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CN101529148B - 改进型软管 - Google Patents

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CN101529148B
CN101529148B CN2007800378032A CN200780037803A CN101529148B CN 101529148 B CN101529148 B CN 101529148B CN 2007800378032 A CN2007800378032 A CN 2007800378032A CN 200780037803 A CN200780037803 A CN 200780037803A CN 101529148 B CN101529148 B CN 101529148B
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Abstract

一种软管(100)，包含内部管状结构(10)，外部管(30)和隔热层，其中内部管状结构(10)包含布置在内部和外部夹紧构件之间的管体，所述管体包括密封层，并是由能承受低温的材料形成，其中外部管(30)包含橡胶层(32)和布置在橡胶层周围的加固层(34，36)，其中隔热层或是结合于内部管状结构内和/或是布置在内部管状结构和外部管之间。

Description

改进型软管
技术领域
本发明涉及一种软管，特别是涉及一种适用于低温用途的软管。
背景技术
有许多系统在离岸结构，如轮船或其它平台，与海底管道之间运输流体。所述系统的示例包括：
(1)传统的多浮筒系泊(multi-buoy mooring，CMBM)系统。在该系统中，一立管(riser)直接从离岸接头向下伸入管道，在软管的长度上间或布置支撑浮筒。
(2)单塔式单系泊(single tower mono-mooring，STM)系统。在该系统中，一系泊塔被固定到海床上并延伸到海平面。系泊塔支撑了从海平面延伸到离岸结构的管道。软管或其它管子可从离岸结构延伸并在系泊塔顶被连接到软管的端部。
(3)单锚腿系泊(single anchor-leg mooring，SALM)系统。在该系统中，一浮筒定位于离岸结构附近，浮筒附加于并支撑着位于海床上或海床附近的连接器单元。立管从离岸结构延伸到连接单元，然后从连接单元到管道。管子另外的部分从连接器单元伸入管道。
(4)悬链锚腿系泊(catenary anchor-leg mooring，CALM)系统。在该系统中，一浮筒定位于离岸结构附近。立管从浮筒伸向通常位于海床上或海床附近的水下连接器单元。管子另外的部分从连接器单元伸入管道。软管或另外的管子可从离岸结构延伸并在浮筒上连接到软管的末端。CALM系统有各种不同的设置，包括“陡S(SteepS)”系统，“缓S(Lazy S)”系统和“灯笼(ChineseLantern)”系统。
上述的所有系统是在本领域中已知的，并且还存在其它没有在上面介绍过的其它有可能的系统，如使用中间离岸结构。所有这些系统中必要的特征是能将流体从离岸结构(如轮船)运送到水下结构(如管道)的立管。立管以及立管支撑结构的详细设置，可随着特定离岸位置处占优的情况改变。根据系统的特定细节，立管包括水中的，漂浮的和空中的部分。
还存在涉及使用水中浮筒的系统，例如，如WO96/36592中所述。还存在设计使用可竖直移动的水中浮筒的系统，例如，如WO93/24731中，以及更近的WO2006/044053中所述的那样，它们都实质上涉及了使用WO93/24731中的系统来运输低温流体。
所有这些类型的系统使用橡胶软管作为立管。典型的橡胶软管具备以下结构：
(1)橡胶制成的衬里层。
(2)螺旋外加的高强度钢或聚合物加固芯制成的多个加固层-这些提供了对压力和外加负载的抗力。
(3)加固层外部的螺旋钢线，螺旋线嵌入橡胶基体中。
(4)螺旋外加的高强度钢或聚合物加固芯制成的另外的加固层。
(5)橡胶覆盖层。
应当理解到的是该结构存在许多变型，例如包括防塌金属构架来增加浸没深度，包括环形空间以提供内部流体和海水之间的双重屏障，包括提供浮力和隔热的材料，以及对外套的建造以在软管长度上提供可变的硬度从而有助于防止过度弯曲的发生。
橡胶软管通常被划分成具有联结构造。可能的变型是使用传统的未联结构造的柔性管，特别是在立管的水中部分使用这种柔性管。典型的柔性管具备以下结构：
(1)防垮的内部不锈钢金属构架。
(2)由热塑性塑料如聚乙烯或聚酰胺制成的衬里层。
(3)螺旋外加的高强度钢线制成的多个加固层-这些提供了对压力和外加负载的抗力。
(4)可选的螺旋外加隔热层。
(5)用适合的热塑性材料如聚乙烯或聚酰胺制成的外套。
美国石油组织推荐的柔性管工作标准(American PetroleumInstitute’s Recommended Practice For Flexible Pipe)详细地介绍了联结和未联结软管构造及其在离岸环境中的使用。
橡胶软管非常配合于在上述系统中的使用，这是由于它们非常坚固耐用，并且已知能够承受住它们操作所预期会遇到的不利条件。橡胶软管还是柔性的，并且能够弯曲与它们的外直径相比较小的弯曲半径。然而，橡胶软管的问题是它们可进行有效操作的最低温度是有限值的。对于普通橡胶，最低工作温度是大约-60℃。存在特殊的橡胶能够在低达大约-100℃的温度下工作。然而，橡胶软管不能在低于大约-100℃的温度下有效地工作。
这意味着橡胶软管不适合于涉及运输温度低于大约-100℃的流体的用途。特别地，所述软管不适合于运输液态天然气(LNG)，所述天然气典型地要求能够在低达大约-162℃的温度下有效操作的能力。
如上所述，WO2006/044053公开了一种将低温流体从船舶运送到水下位置的系统，使用的系统用到了竖直运动的浮筒。该项专利设想了几种可能的与系统一起使用的立管类型，特别是：
(1)使用传统的海底管，所述管的衬里是被称为INVAR(注册商标)的镍合金。
(2)使用传统的结构加固的低温输油软管以抵抗流体静力。
(3)管套管的构造，这必要地涉及了对两根同心金属管的使用。
(4)对隔热硬管部分的布置，所述管典型地是高镍合金，奥氏体不锈钢和/或铝制的。
然而，本专利没有给出适合用于在海平面以下运输低温流体的工作立管具体构造的任何详细信息。此外，本专利部分涉及温度在-28.9℃到-100℃范围内的非低温流体的运输，它们可以用传统橡胶软管完美有效地进行运输。
其它涉及低温海底管道问题的专利包括EP1428748A1，GB2186657A，GB2408307A，US4826354A1和WO2005/119150A2。
能在海下运载低温流体的软管的构造是一个长期的技术问题。尽管如上面提到的那些专利笼统地公开了解决问题的方案，实际上并没有商业上可行的解决方案，这是由于立管构造的难度和成本。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于传送低温流体的改进型软管。
本发明特别的目标是提供一种能在海平面以下运输低温流体的软管。
广泛地，本发明涉及一种软管，其包括围绕内部管状结构布置的外部管。外部管是橡胶软管，内部管状结构涉及位于外部管内部的整个结构。特别地，内部管状结构包括所谓的复合软管或波纹软管(bellows hose)，它们组合了任意额外的对保护外部管不受内部管状结构中流动的低温流体的低温影响很有必要的隔热体。除由复合软管所提供的隔热效果外，内部管状结构可包括隔热体，还可包括在外部管和内部管状结构之间限定的任意环形空间(annular space)。
依照本发明的第一方面，提供了一种软管，包含内部管状结构和外部管，其中内部管状结构包含置于内部和外部夹紧构件之间的管体，所述管体包括密封层并且由能承受低温的材料形成，其中，外部管包含橡胶层和围绕橡胶层布置的加固层，且其中，内部管状结构具有足够保护外部管不受内部管状结构中流动的低温流体的低温影响的隔热性能。
在本发明的这个方面，内部管状结构主要包含复合软管，而外部管包含橡胶软管。复合软管和橡胶软管都是在本领域中已知的。在本发明之前，没有人想到过将两种类型的软管放在一起解决关于水下运输低温流体的问题。复合软管的例子在，例如WO01/96772，WO2004/044472和WO 2004/079248中介绍过。复合软管用于运输低温流体是已知的，但它不具备橡胶软管的耐用性，并且因而不适合于用在海平面和海床之间的流体运输。
本发明重要的特征是外部管中的橡胶层被恰当地保护不受在内部管状结构中运输的低温流体温度的影响。对于具有低达-60℃的工作温度的普通橡胶而言，外部管最里面的橡胶层的表面温度应当不低于-60℃。对于具有低达-100℃的工作温度的特殊橡胶而言，外部管最里面的橡胶层的表面温度应当不低于-100℃。
要求的隔热效果可以通过许多方式实现。一种方式是单单依赖由内部管状结构的管体提供的隔热效果。管体的材料可以是能让它们提供要求的隔热效果的材料。另外，在优选的实施例中，管体的材料是通过围绕芯轴缠绕多个层而形成的，在工艺中在这些层中留下一定量的空气，这样会提供额外的隔热效果。
在另一实施例中，内部管状结构配有隔热材料形成的隔热层。隔热层可以是管体的特别层，或形成在外部夹紧构件周围的层。
在另一实施例中，隔热材料形成的隔热层位于内部管状结构和外部管之间。
在另一实施例中，隔热体可通过置于内部管状结构和外部管之间的空隙中的颗粒状隔热材料(如小球)实现。隔热颗粒可典型地包含玻璃微球，珍珠岩(perlite)，聚苯乙烯颗粒。颗粒可以简单地通过将它们倾倒在内部管状结构和外部管之间而置于空隙中。
要求的隔热效果可通过上述特定技术的任意组合实现。
管体优选地至少包含至少两个加固层，在它们之间夹着密封层。
优选地，在外部夹紧构件和轴向加强装置之间布置另外的加固层。
优选地，对于8”(200mm)直径的内部管状结构，加固层的极限强度在100到700kN之间。优选地，加固层失效处的弯曲应变在2％到15％的范围内。
优选地，内部管状结构进一步包括轴向加强装置。优选地，轴向加强装置包含大致管状的护套，所述护套是由管状形状的薄片材料形成，从而护套可在遭到轴向张力时保持它管状形状的完整性。内部管状结构可配有两个或多个管状护套，以便进一步改进内部管状结构在轴向张力下的表现。特别优选地，轴向加强装置是大体管状织带形式的。在本说明书中，术语“织带”是指由两个或多个编结形成细长结构的纤维或纱线形成的材料。织带的特征是它可以在受到轴向张力时伸长。织带另外的特征是当形成管状形式时，在织带受到轴向张力时它的直径会减小。因此，通过在管体周围或管体结构内部提供管状织带，织带可在受到轴向张力时对至少部分的管体施加径向向内的作用力。优选地，整个管状护套是织带形式的。然而，可能仅有管状护套长度的一个或多个部分是织带形式的。还优选地，织带始终围绕管状护套的周边延伸。然而，可能仅有管状护套周边的一部分是织带形式的。织带可以是二轴形式的(也就是，该形式中织带是仅由两根编结的纤维或纱线形成)或三轴形式的(也就是，该形式中还存在纵向延伸的纤维或纱线，以增加轴向强度)。
尽管优选提供织带形式的轴向加强装置，它还可以成为满足上面所指定的功能要求的其它形式。因此，轴向加强装置可以是围绕管体螺旋地包缠的绳索或带的合适结构。
因此，可选地，或另外地，轴向加强装置包含多个轴向加强条带，所述条带沿着内部管状结构的长度上延伸。优选地，轴向加强条带围绕内部管状结构的周边平均间隔分布。可能存在两根，三根，四根，五根，六根，七根，八根或更多的条带。更优选的是存在三根，四根，五根或六根条带，且其中四根或六根条带是最优选的。优选地，每根轴向加强条带是由具有经线和纬线的织物制成。更优选地，每根轴向加强条带的经线方向相对于内部管状结构纵轴的角度为0°到10°。还更优选地，每根轴向加强条带的经线方向相对于内部管状结构纵轴的角度为0°到5°。最优选地，每根轴向加强条带的经线方向相对于内部管状结构纵轴的角度为0°到2°。
轴向加强装置可被置于外部夹紧构件和管体之间。可选地，轴向加强装置可结合在管体内部，也就是，在加固层和密封层之间。
内部管状结构构造的材料应当选择成能够在它所要工作的环境下进行工作。因此，就需要内部管状结构能够在其中运输加压流体而不让流体穿过其壁发生泄漏。还需要内部管状结构能承受反复的挠曲和承受由内部管状结构和流体重量的组合所引起轴向应力。所述或每一加固层的主要目的是承受内部管状结构在其中运输流体过程中所受到的环应力(hoop stress)。因此，具有所要求的柔度并可承受必要应力的任何加固层都是适合的。并且，如果内部管状结构要用于运输低温流体，那么所述或每一加固层必须能够承受低温。
优选地，所述或每一加固层是由薄片材料形成，所述材料通过将薄片材料以螺旋形式缠绕而被缠绕成管状形式。这意味着所述或每一加固层没有很多对轴向张力的抗力，施加轴向作用力会将绕组拉分。所述或每一加固层可包含薄片材料的单连续层，或可包含两个或多个薄片材料的单连续层。然而，更通常地(取决于内部管状结构的长度)，所述或每一薄片材料层可以由沿内部管状结构的长度设置的多个独立长度的薄片材料形成。
在优选实施例中，所述或每一加固层包含织物，最优选为编织的织物。所述或每一加固层可以是天然或合成材料。传统地，所述或每一加固层是由合成聚合物，如聚酯，聚酰胺或聚烯烃形成。合成聚合物可以是纤维，或纱线形式的，织物是由它们生成的。
当所述或每一加固层包含聚酯时，它优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)。当所述或每一加固层包含聚酰胺时，它可以是脂肪族聚酰胺(aliphatic polyamide)，如尼龙，或者可以是芳香族聚酰胺，如芳纶化合物。例如，所述或每一加固层可以是聚对苯二甲酰对苯二胺(poly-(p-phenyleneterephthalamide))，如KEVLAR(注册商标)。
当所述或每一加固层包含聚烯烃时，它可以是聚乙烯，聚丙烯或聚丁烯均聚物，或共聚物或三聚物，优选地为单轴向或双向定位。更优选地，聚烯烃是聚乙烯，并且最优选地聚乙烯是高分子量聚乙烯，尤其是UHMWPE。在优选实施例中，轴向加强装置也是UHMWPE。
本发明中使用的UHMWPE一般具有的平均分子量是400,000以上，典型地为800,000以上，通常是1,000,000以上。平均分子量通常不超过大约15,000,000。UHMWPE优选地以分子量从大约1,000,000到6,000,000为特征。UHMWPE在本发明中最有用的是高定向和可以通常在一个方向上拉伸至少2-5次和在另一方向上至少10-15次。
UHMWPE在本发明中最有用的是具有大于80％的平行定位，更通常地为大于90％，优选地为大于95％。结晶度一般大于50％，更通常地为大于70％。85-90％的结晶度是可能的。
UHMWPE在例如下述专利文献中有描述，US-A-4344908，US-A-4411845，US-A-4422993，US-A-4430383，US-A-4436689，EP-A-183285，EP-A-0438831，和EP-A-0215507。
特别有利地是，所述或每一加固层包括高定向UHMWPE，如从DSM高性能纤维BV(荷兰公司)可获得的商品DYNEEMA，或者US公司联信公司(AlliedSignal Inc.)的商品SPECTRA。关于UHMWPE的其它细节由DSM高性能纤维BV发行的，版本为02/98，命名为“DYNEEMA；纤维的最高性能；特性和应用”的贸易手册公开。关于SPECTRA的其它细节由联信公司发行的，版本为5/96，命名为“Spectra性能材料”的贸易手册公开。这些材料自从20世纪80年代就可以得到。
在优选实施方式中，所述或每一加固层包括由布置在纬线和经线方向上的纤维形成的机织物。我们发现特别有利地是，所述或每一加固层设置为使织物经线方向相对于内部管状结构轴向的角度小于20°；此角度最好大于5°。在优选实施方式中，所述或每一加固层设置为使织物经线方向相对于内部管状结构轴向的角度为10°到20°，最优选地为大约15°。
密封层的目的主要是防止运输的流体穿过管体泄漏。因此任何具有要求的柔度和能够提供所需的密封功能的密封层都是适合的。并且，如果内部管状结构要用于运输低温流体的话，那么密封层必须能承受低温。
密封层可由与所述或每一加固层相同的基础材料制成，特别是UHMWPE。可选地，密封层可以是含氟聚合物，比如：聚四氟乙烯(PFTE)；氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylenecopolymer)，如：从杜邦氟制品的商品特富龙FEP得到的六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物(四氟乙烯-全氟丙烯)；或者氟化烃-全氟烷氧基烷烃(fluorinated hydrocarbon-perfluoralkoxy)-从杜邦氟制品的商品特富龙PFA得到。这些薄膜可以通过挤压或者吹制制成。
优选地，密封层由以螺旋方式缠绕成管状的薄片材料形成。与加固层一样，也就是说当施加轴向力将缠绕部分拉开时，所述或每一密封层对于轴向拉力不具有很多阻力。密封层可以包括薄片材料的一个单一连续层，或者可以包括薄片材料的两个或更多单一连续层。但是，更通常地(取决于内部管状结构的长度)，所述或每一薄片材料层可以由沿内部管状结构的长度设置的多个独立长度的薄片材料形成。如果需要的话，可以在内部加固层设置包括一个或多个热收缩密封套筒(即管状)的密封层。
我们希望密封层包括多个薄膜叠层。优选地为至少2层，更优选地为至少5层，更好为至少10层。实际上，密封层可以包括20，30，40，50或者更多薄膜层。层数的上限取决于软管的整体尺寸，但是不可能需要超过100层。通常，最多50层已经足够了。每一薄膜层的厚度范围典型地为50-100微米。
当然，设置多于一个密封层是希望的。
如上所述，如果具有独立的隔热层，那么它可贴附于外部管的内侧，也就是置于橡胶层内侧。可选地，隔热层可被置于内部管状结构和外部管之间，作为与内部管状结构和外部管分开的层。
然而，优选地，隔热层是被结合在内部管状结构中的。隔热层可被贴附于内部管状结构的外面，也就是置于外部夹紧构件的外面，或者它可在外部夹紧构件内被置于外部夹紧构件和管体的密封层之间。隔热层可包含任何传统的用于在低温仪器中隔热的材料，比如合成泡沫材料。
在一个优选实施例中，隔热层包含细长构件，所述细长构件由隔热材料制成且具有相反纵边缘，细长构件螺旋地缠绕在管体周围，使得所述层的相反纵边缘处于相邻或搭接的形式，其中每个纵边缘包括能够与相反的纵边缘上的配合结构相咬合的结构。优选地，细长构件被置于外部夹紧构件的外面，并且从而形成外部层的覆盖层。适合的细长构件在WO2004/044472中有更详细的介绍。
在另一优选实施例中，隔热层包括玄武岩纤维(basalt fibres)形成的织物。适合的玄武岩纤维织物可从Sudaglass纤维公司得到，商品名为BT-5，BT-8，BT-10，BT-11和BT-13。优选地，织物厚度从大约0.1mm到大约0.3mm。如果需要的话，可使用多层玄武岩织物。
应当理解到可以提供出多于一层的隔热层，并且内部管状结构可包括两种或多种不同类型的隔热层。
优选地，在内部管状结构的每一端配有端部配件。优选地，端部配件是在WO01/96772或WO 2004/079248中介绍的类型。
内部管状结构的内部和外部夹紧构件优选为螺旋夹紧构件，更优选为螺旋线。因此，优选地，每个夹紧构件形成夹紧和保持管体的线圈，以及任何其它的居间层。优选地，内部和外部线圈以具有相同节距的螺旋形态施加，并且外部线圈的线圈位置被安置成与内部线圈线圈位置偏离半个节距的长度。
有利地，内部管状结构的元件都是可相对于彼此移动的，也就是它们都没有被联结或彼此粘合固定。这使得内部管状结构的层与层之间能够在挠曲过程中相对彼此移动。
依照本发明的第二方面，提供了一种软管，其包含内部管状结构、外部管、和隔热层，其中内部管状结构包含波纹管，其中外部管包含橡胶层和围绕橡胶层布置的加固层，其中隔热层结合在内部管状结构中和/或是置于内部管状结构和外部管之间，其中在软管挠曲过程中内部管状结构可相对外部管移动，且其中内部管状结构具有足够保护外部管不受内部管状结构中流动的低温流体的低温影响的隔热性能。
在发明的本方面，内部管状结构必须包含波纹软管，而外部管包含橡胶软管。波纹软管和橡胶软管都是在本领域中已知的。在本发明之前，没有人想到过将两种类型的软管放在一起解决关于水下运输低温流体的问题。应当注意的是，存在包含外部橡胶层的波纹软管的例子，但是这些例子中橡胶软管与波纹管是一体的，所以这两者的是不可能发生相对运动的。波纹软管的例子在US2004112454和US2004146676中有介绍。
本发明重要的特征是外部管中的橡胶层被恰当地保护不受在内部管状结构中运输的低温流体温度的影响。对于具有低达-60℃的工作温度的普通橡胶而言，外部管最里面的橡胶层的表面温度应当不低于-60℃。对于具有低达-100℃的工作温度的特殊橡胶而言，外部管最里面的橡胶层的表面温度应当不低于-100℃。
要求的隔热效果可以通过许多方式实现。在一个实施例中，内部管状结构配有隔热材料形成的隔热层。隔热层可以是管体的特有层，或者可以是形成在外部夹紧构件周围的层。
在另一实施例中，隔热材料形成的隔热层位于内部管状结构和外部管之间。
在另一实施例中，隔热体可通过置于内部管状结构和外部管之间的空隙中的颗粒状隔热材料(如小球)实现。隔热颗粒可典型地包含玻璃微球，珍珠岩，聚苯乙烯颗粒。颗粒可以简单地通过将它们从软管一端倾倒在内部管状结构和外部管之间而置于空隙中。
要求的隔热效果可通过上述特定技术的任意组合实现。
优选地，内部管状结构包括在管状波纹管的每一端处的端部配件。波纹管具有回旋或皱褶状外形。所述回旋(convolutions)和皱褶(corrugations)是正弦的，U形的或像希腊字母Ω形的。回旋可以是周向的，或者可以是呈螺旋布置的。大体上说，仅正弦的回旋会呈螺旋布置。
应当理解到管状波纹管是被设计成起密封层作用的。
在实施例中，内部管状结构包括围绕第一波纹管布置的第二管状波纹管。
优选地，内部管状结构的波纹管被加固以提供额外的强度。这可以通过对波纹管的自身加固实现，或是通过为内部管状结构配备一独立的加固层来实现。提供额外强度的一种装置是将不锈钢线或聚合物高强度纤维的管状织带施加到管状波纹管上。提供额外强度的一种装置是将螺旋缠绕的绳或带施加到管状波纹管上。典型地，铠装层作为软管的外部层被提供。
当具有两个管状波纹管时，隔热层可配备在两个管状波纹管之间。附加地，或替换地，可在两层之间的空隙中形成真空，以便辅助隔热效果。
第一和/或第二管状波纹管可由金属，优选不锈钢制成。
依照本发明第一和第二方面共有的有利特征，内部管状结构部与外部管一体，从而当软管挠曲时内部管状结构可相对外部管移动。
在优选实施例中，在内部管状结构和外部管之间存在环形空隙。优选地，在内部管状结构和外部管之间存在一个或多个间隔器，以便维持外部管与内部管状结构之间的间隔位置关系。所述或每一间隔器优选包含围绕内部管状结构的外侧延伸的环。沿内部管状结构的长度上可存在多个所述环。所述或每一间隔器环可以是橡胶的，如果在下面存在足够保护橡胶间隔器不受内部管状结构中流动的低温流体的温度影响的隔热体的话。
在另一实施例中，间隔器可以是螺旋地包缠在内部管状结构和外部管之间的绳或条的形式。所述包缠物可以是长节距的和/或短节距的。绳或条可以是，例如，聚酯绳，横截面为长方形的聚氨酯条带或横截面为圆形的橡胶。
在本发明的第一和第二方面中，内部管状结构内材料的隔热性能都应当被选成能让外部管橡胶所受到的温度在橡胶最低工作温度以上。对于大部分橡胶来说，该温度是大约-60℃，尽管存在特殊橡胶，它们可以在-100℃以上的温度下有效地操作。还应理解到当内部管状结构和外部管之间存在环形空隙时，该空隙可提供一些所要求的隔热效果。
在本发明的第一和第二方面中，外部管都可以是相同的。
内部橡胶层是衬里层，所述层可以是天然或合成橡胶的。例如，橡胶层可以用乙烯-丙烯二烯烃(ethylene-propylene diene)单体制成。橡胶可以是氯丁橡胶，或丁腈橡胶，比如丙烯腈-丁二烯橡胶(acrylonitrile-butadiene rubber)。特殊的橡胶，比如硅胶，可被用在需要外部管能在低达-100℃的温度下进行有效操作的时候。橡胶层可通过已知的无缝衬里，带纵缝的衬里和具有包缠构造的衬里的方法进行制造。由于制造方法的缘故，衬里的构造具有接缝，所述构造通过固化或硫化处理而变得防泄漏。
橡胶软管的加固层可以是织物或金属的，或者它可以使结合金属部件的织物。织物和/或金属可围绕内部橡胶层缠绕。
不然的话，加固层可包含聚合物材料，所述材料可选择结合额外的金属加固物。
可以提供多于一层的加固层。另外，可以提供不同类型的加固层。
优选在加固层中使用适于低温工作的聚合物材料和奥氏体不锈钢。因此，加固层需要由聚酯材料，或芳香族酰胺，如Kevlar(RTM)或UHMWPE制成。提供所述材料的目的是为了在由于与温度非常低的流体接触而使软管橡胶部分发生故障时提供额外的保护。
外部管还可包括螺旋线，优选为钢线。螺旋线可嵌入橡胶基体，或另一种聚合物材料的基体中。
外部管可进一步包括外部覆盖层，所述层典型地也是由橡胶制成。
外部管的层可由传统端部配件或接头组装在一起，然后进行固化或硫化，形成完整的外部管，其中所有层都紧密地联结在一起并在外部管的端部联结到接头上；这防止了外部管的层相对彼此滑动。这与内部管状结构的层不同，其中所述内部管状结构的层优选为不联结在一起并能够相对彼此移动。同样地，内部管状结构优选不与外部管联结，因而内部管状结构可相对外部管移动。
内部橡胶层可以是挤压而成的无缝橡胶管，或者可具有被硫化密封的缝。
端部配件或接头是由适于低温工作的金属制成。优选地，使用金属，如奥氏体不锈钢，它适于低于-100℃的温度。
优选地，暴露在海洋环境中的端部配件表面是抗腐蚀的或具有抗腐蚀保护层。
内部管状结构和外部管的尺寸大小可选择成让内部管状结构和外部管相接触，或者优选地，在内部管状结构和外部管之间存在间隙。如果在内部管状结构和外部管之间存在间隙，那么在间隙中可设置间隔器以便在内部管状结构和外部管之间维持所需的间距。
优选地，对间隙进行监控以得到从内部管状结构或外部管或它们两者上发生泄漏的信号。最终，依照本发明的软管还可配有探测间隙中泄漏的泄漏探测装置。可以提供许多泄漏探测装置。例如，可以提供压力探测器对由加压流体从内部管状结构进入间隙所引起的压力增量进行探测。另外地，或者不然的话，可以提供化学探测器对间隙内出现的特定气体或液体(如甲烷或海水)进行探测。依照本发明的软管在非常多样的应用中都是有用处的，但是它在对低温流体的运输中特别有用，特别是温度低于-100℃的流体，更优选是温度为或低于约-104℃的流体(也就是乙烯的沸点)，以及最优选是温度为或低于约-150℃的流体。软管可以有效地运输温度约-162℃的LNG，并且可以有效地运输温度分别约为-183℃或-196℃的液氧或液氮。所述流体不能用传统的橡胶软管有效地运送。软管可以使用的最低实际温度是从约-200℃到-220℃。
外部管的内径优选为至少150mm。更优选地，内部管状结构的内径(实际上，那就是软管自身的内径)优选为至少150mm。软管的内径可大到400mm乃至大到600mm或800mm。应当理解到内部管状结构和外部管的尺寸被设定成能让内部管状结构配合在外部管内留出所需的间隙。典型地，该间隙从约10mm到约100mm，最优选约50mm。内部管状结构的厚度典型地约为10到20mm，而外部管的厚度典型地约为75到100mm。
典型地，软管所给出的长度从5m到20m，但是有可能给出更长或更短的软管长度。软管通常所给出的长度为11m，因为这是商业上可获得的橡胶软管的典型长度。如果任何特定应用所要求的软管全长大于单个段的长度，那么两个或多个软管长度可以被固定在一起直到达到所需的长度。在一些应用中，软管通过将内部管状结构串穿过外部管串直到两串端部对齐到要求的软管长度组装。应当理解到内部管状结构和外部管元件的组成段的长度不必是一样的。
优选地，内部管状结构的材料被选择成当低温流体流过所述结构时，横贯内部管状结构的温度下降至少4℃，优选至少20℃，更优选至少50℃，最优选至少60℃。
内部管状结构和外部管的端部每一个都端接于位于其每一端部的合适的端部配件。内部管状结构和外部管的端部配件有可能是共终点的，也就是内部管状结构和外部管基本上是相同长度。然而，内部管状结构的端部配件可相对于外部管的端部配件纵向偏离。
依照本发明的另一方面，提供了一种软管串，其包含首尾相连的如上所述的多个软管段。
依照本发明的另一方面，提供了一种制作软管的方法，包含形成如上所述内部管状结构，形成如上所述的外部管，将内部管状结构插入外部管中，以及移动内部管状结构穿过外部管直到所述内部管状结构到达外部管内的预定位置。
依照本发明的另一方面，提供了一种制作软管的方法，其包含：形成多个如上所述内部管状结构；形成多个如上所述的外部管；将多个内部管状结构首尾相接形成内部管状结构串；将多个外部管首尾相连形成外部管串；将内部管状结构串插入外部管串的一端；以及移动内部管状结构串穿过外部管串直到所述内部管状结构串到达外部管串内的预定位置。
大体上，软管的工作压力范围在大约500kPa测量值到大约2000kPa测量值，或者可能达到大约2500kPa测量值。这些压力涉及软管的工作压力，而不是爆裂压力(其必须大几倍)。体积流速取决于流体介质，压力和内径。典型地流速为从1000m3/h到12000m3/h。
依照本发明的软管在涉及将流体，尤其是低温流体从离岸水面结构运输到另一离岸水面结构和/或离岸水下结构，或者从离岸水下结构运输到水面的应用中特别有用。特别地，软管在软管漂浮在水面上的应用中，在软管延伸到水下的应用中；以及软管延伸穿过空气的应用中很有用处。软管还可用于这些应用的组合中。
离岸水面结构可以是永久性的结构或临时结构，并且它被设置在水面上；应当理解到在一般的环境中一些结构会延伸到水面上而一些结构会被水浸没。永久性结构是一种安装后就永远保持固定在海床的位置上的结构。永久性结构的例子包括钢套(steel jacket)支撑结构和重力底座(gravity base)支撑结构。临时结构是一种可以从一个位置移动到另一个位置的结构。临时结构的例子是漂浮艇，通常具有钢或混凝土外壳，比如轮船或驳船或潜式或张力腿平台(tension legplatform)另一个临时结构的例子是浮式采油存储和卸货单元。离岸水面结构可具有从海床下采油或采气的装置。另外，或不然的话，离岸水面结构可具有储油或储气的装置，并且所述气体可以是液态形式的。
离岸水下结构位于水面以下，也就是，它浸没在水中。它可位于海床上。离岸水下结构的一个例子是水下管道，所述管道典型地位于海床上。
因此，依照本发明的另一方面，提供了一种在离岸水面结构和离岸水下结构之间运输流体的系统，包含立管，所述立管可工作地以能让流体从离岸水面结构流动到离岸水下结构或反之亦然的方式连接到离岸水面结构和离岸水下结构上，其中至少一部分立管是依照本发明如上所述的软管。
依照本发明的另一方面，提供了一种在两个离岸水面结构之间运输流体的系统，包含管子，所述管子可工作地以能让流体从一个离岸水面结构流动到另一个或反之亦然的方式连接到离岸水面结构上，其中至少一部分管子是依照本发明如上所述的软管。
在一个实施例中，所述系统包括位于水面上的浮筒，立管从所述浮筒延伸到离岸水下结构，并且软管由浮筒支撑。前面介绍过的CALM系统就是所述系统的一个例子。
然而，依照本发明的系统可以是CMBM系统，其中依照本发明的软管直接从离岸水面结构延伸离岸水下结构。
或者，依照本发明的系统可以是SALM系统，其中水面浮筒被附加在位于海床上的水下连接器上，并且软管直接从离岸水面结构延伸离岸水下结构。
在上述的系统中，优选地进一步具有由浮筒支撑的流体连接器。流体连接器适于与从离岸水下结构延伸的立管上端部流体连通，并且与离岸水下结构延伸的管子流体连通。通过这种方式，流体可以通过连接器从管子流动到立管中。连接器优选为可旋转的，从而离岸水面结构可以绕浮筒旋转。这种形式的连接器通常被称作“回转连接器”(″swivel connector″)。适于运输低温流体的回转连接器的例子在EP0833769中公开。
依照本发明的系统还可用于在WO2006/044053中介绍过的那种类型的系统，其中提供了潜式浮筒。因此，依照本发明的另一方面，提供了一种在离岸水面结构和离岸水下结构之间运输流体的系统，包含：a)具有第一端部和第二端部的第一低温立管，其中第一立管的竖直位置是可调节的，所述第一立管的所述第二端部位于水体中并与所述离岸水面结构流体连通；以及b)第一潜式转台连接器，其联结到所述第一立管的所述第一端部，所述第一连接器适于可释放地联结到离岸水面结构上从而低温流体可在所述离岸水面结构和所述第一立管的所述第一端部之间相通，所述第一连接器泊于所述水体的底部以使得所述第一连接器的竖直位置可改变，其中第一连接器适于让所述离岸水面结构绕所述水体表面上的所述第一连接器旋转，此时所述第一艇被连接到所述第一连接器上，其中第一立管是依照本发明的软管，如上所述。
应当理解到水面及水下离岸结构都是离岸设置的，也就是，位于海，洋，湖泊，海港或其它水体中。然而，对结构与海岸的距离没有特别的限制，那就是说，例如，几米，几百米，几千米或几百千米。
依照本发明的另一方面，提供了一种运输具有-100℃或更低温度的流体的方法，更优选是-104℃或更低的温度，所述方法包含使用依照本发明如上所述的软管将流体从离岸水面结构(如轮船)运送到离岸水下结构(如管道)。
本发明使得将低温物质，特别是LNG便宜有效地运输到海下位置成为可能。本发明利用了传统的橡胶软管，所述软管已经在非低温流体的运输中使用了许多年。这样做的优势是管子的操作者能够用看起来与它们非常熟悉的橡胶软管相似的软管来实现发明。更进一步说，现存的橡胶软管可以容易地被翻新成带有内部管状结构的样子，以构成依照本发明的软管。
附图说明
现在要参见的是附图，其中：
图1是依照本发明软管的一部分的横截面视图；
图2是图1中所示软管的内部管状结构的横截面视图；
图3是图1中所示软管的内部管状结构的可选实施例；以及
图4是画出了依照本发明的系统的示意图。
具体实施方式
首先参见图1和2，依照本发明的软管一般用100表示。软管包含内部管状结构10和外部管30。
内部管状结构10包含管体12，所述管体包含内部加固层14、外部加固层16、以及夹在层14和16之间的密封层18。环绕着外部加固层16外表面布置用于提供轴向加强的织带形式的大致管状护套20。
管体12和管状护套20位于形式为内部螺旋线圈线22和外部螺旋线圈线24的夹紧构件之间。内部和外部线22和24被布置为它们彼此偏移对应于线圈半个螺旋节距长度的一段距离。
隔热层26围绕外部线24布置。隔热层26可以是，例如，传统的隔热材料的，如泡沫塑料的。
加固层14和16包含合成材料如UHMWPE或芳香族酰胺纤维制成的编织织物。
密封层18包括多个环绕内部加强层14的外表面包缠的塑料薄膜层，以在内部和外部加强层14和16之间提供流体密封。
端部配件28被配备在内部管状结构10的每一端部上，并起到端接(terminate)管子10的作用。端部配件28可以是，例如，在WO01/96772或WO 2004/079248中介绍过的那种类型的端部配件。
内部管状结构10可通过下述步骤形成：将内部线22围绕芯轴包缠；将内部加强层14围绕内部线22包缠；将密封层18围绕内部加强层14包缠；将外部加强层16围绕密封层18包缠；将管状护套20拉过外部加强层16，将外部线24围绕护套20包缠，并将隔热层26加在外部线24和护套20上。
外部管30包含橡胶内部层32，第一和第二加固层34和36，以及外部橡胶覆盖层38。层32，34，36和38被共同硫化(covulcanised)以形成这样的结构，即，在该结构中，所有层都一体地联结到相邻层上。
软管接头40被配备在外部管30的端部，并起到端接外部管30的作用。端部配件28和软管接头40可以连接在一起。通过固定相邻的一定长度软管100的端部配件28和固定相邻的一定长度软管100的软管接头40可将一定长度的软管100连接起来。然而，优选地，相邻的一定长度软管100可以：通过固定相邻的一定长度软管100的端部配件28；或者通过固定相邻的一定长度软管100的软管螺纹接头40的任意一种方式来连接。应当注意的是软管内部管状结构10的端部不必是与外部管40的端部共终点的。在外部管30和内部管状结构10之间形成有环形空间42。环形空间可被留作空隙，或可以被部分地或全部地填充上隔热材料(未画出)。当环形空间留作空隙时，可设置间隔器44以保持内部管状结构10与外部管30之间的相对位置。间隔器可以是盘状的，它带有用于容纳内部管状结构10的内圆孔。
要运输的流体可流过内部管状结构10内的基本为筒形的空间46。
图3画出了内部管状结构10的可选实施例，它被表示为210。内部管状结构210包含内部管状波纹管212和外部管状波纹管214，它们每一个都配备有正弦形(或U形的或Ω形的)皱褶。隔热层216位于波纹管212和214之间。更进一步，波纹管212和214之间的间隙被置于真空中，来进一步改进隔热效果。铠装层218围绕外部波纹管214布置来更进一步地改进隔热效果。泵口220用来从层212和214之间排出气体从而制造出真空。软管210还包括位于波纹软管每一端上的端部配件222(在图3中，仅画出了一个端部配件222)。
图4是一个使用依照本发明的软管100的示例性系统的示意图。在图4中所示的系统是CALM系统，但软管100可以同样适用于其它系统，比如SALM系统，CMBM系统和STM系统。
在图4中，装有LNG存储单元(未画出)的轮船300漂浮在海面302上。海下管道304沿着海床306延伸。水面系泊浮筒308漂浮在水面上，与轮船300有一段距离。浮筒308包括位于其顶部的回转连接器310，所述回转连接器可相对于浮筒308的下面部分回转。系泊绳索312从轮船300上延伸到转盘310上，并且锚链314从浮筒308的基部延伸到海床306。
软管316从轮船300上延伸到回转连接器310上。软管316具有高浮力，因此它可以浮在水面上。软管316是由上述的软管100构造而成，如果需要的话，会配有额外层来改进软管的浮力。
软管318形式的立管从回转连接器310上延伸到管道304上。软管318连接至软管316，由此，流体可以从轮船302上的存储单元流动到管道304中(或反之亦然)。软管318是由上述的软管100构造而成。如果需要的话，几段软管100可以结合在一起从浮筒308到达轮船300，和/或从浮筒308到达管道304。
回转连接器310提供了一条流体通路，所述通路让流体能够从软管316流动到软管318，反之亦然。回转连接器可以具有EP0833769中所示的结构。
应当理解到上面所述的本发明可以在权利要求的范围内进行修改。

Claims (45)

1.一种软管，包含内部管状结构和外部管，其中内部管状结构包含布置在内部和外部夹紧构件之间的管体，所述管体包括密封层并且由能承受低温的材料形成，其中，外部管包含橡胶层和围绕橡胶层布置的加固层，并且内部管状结构具有足够保护外部管不受内部管状结构中流动的低温流体的低温影响的隔热层，并且其中，所述内部管状结构在软管挠曲过程中可相对于外部管移动。
2.如权利要求1所述的软管，其中所述管体至少包含两个加固层，在它们之间夹着密封层。
3.如权利要求1或2所述的软管，其中所述内部管状结构进一步包括轴向加强装置。
4.如权利要求3所述的软管，其中所述轴向加强装置包含大致管状的织带，所述织带是由管状形状的薄片材料形成。
5.如权利要求3所述的软管，其中所述轴向加强装置包含沿着所述软管的长度延伸的多个轴向加强条带。
6.如权利要求1或2所述的软管，其中所述加固层由已经在所述内部管状结构中缠绕成管状形式的薄片材料形成。
7.如权利要求1或2所述的软管，其中所述密封层由已经在所述内部管状结构中缠绕成管状形式的薄片材料形成。
8.如权利要求1或2所述的软管，其中所述隔热层结合于内部管状结构之内。
9.如权利要求1或2所述的软管，其中所述隔热层被布置在内部和外部夹紧构件之间。
10.如权利要求1或2所述的软管，其中所述隔热层覆盖在外部夹紧构件上。
11.如权利要求1或2所述的软管，其中所述隔热层包含由隔热材料制成的具有相反纵边缘的细长构件，细长构件围绕管体螺旋地缠绕，使得所述隔热层的相反纵边缘处于相邻或搭接形式，其中每个纵边缘包括能够与相反的纵边缘上的配合结构相咬合的结构。
12.如权利要求1或2所述的软管，其中所述隔热层包括由玄武岩纤维形成的织物。
13.如权利要求1或2所述的软管，进一步包含布置在内部管状结构每一端处的端部配件。
14.如权利要求1或2所述的软管，其中所述内部管状结构的内部和外部夹紧构件是螺旋夹紧构件。
15.如权利要求1或2所述的软管，其中所述内部管状结构的内部和外部夹紧构件为螺旋线。
16.如权利要求1或2所述的软管，其中内部管状结构和外部管的尺寸大小可选择成使内部管状结构的外表面和外部管的内表面相接触。
17.如权利要求1或2所述的软管，其中所述内部管状结构和外部管的尺寸大小可选择成在内部管状结构的外表面和外部管的内表面之间存在环形间隙。
18.如权利要求1所述的软管，其中所述内部管状结构是管状波纹管。
19.一种软管，包含内部管状结构、外部管、和隔热层，其中内部管状结构包含第一管状波纹管和围绕第一管状波纹管布置的第二管状波纹管，其中外部管包含橡胶层和围绕橡胶层布置的加固层，其中隔热层结合于内部管状结构中、或者布置在内部管状结构和外部管之间、或者结合于内部管状结构中和布置在内部管状结构和外部管之间，其中，内部管状结构可在软管挠曲过程中相对外部管移动，并且内部管状结构具有足够保护外部管不受内部管状结构中流动的低温流体的低温影响的隔热性能。
20.如权利要求19所述的软管，其中所述内部管状结构包括位于管状波纹管每一端处的端部配件。
21.如权利要求19或20所述的软管，其中所述隔热层位于两个波纹管之间。
22.如权利要求19或20所述的软管，其中所述外部管的内部橡胶层是包含天然或合成橡胶的衬里层。
23.如权利要求19或20所述的软管，其中所述外部管的加固层是织物层或金属层，或结合金属部件的织物。
24.如权利要求19或20所述的软管，其中所述外部管的加固层是聚合物材料的，所述材料可选地与额外的金属加固体结合。
25.如权利要求19或20所述的软管，其中外部管进一步包括螺旋线。
26.如权利要求25所述的软管，其中所述螺旋线嵌入用于所述橡胶层的橡胶基体，或另一种用于所述加固层的聚合物材料的基体中。
27.如权利要求19或20所述的软管，其中外部管进一步包括外部覆盖层。
28.如权利要求27所述的软管，其中所述外部覆盖层是橡胶的。
29.如权利要求19或20所述的软管，其中外部管的所述橡胶层和加固层在组装后受到固化处理，由此所有层都紧密地联结在一起从而防止了外部管的层相对彼此移动。
30.如权利要求19或20所述的软管，其中内部管状结构和外部管的尺寸大小可选择成使内部管状结构的外表面和外部管的内表面相接触。
31.如权利要求19或20所述的软管，其中所述内部管状结构和外部管的尺寸大小可选择成在内部管状结构的外表面和外部管的内表面之间存在环形间隙。
32.如权利要求31所述的软管，其中在所述环形间隙内设置间隔装置以便在内部管状结构和外部管之间维持所需的间隔。
33.如权利要求32所述的软管，其中所述内部管状结构进一步包含布置在所述环形间隙中的隔热材料。
34.如权利要求19或20所述的软管，其中所述外部管的内径至少为150mm。
35.如权利要求19或20所述的软管，其中所述内部管状结构的内径至少为150mm。
36.软管串，包含多个首尾相连的如上述权利要求1-35之一所述的软管。
37.如权利要求1-35之一所述的软管的用途，是用来运输温度低于-100℃的流体。
38.如权利要求1-35之一所述的软管的用途，是用来运输温度低于-150℃的流体。
39.一种将流体从离岸水面结构运输到离岸水下结构的系统，包含立管，所述立管以下述方式工作地连接到离岸水面结构和离岸水下结构上，即，以使流体能从离岸水面结构流动到离岸水下结构的方式或使流体能从离岸水下结构流动到离岸水面结构的方式，其中至少部分立管是由权利要求1到35之一所述的软管形成的。
40.如权利要求39所述的系统，进一步包含位于水面上的浮筒，其中立管从所述浮筒延伸到离岸水下结构，并由浮筒支撑。
41.如权利要求39所述的系统，其中所述立管直接从离岸水面结构延伸到离岸水下结构。
42.如权利要求40所述的系统，其中所述位于水面上的浮筒被附接至位于海床处的水下连接器，并且软管直接从离岸水面结构延伸到水下连接器。
43.如权利要求39或40所述的系统，其中所述离岸水面结构是轮船或漂浮平台。
44.如权利要求39或40所述的系统，其中所述离岸水下结构是海底管道。
45.一种运输温度为-100℃的流体的方法，其中包含使用如权利要求1到35之一所述的软管将流体从离岸水面结构运送到离岸水下结构。
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