CN101334122B - 软管 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是涉及软管和合成带的设备和方法。用于软管的软管体包括内压力护套和包括合成材料的缠绕带的、位于护套上方的至少一个护面层。公开的是利用挤拉过程来制造合成带的方法。

Description

软管

技术领域

本发明涉及一种软管体，此软管体用来形成适合于输送水，气，矿物油，原油或类似的生产流体(production fluid)类型的软管。本发明尤其但不仅仅涉及一种软管体，此软管体具有一个或多个由合成材料制成的缠绕带形成的护面层。

背景技术

传统上使用软管把产液，例如油和/或气和/或水，从一个地方输送到另一个地方。软管在连接海底位置和海平面位置尤其有用。软管一般形成为管体与一个或多个终端部件的组件。管体通常形成为形成流体和承压管道的分层材料的联合体。管子结构允许有大的偏转，而不会造成削弱管子的寿命的弯曲应力和张力。管体一般构造为包括金属和聚合体层的结构。

在许多已知的软管设计中，管子包括一个或多个受压护面层。在这些层上由径向力形成主荷载。受压护面层趋向于相对于软管体的纵向轴线卷起一个大的角度，并且往往具有特定横截面形状以形成互锁使得能够保持并且吸收由管体外部或内部压力引起的径向力。因此可以防止管子由于压力而断裂或爆炸的缠绕带的横截面形状有时候被称作抗压力外形。

在许多已知的软管设计中，管子包括一个或多个可拉伸护面层。在这些层上的主荷载是张力。在高压应用下，例如处于深水或超深水环境下，可拉伸护面层遭受来自内在的压力端盖载荷和重力的高拉伸载荷。由于这种情况持续长时间可能导致软管失效。

自由软管用作深水(少于3300英尺，(1005.84米))和超深水(超过3300英尺)研发已经超过15年。该技术在90年代早期实现了深水区的最初制造工业，然后在90年代后期到6500英尺左右(1981.2米)的超深水区。超过6500英尺的水深推压包层，在这里通常的自由悬挂的提升装置(riser)结构和软管一般能工作。对油有更高的要求，在环境因素更加极端的越来越大的深度进行勘探。例如在这种深水或超深水的情况下，海底温度增加了使得产液冷却到一个使管子堵塞的温度的危险性。增加的深度也增加了软管工作环境有关的压力。因此软管的受压护面层和可拉伸护面层的高级别的性能要求也提高了。

一种提高护面层的强度和性能的方法是使得层更厚更强以及更多。例如对于各层往往是由带有层互锁的相邻线圈的缠绕带形成的受压护面层，用厚的材料制造带使得强度适当地增加。但是因为使用更多的材料使软管的重量也在增加。最终软管的重量也成了使用软管过程中的制约因素。此外用越来越厚的材料制造软管也增加了材料成本，这也是一个缺点。

发明内容

本发明的目的在于至少部分解决上述问题。

本发明实施例的目的在于提供软管体，其用在能够输送产液类型的软管中，并且包括受压护面层或可拉伸护面层或能够在大深度有效工作的受压和可拉伸护面层。

本发明实施例的目的在于提供软管体，其用在能够输送流体类型的软管中，并且包含以这种方式制造的护面层从而相对较轻但仍有足够强度根据期望的参数运行。

本发明实施例的目的在于提供在软管体中的层，其在软管弯曲的时候弯曲，并且有足够的强度来抵抗例如阻挡层或衬里的潜在的内压力护套的冲破。

本发明实施例的目的在于提供一个提升装置组件，流线或跨接线，以及制造能够在深水和超深水环境下运行的软管的方法。

按照本发明的第一方面，提供了一个用于软管的软管体，包括：

内压力护套；

至少一个在护套上的护面层，包括合成材料制成的缠绕带。

按照本发明的第二方面，提供一种制造软管体的方法，包括以下步骤：

通过在护套上缠绕合成材料带来在内部压力护套上缠绕至少一个护面层。

按照本发明的第三方面，提供一种通过挤拉过程(pultrusion process)来制造合成带的方法，包括以下步骤：

提供多个加强纤维；

用树脂混合液来浸透纤维；

在模具中加热纤维和树脂；

从模具中连续拉出纤维。

本发明的实施例提供了软管体，其中在流体保持层上至少一个护面层由合成材料缠绕带构成。合成材料具有高强度但是在控制的重量范围内。对于重量是一个问题的深海操作，合成材料的基质可以选择相对较轻的材料。对于软管的重量不是重要设计参数的操作，制造护面层的合成材料基质可以由所选的较重的材料形成，该材料具有高强度和好性能但是制出相对较重的软管。

本发明的实施例提供了护面层，其中加强纤维可以被定位和/或成形和/或由不同的材料制造使得确定缠绕带在使用中的特定性能。例如在相邻线圈互锁时希望高压的带的特殊区域，可能提供更大密度的加强纤维。可选择的，在带外表面附近可以设置更小的或更大密度的加强纤维。

本发明的实施例提供了，通过加热合成带基质材料超过预定温度使得护面层的部分相邻线圈熔合在一起。把相邻线圈熔合在一起形成一个整体能够增加整体的强度。为了使以这种熔合方式提供的护面层具有挠性，在护面层附近缠绕的带的横截面上形成弱点，例如变窄的颈部区域。当软管体需要弯曲时，变窄的颈部区域附近可以发生弯曲。

本发明的实施例提供了由互锁线圈形成的护面层，其中另一合成带能够径向缠绕在互锁护面层的外部。这提高了总性能。另一加强带可能同互锁护面层熔合来提高总性能。

附图说明

接下来参考附带的附图，仅仅以示例方式描述了本发明的具体实施例，其中：

图1揭示了软管体；

图2揭示了悬链式提升装置；

图3揭示了用来形成护面层的带的截面图；

图4揭示了加强纤维具有不均衡分布的带的截面图；

图5揭示了在护面层中互锁方式的相邻线圈；

图6揭示了变窄的颈部区域和相邻线圈的凸块如何同相邻凹部配合；

图7揭示了由合成带覆盖的互锁线圈；和

图8揭示了制造节点。

具体实施方式

说明书全文都涉及软管。可以理解为软管是部分软管体与一个或多个终端部件的组合体，软管体的端部在每个终端部件终结。附图1揭示了管体100如何按照本发明的实施例由形成压力保持导管的层状材料合成物形成的。尽管附图1中揭示了具体层的数目，仍然可以理解为本发明广泛适用于包括两层或多层的同轴的管体结构。

如附图1所示，管体通常包括最里面的骨架层101。骨架提供用作最里层的互锁金属结构来完全或部分防止内压力护套102由于管子的减压、外部压力、可拉伸护面压力和机械断裂载荷而发生的倒塌。但是可以意识到本发明的实施例适用于“滑膛”和“粗镗孔”应用。

内压力护套102作为流体保持层，并且通常包括确保内部流体完整性的聚合层。可以理解为内压力护套本身由许多子层组成。可以意识到当使用骨架层时保持层往往被称为阻挡层。在没有这种骨架的运行(所谓的滑腔运行)中流体保持层往往被称为衬里。

受压护面层103是带有近90°铺设角的结构层，其提高了软管抵抗内部外部压力和机械断裂载荷的能力。该层也在结构上支撑了内压力护套并且通常由互锁金属结构组成。该受压护面层在下文中进行更详细的描述。

软管体可能还包含一层或更多的带层104和第一拉伸护面层105和第二拉伸护面层106。每一个拉伸护面层都是具有通常在20°-55°之间的铺设角的结构层。每层都用来承受拉伸载荷和内在压力。该拉伸护面层通常是成对反向缠绕的。

软管体通常还包括外部护套108，其包括聚合层，用来保护管子免受海水和其他外部环境的渗入、腐蚀、磨损和机械损伤。

每个软管包含至少一个部分，有时连同设置在软管的至少一端的终端部件一起被称为管体100的一节或一部分。终端部件提供一个在软管体和连接器之间形成过渡的机械装置。例如，如附图1中所示的不同的管体层在终端部件以某种方式终止以在软管和连接器之间传递载荷。

附图2图示了提升装置组件(riser assembly)200，其适合于把例如油和/或气和/或水的产液从海底位置201输送到漂浮装置202。例如，在附图2中海底位置201是一条海底流线(flow line)。挠性流线205包括部分或全部搁置在海底204上的或被埋在海底下并用于静态应用的软管。漂浮装置可能是由平台和/或浮筒或者是附图2中所示的船体组成。提升装置200设置为挠性提升装置，也就是说软管连接着船和海底装置。提升装置可能部分连接终端部件并且是随着深度优化拉伸或倒塌的混合结构。

可以意识到有不同类型的提升装置，这是本领域技术人员所公知的。本发明实施例可以使用任何类型的提升装置，例如自由悬浮的(自由的，悬链式提升装置)，部分受限制的提升装置(浮筒，链条)，完全受限的提升装置或封在管中的(I或J管)。

附图2还图示了软管体的一部分如何被用作流线(flowline)205或跨接线(jumpline)206。

附图3图示了按照本发明实施例通过挤拉制造过程形成的带的横截面。如附图3中所示，带的横截面具有包括两个凸出区域301和两个凹进区域302的大体Z字型。因此该横截面总的具有凸起和凹陷部分，所以一个线圈的凸起部分可以套入相邻线圈的凹陷部分使得相邻的线圈互锁。带300由在纵向穿过带延伸的加强纤维304周围形成的基质材料303形成。附图3中图示的加强纤维304近似均匀分布，并且在制造过程中根据一个或多个导引板确定这些加强纤维的位置，该导引板在下文中有详细阐述。带有下表面305和上表面306。每个表面都包括肩部307，在肩部表面相对于表面的其他部分向内倾斜。

可以意识到虽然就Z字形横截面在此描述了本发明的实施例对受压护面层可以采用可互锁的其他类型横截面形状。还可以意识到本发明实施例可以同时或选择性地用来提供拉伸护面层。可以意识到在拉伸护面层应用中相邻的线圈不需要互锁并且有更多类型的横截面可以使用。

附图4图示了按照本发明可选的实施例缠绕而形成护面层的带的横截面。在本实施例中加强纤维的横截面尺寸是不同的。一些纤维400具有相对大直径而另一些纤维401具有更小的横截面。显然纤维组可能集中在选定区域，例如期望高载荷应力的区域。可以意识到通过在不同的地方提供具有不同横截面的加强纤维可以稍微控制带的性能。例如小直径纤维可以集中靠近位于凸起和凹陷区域附近的带的外表面。当相邻的线圈互锁、经受巨大的力时，这有助于阻止凸起在使用过程中的断裂。

还可以意识到除了选择具有不同的横截面的加强纤维或者作为备选，制造纤维的材料也可以是不同的。纤维本身可能就是各种材料，例如金属纤维，芳族聚酸胺纤维和/或玻璃纤维。例如在关键部位使用小直径芳族聚酸胺纤维可能在总成本和护面层强度和性能之间有一个好的折衷。

附图5图示了软管体中受压护面层103的相邻线圈。带的径向内表面305接近并且适当接触内压力护套102放置。图示出最右边的线圈500凸起部分的凸块嵌入左手边最相邻线圈的凹陷部分。通过示例，缠绕带的加强纤维502图示于附图5中具有椭圆横截面。可以意识到加强纤维的横截面形状和直径/尺寸可以根据本发明的实施例来选择。

根据本发明的实施例相邻线圈之间的接触区域504可以熔合在一起。这可以在护面层103的制造过程中通过提供局部加热来实现，例如通过相邻线圈互锁区域的感应加热。适当地，可以选择或另外使用熔结/熔焊方法来使线圈熔合在一起。热量提升到高于预定温度以使线圈中的基质材料熔合在一起。加热可能超过材料的软化点或熔点。如果利用软化点，可能使用压力来辅助熔合过程。通过将相邻线圈的基质材料熔合在一起，相邻线圈有效的一体形成。这产生了坚固的护面层，其可以帮助减少下面流体保持层102在护面层的间隙之间冲破的可能性。

可以意识到除了将相邻线圈熔合在一起之外，可以用粘合剂把部分线圈粘结在一起。

本领域技术人员都知道如果相邻线圈熔合在一起，层之间的挠性就降低了，这可能妨碍整个软管的挠性。为了克服这个问题在带的至少一个位置上设置变窄的颈部区域。附图6中图示了一个实施例。通过形成外部的凹痕601和内部的凹痕602来提供变窄的颈部区域600。这可以通过包括这种凹痕的模具/硬模或是在需要凹痕的地方去除部分带来实现。因此变窄颈部区域600作为允许软管向两个方向弯曲的铰链机构。可以意识到变窄颈部区域可以由多种选项形成，例如，除了形成凹痕外，带的设计可以是这样以使带的外表面向变窄的点向内倾斜。相同的，可以意识到只在带的一边形成收缩到保持铰链功能的程度。

附图7图示了加强带700如何缠绕在护面层103外表面周围。本领域的技术人员都知道加强带700有已知的多种用途以抑制线圈的向外运动，从而避免金属丝不再互锁或(尤其在拉伸护面层情况下)径向向外运动。适当地如附图7中所示的加强金属丝700是具有大体平坦曲线的复合带。该带包含具有沿其纵向延伸的加强纤维702的基质材料701。带层700的线圈可能由基质材料701形成，基质材料701同护面层的基质材料303匹配。如果利用与基质材料匹配的聚合体就意味着骨架带层能够在所选区域703处熔合到加强带层。适当地，护面带层的整个外表面都熔合到外部加强带层，除了护面带层的肩部区域，在此处带偏离了加强带700支撑。

附图8图示了按照本发明实施例生产用于形成护面层或加强带层的合成带的挤拉制造过程。绕线筒800装有具有期望横截面/尺寸/形状或材料的加强纤维的卷轴。过程是包括把纤维从附图8的左手边拉到附图8的右手边的挤拉过程。纤维通过导引板801被定位在期望位置，导引板帮助纤维定位在最终产品中的期望位置。树脂浸渍机802装有液体树脂混合物(可选地包含树脂，填料，色素或专用添加剂)。纤维通过液体树脂然后通过热的预成形机803拉出。树脂浸渍机用溶液浸透加强纤维。树脂浸渍机的内部要细心设计来优化加强的“浸湿”过程使得能够实现纤维的完全或近似完全浸透。

离开树脂浸渍机时，加强纤维为了横截面内的最终布置而再一次被组织和定位。预成形机803是一排压花，其随着产品的移动挤压过多的树脂使得在染色之前开始材料成形。

具有预定形状的模具804被加热来加速热硬化反应并且处理合成物。离开时通过牵引装置805拉出经过处理的形状并且通过切割机806切割成预定的长度。可以意识到在挤拉过程中可以使用各种类型的加热机构，并且正如本领域技术人员所理解的使用各种冷却级来冷却产品。

本发明的实施例还涉及软管体和使用软管体的一部分的软管的制造。在制造过程中例如阻挡层或者衬里的内压力护套设置在制造节点，然后如上所述的合成带螺旋缠绕在压力护套周围。随着带缠绕相邻线圈互锁从而形成压力护面层。在制造节点可能包括例如感应或熔融加热部件(未图示)的加热元件来提供局部加热以将部分相邻线圈熔合在一起。

对于粗镗孔应用，可能在内压力护套中形成内部骨架，因此压力护套形成阻挡层。

可选择的，另一个合成带层可能缠绕在互锁压力护面层周围。这另一个加强带层可能具有相同的或不同的横截面形状，并且可能是具有与护面层的基质材料匹配的聚合体基质材料的大体平的带。加热部件可能再一次被定位以提供局部加热来使部分加强带熔合到下面的线圈上。

之后形成外层，例如拉伸护面层，绝缘层和外部护套层。

按照本发明的实施例，除了或者选择性的提供像合成材料的缠绕带的压力护面层，通过与内部压力护套同轴的方式缠绕合成材料带来形成一个或多个拉伸护面层。拉伸护面层的横截面可能互锁，但是可能具有简单的矩形或圆形横截面。部分的相邻线圈可能熔合或粘结在一起。

贯穿全文的说明书和权利要求，单词“包含”，“包括”及其变形，例如“包含comprising”和“包含comprises”意味着“包括但是不限于”，并没有意在(和没有)排除其他的部分，添加剂，成分，整体或步骤。

贯穿说明书全文和权利要求单数包括复数含义除非文中另有要求。尤其，在使用不定冠词时，说明书应该理解为多个或单个，除非文中另有要求。

结合特定方面描述的部件，整体，特点，合成物，化学成分或组，本发明的实施例或示例应该理解为适用于这里所述的任何其他方面，实施例或示例，除非这里所禁止。

Claims (32)

1. 用于从海底位置输送生产流体的软管的软管体，包含：

内压力护套；

至少一层护套上的护面层，所述护面层包含合成材料制成的缠绕带，其中，所述带在挤拉体部分包括多个加强纤维，所述加强纤维集中在与所述护面层高应力区域相对应的所述带的区域；以及

在所述至少一层护面层上的外部护套。

2. 如权利要求1所述的软管体，进一步包括：

每个加强纤维沿着带在大体纵向方向延伸。

3. 如权利要求1或2所述的软管体，其特征在于多个加强纤维具有预定的直径，并且另外多个加强纤维具有比上述预定直径小的另一种预定直径。

4. 如权利要求1或2所述的软管体，其特征在于多个加强纤维具有预定的形状，并且另外多个加强纤维具有不同于上述预定形状的另一种预定形状。

5. 如权利要求1或2所述的软管体，其特征在于多个加强纤维由第一材料构成，而另外多个加强纤维由不同于第一材料的另一种材料构成。

6. 如权利要求1所述的软管体，进一步包括：

在护面层中带的相邻线圈互锁。

7. 如权利要求6所述的软管体，其特征在于每个线圈的至少一个凸块区域同护面层的相邻线圈的相应凹进区域互锁。

8. 如权利要求1所述的软管体，进一步包括：

在护面层中的带的相邻线圈的相应部分熔合在一起。

9. 如权利要求8所述的软管体，进一步包括：

带的至少一个区域包括在带的横截面中的变窄颈部区域，该颈部区域提供了相对于接近该变窄颈部区域的区域变窄的横截面。

10. 如权利要求9所述的软管体，进一步包括：

变窄的颈部区域包括位于在带的内、外表面上向内延伸的凹槽之间的带的一个区域。

11. 如权利要求1所述的软管体，进一步包括：

加强带层缠绕在护面层上。

12. 如权利要求11所述的软管体，其特征在于加强带层的部分线圈熔合到护面层的带的外表面的相应部分。

13. 如权利要求12所述的软管体，其特征在于所述加强带层被熔合到下面护面层的整个顶面，除了护面层的肩部区域。

14. 如权利要求11所述的软管体，进一步包括：

所述的加强带层包括在挤拉体部分具有多个加强纤维的合成带。

15. 如权利要求14所述的软管体，其特征在于护面层合成带的聚合体同加强带层合成带的聚合体匹配。

16. 如权利要求1所述的软管体，其特征在于护面层的带具有大体Z型的横截面。

17. 如权利要求1所述的软管体，其特征在于护面层的带具有大体U型或S型或T型或I型的横截面。

18. 如权利要求1所述的软管体，其特征在于所述的内压力护套包括阻挡层或衬里。

19. 包含如前面任一项权利要求所述的软管体的软管，进一步包括： 两个终端部件，各设置在软管体两端的相应一端，护面层包括在终端部件之间延伸的大体连续层。

20. 包含如权利要求19所述的软管的提升装置、跨接线或流线。

21. 一种制造用于从海底位置输送生产流体的软管体的方法，包括以下步骤：

通过在护套上缠绕合成材料带而在内压力护套上缠至少一层护面层，其中，所述带在挤拉体部分包括多个加强纤维，所述加强纤维集中在与所述护面层高应力区域相对应的所述带的区域；以及

在所述至少一层护面层上提供外部护套。

22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于护面层包括互锁的压力护面层。

23. 如权利要求21所述的方法，其特征在于护面层包括可拉伸的护面层。

24. 如权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：

在缠绕护面层之前，在内压力护套下设置骨架。

25. 如权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：

加热部分相邻线圈使得部分相邻线圈熔合在一起。

26. 如权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：

在护面层上缠绕合成材料的加强带。

27. 如权利要求26所述的方法，进一步包括以下步骤：

将部分加强带熔合到部分护面层。

28. 一种通过挤拉方法制造用于从海底位置输送生产流体的软管体的护面层的合成带的方法，包括以下步骤：

提供多个加强纤维；

用树脂混合物浸透纤维；

在模具中加热纤维和树脂；

通过模具中连续拉出纤维，以便形成所述护面层，

其中，所述多个加强纤维集中在与所述护面层高应力区域相对应的所述带的区域，并且在所形成的护面层上提供外部护套。

29. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

通过模具，形成具有大体Z型或U型或T型或S型或I型横截面的带。

30. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供多个具有预定直径的加强纤维和另外多个具有比该预定直径小的另一种预定直径的加强纤维。

31. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供多个具有预定形状的加强纤维和另外多个具有与该预定形状不同的另一种预定形状的加强纤维。

32. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供多个由第一材料制成的加强纤维和另外多个由不同于第一材料的其它材料制成的加强纤维。

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