套筒构件、端部接头组件以及组装柔性管的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种套筒构件，端部接头组件以及组装柔性管的方法。具体地但非排它地，本发明涉及用于在柔性管体以端部接头终止的区域中使用在柔性管中的套筒构件。
[0002]本发明还涉及用于极深水下应用的中间密封。具体地但非排它地，本发明涉及柔性管的端部接头中的流体密封系统，包括该流体密封系统的密封结构和测试。
【背景技术】
[0003]通常，柔性管被用于将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从一个位置运输到另一位置。柔性管对于将水下位置(水下位置可以在水下较深，比如水下1000米或更深)连接到海平面位置是特别实用的。管道可以具有通常高达大约0.6米的内径。柔性管一般被形成为柔性管体与一个或多个端部接头的组件。管体通常被形成为形成承压管道的分层材料的组合。管结构允许发生较大挠曲而并不产生损害管的功能性(在管的使用寿命期间)的弯曲应力。管体一般被组装成包括金属层和聚合层的组合结构。
[0004]非粘接的柔性管已经被用于深水(小于3300英尺(1005.84米))和超深水(大于3300英尺)开采中。对石油日益增长的需求导致了在环境因素更为极端的越来越深的水域中进行开采。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度增大了产品被流体冷却到导致管阻塞的温度的风险。增加的深度还增大了与柔性管必须进行操作的环境相关联的压力。因此，增大了对柔性管体的各层以及管体各层与端部接头的连接的高性能等级的需要。
[0005]柔性管是一段管体和一个或多个端部接头的组件，其中管体的相应端部终止于各个端部接头。图1示出了管体100是如何由形成承压管道的分层材料的组合形成的。尽管在图1中示出了多个特定层，但管体结构可以包括两个或更多个由各种可能的材料制造而成的同轴层。层厚度仅以示例性的目的示出。
[0006]如图1所示，管体包括可选的最内骨架层101。骨架提供了能够用作最内层的互锁结构，以整体地或局部地防止内部压力壳层102由于管失压(decompress1n,)、外部压力、以及抗张力铠装压力和机械压毁负载而导致的损毁。管体可以在不具有骨架层(即，光滑孔)或具有骨架(粗糙孔)的情况下被使用。内部压力壳层102用作流体保持层并且包括确保内部流体整体性的聚合物层。应当理解的是，该层自身可以包括多个子层。应当理解的是，当可选的骨架层被使用时，内部压力壳层通常被本领域技术人员称作封闭层。在没有这样的骨架的运作(光滑孔的操作)中，内部压力壳层可以被称作内衬。
[0007]可选的压力防护层103为具有接近90°的捻角(lay angle)的结构层，该层增大了柔性管对外部和内部压力以及机械压毁负载的耐受性。该层还结构性地支撑内部压力壳层，并且通常包括互锁结构。压力防护层通常具有缠绕线(mnmd wires)，缠绕线具有特定横截面轮廓以进行互锁，以便能够保持并吸收由管上的外压力或内压力引起的径向力。防止管由于压力而导致压毁或爆裂的缠绕线的横截面轮廓有时被称作抗压轮廓。EP1141606、US6, 739，355、US6.283.16UUS6.065.501、W02008/023110、EP1135623 和 EP1395769 公开了具有用于压力防护层的缠绕线的柔性管体，其中所述线具有各种横截面轮廓。例如，在图8中示出了穿过由缠绕线形成的已知压力防护层的、具有呈大致“Z”形轮廓的横截面轮廓的截面。
[0008]柔性管体还包括可选的第一抗张力防护层105和可选的第二抗张力防护层106。每个抗张力防护层都是具有通常介于10°到55°之间的捻角的结构层。每层都被用于承受张力负载和内部压力。抗张力防护层通常成对地对向缠绕。所示出的柔性管体还包括可选的带层104，带层104有助于包含在下面的层并且在一定程度上防止相邻层之间的磨损。
[0009]柔性管体通常还包括可选的隔离层107和外壳层108，外壳层308包括用于保护管以抵抗海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损和机械损伤的聚合物层。
[0010]每个柔性管包括至少一段(有时称作一节或一部分)管体100以及位于柔性管的至少一个端部处的端部接头。端部接头提供了一种形成柔性管体与连接器之间的过渡部的机械装置。例如在图1中示出的不同的管层终止于端部接头，这样来传递柔性管与连接器之间的负载。
[0011]柔性管的端部接头可以用于将各节柔性管体连接到一起或用于将它们连接到诸如刚性水下结构或飘浮设施之类的终端设备。这样，在其它各种用途中，柔性管可以用于提供将流体从水下流送管线输送到飘浮结构的立管组件。在这种立管组件中，柔性管的第一节可以被连接到一个或多个其它节的柔性管。柔性管的每节包括至少一个端部接头。图2示出了适于将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从水下位置201输送到飘浮设施202的立管组件200。
[0012]图3中示出了例如在W02007/144552或EP1867907中公开的已知的端部接头组件300的横截面。纟而部接头300包括?而部接头体301而部接头体301包括沿着其长度延伸的内孔302。端部接头体由钢或其它此类刚性材料制成。在端部接头体301的第一端部处限定有敞开口部区域303，一节柔性管体100被定位于该口部区域303中然后被端接。端部接头体301的另一端部处为连接器304。连接器304在端部接头体上被形成为大致盘形外扩区域。连接器可以被直接连接到相邻节段的柔性管体的另一端部接头体的匹配连接器上。连接可以通过使用螺栓或一些其它形式的固定机构实现。在这种构型中，端部接头可以被定位成对接的构型。替代性地，连接器304可以被连接到诸如船只、平台之类的飘浮结构或固定结构或其它此类结构。柔性管体的各层被引入到端部接头组件中、被剪切到适当的长度并且与端部接头的特定部分密封地接合。
[0013]对于柔性管体的端部而言，存在有与所提供的端部接头相关联的各种各样的问题。端部接头必须确保良好的紧固和良好的密封。具体地，可以设置内密封环600和外密封环309对柔性管体的相邻层与端部接头之间进行密封。密封通过压扣作用形成，这会导致密封环和/或管体的相邻层的变形，以及导致管体的可能为例如聚合物的层被压缩。端部接头在设计上改变以适于柔性管体的不同变型。特定端部接头设计可以包括例如为中间密封环的另一密封环，该密封环可以被用于形成柔性管体的中间壳层与端部接头之间的密封。一些已知的构造不能够在将端部接头附接到管体的组装/制造阶段容易地或可靠地被测试，从而无法知道这样的密封的有效性如何，因此它们可能具有增大的泄漏风险。
[0014]到目前为止，在将端部接头组装到管体上期间对密封系统的验证测试不足以证明在管受压时运行的完整性。这是因为在端部接头元件的构造中使用的材料在受到负载时(例如当管受压时)呈现弹性材料特性。部件的弹性运动/位移的量将由管中的压力和部件的材料特性确定。例如，密封接头通过螺纹紧固件系统来获得其装配力，并因此其密封完整性在组装期间将需要紧固件的高预负载，以确保密封中的压缩力(保持密封完整性所需)即使在管道中施加的压力试图将接头分离时也是占优势的。
[0015]图4示出了图3的方框A中示出的构造的变型。所示出的构造根据图3包括端部接头壳体304、端部接头体306和内密封环600。然而，该组件还包括设置成端接管体的中间密封层312的第一环圈构件308和第二环圈构件310。中间密封层可以被设置在压力防护层314的径向外侧并且用于密封压力防护层。
[0016]该组件还包括中间密封环316(由于其抵靠管体的中间密封层进行密封而被称作中间密封环)。此外，该组件包括O形圈320、322以帮助阻隔沿着第一环圈构件308的边缘的潜在泄漏路径。
[0017]已知的是O形圈通常被用于有效密封，然而，O形圈密封的位置和性能非常依赖于围绕它们的材料的特性和性能。O形环构造的两侧上的压缩力对于保持密封而言是关键的。证明密封系统的性能可以进行使用的可能性是困难的，因为不可能在管受压时在如图4中所示的已知的构型上执行测试。
[0018]预先在这样的构造中测试O形环320、322和密封环316的完整性是不可能的。此夕卜，还可能存在当在高压下一些部件发生弹性挠曲时正确地定位O形环的问题，这些O形环上保持其密封完整性所需要的压缩力会减少或甚至消失。
[0019]与为柔性管体的端部提供端部接头相关联的另一问题是，会难以剪切管体的具有不均匀特性的特定层来提供适当的用于与端部接头的一部分抵接的直端面。柔性管体的防护层，例如压力防护层和抗张力防护层通常具有不均匀