专利名称：管体的改进及其形成方法
技术领域：
本发明涉及一种管体及其形成方法，更具体但非唯一地涉及生产用于管道工程系统的管道，比如在压力下运输天然气或石油产品的管道。还可以根据所述的本发明制造其他管体形式比如支杆、塔、支撑臂等。
背景技术：
已知近几年生产的或者为将来提取而储备的天然气和石油产品含有二氧化碳和硫化氢。还已知在正常压力操作条件下，由运输这种产品的常规材料形成的管道尤其可能遭受由应力腐蚀裂纹引起的故障。这种故障常常导致沿管线管道长度方向的灾难性破裂。
降低这种故障风险的早先尝试包括将耐腐蚀剂添加到通过管道运输的产品中。可惜的是，这样产生了不能接受的成本，不仅包括耐腐蚀剂和添加耐腐蚀剂到产品中的成本，还包括及时地从通过管道运输的产品中将耐腐蚀剂去除和恢复的成本。使用耐腐蚀剂也是不明智的，特别是在离岸管道中，因为如果有任何耐腐蚀剂从管道中泄漏，都将引起环境问题。
已经提出了一些通过减小与运输产品接触的管道部分上的拉伸应力来减小管道中应力腐蚀裂纹风险的可选择方法。例如，这些方法包括使用由一根管子插入另一根管子内部的两根管子形成的管道，然后在生产过程中机械地迫使内部管道与外部管道接触，因此内部管道在完成这项操作后具有压缩应力并且外部管道具有拉伸应力。这种方法称为“自紧法”，并且美国专利No.4,823,847中描述了机械执行这种操作的方法。应当意识到如果能够将一根管道插入另一根并且执行自紧法步骤而没有不利地损坏内部管道，那么两根管道必须制成非常紧的公差配合。还将意识到这种特殊的自紧法操作仅适合于长度较短的管道并且受到消耗时间的不利影响，因此完成操作很昂贵。生产这种通常8～10m的较小长度管道的另一个缺点是它将产生许多接缝，这些接缝本身是管道中的弱点。
还从美国专利No.4,657,049中知道不同种类的管体，其中以搭接方式成螺旋状地缠绕金属条并将金属条嵌入粘合剂基质中以生产刚性管状结构。美国专利No.3,530,567描述了一种通过以自搭接方式成螺旋状地缠绕金属条而成管子的方法，因此在任一点的管壁厚度都由多个重叠部分组成。为了去掉在该条的边缘所形成的、管道内孔上的螺旋形脊部，在超过金属条屈服点下通过扩张管状结构进行缠绕之后，该条材料的重叠部分一个靠着一个的变平。这种程序显示出很高的制造难度。
GB2280889公开了一种形成拉长的中空体或管体的方法，包括至少一条材料以自搭接方式成螺旋状地缠绕，以提供多层管状结构。在这种布置方式中，用于提供至少具有一个阶梯横截面的条是预先形成的，在条的每一圈中，所述阶梯接纳下一圈的搭接部分。因此，具有多层重叠壁厚的管体可以由单条材料连续制造，壁厚一般比在条的横截面上形成的阶梯的量大一根条厚度。
上述布置可以配有内部或外部衬垫，衬垫形式取决于管道结构的预期应用，但可包括缠绕纤维加固基质的细丝。在这种管状结构的制造中，可以预先形成内部衬垫，从而提供一根心轴，成螺旋状地缠绕的加强芯是在该心轴上缠绕。作为选择的是，内部衬垫可以这样形成在适当的心轴上缠绕用于内部衬垫的树脂浸渍的加固纤维或织物，然后在该衬垫上缠绕成阶梯状的钢条从而形成加强芯，接着缠绕用于外部衬垫的树脂浸渍的加固纤维或织物。可惜的是，这种方法仅能够生产不连续长度的管道部分，并不适合使用“自紧法”的过程。
目前，这种管道的压力容量受到所用材料成本和常常在各种困难环境中必须运输并移动到一定位置的最终产品重量的限制。最普通的用于气体运输的管道具有X65的钢级(最小屈服强度65,000psi)，但是即使这种管道标准仍不符合需要达到屈服强度120,000psi的较新要求。虽然可以明显地增加管壁的厚度和规格，但是这将增加成本、重量和安装的复杂度。此外，这种布置必须经过环缝焊接，而这是难于实现并且昂贵的。因此，需要一种既坚固又不重，同时制造成本低并且相对易于运输和安装的高性能管道。
本发明的目的是提供一种管体及其形成方法，其中减小了应力腐蚀裂纹的风险，并且其中减轻了已知管道及其形成方法的一个或多个上述缺点。
发明内容
根据本发明的第一个方面是提供一种具有内部中空管状芯和外罩的管体，其中所述外罩包括一个或多个机械地相互接合螺旋缠绕的材料条状体，所述材料的屈服强度比所述内部芯材料的屈服强度高。
根据本发明的另一方面是提供一种具有内部管状芯和外罩的管体，其中所述外罩具有由一个或多个自搭接螺旋缠绕的材料条状体，并且所述芯包括由连续成形方法形成的管状结构。
优选的是，所述外罩的内表面与所述芯的外表面连续接触，从而在所述芯受到足以引起芯材料塑性变形的内部压力后，能够在所述芯上施加压缩力。
当还需要提供环境保护时，所述管体还可以在所述外罩外部上设有保护罩。
在优选方案中，所述条状体具有横向截面的阶梯，在所述条状体的每一圈中所述阶梯容纳下一圈的搭接部分。作为选择的是，所述条状体在一条边缘上具有纵向延伸的突起，和在另一条边缘上具有纵向延伸的凹槽，在所述条状体的每一圈中容纳邻接边缘。在另一方案中，所述条状体在每条边缘上具有斜切面，在所述条状体的每一圈中所述斜切面容纳下一圈的搭接部分。
优选的是，所述外罩是金属的，比如钢、不锈钢、钛或铝，但是优选为马氏体(Martinsite)。
对于一些应用，所述管状芯和管体优选由耐腐蚀材料形成，比如不锈钢，其中可以是不锈钢316L。
在一种特别适合连续生产的方案中，所述管体可以是卷成的、焊接接缝的金属管。作为选择的是，所述芯可以由一个或多个自搭接螺旋缠绕的材料条状体形成。
在一种形式中，机械的相互连接可以是预制的卡槽和卡销的形式，所述卡槽和卡销在连续旋绕中相互配合。优选的是，所述卡槽包括在所述条状体一面上形成的纵向延伸的卡槽，所述卡销包括在所述条状体相对一面上形成的纵向延伸的卡销。这些结构相互接合从而提供一种机械的相互接合的形式，所述形式可以单独使用也可以与这里公开的相互接合的其他形式结合使用。
有利的是，所述条状体包括两条边缘并且其中一条边缘长于另一条。
机械的相互连接可以是以内部芯与外罩之间的粘合剂层的形式和/或外罩搭接部分之间的粘合剂层的形式。方便的是，所述粘合剂层可以是施加到芯或条状体上的粘合剂条，并且所述粘合剂是可固化聚合物，它包括单组分薄膜基环氧化物，比如Cytec FM8210-1，所述环氧化物优选具有织物载体。这种粘合剂可以用来与这里所述的任何其他的机械相互连接结合使用。
在本发明的另一方案中，所述管体具有一个末端并且在其末端还包括连接器。所述连接器包括耐腐蚀材料环，所述芯包括耐腐蚀材料并且所述环与所述芯相互焊接。出于方便和定位的目的，所述螺旋状突起可以在管体上形成并且所述连接器包括用于与所述螺旋状突起接合的相应凹槽。
根据本发明的另一方面，提供一种制造管体的方法，包括以下步骤提供具有第一屈服应力的中空管状芯；提供材料条状物，所述材料具有比该第一屈服应力高的第二屈服应力；以及将所述条状体以螺旋搭接的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
根据一个可选方案，提供一种制造具有管状芯和外罩的管体的方法，所述方法包括以下步骤提供用于形成所述芯的内部材料条状物；提供用于形成所述外罩的第二材料条状物；沿着所述内部条状体的纵轴线卷起所述内部条状体，然后缝焊其对立边缘，从而形成所述管状芯；以及将所述外部条状体以机械地相互接合的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
根据本发明另一方面，提供一种制造具有管状芯和外罩的管体的方法，所述方法包括以下步骤提供用于形成所述芯的内部材料条状体；提供用于形成所述外罩的外部材料条状体；沿着所述内部条状体的纵轴线卷起所述内部条状体，然后缝焊其对立边缘，从而形成管状芯；以及将所述外部条状体以螺旋搭接的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
根据本发明的另一方面，提供一种升级管体的方法，所述方法包括以下步骤提供用于形成所述外罩的外部材料条状体；以及将所述条状体以机械地相互接合的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
根据本发明的另一方面，提供一种升级管体的方法，所述方法包括以下步骤提供用于形成所述外罩的外部材料条状体；以及将所述条状体以螺旋搭接的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
优选的是，所述方法包括提供屈服强度高于内部芯屈服强度的外部材料条状体的步骤。
有利的是，所述材料条状体缠绕到所述芯上，从而与所述芯连续或接近连续的接触。
在优选方案中，所述方法包括以下步骤形成具有横向截面阶梯的条状体，并将所述条状体缠绕到所述芯上，使所述条状体的每一圈都容纳所述条状体下一圈的搭接部分。
在有助于连续生产管体的方法中，芯材料可以由金属条通过卷动成形而形成并沿对立边缘缝焊所述条状体，以形成金属管道。
有利的是，所述方法可以包括以下步骤在所述条状体上形成卡槽和卡销，并将所述条状体缠绕到所述芯上，以使所述卡槽或卡销与邻接条状体另一部分上的相应卡槽或卡销相接合。所述条状体可以是一条边缘长于另一条边缘的形式以便将所述条状体的夹持度传递到所述芯，并且还可以完成在所述内部芯与所述外罩之间施加粘合剂层的步骤以便进一步提供机械相互连接的程度。机械相互连接的程度可以通过在形成所述外罩的条状体的搭接部分之间施加粘合剂层的另一步骤被加强。所述方法可以包括在将粘合剂与连续条状体层缠绕之前以在施加到所述条状体上的粘合剂条的形式提供粘合剂的步骤。方便的是，所述方法可以包括在将所述条状体缠绕到所述芯上之前将粘合剂施加到所述条状体的步骤，并且还包括将耐腐蚀涂层施加到所述外罩外部的步骤。方便的是，可以以在所述管体上螺旋状缠绕的塑料材料形式提供所述耐腐蚀涂层。
为了“自紧”管状部件，所述方法优选包括使成形管体经受足以引起所述芯材料塑性变形和所述外罩弹性变形的内部压力的步骤。
可以以预先存在的管线形式提供所述内部芯。
有利的是，所述方法可以包括在成形管体的一端或者每一端提供能够使所述管体连接到另一末端连接器或结构的末端连接器的步骤，并且所述末端连接器可以具有凹进，用于接收将与内部芯焊接的环状物。
根据本发明的另一方面，提供一种末端连接器，包括带有钻孔的主体，所述钻孔具有至少一个与将要连接的相应管道上的卡销相对应的螺旋状延伸的凹槽。有利的是，所述的连接器包括用于将所述连接器连接到另一物品的凸缘。为易于装配，所述连接器的钻孔是锥形的，并且可以具有一个或多个连通其外表面与内部钻孔、用于接收用来将所述连接器与将要连接的相应管道粘合的粘合剂的孔。优选的是，所述的末端连接器包括在所述钻孔末端的凹进，用于接收与芯材料相兼容的材料环并与之连接。当装配后，所述连接器和管道形成可以用作管道或结构(比如在此描述的任何一种结构)的管体组合装置。
特别的是，上述设计自身的修改可以采用一种方案，所述条状体包括呈容纳所述条状体中阶梯形状的斜切面边缘，并且所述卡槽和卡销包括相互对立的平接触表面。在更详细的描述中，所述卡槽包括相互对立倾斜的表面，并且所述卡销包括用于与所述卡槽上所述对立表面相接合的相应表面。方便的是，所述相对立的表面形成锯齿。作为选择的是，所述相对立的表面与所述管状部件的纵轴线垂直。
在此描述并要求保护的钢条叠合(SSL)技术提供了在腐蚀环境中工作的适合于在岸的天然气和石油运输线路以及离岸的流通线路的低成本管线构造的能源工业潜在的新方法。压力破裂测试证明具有厚度1mm的不锈钢316L衬垫和两层厚度0.5mm的马氏体以自搭接方式包围的外加固层的直径160mm的HelipipeTM在235Barg下破裂，足以符合并超越X200管道的规格。通过Harwell的AEA Technology进行的有关这种复合管道的详细有限元分析证明破裂测试结果在理论破裂压力的2％以内，并且预见Helipipe将是等量X65钢管重量的三分之一和柔性的三倍。Halliburton Subsea7和Advanced Engineering Solutions进行的经济性研究预见Helipipe比常规X65钢管平均便宜40％。
现在，参考附图，举例说明本发明的优选实施方式，附图中图1是管状部件的局部剖切和局部片段的纵向示意图；
图2是管状部件可选外罩的局部剖切和局部片段的纵向示意图；图3是管状部件(其外罩如图2所示)用的连接器的局部侧视图；图4是管状部件的应力应变关系曲线图；图5是管状部件在一个压力处理周期期间的应力应变关系曲线图；图6是在本发明管体中适合作为材料内含物的多种其他可选材料的应力应变关系曲线图；图7-图9是在目前提出的管道装置上的机械互锁装置可选形式的截面图；图10和图11是外罩的截面图，并显示了互锁装置；以及图12和13是可选外罩装置的部分截面图。
具体实施例方式
现在参见图1，形成用于管道工程系统管道的管体(总体上用标号10表示)，比如在压力作用下运输天然气或石油产品的管线，包括可以由多种形成方法之一形成的内管12形式的内部芯。在优选方法中，管道10包括金属管道，该金属管道是沿对立面卷动并焊接而成以形成管道。作为选择的是，管道可以被抽出作为完全由金属材料或塑料材料形成的管道。当备有金属时，需要以耐腐蚀材料比如不锈钢、合金或钛的形式提供，在此仅列举两种合适材料。通过在管道12的外表面12a上以自搭接方式成螺旋状地缠绕条状材料16在内部金属管道12上形成外罩(总体上用标号14表示)，申请人在英国专利No.2,280,889和美国专利No.5,837,083的具体说明书中详细地描述了在心轴上形成管道的方式。在本装置中，如果需要，管体10可以通过上述技术或者任何合适的选择技术连续地构造。条状体16具有一个或多个横向截面的阶梯18和20，每层阶梯优选具有与条状体16厚度相对应的深度。阶梯18和20优选在条状体16中预先形成，为了促进非中心的搭接缠绕操作，每层阶梯从条状体16一端延伸到另一端，其中条状体的每一圈都容纳下一圈的重叠部分。尽管条状体可以包括多种材料比如塑料、复合材料或者甚至金属中任一种，但是一般鉴于金属材料高强度能力以及下面将要描述的容易成形和连接，已经发现它尤其合适。合适金属的例子包括钢、不锈钢、钛和铝，其中一些由于具有耐腐蚀能力而尤其合适。具体材料将在下面以测试实施例的方式论述。条状体16的内表面16i和管道12o的外表面可以靠结构粘合剂固定在一起，作为条状体的重叠部分16a。利用粘合剂帮助确保管状部件10的所有元件以相似的比率应变。
在金属条上施加保护涂料还可以获得更多优点。例如，虽然马氏体高强度并且低碳，但它仍属于软钢并且易腐蚀。一种合适的涂料是BR127，从Cytee Engineering materials of 1300 revolution St，Hrvre deGrace，MD21078USA得到，并可以获得该涂料的完整资料。这种涂料与多种粘合剂兼容，已经确立了耐腐蚀特性，并且还是结合附着促进剂。在这里，加入这种涂料以及后面描述的BP’s CURVETM材料(CyCURV)的外部保护涂层，提供一种对于本发明易于应用的可行的高性能保护系统。如果需要，可以通过粘合剂结合应用CURVETM，但是，因为这种材料能够预制成所需的曲率半径，所以可以不需要粘合剂。
由于温度限制或者方法不兼容，常规的管道保护系统(尤其是3层熔合的环氧化物)不能与本发明的管道一起使用。Cytec涂料的重要可行特征是在不破裂或者降低性能的情况下能够施加到平的马氏体条状体并且抵制肋的形成过程。
现在参见图2，管体(总体上用标号22表示)具有可选外罩24，该外罩24由前述的仅具有单一阶梯28的钢条26形成，但该外罩与突起30一起预制，所述突起30沿条状体26的长度方向在一面上形成卡销30a并且在另一面上形成卡槽30b，从而有效地在该可选外罩24的外表面上形成螺纹。除了以下事实，即条状体以搭结关系缠绕，使得任何第二层上的卡槽30b与所述条状体26在先层叠部分上的卡销30a相配合，值得注意的是，这种罩的可选形式可以以上述相同的方式缠绕于芯12，从而确定层与层之间的位置并且形成所述外螺纹，该外螺纹可以作为以下述方式安装于所述管状结构12的凸缘的位置特征。
在上述任一方案中，条状体16或26可以优选配有长于另一边缘16b或26b的一个边缘16a或26a，从而为所述条状体提供弯曲，经过在芯12上的缠绕，该弯曲有助于将条状体固定到芯达到加紧的程度和/或促进恰当的搭接。此外，上述粘合剂在将条状体16或26缠绕在芯12上之前或者过程中可以形成用于芯12或者条状体16或26的粘合剂条。例如，粘合剂可以包括可固化聚合物，并且优选包括具有纺织衬垫的单块薄膜基环氧化物，从而易于施加粘合剂，并且一旦将其附着则容易固化。如果需要，这种粘合剂可以具有抗菌能力或者防辐射性能，仅列举这两个特性的例子。以下所列举的例子使用了Crytec FM8210-1作为粘合剂。为了在2分钟以内固化，与其他需要在对粘合性能有负面影响的250℃温度下固化的粘合剂完全相异，这种粘合剂可以在180℃温度下在2分钟以内固化。为了消除在任何制造阶段过程中的质量控制问题，需要在工厂条件下对马氏体条状体清洁/喷砂清理/机械或化学蚀刻，除油污，上涂料和预涂覆这种粘合剂，然后供应一卷所制备产物的产品。应当意识到，可以使用其他形式的粘合剂，并且它们的选择和适用性将取决于其所形成的最终产品的使用。例如，如果为了运输将管道卷在圆筒上就需要具备高弹性粘合剂，或者当在高应变应用(比如用作高压管线和支撑臂)中使用管道时就需要高强度和刚性的粘合剂。
在复合管道的其他设计中，已经证实末端连接器是系统的“阿基里斯脚跟，即薄弱处”(“Achilles Heel”)。为了克服这个问题，目前所提出的末端连接器利用了管道的螺旋状隆起物作为用于在自由压力测试过程中抵抗管道与连接器之间剪切应力的固定器。该连接器大约基于带有机器制造的用于匹配管道螺旋状隆起物节距的内孔的标准BS1560等级600的凸缘。该连接器旋于螺旋状隆起物和连接器与管道之间的间隙，并且管道填充着AralditeTM，其是一种二组分冷设制结构粘合剂，可以从Huntsman Advanced materials of Duxford，England得到，并从中可获得完整说明。当施加到钢或不锈钢时，这种粘合剂的平均粘接强度在20～25N/mm2之间，在室温或达到40℃时凝固。3个6mm间隔120°分开的孔径向钻通凸缘后面的锥形部分，以便使粘合剂注入环形间隙。为了在钻孔中产生更平均的应力分布，该连接器的钻孔呈1.5度的锥形。使用316L不锈钢半硬衬垫、施加的MartinsiteTM绕组和涂覆着FM8210-1薄膜粘合剂的粘性薄膜在管道两端组成一节螺旋管。从Cytec Engineering materials of Anaheim，California，USA得到这种粘合剂，并从中可以得到完整技术说明。这种粘合剂具有较高的剪切强度和应变性能(在75下搭接剪切应力为5400psi)。为了防止环氧粘合剂在衬垫对焊过程中起泡，绕组末端被切短15mm。然后，末端连接器旋在管道上并且衬垫对焊到连接器内的不锈钢嵌入物上。图3显示了该连接器的组合。
为了使粘合剂易于流动，在将二组分冷设制环氧粘合剂注入连接器与管道之间的环形间隙之前，将每一个连接器加热到40℃。为了确保控制填充环形间隙，使用手动喷枪从3个端口注入粘合剂。以这种方式拉平粘合剂防止了环氧化物中气泡的滞留。当这种粘合剂已经填充灌注腔时，环氧化物在70到80℃持续30分钟下固化。然后将管道翻转，以相似的方式灌注另一端。
如图3所示，为了提供用于运输腐蚀性产品的持续保护屏障，管道的不锈钢衬垫与装配在连接器钻孔中的不锈钢的环状物或凸缘对焊。圆周封闭焊接是一种难于进行的焊接，因为它是在管道的钻孔中进行的。
现在，更具体地参照图3，与管体10或管体22一起使用的，不过更具体说是与管体22一起使用的连接器(总体上用标号32表示)包括具有钻孔36的主体34，其中钻孔36的内表面36i装配有与管体22的外罩24的外表面上形成的卡销30a相对应的成螺旋状地延伸的凹槽36g。该连接器32旋于外罩24外表面的卡销上，还通过从装配在连接器32外部的一个或多个孔36h注入的结构粘合剂与之固定。远离管体22的机体34的末端具有用于将连接器32固定于其他常规管道工程配件(图中未示)的凸缘38，或者具有用于连接其他常规管道工程的焊接制备的末端部分(图中未示)。
插入管体22的钻孔36末端优选呈T字的锥形，以避免在管体的使用或弯曲中在内部压力作用下在管体22上产生的局部压力。临近凸缘38的钻孔36末端具有凹进36r，与用于形成芯12的所选材料相兼容的材料的环状物40可以插入该凹进36r并且通过任何合适的连接技术与之连接。当该主体用于腐蚀性产品运输时，芯12和环状物40都可以是不锈钢并且通过任何常规焊接技术相互焊接，从而在管体上形成适合连接的末端。可以通过凸缘38与另一段管状部件上类似的凸缘配合并且通过螺钉(图中未示)穿过凸缘上的孔42的方式获得连接。
如果需要，可以提供另一个以一层CURVETM形式的保护涂层作为管道外部周围的一层覆盖材料。Curve是英国利兹大学的Ian Ward教授发明的低重量、高强度的聚丙烯材料，并由BP进一步研究，现在可以从德国PROPEX of Groneau获得。这种产品包括多个编织成栅网然后在压力下加热的可高度拉伸的聚丙烯纤维，因此每个纤维制品的外部部分熔化并且与邻近的纤维制品结合，同时保持高拉伸材料的芯。可以使用其他形式的保护涂层，不应当认为本发明限于使用CURVETM。当使用CURVETM时，它可以备有长的条状体并且以搭接或者邻接的关系缠绕在管体10外部部分上。如果需要，可以使用任何合适的粘合剂比如上述Cytec粘合剂与管体粘性结合。
称为“自紧法”的技术以及如何将其应用于本发明现在将参考图4和图5进行说明，其中内部芯12由不锈钢形成，该不锈钢具有比制成条状体16或26然后形成外罩14或24的“Martinsite”TM更低的屈服强度和更好的延展性。图4显示了所选材料的典型应力/应变曲线。
图5显示了在“自紧法”过程中的两种材料的应力/应变曲线。两种材料都始于相同的零负荷(点1)，并且当上述复合管体受到达到高于内管12的屈服应变(点2)而低于外罩16或26的屈服应变的预定“震动”压力限制的内部压力负荷时，内管12经受弯曲和塑性变形(点3和点4)，同时因为外罩16或26在相应的点3*和点4*处达到了应力负荷，所以保持在弹性限度以内。在卸载管体时，内部芯12在零负荷(点5)的作用下返回压缩应力状态，同时外罩16或26保持在充分低于其屈服压力的拉伸应力(点5*)状态。当随后重新装载管体达到工作压力(达到点6和点6*)时，外罩16或26和内部芯12都以线形方式运行，任何其他负荷循环将在弹性限度以内，内管12将在减小的拉伸应力水平下运行。这种内管12的运行拉伸应力的减小称为“自紧法”并且将导致应力腐蚀裂纹发生风险的减小。图5显示了开始于初始零应力条件的点1的优选压力负荷次序的应力应变曲线。应当意识到，因为内管被有效加压地预装载，所以它可以经受常态操作中的内部压力，在常态下可以导致塑性变形同时保持低于材料的屈服点。还将意识到，不是所述本发明的所有使用都必须经过“自紧法”步骤。例如，如果简单地需要生产一段很长的不受到过多内部压力的管道，那么可以通过连续成形内部芯12并用外罩16或26将之包围的方法形成这种管道。
图7-图9显示了机械接合的可选形式。在图7中，是通过在条状体16的一个边缘上所提供的纵向延伸的凹槽50来接合的，在操作中，条状体的另一端形成的相应突起52插入该凹槽50，同时条状体放置到该芯12上。在图8的装置中，在条状体的每一个边缘上具有简单的阶梯54，这样在操作中这些阶梯通过将条状体应用于芯12而相互接合。图9显示了更简单的布置，其中条状体16的边缘在标号56处简单地斜切，随着条状体16的每一圈都放置在芯12上，从而提供了搭接部分。正如所属领域技术人员应当意识到的，这些机械接合中的每一种都在条状体的边缘之间提供互锁装置并且有助于加强接缝。
如图10和图11所示，为了提供轴向位置的增强度或者对外罩的限制，需要提供一种相互接合构件形式的轴向锁。参见图10，第一种形式的锁包括在条状体16的一个边缘上形成的通道60，该通道和在条状体16相对边缘的搭接部分上提供的相应的纵向延伸的、突起62一起沿条状体边缘延伸。在操作中，当条状体16缠绕到内壳12上时，突起62放置到沟槽60中并与之互锁，从而抵制任何可能置于管状结构上的轴向负荷。图11显示了一种使用锯齿设计的可选装置。锯齿66a和66b具有在条状体16每一面的对立边缘上沿纵向延伸的特征，因此当条状体放置到内壳12上时它们相互配合。在操作中，锯齿的对立面68a和68b相互接合从而抵抗任何可以作用于管状构件10的轴向负荷。在选择后者时，应力集中更低。
此外，还可以需要进一步提高外罩16的负荷运输能力，在这种情况中可以使用图12和图13的设计。在图12中，条状体16边缘形成的外罩在标号70a和70b处斜切或呈锥形，因此在操作中，它们更紧密地安装在上述图1中详细描述的阶梯20上。应当意识到，这种设计修改在搭接区域增加了外罩厚度，如图中虚线所示，如果条状体的末端陡峭，则搭接区域仅有一层的厚度。通过以这种方式增加厚度，可增加该区域的负荷能力。图13显示了另一种修改，其中外罩16由具有匹配斜度或坡度表面的、不同于图2所示的弯曲表面的条状体形成。实际上，沿条状体设置的纵向延伸的卡槽72容纳在条状体临近圈的对立面上设置的纵向延伸的卡销74。当管状构件受到轴向负荷时，该卡槽和卡销的倾斜表面76和78相互对立并相互配合。表面76相互面对而表面78相互背离。倾斜面之间的这种接触比图2的实施例更均匀的分配负荷。在绕组的内部卡槽72与内壳12之间可以插入条状材料以填充任何间隔，并且在受到径向负荷时限制内壳的任何相反的拉伸。这种条状体优选为马氏体，因此有助于内壳的负荷运输能力。
为了制造本发明的管道10，首先必须形成内部衬垫12，然后用外罩包围该衬垫12。在实践中，该内部衬垫可以由多种技术中的一种形成，比如金属或塑料的挤压或连续缠绕，但是已经发现通过围绕纵轴卷起较长金属条然后以连续的方式缝焊对立面而形成衬垫是尤其适合的。一旦形成了内部衬垫12，就通过围绕该衬垫12包围条状材料14形成外罩，从而条状体14的每一圈都机械地与前一圈配合。机械配合可以采用多种不同形式中的一种，附图中显示了这些形式。参见图1，应当意识到，机械配合的优选形式包括自搭接布置，该布置通过在放置到芯12上之前使条状体14沿其纵向轴变形获得，这样在条状体14中提供起到使条状体下一圈的搭接部分定位作用的阶梯20。如果需要，这种装置的强度可以通过在自搭接部分的层之间和内部衬垫12与外部14之间使用粘合剂等得到加强。可以使用粘合剂的可选方法，例如机械地相互接合或者纳米技术的表面修改，其目的在于相互吸引对立面，一旦它们合适地接合就将它们保持在适当的位置。图7-图9显示了以上论述的可选机械互锁装置。作为上述机械配合的可选办法或增加办法，可以形成由上述图2所示的一面上的卡销30a和另一面上的卡槽30b组成的纵向延伸的突起30。可以在条状体卷到内部芯12外表面之前在一对合适形状的压轮(图中未示)之间通过条状体14从而形成该突起，因此使卡槽30b安装在卡销30a的前部位。这种机械配合可以用于其自身或者与一个或多个在此论述的机械配合相结合。每一种上述装置都可以通过将上述形式的粘合剂施加到搭接外层14的接触表面和/或内部衬垫12与外部条状体14之间的步骤得到增强。
下面表1的第一栏详述了原始构造样品，并且选择尽可能高的衬垫屈服强度以匹配马氏体(1350MPa)。因此，选择极冷处理的具有862Mpa极限拉伸应力(UTS)不锈钢316L。尽管这些样品达到110Barg的测试压力时才会破裂，但是认为该压力稍微低于期望压力。经过研究认识到这种材料的一个缺点，也就是焊接热影响区(HAZ)已经限制了应变能力并且不能随马氏体变形，总之该问题可以通过降低内部衬垫的屈服应力得到解决，因此甚至当焊接后，也能够承受所经受的应变。
然后重新设计管道，使用具有高应变能力但是具有较低屈服强度(306/308MPa.)的完全退火的不锈钢，并且这种不锈钢直到到达235Barg的压力时才破裂。这种衬垫与加强绕组之间屈服强度的不匹配使管道完全与自紧法原理相融合，从而从组合装置中获得最大工作压力。在下表中显示了原始的和修改的构造规格，其中0.2％的试验应力基本上等于屈服应力
在每一个上述样品中，管道钻孔为160mm。
尽管应当意识到，可以使用多种不同的用于芯和外罩的材料，但是我们已经进行了有关上面的测试并且发现一种具有280MPa屈服应力的完全退火的不锈钢316L的芯和具有1350MPa屈服应力的高强度MartinsiteTM加固的外罩16或26的结合提供了优秀的效果。下表提供了用于优选实施例的自紧法压力的详细说明。
已经计算出用94bar的工作压力操作同时经受140bar的震动压力，衬垫316L的应力范围为205MPa的压缩应力到138MPa的拉伸应力。这已经显著地降低了衬垫中的拉伸应力，是对老化和应力腐蚀裂纹的理想目标。马氏体加固的绕组将在应力最大值586MPa下运行并具有186MPa的残余应力。在1350MPa屈服应力下，绕组将具有2.3的安全因子(FOS)。
上述测试样品是在20℃下进行的压力测试并在235.5bar的压力下损坏。在该压力下，末端连接器没有显示出损坏或变形的迹象。
下表给出了更多例子的结果，这些例子的衬垫为6mm的X42(屈服应力为290MPa)并且管道的直径为900mm。参数已经调整以给出马氏体大约为2的SF。
表3螺旋管设计的例子(无轴向负荷)
上表中，ZP为零压力，WP为工作压力。
例子F1和F2用于额定100Bar的WP，显示了从最强(M220)到最弱(M130)改变马氏体等级的效果。在这两个例子中，衬垫在SP(1.5*WP)下屈服，并且在WP下开始压缩；但不进行逆向屈服。
例子G1和G2用于额定200Bar的WP，还是研究马氏体等级的变化。在例子G1中，衬垫在SP下拉伸屈服，在ZP下压缩屈服(即，逆向屈服)，但是在重新装载时衬垫应力低于屈服应力，所以不发生塑性循环。
表4
上表中FSO为安全因子。
表5(无轴向负荷)
应当意识到，可以选择许多其他材料用来制造本发明的管体。仅作为实施例，我们将读者的注意力吸引到显示多种不同材料的应力应变曲线的图6。从该图中可以看出，由于铝6061-T651(M1)的应力应变曲线具有相对低的屈服压力所以适合作为衬垫材料。当与具有适当的高屈服应力的罩壳材料相匹配时，其他材料比如铜(M2)、退火钢1018(M3)或者半卷的黄铜C2600(M4)也是适合的。冷轧钢1018(M5)也是可供选择，但是应当考虑到它相对高的屈服。当选择材料组合时，应当记得外罩需要强于内部芯，以允许该内部芯在进行“自紧法”步骤时经历塑性变形同时外罩保持弹性应变条件，因此，通过返回零压力该内部芯受到压缩应力，并且外罩保持在拉伸应力下并使内部芯具有压缩应力。
尽管上面描述了新式管体10的生产，但是应当意识到，可以利用这种由现有管道组成内管12的方法来修整、升级现有管线管道等，还可以用来生产支杆、塔、支撑臂、驱动轴以及海底动力上升管，仅列举几个实例。
本发明一个形式的特殊优点在于一旦这段管道已经安装到其最终位置上就可以进行“自紧法”过程。在这种情况下，只需简单地通过提升芯12内的液压使管道进行“自紧法”过程以便遵循图5所示的曲线图。该芯12基本上超越其弹性限度扩张并且经过释放内部压力该芯12受到来自外罩16或26的压缩力，从而，经过随后将内部压力提升到所需的工作压力，内部芯12充分地保持在其弹性限度以下，因此更少地倾向于应力腐蚀裂纹。
应当意识到，通过简单地缠绕圈匝，本发明的形成方法可以用来生产锥形产品，这种方式随着产品的形成使产品的直径增加或减小。这种布置非常有利于生产塔或者其他这种需要负荷扩散效应或为了其他性能或审美要求简单地需要改变直径的产品。
这种优选管道的设计是基于一种抗腐蚀的压力，包括由完全弹性的高强度马氏体绕组支撑的衬垫。在高内部压力作用下，该马氏体绕组保持弹性并承载多数环向应力。衬垫的作用是随着马氏体绕组产生应变，从而为产品提供无泄漏通道。
在此提供了有关不包括图7-图13特征的设计的测试数据，从图7-图13中可以获得额外的益处。
权利要求
1.一种管体，包括内部中空管状芯和外罩，其中所述外罩具有一个或多个机械地相互接合螺旋缠绕的材料条状体，所述材料的屈服强度比所述内部芯的材料屈服强度高。
2.一种管体，包括内部管状芯和外罩，其中所述外罩具有一个或多个自搭接螺旋缠绕的材料条状体，并且所述芯包括由连续成形方法形成的管状结构。
3.如权利要求1或2所述的管体，其中所述外罩的内表面与所述芯的外表面连续接触，从而在所述芯受到足以引起芯材料塑性变形的内部压力后，能够在所述芯上施加压缩力。
4.如权利要求1-3中任一项所述的管体，其中所述管体在所述外罩外部上设有保护罩。
5.如权利要求1-4中任一项所述的管体，其中所述条状体具有横向截面的阶梯，在所述条状体的每一圈中所述阶梯容纳下一圈的搭接部分。
6.如权利要求1-4中任一项所述的管体，其中所述条状体在一条边缘上具有纵向延伸的突起，和在另一条边缘上具有纵向延伸的凹槽，该凹槽在所述条状体的每一圈中容纳邻接边缘。
7.如权利要求1-4中任一项所述的管体，其中所述条状体在每条边缘上具有斜切面，在所述条状体的每一圈中所述斜切面容纳下一圈的搭接部分。
8.如权利要求1-7中任一项所述的管体，其中所述外罩是金属的。
9.如权利要求1-8中任一项所述的管体，其中所述外罩选自钢、不锈钢、钛和铝。
10.如权利要求9所述的管体，其中所述条状体包括马氏体。
11.如权利要求1-10中任一项所述的管体，其中芯材料包括耐腐蚀材料。
12.如权利要求11所述的管体，其中芯材料包括不锈钢。
13.如权利要求12所述的管体，其中芯材料包括不锈钢316L。
14.如权利要求1-13中任一项所述的管体，其中所述芯包括卷成的、缝焊的金属管。
15.如权利要求1-14中任一项所述的管体，其中所述芯具有一个或多个自搭接螺旋缠绕的材料条状体。
16.如权利要求1-15中任一项所述的管体，其中所述条状体包括卡槽和卡销，所述卡槽和卡销在连续旋绕中相互配合。
17.如权利要求16所述的管体，其中所述卡槽包括在所述条状体一面上形成的纵向延伸的卡槽，所述卡销包括在所述条状体相对一面上的纵向延伸的卡销。
18.如权利要求1-17中任一项所述的管体，其中所述条状体包括两条边缘并且其中一条边缘长于另一条。
19.如权利要求1-18中任一项所述的管体，其中所述管体还包括在所述内部芯与所述外罩之间的粘合剂层。
20.如权利要求1-19中任一项所述的管体，其中所述管体还包括在所述外罩搭接部分之间的粘合剂层。
21.如权利要求20所述的管体，其中所述粘合剂层包括施加到所述芯或所述条状体上的粘合剂条。
22.如权利要求19-21中任一项所述的管体，其中所述一种或多种粘合剂包括可固化聚合物。
23.如权利要求19-22中任一项所述的管体，其中所述粘合剂包括具有织物载体的单组分薄膜基环氧化物。
24.如权利要求19-23中任一项所述的管体，其中所述粘合剂包括Cytec FM 8210-1。
25.如权利要求1-24中任一项所述的管体，其中所述管体具有一个末端并且在其末端还包括连接器。
26.如权利要求25所述的管体，其中所述连接器包括耐腐蚀材料环，所述芯包括耐腐蚀材料并且所述环与所述芯相互焊接。
27.如权利要求25或26所述的管体，其中所述管体包括螺旋状突起，并且所述连接器包括用于与所述螺旋状突起接合的相应凹槽。
28.如权利要求1-27中任一项所述的管体，当构建后作为选自下面列表的元件支杆、塔、支撑臂、驱动轴以及海底动力上升管。
29.如权利要求19-28中任一项所述的管体，其中所述粘合剂具有抗菌或防辐射性能。
30.一种制造具有管状芯和外罩的管体的方法，包括以下步骤a.提供具有第一屈服应力的中空管状芯；b.提供材料条状物，所述材料比所述第一屈服应力高的具有第二屈服应力；以及c.将所述条状体以机械地相互接合的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
31.一种制造具有管状芯和外罩的管体的方法，所述方法包括以下步骤a.提供用于形成所述芯的内部材料条状体；b.提供用于形成所述外罩的第二材料条状体；c.沿着所述内部条状体的纵轴线卷起所述内部条状体，然后缝焊其对立边缘，从而形成所述管状芯；以及d.将所述外部条状体以机械地相互接合的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
32.一种制造具有管状芯和外罩的管体的方法，所述方法包括以下步骤a.提供用于形成所述芯的内部材料条状体；b.提供用于形成所述外罩的外部材料条状体；c.沿着所述内部条状体的纵轴线卷起所述内部条状体，然后缝焊其对立边缘，从而形成管状芯；以及d.将所述外部条状体以螺旋搭接的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
33.一种升级管体的方法，所述方法包括以下步骤a.提供用于形成所述外罩的外部材料条状体；以及b.将所述条状体以机械地相互接合的关系缠绕到所述芯上，从而形成包围所述芯的外罩。
34.如权利要求30-33中任一项所述的方法，包括提供屈服强度高于内部芯屈服强度的外部材料条状体的步骤。
35.如权利要求30-34中任一项所述的方法，其中所述材料条状体缠绕到所述芯上，从而与所述芯连续或接近连续的接触。
36.如权利要求30-35中任一项所述的方法，包括以下步骤形成具有横向截面阶梯的条状体，并将所述条状体缠绕到所述芯上，使所述条状体的每一圈都容纳所述条状体下一圈的搭接部分。
37.如权利要求30或31或33～36中任一项所述的方法，包括以下步骤由金属条通过卷动成形而形成芯材料，并沿对立边缘缝焊所述条状体，以形成金属管道。
38.如权利要求30-37中任一项所述的方法，包括以下步骤在所述条状体上形成卡槽和卡销，并将所述条状体缠绕到所述芯上，以使所述卡槽或卡销与邻接条状体另一部分上的相应卡槽或卡销相配合。
39.如权利要求38所述的方法，包括形成卡槽和卡销的步骤，卡槽和卡槽作为在所述条状体一面上纵向延伸的卡槽和在所述条状体相对一面上纵向延伸的卡销。
40.如权利要求30-39中任一项所述的方法，包括形成具有一条边缘长于另一条边缘的条状体的步骤。
41.如权利要求30-40中任一项所述的方法，包括在所述内部芯与所述外罩之间施加粘合剂层的步骤。
42.如权利要求30-41中任一项所述的方法，包括在形成所述外罩的条状体的搭接部分之间施加粘合剂层的步骤。
43.如权利要求42所述的方法，包括在将粘合剂与连续条状体层缠绕之前以在施加到所述条状体上的粘合剂条的形式提供粘合剂的步骤。
44.如权利要求41-43中任一项所述的方法，包括在将所述条状体缠绕到所述芯上之前将粘合剂施加到所述条状体的步骤。
45.如权利要求30-44中任一项所述的方法，还包括将耐腐蚀涂层施加到所述外罩外部的步骤。
46.如权利要求45所述的方法，包括以在所述管体上螺旋状缠绕的塑料材料形式施加所述耐腐蚀涂层的步骤。
47.如权利要求30-46中任一项所述的方法，包括使成形管体经受足以引起所述芯材料塑性变形和所述外罩弹性变形的内部压力的步骤。
48.如权利要求30-47中任一项所述的方法，其中以预先存在的管线形式提供所述内部芯。
49.如权利要求30-48中任一项所述的方法，包括在成形管体的一端或者每一端提供能够使所述管体连接到另一末端连接器或结构的末端连接器的步骤。
50.如权利要求49所述的方法，包括以下步骤在所述末端连接器的凹进内提供与所述内部芯兼容的材料环，并在所述芯末端将所述内部芯焊接到所述环上。
51.一种末端连接器，包括带有钻孔的主体，所述钻孔具有至少一个与将要连接的相应管道上的卡销相对应的螺旋状延伸的凹槽。
52.如权利要求51所述的末端连接器，包括用于将所述连接器连接到另一物品的凸缘。
53.如权利要求51或52所述的末端连接器，其中所述钻孔是锥形的。
54.如权利要求51-53中任一项所述的末端连接器，其中所述连接器具有一个或多个连通其外表面与内部钻孔、用于接收用来将所述连接器与将要连接的相应管道粘合的粘合剂的孔。
55.如权利要求51-54中任一项所述的末端连接器，包括在所述钻孔末端的凹进，用于接收与所述芯材料相兼容的材料环并与之连接。
56.如权利要求51-55中任一项所述的末端连接器，连接到如权利要求1-29中任一项所述的管体。
57.如权利要求1-29中任一项所述的管体，其中所述条状体包括呈容纳所述条状体中阶梯形状的斜切面边缘。
58.如权利要求16-29中任一项所述的管体，其中所述卡槽和所述卡销包括平的、相互对立的接触表面。
59.如权利要求58所述的管状部件，其中所述卡槽包括相互对立倾斜的表面，并且所述卡销包括用于与所述卡槽上所述对立表面相接合的相应表面。
60.如权利要求59所述的管状部件，其中所述相对立的表面形成锯齿。
61.如权利要求58所述的管状部件，其中所述相对立的表面与所述管状部件的纵轴线垂直。
全文摘要
本发明提供一种管体(10)，包括内部中空管状芯(12)和外罩(14)，所述外罩具有一个或多个机械地相互接合螺旋缠绕的材料条状体，所述材料的屈服应力比所述内部芯材料高。本发明还提供一种形成管体(10)的方法，包括将外罩(14)缠绕到内部芯(12)上的步骤，还提供一种当所述管体(10)在其外表面上设有螺旋延伸的卡销(30a)时，用于管体(10)的末端连接器(32)。
文档编号F16L9/04GK101014795SQ200580022347
公开日2007年8月8日 申请日期2005年7月4日 优先权日2004年7月2日
发明者约翰·彼得·布思, G·D·洛维斯 申请人:Iti苏格兰有限公司, 约翰·彼得·布思