脐管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及脐管，其包含多个用于提供其液压功能、电功能、信号功能和化学功能的功能元件，其中所述功能元件中的至少一些包含含有高强度聚烯烃纤维的纤维鞘。
【专利说明】脐管
[0001]本发明涉及脐管，其包含多个用于提供液压功能、电功能、信号功能和化学功能的功能元件，例如往来于水下设施。这种脐管主要用于烃的海上生产中，但是它也可以应用于其他行业中，在这些行业中需要在优选地一个单一设备中组合传输至少电、信号和流体。
[0002]已知的脐管在WO 2011/131969中公开了，其包含脐管元件例如电缆、光缆和软管以及用于承载作用于脐管上的载荷的元件。WO 2011/131969中的承载载荷的元件是包含高强度有机纤维的合成绳索。例如US 6，472，614、WO 93/17176、GB 2，316，990、US6，472，614、WO 2005/124095、US 2007/0251694、GB 2，326，177、WO 2005/124095 和 US6，472，614中给出了用钢加固的脐管的其他公开内容。
[0003]已知的脐管、尤其是WO 2011/131969中的脐管具有多个优点，例如它们可以在较大的水深度和/或在较大或较剧烈的动力载荷下使用。它们还具有良好的机械性质，尤其是在轴向方向上，并且可以更容易地制造、安装和维修。
[0004]然而，特别是在水下安装脐管时，一些因素会起到重要的作用。典型地，脐管是管和缆线的复合层状系统，通过将其从绞盘上的保存设备上解下来从安装平台安装。非常重要的是，已经注意到在储存和运输时，不期望的压力会作用于脐管上。而且，在安装过程中，脐管受到各种载荷，例如来源于安装装置的挤压-载荷，以及由风浪产生的载荷。还已知最高载荷、尤其是最高拉伸和弯曲应力位于脐管的顶部，即更靠近安装平台的部分。这些载荷再加上脐管过高或过低柔性会对其各层之间复杂的相互作用产生不利影响，并且在这些层之间产生摩擦，而摩擦会反过来损坏脐管。
[0005]同样，在脐管内部产生的复杂的相互作用以及对其的要求使得设计工程师面临挑战。对例如较高的电压、较高的功率(power)、较高的温度和压强和较轻的重量的需求日益增加，尤其是用于深海脐带缆时，这些需求迫使工程师对这种系统做超裕度设计(overdesign),这又反过来导致甚至更复杂的系统和/或更高的成本。
[0006]因此，希望提供具有较低程度的上述缺点或者不具有上述缺点的脐管。具体来说，期望获得以下脐管，该脐管具有最佳柔韧性并且能够应对大量作用于其上的载荷，从而在特定条件下获得有利的结果。也期望获得鉴于其特定要求允许更大的设计自由的脐管。
[0007]本发明提供了脐管，其包含多个用于提供其液压功能、电功能、信号功能和化学功能的功能元件，其中这些功能元件中的至少一些包含含有高强度聚烯烃纤维的纤维鞘。优选地，向所述脐管提供液压功能的所有功能元件都包含所述纤维鞘，更优选地脐管所包含的所有功能元件包含所述纤维鞘。
[0008]发明人观察到，本发明的脐管(也简称为本发明脐管)具有用于在其安装时防止其所包含的功能元件恶化所需要的柔韧性。具体地来说，发明人观察到，本发明脐管的柔韧性可以在以下方面得到优化:功能元件之间的摩擦被降低至低于恶化阈值，同时也允许足够的摩擦来确保在脐管的各种元件之间足够的载荷分配，因为上述足够的载荷分配在这种脐管的安装中是必需的。
[0009]本发明脐管的另一个优点是，它可以安全快速地安装。一旦安装后，本发明脐管可以表现出最佳的动态疲劳响应，即在其各种元件之间优化的载荷分配。
[0010]下文中描述了本发明脐管的各种优选实施方式。在一个优选的实施方式中，本发明脐管所包含的功能元件中的至少一些包含纤维鞘，其中每个功能元件中纤维鞘的质量％为至少0.1质量％、更优选地至少0.5质量％、最优选地至少1.0质量％,每个功能元件中纤维鞘的质量％是相对于所述元件的总质量计算得到的。通常，在一个脐管中，该脐管所包含的各种功能元件的质量之间存在差值，例如提供液压功能的功能元件的质量可以与提供信号功能或电力功能的功能元件的质量不同。观察到，当适当地根据具体功能元件的功能来调节纤维鞘的质量％时，可以实现较大的设计自由和最优的性质。优选地，每个功能元件的纤维鞘的质量％为至多25质量％、更优选地至多10质量％、最优选地至多5质量％，每个功能元件的纤维鞘的质量％是相对于所述元件的总质量计算得到的。
[0011]优选地，含纤维鞘的至少部分功能元件、更优选地所有功能元件具有外表面，其中外表面是由纤维鞘形成的。换句话说，功能元件诸如电缆通常具有含有层状结构的壁。优选的是，功能元件的壁所包含的外层包含纤维鞘。
[0012]本发明脐管的功能元件所包含的纤维鞘也可以被各种材料涂布和/或浸溃，这些材料增强所述纤维鞘的各种性质或者甚至提供其功能。根据本发明，适合用于涂布或浸溃的任何材料都可以使用，例如聚合材料的熔体，诸如热塑性材料、热固性材料和弹性体，更具体地聚烯烃和聚烯烃共聚物诸如聚丙烯和聚乙烯，例如低密度聚乙烯(LDPE);液晶聚合物；丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS);苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN);聚乙酸乙烯酯(PVA)和乙烯-乙酸乙烯酯(EVA);聚丙烯酸酯；聚酰胺；聚丁二烯；环氧化物；聚酰亚胺；硅基橡胶和氟硅酮基橡胶等等。也可以使用液体配制品，例如各种固体在液体介质中的悬浮液。优选地，流体介质是水。适合用于制备这种悬浮液、尤其水基悬浮液的固体材料的合适例子包括聚氨酯、环氧化物、蜡、橡胶和硅酮基材料。
[0013]按照本发明使用的纤维鞘包含高强度聚烯烃纤维。优选的聚烯烃纤维是由聚丙烯或聚乙烯的均聚物或共聚物制造的纤维。更优选地，聚烯烃是聚乙烯、最优选地超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。本文中“UHMWPE”被理解为具有至少3dl/g、更优选地至少4dl/g、最优选地至少5dl/g的特性粘度(IV)的聚乙烯。优选地，所述IV为至多40dl/g、更优选地至多25dl/g、更优选地至多15dl/g。IV可以根据ASTM D1601 (2004)在135°C下在十氢化萘中来进行测定，溶解时间为16小时，以2g/l溶液的量使用BHT(丁基化的羟基甲苯)作为抗氧化剂，通过将在不同浓度下所测得的粘度外推至零浓度来确定。优选地，UHMWPE纤维是凝胶纺丝纤维，即使用凝胶纺丝工艺制造的纤维。用于制造UHMWPE纤维的凝胶纺丝工艺的例子在许多出版物中描述，包括EP 0205960 A、EP 0213208 AUUS 4413110,GB 2042414A、GB-A-2051667、EP 0200547 B1、EP 0472114 B1、WO 01/73173 Al、EP 1，699，954，以及“Advanced Fibre Spinning Technology，，，Ed.T.Nakajima, Woodhead Publ.Ltd(1994),ISBN 185573 182 7 中。
[0014]本文中“纤维”被理解为具有长度尺寸和横向尺寸(例如宽度和厚度)的细长体，其中长度尺寸比横向尺寸大得多。术语“纤维”还包括各种实施方式，例如长丝、丝带、条、宽带、带以及其它具有规则或不规则横截面的物体。纤维可以具有连续的长度(在本领域中也称为长丝(filament))或者不连续的长度(这种情况下在本领域中称为短切纤维(staplefiber))。按照本发明使用的优选的纤维是具有本质上圆形横截面的长丝。出于本发明的目的，纱线是含有多个纤维的细长体。
[0015]按照本发明使用的高强度聚烯烃纤维优选地为具有至少0.5GPa、更优选地至少
1.2GPa、甚至更优选地至少2.5GPa、最优选地至少3.5GPa的拉伸强度的纤维。当聚烯烃纤维是UHMWPE纤维时，所述UHMWPE纤维优选地具有至少1.2GPa、更优选地至少2.5GPa、最优选地至少3.5GPa的拉伸强度。优选地，聚烯烃纤维具有至少30GPa、更优选地至少50GPa、最优选地至少60GPa的拉伸模量。优选地，聚烯烃纤维是具有至少50GPa、更优选地至少60GPa、最优选地至少80GPa的拉伸模量的UHMWPE纤维。
[0016]优选地，本发明中所采用的聚烯烃纤维、尤其UHMWPE纤维具有在0.5至20、更优选地0.7至10、最优选地I至5dpf范围内的丹尼尔数(deniers)。如果使用含有这种纤维的纱线来制造纤维鞘，那么优选地所述纱线具有在10den至3000den、更优选地200den至2500den、最优选地400den至100den范围内的丹尼尔数。
[0017]在一个【具体实施方式】中，本发明中使用的聚烯烃纤维具有带状形状，或者换句话说，这种聚烯烃纤维是聚烯烃带。优选地，这种聚烯烃带是UHMWPE带。出于本发明的目的，带(或平带)是具有优选地至少5: 1、更优选地至少20: 1、甚至更优选地至少100: I和甚至还更优选地至少1000: I的横截面纵横比(即宽度与厚度的比例)的纤维。优选地，带具Imm至600mm、甚至更优选地1.5mm至400mm、甚至更优选地2mm至300mm、甚至还更优选地5mm至200mm以及最优选地1mm至180mm的宽度。带优选地具有10 μ m至200 μ m以及更优选地15 μ m至100 μ m的厚度。本文中“横截面纵横比”被理解为宽度与厚度的比例。
[0018]在一个优选的实施方式中，本发明中使用的纤维鞘包含织物，该织物包含高强度聚烯烃纤维。所述织物可以具有本领域中已知的任意构造，例如机织、针织、纺织(plaited)、编织或无纺或者它们的组合。针织织物可以是纬向针织的(例如单、双面织物)或经向针织的。无纺织物的一个实例是毡织物或其中纤维基本上沿一个共同的方向以大致平行的方式行进的织物。机织、针织、或无纺织物的其他例子以及其制造方法描述于“Handbook of Technical Textiles” ISBN978-1-59124-651-0 的第 4、5 和 6 章中，其公开内容作为引用并入本文。在相同的手册的第11章(具体是第11.4.1段)中描述了编织物的说明和实例，其公开内容通过引用被并入本文。
[0019]最优选地，所述织物为机织织物。机织织物的优选实施方式包括平针(平纹)编织织物、凸纹编织织物、席纹编织织物、斜纹编织织物、方平网眼编织织物、破斜纹(crowfeet)编织织物和缎织编织织物，但是也可以使用更复杂的编织织物，例如三向编织织物。更优选地，机织织物是平针编织织物，最优选地机织织物为方平网眼编织织物。在一个实施方式中，用于制造机织织物的纤维是带材。本发明人观察到包含这种机织织物的纤维鞘还可以减少脐管的爆裂，例如由于其中各种元件的过度变形而产生的爆裂，并且还可以改善脐管的稳定性。具体来说，可以产生表现出较少局部扭曲和环形成以及纽结的脐管。
[0020]本发明脐管还可以包含增强元件，下文称为初级增强元件。脐管中的初级增强元件的目的是为了承受作用于所述脐管上的载荷、具体地轴向载荷。初级增强元件可以是例如沿脐管的长度行进的绳索，例如W02011/131969中所公开的那些，或者所谓的笼，例如脐管周围的网。优选地，这种初级增强元件还包含聚烯烃纤维、更优选地UHMWPE纤维。
[0021]本发明脐管可用于各种应用中，并且可以提供如下优点:
[0022]1.运输和/或安装时事故较少；
[0023]?.最佳的可靠性和安全性
[0024]ii1.可以允许较小的设计缺陷以及设计自由提高和优化，例如更小、更精简且更轻重量的设计，这反过来导致使用寿命延长。
[0025]优选地，本发明脐管是水下脐管，即它用于控制来自海上平台的水下结构体，来自海岸的浮动船。水下脐管在所述平台、水下装置和海岸之间提供各种功能。
[0026]本发明脐管还可以用作井下脐管，即用于操作井下装置或地面控制式地下装置例如安全阀的脐管脐管。
[0027]本发明的具体的脐管可以是用于多路复合系统的电动-液压脐管；电动-液压控制脐管；化学注入控制脐管；生产井脐管、电力光纤(power optical)脐管；气枪脐管；控制脐管；水下隔离阀(SSIV)脐管；电力脐管；干舷(tipsides)脐管；修井(workover)脐管；维护脐管；干预(intervent1n)脐管；完井(complet1n)脐管；以及遥控潜水器(ROV)脐管。
[0028]测暈方法
[0029]聚烯烃的拉伸性质即强度和模暈是按照ASTM D885M中所规定在复丝上测定，其中使用500mm名义标定长度的纤维，十字头速度为50%/min并且采用Fibre Grip D5618C型Instron2714夹具。为了计算强度，将所测得的拉伸力除以纤度，该纤度是通过称重10米长的纤维来测定的；假设聚合物诸如UHMWPE的天然密度为0.97g/cm3，来计算GPa值。
[0030]聚烯烃带的拉伸件质:按照ASTM D882中的规定在25°C下在2mm宽的带上来定义和确定拉伸强度和拉伸模量，其中使用440mm名义标定长度的带，十字头速度为50% /min。
【权利要求】
1.脐管，其包含多个用于提供其液压功能、电功能、信号功能和化学功能的功能元件，其中所述功能元件中的至少一些包含含有高强度聚烯烃纤维的纤维鞘。
2.如权利要求1所述的脐管，其中每个功能元件中所述纤维鞘的质量％为至少0.1质量％，每个功能元件中所述纤维鞘的质量％是相对于所述元件的总质量计算得到的。
3.如权利要求1所述的脐管，其中每个功能元件中所述纤维鞘的质量％为至多25质量％，每个功能元件中所述纤维鞘的质量％是相对于所述元件的总质量计算得到的。
4.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中含有所述纤维鞘的所述功能元件具有外表面，其中所述外表面是由所述纤维鞘形成的。
5.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述功能元件具有含有层状结构的壁，其中外层包含所述纤维鞘。
6.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其被热塑性材料、热固性材料或弹性体涂布或浸溃。
7.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维是由聚丙烯或聚乙烯的均聚物或共聚物制造的纤维。
8.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维是由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制造的纤维。
9.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维具有至少0.5GPa的拉伸强度。
10.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维具有0.5至20范围的丹尼尔数。
11.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维具有带状形状。
12.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述聚烯烃纤维具有宽度为Imm至600mm且厚度为10微米至200微米的带状形状。
13.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述纤维鞘包含含有所述高强度聚烯烃纤维的织物。
14.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其中所述纤维鞘包含含有所述高强度聚烯烃纤维的机织织物。
15.如前面权利要求中任意一项所述的脐管，其是水下脐管。
【文档编号】H01B7/04GK104170027SQ201380013468
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月11日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】乔恩·波伊斯顿, 鲁洛夫·马里萨恩 申请人:帝斯曼知识产权资产管理有限公司