專利名稱：改進型軟管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管子，特別是涉及一種適用于低溫用途的管子。本發(fā)明尤其涉及 適合用于海床上或海床附近的海洋管路。
背景技術(shù)：
有許多系統(tǒng)從離岸結(jié)構(gòu)，如輪船或其它平臺，向海底管路運輸流體。所述系統(tǒng)的示 例包括(1)傳統(tǒng)的多浮筒系泊(multi-buoy mooring, CMBM)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一立管 (riser)直接從離岸接頭向下伸入管路，在軟管的長度上間或布置支撐浮筒。(2)單塔式單系泊(single tower mono-mooring, STM)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一系泊塔被固定到海床上并延伸到海平面。系泊塔支撐了從海平面 延伸到離岸結(jié)構(gòu)的管路。軟管或其它管子可從離岸結(jié)構(gòu)延伸并在系泊塔頂被連接到軟管的 端部。(3)單錨腿系泊(single anchor-leg mooring, SALM)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一浮筒 定位于離岸結(jié)構(gòu)附近，浮筒附加于并支撐著位于海床上或海床附近的連接器單元。立管從 離岸結(jié)構(gòu)延伸到連接單元，然后從連接單元到管路。管子另外的部分從連接器單元伸入管 路。(4)懸鏈錨腿系泊(catenary anchor-leg mooring,CALM)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一浮 筒定位于離岸結(jié)構(gòu)附近。立管從浮筒伸向通常位于海床上或海床附近的水下連接器單元。 管子另外的部分從連接器單元伸入管路。軟管或另外的管子可從離岸結(jié)構(gòu)延伸并在浮筒上 連接到軟管的末端。CALM系統(tǒng)有各種不同的設(shè)置，包括“陡S (SteepS)，，系統(tǒng)，“緩S (Lazy S)，，系統(tǒng)和“燈籠(ChineseLantern) ” 系統(tǒng)。上述的所有系統(tǒng)是在本領(lǐng)域中已知的，并且還存在其它沒有在上面介紹過的其它 有可能的系統(tǒng)，如使用中間離岸結(jié)構(gòu)。所有這些系統(tǒng)中必要的特征是能將流體從離岸結(jié)構(gòu) (如輪船)運送到水下結(jié)構(gòu)(如管路)的立管。立管以及立管支撐結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)置，可隨著 特定離岸位置處占優(yōu)的情況改變。根據(jù)系統(tǒng)的特定細節(jié)，立管包括水中的，漂浮的和空中的 部分。管路通常通過兩種方法中的一種來構(gòu)造。用于岸上和離岸管路的第一種和通常最 常用的方法是通過將長度短的金屬管焊接起來。金屬管可被涂覆以防被腐蝕，并且經(jīng)常在 海洋應(yīng)用中具有混凝土涂層用于重量和機械保護。在一些應(yīng)用中，厚涂層例如合成聚氨酯 (syntacticpolyurethane)被施加用于隔熱。涂層通常在接合點形成之后施加。在離岸結(jié) 構(gòu)中，接合點可從鋪管船(lay barge)在大致水平位置形成(被稱為"S lay"方法)或在 接近豎直位置形成(被稱為"J lay"方法)。在深水管路結(jié)構(gòu)中，"J lay"方法通常是 優(yōu)選方法。短管段在離岸鋪管船上的接合的可選方案是卷繞方法(reelingmethod)，其中連 續(xù)管路利用一定程度的塑性變形存儲在大卷軸上。當管路從卷軸上鋪開時，其通過校直機以便將存儲狀態(tài)的塑性變形消除。
在一些應(yīng)用中，對于熱性能和水深能力(最大深度)的隔熱要求使得開發(fā)出了管 套管系統(tǒng)。將較短的管置于另一管內(nèi)部并將它們接合形成連續(xù)的管路。在這些同心管子之 間的環(huán)隙可以被填充上隔熱材料或保持真空。用于低溫用途的相對短的岸上管路是常用的，并且典型地由奧氏體不銹鋼構(gòu)造， 它們適于在與液氮相關(guān)的溫度大約-196°C和與液態(tài)天然氣相關(guān)的溫度大約-163°C處工 作。岸上低溫管路應(yīng)用的公知問題是當管路從環(huán)境溫度冷卻到傳輸?shù)囊簯B(tài)天然氣的溫度時 發(fā)生熱收縮。對于奧氏體不銹鋼來說，這等于大約2. 8mm/m的收縮。為了控制所產(chǎn)生的熱 應(yīng)力，在管路中有規(guī)律地放置膨脹環(huán)(expansion loop)。由OsakaGas和其它人更近時期的 研究是利用由36%的鋁鎳和64%的鐵制成的管路。這種合金的商標名公知為INVAR(注冊 商標)。這種在1896年由Charles-Edouard Guillaume發(fā)明的合金在溫度變化時具有最小 的尺寸變化。當從環(huán)境溫度冷卻到液態(tài)天然氣溫度時收縮量為0. 3mm/m，數(shù)量級小于奧氏體 不銹鋼。這非常有利，因為它明顯減少了對膨脹環(huán)的大量應(yīng)用。作為金屬，奧氏體不銹鋼和INVAR(注冊商標)沒有有效的隔熱性能，因此或者應(yīng) 用傳統(tǒng)隔熱，或者允許管路利用積累的冰層自隔熱。因此，海底低溫管的共同的問題是1)與低溫流體接觸的材料在LN2溫度處必須不能是脆的。2)在低溫流體和外部海水溫度之間必須有非常有效的隔熱以便將由大約200攝 氏度溫差(液態(tài)天然氣的-163相對于大約10攝氏度的海水溫度=173攝氏度的溫差)引 起的熱補給量(heat influx)所導致的沸騰(boil off)最小化。3)管路的軸向/縱向(即沿著管路)的收縮必須受到控制，因為管路在兩端被有 效地約束，當冷卻時顯現(xiàn)出巨大的力，因為管路要冷縮但其又不能收縮。如上所述，解決1)的傳統(tǒng)方案是內(nèi)部管子使用奧氏體不銹鋼(例如316L)，9%的 鎳和36%的鎳(Invar)。所有這些是符合低溫條件的，但是從奧氏體到invar熱收縮系數(shù) 減小。316收縮非常嚴重，因此需要狗腿(dogleg)膨脹環(huán)來處理第三個問題。Invar消除 了這個問題，因為其名義上的零收縮系數(shù)以及9%的鎳，見背景文獻。第二個問題通過將內(nèi)部管子放置在外部管子內(nèi)并使環(huán)隙具有隔熱性能來解決。這 是所謂的管套管方案，這是很多專利的焦點區(qū)域。一種選擇是在環(huán)隙中形成真空，這是一種 非常有效的解決手段?？蛇x手段是使用非常高效的隔熱體，已經(jīng)有幾種(見專利文獻)，最 近的焦點在一種相對新的隔熱材料上，其稱為氣凝膠(aerogel)或納米凝膠(nanogel)。這 些隔熱材料也已經(jīng)與部分真空相結(jié)合以提供所述隔熱材料。實質(zhì)上，已知技術(shù)是帶有環(huán)隙隔熱的管套管方案。至今還沒有海洋管路被建造用于低溫應(yīng)用。用于傳輸?shù)蜏亓黧w的海洋管路必須解 決熱膨脹和隔熱這兩個問題。這已經(jīng)導致了基于傳統(tǒng)管套管設(shè)計的同心管設(shè)計的發(fā)展。這 些設(shè)計使用INVAR(注冊商標)解決熱膨脹問題，而在所形成的環(huán)隙中使用高性能隔熱材料 (例如氣凝膠)來解決隔熱問題。這些設(shè)計在材料和結(jié)構(gòu)方面是非常昂貴的。本發(fā)明尤其涉及通常位于海床上或海床附近的管路。這種管路典型地包括外部管 子、內(nèi)部管子和布置在外部管子和內(nèi)部管子之間的隔熱層。如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，外部 管子可以是不銹鋼的，內(nèi)部管子可以是鐵鎳合金，例如以INVAR商標銷售的材料。為此目的選擇材料INVAR(注冊商標)是因為其具有低的熱膨脹系數(shù)，使得盡管內(nèi)部管子和外部管子之間存在溫度差，但是內(nèi)部管子和外部管子以相似的量膨脹和收縮，這主要是由于存在隔 熱層所致。盡管具有INVAR(注冊商標)內(nèi)部管子的管路對于傳輸?shù)蜏亓黧w非常有效，但它 們由于含有鎳成分因此非常昂貴。W02006/044053公開了一種將低溫流體從船舶運送到水下位置的系統(tǒng)。但是該專 利沒有包含關(guān)于如何設(shè)計這種輸送低溫流體的管路的任何信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種管路，其具有耐用性/魯棒性(robustness)以及具 有適于通過管路有效傳輸流體的耐溫特性。本發(fā)明的目標是基于復合技術(shù)的單管方案。其可能希望將管子放置在另一管道內(nèi) 用于機械保護或提供環(huán)隙來測試泄露，但這不是如上所述的管套管方案。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種管路，尤其是海底管路，其包括由復合材 料形成的管子。復合材料是有利的，其使得管子在軸向/縱向上以及徑向/環(huán)向上具有足 夠的機械強度以承受由內(nèi)部壓力(通常20-30barg)產(chǎn)生的載荷以及控制在縱向和環(huán)向上 的相等的熱收縮系數(shù)。鋪設(shè)使得縱向收縮接近零，即略微負的或正的都是希望的使得溫度 產(chǎn)生的任何軸向力只是略微拉長或壓縮。較少關(guān)注徑向上的收縮，因為其將被內(nèi)部壓力部 分抵消。這種復合管的壁厚將被構(gòu)造為提供對于熱和壓力載荷的期望機械響應(yīng)，以及還提 供最終的顯著的隔熱性能。這減少了對任何附加隔熱的需求，這些需求對于傳統(tǒng)聚合物隔 熱體(例如聚氨酯或聚乙烯)是需要的，它們可能具有隔熱填料，例如結(jié)合在其中的玻璃珠 (glass beeds)。結(jié)果是基于復合材料的“傳統(tǒng)的”隔熱管子通過控制軸向上的熱收縮性以 及使用復合材料相對于金屬的超隔熱性能來解決低溫工作的固有問題。本質(zhì)上，本發(fā)明的這個方面涉及由復合材料制成的管子，優(yōu)選海底管子，最優(yōu)選 地，復合材料布置成使得縱向上的熱膨脹是從0到大約-/+IOX 10_6° Γ1的有效縱向熱膨 脹系數(shù)(CTE)。優(yōu)選的縱向熱膨脹系數(shù)的范圍是從低于0(例如低于或等于大約-0.01° K—1 或大約-0.1° Γ1)到-/+‘ΧΙΟ—6。1(_1，最優(yōu)選從0到-/+2\10_6或從0到-/+2\10_6° Γ1。 管子可具有外部管子或內(nèi)部管子，外部管子或內(nèi)部管子可以由復合材料制成，也可以不由 復合材料制成。本發(fā)明的另一方面涉及復合材料在低溫工作中的使用，其中我們可消除在一個方 向上的熱收縮。這是管路，尤其是海底管路，的一個發(fā)展?！皬秃喜牧稀笔怯蓛煞N或更多種材料結(jié)合制成以提供獨特的和特定的一組性能的 材料。復合材料的最通常形式是樹脂內(nèi)的纖維基(matrixof fibres) 0纖維可以在縱向上 連續(xù)為一個定向，或者纖維可以短長度的混合定向。這些纖維通常是高強度纖維，例如無堿 玻璃纖維(E-glass)、高強度玻璃纖維(S-glass)、芳綸纖維(例如商標Kevlar)或碳纖維。 樹脂封裝纖維，并且其可以熱塑性樹脂，例如聚乙烯、聚酰亞胺(polyimide)、聚酰胺、含氟 聚合物、聚氯乙烯(Poly(Vinylchloride),PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚醚酮(PEEK)或熱固性樹 月旨，例如環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂。復合材料可以是分層結(jié)構(gòu)，其具有多層在樹 脂基中定向在不同方向的縱向纖維以實現(xiàn)期望的機械性能。使用復合材料內(nèi)的高強度纖維 通常會使結(jié)構(gòu)具有相當大的強度重量比，為此，發(fā)現(xiàn)復合材料在航空和汽車工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括壓力容器應(yīng)用。
復合材料，例如環(huán)氧樹脂的很多組成部分不適合以大塊同質(zhì)(bulkhomogeneous) 形式在低溫工作，主要是因為它們在低溫時的脆性。但是，當組合材料很小心地結(jié)合在纖維 中并與基質(zhì)中的其它組合材料分層，那么結(jié)構(gòu)的相互作用使得可以克服對大塊同質(zhì)組成材 料的限制。 我們發(fā)現(xiàn)選擇纖維是非常重要的，我們優(yōu)選使用高強度碳、芳綸、玻璃或超高分子 量聚乙烯纖維或它們的組合。例如，Ε-Glass, Kevlar-49, MS-LM(中強度-低模量，Medium Strength Low Modulus)碳纖維的代表性拉伸強度、拉伸模量和密度按順序是拉伸強度為 3450、3790、4138Mpa ；拉伸模量是 72、124、228GPa ；密度是 2. 6,1. 4,1. 8g/cc。我們已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)熱固性樹脂和熱塑性樹脂都可以被使用。環(huán)氧樹脂和聚醚醚酮(PEEK)的密度都是大約 1. 3g/cc。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用包含一些這種高強度纖維的復合材料，尤其是在第一構(gòu)件 中，在保持高耐壓性能的同時明顯減少了端部配件的重量。使用復合材料的另一優(yōu)點是其與鋼相比具有較低的熱導率。典型地，熱導率是大 約0. 1到lW/m. ° K，其比奧氏體不銹鋼低至少一個數(shù)量級。這在低溫應(yīng)用中是尤其有利的， 因為它減少了端部配件所需要的熱絕緣的量，從而減小了產(chǎn)生低溫流體沸騰的熱補給。在 低溫流體傳輸中沸騰是低效率的，因此非常期望減小沸騰率。這在輪船到輪船的傳輸中尤 其重要，在這種傳輸中漂浮低溫柔性軟管的端部配件與水接觸。因為復合材料的固有低熱導率，有可能利用固有熱梯度在內(nèi)部復合層的外部構(gòu)造 隔熱材料或復合材料的連續(xù)層。隔熱層可以是例如熱塑性樹脂中的中空隔熱纖維，或充氣 聚氨酯。聚氨酯的使用提供了可能的魯棒(耐用)的外部機械保護層。因此，端部配件的 端部第一和/或第二構(gòu)件可以由多層材料構(gòu)成，其中一些層或所有層是復合材料，優(yōu)選具 有2W/m. ° K或更小的熱導率，更優(yōu)選地熱導率為lW/m. ° K或更小。第一和/或第二層中 的一些層可以是非復合材料層，例如是優(yōu)選具有低于2W/m. ° K，更優(yōu)選地低于lW/m. ° K的 熱導率的非復合聚合物材料。非復合材料可以是熱塑性樹脂或聚氨酯。因此，根據(jù)本發(fā)明 有可能由設(shè)計成為端部配件提供期望整體性能(bulk properties)的材料層構(gòu)建端部配件 的零件。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用碳和某種芳綸纖維的稀有性能是特別有優(yōu)勢的，特別是聚對 苯二甲酉先對苯二胺(poly-(p-phenyleneterephthalamide)),已知為 Kevlar (商標)或 Twaron (商標)，原因是它們展現(xiàn)出負的縱向CTE和正的橫向CTE。例如，Kevlar-49的縱向 CTE是-2Χ10_6° Γ1，而在橫向方向上為68Χ10_6。Γ1。在含有這些纖維的疊層式復合構(gòu) 造中，溫度減小時，層片(Ply)在纖維方向上膨脹在橫向上收縮。我們注意到內(nèi)部剪切力在 層片的平衡對稱設(shè)置內(nèi)生成，結(jié)果是遇冷時的縱向凈膨脹。通過調(diào)整纖維方向，有可能控制 住如下點處發(fā)生膨脹的量級，該點處能夠?qū)崿F(xiàn)從零到約-10X10_6° IT1的有效縱向CTE。我 們能夠構(gòu)造出復合尾部，以便控制住密封環(huán)下徑向尺寸改變的量級，進而實現(xiàn)在溫度減小 時增加密封接觸壓力。優(yōu)選的縱向CTE范圍從零以下(例如，低于或等于約-0.01° K—1或 約-0.1° Γ1)到-4Χ1(Γ6。Γ1，最優(yōu)選為-1Χ1(Γ6 到-2Χ1(Γ6。ΚΛ根據(jù)本發(fā)明的管路在一些情況下可以進一步包括內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)包 括柔性軟管，其中柔性軟管包含置于內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件之間的管狀主體，所述管狀主體 包括密封層并且由能承受低溫的材料形成，其中，內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)具有足夠保護外部剛性管道不受在內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)中流動的低溫流體的低溫影響的隔熱性能。在一個特別有利的實施例中，剛性管道和柔性軟管的端部被密封以防止流體進入 剛性管道和軟管之間。在進一步特別有利的實施例中，管子的至少一端適于被連接至水下立管。根據(jù)本發(fā)明的管子適于在水下的位置處使用。但是，應(yīng)該理解，在使用中不是所有 的管子 都必須布置在水下。管狀主體優(yōu)選地至少包含至少兩個加固層，在它們之間夾著密封層。優(yōu)選地，在外部夾緊構(gòu)件和軸向加強裝置之間布置另外的加固層。優(yōu)選地，對于8”(200mm)直徑的軟管，加固層的極限強度在100到700kN之間。優(yōu) 選地，加固層失效處的彎曲應(yīng)變在2%到15%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，軟管進一步包括軸向加強裝置。優(yōu)選地，軸向加強裝置包含大致管狀的護 套，所述護套是由管狀形狀的薄片材料形成，從而護套可在遭到軸向張力時保持它管狀形 狀的完整性。軟管可配有兩個或多個管狀護套，以便進一步改進軟管在軸向張力下的表現(xiàn)。 特別優(yōu)選地，軸向加強裝置是大體管狀織帶形式的。在本說明書中，術(shù)語“織帶”是指由兩 個或多個編結(jié)形成細長結(jié)構(gòu)的纖維或紗線形成的材料?？棊У奶卣魇撬梢栽谑艿捷S向張 力時伸長。織帶另外的特征是當形成管狀形式時，在織帶受到軸向張力時它的直徑會減小。 因此，通過在管狀主體周圍或管狀主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供管狀織帶，織帶可在受到軸向張力時 對至少部分的管狀主體施加徑向向內(nèi)的作用力。優(yōu)選地，整個管狀護套是織帶形式的。然 而，可能僅有管狀護套長度的一個或多個部分是織帶形式的。還優(yōu)選地，織帶始終圍繞管狀 護套的周邊延伸。然而，可能僅有管狀護套周邊的一部分是織帶形式的?？棊Э梢允嵌S 形式的(也就是，該形式中織帶是僅由兩根編結(jié)的纖維或紗線形成)或三軸形式的(也就 是，該形式中還存在縱向延伸的纖維或紗線，以增加軸向強度)。盡管優(yōu)選提供織帶形式的軸向加強裝置，它還可以成為滿足上面所指定的功能要 求的其它形式。因此，軸向加強裝置可以是圍繞管狀主體螺旋地包纏的繩索或帶的合適結(jié) 構(gòu)。因此，可選地，或另外地，軸向加強裝置包含多個軸向加強條帶，所述條帶沿著軟 管的長度上延伸。優(yōu)選地，軸向加強條帶圍繞軟管的周邊平均間隔分布?？赡艽嬖趦筛?根，四根，五根，六根，七根，八根或更多的條帶。更優(yōu)選的是存在三根，四根，五根或六根條 帶，且其中四根或六根條帶是最優(yōu)選的。優(yōu)選地，每根軸向加強條帶是由具有經(jīng)線和緯線的 織物制成。更優(yōu)選地，每根軸向加強條帶的經(jīng)線方向相對于軟管縱軸的角度為0°到10°。 還更優(yōu)選地，每根軸向加強條帶的經(jīng)線方向相對于軟管縱軸的角度為0°到5°。最優(yōu)選 地，每根軸向加強條帶的經(jīng)線方向相對于軟管縱軸的角度為0°到2°。軸向加強裝置可被置于外部夾緊構(gòu)件或管狀主體之間。可選地，軸向加強裝置可 結(jié)合在管狀主體內(nèi)部，也就是，在加固層和密封層之間。軟管構(gòu)造的材料應(yīng)當選擇成能夠在它所要工作的環(huán)境下進行工作。因此，就需要 軟管能夠在其中運輸加壓流體而不讓流體穿過其壁發(fā)生泄漏。還需要軟管能承受反復的撓 曲和承受由軟管和流體重量的組合所引起軸向應(yīng)力。而且，如果軟管打算用于傳輸?shù)蜏亓?體，那么材料應(yīng)該能夠在極冷的溫度下工作而性能不會有明顯的降低。所述或每一加固層 的主要目的是承受軟管在其中運輸流體過程中所受到的環(huán)向應(yīng)力(hoop stress)。因此，具有所要求的柔度并可承受必要應(yīng)力的任何加固層都是適合的。并且，如果軟管要用于運輸 低溫流體，那么所述或每一加固層必須能夠承受低溫。優(yōu)選地，所述或每一加固層是由薄片材料形成，所述材料通過將薄片材料以螺旋 形式纏繞而被纏繞成管狀形式。這意味著所述或每一加固層沒有很多對軸向張力的抗力， 施加軸向作用力會將繞組拉分。所述或每一加固層可包含薄片材料的單連續(xù)層，或可包含 兩個或多個薄片材料的單連續(xù)層。然而，更通常地(取決于軟管的長度)，所述或每一薄片 材料層可以由沿軟管的長度設(shè)置的多個獨立長度的薄片材料形成。在優(yōu)選實施例中，所述或每一加固層包含織物，最優(yōu)選為機織物。所述或每一加固 層可以是天然或合成材料。傳統(tǒng)地，所述或每一加固層是由合成聚合物，如聚酯，聚酰胺或 聚烯烴形成。合成聚合物可以是纖維，或紗線形式的，織物是由它們生成的。當所述或每一加固層包含聚酯時，它優(yōu)選為聚對苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene terephthalate) 0當所述或每一加固層包含聚酰胺時，它可以是脂肪族聚 酰胺(aliphatic polyamide)，如尼龍，或者可以是芳香族聚酰胺，如芳綸化合物。例如，所 述或每一加固層可以是聚對苯二甲酰對苯二胺(poly-(p-phenyleneter印hthalamide))， 如KEVLAR (注冊商標)。 當所述或每一加固層包含聚烯烴時，它可以是聚乙烯，聚丙烯或聚丁烯均聚物，或 共聚物或三聚物，優(yōu)選地為單軸向或雙向定位。更優(yōu)選地，聚烯烴是聚乙烯，并且最優(yōu)選地 聚乙烯是高分子量聚乙烯，尤其是UHMWPE。在優(yōu)選實施例中，軸向加強裝置也是UHMWPE。本發(fā)明中使用的UHMWPE—般具有的平均分子量是400，000以上，典型地為 800，000以上，通常是1，000, 000以上。平均分子量通常不超過大約15，000, 000。UHMWPE 優(yōu)選地以分子量從大約1，000, 000到6，000, 000為特征。UHMWPE在本發(fā)明中最有用的是高 定向和可以通常在一個方向上拉伸至少2-5次和在另一方向上至少10-15次。UHMWPE在本發(fā)明中最有用的是具有大于80%的平行定位，更通常地為大于90%， 優(yōu)選地為大于95%。結(jié)晶度一般大于50%，更通常地為大于70%。85-90%的結(jié)晶度是可 能的。UHMWPE在例如下述專利文獻中有描述，US_A_4344908，US-A-4411845， US-A-4422993, US-A-4430383， US-A-4436689， EP-A-183285, EP-A-0438831，禾P EP-A-0215507。特別有利地是，所述或每一加固層包括高定向UHMWPE，如從DSM高性能纖維 BV(荷蘭公司)可獲得的商品DYNEEMA，或者US公司聯(lián)信公司(AlliedSignal Inc.)的商 品SPECTRA。關(guān)于UHMWPE的其它細節(jié)由DSM高性能纖維BV發(fā)行的，版本為02/98，命名為 "DYNEEMA ；纖維的最高性能；特性和應(yīng)用”的貿(mào)易手冊公開。關(guān)于SPECTRA的其它細節(jié)由聯(lián) 信公司發(fā)行的，版本為5/96，命名為“Spectra性能材料”的貿(mào)易手冊公開。這些材料自從 20世紀80年代就可以得到。在優(yōu)選實施方式中，所述或每一加固層包括由布置在緯線和經(jīng)線方向上的纖維形 成的機織物。我們發(fā)現(xiàn)特別有利地是，所述或每一加固層設(shè)置為使織物經(jīng)線方向相對于軟 管軸向的角度小于20° ；此角度最好大于5°。在優(yōu)選實施方式中，所述或每一加固層設(shè)置 為使織物經(jīng)線方向相對于軟管軸向的角度為10°到20°，最優(yōu)選地為大約15°。密封層的目的主要是防止運輸?shù)牧黧w穿過管狀主體泄漏。因此任何具有要求的柔度和能夠提供所需的密封功能的密封層都是適合的。并且，如果軟管要用于運輸?shù)蜏亓黧w 的話，那么密封層必須能承受低溫。密封層可由與所述或每一加固層相同的基礎(chǔ)材料制成，特別是UHMWPE?？蛇x地， 密封層可以是含氟聚合物，比如聚四氟乙烯(PFTE)；氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylenecopolymer)，如從杜邦氟制品的商品特富龍FEP得到的六氟丙烯和 四氟乙烯的共聚物(四氟乙烯-全氟丙烯)；或者氟化烴-全氟烷氧基烷烴(fluorinated hydrocarbon-perfluoralkoxy)-從杜邦氟制品的商品特富龍PFA得到。這些薄膜可以通過 擠壓或者吹制制成。 優(yōu)選地，密封層由以螺旋方式纏繞成管狀的薄片材料形成。與加固層一樣，也就是 說當施加軸向力將纏繞部分拉開時，所述或每一密封層對于軸向拉力不具有很多阻力。密 封層可以包括薄片材料的一個單一連續(xù)層，或者可以包括薄片材料的兩個或更多單一連續(xù) 層。但是，更通常地(取決于軟管的長度)，所述或每一薄片材料層可以由沿軟管的長度設(shè) 置的多個獨立長度的薄片材料形成。如果需要的話，可以在內(nèi)部加固層設(shè)置包括一個或多 個熱收縮密封套筒(即管狀)的密封層。我們希望密封層包括多個薄膜疊層。優(yōu)選地為至少2層，更優(yōu)選地為至少5層，更 好為至少10層。實際上，密封層可以包括20，30，40，50或者更多薄膜層。層數(shù)的上限取決 于軟管的整體尺寸，但是不可能需要超過100層。通常，最多50層已經(jīng)足夠了。每一薄膜 層的厚度范圍典型地為50-100微米。當然，設(shè)置多于一個密封層是希望的。隔熱層可貼附于復合管的內(nèi)側(cè)，也就是置于復合管的內(nèi)側(cè)?？蛇x地，隔熱層可被置 于軟管和復合管之間，作為與軟管和剛性管道分開的層。然而，優(yōu)選地，隔熱層是被結(jié)合在軟管中的。隔熱層可被貼附于軟管的外面，也就 是置于外部夾緊構(gòu)件的外面，或者它可在外部夾緊構(gòu)件內(nèi)被置于外部夾緊構(gòu)件和管狀主體 的密封層之間。隔熱層可包含任何傳統(tǒng)的用于在低溫儀器中隔熱的材料，比如合成泡沫材 料。在一個優(yōu)選實施例中，隔熱層包含細長構(gòu)件，所述細長構(gòu)件由隔熱材料制成且具 有相反縱邊緣，細長構(gòu)件螺旋地纏繞在管狀主體周圍，使得所述層的相反縱邊緣處于相鄰 或搭接的形式，其中每個縱邊緣包括能夠與相反的縱邊緣上的配合結(jié)構(gòu)相咬合的結(jié)構(gòu)。優(yōu) 選地，細長構(gòu)件被置于外部夾緊構(gòu)件的外面，并且從而形成外部層的覆蓋層。適合的細長構(gòu) 件在2004/044472中有更詳細的介紹。在另一優(yōu)選實施例中，隔熱層包括玄武巖纖維(basalt fibres)形成的織物。適 合的玄武巖纖維織物可從Sudaglass纖維公司得到，商品名為BT_5，BT_8，BT-10, BT-Il和 BT-13。優(yōu)選地，織物厚度從大約0. Imm到大約0. 3mm。如果需要的話，可使用多層玄武巖織 物。應(yīng)當理解到可以提供出多于一層的隔熱層，并且軟管可包括兩種或多種不同類型 的隔熱層。優(yōu)選地，在軟管的每一端配有端部配件。優(yōu)選地，端部配件是在W001/96772或WO 2004/079248中介紹的類型。軟管的內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件優(yōu)選為螺旋夾緊構(gòu)件，更優(yōu)選為螺旋線。因此，優(yōu)選地，每個夾緊構(gòu)件形成夾緊和保持管狀主體的線圈，以及任何其它的居間層。優(yōu)選地，內(nèi)部 和外部線圈以具有相同節(jié)距的螺旋形態(tài)施加，并且外部線圈的線圈位置被安置成與內(nèi)部線 圈線圈位置偏離半個節(jié)距的長度。在另一實施例中，內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)配有隔熱材料形成的隔熱層。隔熱層可以是管狀 主體的特有層，或者可以是形成在外部夾緊構(gòu)件周圍的層。在另一實施例中，隔熱材料形成的隔熱層位于內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)和外部管之間。
在另一實施例中，隔熱體可通過置于內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)和外部管之間的空隙中的顆粒 狀隔熱材料(如小球)實現(xiàn)。隔熱顆粒可典型地包含玻璃微球，珍珠巖，聚苯乙烯顆粒。顆 ?？梢院唵蔚赝ㄟ^將它們泵抽到內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)和外部管道之間而置于空隙中。要求的隔熱效果可通過上述特定技術(shù)的任意組合實現(xiàn)?？梢赃x擇軟管和復合管的尺寸使得它們相接觸，或者優(yōu)選地使得在軟管和復合管 之間存在間隙。優(yōu)選地，在內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)和復合管之間存在一個或多個間隔器，以便維持 管道與內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)之間的間隔位置關(guān)系。所述或每一間隔器優(yōu)選包含圍繞軟管的外側(cè) 延伸的環(huán)。沿軟管的長度上可存在多個所述環(huán)。所述或每一間隔器環(huán)可以是例如聚氨酯 (polyurethane)、聚四氟乙烯(PTFE)、或木材例如巴爾沙木(balsa)或科克木(cork)。所 述或每一間隔器環(huán)可以是橡膠的，如果存在保護橡膠間隔器不受內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)中流動的低 溫流體的溫度影響的充分底層隔熱體的話。在另一實施例中，間隔器可以是螺旋地包纏在內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)和外部管之間的繩或 條的形式。所述包纏物可以是長節(jié)距的和/或短節(jié)距的。繩或條可以是，例如，聚酯繩，橫 截面為長方形的聚氨酯條帶或橫截面為圓形的橡膠。依照本發(fā)明的管子在非常多樣的應(yīng)用中都是有用處的，但是它在對低溫流體的運 輸中特別有用，特別是溫度低于-100°C的流體，更優(yōu)選是溫度為或低于約-104°C的流體 (乙烯的沸點)，以及最優(yōu)選是溫度為或低于約-150°C的流體。管子可以有效地運輸溫度 約-162°C的LNG，并且可以有效地運輸溫度分別約為-183°C或-196°C的液氧或液氮。實際 上，管子可以使用的最低實際溫度是從約-200°C到-220°C。剛性管道的內(nèi)徑優(yōu)選為至少150mm。更優(yōu)選地，軟管的內(nèi)徑優(yōu)選為至少150mm。軟 管的內(nèi)徑可大到400mm乃至大到600mm或800mm。典型地，管子所給出的長度從5m到20m，但是有可能給出更長或更短的管子長度。 管段可以接合在一起從而提供期望長度的管路，其可以是幾十米或幾百米或長達幾千米。根據(jù)本發(fā)明的管子可以通過將軟管或?qū)ǘ藢Χ诉B接起來的多節(jié)軟管的一系 列軟管放置在剛性管道內(nèi)來制造，例如通過將其拉動穿過管道。大體上，管子的工作壓力范圍在大約500kPa表壓(gauge)到大約2000kPa表壓， 或者可能達到大約2500kPa表壓。這些壓力涉及軟管的工作壓力，而不是爆裂壓力(其必須 大幾倍)。體積流速取決于流體介質(zhì)，壓力和內(nèi)徑。典型地流速為從1000m7h到12000m3/ h0根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括多個如上所述的管子的管路，所述管子端 對端連接。管路可以是幾米長，但優(yōu)選是至少100米長，更優(yōu)選是至少200米長，最優(yōu)選是 至少500米長。管路優(yōu)選不超過5000米長，更優(yōu)選不超過2000米長，并且可以小于1000 米長。典型地，長度是從100米到2000米。
依照本發(fā)明的管子在涉及將流體，尤其是低溫流體沿著海床運輸?shù)膽?yīng)用中特別有用?？赡苄枰霉茏訉⒘黧w在兩個離岸水面結(jié)構(gòu)之間運輸或者在離岸水下結(jié)構(gòu)和基于陸地 結(jié)構(gòu)之間運輸。離岸水面結(jié)構(gòu)可以是永久性的結(jié)構(gòu)或臨時結(jié)構(gòu)，并且它被設(shè)置在水面上；應(yīng)當理 解到在一般的環(huán)境中一些結(jié)構(gòu)會延伸到水面上而一些結(jié)構(gòu)會被水浸沒。永久性結(jié)構(gòu)是一 種安裝后就永遠保持固定在海床的位置上的結(jié)構(gòu)。永久性結(jié)構(gòu)的例子包括鋼套(steel jacket)支撐結(jié)構(gòu)和重力底座(gravity base)支撐結(jié)構(gòu)。臨時結(jié)構(gòu)是一種可以從一個位置 移動到另一個位置的結(jié)構(gòu)。臨時結(jié)構(gòu)的例子是漂浮艇，通常具有鋼或混凝土外殼，比如輪船 或駁船或潛式或張力腿平臺(tension legplatform)另一個臨時結(jié)構(gòu)的例子是浮式采油存 儲和卸貨單元。離岸水面結(jié)構(gòu)可具有從海床下采油或采氣的裝置。另外，或不然的話，離岸 水面結(jié)構(gòu)可具有儲油或儲氣的裝置，并且所述氣體可以是液態(tài)形式的。因此，依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種在第一離岸水面結(jié)構(gòu)和第二離岸水面 結(jié)構(gòu)之間運輸流體的系統(tǒng)，包含第一立管，所述第一立管可工作地連接到第一離岸水面結(jié) 構(gòu)以及連接到沿著海床布置的管路的第一端；第二立管，可工作地連接到第二離岸水面結(jié) 構(gòu)以及連接到所述管路的第二端，從而流體能從第一離岸水面結(jié)構(gòu)流動到第二離岸水面結(jié) 構(gòu)或反之亦然，其中，管路的至少一部分是由依照本發(fā)明如上所述的管子形成的。依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種在第一離岸水面結(jié)構(gòu)和基于陸地結(jié)構(gòu)之間運 輸流體的系統(tǒng)，包含第一立管，所述第一立管可工作地連接到第一離岸水面結(jié)構(gòu)以及連接 到沿著海床布置的管路的第一端；管子，所述管子可工作地連接到所述基于陸地結(jié)構(gòu)和連 接到所述管路的第二端，從而流體能從第一離岸水面結(jié)構(gòu)流動到所述基于陸地結(jié)構(gòu)或反之 亦然，其中管路的至少一部分是由依照本發(fā)明如上所述的管子形成的。所述基于陸地結(jié)構(gòu) 可以是例如基于陸地存儲設(shè)備。在一個實施例中，所述系統(tǒng)包括位于水面上的浮筒，第一和/或第二立管從所述 浮筒延伸到離岸水下結(jié)構(gòu)，并且軟管由浮筒支撐。前面介紹過的CALM系統(tǒng)就是所述系統(tǒng)的 一個例子。然而，依照本發(fā)明的系統(tǒng)可以是CMBM系統(tǒng)，其中依照本發(fā)明的軟管直接從離岸水 面結(jié)構(gòu)延伸離岸水下結(jié)構(gòu)。或者，依照本發(fā)明的系統(tǒng)可以是SALM系統(tǒng)，其中水面浮筒被附加在位于海床上的 水下連接器上，并且軟管直接從離岸水面結(jié)構(gòu)延伸離岸水下結(jié)構(gòu)。在上述的系統(tǒng)中，優(yōu)選地進一步具有由浮筒支撐的流體連接器。流體連接器適于 與從離岸水下結(jié)構(gòu)延伸的立管上端部流體連通，并且與離岸水下結(jié)構(gòu)延伸的管子流體連 通。通過這種方式，流體可以通過連接器從管子流動到立管中。連接器優(yōu)選為可旋轉(zhuǎn)的，從 而離岸水面結(jié)構(gòu)可以繞浮筒旋轉(zhuǎn)。這種形式的連接器通常被稱作“回轉(zhuǎn)連接器”(“swivel connector")。適于運輸?shù)蜏亓黧w的回轉(zhuǎn)連接器的例子在EP0833769中公開。依照本發(fā)明的系統(tǒng)還可用于在W02006/044053中介紹過的那種類型的系統(tǒng)，其中 提供了潛式浮筒。因此，依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種在離岸水面結(jié)構(gòu)和管路之間運 輸流體的系統(tǒng)，包含a)具有第一端部和第二端部的第一低溫立管，其中第一立管的豎直 位置是可調(diào)節(jié)的，所述第一立管的所述第二端部位于水體中并與所述管路流體連通；以及 b)第一潛式轉(zhuǎn)臺連接器，其聯(lián)結(jié)到所述第一立管的所述第一端部，所述第一連接器適于可釋放地聯(lián)結(jié)到離岸水面結(jié)構(gòu)上從而低溫流體可在所述離岸水面結(jié)構(gòu)和所述第一立管的所 述第一端部之間相通，所述第一連接器泊于所述水體的底部以使得所述第一連接器的豎直 位置可改變，其中第一連接器適于讓所述離岸水面結(jié)構(gòu)繞所述水體表面上的所述第一連接 器旋轉(zhuǎn)，此時所述第一艇被連接到所述第一連接器上，其中管路的至少一部分是依照本發(fā) 明的管子形成的，如上所述。
應(yīng)當理解到水面及水下離岸結(jié)構(gòu)都是離岸設(shè)置的，也就是，位于海，洋，湖泊，海港 或其它水體中。然而，對結(jié)構(gòu)與海岸的距離沒有特別的限制，那就是說，例如，幾米，幾百米， 幾千米或幾百千米。依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種在水下運輸流體(優(yōu)選是低溫流體)的方法， 所述方法包含將流體流過依照本發(fā)明如上所述的管子。優(yōu)選地，管子被置于水下的位置。優(yōu) 選地，管子位于海床上。


現(xiàn)在要參見的是附圖，其中圖1是依照本發(fā)明管子的一部分的橫截面視圖；圖2是圖1中所示管子的軟管的橫截面視圖；圖3是畫出了依照本發(fā)明的將低溫流體從輪船上輸送到管子的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式首先參見圖1和2，依照本發(fā)明的管路一般用100表示。管路包含軟管10和復合 管30。請注意，軟管10是可選的，在根據(jù)本發(fā)明的管路中不是必須的。軟管10包含管狀主體12，所述管狀主體包含內(nèi)部加固層14、外部加固層16、以及 夾在層14和16之間的密封層18。環(huán)繞著外部加固層16外表面布置用于提供軸向加強的 織帶形式的大致管狀護套20。管狀主體12和管狀護套20位于形式為內(nèi)部螺旋線圈線22和外部螺旋線圈線24 之間。內(nèi)部和外部線22和24被布置為它們彼此偏移對應(yīng)于線圈半個螺旋節(jié)距長度的距離。隔熱層26圍繞外部線24布置。隔熱層26可以是，例如，傳統(tǒng)的隔熱材料的，如泡 沫塑料的。加固層14和16包含合成材料如UHMWPE或芳香族酰胺纖維制成的機織物。密封層18包括多個環(huán)繞內(nèi)部加強層14的外表面包纏的塑料薄膜層，以在內(nèi)部和 外部加強層14和16之間提供流體密封。端部配件28被配備在內(nèi)部管10的每一端部上，并起到端接(terminate)管子10 的作用。端部配件28可以是，例如，在W001/96772或WO 2004/079248中介紹過的那種類 型的端部配件。軟管10可通過下述步驟形成將內(nèi)部線22圍繞芯軸包纏；將內(nèi)部加強層14圍繞 內(nèi)部線22包纏；將密封層18圍繞內(nèi)部加強層14包纏；將外部加強層16圍繞密封層18包 纏；將管狀護套20拉至外部加強層16上，將外部線24圍繞護套20包纏，并將隔熱層26加 在外部線24和護套20上。復合管30包含金屬管32，金屬管32攜有外部防水涂層34。
在金屬管30和軟管10之間形成有環(huán)形空間36。環(huán)形空間可被留作空隙，或可以被部分地或全部地填充上隔熱材料38(見圖1)。當環(huán)形空間留作空隙時，可設(shè)置間隔器(未 示出)以保持軟管10相對于剛性管道30就位。間隔器可以是盤狀的，它帶有用于容納軟 管10的內(nèi)圓孔。要運輸?shù)牧黧w可流過軟管10內(nèi)的基本為筒形的空間40。圖3畫出了使用依照本發(fā)明的管路100的示例性系統(tǒng)的示意圖。在圖3中所示的 系統(tǒng)是CALM系統(tǒng)，但管路100可以同樣適用于其它系統(tǒng)，比如SALM系統(tǒng)，CMBM系統(tǒng)和STM 系統(tǒng)。在圖3中，裝有LNG存儲單元(未畫出)的輪船300漂浮在海面302上。海下管 路304沿著海床306延伸。水面系泊浮筒308漂浮在水面上，與輪船300有一段距離。浮 筒308包括位于其頂部的可轉(zhuǎn)動部分310，所述可轉(zhuǎn)動部分可相對于浮筒308的下面部分回 轉(zhuǎn)。系泊繩索312從輪船300上延伸到轉(zhuǎn)盤310上，并且錨鏈314從浮筒308的基部延伸 到海床306。軟管318從輪船300上延伸到浮筒308上。軟管318具有高浮力，因此它可以浮 在水面上。軟管316從浮筒308上延伸到管路304上。軟管318連接至軟管316，由此，流體 可以從輪船302上的存儲單元流動到管路304中(或反之亦然)。管路304由圖1所示的 管子10的多節(jié)長度構(gòu)造。應(yīng)當理解到上面所述的本發(fā)明可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進行修改。
權(quán)利要求
一種管路，包括復合管子，其由復合材料形成，所述復合材料設(shè)置成使得其在縱向上的熱膨脹是從0到大約-/+10×10-6°K-1的有效縱向熱膨脹系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管路，其中優(yōu)選的縱向熱膨脹系數(shù)范圍是從0 到-/+4xi(r6。r1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管路，其中優(yōu)選的縱向熱膨脹系數(shù)范圍是從0到-/+2X10_6 或從 o 到-/+2X10-6。r1。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的管路，進一步包括外部管子和/或內(nèi)部管子，它們可 以由復合材料制成，也可以不由復合材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管路，其中外部管子和內(nèi)部管子的至少其中之一由隔熱材料 制成。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的管路，進一步包括內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu) 包括柔性軟管，其中所述柔性軟管包括布置在內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件之間的管狀主體，所述 管狀主體包括密封層并且由能承受低溫的材料形成，其中，內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)具有足夠保護外 部剛性管道不受在內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)中流動的低溫流體的低溫影響的隔熱性能。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的管路，其能夠承受高于lObarg的內(nèi)部壓力。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的管路，其適于連接到油或氣體的源。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的管路，其是海底管路。
10.一種在第一離岸水面結(jié)構(gòu)和第二離岸水面結(jié)構(gòu)之間運輸流體的系統(tǒng)，包含第一 立管，所述第一立管可工作地連接到第一離岸水面結(jié)構(gòu)以及連接到沿著海床布置的、根據(jù) 前述任一權(quán)利要求所述的管路的第一端；第二立管，可工作地連接到第二離岸水面結(jié)構(gòu)以 及連接到所述管路的第二端，從而流體能從第一離岸水面結(jié)構(gòu)流動到第二離岸水面結(jié)構(gòu)或 反之亦然。
11.一種在水下輸送流體的方法，其包括將流體流過根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要 求所述的管路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述流體是低溫流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中，所述管路布置在水下的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12的方法，其中，所述管路的至少一部分布置在海床上。
全文摘要
一種管路(100)，包括由復合材料形成的外剛性管道(30)，復合材料設(shè)置成使得縱向上的熱膨脹是有效熱膨脹系數(shù)(CTE)，從0到大約-/+10χ10-6°K-1。
文檔編號F16L9/12GK101861488SQ200880116137
公開日2010年10月13日 申請日期2008年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
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