CN1813149A - 承重、轻量和紧凑的超绝热系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种轻量和紧凑的绝热系统，其还能够承受高程度的压缩负荷。该系统使用分隔装置(10)以提供结构支撑，并利用被分隔装置(10)支撑的薄的保护作用的外部输送管(14)的受控的弯折来形成坚固的悬链线表面，从而保护下面的绝热材料。分隔装置可包括气凝胶，或者气凝胶可提供与仍然包含在薄的外层内部的分隔装置的绝热。该系统可用于多种深水下结构的热管理，例如可用于超深水石油和气体探勘的管套管装置、立管或水下采油树。

Description

承重、轻量和紧凑的超绝热系统

背景技术

在深水和超深水的石油和气体勘探中，原油或气体通过管路系统从海床下提取到达水面。使得在管道中流动的热的原油或气体的温度维持在超过约30-50℃(取决于碳氢化合物(例如原油或天然气)的成分)是很重要的。将温度维持在这个范围内可防止在碳氢化合物从水下井流到表面上的生产工厂时，原油或气体被冷水冷却而可能发生的由于形成氢氧化物或蜡而引起的流动限制或阻塞。同样地，如果用于维护或者由于恶劣的天气而须盖住井，那么非常希望能够使得管道或管路系统的其他部分(例如，圣诞树或水下采油树、立管等)内的碳氢化合物的温度尽可能长的保持为高于沉淀温度(precipitationtemperature)，以在重新开始抽吸操作之前使得昂贵或耗时的清淤过程最小化或避免该清淤过程。

存在所谓的用于水下管套管(pine-in-pine)结构的流动确保需求。管套管结构已经是可选择的用来满足深水勘探的流动确保需求的传统的方法。这种结构使用两个厚的同心管，即内管(流线或流管)以及外管(输送管)。流线在高温(例如60-300℃)和高压(例如相当于约70MPa(10,000psi))下携带从井中开采的碳氢化合物。输送管(独立于流线)被设计为能够抵抗随着深度成比例增加(例如，在2800米处约28MPa(4000psi))的外部碳氢化合物压力。

在两个管之间的环带中，由具有相对较低的传导率的材料(例如聚酰胺)制成的开口环(split-ring)分隔装置(也称作“定心装置(centralizer)”)按照固定的间隔安装。分隔装置在将内管插到外管中的过程中起到引导作用；每个管可为1或2千米长。分隔装置还被设计为在管套管装置为了缠绕到线轴(spool)上而被弯曲时或者在管套管装置安装后弯曲时，帮助维持两个同心管之间的环形间隙。在分隔装置之间的环形间隙中，绝热材料包裹在流线周围。绝热材料可为例如热导率为24mW/m-K或更高的聚氨酯泡沫，或者以真空封装的热导率为21mW/m-K的煅制二氧化硅(fumed silica)产品。

在某些地区，从井中开采出的原油的温度只有并非很热的60℃，在安哥拉的海岸附近就是这种情况。由于相对较低的温度，需要更高级别的绝热来防止由于冷却而形成氢氧化物。而且，当沉积在浅海海底的可采石油和气体耗尽时，将逐渐在较深的水中钻井。目前的管套管设计虽然在下降至1000米的深度时能够使用，但是当水下油田的深度超过1000米时会遇到如下所述的严重障碍。

随着井深的增加，必须要克服下面的障碍和技术问题。首先，碳氢化合物的特性变得越来越倾向于形成蜡或氢氧化物。另外，因为较深的井和水面平台上的生产设备之间的距离显著增加，所以管套管装置的总热传递(OHT)值通常必须降低到非常低的值(例如0.5W/m²-℃，具有16小时中小于30℃的过渡冷却需求)，以防止还原的碳氢化合物的过冷。提供具有这一非常低的OHT值的管套管装置通常需要大大增加绝热材料的厚度，而这又将增加容纳包含在输送管内部的另外的绝热材料所需的输送管的内直径。

当输送管的内直径增加时，在这种情况下，抵抗固定的外部压力所需的输送管壁的厚度作为输送管的外直径增加的近似成比例函数而增加。另外，随着深度增加，施加到输送管的外部压力作为深度的线性函数而增加。水深每增加10.33米，压力增加1个大气压(100kPa)。在2500米处，流体静压力达到约25Mpa(3560psi)。对于给定的内径，输送管的厚度随着流体静压力的增加而近似成比例地增加。因此，当预定应用的压力增加时，也将输送管壁制造为厚度增加，这使得输送管的外直径随着预定应用深度的增加而进一步增加。

当输送管的直径和厚度变得更大时，会产生下面的缺陷。首先，管套管装置的重量会急剧增加，其重量与壁厚的平方近似成比例地增加，且随着平均直径线性增加。第二，材料成本随着钢和绝热材料用数的增加而增加。第三，为了生产该管套管装置，需要附加的劳动和较重的设备。第四，为了将管套管装置缠绕到线轴上以及为了安装该管套管设备，需要较重的设备；需要对目前使用的设备进行加固和加强(显著的资本支出水平)，以处理在2500米或更深的深度所需的更重的管道。第五，管道的水中重量对于目前使用的起重机(derrick)和船来说太大，以至于不能处理负荷以及不能使之在风大浪急的海中保持稳定；管道的过度的重量因而需要建立较大的起重机、船以及较大的浮力罐，从而导致了成本的上升以及在风大浪急的海中稳定性的下降。最后，船必须多次往返以运输所需的管道长度。

目前的管套管制造操作是非常消耗劳动力的，因而很昂贵。来自供应商的用于流线和输送管的管道通常为12米(40英尺)长。在工厂中，12米长的管道要首先被焊接在一起形成1或2千米长的外部输送管的部分。然后逐渐地将聚酰胺分隔装置(定心装置)安装到内部流线部分上，而将绝热材料包裹在定心装置之间的流线部分周围。在一个流线部分被绝热以及通过以带子捆扎而固定之后，该流线部分将被推入等待中的输送管中。下一个流线部分被焊接到要被插入输送管中的部分。定心装置在流线插入输送管期间帮助引导流线。这个过程一直继续，直到总长为1千米或2千米的管套管装置组装完成。焊接管道和安装定心装置以及绝热材料的过程以时断时续(stop-and-start)的方式进行，并且需要大量的人工劳动和时间。

在目前使用的一种可选的方法中，整个1或2千米的流线和输送管部分被分别焊接。然后，整个长度的流线以规则的间隔装配有定心装置环，在定心装置之间装配有绝热材料，并且以带子覆盖和固定到适当位置。完成的绝热流线然后被小心地插入等待的输送管中，依靠定心装置来维持环形间隙，从而在插入操作过程中保护绝热材料。

因为以上讨论的原因，当水下管路的深度显著增加时，继续使用目前的管套管装置、绝热材料的设计以及制造方法在经济上和逻辑上变得越来越不可接受。上面描述的两种制造方法代表管套管制造方法的现有技术的水平，它们非常消耗劳动力、昂贵且慢。

在一种新近的管套管设计中，内部流线覆盖有非承重的绝热材料，非承重的绝热材料被由玻璃增强塑料(GRP)制成的输送管所保护。GRP管使用机械接头(含有能够确保热性能和机械性能的承重聚合材料)在12米长的管道部分的两端机械地连接到流线。相对高性能、但是非承重的绝热材料(其热导率约为21mW/m-K)填充流线和输送管之间的环形间隙，并且提供所需的热性能。作者描述了这种新的管道与现有的管套管设计相比有多轻，以及用自动方法来制造这种管道有多方便。虽然这种新的结构的水中重量可低于为相同操作条件而设计的传统的管套管装置，但是玻璃纤维长期抵抗海水条件的能力并未得到证实，并且外层仍然很厚。因此，GRP管可能不必具备弹性弯曲性，并且因此可能需要另外的行程来将较大直径的管道运送到安装地点。

如上所述，在传统的管套管设计以及在GRP管套管设计中，内管被设计为抵抗通常较高的内部压力(例如，70Mpa(10,000psi))，而外管被设计为独立地抵抗外部破坏压力(在1.5千米(5000英尺)处为15Mpa(2170psi)，在3千米(10,000英尺)处为30Mpa(4340psi))。

发明内容

本发明公开的绝热系统可用于多种应用，例如深水管路绝热、液化天然气罐(LNG tanker)绝热、处理管线(process pipe)等。这些系统绝热系统的特征如下：重量轻、薄、成本低、绝热性能好以及承重能力高，并且易于安装和维护。已经存在的绝热系统可满足一些上面的希望的性能，但不能满足所有性能。例如，包在重金属框架中的抽空的多层绝热(MLI)在承重能力和热力性能方面具有非凡的表现；但是通常，MLI非常重和昂贵，并且难以制造、安装和维护。另一方面，低密度的硅石气凝胶(silica aerogel)具有比通常在环境条件下使用的玻璃纤维的绝热性能好五倍的优良的绝热性，尽管该低密度气凝胶在压缩之前通常不能支撑超过一部分大气的负荷。玻璃纤维很便宜，但是体积太大并且效率太低；另外，玻璃纤维是非承重的，安装很麻烦。泡沫的承重性范围非常有限，其绝热性能太低。

如下所述的绝热结构的先进的实施方案可用于深水尤其是超深水石油和气体的勘探以及其它应用。该结构包括薄的保护外层以及由外层容纳的下层结构。一个或多个分隔装置设置在外层和下层结构之间。分隔装置为外层提供结构支撑，并可使得外层能够变形，以在分隔装置接触表面之间形成悬链线(catenary)，从而在经受外部压力负荷时使得外层置于张应力下。在一个实施方案重，该绝热结构为管套管装置，其中，外层是具有薄壁的输送管，而下层结构是用于输送碳氢化合物的流线。

当对于一组给定的操作条件进行设计时，本发明可提供以下的对于现有技术水平的有益效果和显著特征：(a)薄得多(几乎一个数量级)的外层的壁；(b)小得多的输送管外直径；(c)急剧降低的总重量(降低至接近传统设计重量的一半)；(d)较高的柔韧性和较紧密的弯曲半径(接近现有技术或GRP管套管设计中的内管自身)；(e)在下层结构和外层之间具有更有效的绝热；(f)较低的材料和制造成本；(g)对于相同长度的管套管装置具有较小的线轴直径或较少的线轴；以及(h)较低的安装和维护成本等。另外，本发明公开的管套管设计尤其适用于以大规模方式自动制造，以显著降低劳动力成本，并因此降低该管套管装置的总体成本。此外，对于相同长度的用于线轴或J形铺设(J-lay)的管套管装置来说，需要较少的运输行程。

虽然本发明的不同原理已经应用于海底系统的许多部分，但是为了描述的简单，这里所提供的对本发明的描述将主要关注管套管的应用。

附图的简要说明

在下面描述的附图中，在所有不同图中的相同的附图标记表示相同或相似的部件。附图不是用来定标和强调的，而是用来描述在详细描述中所表现的方法和装置的具体原理。

图1示出了暴露出来的流线、螺旋分隔装置以及输送管的立体图；

图2是图1中的装置的放大图；

图3是具有三角形截面且具有焊接带和承重绝热材料的分隔装置的细节的部分切除的立体图；

图4是薄壁输送管的立体图，其中，输送管在外部负荷下悬链线变形，以依靠输送管的高的抗张强度而不是低的塌陷强度；

图5是具有螺旋缠绕的分隔装置(其具有三角形截面)的先进的管套管装置的预备应力曲线图；

图6表示使用地热能以保持管套管装置中的碳氢化合物的温度的热管系统；

图7是图6中的热管系统和管套管装置的不同层的特写图。

具体实施方式

传统的管套管设计，甚至是近来的GRP设计，依靠外部输送管，外部输送管具有足够的厚度和强度，以在通常的操作条件下处理其自身的外部负荷而不会塌陷(collapsing)。这使得输送管的外壁必需相对较厚。

当管道暴露于外部压力q下时，损坏方式通常是由在压缩负荷下的弹性屈服的不稳定性而导致的管道塌陷，其近似地表示为：

$q=\frac{1}{4}*\frac{E}{{1-v}^2}*\frac{t^3}{r^3}$ (公式1)

(沃伦·C·杨(Warren C.Young)，板和壳的弹性稳定性公式(Formulasfor Elastic Stability of Plates and Shells)，应力和张力的洛克公式(Roark′s Formulas for Stress and Strain)，第六版，麦克格劳-希尔有限公司(McGraw-Hill，Inc.)，公式19.a，表35，1989)，其中，q是外部压力；E是杨氏模量；v是泊松比；t是壁厚；r是平均半径。对于以间隔l保持为圆形的长管来说，

$q=0.807*\frac{E}{l}*\frac{t^2}{r}\sqrt[4]{{\left(\frac{1}{1-v^2}\right)}^3*\frac{t^2}{r^2}}$ (公式2)

(沃伦·C·杨，板和壳的弹性稳定性公式，应力和张力的洛克公式，第六版，麦克格劳-希尔有限公司，公式19.b，表35，1989)。

作为一个示例，让我们假设一个管道，其具有6英寸(15厘米)的平均半径，由钢制成，抗张强度为80,000psi(550MPa)，杨氏模量为30,000,000psi(200GPa)，泊松比(v)为0.29，它受到4,000psi(28MPa)的外部压力。因为压力来自外部，所以损坏方式为弯曲不稳性(buckling instability)；从公式1计算可知，用以抵抗由弯曲不稳性导致的塌陷所需的壁厚为0.47英寸(1.2厘米)。但是，在存在内部支撑(例如分隔装置)时，情况会向着好的方向明显变化。例如，如果分隔装置很薄且为圆形，并且沿着管道的长度均匀地设置，使得l＝6英寸(15厘米)，那么，从公式2计算可知，所需的壁厚仅为0.18英寸(4.6毫米)，这表示壁厚减小了62％。

如图1所示，具有相对较薄的壁的输送管14可由环面(annulus)中的分隔装置10(本文的术语“分隔装置”可指不连续的分隔装置或多圈螺旋缠绕的连续分隔装置)良好支撑，其中，分隔装置10被流线12稳固地支撑。在第一实施方案中，在使用不能承受外部压力负荷的绝热材料的情况下，具有薄壁的输送管14被策略性设置的分隔装置10机械地支撑，分隔装置10沿着管道12、14的长度设置在管套管装置的环面中。输送管14在分隔装置10之间形成悬链线表面，而在负荷之下，输送管14的薄的悬链线形成壁所经历的主要应力是张力。本文中所使用的“悬链线”形状或“类似悬链线”形状指的是基本与双曲余弦的曲线(其为理想的悬链线)基本密切匹配的形状。但是，理想的悬链线仅对于理想的弹性材料是可能的，在“现实世界”的结构中几乎没有。因此，本文所提的悬链线形状或类似悬链线的形状包括这样一些由于弹性的局限性和“现实世界”的影响、干扰和限制而稍稍不同于理想的悬链线的形状。

布置分隔装置10是优化的问题。如果距离太大，那么输送管14的壁厚必须较厚；如果距离太小，那么输送管14的壁厚将较薄，但是通过分隔装置10的热传导损耗将增加。为了优化分隔装置10的间距，需考虑分隔装置10的材料特性(例如热导率)和输送管壁的机械强度，以达到适当的距离。输送管壁的较大的机械强度和分隔装置10的较大的热导率都会使得分隔装置10之间(或者螺旋结构的分隔装置的圈之间)的距离较大。分隔装置10可由结构上坚固的材料(例如钢或高强度复合材料)制成。在具体的实施方案中，分隔装置10包括能够抵抗压缩负荷的单独的绝热层。

在第二实施方案中，薄壁的输送管14被环套中的先进的绝热材料(其具有优良的绝热性能以及优良的抗压强度)机械地支撑。该绝热材料的热导率可为例如50mW/m*K或更少。在本实施方案中，在外部压力负荷下输送管14的薄壁承受的主要的应力是径向的，并且主要是压缩力。在第二实施方案中的先进的绝热材料具有足够的结构强度，以抵抗机械负荷，并能提供优良的绝热水平。它同样也是第一实施方案的一种特殊情况，其中，分隔装置由特殊结构的绝热材料制成，并沿着管道的长度填充环套，而不是像第一实施方案那样以一定分隔设置。

例如，分隔装置可由气凝胶形成，例如预处理的硅石气凝胶或者高强度纤维素(cellulose)气凝胶，例如可从阿斯彭气凝胶有限公司(美国麻萨诸塞州诺斯市)(Aspen Aerogels(Northborough，Massachusetts，USA))获得。在第6,670,402号美国专利中更详细地描述了气凝胶，该专利通过引用被全部并入本文。硅石气凝胶可预先压缩到操作中所能预期的最大的压力水平；已经发现，预压缩的硅石气凝胶在它们被压缩后对于相同的厚度的热性能来说表现出很小的劣化。即使没有预压缩，纤维素气凝胶也表现出极高的结构强度，同时仍然具有优良的绝热性能。

在图1到3中所示的设计中，薄的分隔装置10螺旋缠绕在流线12上。螺旋的角度在零度(即分立的分隔环)和80度之间，其实际角度取决于所使用的分隔装置的宽度以及分隔装置之间所需的间隙。分隔装置10支撑相对较薄的输送管14(见图2)。在图3所示的实施方案中，分隔装置10的三角形的截面是很明显的，该三角形的截面尤其适于缠绕操作，并且能够在外部负荷下很好地处理来自输送管14的集中负荷。在图3中还能看见焊接带16(可选)和承重绝热材料18(可选)。可选的焊接带16焊接到分隔装置10(延伸超过分隔装置10的平坦顶面)并且焊接到输送管14，其作用是确保焊接的完整性并提供较高的焊接强度。焊接带16还能使得外部负荷分散，从而降低在操作负荷下的集中在输送管14中的应力。可选的承重绝热材料18确保通过焊接带16和通过具有三角形截面的分隔装置10的主要结构本体从输送管14的壁传递的热量显著减少。这里可以预见到分隔装置10在结构上支撑输送管14，同时能非常有效地对流线12和输送管14进行热隔绝。

输送管14的壁相对较薄，并且通过设计可使得其在正常操作下塌陷，以在策略性设置在输送管14下面的分隔装置之间形成悬链线，如图4所示。这样，最初的塌陷立即变成输送管14的拉伸负荷。因此，需要克服输送管14的较高抗张强度才会导致输送管14的损坏，而不是取决于输送管14的相对较低的塌陷强度。

已经使用公式1和2表示了如果分隔装置环(例如螺旋结构的分隔装置的连续旋转，在共同的径向位置测量)对于相同的流线直径(即10厘米)和先前给定的操作条件以15厘米(6英寸)的距离隔开，那么悬链线设计会产生输送管的厚度的62％的减小。这种在厚度上的减小将显著地降低输送管14的重量。当然，在保持管套管装置的总重量方面，需要增加分隔装置10的重量。但是，分隔装置10的重量增加对于整个范围的平均值来说贡献相对较小，远远小于由使用较薄的输送管而产生的重量节省。

分隔装置10被流线12在径向方向上支撑。分隔装置10获得通过与输送管14的接触面传递的负荷。在来自流线12内部以及来自输送管14外部的压力负荷下，分隔装置10成为输送管14和流线12之间的机械连接。实际上，这种双向负荷传递具有这样的有益效果：至少部分地将碳氢化合物的内管压力与海水的外部压力相平衡。例如，如果来自碳氢化合物的内部压力对于流线管12为69MPa(10,000psi)，而且如果由海水产生的对于输送管14的外部压力为28MPa(4000psi)，那么，在流线12上的有效负荷仅为41MPa(6000psi)。参见另一种方法，分隔装置10可被视为流线12的“梁(girder)”。如上所述，因为分隔装置的压力平衡和作为梁的效果，由于流线12所承受的负荷的有效减小，所以流线12的壁厚也可减小。

分隔装置设计

分隔装置可以是如公式2所暗示的分立的(例如，单环形式)。作为一种选择，分隔装置可具有连续的螺旋设计，如图1所示。在一种极限情况下，分隔装置将变为完整的柱形，其占据了内部流线和外部输送管之间形成的整个环套。除上述的极限情况之外，分隔装置的截面可为实心或管状(中空)，并且可为多种不同形状，例如圆形或三角形，这具体取决于所选择的材料和操作条件。图1到3示出了具有特殊截面的螺旋缠绕的分隔装置，该分隔装置设计为可良好地执行多种功能。分隔装置的截面应该使得分隔装置易于围绕管道弯曲而不会塌陷。例如，三角形、圆形、椭圆形和梯形的管可轻易地以受控的方式缠绕到管道上，而不会使得该管的内部容积过度塌陷。

图3示出了这一具体的螺旋分隔装置10的细节，该分隔装置包括在底部的承重和绝热带18和在顶部的平坦带16之间的三角形截面的管。选择三角形形状可处理压缩负荷，并使得从输送管14到分隔装置10以及到流线12的热量降到最低。从输送管传递到流线的总体热量值可为例如5W/m²-℃或更少。分隔装置10的下部(即面对流线管12的侧)具有承重和绝热带18，承重和绝热带18为高抗压强度的气凝胶带的形式，其被设计为将金属分隔装置线圈10与内部流线12进行热隔绝。气凝胶带可由预压缩的纤维加强硅石气凝胶或纤维素气凝胶形成，它们都具有所需的高结构强度和优良的绝热性能。该带的厚度由分隔装置10的绝热需求来确定，通常在1毫米到流线12和输送管14之间的环套的整个间隙大小之间变化，后面一种情况表示使用结构绝热材料作为整个分隔装置10。流线12被设计为能处理高压力的碳氢化合物流，正如当前正在使用的流线一样。

图5示出了初步的有限元分析的结果，其证实了具有分隔装置支撑的薄的外层的管套管装置的耐久性。图5中的分隔装置是螺旋缠绕的，且具有三角形截面。图5的曲线图表示，外壁中的应力直接在分隔装置上方相对较低，而在分隔装置之间的悬链线中较高。

分隔装置10还被配置为在提供为薄的外层(即，输送管14)进行必要的机械支撑的同时，在外部输送管14和内部流线12之间提供不高于最小的热量传递，在分隔装置10之间存在轴向距离的情况下，外层在分隔装置10之间形成悬链线。无论如何设计分隔装置10，通过小的接触区域(优选地，在分隔装置10和输送管14与流线12之间的交界面，如图所示)，或者通过为分隔装置10使用承重绝热材料或通过在分隔装置10和管道12、14中的一个或两个之间设置由这样的材料形成的条带而选择分隔装置以获得很高的热阻。分隔装置10可为不连续的环状分隔装置，或者为具有不同截面的螺旋缠绕的条带或管。

分隔装置截面包括(但不限于)：圆形或三角形截面的管，或矩形、圆形或三角形截面的实心杆。管状分隔装置可被排空、以流体增压或者通过通气孔与环形空隙处于压力平衡。

绝热材料

在两个同心的管道和分隔装置之间形成的间隙可被排空(以辐射屏蔽层排空)，部分或全部填充有绝热材料，或者仅仅填充有气体。优选地，绝热材料(例如低热导率气体、气凝胶或任何其它有效的绝热材料)可插入在流线12、分隔装置10和输送管14之间形成的环形空隙中，具体取决于管套管装置和所探讨的应用的需求。

管套管制造方法

这种新的管套管装置可在工厂中、在岸上、或者如果需要在船的甲板上生产。机器部件可沿着正被制造的管道的长度调整和排列，以按照以下顺序执行生产操作：

1.在管道处理部分装载和供应交付的管道(通常为12米)，以作为流线12使用。

2.在流线的焊接台处，单独长度的管道被焊接，以最终形成连续部分的流线12，通常为1或2千米长。

3.管道进料器/旋转器装置通过为将形成流线12的永久加长的管路提供线性和旋转运动而形成整个制造操作的核心。该装置包括将管道向前推动的线性推进器。线性推进器自身安装在使得长的管道旋转的旋转器上。组合之后，在管道承受不同的附加物时，该装置为管道提供线性运动以及旋转运动，以形成先进的管套管装置。分隔装置10的螺旋角和螺距通过由进料器/旋转器装置提供的线性运动和旋转运动的相对速度来控制。

4.分隔装置10的原料(例如，夹在平坦的气凝胶带和焊接带之间的三角形截面的管)在分隔装置台处被线性供应，并且通过流线12的线性/旋转运动以预期的螺距和螺旋角以螺旋的方式缠绕到内管上。

5.绝热材料的原料在绝热台处被线性供应到分隔装置10的螺旋圈之间的空间中，并且通过流线12的线性/旋转运动以预期的螺距和螺旋角缠绕到流线12上。因此，绝热材料将填充螺旋缠绕的分隔装置10之间的空间。多层的绝热材料可在单独的子工作台处设置或者在该工作台一次全部设置。在适量的绝热材料缠绕到流线12上之后，在该工作台处，绝热材料通过固定层而被固定。

6.在外层焊接台处，跨过螺旋缠绕的分隔装置10之间的间隙的薄的金属带被供应并且焊接到分隔装置的平坦的顶部上。焊接由两个相邻的金属带组成，两个金属带形成外层(即输送管14)和沿着分隔装置10的顶部焊接带居中的形成焊接的衬垫(underlayment)的平坦带16。这一结构确保输送管14在接缝处的焊接更为牢固，并确保在设计的外部压力下施加在薄的外层上的应力在可接受的界限之内。

7.在清洗部分，清洗外层的焊接，为涂覆操作做准备。

8.在端部处理部分，考虑到要牵引完成的管路，在预期长度的流线部分完成时，在长的(例如1或2千米)管道部分的开始部分和终止部分连接适当的端部部分。

9.在涂漆/涂覆(painting/coating)部分，为了不同的目的(例如腐蚀保护、防锈等)，通过施加涂层在先进的管套管装置上进行最后修整。

10.在完成部分的运输部分，执行制造过程的最后一步。一旦1千米(或2千米)部分完成，那么完成的部分将滚动到存放架中，以连接为更长(例如10或20千米长)的部分并到达线轴上，或者形成长的浮管以被拖动到安装区域。

在以上给出的描述中很明显，整个操作可在人类操作员的最小程度的参与下自动地完成。上面描述的机器部件并非特别高技术或高成本。因此，与当前使用大量人工劳力和人类参与的实践形成对比，该先进的管套管设计不寻常地具有较低的处理和制造成本。

使用承重、轻量和紧凑的超绝热系统

到目前为止，已经描述了这一新的承重的、轻量的、紧凑的超绝热系统，其中，它可用于深水下和超深水下结构应用。该系统可应用于在较高的外部压力下需要有效绝热的水下石油勘探系统的许多部分，例如流线、立管、圣诞树或水下采油树、油田中的管路、以及任何其它可受益于具有相对较薄的保护层的紧凑、轻量的超绝热的部分。类似的系统可容易地扩展为使得液化天然气罐绝热，以及任何其它需要高承重能力的应用。

特殊实施方案：

水下采油树(Subsea Tree)的绝热：

水下管路装置的圣诞树(水下采油树)具有许多不为管状的表面，例如，必须在压力负荷下绝热的表面可能大部分平坦、平坦、弯曲或不规则。这时，所描述的多种绝热系统因而可广泛地用在管套管装置；也就是说，分隔装置的条带可以适当的分隔连接到内管的表面，与管套管装置的情况一样，绝热材料可安装在分隔装置之间。因而，绝热材料和分隔装置梁可覆盖有相对较薄的外层片。这里，如同在管套管装置的情况中描述的那样，通过形成由下面的分隔装置梁支撑的悬链线表面而使得薄的外层可抵抗外部压力负荷的想法再次出现。当然，分隔装置设计为以足够窄的距离和足够的高度设置，以防止下层绝热材料的过量压力，并且将压缩负荷越过下层结构的表面分布。

液化天然气(LNG)罐的绝热

下面将简要描述如何使用这一绝热系统来有效地对大型系统(例如液化天然气罐)进行绝热。与管套管装置不同，液化天然气罐在罐内携带大量的液化天然气。当低温的液化天然气注入时，液化天然气罐承受相当大的几何/尺寸变化。绝热系统被设计为在罐收缩和膨胀时与罐一起移动，或者为了避免如果所有分隔装置全部连接而产生的较大位移而定位在局部位置。这样，根据绝热系统物理连接的位置，如果为双层设计，在绝热系统和罐或外壳之间将存在相对运动。

为了简化起见，我们假设该绝热系统连接到平坦的外壳，并且平底的LNG罐被绝热系统支撑。LNG罐在LNG罐和底板之间的交界面处的x-y平面上相对移动。这时，绝热系统包括：(a)分隔装置，其承受容纳液化天然气的容器的重量负荷，以及(b)绝热材料，例如非承重的气凝胶，其置于分隔装置之间。分隔装置包括承重绝热材料(例如气凝胶)带，以最小化通过分隔装置的热量传导。特别地，还可使用承重气凝胶来填充LNG罐和外壁之间的间隙，而不是使用单独的分隔装置。在这种特殊情况下，承重气凝胶层是分隔装置。

用于输送液化天然气的流管的绝热和支撑结构：

在另一个实施方案中，内部流管以环境压力或者稍微高压携带液化天然气，并且被分隔装置(也称作定心装置)或其它置于输送管和流管之间的环形空隙中的机械结构进一步机械地支撑。绝热材料(例如气凝胶粒子或气凝胶覆盖层)设置在环形空隙中，以在液化天然气(LNG)传输的情况下有效地将流体与获得的热量隔绝，并且防止在石油运输的情况下的热量损耗。使用由机械上坚固的材料(例如钢)制成的定心装置，并以气凝胶材料进一步绝热，以减少通过定心装置的热量传导。气凝胶材料还插入管道之间的环形间隙中和轴向方向上任意两个定心装置之间的区域中。如果使用气凝胶覆盖层，在该覆盖层围绕边缘相互交错排列在顶部上，以限制热量损耗。在对覆盖层定位之后，使用限制装置来确保覆盖层不会轻易地移动到不适当的位置。可在正常外部压力或高的外部压力(例如在海洋系统下)时施行这种实施方案。本发明提供在管路中运输液态的天然气(也可以气体形式运输)的方法。液化天然气(LNG)在低温(例如250到260°F)下运输。非常小的温度变化都可能产生在流管设计期间必须重视的压力的不良变化。由于绝热系统的效力，本发明为这些设计提供机动性。

绝热系统的其它应用：

除了上面所述，新的轻量、紧凑的超绝热系统是为了深水下或超深水下结构应用而设计的。该绝热系统具有设计优点，例如能得到高效的绝热，以及可能使得分隔装置在较长距离上相连。连续的分隔装置设计使得该系统很适于引入相变材料或热管系统，以增加该系统的有效热容量，从而延长在维护期间或者由于天气、维护或事故而引起的长期的停机期间对于井的非流动模式的持续时间。下面给出两个有关的实施例。

相变材料(PCM)的使用：

相变材料(PCM)可引入分隔装置之间的空间中甚至是分隔管内部(如果分隔管不作为热管系统使用的话)。在停机期间，存储在PCM中的热量将缓慢释放给流线内部容纳的碳氢化合物，同时覆盖PCM的绝热材料将保持基本隔离在内部的热量不受寒冷的海水的影响。通过在寒冷的海水和PCM之间提供优良的绝热，PCM可使得碳氢化合物与具有较差绝热值的管套管系统相比在较长的时间期间保持在预期温度之上。一个合适的PCM的例子是蜡，特别是石蜡/粗石蜡(petroleum/paraffin wax)，它可随着碳氢化合物的温度升高和降低而熔化和再次固化。例如，某些油的组成可在160-180°F时运输，这时蜡通常处于熔点。但是，根据运输温度，通过改变蜡的组成，可产生具有变化的熔点的PCM。当PCM从熔化状态固化时，它将热量传导回流动的碳氢化合物中。

在运行和停机过程中使得碳氢化合物保持温暖的地热管：

如果螺旋分隔装置圈为中心处的液相和汽相核配备有适当的通道(例如作为芯使用的细孔层)、在需要的长距离上连续地连接并且填充有适当的热管流体(下面提供实施例)，那么可建立这样的热管系统，它使用来自海底之下的地热能，使得在管套管装置以及其它海底系统中的碳氢化合物的温度在正常操作或即使在由于维护或风暴而停机期间的较长时间内保持高于沉淀温度。这样的装置如图6所示，其中，盘绕的热管20填充在从底部的海底通过上部的海水延伸的流线上多圈盘绕的分隔装置10之间。适当的热管流体是这样的流体，即，在运转的系统的温度和压力界限内，它的状态从液相改变为汽相或者相反。实施例包括水、乙醇、乙二醇、钠等。如图7所示，单独的热管20在多圈盘绕的分隔装置10之间延伸，并且通过气凝胶绝热层22进行热隔绝。

热管流体按照下面的路径在管道内移动。通过作用在管的内周上的细芯层上的液体的表面张力，液体从管道的冷端向热端输送，液体在热端汽化并集中进入气体通道(在核心区最常见)。通过汽化产生的汽化压力驱动气体向着较冷区域移动。一旦气体到达较冷区域，它将凝结为液体并进入芯，以在芯层内通过表面张力引起的抽吸送回到较热区域。这种热管系统不需要电加热或其它加热方法，而电加热或其它加热方法的安装和维护非常昂贵、因而远不如上面描述的热管系统那么理想。

在对本发明的实施方案的描述中，为了清楚起见而使用特定的术语。为了描述的目的，每个特定术语应该至少包括以类似方式操作以实现类似目的的所有的技术上和功能上的等价物。另外，在本发明的具体实施方案包括多个系统元件或方法步骤的某些示例中，这些元件或步骤可被单个元件或方法所取代；同样，单个元件或步骤可被多个实现相同目的的元件和步骤所取代。此外，虽然本发明参照其具体的实施方案进行表示和描述，但是本领域技术人员应该理解，可在不背离本发明的范围的情况下进行各种其它形式上和细节的变化。

Claims (42)

1.一种用于输送水下碳氢化合物的方法，所述方法包括：

A)提供一种管套管装置，该装置包括：

1)输送管；

2)安装在所述输送管内部的流线；

3)设置在所述输送管内部的至少一个分隔装置，所述分隔装置为所述输送管和所述流线提供结构支撑并维持所述输送管和所述流线的相对位置，所述分隔装置使得所述输送管能够抵抗较大的外部压力而没有结构损坏；

B)将所述管套管装置放置在水下的一个深度处，所述深度处的水压超过所述输送管在缺少由所述分隔装置提供的结构支撑时的径向塌陷强度，其中，所述输送管产生受控塌陷以在所述分隔装置之间形成悬链线状的表面。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使得碳氢化合物通过所述输送管流动的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述碳氢化合物是天然气或原油。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述分隔装置用于使得来自海水的向内的径向力与在所述流线内部的增压的碳氢化合物的向外的径向力相平衡，从而对于相同的绝热水平，使得所述流线和输送管的壁厚和直径减小，其中，所述向内的径向力由海水施压在所述输送管上，并通过所述分隔装置从所述输送管向所述流线传递。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述分隔装置包括气凝胶。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述气凝胶选自预压缩的硅石气凝胶、纤维素气凝胶或其组合。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述管套管装置进一步包括置于所述输送管和所述流线之间的绝热系统。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述绝热系统包括气凝胶。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述绝热系统的热导率小于或等于50mW/m*K。

10.如权利要求7所述的方法，其中，所述管套管装置进一步包括置于所述分隔装置和所述流线之间的绝热带。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述绝热带包括气凝胶。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述输送管的壁在水下的设计深度处部分塌陷，以在所述分隔装置之间形成悬链线状的表面。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述输送管的主要损坏方式是所述悬链线状表面在深度增加时的拉伸断裂。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述管套管装置进一步包括焊接带，所述焊接带焊接到所述分隔装置的顶部以及所述输送管的内侧，以增加焊接完整性并使得从所述输送管传输到所述分隔装置的压力负荷分散。

15.一种在水下应用的管套管装置，所述装置包括：

输送管；

安装在所述输送管内部的流线；以及

在所述输送管内部的至少一个分隔装置，所述分隔装置使得所述输送管与所述流线径向分离并提供足够的结构支撑，所述输送管足够薄，从而使得所述输送管可在足够大的外部压缩负荷下在所述分隔装置之间形成悬链线，从而使得所述输送管损坏是因为所述输送管的悬链线区域的张应力，而不是因为由外部压力下的弯折所引起的塌陷。

16.如权利要求15所述的管套管装置，其中，所述输送管自身不能够独立地抵抗由海水的碳氢化合物的流体静压力而引致的25MPa的外部压缩负荷，所述分隔装置为所述输送管提供足够的支撑，以使得所述输送管能够抵抗所述碳氢化合物的静压力。

17.如权利要求15所述的管套管装置，其中，所述分隔装置包括气凝胶带或者气凝胶复合物。

18.如权利要求15所述的管套管装置，进一步包括安装在所述分隔装置与所述流线之间和/或所述分隔装置与所述输送管之间的气凝胶带。

19.如权利要求15所述的管套管装置，其中，所述分隔装置为围绕所述流线的螺旋圈的形式。

20.如权利要求19所述的管套管装置，其中，所述螺旋圈为实心杆的形式，所述实心杆的截面的形状选自圆形、椭圆形、三角形或梯形。

21.如权利要求19所述的管套管装置，其中，所述螺旋圈为管的形式，所述管的截面的形状选自圆形、椭圆形、三角形或梯形。

22.如权利要求15所述的管套管装置，其中，所述分隔装置为围绕所述流线的管状螺旋圈的形式，所述螺旋圈管包含有用于对所述管套管装置进行热学管理的传热介质或真空。

23.如权利要求22所述的管套管装置，其中，所述螺旋圈管包含有传热介质，所述传热介质选自水、乙醇、乙二醇、钠或其组合。

24.如权利要求15所述的管套管装置，其中，所述分隔装置为沿着所述流线的轴向方向以基本均匀的间隔分隔开的分立的环的形式。

25.如权利要求24所述的管套管装置，其中，所述环由实心杆或管构成，所述实心杆或管的截面选自圆形、椭圆形、三角形或梯形。

26.如权利要求15所述的管套管装置，其中，从所述输送管到所述流线的总热传输值最多为5W/m²-℃。

27.一种用于对具有外部压力负荷的结构进行绝热的方法，包括：

提供保护外层，所述保护外层缺乏足够的厚度以独立地承受施加到其上的操作性外部压力负荷；

提供下层结构，所述下层结构包含在所述保护外层内；

提供至少一个绝热的分隔装置，所述分隔装置具有间距或样式，使得其在被所述下层结构支撑时，对所述薄的保护外层进行机械支撑，并且基本阻止所述保护外层和所述下层结构之间的热传递；

提供绝热系统，所述绝热系统的热导率小于或等于50mW/m-K并基本填充在所述下层结构和所述保护外层之间形成的空隙容积内；以及

将所述提供的各部件设置在操作环境中，其中，所述操作的外部压力负荷施加在所述保护外层上。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述结构是管套管装置中的流线，所述保护外层是输送管，所述输送管具有足够薄、可塌陷的壁并且被所述分隔装置支撑，从而在所述操作性压力负荷下在所述分隔装置之间形成悬链线状的表面。

29.如权利要求27所述的方法，其中，所述结构是填充有一种或多种碳氢化合物的管路的水下采油树。

30.如权利要求27所述的方法，其中，所述结构是水下立管。

31.如权利要求27所述的方法，其中，所述结构是液化天然气罐。

32.一种用于使液化碳氢化合物流线绝热的方法，包括：

提供流线；

在所述流线周围提供至少一个绝热的分隔装置；

提供外部输送管，所述输送管与所述流线同轴排列并围绕所述流线，以在所述管道之间形成环形空隙，其中，所述分隔装置位于所述环形空隙中；

提供绝热系统，所述绝热系统的热导率小于或等于20mW/m-K，所述绝热系统基本填充在所述流线和所述输送管之间的环形空隙中的所述分隔装置外部的空隙容积内；以及

使得液化碳氢化合物通过所述流线流动。

33.如权利要求32所述的方法，其中，所述绝热系统包括气凝胶。

34.如权利要求33所述的方法，其中，所述气凝胶为一个或多个覆盖层的形式。

35.如权利要求33所述的方法，其中，所述气凝胶为颗粒形式。

36.如权利要求32所述的方法，其中，所述碳氢化合物是液化天然气。

37.如权利要求32所述的方法，其中，所述分隔装置由绝热材料制成。

38.如权利要求32所述的方法，其中，所述分隔装置由气凝胶材料制成。

39.如权利要求1所述的方法，进一步包括在多个位置处监控所述装置的温度。

40.如权利要求15所述的装置，进一步包括温度传感器，所述温度传感器被设置用于测量所述装置中的多个位置处的温度。

41.如权利要求27所述的方法，进一步包括在多个位置处监控所述结构的温度。

42.如权利要求32所述的方法，进一步包括在多个位置处监控所述系统的温度。

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