专利名称：自由排放管道及生产方法
技术领域：
本发明的领域为用于在海底及近海操作中输送油和气体或其它流体
的自由排放管道(free-venting pipe )以及生产该管道的方法。背景
本发明为公开于美国专利号6,804,942中的发明的改进，该专利6,804,942以引用方式并入本文。当公开于其中的管道用来传输压缩气体或包括气体的流体时，久而久之， 一些气体可能会渗透穿过内部芯子(inner core )或管道，并聚集在内部芯子和4齐压件(extrusion)之间，在芯子上引起稳定上升的内部压力。油气行业及本领域中的技术人员通常将内部芯子和挤压件之间的空间称为环形区域(annulus region )。虽然这本身在通常情况中不是问题，但如果管道的孔(bore)中的压力比层之间的压力释放得快，则环形区域中积累的压力可能会引起问题。当发生该种情况时，内部芯子可能会由于逆向压力差和它糟糕的环向强度(hoopstrength)而坍塌。随着管道在其中被用于传输油和气体的水的深度的增加，伴随着更深的水深度处的增加的环境压力，上迷问题可能会变得更加严重。
具有基于钢的柔韧性管道的现有技术管道在过去已经发生过管道坍塌(pipecoll叩se)，且因此，用于气体传输的现有技术管道通常使用在内部芯子下的中心互锁的金属骨架构造。该金属骨架提供足够的径向强度，以便经受由上文所描述的场景产生的任何坍塌力，但管道的总直径必然需要增加骨架厚度的两倍。此外，包含骨架增加了相同性能的每个加固层，因为该加固层不得不被巻绕在更大的直径上。此种构型的一个例子被展示于美国专利6,978,806中。可以通过经由端部配件(end fitting)中的阀减轻两个挤压件之间的 压力来给管道提供某些程度的保护，但是这对于所有情况是不够的，且内 部芯子的坍塌仍有可能发生。
Michael J. Bryant,本发明的发明人同样在待决的已出版的美国专利 出版号US-2006-0249215-Al中解决了该问题，其中所教导的方法是通 过在形成于围绕芯子的加固带中的侧向间隔开的开口中埋置聚合物来防 止芯子的坍塌。该埋置的聚合物随后被结合到芯子，以便加强芯子的环向 强度以便防止它坍塌。
发明内容
所需要的是一种能提供避免压力在芯子上积累的结构的装置，进而消 除对增加结构元件以便增加芯子的耐压性的需要。
依据本发明的装置包括可渗透的管状芯子构件，且围绕该芯子构件有 至少 一 个可;参透的环向力0固层(hoop reinforcement layer)。不可〖参透的膜
层被放置在环向加固层的外侧，并且至少一个可渗透的拉伸加固层 (tensile reinforcement layer)祐_放置在该膜层的外侧，由此，在自由排放 管道的任何层之间不存在自由体积(free volume )。
挤压的、可渗透的聚合物外罩(jacket)通常设置在拉伸加固层的外 侧，以使_提供耐磨能力(abrasion resistance )。
环向加固层和拉伸加固层一般地包括复合的层压构造，该层压构造包 括在如美国专利6,804,942中所示的层压物之间具有树脂的叠加的层压 物。该叠加的层压物可以使用"z"型的带构件包裹，由此，该叠加的层 压物中的每一个被防止结合到相邻的叠加的层压物。该叠加的层压物也可 以使用作为结果的"s"型的带包裹，其中包裹的带(wrappedtape)的方 向与"z"的方向逆向。"z"型与"s"型的相反方向导致在生产过程中在 相反方向包裹叠加的层压物。
本发明的生产方法包括步骤围绕聚合物的耐压芯子包裹至少一个环 向加固层，使用不可渗透的膜覆盖环向加固层，以及使用至少一个拉伸加
5固层包裹该不可渗透的膜。 一般地，设置有两个拉伸加固层，以平衡在包
裹各层时产生的包裹力(wrapping force )。聚合物外罩也可以围绕*纟立伸加 固层被施加或挤压。管状芯子和聚合物外罩一般为穿孔的，以允许压力穿 过而到达不可渗透的膜。
因为从自由排放管道的外面施加的流体压力比如来自海洋深度的环 境压力不被聚集在内部芯子外侧的各环形层内，所以该内部芯子在内部芯 子的孔内的压力发生下降时不受到极端压力。内部芯子上的突然的压力下 降可能会发生在例如，当位于海底中的管道从水面排放时。围绕可渗透的 内部芯子的单独的不可渗透的膜以及至少 一个环向加固层被至少 一个拉 伸加固层围绕，并且可以被可渗透的外部外罩围绕。来自自由排放管道的 外面的流体压力穿过该外部外罩，并穿过该一个或更多个拉伸加固层而到 达不可渗透的膜4齐压件(membrane extrusion)。类似地，对于气体和液体 为可渗透的内部芯子的孔中的压力穿过该内部芯子，穿过该一个或更多个 环向加固层，并穿过任何抗挤压层(anti-extrusion layer)而到达不可渗透 的膜挤压件。因为压力被允许穿过不可渗透的膜挤压件外侧的层，并且压 力也被允许穿过不可渗透的膜挤压件内侧的层，所以，在各层之间不存在 可能引起压力被施加在内部芯子上的环形区域。
在除了膜挤压件以外的所有的挤压层上形成穿孔确保了没有其中压 力可能积累的自由体积的环形区域。在常规的柔韧性的纤维加固的管道以 及依据API-17设计的钢变化形式中，久而久之，环形区域中可能会积累 压力。
只要除了膜挤压层以外的所有的层为可渗透的，则可以根据需要添加 另外的拉伸加固层、环向加固层、抗挤压层、润滑层或挤压层。依据水下 环境以及近海环境的需求，自由排放管道的设计也可以包括加重层。
图1为本发明的一个实施方式的等轴测图，其展示了带有补充的抗挤 压层的自由排放管道的层的外部。图2为图1的横截面图。
图3为形成复合的层压物(composite laminate )并被z带分开的叠加 的带的横截面图。
图3a为形成复合的层压物并被s带分开的叠加的带的横截面图。
图4为一组曲线图，展示了作用在不带有当前发明的自由排放管道的 常规的柔韧性管道的内部芯子上的可能的环空压力(annuluspressure )和 作用在当前发明的自由排放管道的内部芯子上的最大压力差的对比。
执行本发明的最佳模式
现在参照图1，字母A-1大致上指当前发明的自由排放管道。管状芯 子11被典型地用环向加固层12包裹。该环向加固层12被展示为被抗挤 压层16覆盖。该抗挤压层16有助于桥接在自由排放管道A-l被弯曲时 形成在环向加固层12内的间隙，从而防止膜19层被挤压通过形成于环向 加固层12内的间隙。该抗挤压层典型地由单层的玻璃加固带形成，但可 以使用多个层或可选择的材料，只要它们耐压以便防止不可渗透的膜19 被压(forced)在可能形成在环向加固层12的间隙之间即可。例如，在 一个实施方式中，玻璃加固带的层可以改变为聚酯(比如Mylar ),或聚 酰胺，或其它聚合物的层。不可渗透的膜19被展示为被挤压到抗挤压层 16的外面。拉伸加固层20、 21典型地螺旋地围绕膜19缠绕。外罩挤压 件(jacket extrusion) 24随后被挤压到拉伸加固层20、 21的外面。外罩 挤压件24为穿孔的，以允许流体压力或气体穿过外罩挤压件24，然后穿 过拉伸加固层20、 21。该管状芯子11以及外罩挤压件24为穿孔的，以 允许气体压力渗透穿过各层到达膜19。在一个优选的实施方式中， 一组 四个1/8"的孔被周向地设置，围绕管状芯子11和外罩挤压件24均匀地 间隔开。沿着管状芯子11和外罩挤压件24的长度，该组孔间隔开大约6"。 也可以设置其它尺寸的穿孔以及不同数量的穿孔和间距。
抗挤压层16可以被忽略。代替抗挤压层16，可以将典型地由拉伸的 聚乙烯或聚酰胺或其它聚合物制成的包裹的带包裹在环向层12周围。该润滑层有助于防止被润滑层分开的各层彼此粘到一起。润滑层也可以包括 由聚酰胺或其它低摩擦材料构造成的挤压的外罩。润滑层也可以根据需要 在自由排放管道Al的其它层之间使用，以提供分离以及抗粘层。
在图1中，环向加固层12以及拉伸加固层20、 21包括美国专利 6,804,942和6,491,779中公开的复合的层压构造。参照图3，单个的带条 32被叠在一起，并且每个作为结果的复合的层压物B通过z带34而与另 外的复合的层压物B分开。作为结果的复合的层压物也可以通过如图3a 中所示的s带34a而与另一个复合的层压物B分开。z带34或s带34a 的使用取决于复合的层压物层的包裹方向。通常，若在一个方向包裹时使 用z带34,则在与此方向相反的方向包裹时使用s带34a。带条32 —般 由环氧基树脂或树脂结合在一起，而z带或s带防止复合的层压物32在 它们固化时结合在一起。带条32也可以是未结合的。
复合的层压物B不是压紧的，并且允许压力通过间隙35 (图3)和 35a (图3a)经过围绕该复合的层压物B而到达不可渗透的膜19。
应理解，也可以提供多个拉伸层、多个环向层和/或多个抗挤压层， 或挤压层，只要所提供的每层对于气体为可渗透的，且有单个的不可渗透 的膜纟皮提供在可渗透的芯子的外面即可。该单个的不可渗透的膜可以为共 挤压的多层构造，或可以另行形成为以便能提供整体的不可渗透层。同样， 可以添加一个层以便对自由排放管道A-l的想要的长度段或多个长度段 提供重量。例如，重量可以被加到本发明的管道以便形成悬链，如Michael J.Bryant的美国专利7,073,978所示。
图4提供的图展示了作用在不带有当前发明的自由排放管道的常规 的柔韧性管道的内部芯子上的可能的环空压力和作用在当前发明的自由 排放管道A-1的内部芯子上的最大压力差的对比。在图4中，环空压力 4皮表示在y轴上，以及时间被表示在x轴上。环空压力为在常规的柔韧性 管道的不可渗透层或半渗透层之间积累的压力。曲线44展示了常M^的柔 韧性管道的孔的相对压力或本发明的自由排放管道A-1的孔的相对压力。 曲线45图形地展示了可能在常规的柔韧性管道中产生的相对高的环空压 力。曲线45中所展示的相对高的环空压力将被作用在常规的柔韧性管道的内部芯子的外侧上，进而高压力必然与内部金属骨架抵消，或者必须提 供其它的环向加固以便防止芯子的向内坍塌。曲线42图形地展示了在本
发明的自由排放管道A-l的芯子11外侧的相对低的压力。压力差46为 本发明的自由排放管道A-l的孔中的压力和芯子11外侧的压力之间的 差。压力差48图形地展示了常规的柔韧性管道的环空的压力和本发明的 自由排放管道A-l的压力之间的相对势能。从图4中环空压力和时间的 曲线的对比可以看出，3艮明显，本发明的自由排放管道A-l降低了芯子 11上的作为结果的或可能的环空压力，进而降低了用于为常规的柔韧性 管道的内部芯子增加强度的额外的环向层或其他环向加固的需要。
本发明的上述公开内容和描述为阐释性的和示范性的，并且在所展示 明的精神。
权利要求
1.一种自由排放管道，其包括a.可渗透的管状芯子构件；b.可渗透的环向加固层，其在所述芯子构件的外侧；c.实质上不可渗透的膜层，其在所述环向加固层的外侧；以及d.可渗透的拉伸加固层，其在所述膜层的外侧，由此，在所述自由排放管道的任何层之间不存在自由体积的环形区域。
2. 如权利要求1所述的自由排放管道，其中，在所述拉伸加固层的 外侧设置有可渗透的聚合物外罩。
3. 如权利要求1所述的自由排放管道，其中，所述环向加固层包括 复合的层压构造。
4. 如权利要求1所述的自由排放管道，其中，所述拉伸加固层包括 复合的层压构造。
5. 如权利要求3所述的自由排放管道，其中，所述复合的层压构造 包括叠加的层压物，所述叠加的层压物在层压物之间具有树脂。
6. 如权利要求5所述的自由排放管道，其中，所述叠加的层压物被 包裹成"z"型，由此，所述叠;^口的层压物中的每一个一皮防止结合到相邻 的叠加的层压物。
7. 如权利要求4所述的自由排放管道，其中，所述复合的层压构造 包括叠加的层压物，所述叠加的层压物在层压物之间具有树脂，并且其中 所述叠加的层压物;故包裹成"z"型，由此，所述叠加的层压物中的每一 个不会结合到相邻的叠加的层压物。
8. 如权利要求4所述的自由排放管道，其中，所述复合的层压构造 包括叠加的层压物，所述叠加的层压物在层压物之间具有树脂，并且其中 所述叠加的层压物被包裹成"s"型，由此，所述叠加的层压物中的每一个不会结合到相邻的叠加的层压物。
9. 如权利要求1所述的自由排放管道，其中，在所述环向加固层和 所述实质上不可渗透的膜之间具有抗挤压层，由此，施加在所述实质上不 可渗透的膜的外侧的压力被防止挤压到形成于所述环向加固层中的间隙 之间。
10. 如权利要求1所述的自由排放管道，其中，在所述环向加固层和所述实质上不可渗透的膜之间具有润滑层，由此，所述环向加固层以及所 述实质上不可渗透的膜不会彼此粘贴。
11. 一种形成自由排放管道的方法，其包括步骤a. 形成聚合物管状芯子，当在海底环境中传输油和气体时，所述聚 合物管状芯子承受内部流体压力；b. 围绕所述芯子包裹至少一个环向加固层；a. 用实质上不可渗透的膜覆盖所述环向加固层；以及b. 用至少一个拉伸加固层包裹所述实质上不可渗透的膜。
12. 如权利要求8所述的方法，其包括另外的步骤围绕所述拉伸加 固层施加穿孔的聚合物外罩。
13. 如权利要求9所述的方法，其包括另外的步骤在所述管状芯子 上形成穿孔。
全文摘要
一种自由排放管道以及形成该自由排放管道的方法，其包括可渗透的管状芯子构件，围绕该芯子构件有至少一个可渗透的环向加固层；实质上不可渗透的膜层，其被放置在环向加固层的外侧，以及至少一个可渗透的拉伸加固层，其被放置在膜层的外侧，由此，在自由排放管道的任何层之间不存在自由体积的环形区域。该环向加固层和拉伸加固层包括层压构造。
文档编号F16L11/00GK101663528SQ200780046821
公开日2010年3月3日 申请日期2007年10月26日 优先权日2006年12月18日
发明者迈克尔·J·布赖恩特 申请人:迪普弗莱克斯有限公司