘度化合物而需用精致的管道将其送至井口的海底生产系统中生产出的。这一事实再加上保温管道的成本通常是随深度而增加的事实，就意味着保温管道在其它可供选择方法几乎无吸引力的地方就尤其昂贵。

保温的陆地管道已采用过种种保温材料，包括多孔软木、聚合物泡沫材料、硅酸钙和其它一些材料。海底保温管道多少要较为复杂；这是因为绝大多数保温材料在浸没时会为水浸润。某些保温材料虽包括有不透水的封闭格栅结构，但都有某种深度极限，到达这一极限，格栅式的结构就会破碎，大部分是在几百英尺的水下破坏。此外，绝大多数普通的保温材料对冲击、磨损或挤压的抵抗性很差，于是必须加上封套。要是水深超过保温材料的水压限度，则此封套必然会从水的静压头开始即与保温材料脱离。

要是将管道分段铺设，实际上就需将各个管段预先制造成独立的压力容器。由于耐压的套管硬到难以弯曲，一些用卷轴铺设的管道便装有结实的弹性材料或是以其它轻量材料充填和扩增的弹性材料构成的可弯曲外套。这类弹性材料的例子包括氯丁橡胶和EPDM橡胶(乙丙三元橡胶)、充填有玻璃微珠的EPDM和聚氨酯弹性材料，以及充填有软木的硬橡胶。除非是在对保温要求为极少的条件下，以上述方式使管道保温时的总费用甚至高于用耐压的封套来保护价廉保温材料的费用。

部分地是由于这方面的费用原因，管道的承包商越来越多地采用“控制深度牵引法”来铺设成束的一批小管道，将石油从水下的井口引至附近的平台。在这种方法中，是在岸上将加工好的一批小型管道置入较大的套管中，如图9所示。此套管33的大小可用作管道32的浮体。采用了改变镇重物的技术来保持上述束的总密度与水的密度非常接近，使得成束的套管在牵引到它的海面地点时能以其某一端悬浮在牵引索之间。一旦当它到达目的地时，便加上镇重物使其下沉到海床。这种镇重物必须重到足以使成束套管在存在优势的水流中稳定于海床上。这批管道沿海底受到相似的牵引，但在此也仔细地控制着重量以减少阻力。要是必须或是希望进行保温，则最好使这种镇重物具有低的热导率。这在过去已采用过胶凝的石油产物。也采用过膨润土、水和飞灰煤胞的浆状物。

由油漆和抗侵蚀涂层带来的热阻是很小的，因为这类涂层都很薄。沥青涂层曾普遍用作海底管道的抗侵蚀涂层。“涂覆和包绕”涂层则包括两或三层牛皮纸、毛毡或玻璃纤维织物，它们在由热的沥青或煤焦油沥青浸渍的同时裹绕到管道上，而这种沥青则是以粉碎的矿物填料例如飞灰、滑石粉、粉碎的石英粉或碳酸钙扩增的。上述涂层厚0.90至0.250英寸。“管道玛脂”则是指将沥青-混凝土挤压到管道上的较厚涂层。管道玛脂涂层包括碳酸盐、砂、碎石、玻璃纤维与沥青，厚1/2至3/4英寸。适才所述的这两类涂层中的填料减少了费用同时增大了粘度，但是这类填料的有效热导率则是纯沥青的5至10倍，因而它们显著地增加了这种混合料的热导率。玛脂涂层的热导率例如是纯沥青的3.5至4倍，“涂覆和包绕”涂层的热导率与织物包层有关而稍低些，但这种涂层较薄，同由于冲刷和水流使管道自然发生的“自埋”现象相比，能提供的保温值较低。由于织物层是由很薄的沥青层分开，像毛毡之类的多孔织物最终将会吸收水的。

用来描述最一般各类沥青的术语是不一致的。“沥青(As-phalt)”通常用来指石油沥青和砂的天然沉积物。当前所用的绝大多数沥青是由提纯了的石油沥青制成，这实质上是纯烃。它原先被称为“直馏沥青”，但有时即简称为“沥青(Asphalt)”。几乎在所有的工业应用中都重新引入了矿物填料以提高暖温下的尺寸稳定性。这样，沥青一词既可以指纯石油沥青，也可以指广义的沥青(烃类及其非金属衍生物的混合物中可溶于二硫化碳者)或是其它的土质材料。由于纯沥青通常只用作为其它一般沥青的制品中的组分，它的热导率在绝大多数的普通工程手册中并未列出。上述这类制品的热导率值是很广的，普通也只是作为一般沥青的值列出，例如，在许多石油勘探和生产工业的手册中，发表的是在油井中找到的沥青的热导率，这种沥青包括烃类和其它矿物。管道工业的种种报告给出了沥青的和煤焦油的热导率。事实上，纯沥青的热导率是所有这类固体材料中最低的。

业已知道，有种种聚合物改性剂能在保持沥青尺寸稳定的同时拓宽温度范围。一些是与沥青起化学反应所致或是在存在沥青时通过化学反应所致，而另一些则是具有可形成网络的或与沥青组分具有亲和性的第二种连续相。例如美国专利530675号公开说明了，含环氧化物的聚合物能够被促成进行提高抗变形性能力的反应。某些这类聚合物业已证明能通过与沥青形成连续相网络而提高了尺寸稳定性的，包括丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)橡胶、苯乙烯-乙烯/丁二烯-苯乙烯(SEBS)橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯、其它的嵌段共聚物、聚烯烃、聚氯丁橡胶，以及其它弹性材料。以上材料中的某些可以降低脆变温度和提高熔化温度。填料的作用是在所有温度下提高粘度，甚至在沥青熔点之上的温度下来提高粘度。高度充填的沥青具有玛脂的性能，甚至是当沥青本身为熔融液体时。填料同聚合物改性剂相结合能将软化点提高到超过它们各自单独时所能达到的水平。

某些聚合物改性剂例如是橡胶或聚烯烃类的粉碎粒料。这类材料的行为与作为第二种连续相相比可能更按近于填料，但却不同于矿物填料，它们的弹性性质还会提高沥青在低温时的柔软性。某些上述聚合化熔体当与熔融的沥青混合时，具有乳胶的性能而不起到连续相的作用。矿物填料通常是用来降低沥青成本和提高其尺寸稳定性，而不论它是否含有能与沥青起反应或形成网络的化合物或聚合物修饰剂。

还知道硫与碳黑也可提高沥青的软化点。

本发明的目的在于提供防水的保温组成料、廉价的保温管道、以及包括有能涂布上述组成的适当衬底的保温叠层结构。这种保温组成料显示出先有技术中用于保温海底管道上的已知橡胶或塑料保温材料的许多性质，但是它们的价格则远为便宜。这样的保温料具有两个基本特征：(1)它基本上根据的是煤焦油之类的沥青材料或是沥青；以及(2)对沥青的添加剂、填料或改性剂与纯沥青相比不会显著升高热导率。还可以采取措施来提高沥青组成料的尺寸稳定性和防止管道的运动。这种措施表现为一种机械式的约束件或是沥青本身的一种改性剂。在本说明书中，沥青组成料包括粒状填料，最好是聚合物纤维，或聚合物粒料，最好是聚烯烃粒料，或弹性粒料，最好是细碎的橡胶粒，或蜂窝式材料，最好是玻璃微球或飞灰煤胞，或者它们的组合。改性剂是指相对于沥青的而不是沥青本身的任何填加剂，包括与沥青起反应的材料、与沥青形成连续相网络的材料、或是最具惰性但与沥青本身相比则在管道的整个工作温度范围内更具尺寸稳定性的填料。连续相改性剂包括聚合物材料，最好是聚烯烃聚合物，最好是聚丙烯，最好是组合起的等规和无规聚丙烯，或苯乙烯嵌段共聚物，或乙烯乙酸乙烯酯，或氯丁二烯，或环氧树脂，或其组合物。应该注意到，这里的沥青已表征为环境温度下的胶体体系，其中的沥青烯为分散相。在此所用的“填料”或“扩增剂”包括不同于天然烃组分的粒状物质。填料可以是聚合物的、弹性的或蜂窝状的材料，粒状或是纤维状。填料可以是开孔的或稍微疏松的材料例如火山岩粒料、蛭石或蛙藻土，它所具备的孔隙度小到足以使熔融的沥青质粘合剂在把填料混合到其中时不会完全填充这类孔隙；填料也可以是闭孔型材料例如珍珠岩、飞灰煤胞、玻璃微珠；填料可以是细胞植物的材料，如木屑或是甘蔗渣，或者可以是管状材料例如芦苇、灯芯草、竹子或是塑料管段。

图1示明铺设于海底上的保温管道，它的端部以横剖图表示，此保温管道包括管道本身和保温涂层。

图2示明管道的横剖面，其中的保温涂层叠层在此管道和一直径大于此管道的套管之间，此套管是用机械方法连接到管道上的，用来防止管道相对于套管运动。

图3示明管道的横剖面，这里的保温层是叠层在管道钢管和直径小于此钢管内径的套管之间。

图4与5示明管道的横剖面，其中以支承件嵌装入保温料中将此保温料的较冷层连接到管道上，防止管道通过此保温料而运动。

图6与7示明管道的横剖面，其中与管道邻接的保温料能与不同的保温料的较冷外层相连接。

图8示明管道的横剖面，其中在保温料中嵌装有一列矩形支承件以防管道通过热层流动。

图9表明在浮管内若干集束的输流管的横剖面，这批输流管采取了安装多个管道时的控制深度牵引法中所用的典型布置。

图10示明管道的横剖面，其中的沥青涂层中填充有平行管道轴线排设的管状材料。

图11与12表明在厚的沥青涂层下由一层多孔材料保温的管道上的安装接头。

本发明的目的在于提供由包含沥青粘合剂材料的组成料来保温的廉价海底管道。上述组成料在浸没于水中时能保持低的热导率并具有一定的可弯曲性，从而可用于使水下管道保温。用于保温管道的沥青材料其主要缺点是，它的机械性质在环境温度范围会随温度发生很广的变化。当前的绝大多数海底管道都已采取了保温处理来保持石油产物的温暖。生产的原油或天然气的典型温度在120～200°F，但井口的温度会超过300°F。在这样的温度下，某些沥青物质会熔融，绝大部分会产生显著的蠕变，如若不然，它们就会在环境温度下变脆。要是对温暖的浸没管道涂以厚的沥青物质涂层，则其中心处将会较外侧软得多。随着时间的推移，这一管道将会在其自重下使其软部下沉，最终要使底部暴露。防止这种现象是本发明的一个主题。为了减少这一现象，可以如后所述对组成料改进，或是用较直接的机械装置。最直接的机械装置则是使涂层叠层在管道钢管与同此钢管作机械连接的套管之间。图2与图3示明了以一些相分开的环件沿着钢管长度相连接的套管。这种机械连接件可以是任何能支承所需负荷的任何机械分隔件，包括隆起的螺旋状纵向带。由于保温的组成料在高的流体静压下是抗水的，故上述套管不一定要密封且不需像不具有高抗压强度的保温材料那样要独立地抵抗塌缩。因此，此套管可以由薄的便宜的材料制成。此外，也不要求以连续的形式通过管道的安装接头，这样就能消除封罩式的保温设计所带来的最困难的问题之一。最引人注意和高效的套管是所谓假象式的。这里的保温料具有冷的外层。机械连接件嵌装于涂层之中并使此涂层与所述钢管连接。这在图4中示明，这里的机械连接件是沿着管道长度相分开的环形件。海水温度通常在80°F以上，但这样高的温度只存在于海面附近。能够组成在此温度下不会有太大蠕变的纯沥青。要是将尺寸较稳定的材料嵌装于保温料中沿热的管道长度分布的一些部分上，就能反对那些较冷的层使钢管不会发生运动。对于把冷层机械地连接到钢管上这种装置的主要要求是，它必须是充分良好的保温体，能够不把太多的热传递给保温料中的较冷层。上述布置形式的优点之一是，所有机械支承件能完全封闭于防水的沥青保温料中，因而不需是抗水的。在图8中，机械连接件7于是可以是木条或镶木。在图6和7中示明了在几何上属最简单的连接装置，它仅仅是一层不同的保护材料层7，具有适当的抗压强度和结构稳定性，例如是多孔水泥、甘蔗渣与水泥、或是其它的传统保温材料。与只是将沥青涂层用作给保温层抗水的管道不同，本发明的涂层的配制和应用实质上是对涂层组成即涂层料本身的热阻作出贡献。对于用在陆地上的管道，上述这种区别可能是学院式的侈谈，这是因为传统的管道保温材料是远比沥青好得多的保温材料，但是，这方面的传统材料却不具有抵抗深海压力的抗压强度，即是使这种材料保持于干燥条件下也是如此。然而，当管道用于深海时还存在另一个不能立即看出的重要特点。当把管道铺于海中时，时间是至关重要的，因而保温层是在管子送到工作地点之前涂布上去，只留下一短段供管子与管子的连接用。在把管子焊合到一起后，需使安装接头保温。某些制造厂家是用由薄的聚乙烯套保持干燥的聚氨酯泡沫材料给管道钢管保温。这一般是用于常被埋起的陆地管道上，但即使是在地下水的压力下，所用的安装接头也常发生漏泄。这样一个顽固的问题在于难以密封带套的泡沫材料的端部，原因在于不易密封住缺乏坚实支撑的聚乙烯。绝大多数其它聚合物是较易渗透和较昂贵的。沥青是极其不易为水渗透的同时价格低廉，厚得多的层费用基本相同，提高了热阻，且由于它易粘附到它本身和许多其它材料上而颇易密封。如图11和12所示，通过将金属片卷绕接头，能够快速而容易地形成一个可使热沥青注入的腔部。注入的沥青熔接到主要保温层的外侧上，留下了连续的保温防水外套，同时在安装接头处的沥青还起到壁叠作用，阻止了水从一个管道接头的保温层上播散到另一个和管道接头的保温层上。为了有助于上述认识，下面列出了对本申请有重要关系的沥青的各种性质与特点，包括1)极低的渗透率、2)低成本、3)能够烧注、4)可快速固化、5)能够无缝地与自身粘合、6)可粘合到管子或抗侵蚀涂层上、7)具有低的热导率、8)有足够的韧性而不易剌穿但能充分弯曲而不会出现裂纹、9)无毒、10)极易购到。这样，上述性质绝没有同时利用到。也可以用沥青之外的材料来做到这点，但费用都要昂贵。

要是保温的目的在于将管道的内含物保持成较环境温度冷，则不需用独立的装置来防止管道会通过保温涂层运动，而填料将只是用来降低沥青材料的费用或热导率。但允许管道与保温料之间有某种相对运动也同样是对的，甚至是希望有的。这是由于土壤本身也起到保温体作用。通过为偏心的保温层所覆盖的管底(在此底部上几乎没有保温层)上的热损失，根据经验，会低于完全埋藏的保温效应。通过相当复杂的热分析可以证明，在完全埋藏的管道上的稳定的热损失中，有不成比例的很大一部分是来自顶部。这是由于稳态的热通量线是从管道沿径向发射出，进到土壤，而后通过一弧线反回到表面上。来自底与顶的热程差远大于埋藏深度。因此，要是存在一定的偏心度，保温组成料就可能更为有效，而当管道下沉时就会造成这种偏心度。可以推广这种概念，允许落定于负荷分布不均的不匀底部上的管道在沿其长度的某些点上变形。还应指出，由于沥青的密度非常接近于水的密度，因而管道在浸没时，沥青几乎没有可能会在自重下变形。由于上面讨论中引出的结论不能立即弄清，直观的感觉会使人认为沥青的组成料应较硬一些，并能支承比实际所需更大的负荷。

下面几部分讨论通过给沥青添加填料或改性剂来提高沥青尺寸稳定性的方法。添料的结果可能会加大成本，于是应根据实际需要进行配方，而这在以前的讨论中可能预料得不够。例如在某些情形下，采用较多的沥青和较廉价、较少或是不会改性剂或填料，同时仅仅依靠这些添加料同沥青之间的某些相对运动，可能是更经济的。

在本说明书中，沥青一词指的是沥青矿中所有的固体或半固体的烃类、天然产生的沥青、从煤焦油中获得的沥青、或是从石油中提炼出的沥青或是“直馏沥青”。沥青材料一词则包括基本上根据来自一或多种来源或类型的沥青的材料。“沥青组成料”一词即指沥青或沥青与改性剂的组成料。粒状改性料可以在沥青组成料中占任何比例，只要这种粒状料所在的粘合剂基本上是以沥青为基础的即可。由于沥青的化合物改性剂一般颇为昂贵和有较高或略略稍低的热导率，从经济上考虑，趋向高浓度的沥青。这样的粘合剂例如按体积计一般应多半是沥青，而通常应有相当多的一半是沥青。填料的数量将部分取决于所用方法和使用温度。

绝大部分大量使用的工业沥青是从石油中提取的。它的价格低廉并在适当温度下是软的。在其它方面应用中已采用过种种方法能减少蠕变性或软性。通过沥青喷吹空气促进氧化来提高软化点，但这同样会提高使沥青变脆的温度。沥青矿是通过自然风化已氧化的天然存在的沥青。沥青矿中含有数量不等的杂质，但某些类型的沥青矿则绝大部分是纯的烃而只有极少量的杂质。它们与氧化的石油沥青相比，具有很高的软化温度，而在低温时有较低的脆性。沥青矿可同沥青混合，以在较广的温度范围保持尺寸的稳定性而不会有脆性，但是氧化或风化的较显著效应则是提高了软化温度同时也提高了使沥青变脆的温度。氧化与风化不会使热导率发生大的变化，因而能够用来调节沥青的性质使适合管道的作业温度。

在与环境温度有很大不同温度下运行的管道中，最好采用有不同配方的几层结构，它们在同一温度下具有不同的机械性质，但在它们将工作的温度下具有相似的机械性质。在这样的布置下，经配制成在环境温度下不脆但在管道运行温度下变软的这一层能够涂布到经配制成在环境温度下会变脆的这层之上。此种情形示明于图6和7中，其中与管子邻接的机械稳定层4与外层略有不同，但这两层都是沥青材料。

业已发现，当把截留有空隙的或截留者为气体充填的空隙的填料加到沥青粘合剂中时，可以提高填料的抗破坏强度，同时填料本身增大了主体部分并减少了蠕变，并在同时减少了热导率。开孔填料与闭孔填料都能具有这种结果。从填物物质例如木材、纤维素、黄麻、甘蔗渣等获得的蜂窝状结构的材料，兼具有低的成本和低的热导率。尽管沥青在较高温度下会变软，但带有细孔隙的填料并不需要在混合到熔融沥青内时为其浸透，并能在这种组成料处于水静压的作用下时对于为沥青材料或为水浸透具有意想不到的稳定性。当填料添加得多时，水不能渗透。这是由于粒状料分隔了静水压以及这种层的厚度所起的作用。与大多数无孔的固体料或半固体料相比，沥青的热导率颇低，因而即使是沥青材料渗透热层中的填料，仍然有足够的温度梯度限制渗透热层，同时不影响减少弯垂或蠕变的效果。简单地说，有孔隙的填料能减少沥青材料的蠕变，而且此沥青物质还能在水静压下长时期有效地阻止将水吸收到有孔隙的填料中。对于采取了保温措施来保持内盛物冷却的管道或是在稍高的温度下，填料再结合以提高或降低软化点的技术就可以省除采用独立装置来防止蠕变或变形的任何需要。

闭孔型的防水材料可以用于较高浓度和较深的水中。由空心微珠组成的填料的优点是可使表面面积对体积的比最小，而且球形有很好的抗压挤稳定性。对于深水中的管道，填料最好是闭孔型的耐压材料，而对于很深的水来说，飞灰煤胞之类的球形填料可使抗挤压能力达到最高。此种组成料的热导率将取决于填料对粘合剂的比例。填料的热导率最好低于沥青材料的，由此可以降低组成料的热导率。于是当组成料中填料的份额较高就能降低组成料的热导率，而填料的最大量取决于填料的几何形态。但在较深的水中，蜂窝状的且热导率低于沥青的并能经受住相应压力而无蠕变的填料可能是很贵的或不存在的。此时，可以根据低成本与低热导率的最佳组合，选择热导率略高于沥青的蜂窝状填料，用所需最少量的填料来实现尺寸的稳定性。绝大部分填料的热导率低于0.13BTU/hr-ft-°F，但在本说明书中，是把0.24BTU/hr-ft-°F的视作为低热导率的填料。这比用于过去管子涂层中的绝大多数填料要约低一半。包括有少量较高热导率的填料可能会有益的，因为不规则的填料形状会使沥青获得良好的机械性质，填料中的大部分(例如50％以上，可能多于75％)通常是低热导率的材料。整个组成料的热导率是一重要数值。在绝大多数应用中，能将此值保持到低于0.12BTU/hr-ft-°F。某些情形下，填料本身的实际热导率或许是不知道的。对某些材料来说，特别是纤维质或球形的材料，所报导的热导率是根据松散填料的测量结果。这对于空气和粒料的组成料(不是粒料本身)来说，其热导率就是如此。另一些材料，例如云母，是各向异性的。这就是说，热导率取决于样品相对于晶粒或晶体结构的取向。在本说明书中，将用有效热导率一词根据粒料或纤维料在组成料中的影响来表征粒料或纤维料的实际热导率。这一值实际上只是用已验证过的数字模型间接地确定，根据所测出的连续相的热导率以及连续相与分散相的组成，来推断出分散相的热导率。要是涉及的粒料是微细形的各向同性的据此可以测出热导率的均质材料，则有效热导率便是此测出的值。填料对粘合剂的比可以用种种方法最优化。举例来说，可以用两种规格的球形填料例如玻璃微珠来占有总体积中的较大份额而不是一种。一般地说，微珠的生产中会使尺寸分散，但用筛选把它们分类成几种粒度范围则可改进填充密度。填料的实际最大量应由试验确定。典型的情形是，若不分规格，则微珠可以占总体积中的40～60％。结合使用极细的填料和较大的团粒料能够进一步提高填料所占有的空间量。将粘合剂搅拌到熔融沥青中所形成的混合物可以具有高达0.75的填料对粘合剂的比。也还有其它实际上的考虑。当采用很高的填料对粘合剂的比时，组成会变成难以涂布的刚性玛脂。或许更为重要的是，具有高的填料加载的组成料表现为粘合剂和填料界面上有许多孔洞。这就会让水进到此种组成内，使得热导率升高。

可以将例如草料一类的柱状填料或是塑料管单独地或结合前述的带孔隙或闭孔的填料使用，这里所谓的草料包括芦苇、灯芯草与甘蔗渣。这里所谓的填料广义地解释为包括较大的管状料例如甘蔗或塑料管，它们平行于管道的轴线铺设。这类材料本身可以在其间隙中结合有沥青材料与较细的填料。上述管料可以在保温组成的其它组分铺布于管道上之前或同时布设于管道上。按此形成的横剖面如图10所示。要是这些管状件铺放成接触形式，它们也可视之为或用作为上述间隙中的热层和另一冷层间的机械连接件。在此例中，填料同机械连接件的作用是一致的，而存在于本整个说明书中的在概念上的一致性当变得更且清楚。

将沥青的温度范围扩展到可保持其尺寸稳定性的聚合物改性剂一般具有低的热导率，因而可以用于本发明中。这一情形也适用于聚合物填料、与沥青起反应的化合物、以及具有第二连续相性能与沥青起到网络作用的聚合物。

经试验用于本发明的种种材料中有一些能有效地降低脆变温度，而另一些则能提高软化点。在先有技术中，绝大部分由聚合物改性的沥青已曾用于敞露条件下，通常要求在温度颇低于冰点下时需有一定的延展性。但是，海底管道罕有铺设到或用于远低于水冰点下的环境。能与绝大多数上述聚合物改性剂匹配的未氧化的沥青可在用于冰点附近的情形下有足够的可弯曲性。但是业已发现，更为便利的是将未氧化的沥青的软化点提高而不是去降低已氧化的沥青的脆变温度。

将无规的和等规的聚丙烯相结合已证明能降低成本和有效。无规的聚丙烯能提高软化点而不提高脆变点。软化点随无规聚丙烯浓度通过一过渡范围增加而很快地增加，此过渡范围与沥青有关，但一般占组成重量的18～30％。高于这一水平，组成的软化点即主要由无规聚丙烯的软化点确定，而在低于上述过渡范围时，组成的软化点便接近沥青的软化点。高于此范围，通过混合低分子量的等规聚丙烯，就能更有效地提高软化点和使组成增硬。当不存在无规聚丙烯时，等规聚丙烯常常主要用作粒状填料，但在按此方式使用时，它却似乎对无规聚丙烯具有亲和性。下面的配方已证明能降低成本并且是有实用性的。

               在粘合剂重量中的％  按体积组成的％

                   范 围 一 般粘合剂                                   70～10

AC-20级石油沥青               85～5   77

等规聚丙烯                     0～15   5

无规聚丙烯                    15～45  18填料                                      0～60即使在低的填料加料下，上述组成的软化点可以超过300°F，但对于拟铺设的管道自然保留合适的可弯性，或能在冰点附近温度无裂缝地弯绕到卷轴上。

上述组成料在热气候下较软，因而会由于卷绕而在高的负荷下变形。较多的等规聚丙烯或填料会使这种组成较硬，同时会进一步提高软化点，但这样会使此组成太脆而难以在冰点以下温度卷绕。这可以通过添加苯乙烯嵌段共聚物例如SBS来补偿。嵌段共聚物的价格为石油沥青的25～50倍，因此应节制地使用，它们通常在需要单独使用时按重量浓度计为沥青重量的3～12％。在这种应用中，3～5％的重量浓度能取得良好结果，但更高的浓度可以进一步改进冷却性质。

上面提出的聚合物浓度部分地是根据费用与效果折衷的结果，而并未概括整个可能范围。对于在高温条件下运行的管道，采用若干层在各层上加有不同聚合物的结构可能更能节省用费。在过去，前述组成料并未用于这一目的。

为了省除需要对材料加热，某些沥青组成料可以用溶剂稀释或于水中乳化。然后将所得材料作固化处理，蒸发掉溶剂或水分。这只用在较薄的一些层。

通过给蜂窝式填料和水凝水泥的混合物添加沥青材料和水的乳化物，能够制备出一种相关的组成料。低的成本和能够利用普通水泥使这种组成料具有吸引力，但也可采用其它类型的水泥。水泥固化成能在宽广温度范围内保持其强度的结构材料，而与完全由水凝水泥构成的粘合剂相比，沥青组分则能减少水的吸收和降低热导率。在这样的组成料中，当采用太多的沥青组分时则能抑制这种反应。有效的限度随蜂窝式填料的数量与类型而变化，但是沥青的组分将会是总量中的较少部分。占水泥重量的5～10％的沥青组分与水泥和蜂窝式填料的组成相比，将显著地减少水的吸收。较大量的沥青材料将进一步减少水的吸收和这种组成的粘合剂的热导率，并且还会减弱其强度。需要有比沥青料多得多的水泥来提供有效的结构。这样的组成料可不再需用独立的装置来防止蠕变。在本专利的范围内，关于上述类型组成料的另一种想法是这样一种组成料，其中的沥青材料是散在有关的装置中，用来防止管道相对此种装置运动。这样的保温组成可以这样地应用到管道上；通过浇注、喷涂、沉积一种软化的物质到两个相对转动的例子中，加速这种物质以高速度冲击到管道上，由此使材料密实化，在厚厚的层粘合到一起，通过挤压或浇注细长的环形段并把这些段粘接或固定到管道上。

上述涂层的厚度将取决于海水的温度；管子的尺寸；可能存在的其它涂层；待输运的材料的温度、压力与性质；以及特点的固化组成料的热导率。

沥青组成料并不需同心地涂敷到管道上，它不需覆盖管道的整个表面，同时可以用来使一批集束的管道保温。

束中管道的一或多个可以用来载运热的流体以补偿通过保温的热损失。还可以将一批电加热元件安装到管或一批管道上。要是用加热的管道或元件与管道作热连接并与周围隔热，则正如周知，“热追踪”是唯一实用的方法。通过应用热导率高的材料使它与加热管或元件同一或多个管道连接，可以实现或增强上述热连接。这种热连接件可以是焊接或焊合金属或是水凝水泥或是充填有金属屑的聚合物粘接剂或是其它导热粒料。此时，沥青组成料将围绕管道、加热管道或加热元件以及导热的水泥，同时可使保温组成料环绕整个束而不与束中的管道接触。

在本专利说明书中，“由管子与叠层到其表面上的沥青组成料构成的管道”一词可以用来指一批管道，它们包括集成一束的管子，而在这束管子的整个外表面上叠层有沥青组成料。它也可以是指由管子与加热元件集成束的一批管道，而以沥青组成叠层到这束管子与加热件的外表面上。

例如在本发明中，是将安装于在岸上装配好而牵引到目的地的带封套束之中一批小的管道，在它们和封套间的空隙用沥青保温。业已发现，可把粉碎的沥青矿混合于水浆或石油矿浆中再泵送入封套内各小管道的四周。由于上述混合物的密度极近似于水的，故能理想地用于这一目的。热导率较低的其它材料中绝大多数较轻将会飘浮到液面上而不能添加多达镇重物似的这种物质。石油矿浆则较为理想，因为沥青将溶解于石油中形成焦油。由于溶解过程在环境温度下发生得很慢，故在上述管道安装过程中仍要泵送，但当管道变热后，沥青很快溶解或吸收石油。用氧化的石油沥青或烟煤代替沥青所取得相似的结果。沥青的主要优点是其中的某些类型例如硬沥青(Gilsonite)非常之纯，不经提纯或特别处理就可显示出极其接近纯沥青的低的热导率。

另一种方式是采用乳化于表面活性剂和水中的水凝水泥和沥青混合物，这种乳化物能长时间地保持为液体足以使其泵送入管道内，然后转变成凝胶或布丁状的稠密形式。乳化物中的水量最好保持到极少，这是因为水的热导率高于沥青的。类似地，所用的水泥量应是需用来促使保温材料能充分胶凝防止发生对流的最低量，这是因为绝大多数水凝水泥的热导率高于水的热导率。其它的能与水缓慢反应并凝固成固体或半固体的材料也是可以使用的。与本发明有关的试验证明，6份沥青对3份水与表面活性剂的乳化物当在现场同2份普通水泥混合后的一段时间内将保持为液体，但在24小时后即成浓布丁状稠密形式。这种固化组成的热导率低至足以用于许多场合下，但不会低到沥青与石油的浆液的程度。

本说明书中涉及的管道包括称之为输流管线的小管道，例如：用来使井口与集输岐管或平台相连接的管道；由任何类型管子包括塑料管、复合材料管，以及具有多层结构的管子，包括可弯曲管与软管等组成的管道。这里所谓的用来形成管道的管子则指包括上述任何类型的管或管子。这里所谓的管道还包括从海底延伸到近海表面的提升管。要是管子包括有若干层，例如先有技术中的可弯曲管，则沥青组成料可以位于这些常规层之外或可以是与这种管子在一起形成中间层。

参看图1，管道10示明于海底面14处，其中12指水面。此管道在其管道钢管22的周围涂有保温组成或即保温料20。在图2中，有一套管18在管道钢管22上延伸，而保温料即粘附于管道钢管22与套管18两者之上。此套管经支承件7与钢管22连接，不连续的经过安装接头11。在图3中，保温组成料或即保温料20夹层在充有压力的管道钢管22和一直径较小的套管24之间。在图4与5中，钢管22由保温料覆盖，此保温料由层4与层5两层组成，这两层可以具有稍有不同的沥青组成，或仅仅是由于温度差而在机械性质上有所不同。层5离管道钢管22最远，由嵌装于离钢管22最近的层4中的机械连接件7相对于钢管22保持在固定位置。图6和7与图4和5类似，只是机械连接件7占据了与钢管22相邻的绝大部分或整个空间，这样也就在最大程度上取代了此空间内的保温组成料。在图8中，在钢管22周围邻近设有一批矩形带7，它们由保温料层4包围。这些矩形带将钢管22连接到保温料层5，使后者能相对于此钢管保持于固定位置。图10示明一管道10，其中的钢管22由保温料20覆盖，此保温料包括沥青材料中的管状填料，这些管状填料与钢管22的轴线平行。

图9是若干小的输流管线32集束于一浮管33内的横剖面图，代表了用来同时安装多个管道的控制深度牵引法中所采取的典型结构。这里的保温材料34也用作镇重物，使这束管子一旦牵引到最终目的地后即下沉。图11与12是管道在安装接头27处的横剖面图，其中的管子10在其绝大部分长度上于工厂中涂有抗侵蚀涂层25，同时有多孔的保温材料层7支承着沥青保温料的外层5，而在安装接头27附近的区域则由薄金属片26包住，然后充填以相同或类似于沥青保温料5的沥青保温料8。

Claims (19)

1．一种海底保温管道，包括一包有至少一层防水保温层的管道，其特征在于：(1)所述至少一层防水保温层由一种组成料构成，该组成料包括沥青，并可选择地包括填料和/或改性剂，(2)包括沥青的保温层或当有一层以上保温层时的所有包括沥青的保温层有一厚度和导热率的组合，使由所述至少一层防水保温层所提供的管道和周围环境之间的热传递阻力大于导热率为0.208 Watt/m ℃(0.12 BUT/hr ft °F)并且厚度为3/4英寸(19mm)的粘附在管道上的材料涂层的热阻。

2．如权利要求1所述的管道，其特征在于：所述沥青组成料包括粒状填料，最好是聚合物纤维，或聚合物粒料，最好是聚烯烃粒料，或弹性粒料，最好是细碎的橡胶粒，或蜂窝式材料，最好是玻璃微球或飞灰煤胞，或者它们的组合。

3．如权利要求2所述的管道，其特征在于：所述粒状填料的导热率小于0.415 Watt/m ℃(0.24 BUT/hr ft °F)。

4．如权利要求1所述的管道，其特征在于：沥青组成料包括至少一种连续相改性剂，其能在管道运行温度下和管道所施加的负荷下提高沥青的尺寸稳定性。

5．如权利要求4所述的管道，其特征在于：连续相改性剂包括聚合物材料，最好是聚烯烃聚合物，最好是聚丙烯，最好是组合起的等规和无规聚丙烯，或苯乙烯嵌段共聚物，或乙烯乙酸乙烯酯，或氯丁二烯，或环氧树脂，或其组合物。

6．如权利要求4或5所述的管道，其特征在于：所述至少一种连续相改性剂形成连续相网络，沥青是所述连续相之一。

7．如权利要求4或5所述的管道，其特征在于：所述至少一种连续相改性剂中的至少一种与所述沥青起反应，最好是硫或环氧树脂。

8．如权利要求1所述的管道，其特征在于：管道包括机械装置，用于防止管道通过或相对于保温层运动。

9．如权利要求8所述的管道，其特征在于：所述机械装置是管道和沥青组成料冷层之间的连接。

10．如权利要求1所述的管道，其特征在于：管道位于套管或外管内，它们连接于管道，并在管道和套管或外管之间有沥青组成料。

11．如权利要求10所述的管道，其特征在于：所述沥青组成料包括硬沥青浆和液体碳氢化合物，和使沥青浆固化成固态或半固态。

12．如权利要求1所述的管道，其特征在于：沥青层的导热率小于0.208 Watt/m ℃(0.12 BUT/hr ft °F)。

13．如权利要求1所述的管道，其特征在于：沥青组成料对管道和外界之间的热传递的热阻起主要作用。

14．如权利要求1所述的管道，其特征在于：所述组成料的厚度至少为19mm(3/4英寸)。

15．如权利要求1所述的管道，其特征在于：保温层围绕一加热元件。

16．如权利要求1～5或8～15中任一所述的管道，其特征在于：包括一组至少3mm厚的保温层。

17．如权利要求1～5或8～15中任一所述的管道，其特征在于：所述管道包括一组大致相互平行的管子。

18．如权利要求1～5或8～15中任一所述的管道，其特征在于：所述至少一个防水保温层中至少一个的组成料在工作状态的加热条件下软化，使在管道的工作温度时管子通过所述组成料下沉。

19．由包括若干层的软管制造的管道，其特征在于：所述各层的至少一层是保温层，其包括至少9mm厚的沥青组成料。

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