改進的用於傳熱係數小的剛性雙壁管的定距和定心裝置的製作方法
2023-10-10 05:44:49 1
專利名稱：改進的用於傳熱係數小的剛性雙壁管的定距和定心裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種定距和定心裝置，尤其用在打算用來運輸碳氫化合物的剛性套管系統(pipe-in-pipe system)上。
背景技術：
這類剛性管包括兩個同軸管，即，一個剛性的外管或輸送管(carrier pipe)和一個剛性的內管或流送管(flowline)，它們通過一個環形空間分隔開，所述定距和定心裝置，或者說間隔件，容納在所述環形空間中，以便使兩個同軸管彼此之間保持一定的距離。
這些管子被設計用來藉助於鋪設船(laying vessel)安裝於海底，尤其是通過一種稱作「卷管(reeled pipe)」技術的方法。
套管系統一般用於水下生產作業線，尤其用於運輸碳氫化合物，並且，需要讓它們絕緣，因為重油在其自海底朝向水面運輸期間在冷卻的同時具有固化的趨勢。絕緣之所以必要，還在於為了避免形成氫氧化物，它們會在某些類型的原油冷卻下來時出現，例如在生產中斷的時候。
絕熱是通過給管子的環形空間填充一種導熱性小的材料而實現的。
此外，這樣製造套管系統，即，它們的環形空間是乾燥的，以便提高絕熱性能。還可將環形空間保持在大氣壓力下，這樣所述材料既不會受到輸送管所承受的靜水壓作用，也不會受到在內管中流動的碳氫化合物的壓力作用。因而，剛性的套管系統就能採用多種提供良好絕緣的導熱性小的材料。
通常，主要採用兩種技術來從鋪設船鋪設水下管，即，J形鋪設或S形鋪設方法和「卷管」技術。
在第一種技術中，管子通過在鋪設於海底之前首尾相連地焊接管長而組裝在船上。這種技術費時且代價高，需要一個電焊工作隊呆在鋪設船上。
「卷管」技術包括一個在地面上組裝管子的階段和一個在卷盤上卷繞管子的階段，隨後，將管子運輸到沿著計劃位置解繞(unwind)的生產地點。較之J形鋪設方法，該鋪設技術可使使用鋪設船的時間更短。
在「卷管」技術中，當剛性管在卷盤上卷繞時，它發生塑性變形，而當管子解繞時，該塑性變形通過一個矯直機構消除。在卷繞過程中，張力被施加到管子上，以便使外管的形狀與卷盤貼合。因而，外管通過與卷盤接觸或在管層已經卷繞的情況下彎曲。
在卷繞和解繞的操作當中，彎曲力通過在環形空間中沿著管子布置的間隔件或環形壁從輸送管傳遞到流送管。在解繞過程中，管子得到矯直，外管通過矯直部件比如對置輥或一個矯直張緊裝置的組件(這對於本領域的技術人員是眾所周知的)牽拉。矯直力被施加到輸送管的外部且僅藉助於定距和定心裝置傳遞到流送管。
因為這些裝置沿著套管的分布是不連續的，所以流送管被局部地矯直，且因此是不完整的。因而，流送管在矯直之後具有殘留的彎曲部分，這取決於間隔件在環形空間中的間隔。流送管在輸送管中的最終相對位移造成的結果就是，兩管子之間存在的環形空間局部縮小，這潛在地就有可能壓縮使管子絕緣的導熱性小的材料。
隨著「卷管」技術在套管系統上的應用，絕緣材料的連續長度必須通過間隔件分開，且間隔件的間隔必須足夠小以能夠將彎曲力從輸送管傳遞到流送管，並且避免兩管子之間的環形空間局部縮小。
當絕熱材料屬於半殼類型時，絕緣材料的局部壓縮導致絕緣性能降低，並在整體上導致管子的絕緣性能降低。為了彌補這一損失，需要添加多個間隔件並使它們相互靠近，以便防止壓縮絕緣材料。
然而，添加了額外的間隔件，其絕熱性能相對於使用的絕緣材料要小，必定減少了絕熱材料的總量，因此降低了管子的絕熱性。
還可通過增大輸送管的直徑和/或減小流送管的直徑來改變管子的形狀，以便能增加絕緣材料的量，但這樣的解決辦法卻產生了其它問題，特別是改變普通標準管的直徑，這會增加成本和/或降低管子的性能。
發明內容
因此，本發明的一個目的在於，提供一種絕緣性能提高了的剛性套管，其能夠藉助於常見的矯直技術在鋪設過程中卷繞和解繞。
為此，根據第一目的，本發明提出了一種定距和定心裝置，它用在打算用來運輸碳氫化合物的可卷繞起來的一類剛性套管上，所述剛性管包括兩個通過一個環形空間分開的同軸管，所述定距和定心裝置容納在所述環形空間中，以便使兩個同軸管彼此之間保持一個距離，所述定距和定心裝置包括由氣凝膠構成的導熱性小的材料製成的元件，所述元件至少部分地覆蓋有由聚合物類型的塑料製成的外殼。
因而，本發明的一個特徵在於採用氣凝膠來形成定距和定心裝置，氣凝膠的導熱性小，例如小於0.1W/mK。
因此，不僅所述元件是絕熱的，而且其機械強度尤其是其抗壓強度大，例如大於10MPa，於是所述定距和定心裝置的總機械性能與現有技術中描述的間隔件相當。
因此，相對於現有技術中的管子，管子的總絕緣增量約為15-20％，其中，定距和定心裝置由塑料例如聚醯胺製成的製件構成。
此外，在生產管子的時候，此期間例如將1km的裝有所述定距和定心裝置的內管插入由通過焊接組裝的管子構成的外管，所述裝置在與外管的內壁起摩擦的情況下遭受了應引起相當重視的磨損，特別是在從所述內壁稍微突伸的焊縫處。為了防止所述元件受到因兩管子與所述定距和定心裝置之間的相對位移引起的磨損，所述元件至少在接觸表面上覆蓋有由塑料製成的外殼，該塑料不僅有利地耐磨，而且抗機械擊打尤其是抗衝擊。該塑料例如是聚醯胺。
所述元件優選由兩個弧形的半件形成，兩個半件的自由端分別適於通過連接裝置連接在一起。由此安裝變得容易，因為只需通過一同分別調節它們的自由端來組裝兩個半件，從而通過所述連接裝置包圍流送管。所述連接裝置例如通過在自由端構造切向孔並將可旋元件導入孔中而形成，可旋元件將在下面說明書的後續部分中更為詳細地描述。
根據另一個目的，本發明提出了一種可卷繞的剛性套管，它包括多個如上所述的定距和定心裝置，這些定距和定心裝置沿著所述剛性管彼此間隔開。
因而，依靠所述定距和定心裝置，所述剛性套管適於安裝，尤其是根據稱作「卷管」的技術，由此環形空間不會變形，且因此，保持了管子的總絕緣性能。
為了實現這一點並採用特別有利的方式，定距和定心裝置在所述環形空間中間隔開一個小於5米的距離，且環形空間有利地在所述定距和定心裝置之間填充有一種導熱性小的材料。
此外，由於設置了該定距和定心裝置，所述管子的平均傳熱係數有利地小於所述導熱性小的材料在環形空間中延伸的一部分管子的傳熱係數的11/10，優選是10.5/10。因此，所述管子絕熱良好，因為本發明的定距和定心裝置具有絕緣性能，且給管子提供的絕緣性接近於環形空間未採用任何定距和定心裝置而完全填充了絕緣材料的管子的絕緣性。因此，與現有技術中的管子相比，管子的內部與外部之間的熱交換要少，在現有技術中，採用的是在管子的內部與外部之間形成熱橋的間隔件。
通過閱讀下面參照附圖作為非限制性實例給出的本發明的具體實施例的說明，本發明的其它特徵和優點將會體現出來，其中圖1是本發明剛性套管的局部縱剖圖；圖2是本發明裝置的細部透視圖；圖3是圖2所示裝置元件的細部局剖圖；圖4是圖2所示裝置在組裝之後的剖面圖；圖5是根據另一實施方式的裝置元件的剖面圖；圖6是根據又一實施方式的裝置元件的剖面圖；圖7是示出了根據第一變型實施例的本發明裝置的局部徑向剖面圖；圖8是示出了根據第二變型實施例的本發明裝置的局部徑向剖面圖；圖9是根據第三變型實施例的本發明裝置的局部透視圖；圖10是圖9所示裝置的徑向剖面圖；圖11是根據第四變型實施例的本發明裝置的局部透視圖；圖12是圖11所示裝置的徑向剖面圖。
具體實施例方式
圖1、2、5和6中起相同功能的相似或相同元件具有相同標號。
圖1示出了剛性套管(pipe-in-pipe)110的一部分，該剛性套管110包括一個根據本發明的定距和定心裝置112，該定距和定心裝置112由環形間隔件(distance piece)構成，所述間隔件容納在兩個同軸剛性管即一個輸送管118和一個流送管116之間的環形空間114中。此外，環形空間114充有一種導熱性小的材料120，其適用於使待輸送的流體例如碳氫化合物的流送管116的內部122絕熱。這種熱絕緣設置在內部122與外部124之間，這樣某些化合物就不會在沿著管子運輸期間冷卻而發生物理變形。例如石蠟(paraffin)會在冷卻的同時凍結，和/或氫氧化物會沉澱且導致管子堵塞。
環形間隔件112在這裡以剖面示出，外表面128面向輸送管118延伸，優選與輸送管間隔開，而環形間隔件112的內表面126支承在流送管116上，使得兩管子116、118彼此之間保持一距離。環形間隔件112有利地安裝在流送管116上的固定位置，隨後插入輸送管118中，環形間隔件112與輸送管118之間設有一道功能間隙。
環形間隔件112包括環形的元件130，其由導熱性小的材料製成，且至少部分地覆蓋有塑料製成的外殼132。
元件130由一種有機或無機的氣凝膠型的絕熱性非常大的材料製成，且它具有一種模製在其上的塑料，例如聚醯胺，其耐磨且能抵抗各種機械應力如衝擊、壓縮或剪切。
氣凝膠是由一種凝膠製成的，該凝膠已被乾燥以便將其溶劑除去，且保存在原膠中形成的固體結構。溶劑在乾燥期間已由空氣替代，且原膠(initialgel)隨後形成固體。
因而，無機型的氣凝膠例如一種單塊矽氣凝膠具有大約0.1g/cm3的密度和大約5％的固體百分比。
這裡使用的剛性氣凝膠例如是無機的，且其導熱性小於0.1W/mK，例如是0.012W/mK。
並且，儘管其密度小，但元件的抗壓強度還是高的，大於10Mpa，例如100Mpa，這樣在模製成型之後，它就適用於抵抗兩個管子116、118在管卷繞隨後解繞的過程中靠近而施加的應力，更具體地說，它適用於從外管將徑向力傳給內管。
由於它的導熱性要比現有技術中當前用來生產間隔件的塑料的導熱性小10或100倍，因而通過環形間隔件112大大減少了管子110的熱量總損失，約為20-30％。
參見圖2，下面將描述將本發明的裝置連接到流送管的方式，所述方式根據環形間隔件的特定形式而定。
環形間隔件212是由兩個相互對稱的弧形半間隔件236、238構成的，它們的凹部面對，使得能夠包圍流送管。兩個半間隔件各具有兩個自由端240、242，它們能夠通過將要描述的連接裝置連接，以便形成環形間隔件212。半間隔件236、238中的每一個都包括一個半環形式的元件230，其由一種導熱性小的材料製成，且覆蓋有一個由塑料製成的外殼232。
在徑向剖面中，兩個半間隔件都具有兩個疊置的部分，即一個限定了外表面226的外部245和一個限定了內表面228的寬度較窄的內部247，這兩個部分通過兩個彼此對稱的側肩部246、248分開。此外，兩個半間隔件的自由端240、242中的每一個都具有一個切向孔250，其構造在半間隔件的厚度方向上且在一側開放於外表面226，而在另一側開放於半間隔件的徑向剖面的表面252。自由端240、242的孔250由此分別適於按此方式相互作用，即，每對孔都可接納一個打算將自由端240、242連接在一起的螺釘254。
螺釘254分別用來與螺母258和止推墊圈或套環256相互作用。
圖3示出了兩個組裝的半間隔件236、238的兩個相對的自由端242，它們通過連接了螺母258和套環256的螺釘254保持固定在一起，螺母258和套環256隨之一起牽拉半間隔件236、238的兩自由端242。為了將兩對自由端保持在一起，兩個自由端242的孔250具有內肩部272，螺母258和套環256分別支靠在內肩部272上。
這樣一來，就形成了一個夾在流動管周圍的剛性結構，同時地，兩半間隔件236、238相對彼此保持在固定的位置上，與此同時，它們相對彼此沿相反方向徑向且縱向地鎖定。
這種連接使得能夠如圖4整體所示地將環形間隔件212保持在流送管上的固定位置，兩個半間隔件236、238的兩個其它相應的自由端240以相同的方式對稱地連接在一起。
而且，適於通過凹頭轉動的螺釘254完全容納在環形間隔件212的厚度中，免得幹涉外表面226靠在輸送管上的支承。
圖6示出了根據另一實施方式的弧形半間隔件636，該弧形半間隔件是打算用來配對的，以便形成環形間隔件，半間隔件636的徑向剖面與圖1中所示的環形間隔件的徑向剖面基本相同。相比之下，在圖2中所示的環形間隔件上，外表面626的寬度要比內表面628的窄，這就有可能獲得一個抵靠流送管的摩擦力大於抵靠輸送管的摩擦力的環形間隔件。
根據又一實施方式，如圖5所示，它同樣示出了弧形半間隔件536，徑向剖面不再是對稱的，而是不對稱的。在此寬度基本相同的外部545和內部547相對彼此縱向錯開，從而形成兩個肩部546、548，其支承面彼此相對。一個肩部548是將要面向輸送管的，而另一個肩部546是將要面向流送管的。
在本發明的這兩種實施方式中，如圖5和6所示，半間隔件536、636都具有對應的半環形式的元件530、630，其由導熱性小的材料製成，且覆蓋有由塑料製成的外殼532、632。
在上述的所有實施方式中，本發明的裝置可通過在氣凝膠上模製塑料而生產，從而部分或全部地覆蓋它。此外，螺母和止推墊圈或套環適於與氣凝膠一起模製成型，從而簡化了組裝。
然而，根據本發明的特定實施方式，僅內表面和外表面在其上模製有塑料，裝置的側面仍然是沒有的，且允許氣凝膠露出。因而，獲得了一個其壁形成了一夾層結構的裝置。參見圖7至12，現在將在四個不同的變型實施例中描述本發明的定距和定心裝置。
圖7示出了環形間隔件712的徑向剖面，該徑向剖面包含有元件730，該元件730是由一種剛性氣凝膠構成的。在剖面中，元件730具有一個弧780，它通過兩個彼此叉開的同軸部分782在端部延伸。此外，由氣凝膠製成的元件730位於由聚醯胺製成的兩部分784與786之間。倘若氣凝膠有脆性，就通過一層加接或模製成型的聚醯胺層788保護元件730的下部。
根據第二變型，如圖8所示，環形間隔件812在嵌入包圍它的聚醯胺中的內部包括元件830，該元件830由剛性氣凝膠製成，其在剖面中具有直線側811和圓形部分813，該直線側811朝間隔件812的內部定位，而圓形部分813朝外部定位。元件830基本上在間隔件812的寬度上延伸。
圖9示出了根據本發明的第三變型實施例的間隔件912的弧形半間隔件936，該間隔件912保持在流送管916上。該環形間隔件具有支靠在流送管916上的第一突起915，其包含在圖10的剖面中示出的由氣凝膠製成的元件930。
在突起915之間，環形間隔件912與流送管916之間保持有一定的距離，從而不傳導熱量，而將別的絕緣材料有利地插在流送管916與間隔件912之間。
根據圖11和12中示出的第四變型，間隔件1112的突起1115朝向外部定位，且它們包含在圖12的剖面中示出的由氣凝膠製成的元件1130。根據這一變型，間隔件在突起之間與輸送管(未示出)間隔開，且突起支靠在該輸送管上。正如在前面的變型中那樣，輸送管和間隔件之間的空間可填充別的絕緣材料。
權利要求
1.一種用於例如可卷繞類型的、用來運輸碳氫化合物的剛性套管(110)的定距和定心裝置，所述剛性管(110)包括兩個通過環形空間(114)分開的同軸管(116、118)，所述定距和定心裝置容納在所述環形空間(114)中，以便使兩個同軸管(116、118)彼此之間保持一個距離，其特徵在於，它包括由氣凝膠構成的導熱性小的材料製成的元件(130)，所述元件至少部分地覆蓋有由聚合物類型的塑料製成的外殼(132)。
2.如權利要求1所述的定距和定心裝置，其特徵在於，所述氣凝膠是無機基的。
3.如權利要求1或2所述的定距和定心裝置，其特徵在於，所述元件(130)是由兩個弧形的半件(236、238)形成的，所述兩個半件(236、238)的自由端(240、242)分別適於通過連接裝置(254、256、258)連接在一起。
4.如權利要求1-3中的任一項所述的定距和定心裝置，其特徵在於，所述塑料是一種特別耐磨的材料。
5.如權利要求1-4中的任一項所述的定距和定心裝置，其特徵在於，所述元件(130)具有大於10MPa的抗壓強度。
6.一種可卷繞的剛性套管，其特徵在於，它包括多個如權利要求1-5中的任一項所述的定距和定心裝置，這些定距和定心裝置沿著所述剛性管(110)彼此間隔開。
7.如權利要求6所述的剛性管，其特徵在於，所述環形空間(114)包括一處於所述定距和定心裝置之間的導熱性小的材料。
8.如權利要求6或7所述的剛性管，其特徵在於，所述定距和定心裝置間隔開一個小於5米的距離。
9.如權利要求6-8中的任一項所述的剛性管，其特徵在於，其平均傳熱係數小於所述導熱性小的材料在環形空間中延伸的一部分管子的傳熱係數的十分之十一。
全文摘要
本發明涉及一種用於例如屬於卷繞類型的、打算用來運輸碳氫化合物的剛性雙壁管(110)的定距和定心裝置。剛性管(110)包括兩個通過環形空間(114)分開的同軸管(116、118)。根據本發明，定距和定心裝置容納在所述環形空間(114)中，以便在兩個同軸管(116、118)之間維持一個間距。本發明的裝置是包括元件(130)，它由一種導熱性小的材料製成並包括氣凝膠，所述元件至少部分地覆蓋有由聚合物類型的塑料製成的外殼(132)。
文檔編號F16L7/00GK1864024SQ200480029532
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月1日 優先權日2003年9月8日
發明者菲利普·霍夫曼 申請人:泰克尼普法國公司