管状体及其形成方法
【专利摘要】本发明提供一种例如可以用作石油或气体管道的管状体(10)，其具有纵轴线X并包括螺旋卷绕的搭接材料的单独的内带和外带(12,14)，所述内带和外带均具有纵轴线L和第一和第二边缘(16,18,16’,18’)，其中每条带(12,14)包括两个或更多的纵向延伸的脊皱(20,22,20’,22’)，每个脊皱沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸，其中所述脊皱(20,22,20’,22’)均包括非对称脊皱，该非对称脊皱具有形成接触部(28,28’)的前边缘(24,24’)，其中所述前边缘(24,24’)均相互接触，还包括以一定程度G相互间隔的非接触尾边缘部(26,26’)。
【专利说明】管状体及其形成方法
[0001]直量
[0002]本发明涉及管状体及其形成方法，确切地说但非唯一地涉及用在例如像压力输送烃、气态或者液态产物的管道这样的系统中的管的制造。
[0003]现有技术介绍
[0004]目前，由多个管段形成管道是众所周知的，每个所述管段已从扁平带或板被滚压成形为管状结构并在制管厂中被接缝焊接，随后在现场被对头焊接在一起而形成成品管道。这种管的适应性受到所用材料的经济性和须被运输移动就位的最终产品的重量以及在最困难情况下还有最终组装问题的制约。最终组装一般需要多达30人的焊工队伍来一起人工焊接管道的多个固定部段，而且通常还需要多达200人的辅助队伍。在通常可能很遥远地点处迁移并管理如此多的人的相关后勤工作可能代价高昂和繁琐。另外，这样的管本来就是硬而直的，起伏不平地带的经行通常要求专用弯管站，其将具有高达40倍管道直径的弯管压入多个刚性管段中并弯折它们以将其焊入管道。这是75年来都未发生改变的人工作业过程。本文所述的作业过程的情景适用于自动化并减轻或消除对弯管站的需要。
[0005]GB2280889公开了一种形成空心细长体或管状体的方法并包括以自搭接方式螺旋卷绕至少一条带材以提供多层管状结构。在这种布置方式中，带被预成形以提供具有至少一个阶梯部的横向横截面，该阶梯部在带的每圈盘旋中接纳下一盘旋的搭接部。于是，具有由多个搭接部构成的壁厚的管状体可由单条带材连续制造，壁厚大致是比在带横截面中形成的这些阶梯部大了一个带厚。这样的布置方式如所附的图1所示。这样的设计也可配备有周向延伸的脊皱，所述脊皱是在带卷绕前通过使带横截面形状塑性变形而形成的，这样的脊皱搭接并相互叠合以提供互锁结构，这种互锁结构抵抗作用在最终结构上的轴向和周向负荷。
[0006]以上布置方式可配备有内衬，该内衬的形状将取决于管状结构的既定应用，但它可包括滚压成形接缝焊接管状件。在这样的管状结构的加工过程中，内衬可被预成形以提供芯杆或芯，螺旋卷绕的加强带被卷绕在所述芯杆或芯上。
[0007]GB2433453公开了一种与如GB2280889所述类型的管状结构相关的制造步骤，其迫使加强带本身塑性变形至略小于带要被卷绕至其上的芯或衬的直径的直径，从而所述带有效地自定位并使芯处于轻微而尚不足以造成屈曲的压力下。
[0008]上述两种设计必然将加强带加工成能容许该带所具有的直径在内径和外径之间变化。加工过程可能是有问题的并可能引发不希望有的材料应力。另外，在以上布置方式中采用的搭接脊皱特征使脊皱精确定位和互锁变得复杂。需要附加的加工步骤来产生所需要的直径变化，这将额外的残余应变引入材料中，这可能是不希望出现的并可能难以接受地耗尽在高强度材料如高延性钢中可获得的相对有限的延展性的相当一部分。
[0009]虽然以上两种布置方式提供了针对管状结构制造问题的可接受的解决方案，但现已发现有助于这样的管状结构制造的进一步改进，本申请就是着眼于这种改进。
【发明内容】
[0010]因此，本发明提供一种具有纵轴线X的管状体，该管状体包括螺旋卷绕的搭接材料的单独的内带和外带，内带和外带均具有纵轴线L和第一和第二边缘，其特征是，每条带包括两个或更多的纵向延伸的脊皱，每个所述脊皱沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸，并且每个所述脊皱包括具有形成接触部的前边缘的非对称脊皱，其中所述前边缘均相互接触，所述脊皱还包括非接触尾边缘部，它们彼此间隔一定程度G。
[0011]优选地，所述接触部包括所述脊皱的、以角度Θ ’相对于所述纵轴线X延伸的部分，并且所述尾边缘部以角度Θ ”相对于所述纵轴线X延伸，其中所述角度Θ”大于所述角度Θ，。
[0012]有利地，所述角度Θ ”比所述角度Θ ’大至少20度。
[0013]在一种布置方式中，所述接触部包括所述脊皱的、以在70度至110度之间的角度Θ’相对于所述纵轴线X延伸的部分。
[0014]或者，所述接触部包括所述脊皱的大致垂直于该纵轴线X延伸的部分。
[0015]有利地，所述尾边缘部以在20度至70度之间的角度Θ ”相对于所述纵轴线X延伸。
[0016]优选地，该尾边缘部相对于该纵轴线X以大致45度的角度Θ ”延伸。
[0017]在一种布置方式中，所述外带的所述前边缘彼此背对。
[0018]在一种布置方式中，所述内带的所述前边缘均彼此相向。人们将会认识到可以将以上布置方式颠倒，从而所述外带的前边缘均彼此相向，而所述内带的前边缘均彼此背对。
[0019]优选地，该布置方式包括在相邻的内带边缘之间的内间隙G。
[0020]有利地，该布置方式包括在相邻的外带边缘之间的间隙G2。
[0021]优选地，内间隙G处于外脊皱之间的位置。
[0022]优选地，所述外间隙G2处于所述内脊皱之间的位置。
[0023]优选地，所述管状体包括内芯，所述内带和外带被卷绕于所述内芯上。
[0024]有利地，所述内带和外带具有小于该内芯的外部的半径R”的自然弯曲半径R、R’。
[0025]在典型的布置方式中，所述内带和外带包括抗拉强度在800GPa至2000GPa之间的材料。
[0026]优选地，所述带均以角度Θ相对于所述纵轴线X被卷绕。在一种布置方式中，所述角度Θ在4度至54度之间，而在另一种布置方式中，所述角度Θ在4度至12度之间。在一种特定布置方式中，所述角度Θ大致为12度。
[0027]根据本发明的另一方面，提供一种制造具有纵轴线X的管状体的方法，该方法包括提供内带和外带，其特点是具有以下步骤，在所述带上形成成对或纵向延伸的脊皱，每个所述脊皱被成形为能沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸并且以非对称脊皱形式形成所述脊皱，该非对称脊皱具有形成接触部的前边缘，其中所述带以螺旋卷绕搭接关系被卷绕，从而其前边缘均相互接触，所述尾边缘部以彼此间隔一定程度G的方式被卷绕。
[0028]根据本发明的又一方面，提供一种用于制造根据权利要求1至14之一的管状体的管带，包括成对或纵向延伸的脊皱，每个脊皱沿所述纵向延伸轴线L相互平行地延伸，其中每个所述脊皱包括非对称脊皱，该非对称脊皱具有形成接触部的前边缘并且还包括非接触尾边缘部。【专利附图】
【附图说明】
[0029]现在仅将参照附图来更具体地举例描述本发明，其中:
[0030]图1和图2示出现有技术的管状体；
[0031]图3是根据本发明的管状体的局部剖视图；
[0032]图4是图3的管状体的搭接部的横剖视图；
[0033]图5是图4的脊皱部的放大视图，具体示出了内脊皱和外脊皱之间的互锁关系；
[0034]图6是如图3-5所示的外层带的横剖视图；
[0035]图7是图3-5所示的内层带的横剖视图；
[0036]图8和9是如上述附图所示的内脊皱和外脊皱的局部横剖视图；
[0037]图10是针对包含本发明在内的许多设计的总体的轴向应变与内压关系的曲线图；
[0038]图11是针对两个设计的外带轴向间距与压力关系的曲线图；
[0039]图12-14是比较数字建模中被用来表征特性的三种不同带截面形状的横剖视图。
[0040]发明【具体实施方式】
[0041]现在总体参见这些附图，但尤其参见图3-5，本发明包括具有纵轴线X的管状结构10，其分别包括内带和外带12、14。所述带12、14均具有纵轴线L并包括第一和第二边缘16、18、16’、18’并且均围绕轴线X以角度Θ相对于纵轴线X被螺旋卷绕。每条带12、14包括一对纵向延伸的脊皱20、22、20 ’、22 ’，每个脊皱沿所述纵轴线L相互平行延伸。与上述现有技术形成鲜明对比，每个脊皱包括非对称脊皱，非对称脊皱具有前边缘24、24’和尾边缘
26、26’，其中该前边缘形成相互接触的接触部28、28’，还具有彼此以一定程度G相互间隔的非接触尾边缘部30、30’。本文随后将参照图5来解释与此布置方式相关的优点。接触部
28、28’包括脊皱12、14的、均以角度Θ ’相对于纵轴线X延伸的部分，尾边缘26、26’’以角度Θ ”相对于所述纵轴线X延伸，角度Θ ”大于角度Θ ’。优选地，Θ ”以等于或大于20度的值大于Θ’。在本发明的这种布置方式中，角度Θ ’将有可能在70度和110度之间变化，并且可能更依赖于这两个部分之间所存在的摩擦程度。最重要的是，当轴向负荷被施加于管状体10时接触部28、28’保持相互接触，该轴向负荷除了在接触点28、28’存在摩擦关系或物理过盈关系外要保证所述两个前边缘在结构10被操纵以对其施加纵向应变时保持相互接触。有本领域技术的读者将会认识到具体角度Θ ’将根据材料性能和接触面而变，但90度角度将使得握持度最佳，同时还允许带12、14彼此叠覆。实质上，Θ’的优选角度是这样的，即前边缘垂直于(90度)纵轴线X从带表面延伸出。尾边缘26、26’以角度Θ ”相对于纵轴线X延伸，并且具体角度与角度Θ ’相比不太重要，所选的具体角度Θ”部分取决于带材可接受的弯曲程度，部分取决于可获得的空间大小的实际情况。实践中已经发现，相对于轴线X在20度至70度之间的角度是合适的。在附图的具体例子中，角度Θ”被选择为能在减轻材料弯曲损伤和紧凑的脊皱设计之间产生良好折中效果的角度。其它角度将由本领域技术人员可获得。
[0042]参见图3、图4、图6和图7将会明白，各带上的前边缘24、24’能彼此相向(箭头T)或彼此背对(箭头A)。在如图所示的具体布置方式中，内带12的前边缘24彼此相向，而外带14的前边缘24’彼此背对。此布置方式可以被颠倒过来，从而内带12的前边缘24彼此背对，而外带的前边缘24’彼此相向。需要带12、14之间的这种颠倒布置方式，从而内带12和外带14能以交错布置方式相互叠覆，如图4最清楚所示。从该图中将会明白，这种交错等于所述脊皱20、20’、22、22’的一个节距，从而右手RH侧的内脊皱20装配在左手LH侧的外脊皱22之下和之内，而左手LH侧的内脊皱22将装配在右手RH侧的外脊皱22’之下和之内。内带12和外带14因此在一定程度上通过前边缘24、24’的相互作用被相互锁紧，这些前边缘一旦被组装起来就紧邻布置且优选相互接触。确实，该布置方式可以提供在接触部28、28’处在两个接合表面之间的轻微干涉配合。接触点28、28’的紧密接触意味着沿箭头AL方向施加于管状体的任何轴向负荷将通过接触点28、28’被反作用，这些接触点将因为接触特性和角度Θ ’关系，提供针对脊皱平展的显著增强的阻碍和进而针对两者间互锁的解除锁合的显著增强的阻碍。本领域普通技术人员将会认识到，针对脊皱滑出其互锁配对结构，钢中的应变须高出造成内脊皱平展的材料塑性极限。该优点使本发明具备了相比于现有技术的其中一种技术改进。图4还示出在相邻带边缘之间的间隙G，该间隙允许热胀和加工误差，但间隙尺寸被设计为将单层加强带12、14设置在芯或衬30上的轴向距离限制到最小程度，如图5最佳所示。
[0043]图5提供了脊皱部段的更详细的横剖视图，从中将会明白，(在图8和9中更详细地示出的)内带12和外带14的弯曲半径R和其位置都优选被选择成能保证适当间隙G’和G”。在脊皱的尾边缘设置间隙G”，该间隙优选从其顶点32沿尾边缘26、26’本身向下延伸。该间隙的作用是在最终的管状体10本身中提供一定程度的灵活性，并且人们将会认识至IJ，如果需要，间隙G”可被改变或甚至完全消除。没有间隙G”的布置方式将更难以制造，但会更坚硬。具有较大间隙G”的布置方式将更容易制造，因为误差将减小，但灵活性更大。任何一种布置方式或介于两者间的布置方式对于不同的布置将是合适的，并且本设计可被改动以适应安装和操作要求的灵活性。间隙G’在前边缘的底部34设置并且仅设置用于保证所述两层之间空间，这是因为每层在基本纵向(X轴)和基本横向T之间的过渡。这样的间隙G’也有助于保证在它们具有在前边缘底部40、42处的其各自初始弯曲36、38之后内带12和外带14的所述两个接触面被尽快置于相互接触中。
[0044]图6和7清楚示出了内层12和外层14之间的主要区别，从中还将会认识到与外层14相关的弯曲半径R必然大于与内层相关的弯曲半径，以保证两者充分套叠。另外，这些图很清楚地示出了用于内层12和外层14的脊皱24、24’的取向之间的差别，所述差别在这两层沿X轴线以半个带宽彼此相对地轴向移位时将允许每层如图所示相邻套叠而未在两者间形成过大间隙。
[0045]用于典型匹配的内层和外层12、14的弯曲半径的细节如图8和9详细所示，从这些图中将会认识到弯曲半径将会需要在各带材厚度T改变时改变。
[0046]制造方法
[0047]制造具有纵轴线X的上述管状体(10)的方法包括以下步骤:提供内带和外带(12，14);在所述带上形成成对或纵向延伸的脊皱(20，22，20’，22’)，每个所述脊皱被形成为沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸并且以非对称脊皱形式形成所述脊皱(20，22，20’，22’)，该非对称脊皱具有形成接触部(28，28，)的前边缘(24，24，);以及以螺旋卷绕搭接关系来卷绕所述带，从而其前边缘(24，24’)均相互接触，该尾边缘部(26，26’)按照以一定程度G相互间隔的方式被卷绕。
[0048]图10和11提供了本发明(具有duplex/Docal Roll性能的双脊皱形状)和多项其它设计之间的某种对比。轴向伸长率或总体应变在内压下不太大是理想的，否则它将导致移动和可能失效。图10对比了被命名为双肋的新设计与三项现有技术设计135、185和一项并非现有技术且具有两层但只有单肋的设计。图11对比了单肋或者说单脊皱与双肋或者说双脊皱设计。从这些图中将会认识到新设计等于或优于许多现有布置方式，这是因为伸长率没有在压力下增大，尽管事实上它只包括两层而现有技术包括三层。
[0049]本发明与现有技术的布置方式相比还采用至高达30度的卷绕角度Θ，现有技术的卷绕角度一般只有4度。单单卷绕角度的增大就大幅提高制造速度和效率(在卷绕角度为12度的优选构型中为3倍)。被认为可行的是可针对某些应用场合获得达到54度的角度，本发明被认为涵盖这样的范围。
[0050]现在将参照上述图10和11和公开已知带截面形状的图12-14，说明与已知的带截面形状相比的本发明性能。本发明提供一种包含Duplex S32205/Docol Roll的双脊皱形状并在比较性能列表和曲线图中来提供。比较包含针对现有技术构型在内压负荷下分析得到的结果。
[0051]在本发明例子中的双脊皱形状由以大致12度围绕内衬被螺旋卷绕的两条单独带构成，形成双层带横截面。利用Duplex S32205/Docol Roll性能来分析该构型。带厚增大到0.75mm。在所附的图4中示出带材构型的截面。
[0052]现有技术第一比较例被称为135形状并由以4度围绕内衬被螺旋卷绕的具有三个对称脊皱的单条带形成。该带在脊皱之间被两次“折曲”，形成三层带横截面。利用316L/M190性能和Duplex S32205/Docol Roll性能来分析该设计理念。图12示出了带型材截面形状。
[0053]第二比较例被称为185形状并由以4度围绕内衬被螺旋卷绕的具有3个非对称脊皱的单条带形成。带在脊皱位置处被两次阶梯化，形成3层带横截面。利用Duplex S32205/Docol Roll性能来分析该设计理念。图13示出了带型材型截面形状。
[0054]第三比较例被称为Dreisternl85形状并由三条单独带构成，每条带具有单个非对称脊皱并以4度围绕内衬被螺旋卷绕，形成三层带横截面。利用Duplex S32205/DocolRoll性能来分析该设计理念。图14示出了带型材截面形状。
[0055]本发明的性能
[0056]已经针对具有Duplex S32205/Docol Roll性能的所述双脊皱形状分析内压和轴向负荷情况。这些分析结果与先前从在内压负荷下的3D分析中获得的结果进行比较。至此所分析的内压负荷情况的完整说明被列于表2.1中。
[0057]表2.1内压负荷情况研究
[0058]
【权利要求】
1.一种具有纵轴线X的管状体(10)，包括螺旋卷绕的搭接材料的单独的内带和外带(12，14)，所述内带和外带均具有纵轴线L和第一和第二边缘(16，18，16’，18’)，其特征是，每条带(12，14)包括两个或更多的纵向延伸的脊皱(20，22，20’，22’)，每个所述脊皱沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸，并且所述脊皱(20，22，20’，22’ )均包括非对称脊皱，该非对称脊皱具有形成接触部(28，28’)的前边缘(24，24’)并且所述前边缘(24，24’)均相互接触，还包括以一定程度G相互间隔的非接触的尾边缘部(26，26’)。
2.根据权利要求1所述的管状体，其特征是，所述接触部(28，28’)包括所述脊皱(12，14)的、以角度Θ ’相对于所述纵轴线X延伸的部分，并且所述尾边缘部(26，26’ )以角度Θ ”相对于所述纵轴线X延伸，其中所述角度Θ ”大于所述角度Θ ’。
3.根据权利要求3所述的管状体(10)，其特征是，所述角度Θ”比所述角度Θ ’大至少20度。
4.根据权利要求1所述的管状体，其特征是，所述接触部(28，28’)包括所述脊皱(12，14)的、以70度到110度的角度Θ ’相对于所述纵轴线X延伸的部分。
5.根据权利要求1所述的管状体(10)，其特征是，所述接触部(28，28’)包括所述脊皱(12，14)的、大致垂直于所述纵轴线X延伸的部分。
6.根据权利要求1至3之一所述的管状体(10)，其特征是，所述尾边缘部(26，26’)以20度到70度的角度Θ ”相对于所述纵轴线X延伸。
7.根据权利要求1至3之一所述的管状体，其特征是，所述尾边缘部(26，26’)以大致45度角度Θ ”相对于所 述纵轴线X延伸。
8.根据权利要求1至5之一所述的管状体，其特征是，所述外带(14)的所述前边缘(24’ )均彼此背对。
9.根据权利要求1至5之一所述的管状体，其特征是，所述内带(12)的所述前边缘(24)均彼此相向。
10.根据权利要求1至5之一所述的管状体，其特征是，所述外带(14)的所述前边缘(24’ )均彼此相向。
11.根据权利要求1至5之一所述的管状体，其特征是，所述内带(12)的所述前边缘(24)均彼此背对。
12.根据权利要求1至11之一所述的管状体，其特征是，在相邻的内带边缘(16，18)之间有内间隙G。
13.根据权利要求1或2所述的管状体，其特征是，在相邻的外带边缘(16’，18’)之间有间隙G2。
14.根据权利要求1至13之一所述的管状体(10)，其特征是，内间隙G位于外脊皱(20，，22’)之间的位置。
15.根据权利要求1至14之一所述的管状体(10)，其特征是，所述外间隙G2位于内脊皱(20，22)之间的位置。
16.根据权利要求1至15之一所述的管状体(10)，其特征是，设有内芯(30)，所述内带和外带(12，14)围绕该内芯(30)卷绕。
17.根据权利要求16所述的管状体，其特征是，所述内带和外带(12，14)具有小于所述内芯(30)的外部半径R”的自然弯曲半径R、R’。
18.根据权利要求1至17之一所述的管状体，其特征是，所述内带和外带(12，14)包括抗拉强度在800GPa到2000GPa之间的材料。
19.根据前述权利要求之一所述的管状体(10)，其特征是，所述带14、16均以角度Θ相对于所述纵轴线X来卷绕。
20.根据权利要求19所述的管状体(10)，其特征是，所述角度Θ在4度至54度之间。
21.根据权利要求19所述的管状体(10)，其特征是，所述角度Θ在4度至12度之间。
22.根据权利要求19所述的管状体(10)，其特征是，所述角度Θ大致为12度。
23.一种制造根据权利要求1至22之一的具有纵轴线X的管状体(10)的方法，所述方法包括提供内带和外带(12，14)，其特征是，包括以下步骤，在所述带上形成成对或纵向延伸的脊皱(20，22，20’，22’)，每个所述脊皱被形成为沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸，并且以非对称脊皱形式形成所述脊皱(20，22，20’，22’)，所述非对称脊皱具有形成接触部(28，28’)的前边缘(24，24’)，其中这些带以螺旋卷绕的搭接关系被卷绕，从而其前边缘(24，24’ )均相互接触，所述尾边缘部(26，26’ )以一定程度G相互间隔的方式被卷绕。
24.一种用于制造根据权利要求1至22之一的管状体的管带(12或14)，包括成对或纵向延伸的脊皱(20，22或20’，22’)，每个所述脊皱沿所述纵向延伸轴线L相互平行延伸，其中所述脊皱(20，22或20’，22’ )均包括非对称脊皱，该非对称脊皱具有形成接触部(26或26’ )的前边缘(24或2 4’ )并且还包括非接触尾边缘部(28或28’)。
【文档编号】F16L9/04GK104011446SQ201280053609
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2011年11月1日
【发明者】安德鲁·史蒂文森 申请人:Iti苏格兰有限公司