CN1864024A - 改进的用于传热系数小的刚性双壁管的定距和定心装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于例如属于卷绕类型的、打算用来运输碳氢化合物的刚性双壁管(110)的定距和定心装置。刚性管(110)包括两个通过环形空间(114)分开的同轴管(116、118)。根据本发明，定距和定心装置容纳在所述环形空间(114)中，以便在两个同轴管(116、118)之间维持一个间距。本发明的装置是包括元件(130)，它由一种导热性小的材料制成并包括气凝胶，所述元件至少部分地覆盖有由聚合物类型的塑料制成的外壳(132)。

Description

改进的用于传热系数小的刚性双壁管的定距和定心装置

技术领域

本发明涉及一种定距和定心装置，尤其用在打算用来运输碳氢化合物的刚性套管系统(pipe-in-pipe system)上。

背景技术

这类刚性管包括两个同轴管，即，一个刚性的外管或输送管(carrier pipe)和一个刚性的内管或流送管(flowline)，它们通过一个环形空间分隔开，所述定距和定心装置，或者说间隔件，容纳在所述环形空间中，以便使两个同轴管彼此之间保持一定的距离。

这些管子被设计用来借助于铺设船(laying vessel)安装于海底，尤其是通过一种称作“卷管(reeled pipe)”技术的方法。

套管系统一般用于水下生产作业线，尤其用于运输碳氢化合物，并且，需要让它们绝缘，因为重油在其自海底朝向水面运输期间在冷却的同时具有固化的趋势。绝缘之所以必要，还在于为了避免形成氢氧化物，它们会在某些类型的原油冷却下来时出现，例如在生产中断的时候。

绝热是通过给管子的环形空间填充一种导热性小的材料而实现的。

此外，这样制造套管系统，即，它们的环形空间是干燥的，以便提高绝热性能。还可将环形空间保持在大气压力下，这样所述材料既不会受到输送管所承受的静水压作用，也不会受到在内管中流动的碳氢化合物的压力作用。因而，刚性的套管系统就能采用多种提供良好绝缘的导热性小的材料。

通常，主要采用两种技术来从铺设船铺设水下管，即，J形铺设或S形铺设方法和“卷管”技术。

在第一种技术中，管子通过在铺设于海底之前首尾相连地焊接管长而组装在船上。这种技术费时且代价高，需要一个电焊工作队呆在铺设船上。

“卷管”技术包括一个在地面上组装管子的阶段和一个在卷盘上卷绕管子的阶段，随后，将管子运输到沿着计划位置解绕(unwind)的生产地点。较之J形铺设方法，该铺设技术可使使用铺设船的时间更短。

在“卷管”技术中，当刚性管在卷盘上卷绕时，它发生塑性变形，而当管子解绕时，该塑性变形通过一个矫直机构消除。在卷绕过程中，张力被施加到管子上，以便使外管的形状与卷盘贴合。因而，外管通过与卷盘接触或在管层已经卷绕的情况下弯曲。

在卷绕和解绕的操作当中，弯曲力通过在环形空间中沿着管子布置的间隔件或环形壁从输送管传递到流送管。在解绕过程中，管子得到矫直，外管通过矫直部件比如对置辊或一个矫直张紧装置的组件(这对于本领域的技术人员是众所周知的)牵拉。矫直力被施加到输送管的外部且仅借助于定距和定心装置传递到流送管。

因为这些装置沿着套管的分布是不连续的，所以流送管被局部地矫直，且因此是不完整的。因而，流送管在矫直之后具有残留的弯曲部分，这取决于间隔件在环形空间中的间隔。流送管在输送管中的最终相对位移造成的结果就是，两管子之间存在的环形空间局部缩小，这潜在地就有可能压缩使管子绝缘的导热性小的材料。

随着“卷管”技术在套管系统上的应用，绝缘材料的连续长度必须通过间隔件分开，且间隔件的间隔必须足够小以能够将弯曲力从输送管传递到流送管，并且避免两管子之间的环形空间局部缩小。

当绝热材料属于半壳类型时，绝缘材料的局部压缩导致绝缘性能降低，并在整体上导致管子的绝缘性能降低。为了弥补这一损失，需要添加多个间隔件并使它们相互靠近，以便防止压缩绝缘材料。

然而，添加了额外的间隔件，其绝热性能相对于使用的绝缘材料要小，必定减少了绝热材料的总量，因此降低了管子的绝热性。

还可通过增大输送管的直径和/或减小流送管的直径来改变管子的形状，以便能增加绝缘材料的量，但这样的解决办法却产生了其它问题，特别是改变普通标准管的直径，这会增加成本和/或降低管子的性能。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，提供一种绝缘性能提高了的刚性套管，其能够借助于常见的矫直技术在铺设过程中卷绕和解绕。

为此，根据第一目的，本发明提出了一种定距和定心装置，它用在打算用来运输碳氢化合物的可卷绕起来的一类刚性套管上，所述刚性管包括两个通过一个环形空间分开的同轴管，所述定距和定心装置容纳在所述环形空间中，以便使两个同轴管彼此之间保持一个距离，所述定距和定心装置包括由气凝胶构成的导热性小的材料制成的元件，所述元件至少部分地覆盖有由聚合物类型的塑料制成的外壳。

因而，本发明的一个特征在于采用气凝胶来形成定距和定心装置，气凝胶的导热性小，例如小于0.1W/mK。

因此，不仅所述元件是绝热的，而且其机械强度尤其是其抗压强度大，例如大于10MPa，于是所述定距和定心装置的总机械性能与现有技术中描述的间隔件相当。

因此，相对于现有技术中的管子，管子的总绝缘增量约为15-20％，其中，定距和定心装置由塑料例如聚酰胺制成的制件构成。

此外，在生产管子的时候，此期间例如将1km的装有所述定距和定心装置的内管插入由通过焊接组装的管子构成的外管，所述装置在与外管的内壁起摩擦的情况下遭受了应引起相当重视的磨损，特别是在从所述内壁稍微突伸的焊缝处。为了防止所述元件受到因两管子与所述定距和定心装置之间的相对位移引起的磨损，所述元件至少在接触表面上覆盖有由塑料制成的外壳，该塑料不仅有利地耐磨，而且抗机械击打尤其是抗冲击。该塑料例如是聚酰胺。

所述元件优选由两个弧形的半件形成，两个半件的自由端分别适于通过连接装置连接在一起。由此安装变得容易，因为只需通过一同分别调节它们的自由端来组装两个半件，从而通过所述连接装置包围流送管。所述连接装置例如通过在自由端构造切向孔并将可旋元件导入孔中而形成，可旋元件将在下面说明书的后续部分中更为详细地描述。

根据另一个目的，本发明提出了一种可卷绕的刚性套管，它包括多个如上所述的定距和定心装置，这些定距和定心装置沿着所述刚性管彼此间隔开。

因而，依靠所述定距和定心装置，所述刚性套管适于安装，尤其是根据称作“卷管”的技术，由此环形空间不会变形，且因此，保持了管子的总绝缘性能。

为了实现这一点并采用特别有利的方式，定距和定心装置在所述环形空间中间隔开一个小于5米的距离，且环形空间有利地在所述定距和定心装置之间填充有一种导热性小的材料。

此外，由于设置了该定距和定心装置，所述管子的平均传热系数有利地小于所述导热性小的材料在环形空间中延伸的一部分管子的传热系数的11/10，优选是10.5/10。因此，所述管子绝热良好，因为本发明的定距和定心装置具有绝缘性能，且给管子提供的绝缘性接近于环形空间未采用任何定距和定心装置而完全填充了绝缘材料的管子的绝缘性。因此，与现有技术中的管子相比，管子的内部与外部之间的热交换要少，在现有技术中，采用的是在管子的内部与外部之间形成热桥的间隔件。

附图说明

通过阅读下面参照附图作为非限制性实例给出的本发明的具体实施例的说明，本发明的其它特征和优点将会体现出来，其中：

图1是本发明刚性套管的局部纵剖图；

图2是本发明装置的细部透视图；

图3是图2所示装置元件的细部局剖图；

图4是图2所示装置在组装之后的剖面图；

图5是根据另一实施方式的装置元件的剖面图；

图6是根据又一实施方式的装置元件的剖面图；

图7是示出了根据第一变型实施例的本发明装置的局部径向剖面图；

图8是示出了根据第二变型实施例的本发明装置的局部径向剖面图；

图9是根据第三变型实施例的本发明装置的局部透视图；

图10是图9所示装置的径向剖面图；

图11是根据第四变型实施例的本发明装置的局部透视图；

图12是图11所示装置的径向剖面图。

具体实施方式

图1、2、5和6中起相同功能的相似或相同元件具有相同标号。

图1示出了刚性套管(pipe-in-pipe)110的一部分，该刚性套管110包括一个根据本发明的定距和定心装置112，该定距和定心装置112由环形间隔件(distance piece)构成，所述间隔件容纳在两个同轴刚性管即一个输送管118和一个流送管116之间的环形空间114中。此外，环形空间114充有一种导热性小的材料120，其适用于使待输送的流体例如碳氢化合物的流送管116的内部122绝热。这种热绝缘设置在内部122与外部124之间，这样某些化合物就不会在沿着管子运输期间冷却而发生物理变形。例如石蜡(paraffin)会在冷却的同时冻结，和/或氢氧化物会沉淀且导致管子堵塞。

环形间隔件112在这里以剖面示出，外表面128面向输送管118延伸，优选与输送管间隔开，而环形间隔件112的内表面126支承在流送管116上，使得两管子116、118彼此之间保持一距离。环形间隔件112有利地安装在流送管116上的固定位置，随后插入输送管118中，环形间隔件112与输送管118之间设有一道功能间隙。

环形间隔件112包括环形的元件130，其由导热性小的材料制成，且至少部分地覆盖有塑料制成的外壳132。

元件130由一种有机或无机的气凝胶型的绝热性非常大的材料制成，且它具有一种模制在其上的塑料，例如聚酰胺，其耐磨且能抵抗各种机械应力如冲击、压缩或剪切。

气凝胶是由一种凝胶制成的，该凝胶已被干燥以便将其溶剂除去，且保存在原胶中形成的固体结构。溶剂在干燥期间已由空气替代，且原胶(initialgel)随后形成固体。

因而，无机型的气凝胶例如一种单块硅气凝胶具有大约0.1g/cm³的密度和大约5％的固体百分比。

这里使用的刚性气凝胶例如是无机的，且其导热性小于0.1W/mK，例如是0.012W/mK。

并且，尽管其密度小，但元件的抗压强度还是高的，大于10Mpa，例如100Mpa，这样在模制成型之后，它就适用于抵抗两个管子116、118在管卷绕随后解绕的过程中靠近而施加的应力，更具体地说，它适用于从外管将径向力传给内管。

由于它的导热性要比现有技术中当前用来生产间隔件的塑料的导热性小10或100倍，因而通过环形间隔件112大大减少了管子110的热量总损失，约为20-30％。

参见图2，下面将描述将本发明的装置连接到流送管的方式，所述方式根据环形间隔件的特定形式而定。

环形间隔件212是由两个相互对称的弧形半间隔件236、238构成的，它们的凹部面对，使得能够包围流送管。两个半间隔件各具有两个自由端240、242，它们能够通过将要描述的连接装置连接，以便形成环形间隔件212。半间隔件236、238中的每一个都包括一个半环形式的元件230，其由一种导热性小的材料制成，且覆盖有一个由塑料制成的外壳232。

在径向剖面中，两个半间隔件都具有两个叠置的部分，即一个限定了外表面226的外部245和一个限定了内表面228的宽度较窄的内部247，这两个部分通过两个彼此对称的侧肩部246、248分开。此外，两个半间隔件的自由端240、242中的每一个都具有一个切向孔250，其构造在半间隔件的厚度方向上且在一侧开放于外表面226，而在另一侧开放于半间隔件的径向剖面的表面252。自由端240、242的孔250由此分别适于按此方式相互作用，即，每对孔都可接纳一个打算将自由端240、242连接在一起的螺钉254。

螺钉254分别用来与螺母258和止推垫圈或套环256相互作用。

图3示出了两个组装的半间隔件236、238的两个相对的自由端242，它们通过连接了螺母258和套环256的螺钉254保持固定在一起，螺母258和套环256随之一起牵拉半间隔件236、238的两自由端242。为了将两对自由端保持在一起，两个自由端242的孔250具有内肩部272，螺母258和套环256分别支靠在内肩部272上。

这样一来，就形成了一个夹在流动管周围的刚性结构，同时地，两半间隔件236、238相对彼此保持在固定的位置上，与此同时，它们相对彼此沿相反方向径向且纵向地锁定。

这种连接使得能够如图4整体所示地将环形间隔件212保持在流送管上的固定位置，两个半间隔件236、238的两个其它相应的自由端240以相同的方式对称地连接在一起。

而且，适于通过凹头转动的螺钉254完全容纳在环形间隔件212的厚度中，免得干涉外表面226靠在输送管上的支承。

图6示出了根据另一实施方式的弧形半间隔件636，该弧形半间隔件是打算用来配对的，以便形成环形间隔件，半间隔件636的径向剖面与图1中所示的环形间隔件的径向剖面基本相同。相比之下，在图2中所示的环形间隔件上，外表面626的宽度要比内表面628的窄，这就有可能获得一个抵靠流送管的摩擦力大于抵靠输送管的摩擦力的环形间隔件。

根据又一实施方式，如图5所示，它同样示出了弧形半间隔件536，径向剖面不再是对称的，而是不对称的。在此宽度基本相同的外部545和内部547相对彼此纵向错开，从而形成两个肩部546、548，其支承面彼此相对。一个肩部548是将要面向输送管的，而另一个肩部546是将要面向流送管的。

在本发明的这两种实施方式中，如图5和6所示，半间隔件536、636都具有对应的半环形式的元件530、630，其由导热性小的材料制成，且覆盖有由塑料制成的外壳532、632。

在上述的所有实施方式中，本发明的装置可通过在气凝胶上模制塑料而生产，从而部分或全部地覆盖它。此外，螺母和止推垫圈或套环适于与气凝胶一起模制成型，从而简化了组装。

然而，根据本发明的特定实施方式，仅内表面和外表面在其上模制有塑料，装置的侧面仍然是没有的，且允许气凝胶露出。因而，获得了一个其壁形成了一夹层结构的装置。参见图7至12，现在将在四个不同的变型实施例中描述本发明的定距和定心装置。

图7示出了环形间隔件712的径向剖面，该径向剖面包含有元件730，该元件730是由一种刚性气凝胶构成的。在剖面中，元件730具有一个弧780，它通过两个彼此叉开的同轴部分782在端部延伸。此外，由气凝胶制成的元件730位于由聚酰胺制成的两部分784与786之间。倘若气凝胶有脆性，就通过一层加接或模制成型的聚酰胺层788保护元件730的下部。

根据第二变型，如图8所示，环形间隔件812在嵌入包围它的聚酰胺中的内部包括元件830，该元件830由刚性气凝胶制成，其在剖面中具有直线侧811和圆形部分813，该直线侧811朝间隔件812的内部定位，而圆形部分813朝外部定位。元件830基本上在间隔件812的宽度上延伸。

图9示出了根据本发明的第三变型实施例的间隔件912的弧形半间隔件936，该间隔件912保持在流送管916上。该环形间隔件具有支靠在流送管916上的第一突起915，其包含在图10的剖面中示出的由气凝胶制成的元件930。

在突起915之间，环形间隔件912与流送管916之间保持有一定的距离，从而不传导热量，而将别的绝缘材料有利地插在流送管916与间隔件912之间。

根据图11和12中示出的第四变型，间隔件1112的突起1115朝向外部定位，且它们包含在图12的剖面中示出的由气凝胶制成的元件1130。根据这一变型，间隔件在突起之间与输送管(未示出)间隔开，且突起支靠在该输送管上。正如在前面的变型中那样，输送管和间隔件之间的空间可填充别的绝缘材料。

Claims (9)

1、一种用于例如可卷绕类型的、用来运输碳氢化合物的刚性套管(110)的定距和定心装置，所述刚性管(110)包括两个通过环形空间(114)分开的同轴管(116、118)，所述定距和定心装置容纳在所述环形空间(114)中，以便使两个同轴管(116、118)彼此之间保持一个距离，其特征在于，它包括由气凝胶构成的导热性小的材料制成的元件(130)，所述元件至少部分地覆盖有由聚合物类型的塑料制成的外壳(132)。

2、如权利要求1所述的定距和定心装置，其特征在于，所述气凝胶是无机基的。

3、如权利要求1或2所述的定距和定心装置，其特征在于，所述元件(130)是由两个弧形的半件(236、238)形成的，所述两个半件(236、238)的自由端(240、242)分别适于通过连接装置(254、256、258)连接在一起。

4、如权利要求1-3中的任一项所述的定距和定心装置，其特征在于，所述塑料是一种特别耐磨的材料。

5、如权利要求1-4中的任一项所述的定距和定心装置，其特征在于，所述元件(130)具有大于10MPa的抗压强度。

6、一种可卷绕的刚性套管，其特征在于，它包括多个如权利要求1-5中的任一项所述的定距和定心装置，这些定距和定心装置沿着所述刚性管(110)彼此间隔开。

7、如权利要求6所述的刚性管，其特征在于，所述环形空间(114)包括一处于所述定距和定心装置之间的导热性小的材料。

8、如权利要求6或7所述的刚性管，其特征在于，所述定距和定心装置间隔开一个小于5米的距离。

9、如权利要求6-8中的任一项所述的刚性管，其特征在于，其平均传热系数小于所述导热性小的材料在环形空间中延伸的一部分管子的传热系数的十分之十一。

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