CN110691939A

CN110691939A - 高压配件

Info

Publication number: CN110691939A
Application number: CN201880030984.4A
Authority: CN
Inventors: 德里克·穆克莱
Original assignee: Radius Systems Ltd
Current assignee: Radius Systems Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2020-01-14
Also published as: GB2560732B; WO2018172751A1; GB201704521D0; RU2019129708A3; RU2752226C2; RU2019129708A; GB2560732A

Abstract

本发明涉及一种用于将低碳钢管(3’)与聚烯烃衬件(3’)附接在一起的配件(1’)。可以将压缩环(6’)插入管中，使得现役管道的孔保持恒定。

Description

高压配件

技术领域

本发明涉及一种适于在加压管道(例如那些在石油和天然气勘探、天然气输送和水网络中使用的管道)中使用的配件。

背景

用于在高压例如超过2mA[20bar]的压力下输送流体的管道通常由钢或其他金属制成，以提供高的机械强度和流体密封。在某些应用中，例如当要输送的流体具有腐蚀性时，使用耐腐蚀的材料、装有主动防腐蚀系统或在金属和输送的流体之间装有阻隔衬件或涂层是有必要的。耐腐蚀的金属往往具有高的资本成本，而主动防腐蚀系统的使用导致管道寿命期内较高的年度运营成本。为了减少总支出，涉及使用涂层或衬件将金属与腐蚀性流体分隔开的解决方案被越来越多地采用。

为了提供更低成本的解决方案，已知地，指定具有由不锈钢和镍合金制成的耐腐蚀合金(CRA)嵌体或衬件的普通碳钢管来提供耐腐蚀性。这种衬件虽然有效但熟知地在安装期间操作上存在损坏合金本身的风险的问题。已经对此为某些应用开发了替代方案，由此已知地使用塑料衬件替代，塑料的选择取决于传输的流体和操作温度，已知的衬件材料包括但不限于聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚醚醚酮(PEEK)。衬有塑料的普通碳钢往往提供最具经济吸引力的解决方案，且其应用范围正在扩大。

将塑料衬件安装到管中的传统方法是首先减小衬件的直径，且同时使衬件保持在处于减小的直径下，将其插入到钢制管柱中。插入后，允许衬件恢复到其原始尺寸，以形成与钢制主管的紧密配合。已知地，在一次操作中在超过1000米的长度上安装这种衬件。这些方法是众所周知的并包括诸如EP0834034中所描述的Rolldown^TM和EP0514142中所描述的Subline^TM等过程。

一旦一段钢管设置有塑料衬件，就有必要将插入的塑料衬件的端部附接到钢管道本身的端部。在使用中附接必须满足两个主要功能，即塑料衬件不得因工作条件诸如流体压力或温度而从端部连接部移离或脱离，且连接部应形成密封以防止传输的流体渗入衬件和金属管之间的区域。

GB2298256中描述了配件的示例，该配件将塑料衬件终结于一段钢管。轮毂件焊接至钢管的端部，该钢管包括CRA嵌体和一系列周向凹槽或齿。衬件被安装和修整成使得衬件覆盖周向凹槽，在此之后将CRA插入物插入到塑料衬件中以将其压靠在凹槽上。该系统已被广泛用于例如在石油勘探行业注水管道的构建中，且其局限性是可以理解的。第一个问题是，优选实施方案具有突入到金属管道的孔中的周向齿而不是使用切入金属主体中的凹槽。这意味着管孔在用于衬件插入的进入点处进一步减小，这意味着需要更大的直径减小。更大的减小会阻碍塑料的后续恢复，这可能无法实现紧密配合。在使用中，插入物的放置导加衬件管的直径的局部减小，这对此解决方案可用于哪些应用有一定的限制。例如，该解决方案可以用于注水管道但不能用于碳氢化合物生产管道。后者要求通过管道检查“清管器(pigs)”进行检查，清管器不能穿过局部减小的直径，而且碳氢化合物流体往往会在管道结构的扰动下沉积蜡状物质，这可能导致堵塞或增加泵在使用中的能量需求。

本发明的目的是解决上述问题中的至少一些问题。

公开内容的简要概述

根据本发明的第一方面，提供了一种用于连接至衬有聚烯烃的管的管连接设备，该管连接设备包括:

管配件，其包括具有孔的中空主体，该孔在第一端处具有第一内径，在第二端附近具有大于所述第一内径的第二内径，并且在第一端和第二端之间具有锥形部；

压缩环，其具有内径和位于一端处的外锥形部；以及

附接特征，其位于配件的内表面上；

由此，大致上圆柱形的聚烯烃衬件在抵靠管的内表面扩张的地方处具有大体上等于压缩环的内径的内径，并且通过将所述衬件插入到孔中并随后将压缩环插入到所述衬件中从而使衬件的一部分压缩成与附接特征接合，衬件能够被附接至所述管配件。

以这种方式，一旦安装后，衬件和压缩环具有大体上相同的内径，这意味着不会存在可能会阻碍清管器、清洗器或可能需要穿过加衬管的其他元件的通过的孔的直径的局部减小。

在衬件被压缩环压缩成与附接特征接合时，衬件的厚度可能局部减小10％-30％。优选地，衬件的厚度局部减小20％。

优选地，所述附接特征具有能够使所述聚烯烃衬件在其中冷流成形的形状，以提供迷宫式密封和机械式锚定。压缩环对衬件的压缩可能导致衬件的一部分塑性变形到凹槽中，从而将衬件牢固地固定在配件中。

管配件上的锥形部的角度可以大体上等于压缩环上的锥形部的角度。这可以有助于在压缩环上的锥形部和管配件上的锥形部之间提供相对均匀的衬件压缩，避免对衬件的局部壁损伤而导致厚度减小。这种特征对于避免在衬件的紧靠配件之处弱化衬件来说是期望的，在管道首次投入使用时在衬件的紧靠配件处可能经受轴向载荷。

在一实施方案中，附接特征包括凹入配件的内表面中的一个或更多个周向凹槽。可替代地，附接特征包括两个或更多个相邻的环形雉堞部，环形雉堞部从配件的内表面径向向内突出，并且在环形雉堞部之间限定有凹槽。

在这任一情况下，附接特征可以包括三至五个凹槽。

在一实施方案中，附接特征设置在配件的内表面上，在所述配件的第二端和所述配件的锥形部之间。

优选地，管配件的所述第一内径等于设备要连接到的管的内径。

在一实施方案中，管配件的孔在所述第二端处具有第三内径，其中第二内径位于所述第一内径和所述第三内径之间，第三内径小于所述第二内径并且大于或等于压缩环的外径。优选的，所述第三内径限定了管配件的端面，该端面适于邻接密封到另一管或管配件。

在一实施方案中，管配件在其外表面上具有能够保持装配工具的结构。

根据本发明的第二方面，提供了一种零件套件，包括任一项前述段落所述的管连接设备中的至少一个和至少一个中空圆柱形聚烯烃衬件，其中在衬件抵靠所述管的内表面扩张的地方处，衬件的内径大体上等于压缩环的内径。

该套件还可以包括装配工具，该装配工具包括压头，该压头具有：等于或小于压缩环的内径的外径；锥形前缘；和和大体上水平的接合区(land)，所述压缩环可以临时安装在该接合区上。

根据本发明的第三方面，提供了一种为管加衬的方法，该方法包括以下步骤：

a.提供如上所述的零件套件；

b.将配件的第一端附接到管；

c.将衬件插入到管和配件中，并将衬件抵靠管的内表面扩张；和

d.将压缩环插入到衬件和配件中，使得衬件被压缩到附接特征中。

根据本发明的第四方面，提供一种为管加衬的方法，该方法包括以下步骤：

a.提供如上所述的套件；

b.将配件的第一端附接到管；

c.将衬件插入到管和配件中，并将衬件抵靠管的内表面扩张；

d.将装配工具附接到管配件的外表面上的所述结构；

e.将其上安装有压缩环的所述压头附接到装配工具；

f.使用装配工具将压头和压缩环插入到衬件和配件中，使得衬件被压缩到附接特征中，其中在装配工具将压头的前缘抵着衬件的端部挤压，使得衬件的端部径向扩张并进而迫使压缩环进入衬件中的过程期间，所述结构使装配工具保持不动；以及

g.移除装配工具和压头，将压缩环留在衬件和配件中。

在如上所述的方法中，配件可以通过焊接附接到管。

如上所述的方法可以包括在衬件已经插入到管和配件中之后修整衬件至所需长度的步骤。

附图说明

在下文中参考附图进一步描述本发明的实施方案，其中：

图1(现有技术)示出了装配的现有技术管连接设备的横截面；

图2示出了本发明的实施方案中的装配的管连接设备的横截面；

图3示出了本发明的实施方案中的压缩环到加衬配件中的插入；

图4示出了压缩环到加衬配件中的插入，其中入口直径被限制以允许使用端面密封装置。

详细描述

图1示出了现有技术构造中的管3的横截面，管3由不耐腐蚀的材料制成，但是管3衬有耐腐蚀聚烯烃衬件5。管3通过焊接接头4与管1附接。配件1包括在其内表面上的具有雉堞部25的区，雉堞部25具有界定在其间的凹槽。一旦配件1附接到管3，使用已知的工艺例如Rolldown^TM或Subline^TM，将衬件5插入到管3和配件1中。然后将外径略大于衬件5内径的压缩环6迫入到配件1中，到达与凹槽2和雉堞部25大致相同的轴向位置，使得衬件在该区中被压缩。衬件5对雉堞部25的这种压缩导致衬件塑性变形并“流”入凹槽2从而与雉堞部的形状相符并且将衬件5附接到配件1。凹槽2和雉堞部25必须在配件1和衬件5之间提供足够强的附接，以承受衬件和凹槽之间的剪切力。通常三个至五个之间的凹槽可以限定在四个到六个雉堞部之间，这对确保凹槽和管3之间的充分附接可能是足够的。一旦管和配件被加上衬件，则它们在端面7处被焊接至被类似地制备的管和配件。

以上现有技术的布置提供了用于防止管腐蚀的有效衬件。它还避免了法兰连接件的使用，法兰连接件不适合通常的安装技术，通常的安装技术是在不熔化内部衬件的情况下使用焊接来连接多个加衬的管段。焊接是优选的，因它不会引起管外径的局部增大。这意味着能够很容易将完整的管道盘绕到卷筒铺管驳船上,水下部署可以从该卷筒铺管驳船完成。

然而，现有技术布置的缺点是压缩环6引起管孔的局部变窄。这阻碍了检查清管器、清洗器或其他可能需要穿过加衬管的元件的通过。

本发明的一个目的是提供一种配件连接，例如用于衬有塑料的普通碳钢管柱的，该配件连接提供对衬件的牢固的锚定、提供用于防止流体进入衬件和普通碳钢管之间的界面区域的密封，并且在这样做的同时沿着加衬管的长度提供恒定的内径，而不存在由管配件导致的局部收缩或变窄。

图2示出了管3’，管3’附接到配件1’并衬有衬件5’，衬件5’使用根据本发明的实施方案的压缩环6’附接到配件。衬件5’可以包括耐腐蚀聚烯烃。配件1’包括具有第一内径D1的区，第一内径D1大体上等于管3’在第一端21处的内径，从而允许配件1’经由焊接接头4’附接到管3’。配件1’还包括具有第二内径D2的区，第二内径D2大于第一内径D1。在配件的具有第二内径D2的区中设置多个环形雉堞部25’，在雉堞部25’之间限定凹槽2’。雉堞部25’可以从配件1’的内径D2径向向内延伸(如图2所示)。可替代地，代替雉堞部，凹槽可以径向向外延伸远离配件的内径D2。这两种可能性都是衬件的附接特征的例子，这将在下面进行更详细地描述。配件的第一内径D1和第二内径D2之间的差优选地大体上是压缩环6’的壁厚的两倍。

配件1’的内表面具有设置在第一端和第二端之间的锥形部分27，锥形部分27的内径以大体上一致的比率从第一内径D1增大到第二内径D2。压缩环6’也具有邻近第一端33的锥形部分31。在锥形部分31中，压缩环的外径以大体上一致的比率从等于压缩环外径的最大外径D4减小到等于压缩环内径的最小外径D3。以这种方式，在端部33处形成点29，并且压缩环6’的外壁在锥形部分31中具有大致楔形的横截面。压缩环6’的锥形部分31中外径的减小比率优选大体上等于配件1’的锥形部分27中配件1’内径的增大比率。

可以以与图1所示的压缩环6同样的方式将压缩环6’插入到配件1’中，其中压缩环设置在与凹槽2’相同的轴向位置处。提供三至五个之间的凹槽以确保衬件5’和配件1’之间的充分附件。然而，不同于图1的布置，因为压缩环6’没有衬件5’向管3’的孔中径向向内突出的那么深，故图2中所示的压缩环和配件的构造允许现役管具有恒定直径的孔。为现役管提供恒定的孔的压缩环、衬件和配件的相对尺寸可以容易地计算得出。例如，配件的第一内径D1和第二内径D2之间的差值可以近似是压缩环6’的壁厚的两倍，并且压缩环的内径D3可以近似等于衬件的内径。衬件的厚度可以使得当将压缩环迫入合适的位置时，衬件的厚度被压缩。厚度可以局部减小10-30％。

图2所示的实施方案提供了具有大致一致的孔的加衬管和配件。该配件可以使用各种常规方法附接到另一个相似的配件，包括例如法兰对法兰式连接至另一配件的相应的表面。然而，如果要将该配件焊接到另一配件，那么衬件5’不能覆盖该配件的整个表面而必须被修整成处于配件1’内。这是因为当配件焊接在一起时，衬件的设置在端面7’附近的部分会被损坏。由此导致如果配件焊接在一起，孔在进行连接的区内会局部增大。

图3示出了一个实施方案，其中配件1’可以通过机械装置诸如法兰12附接在一起，法兰12优选包括密封部件8。在该实施方案中，可以提供CRA(耐腐蚀合金)嵌体9，其减小配件的开口直径D5(“第三内径”)。直径D5大于D4以允许压缩环6’从其通过，但直径D5小于D2。减小的开口直径D5限定了管配件的端面，该端面适于邻接密封到另一个管或管配件。压缩环6’可以具有这样的长度，使得当压缩环6’被抵靠嵌体9装配时，压缩环6’延伸到端面，从而在整个配件1’中保持连续的孔径。配件对配件式邻接便于使用可选的密封部件8。密封部件8可以是面对面的垫圈或密封环。随后，管柱能够对接在一起并连接形成完整的管道，这对于空间受限的应用来说是最小化配件的总最外直径所需要的。

图4示出了使用本发明的另一种方法将压缩环插入到加衬配件中。在所示实施方案中，配件1’设有在其外表面上的结构，该结构是周向凹槽11。结构11用于保持装配工具。

首先配件1’经由焊接接头4’附接到管3’，且然后通过常规方式将衬件5’插入到配件和管中，并修整衬件5’成与配件1’的端面7’齐平。一旦衬件位于适当的位置，使用周向槽11作为临时安装点将装配工具13附接到配件1’，装配工具13包括液压压头或液压机14，液压压头或液压机14具有临时安装在其上的压缩环6’。压缩环6’位于大体上水平的接合区上。一旦装配工具13附接到配件1’，液压机14前进到该配件中，驱动压缩环6’进入配件1’中，并使衬件5’抵着雉堞部25’被压缩，使得衬件5’塑性变形到凹槽2’中。当液压机14被移除时，压缩环6’从其上分离并保持在配件内的适当位置。这样，加衬管和配件具有恒定的孔。一旦液压机14从配件中移除，凹槽11可以可选地用于将配件附接至另一配件。

可以看出，衬件向直径D2的径向扩张并没有伴随有塑料衬件材料的局部壁变薄，塑料衬件材料的局部壁变薄将会在塑料遭受影响整个壁厚的大体上塑性应变的情况下出现。取而代之，塑料衬件材料被局部压缩到附接特征中。

衬件5’的塑料材料在D4和D2之间的压缩优选为20％，不小于10％且不大于30％。

尽管图2-4中所示的实施方案显示了设置在配件1’内表面上的凹槽形式和/或雉堞部25’形式的附接特征，但是应当理解，其他附接特征例如多个螺柱或孔也是可能的。

要求保护的发明未包括如何将一个配件连接到另一配件以使多个加衬管段能够连接形成连续的管道。对此的合适的方法事关常规工程原理，包括但不限于这些例子，诸如法兰对法兰式连接、螺纹连接、机械联接器以及管对管焊接。

在本发明的上下文中，应该理解术语“配件”是指用于将第一管连接到第二相邻管的部件。这种配件可以是可连接到第一管的或者可以与第一管一体式形成。

在整个本说明书的描述和权利要求中，词语“包括(comprise)”和“包含(contain)”及它们的词形变化意指“包括但不限于”，并且它们不意图(并且不)排除其他基、添加物、部件、整数或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，本说明书应理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。

结合本发明的特定方面、实施方案或示例描述的特征、整数、特性、化合物、化学基或基团应被理解为可适用于本文描述的任何其它方面、实施方案或示例，除非与其不相容。本说明书(包括任何附带的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以任何方式组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合外。本发明并不限于任何前述实施方案的详情。本发明扩展至在本说明书(包括任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或工艺步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

请阅读者注意与本说明书同时递交或在本说明书之前递交的与本申请有关的以及与本说明书一起对公众开放的所有论文和文献，并且所有的这类论文和文献的内容通过引用并入本文。

Claims

1.一种管连接设备，用于连接到衬有聚烯烃的管，包括:

管配件，其包括具有孔的中空主体，所述孔在第一端处具有第一内径，在第二端附近具有大于所述第一内径的第二内径，并且在所述第一端和所述第二端之间具有锥形部；

压缩环，其具有内径和位于一端处的外锥形部；以及

附接特征，其位于所述配件的内表面上；

由此，大致圆柱形的聚烯烃衬件在所述衬件的抵靠所述管的内表面扩张的地方处具有大体上等于所述压缩环的内径的内径，通过将所述衬件插入到所述孔中并随后将所述压缩环插入到所述衬件中从而将所述衬件的一部分压缩成与所述附接特征接合，所述衬件能够被附接至所述管配件。

2.根据权利要求1所述的管连接设备，其中，所述衬件具有厚度，当所述衬件被压缩环压缩成与所述附接特征接合时，该厚度局部减小10％-30％。

3.根据权利要求2所述的管连接设备，其中，所述衬件的厚度局部减小20％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述附接特征具有这样的形状，该形状使得能够在所述附接特征中冷流成形所述聚烯烃衬件，以提供迷宫式密封和机械式锚定。

5.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述管配件上的所述锥形部的角度大体上等于所述压缩环上的所述锥形部的角度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述附接特征包括凹入所述配件的内表面中的一个或多个周向凹槽。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的管连接设备，其中，所述附接特征包括两个或更多个相邻的环形雉堞部，所述环形雉堞部从所述配件的内表面径向向内突出，并且在所述环形雉堞部之间限定有凹槽。

8.根据权利要求6或7所述的管连接设备，其中，所述附接特征包括三个至五个所述凹槽。

9.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述附接特征设置在平行区上，在所述配件的所述内表面上，位于所述配件的所述第二端和所述配件的所述锥形部之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述管配件的所述第一内径等于所述设备要连接到的所述管的所述内径。

11.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述管配件的所述孔在所述第二端处具有第三内径，其中所述第二内径位于所述第一内径和所述第三内径之间，所述第三内径小于所述第二内径并大于或等于所述压缩环的所述外径。

12.根据权利要求11所述的管连接设备，其中，所述第三内径限定了所述管配件的端面，所述端面适于邻接密封到另一管或管配件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的管连接设备，其中，所述管配件在其外表面上具有能够保持装配工具的结构。

14.一种零件的套件，包括根据任一项前述权利要求所述的管连接设备中的至少一个和至少一个中空圆柱形的聚烯烃衬件，其中在所述衬件的抵靠所述管的内表面扩张的地方处所述衬件的内径大体上等于所述压缩环的所述内径。

15.根据权利要求14所述的套件，还包括装配工具，所述装配工具包括压头，所述压头具有：等于或小于所述压缩环的所述内径的外径；锥形前缘；和大体上水平的接合区，所述压缩环能够临时安装在所述接合区上的。

16.一种为管加衬的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供如权利要求14所述的零件的套件；

b.将所述配件的所述第一端附接到所述管；

c.将所述衬件插入到所述管和所述配件中，并将所述衬件抵靠所述管的内表面扩张；和

d.将所述压缩环插入所述衬件和所述配件中，使得所述衬件被压缩到所述附接特征中。

17.一种为管加衬的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供如当从属于权利要求13时的权利要求15所述的套件；

b.将所述配件的所述第一端附接到所述管；

c.将所述衬件插入到所述管和所述配件中，并将所述衬件抵靠所述管的内表面扩张；

d.将所述装配工具附接到所述管配件的外表面上的所述结构；

e.将其上安装有所述压缩环的所述压头附接到所述装配工具；

f.使用所述装配工具将所述压头和所述压缩环插入到所述衬件和所述配件中，使得所述衬件被压缩到所述附接特征中，其中在所述装配工具将所述压头的前缘抵着所述衬件的端部挤压，使得所述衬件的端部径向扩张并进而迫使所述压缩环进入所述衬件中的过程期间，所述结构使所述装配工具保持不动；以及

g.移除所述装配工具和所述压头，将所述压缩环留在所述衬件和所述配件中。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述配件通过焊接附接到所述管。

19.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，包括在所述衬件已经插入到所述管和所述配件中之后修整所述衬件至所需长度的步骤。