CN108119708B - 一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，属于柔性立管铠装层技术领域。它采用外工型材螺旋带和内工型材螺旋带相互嵌合缠绕而成，形成高铺设角度的互锁结构，其中内、外工型材截面形状均近似为工字型。外工型材截面包括径向腹板，与腹板两端相连的轴向侧翼板，沿内直角延伸而成的凸型齿结构；内工型材截面包括一轴向腹板，与腹板两端相连的径向侧翼板，沿轴向延伸而成的凸型齿结构。本发明中的内工型材螺旋带和外工型材螺旋带相互嵌合缠绕，可铺设于柔性立管内部护套层外壁能有效防止内外工型材间的分离和滑脱，同时能提高抗压铠装层抵抗径向内外压力的能力。因此，本发明在深海柔性立管抗压铠装层结构设计中能得到广泛地应用。
Description
技术领域
本发明属于柔性立管铠装层技术领域，具体涉及一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层。
背景技术
海洋油气资源储量约占世界油气总量的30％-40％，随着陆地和近海油气资源的日益减少，深海油气资源的开发日益重要。钢制立管的生产建造、安装和维护周期长且费用高，并且容易受到复杂海况的影响。柔性立管具有抗腐蚀能力强、易于安装且可回收利用等优势，在深海油气资源开发领域得到了广泛的应用。因此，提高我国深海油气资源装备的研发技术势在必行。
柔性立管分为粘结柔性立管和非粘结柔性立管，二者均由不同几何形状、材料特性的铺设层构成的多层复合结构。粘结柔性立管通过物理方法挤压成一体或采用化学工艺将各层进行粘合处理，相邻层间不能发生相互分离和相对滑移。非粘结柔性立管各层按照一定顺序进行精细装配，相邻层间无粘结甚至存在间隙，可发生相互分离和相对滑移，具有较大的轴向刚度和较低的弯曲刚度，被广泛应用于超深海油气资源开发中。
非粘结柔性立管主要由骨架层、抗压铠装层、抗拉铠装层、防摩擦层、内外部护套层等共同构成。其中，抗压铠装层为由Z型(或C型、T型)截面沿圆柱螺旋线缠绕而形成的自锁结构，其铺设角度接近90°，主要用于抵抗径向内外压力。同时，抗压铠装层可对内部护套层起到一定的保护作用。
公开号为CN103644399A的专利公开了一种复合软管梯形截面嵌合抗压铠装层，其特征在于：它包括两异型材，两个异型材均包括一钢条和一斜工字钢带，钢条的横截面呈等腰梯形，钢条的上底具有向上突起的梯形凸台、下底具有向下突起的梯形凸台，斜工字钢带由相平行的上翼板和下翼板，以及连接在上翼板和下翼板之间的倾斜腹板组成，且上翼板与腹板之间所夹锐角与钢条的底角相等，斜工字钢带的腹板长度与钢条的侧腰长度相当。钢条的顶角嵌入斜工字钢带的钝角凹槽内，同一侧的底角嵌入同一侧斜工字钢带的锐角凹槽内，构成异型材，将另一倒置的异型材的钢条嵌入正置的异型材的斜工字钢带内，两个异型材相互嵌合成环状缠绕在复合软管的内衬层外壁上。但该专利提出的方案不能有效防止内外工型材间的滑脱，从而实现互锁。
公开号为CN102927406A的专利公开了一种复合软管Z型截面抗压铠装层：采用异型材缠绕互锁形成，异型材的截面为Z型截面，该截面包括第一横梁、第二横梁，以及连接第一横梁和第二横梁的竖向梁；第一横梁包括第一上壁面和第一下壁面，第一上壁面上设置有凹槽，第一横梁的端部一体设置有一向下延伸的第一钩状结构；第二横梁包括第二上壁面和第二下壁面，第二横梁的端部一体设置有一向上延伸的第二钩状结构。第一横梁、第二横梁、竖向梁、第一钩状结构和第二钩状结构之间的连接处均为弧形连接角；异型材的钩状结构嵌于相邻异型材的钩状结构与竖向梁形成的凹陷区域内，相邻异型材互相咬合。该专利采用Z型截面，不能最大化的节约材料的使用，同时美观性也得不到保障。
本发明提出的抗压铠装层的内、外工型材截面均近似为工字型，相邻截面的内工型材和外工型材相互嵌合，实现了内工型材的凸型齿(外工型材的凸型齿)和对应外工型材的凹槽区(内工型材的凹槽区)间相互咬合，能有效防止内外工型材间的滑脱。
发明内容
本发明目的在于提供能够相互咬合互锁，有效防止相邻截面型材结构滑脱，并提高抵抗径向压力能力的一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，它包括一内工型材螺旋带和一外工型材螺旋带，并通过内工型材螺旋带与外工型材螺旋带嵌合缠绕而成，所述内、外工型材的截面形状均近似为工字型。
所述外工型材的截面包括一径向腹板，腹板两端分别沿轴向延展形成一侧翼板；所述侧翼板的外底壁末端沿直角向内侧延伸形成一凸型齿结构，且凸型齿的外轮廓线与腹板、侧翼板的轮廓线相平行；所述凸型齿与侧翼板内底壁间形成一凹槽区域，且凹槽区的宽度和凸型齿的齿距相当。
所述内工型材截面包括一轴向腹板，腹板两端分别沿径向延展形成一侧翼板，所述侧翼板的外底壁末端沿轴向内侧延伸形成一凸型齿结构，且凸型齿的外轮廓线与腹板的轮廓线平行；所述凸型齿与邻近的腹板、侧翼板内底壁之间形成一凹槽区域，且凹槽区的宽度略大于凸型齿的齿距。
所述外工型材的腹板与内工型材的腹板相互嵌合，所述内工型材的凸型齿嵌入相邻外工型材的凹槽区。同时，所述外工型材的凸型齿嵌入到内工型材的凹槽区内，且存在一定的间隙；相邻截面的所述内工型材和外工型材之间相互咬合，并沿圆柱螺旋线缠绕形成环状互锁抗压铠装层，可铺设在柔性立管的内部护套层外壁。
所述的外工型材和内工型材的每一处连接边角都设置有弧形过渡。
所述外工型材截面高度与其宽度比值约为0.86，所述外工型材的腹板厚度约为外工型材侧翼板壁厚的2倍。
所述外工型材的凸型齿近似为直角形，且凸型齿的宽度与外工型材截面宽度比值约为0.25，凸型齿高度与外工型材截面的高度比值约为0.38；所述的外工型材凸型齿的齿距与所述外工型材侧翼板的厚度相同。
所述内工型材的截面高度与其宽度比值约为0.82。所述内工型材的腹板厚度约为内工型材侧翼板壁厚的1.6倍。
所述内工型材凸型齿的齿距与侧翼板的壁厚相当，且凸型齿的宽度与内工型材截面宽度的比值约为0.33；所述内工型材的凹槽区宽度约为内工型材凸型齿的齿距1.2倍。
所述内、外工型材为具有工型截面的螺旋钢带。
所述内、外工型材的铺设角度约为89.3°。
本发明的有益效果在于：
本发明中抗压铠装层的内、外工型材截面均近似为工字型，相邻截面的内工型材和外工型材相互嵌合，实现了内工型材的凸型齿(外工型材的凸型齿)和对应外工型材的凹槽区(内工型材的凹槽区)间相互咬合，能有效防止内外工型材间的滑脱。
本发明中抗压铠装层的内、外工型材沿圆柱螺旋线缠绕并铺设在立管的内部护套层外壁，其铺设角度约为89.3°，能显著提高非粘结柔性立管抵抗径向压力的能力，同时对内部护套层起到一定的约束、保护作用。
本发明中抗压铠装层的内、外工型材的连接边角都设置有弧形过渡，能有效降低应力集中，提高结构的使用寿命。
本发明中抗压铠装层的相邻工型材截面间存在一定的间隙，且凸型齿和对应嵌合的凹槽区间也存在一定的间隙，有利于提高外载作用下的工型材螺旋带变形范围。因此，本发明可以有效地应用于非粘结柔性立管结构中。
附图说明
图1为非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层三维示意图；
图2为抗压铠装层的外工型材截面示意图；
图3为抗压铠装层的内工型材截面示意图；
图4为抗压铠装层的内、外工型材截面嵌合互锁示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一：
一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，抗压铠装层包括外工型材螺旋带1和内工型材螺旋带2，内工型材螺旋带2和外工型材螺旋带1沿圆柱螺旋线缠绕形成环状的抗压铠装层。
所述的外工型材螺旋带1的截面包括外工腹板11、外工侧翼板12、外工凸型齿13、外工凹槽区15、外工弧角10、外工凹槽区域15、外工外底壁16、外工内底壁17和外工腹板壁18，且截面结构形式沿外工腹板11的轴线和水平线均对称；
外工腹板11为长方体直板，外工腹板11的两端分别设置有一外工侧翼板12，外工侧翼板12为长方体直板，包括主体、外工外底壁16和外工内底壁17，外工侧翼板12和外工腹板11垂直连接；外工侧翼板12的外工外底壁16末端沿直角向内侧延伸形成外工凸型齿13，且外工凸型齿13的外轮廓线分别与外工腹板11、外工侧翼板12的轮廓线相平行；外工凸型齿13与外工侧翼板12的外工内底壁17间形成外工凹槽区域15，且外工凹槽区域15的宽度略大于外工凸型齿13的齿距。
所述的内工型材螺旋带2的截面主要包括内工腹板21、内工侧翼板22、内工凸型齿23、内工凹槽区24、内工弧角20、内工腹板壁25、内工外底壁26和内工内底壁27，且截面结构形式沿内工腹板21的轴线和水平线均对称；
内工腹板21的两端分别设置一内工侧翼板22，内工侧翼板22为长方体直板，包括主体、内工外底壁26和内工内底壁27，内工侧翼板22和内工腹板21垂直连接；内工侧翼板22的内工外底壁26末端沿直角向内侧延伸形成内工凸型齿23，且内工凸型齿23的外轮廓线分别与内工腹板21、内工侧翼板22的轮廓线相平行；内工凸型齿23与内工侧翼板22的内工内底壁27间形成内工凹槽区24，且内工凹槽区24的宽度略大于内工凸型齿23的齿距。
外工型材螺旋带1的每一处连接边角设置有外工弧角10过渡；内工型材螺旋带2的每一处连接边角设置有内工弧角20过渡。
所述的内工型材螺旋带2和外工型材螺旋带1通过以下方式连接：相邻截面外工腹板11和内工腹板22间相互嵌合，内工凸型齿23插入到相邻外工凹槽区域15内部，同时，外工凸型齿13嵌入到内工凹槽区24内，相邻的内工型材的侧翼板外底壁26与外工型材的腹板外壁18间存在间隙。
所述的外工型材螺旋带1截面高度与宽度的比值为0.86，外工腹板11厚度为外工外底壁16厚度的2倍；
外工凸型齿13的宽度与外工型材螺旋带1材截面宽度比值为0.25，凸型齿高度与外工型材截面的高度比值约为0.38；
内工型材螺旋带2截面高度与其宽度比值约为0.82，内工腹板21厚度约为内工外底壁26厚度的1.6倍；
内工凸型齿23的宽度与内工型材螺旋带2截面宽度的比值约为0.33，内内工凹槽区24宽度约为内工凸型齿23齿距1.2倍。
所述外工型材螺旋带1和内工型材螺旋带2铺设角度为89.3°。
实施例二：
需要特别说明的是，非粘结柔性立管一般由包括抗压铠装层在内的多层复合结构共同构成，本发明的创新在于对非粘结柔性立管的抗压铠装层进行改进，并提出一种工型截面互锁抗压铠装层。
如图1所示，本发明中的抗压铠装层包括外工型材螺旋带1和内工型材螺旋带2，其截面形状都近似呈工字型。内工型材螺旋带2和外工型材螺旋带1沿圆柱螺旋线缠绕形成环状的抗压铠装层，且铺设角度α约为89.3°。抗压铠装层可铺设在非粘结柔性立管的内部护套层外壁，通过独特的螺旋互锁结构，能提高柔性立管工作时抵抗径向内外压力的能力，并且能对内部护套层起一定的约束和保护作用。
以下结合图2和图3对本发明抗压铠装层中的外工型材螺旋带1、内工型材螺旋带2的结构设计进行分析，说明其截面的基本结构形式和尺寸参数。
如图2所示，外工型材1的截面主要包括一腹板11、侧翼板12、凸型齿13、凹槽区15，且截面结构形式左右对称。腹板11的两端分别设置有一侧翼板12，侧翼板12的结构还包括外底壁16和内底壁17，外底壁16可直接与柔性立管的内部护套层外壁或防摩擦层接触；侧翼板12的外底壁16末端沿直角向内侧延伸形成凸型齿13，且凸型齿13的外轮廓线分别与腹板11、侧翼板12的轮廓线相平行；所述凸型齿13与侧翼板的内底壁17间形成一凹槽区域15，且凹槽区15的宽度和凸型齿13的齿距相当。
如图3所示，内工型材2的截面主要包括一腹板21、侧翼板22、凸型齿23和凹槽区24，且内工型材截面上下对称。腹板21的两端分别设置有一侧翼板22，侧翼板22的结构还包括一外底壁26和一内底壁27；侧翼板22末端的外底壁26沿轴向内侧延伸形成一凸型齿23，且凸型齿23的外轮廓线与腹板21的轮廓线平行；所述凸型齿23与腹板外壁25、侧翼板的内底壁27之间形成一凹槽区域24，且凹槽区24的宽度略大于凸型齿23的齿距。
上述所述的实施例中，外工型材1的每一处连接边角设置有弧形10过渡，内工型材2的每一处连接边角设置有弧形20过渡，以减少应力集中。
上述所述的实施例中，图2中外工型材1的截面高度和宽度的比值约为0.86，且腹板11的厚度约为侧翼板12壁厚的2倍；侧翼板12厚度与凸型齿13的齿距相同，且其厚度约为0.9mm；凸型齿13的高度与外工型材截面高度的比值约为0.38，其宽度与外工型材截面宽度比值约为0.25，且凸型齿13形状近似为直角形。
上述所述的实施例中，图3中内工型材2的截面高度和宽度的比值约为0.82，内工型材腹板21的厚度约为内工型材侧翼板22的壁厚1.6倍；侧翼板22的厚度与凸型齿23的齿距相同，其厚度约为0.9mm；凸型齿23的宽度与内工型材截面宽度的比值约为0.33，且凹槽区24的宽度约为凸型齿23齿距的1.2倍。
上述所述的实施例中，外工型材1和内工型材2均采用具有工型截面的螺旋钢带，并沿圆柱螺旋线缠绕形成环状抗压铠装层，且铺设角度约为89.3°。
本发明抗压铠装层的缠绕互锁形式可参考图4和图1。如图4所示，相邻截面外工型材的腹板11和内工型材的腹板21间相互嵌合，内工型材的凸型齿23插入到相邻外工型材的凹槽区15内部，由于凹槽区15的宽度与凸型齿23的齿距相当，从而两者的侧壁发生紧密接触；同时，外工型材的凸型齿13嵌入到内工型材的凹槽区24内，且凹槽区24宽度略大于凸型齿13的齿距，从而腹板外壁25与凸型齿外侧壁14之间存在一定的间隙，相邻的内工型材的侧翼板外底壁26与外工型材的腹板外壁18间也存在间隙。如图1所示，相邻截面的外工型材1和内工型材2通过对应的凸型齿和凹槽区间咬合作用实现互锁，并沿着圆柱螺旋线缠绕形成环状抗压铠装层，可铺设于内部护套层外壁，一方面能够有效防止相邻工型材结构的滑脱，另一方面能为内部护套层提供一定的保护和约束。此外，相邻工型材截面间存在一定的间隙，有利于外载作用下的柔性立管受力变形。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，其特征在于：抗压铠装层包括外工型材螺旋带(1)和内工型材螺旋带(2)，内工型材螺旋带(2)和外工型材螺旋带(1)沿圆柱螺旋线缠绕形成环状的抗压铠装层；
所述内工型材螺旋带(2)的截面包括内工弧角(20)、内工腹板(21)、内工侧翼板(22)、内工凸型齿(23)、内工凹槽区(24)、内工腹板壁(25)、内工外底壁(26)和内工内底壁(27)，且截面结构形式沿内工腹板(21)的轴线和水平线均对称；所述内工腹板(21)的两端分别设置一内工侧翼板(22)；所述内工侧翼板(22)为长方体直板，包括主体、内工外底壁(26)和内工内底壁(27)，内工侧翼板(22)和内工腹板(21)垂直连接；所述内工侧翼板(22)的内工外底壁(26)末端沿直角向内侧延伸形成内工凸型齿(23)，且内工凸型齿(23)的外轮廓线分别与内工腹板(21)、内工侧翼板(22)的轮廓线相平行；所述内工凸型齿(23)与内工侧翼板(22)的内工内底壁(27)间形成内工凹槽区(24)，且内工凹槽区(24)的宽度略大于内工凸型齿(23)的齿距；
所述的外工型材螺旋带(1)的截面包括外工腹板(11)、外工侧翼板(12)、外工凸型齿(13)、外工弧角(10)、外工凹槽区域(15)、外工外底壁(16)、外工内底壁(17)和外工腹板壁(18)，且截面结构形式沿外工腹板(11)的轴线和水平线均对称；
外工腹板(11)为长方体直板，外工腹板(11)的两端分别设置有一外工侧翼板(12)，外工侧翼板(12)为长方体直板，包括主体、外工外底壁(16)和外工内底壁(17)，外工侧翼板(12)和外工腹板(11)垂直连接；外工侧翼板(12)的外工外底壁(16)末端沿直角相向延伸一定距离后再成直角向内侧延伸形成外工凸型齿(13)，且外工凸型齿(13)的外轮廓线分别与外工腹板(11)、外工侧翼板(12)的轮廓线相平行；外工凸型齿(13)与外工侧翼板(12)的外工内底壁(17)间形成外工凹槽区域(15)，且外工凹槽区域(15)的宽度略大于外工凸型齿(13)的齿距；
所述的内工型材螺旋带(2)和外工型材螺旋带(1)通过以下方式连接：相邻截面外工腹板(11)和内工侧翼板(22)间相互嵌合，内工凸型齿(23)插入到相邻外工凹槽区域(15)内部，同时，外工凸型齿(13)嵌入到内工凹槽区(24)内，相邻的内工型材的内工外底壁(26)与外工型材的外工腹板壁(18)间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，其特征在于：外工型材螺旋带(1)的每一处连接边角设置有外工弧角(10)过渡；内工型材螺旋带(2)的每一处连接边角设置有内工弧角(20)过渡。
3.根据权利要求1所述的一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，其特征在于：所述的外工型材螺旋带(1)截面高度与宽度的比值为0.86，外工腹板(11)厚度为外工外底壁(16)厚度的2倍；
外工凸型齿(13)的宽度与外工型材螺旋带(1)材截面宽度比值为0.25，凸型齿高度与外工型材截面的高度比值为0.38；
内工型材螺旋带(2)截面高度与其宽度比值为0.82，内工腹板(21)厚度为内工外底壁(26)厚度的1.6倍；
内工凸型齿(23)的宽度与内工型材螺旋带(2)截面宽度的比值为0.33，内工凹槽区(24)宽度为内工凸型齿(23)齿距1.2倍。
4.根据权利要求1所述的一种非粘结柔性立管工型截面互锁抗压铠装层，其特征在于：所述外工型材螺旋带(1)和内工型材螺旋带(2)铺设角度为89.3。
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