柔性管本体及方法

柔性管本体及方法
【专利摘要】柔性管本体及制造柔性管本体的方法，该管本体包括：管状层(304)，该管状层由褶皱材料制成并且用于形成抗塌层，其中，层的径向外表面具有交替重复的槽(318)和脊部(316)，并且层的径向内表面具有相应的交替重复的脊部(320)和槽(322)；以及填料元件(310)，该填料元件与径向外表面和径向内表面的至少一个中的槽相邻设置，使得对于所述表面，填料元件基本上填充在相邻的槽和脊部之间延伸的空间，从而提供沿着脊部的基本上非波浪形的表面。
【专利说明】柔性管本体及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柔性管本体及提供该柔性管本体的方法。特别地但非排他性地， 本发明涉及一种包括抗塌层的、用于输送油和气体的柔性管本体，该抗塌层包括用于提高 柔性和稳定性的褶皱形式。

【背景技术】
[0002] 通常，利用柔性管将诸如油和/或气体和/或水之类的产品流体从一个位置输送 至另一个位置。柔性管在将海底位置（其可以是深水处，也就是1〇〇〇米或更深）连接至海 平面位置方面中是特别有用的。管可以具有通常高达大约0.6米的内直径。柔性管通常被 形成为一种由柔性管本体与一个或更多个端部配件构成的组件。管本体通常被形成为由形 成承压导管的分层材料构成的组合件。管结构允许很大的偏转而不会在其使用期限内产生 削弱该管的功能性的弯曲应力。管本体通常被构建成包括金属层和聚合物层的组合结构。
[0003] 在整个本说明书中，将参照柔性管进行说明。将会理解的是，柔性管是由管本体的 一部分与一个或更多个端部配件构成的组件，管本体的相应端部终止于该一个或更多个端 部配件中的每一个端部配件中。图1示出了如何由形成承压导管的分层材料的组合来形成 管本体100。尽管在图1中示出了多个特定层，但是应理解的是，本发明可被广泛地应用于 包括由多种可能的材料制成的两个层或更多个层的同轴的管本体结构。层的厚度仅仅是出 于说明性的目的而示出的。
[0004] 如图1中所示，管本体包括可选择的最内部的构架层（carcass layer) 101。该构 架提供了互锁结构，该互锁结构可被用作最内层以完全地或部分地防止内部压力护套102 由于管减压、外部压力、拉伸护面压力、和机械碾压载荷而垮塌。
[0005] 内部压力护套102作为流体保持层并且包括确保内部流体完整性的聚合物层。应 理解的是，该层本身可以包括多个子层。应了解的是，当利用可选择的构架层时，内部压力 护套通常被那些本领域技术人员称为屏障层。在没有这种构架的操作（所谓的光滑孔操 作）中，内部压力护套可以被称为衬套。
[0006] 可选择的压力护面层103是铺设角接近90°的结构层，该结构层提高了柔性管对 内部压力和外部压力及机械碾压载荷的抵抗力。该层还在结构上支承内部压力护套，并且 通常包括互锁的构造。
[0007] 这种压力护面层上的主要载荷由径向力形成。压力护面层通常具有用以互锁的特 定的横截面轮廓，从而能够维持和吸收由管上的外部压力和内部压力造成的径向力。因此， 防止管由于压力而导致的垮塌或爆裂的卷绕的线的横截面轮廓有时称为耐压轮廓。当压力 护面层由螺旋卷绕的线形成的环形部件形成时，来自管上的外部压力或内部压力的径向力 致使环形元件扩张或收缩，将拉伸载荷施加于这些线上。
[0008] 柔性管本体还包括可选择的第一拉伸护面层105和可选择的第二拉伸护面层 106。每个拉伸护面层都是铺设角通常在10°与55°之间的结构层。每个层都被用于承受 拉伸载荷和内部压力。拉伸护面层通常是成对地反向卷绕的。
[0009] 这种拉伸护面层上的主要载荷是张力。在诸如深水和超深水环境之类的高压应 用中，由于内部压力端盖载荷和柔性管自支承重量的结合而使拉伸护面层经受高的拉伸载 荷。由于长时间段地经受这种条件，因此这可能引起柔性管失效。
[0010] 所示出的柔性管本体还包括可选择的带层104,该带层有助于包含底层并且在一 定程度上防止相邻层之间的磨损。
[0011] 柔性管本体通常还包括可选择的绝缘层107和外部护套108,该外部护套108包括 用于保护管不受海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损、和机械损坏影响的聚合物层。
[0012] 每个柔性管都包括至少一个部分，该至少一个部分有时与位于柔性管的至少一个 端处的端部配件一起被称为管本体100的区段或部段。端部配件提供了在柔性管本体与连 接器之间形成过渡的机械装置。如例如在图1中所示的不同的管层以在柔性管与连接器之 间传递载荷的方式终止在该端部配件中。
[0013] 图2示出了上升装置组件200,该上升装置组件适于将诸如油和/或气体和/或水 之类的产品流体从海底位置201输送至漂浮设备202。例如，在图2中，海底位置201包括 海底流动管线。柔性流动管线205包括柔性管，该柔性管完全地或部分地搁置在海底204 上或者埋入海底下面并且用于静态应用中。漂浮设备可由平台和/或浮标或者如在图2中 所示的船提供。上升装置组件200设置为柔性上升装置，S卩，将船连接至海底装置的柔性管 203。柔性管可以是连接端部配件的柔性管本体的区段。
[0014] 应当认识到的是，如本领域技术人员所周知的，存在不同类型的上升装置。本发明 的实施方式可与任何类型的上升装置一起使用，这些上升装置例如为自由悬置的上升装置 (自由悬链式上升装置）、在一定程度上受限的上升装置（例如浮标、链条）、完全受限的上 升装置或者封闭在管（I管或J管）中的上升装置。
[0015] 图2还示出了如何可将柔性管的部分用作流动管线205或跨接件（jumper) 206。
[0016] 无束缚的柔性管已被用于深水（小于3, 300英尺（1,005.84米））开发和超深水 (大于3, 300英尺）开发。正是对石油的不断增大的需求造成了于环境因素更为极端的越 来越深的深度处进行勘探。例如，在这样的深水和超深水环境中，海底温度增大了将生产流 体冷却至可能导致管堵塞的温度的风险。增大的深度还增大了与柔性管必须在其中操作的 环境相关的压力。结果，增大了对柔性管本体的层的高级别的性能的需求。
[0017] 柔性管还可以用于浅水应用（例如小于约500米的深度）或者甚至用于海岸（陆 地）应用。
[0018] 一种用以提高载荷响应及因此提高护面层和抗塌层的性能的方法是由更厚、更高 强度且因此更坚固的材料来制造层。例如，对于通常由与层中相邻的卷绕组互锁的卷绕的 线所形成的层的压力护面层来说，由更厚的材料制造该线导致强度适当地增大。然而，柔性 管的重量随着所使用的材料增多而增加。最终，柔性管的重量可能成为管的使用中的限制 因素。另外，使用越来越厚的材料制造柔性管会明显地增加材料的成本，这也是一个缺点。
[0019] 另外，已知的是产品流体的输送通常导致柔性管的各个层受到相对酸性的条件。 这种"酸性"服务是由于硫化氢（H 2S)和诸如C02之类的其它种类一起从管的内孔径向向外 地迁移引起的。这是一些产品流体包含相对高浓度的呈溶液形式或呈气态形式的硫化氢气 体的结果。长时间在这种环境下，硫化氢和诸如C0 2之类的其它气体种类穿过流体保持层而 渗透到限定在柔性管本体的层之间的环形区域中。H2S和co 2在这些环形区域中聚集并且 逐渐增加这些区域中的环境酸度（减小pH)。因此，金属部件--例如在这环形区域中形成 压力护面层和/或拉伸护面层的带--受到增强的酸性腐蚀，如果没有迁移的话，这可能导 致极高的腐蚀速率及可能的失效。还应当理解的是，端部配件潜在地包括多种金属零部件， 并且它们能同样地遭受酸性环境。
[0020] 这种酸性服务环境可长时间影响柔性管的整体性能。这可导致预期使用寿命缩短 或者甚至在使用期间柔性管失效。已知的技术将"酸性服务材料"用于柔性管的潜在地易 受到伤害的部件。这通常涉及使用在制造期间已经经历过热/冷加工的线材，和/或已经 添加有防腐添加剂的线材。这些酸性线材比标准的未加工的线材（所谓的用于在非酸性环 境中使用的"甜"线材（"sweeWire))更昂贵。这些酸性线材还比甜线材更弱，意味着需 要更多的材料以补偿线材在强度上的降低。
[0021] 褶皱层本身已知用于提高管道或管的强度。然而，褶皱层已知为扭转不稳定的。此 夕卜，虽然螺旋卷绕的抗塌层在例如将诸如光学纤维的附加元件缠绕至管本体是有用的，但 是螺旋卷绕的抗塌层也可能为扭转不稳定的。另外，已经提出了扭转稳定的多个分离的环 状元件，尽管它们较不适于将附加元件缠绕至其中。


【发明内容】

[0022] 本发明的目的是至少部分地缓解以上提及的问题。
[0023] 本发明的目的是提供一种具有比已知的层提高了单位重量强度特性的抗塌层。
[0024] 本发明的目的是提供一种抗塌层，其与已知的层相比具有提高了的柔性同时维持 高的抗塌强度和箍强度。
[0025] 根据本发明的第一方面，提供了一种柔性管本体，包括：
[0026] 管状层，该管状层是褶皱材料制成的并且用于形成抗塌层，其中，层的径向外表面 具有交替重复的槽和脊部，并且层的径向内表面具有相应的交替重复的脊部和槽，以及
[0027] 填料元件，其与在径向外表面和径向内表面中的至少一个的槽相邻设置，使得对 于所述表面，填料元件基本上填充在相邻的槽和脊部之间延伸的空间（void)，从而提供沿 着脊部的基本上非波浪形的表面。
[0028] 根据本发明的第二方面，提供一种制造柔性管本体的方法，包括：
[0029] 提供用于形成抗塌层的褶皱材料制成的管状层，其中，层的径向外表面具有交替 重复的槽和脊部，并且层的径向内表面具有相应的交替重复的脊部和槽，以及
[0030] 用填料元件来填充径向外表面和径向内表面中的至少一个的槽，使得对于所述表 面，填料元件基本上填充在相邻的槽与脊部之间延伸的空间，从而提供沿着脊部的基本上 非波浪形的表面。
[0031] 本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种包括具有提高的柔性的抗塌 层的柔性管本体。
[0032] 本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种包括能够承受高压的抗塌层 的柔性管本体。
[0033] 本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种在设计方面是轻质的柔性管 本体。
[0034] 本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种具有褶皱构形的、并且比已 知设计更稳定的抗塌层。
[0035] 本发明的某些实施方式提供了下列优点：提供了一种具有褶皱构形的益处、且具 有用于覆盖其他层或用作柔性管本体的光滑孔内表面的基本上光滑的表面的抗塌层。

【专利附图】

【附图说明】
[0036] 在下文中参照附图进一步描述本发明的实施方式，其中：
[0037] 图1示出了柔性管本体；
[0038] 图2示出了上升装置组件；
[0039] 图3示出了本发明的实施方式的柔性管本体；
[0040] 图4示出了图3的柔性管本体在平面A中的横截面；
[0041] 图5示出了制造柔性管本体的方法。
[0042] 在附图中，相同的附图标记指代相同的部件。

【具体实施方式】
[0043] 图3和图4示出了根据本发明的实施方式的柔性管本体300。图4是图3中所指 的平面A中的管本体的放大的横截面视图。
[0044] 管本体300包括由一层褶皱材料308和填充材料310形成的抗塌层304,在该情况 中在褶皱材料308的两侧都设置有填充材料310。然而，填充材料310可以仅设置在褶皱材 料的一侧上。
[0045] 褶皱层308具有有外表面312和内表面314的褶皱轮廓。外表面312具有多个脊 部316 1?2和槽3181?2。脊部3161?2是限定层304的径向最外侧部分的褶皱层的顶峰。内表面 314具有多个脊部320 1;2和槽3221;2。脊部3201;2是限定层304的径向最内侧部分的褶皱层 的顶峰。当然可以使用具有与所示的褶皱层不同宽度和螺距等的褶皱层。在该示例中，夕卜 表面的每个槽对应于内表面的脊部，并且内外表面的每个脊部对应于内表面的槽。在该示 例中，槽和脊部沿着柔性管本体的轴向方向重复。替代性地，槽和脊部可以形成为沿着柔性 管本体的纵向轴线在螺旋方向上重复。
[0046] 填充材料310设置为基本上填充在每个内表面314和每个外表面312上相邻的槽 和脊部之间延伸的空间。即，在图4中示出的横截面中，填充材料填充在脊部316i、槽318^ 以及脊部316 2之间的具有大致倒三角形形状的区域324。适当地，将以相同的方式填充褶 皱层的该侧上的相邻的槽和脊部之间的所有其他区域。如在图4的横截面中所示，区域324 具有基本上平坦的上表面326。因此，在管本体层304中，层304的径向外表面将基本上为 光滑的（非波浪形）。
[0047] 在该示例中，在褶皱层308的内表面314的相邻槽和脊部之间的层304的区域也 以与如上述相同的方式用填充材料310基本上填充，虽然当然横截面中的填充区域将具有 大致三角形形状而非倒三角形形状。
[0048] 在该示例中，填充材料310为具有大约0. 5的泊松比（Poisson's ratio)的橡胶。 适当地，填充材料具有在大约〇. 45到0. 55之间的泊松比。该材料可描述为恒定容积的材 料。
[0049] 示出的管本体300包括可选择的最内侧的聚合物耐磨层302。这种耐磨层可在减 小通过孔的流动阻力上是有用的，即提供在使用中不太可能被流体流损坏的更光滑的层。
[0050] 示出的管本体300还包括可选择的挤压出的聚合物层306,其可在提供用于待被 应用的诸如压力护面层之类的任何外层的基础层上是有用的。层306有助于甚至在高压下 提供抗蠕变性并且有助于确保用于应用任何外层的光滑表面。
[0051] 管本体300可以可选择地包括诸如压力护面层、拉伸护面层、外部护套之类的其 他层，这些其他层可以如本领域所知的通常的方式应用。
[0052] 在图5中示出了根据本发明的一方面制造柔性管本体的方法。在第一个步骤中， 提供了诸如图3中示出的层308之类的褶皱层。之后，褶皱层的表面的槽用诸如图3中示出 的填料310之类的填充材料填充，以提供基本上光滑的表面。这可以通过机械地或手工地 将填充材料的预先形成的本体插入槽中、或者绕槽区域缠绕带（具有比槽相对细的直径） 直到槽被基本上填充而实现。褶皱的层可以设置为在芯轴之上或者在柔性管本体的另一层 之上的管状层。还可以在所形成的层附近添加柔性管本体的其他层。
[0053] 在本发明的另一实施方式中，褶皱层可以由诸如不锈钢之类的金属形成。本发明 的剩余特征可如上所述那样设置。通过提供金属的褶皱层，该层用作不可透过层。
[0054] 根据上文描述的本发明，褶皱层对柔性管本体的抗塌层提供柔性，且比能为扭转 不稳定的已知褶皱管件更稳定。
[0055] 与标准的、非褶皱的圆筒型的层相比，当使用褶皱材料作为管本体的一部分导致 使用中在柔性管本体经历弯曲时，由层经受更小量的应力。这是由于，对于褶皱管层的截面 来说，弯曲后增加的长度与未弯曲的长度的比率是小的，即，对于褶皱的层来说弯曲后长度 方面的改变比对于非褶皱的层来说更小。
[0056] 通过在褶皱层的至少一侧上包括具有恒定容积的填充材料，这允许层充分地弯 曲，并且通过形成相对光滑的表面还对相邻层提供支承。即，填充材料防止在褶皱的顶峰与 相邻层之间的点接触。这在存在作用在这种层上的内部压力或外部压力、或者由于将层径 向地推在一起的管本体弯曲而产生压力的中特别地有用。
[0057] 另外，可以使用褶皱层代替标准构架层以提供防塌性，并且设置在褶皱层的径向 最内侧表面上的填充材料将提供光滑孔型的表面，因此给予抗塌层以及孔的光洁度的益 处。
[0058] 此外，填充材料可以对管本体提供绝缘效果，这种绝缘效果在诸如海下的深处的 极端条件下操作时总是有用的。
[0059] 提供复合材料制成的褶皱层允许层的弯曲，非褶皱的复合物层不能容易地实现这 种弯曲。
[0060] 通过提供金属制成的褶皱层，层变得不能透过液体和气体，具体地，液体和气体可 逐渐地迁移通过例如聚合物屏障层，从而引起不期望的压力在聚合物屏障层与外防护层 (outer shield layer)之间的环形区域中构成。金属裙皱层防止这种流体迁移，但还允许 非褶皱的金属层不能进行的弯曲。这些特征使得能够在"酸性"服务环境中使用所谓的"甜" 线材的益处。
[0061] 对如上所述的详细设计的各种改型是可能的。例如，上文描述为将恒定容积的材 料应用至褶皱层的槽以触到该层的脊部来提供光滑表面，但是可以应用更大量的恒定容积 的材料以便于填充并且在某种程度上从褶皱层向外延伸。
[0062] 虽然上文已将抗塌层描述为构架型层，但是层也可以使用为压力护面层、流体屏 障层、或者柔性管本体的其他层。另外，抗塌层可以使用为例如结合的构架和屏障层，或者 为柔性管本体中的层的其他结合。
[0063] 上文描述的用于任一层的各种材料中的任一种可以为聚合物、复合材料、金属或 者合金、或者适于具体应用的其他材料。
[0064] 填充材料可以为具有大约0. 45到0. 55之间的泊松比的任何适当的材料，诸如例 如硅树脂。除了填充在槽与脊部之间的每个区域的填充材料的单一本体外，使用橡胶或者 硅树脂材料的绕褶皱区域缠绕的带从而用以填充区域是可能的。
[0065] 对于本领域技术人员来说明显的是，与上述任一实施方式相关的所述特征能在不 同实施方式之间可交换地适用。上文描述的实施方式为用以说明本发明的各个特征的示 例。
[0066] 贯穿本说明书的描述和权利要求，词语"包括"和"包含"及其变型意为"包括但不 限于"，并且这些词语并非旨在（并且并不）排除其他组分、添加物、部件、整体或步骤。贯 穿本说明书的描述和权利要求，除非文中另有说明，否则单数包含复数。特别地，在使用不 定冠词时，除非文中另有说明，否则说明书应当理解为设想了复数以及单数。
[0067] 结合本发明的特定方面、实施方式或示例描述的特征、整体、特性、组合物、化学组 分或组应当理解为适用于在本文中描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非与其不相 兼容。在本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中披露的所有特征、和/或这样 披露的任何方法或工艺的所有步骤可组合成任意组合，除了这样的特征和/或步骤中的至 少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展至在本 说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中披露的特征的任何新颖的特征或任何新 颖的组合，或者扩展至这样披露的任何方法或工艺的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的 组合。
[〇〇68] 读者的注意力应当关注于与本申请相关的与本说明书同时或在本说明书之前提 交的、并且与本说明书一起公开供公众检查的所有文件和文档，并且所有这样的文件和文 档的内容通过引用结合于本文中。
【权利要求】
1. 一种柔性管本体，包括： 管状层，所述管状层由褶皱材料制成并且用于形成抗塌层，其中，所述层的径向外表面 具有交替重复的槽和脊部，并且所述层的径向内表面具有相应的交替重复的脊部和槽，以 及 填料元件，所述填料元件与所述径向外表面和所述径向内表面的至少一个中的所述槽 相邻设置，使得对于所述表面，所述填料元件基本上填充在相邻的槽和脊部之间延伸的空 间，从而提供沿着所述脊部的基本上非波浪形的表面。
2. 根据权利要求1所述的柔性管本体，其中，所述槽和所述脊部在所述管状层的轴向 方向上重复。
3. 根据权利要求1所述的柔性管本体，其中，所述槽和所述脊部沿着管状层的纵向轴 线在螺旋方向上重复。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述填料元件包括具有在 大约0. 45到0. 55之间的泊松比的材料。
5. 根据前述权利要求4所述的柔性管本体，其中，所述填料元件包括具有在大约0. 5之 间的泊松比的材料。
6. 根据前述权利要求4或5所述的柔性管本体，其中，所述填料元件包括橡胶。
7. 根据前述权利要求4或5所述的柔性管本体，其中，所述填料元件包括硅树脂。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述填料元件包括卷绕带。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述管状层包括金属。
10. 根据权利要求1至8中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述管状层包括复合材 料。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述管状层形成流体屏障 层。
12. 根据权利要求1至10中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述管状层形成压力保 持护面层。
13. 根据权利要求1至10中的任一项所述的柔性管本体，其中，所述管状层形成构架 层。
14. 一种制造柔性管本体的方法，包括： 提供用于形成抗塌层的由褶皱材料制成的管状层，其中，所述层的径向外表面具有交 替重复的槽和脊部，所述层的径向内表面具有相应的交替重复的脊部和槽，以及 用填料元件来填充所述径向外表面和所述径向内表面中的至少一个的所述槽，使得对 于所述表面，所述填料元件基本上填充在相邻的所述槽与所述脊部之间延伸的空间，从而 提供沿着所述脊部的基本上非波浪形的所述表面。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述填料元件包括具有在大约0. 45到0. 55之 间的泊松比的材料。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述填料元件包括橡胶或者硅树脂。
17. 根据权利要求14至16中的任一项所述的方法，其中，填充所述槽的所述步骤包括 将带卷绕至所述空间中。
18. 根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，还包括在与所述基本上非波浪形的 表面的相邻处提供另一层。
19. 一种大致根据参照附图在上文中所描述的柔性管本体。
20. -种大致根据参照附图在上文中所描述的方法。
【文档编号】F16L11/15GK104114925SQ201280065303
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】杰弗瑞·斯蒂芬·格拉哈姆 申请人:韦尔斯特里姆国际有限公司