防水保溫的海底管道的製作方法

2023-06-17 07:58:36 2

專利名稱：防水保溫的海底管道的製作方法
技術領域：
本發明涉及保溫管道、利用瀝青組分的管道保溫材料，具體涉及較價廉的保溫海底管道。
低溫時，通過管道的流體會受到液體產物例如石油的高粘度和石蠟形成的阻滯，同時受到天然氣之類產物中水合物形成的阻滯。這類問題可以通過採用保溫管道減少，但是保溫管道在陸地上的價格就很昂貴，而在海上尤其昂貴。對海底管道而言，為了減少對保溫的需要而在產物中注入各種各樣的化學試劑，這通常更會增加費用。但是新近，越來越多的石油和天然氣是在更深、更冷的水中，從採用了減低粘度化合物而需用精緻的管道將其送至井口的海底生產系統中生產出的。這一事實再加上保溫管道的成本通常是隨深度而增加的事實，就意味著保溫管道在其它可供選擇方法幾乎無吸引力的地方就尤其昂貴。
保溫的陸地管道已採用過種種保溫材料，包括多孔軟木、聚合物泡沫材料、矽酸鈣和其它一些材料。海底保溫管道多少要較為複雜；這是因為絕大多數保溫材料在浸沒時會為水浸潤。某些保溫材料雖包括有不透水的封閉格柵結構，但都有某種深度極限，到達這一極限，格柵式的結構就會破碎，大部分是在幾百英尺的水下破壞。此外，絕大多數普通的保溫材料對衝擊、磨損或擠壓的抵抗性很差，於是必須加上封套。要是水深超過保溫材料的水壓限度，則此封套必然會從水的靜壓頭開始即與保溫材料脫離。
要是將管道分段鋪設，實際上就需將各個管段預先製造成獨立的壓力容器。由於耐壓的套管硬到難以彎曲，一些用捲軸鋪設的管道便裝有結實的彈性材料或是以其它輕量材料充填和擴增的彈性材料構成的可彎曲外套。這類彈性材料的例子包括氯丁橡膠和EPDM橡膠(乙丙三元橡膠)、充填有玻璃微珠的EPDM和聚氨酯彈性材料，以及充填有軟木的硬橡膠。除非是在對保溫要求為極少的條件下，以上述方式使管道保溫時的總費用甚至高於用耐壓的封套來保護價廉保溫材料的費用。
部分地是由於這方面的費用原因，管道的承包商越來越多地採用「控制深度牽引法」來鋪設成束的一批小管道，將石油從水下的井口引至附近的平臺。在這種方法中，是在岸上將加工好的一批小型管道置入較大的套管中，如圖8所示。此套管33的大小可用作管道32的浮體。採用了改變鎮重物的技術來保持上述束的總密度與水的密度非常接近，使得成束的套管在牽引到它的海面地點時能以其某一端懸浮在牽引索之間。一旦當它到達目的地時，便加上鎮重物使其下沉到海床。這種鎮重物必須重到足以使成束套管在存在優勢的水流中穩定於海床上。這批管道沿海底受到相似的牽引，但在此也仔細地控制著重量以減少阻力。要是必須或是希望進行保溫，則最好使這種鎮重物具有低的熱導率。這在過去已採用過膠凝的石油產物。也採用過膨潤土、水和飛灰煤胞的漿狀物。
由油漆和抗侵蝕塗層帶來的熱阻是很小的，因為這類塗層都很薄。瀝青塗層曾普遍用作海底管道的抗侵蝕塗層。「塗覆和包繞」塗層則包括兩或三層牛皮紙、毛氈或玻璃纖維織物，它們在由熱的瀝青或煤焦油瀝青浸漬的同時裹繞到管道上，而這種瀝青則是以粉碎的礦物填料例如飛灰、滑石粉、粉碎的石英粉或碳酸鈣擴增的。上述塗層厚0.90至0.250英寸。「管道瑪脂」則是指將瀝青—混凝土擠壓到管道上的較厚塗層。管道瑪脂塗層包括碳酸鹽、砂、碎石、玻璃纖維與瀝青，厚1/2至3/4英寸。適才所述的這兩類塗層中的填料減少了費用同時增大了粘度，但是這類填料的有效熱導率則是純瀝青的5至10倍，因而它們顯著地增加了這種混合料的熱導率。瑪脂塗層的熱導率例如是純瀝青的3.5至4倍，「塗覆和包繞」塗層的熱導率與織物包層有關而稍低些，但這種塗層較薄，同由於衝刷和水流使管道自然發生的「自埋」現象相比，能提供的保溫值較低。由於織物層是由很薄的瀝青層分開，像毛氈之類的多孔織物最終將會吸收水的。
用來描述最一般各類瀝青的術語是不一致的。「瀝青(As-phalt)」通常用來指石油瀝青和砂的天然沉積物。當前所用的絕大多數瀝青是由提純了的石油瀝青製成，這實質上是純烴。它原先被稱為「直餾瀝青」，但有時即簡稱為「瀝青(Asphalt)」。幾乎在所有的工業應用中都重新引入了礦物填料以提高暖溫下的尺寸穩定性。這樣，瀝青一詞既可以指純石油瀝青，也可以指廣義的瀝青(烴類及其非金屬衍生物的混合物中可溶於二硫化碳者)或是其它的土質材料。由於純瀝青通常只用作為其它一般瀝青的製品中的組分，它的熱導率在絕大多數的普通工程手冊中並未列出。上述這類製品的熱導率值是很廣的，普通也只是作為一般瀝青的值列出，例如，在許多石油勘探和生產工業的手冊中，發表的是在油井中找到的瀝青的熱導率，這種瀝青包括烴類和其它礦物。管道工業的種種報告給出了瀝青的和煤焦油的熱導率。事實上，純瀝青的熱導率是所有這類固體材料中最低的。
業已知道，有種種聚合物改性劑能在保持瀝青尺寸穩定的同時拓寬溫度範圍。一些是與瀝青起化學反應所致或是在存在瀝青時通過化學反應所致，而另一些則是具有可形成網絡的或與瀝青組分具有親和性的第二種連續相。例如美國專利530675號公開說明了，含環氧化物的聚合物能夠被促成進行提高抗變形性能力的反應。某些這類聚合物業已證明能通過與瀝青形成連續相網絡而提高了尺寸穩定性的，包括丁苯橡膠(SBR)、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯(SBS)橡膠、苯乙烯—乙烯/丁二烯—苯乙烯(SEBS)橡膠、乙烯—乙酸乙烯酯、其它的嵌段共聚物、聚烯烴、聚氯丁橡膠，以及其它彈性材料。以上材料中的某些可以降低脆變溫度和提高熔化溫度。填料的作用是在所有溫度下提高粘度，甚至在瀝青熔點之上的溫度下來提高粘度。高度充填的瀝青具有瑪脂的性能，甚至是當瀝青本身為熔融液體時。填料同聚合物改性劑相結合能將軟化點提高到超過它們各自單獨時所能達到的水平。
某些聚合物改性劑例如是橡膠或聚烯烴類的粉碎粒料。這類材料的行為與作為第二種連續相相比可能更按近於填料，但卻不同於礦物填料，它們的彈性性質還會提高瀝青在低溫時的柔軟性。某些上述聚合化熔體當與熔融的瀝青混合時，具有乳膠的性能而不起到連續相的作用。礦物填料通常是用來降低瀝青成本和提高其尺寸穩定性，而不論它是否含有能與瀝青起反應或形成網絡的化合物或聚合物修飾劑。
還知道硫與碳黑也可提高瀝青的軟化點。
本發明的目的在於提供防水的保溫組成料、廉價的保溫管道、以及包括有能塗布上述組成的適當襯底的保溫疊層結構。這種保溫組成料顯示出先有技術中用於保溫海底管道上的已知橡膠或塑料保溫材料的許多性質，但是它們的價格則遠為便宜。這樣的保溫料具有兩個基本特徵(1)它基本上根據的是煤焦油之類的瀝青材料或是瀝青；以及(2)對瀝青的添加劑，填料或改性劑與純瀝青相比不會顯著升高熱導率。還可以採取措施來提高瀝青組成料的尺寸穩定性和防止管道的運動。這種措施表現為一種機械式的約束件或是瀝青本身的一種改性劑。在本說明書中，改性劑是指相對於瀝青的而不是瀝青本身的任何填加劑，包括與瀝青起反應的材料、與瀝青形成連續相網絡的材料、或是最具惰性但與瀝青本身相比則在管道的整個工作溫度範圍內更具尺寸穩定性的填料。應該注意到，這裡的瀝青已表徵為環境溫度下的膠體體系，其中的瀝青烯為分散相。在此所用的「填料」或「擴增劑」包括不同於天然烴組分的粒狀物質。填料可以是聚合物的、彈性的或蜂窩狀的材料，粒狀或是纖維狀。填料可以是開孔的或稍微疏鬆的材料例如火山巖粒料、蛭石或硅藻土，它所具備的孔隙度小到足以使熔融的瀝青質粘合劑在把填料混合到其中時不會完全填充這類孔隙；填料也可以是閉孔型材料例如珍珠巖、飛灰煤胞、玻璃微珠；填料可以是細胞植物的材料，如木屑或是甘蔗渣，或者可以是管狀材料例如蘆葦、燈芯草、竹子或是塑料管段。


圖1示明鋪設於海底上的保溫管道，它的端部以橫剖圖表示，此保溫管道包括管道本身和保溫塗層。
圖2示明管道的橫剖面，其中的保溫塗層疊層在此管道和一直徑大於此管道的套管之間，此套管是用機械方法連接到管道上的，用來防止管道相對於套管運動。
圖3示明管道的橫剖面，這裡的保溫層是疊層在管道鋼管和直徑小於此鋼管內徑的套管之間。
圖4與5示明管道的橫剖面，其中以支承件嵌裝入保溫料中將此保溫料的較冷層連接到管道上，防止管道通過此保溫料而運動。
圖6與7示明管道的橫剖面，其中與管道鄰接的保溫料能與不同的保溫料的較冷外層相連接。
圖8示明管道的橫剖面，其中在保溫料中嵌裝有一列矩形支承件以防管道通過熱層流動。
圖9表明在浮管內若干集束的輸流管的橫剖面，這批輸流管採取了安裝多個管道時的控制深度牽引法中所用的典型布置。
圖10示明管道的橫剖面，其中的瀝青塗層中填充有平行管道軸線排設的管狀材料。
圖11與12表明在厚的瀝青塗層下由一層多孔材料保溫的管道上的安裝接頭。
本發明的目的在於提供由包含瀝青粘合劑材料的組成料來保溫的廉價海底管道。上述組成料在浸沒於水中時能保持低的熱導率並具有一定的可彎曲性，從而可用於使水下管道保溫。用於保溫管道的瀝青材料其主要缺點是，它的機械性質在環境溫度範圍會隨溫度發生很廣的變化。當前的絕大多數海底管道都已採取了保溫處理來保持石油產物的溫暖。生產的原油或天然氣的典型溫度在120～200°F，但井口的溫度會超過300°F。在這樣的溫度下，某些瀝青物質會熔融，絕大部分會產生顯著的蠕變，如若不然，它們就會在環境溫度下變脆。要是對溫暖的浸沒管道塗以厚的瀝青物質塗層，則其中心處將會較外側軟得多。隨著時間的推移，這一管道將會在其自重下使其軟部下沉，最終要使底部暴露。防止這種現象是本發明的一個主題。為了減少這一現象，可以如後所述對組成料改進，或是用較直接的機械裝置。最直接的機械裝置則是使塗層疊層在管道鋼管與同此鋼管作機械連接的套管之間。圖2與圖3示明了以一些相分開的環件沿著鋼管長度相連接的套管。這種機械連接件可以是任何能支承所需負荷的任何機械分隔件，包括隆起的螺旋狀縱向帶。由於保溫的組成料在高的流體靜壓下是抗水的，故上述套管不一定要密封且不需像不具有高抗壓強度的保溫材料那樣要獨立地抵抗塌縮。因此，此套管可以由薄的便宜的材料製成。此外，也不要求以連續的形式通過管道的安裝接頭，這樣就能消除封罩式的保溫設計所帶來的最困難的問題之一。最引人注意和高效的套管是所謂假象式的。這裡的保溫料具有冷的外層。機械連接件嵌裝於塗層之中並使此塗層與所述鋼管連接。這在圖4中示明，這裡的機械連接件是沿著管道長度相分開的環形件。海水溫度通常在80°F以上，但這樣高的溫度只存在於海面附近。能夠組成在此溫度下不會有太大蠕變的純瀝青。要是將尺寸較穩定的材料嵌裝於保溫料中沿熱的管道長度分布的一些部分上，就能反對那些較冷的層使鋼管不會發生運動。對於把冷層機械地連接到鋼管上這種裝置的主要要求是，它必須是充分良好的保溫體，能夠不把太多的熱傳遞給保溫料中的較冷層。上述布置形式的優點之一是，所有機械支承件能完全封閉於防水的瀝青保溫料中，因而不需是抗水的。在圖8中，機械連接件7於是可以是木條或鑲木。在圖6和7中示明了在幾何上屬最簡單的連接裝置，它僅僅是一層不同的保護材料層7，具有適當的抗壓強度和結構穩定性，例如是多孔水泥、甘蔗渣與水泥、或是其它的傳統保溫材料。與只是將瀝青塗層用作給保溫層抗水的管道不同，本發明的塗層的配製和應用實質上是對塗層組成即塗層料本身的熱阻作出貢獻。對於用在陸地上的管道，上述這種區別可能是學院式的侈談，這是因為傳統的管道保溫材料是遠比瀝青好得多的保溫材料，但是，這方面的傳統材料卻不具有抵抗深海壓力的抗壓強度，即是使這種材料保持於乾燥條件下也是如此。然而，當管道用於深海時還存在另一個不能立即看出的重要特點。當把管道鋪於海中時，時間是至關重要的，因而保溫層是在管子送到工作地點之前塗布上去，只留下一短段供管子與管子的連接用。在把管子焊合到一起後，需使安裝接頭保溫。某些製造廠家是用由薄的聚乙烯套保持乾燥的聚氨酯泡沫材料給管道鋼管保溫。這一般是用於常被埋起的陸地管道上，但即使是在地下水的壓力下，所用的安裝接頭也常發生漏洩。這樣一個頑固的問題在於難以密封帶套的泡沫材料的端部，原因在於不易密封住缺乏堅實支撐的聚乙烯。絕大多數其它聚合物是較易滲透和較昂貴的。瀝青是極其不易為水滲透的同時價格低廉，厚得多的層費用基本相同，提高了熱阻，且由於它易粘附到它本身和許多其它材料上而頗易密封。如圖11和12所示，通過將金屬片卷繞接頭，能夠快速而容易地形成一個可使熱瀝青注入的腔部。注入的瀝青熔接到主要保溫層的外側上，留下了連續的保溫防水外套，同時在安裝接頭處的瀝青還起到壁疊作用，阻止了水從一個管道接頭的保溫層上播散到另一個和管道接頭的保溫層上。為了有助於上述認識，下面列出了對本申請有重要關係的瀝青的各種性質與特點，包括1)極低的滲透率、2)低成本、3)能夠燒注、4)可快速固化、5)能夠無縫地與自身粘合、6)可粘合到管子或抗侵蝕塗層上、7)具有低的熱導率、8)有足夠的韌性而不易剌穿但能充分彎曲而不會出現裂紋、9)無毒、10)極易購到。這樣，上述性質絕沒有同時利用到。也可以用瀝青之外的材料來做到這點，但費用都要昂貴。
要是保溫的目的在於將管道的內含物保持成較環境溫度冷，則不需用獨立的裝置來防止管道會通過保溫塗層運動，而填料將只是用來降低瀝青材料的費用或熱導率。但允許管道與保溫料之間有某種相對運動也同樣是對的，甚至是希望有的。這是由於土壤本身也起到保溫體作用。通過為偏心的保溫層所覆蓋的管底(在此底部上幾乎沒有保溫層)上的熱損失，根據經驗，會低於完全埋藏的保溫效應。通過相當複雜的熱分析可以證明，在完全埋藏的管道上的穩定的熱損失中，有不成比例的很大一部分是來自頂部。這是由於穩態的熱通量線是從管道沿徑向發射出，進到土壤，而後通過一弧線反回到表面上。來自底與頂的熱程差遠大於埋藏深度。因此，要是存在一定的偏心度，保溫組成料就可能更為有效，而當管道下沉時就會造成這種偏心度。可以推廣這種概念，允許落定於負荷分布不均的不勻底部上的管道在沿其長度的某些點上變形。還應指出，由於瀝青的密度非常接近於水的密度，因而管道在浸沒時，瀝青幾乎沒有可能會在自重下變形。由於上面討論中引出的結論不能立即弄清，直觀的感覺會使人認為瀝青的組成料應較硬一些，並能支承比實際所需更大的負荷。
下面幾部分討論通過給瀝青添加填料或改性劑來提高瀝青尺寸穩定性的方法。添料的結果可能會加大成本，於是應根據實際需要進行配方，而這在以前的討論中可能預料得不夠。例如在某些情形下，採用較多的瀝青和較廉價、較少或是不會改性劑或填料，同時僅僅依靠這些添加料同瀝青之間的某些相對運動，可能是更經濟的。
在本說明書中，瀝青一詞指的是瀝青礦中所有的固體或半固體的烴類、天然產生的瀝青、從煤焦油中獲得的瀝青、或是從石油中提煉出的瀝青或是「直餾瀝青」。瀝青材料一詞則包括基本上根據來自一或多種來源或類型的瀝青的材料。「瀝青組成料」一詞即指瀝青或瀝青與改性劑的組成料。粒狀改性料可以在瀝青組成料中佔任何比例，只要這種粒狀料所在的粘合劑基本上是以瀝青為基礎的即可。由於瀝青的化合物改性劑一般頗為昂貴和有較高或略略稍低的熱導率，從經濟上考慮，趨向高濃度的瀝青。這樣的粘合劑例如按體積計一般應多半是瀝青，而通常應有相當多的一半是瀝青。填料的數量將部分取決於所用方法和使用溫度。
絕大部分大量使用的工業瀝青是從石油中提取的。它的價格低廉並在適當溫度下是軟的。在其它方面應用中已採用過種種方法能減少蠕變性或軟性。通過瀝青噴吹空氣促進氧化來提高軟化點，但這同樣會提高使瀝青變脆的溫度。瀝青礦是通過自然風化已氧化的天然存在的瀝青。瀝青礦中含有數量不等的雜質，但某些類型的瀝青礦則絕大部分是純的烴而只有極少量的雜質。它們與氧化的石油瀝青相比，具有很高的軟化溫度，而在低溫時有較低的脆性。瀝青礦可同瀝青混合，以在較廣的溫度範圍保持尺寸的穩定性而不會有脆性，但是氧化或風化的較顯著效應則是提高了軟化溫度同時也提高了使瀝青變脆的溫度。氧化與風化不會使熱導率發生大的變化，因而能夠用來調節瀝青的性質使適合管道的作業溫度。
在與環境溫度有很大不同溫度下運行的管道中，最好採用有不同配方的幾層結構，它們在同一溫度下具有不同的機械性質，但在它們將工作的溫度下具有相似的機械性質。在這樣的布置下，經配製成在環境溫度下不脆但在管道運行溫度下變軟的這一層能夠塗布到經配製成在環境溫度下會變脆的這層之上。此種情形示明於圖6和7中，其中與管子鄰接的機械穩定層4與外層略有不同，但這兩層都是瀝青材料。
業已發現，當把截留有空隙的或截留者為氣體充填的空隙的填料加到瀝青粘合劑中時，可以提高填料的抗破壞強度，同時填料本身增大了主體部分並減少了蠕變，並在同時減少了熱導率。開孔填料與閉孔填料都能具有這種結果。從填物物質例如木材、纖維素、黃麻、甘蔗渣等獲得的蜂窩狀結構的材料，兼具有低的成本和低的熱導率。儘管瀝青在較高溫度下會變軟，但帶有細孔隙的填料並不需要在混合到熔融瀝青內時為其浸透，並能在這種組成料處於水靜壓的作用下時對於為瀝青材料或為水浸透具有意想不到的穩定性。當填料添加得多時，水不能滲透。這是由於粒狀料分隔了靜水壓以及這種層的厚度所起的作用。與大多數無孔的固體料或半固體料相比，瀝青的熱導率頗低，因而即使是瀝青材料滲透熱層中的填料，仍然有足夠的溫度梯度限制滲透熱層，同時不影響減少彎垂或蠕變的效果。簡單地說，有孔隙的填料能減少瀝青材料的蠕變，而且此瀝青物質還能在水靜壓下長時期有效地阻止將水吸收到有孔隙的填料中。對於採取了保溫措施來保持內盛物冷卻的管道或是在稍高的溫度下，填料再結合以提高或降低軟化點的技術就可以省除採用獨立裝置來防止蠕變或變形的任何需要。
閉孔型的防水材料可以用於較高濃度和較深的水中。由空心微珠組成的填料的優點是可使表面面積對體積的比最小，而且球形有很好的抗壓擠穩定性。對於深水中的管道，填料最好是閉孔型的耐壓材料，而對於很深的水來說，飛灰煤胞之類的球形填料可使抗擠壓能力達到最高。此種組成料的熱導率將取決於填料對粘合劑的比例。填料的熱導率最好低於瀝青材料的，由此可以降低組成料的熱導率。於是當組成料中填料的份額較高就能降低組成料的熱導率，而填料的最大量取決於填料的幾何形態。但在較深的水中，蜂窩狀的且熱導率低於瀝青的並能經受住相應壓力而無蠕變的填料可能是很貴的或不存在的。此時，可以根據低成本與低熱導率的最佳組合，選擇熱導率略高於瀝青的蜂窩狀填料，用所需最少量的填料來實現尺寸的穩定性。絕大部分填料的熱導率低於0.13BTU/hr-ft-°F，但在本說明書中，是把0.24BTU/hr-ft-°F的視作為低熱導率的填料。這比用於過去管子塗層中的絕大多數填料要約低一半。包括有少量較高熱導率的填料可能會有益的，因為不規則的填料形狀會使瀝青獲得良好的機械性質，填料中的大部分(例如50％以上，可能多於75％)通常是低熱導率的材料。整個組成料的熱導率是一重要數值。在絕大多數應用中，能將此值保持到低於0.12BTU/hr-ft-°F。某些情形下，填料本身的實際熱導率或許是不知道的。對某些材料來說，特別是纖維質或球形的材料，所報導的熱導率是根據鬆散填料的測量結果。這對於空氣和粒料的組成料(不是粒料本身)來說，其熱導率就是如此。另一些材料，例如雲母，是各向異性的。這就是說，熱導率取決於樣品相對於晶粒或晶體結構的取向。在本說明書中，將用有效熱導率一詞根據粒料或纖維料在組成料中的影響來表徵粒料或纖維料的實際熱導率。這一值實際上只是用已驗證過的數字模型間接地確定，根據所測出的連續相的熱導率以及連續相與分散相的組成，來推斷出分散相的熱導率。要是涉及的粒料是微細形的各向同性的據此可以測出熱導率的均質材料，則有效熱導率便是此測出的值。填料對粘合劑的比可以用種種方法最優化。舉例來說，可以用兩種規格的球形填料例如玻璃微珠來佔有總體積中的較大份額而不是一種。一般地說，微珠的生產中會使尺寸分散，但用篩選把它們分類成幾種粒度範圍則可改進填充密度。填料的實際最大量應由試驗確定。典型的情形是，若不分規格，則微珠可以佔總體積中的40～60％。結合使用極細的填料和較大的團粒料能夠進一步提高填料所佔有的空間量。將粘合劑攪拌到熔融瀝青中所形成的混合物可以具有高達0.75的填料對粘合劑的比。也還有其它實際上的考慮。當採用很高的填料對粘合劑的比時，組成會變成難以塗布的剛性瑪脂。或許更為重要的是，具有高的填料加載的組成料表現為粘合劑和填料界面上有許多孔洞。這就會讓水進到此種組成內，使得熱導率升高。
可以將例如草料一類的柱狀填料或是塑料管單獨地或結合前述的帶孔隙或閉孔的填料使用，這裡所謂的草料包括蘆葦、燈芯草與甘蔗渣。這裡所謂的填料廣義地解釋為包括較大的管狀料例如甘蔗或塑料管，它們平行於管道的軸線鋪設。這類材料本身可以在其間隙中結合有瀝青材料與較細的填料。上述管料可以在保溫組成的其它組分鋪布於管道上之前或同時布設於管道上。按此形成的橫剖面如圖10所示。要是這些管狀件鋪放成接觸形式，它們也可視之為或用作為上述間隙中的熱層和另一冷層間的機械連接件。在此例中，填料同機械連接件的作用是一致的，而存在於本整個說明書中的在概念上的一致性當變得更且清楚。
將瀝青的溫度範圍擴展到可保持其尺寸穩定性的聚合物改性劑一般具有低的熱導率，因而可以用於本發明中。這一情形也適用於聚合物填料、與瀝青起反應的化合物、以及具有第二連續相性能與瀝青起到網絡作用的聚合物。
經試驗用於本發明的種種材料中有一些能有效地降低脆變溫度，而另一些則能提高軟化點。在先有技術中，絕大部分由聚合物改性的瀝青已曾用於敞露條件下，通常要求在溫度頗低於冰點下時需有一定的延展性。但是，海底管道罕有鋪設到或用於遠低於水冰點下的環境。能與絕大多數上述聚合物改性劑匹配的未氧化的瀝青可在用於冰點附近的情形下有足夠的可彎曲性。但是業已發現，更為便利的是將未氧化的瀝青的軟化點提高而不是去降低已氧化的瀝青的脆變溫度。
將無規的和等規的聚丙烯相結合已證明能降低成本和有效。無規的聚丙烯能提高軟化點而不提高脆變點。軟化點隨無規聚丙烯濃度通過一過渡範圍增加而很快地增加，此過渡範圍與瀝青有關，但一般佔組成重量的18～30％。高於這一水平，組成的軟化點即主要由無規聚丙烯的軟化點確定，而在低於上述過渡範圍時，組成的軟化點便接近瀝青的軟化點。高於此範圍，通過混合低分子量的等規聚丙烯，就能更有效地提高軟化點和使組成增硬。當不存在無規聚丙烯時，等規聚丙烯常常主要用作粒狀填料，但在按此方式使用時，它卻似乎對無規聚丙烯具有親和性。下面的配方已證明能降低成本並且是有實用性的。
在粘合劑重量中的％ 按體積組成的％範圍一般粘合劑 70～10AC-20級石油瀝青85～5 77等規聚丙烯 0～15 5無規聚丙烯 15～45 18填料 0～60即使在低的填料加料下，上述組成的軟化點可以超過300°F，但對於擬鋪設的管道自然保留合適的可彎性，或能在冰點附近溫度無裂縫地彎繞到捲軸上。
上述組成料在熱氣候下較軟，因而會由於卷繞而在高的負荷下變形。較多的等規聚丙烯或填料會使這種組成較硬，同時會進一步提高軟化點，但這樣會使此組成太脆而難以在冰點以下溫度卷繞。這可以通過添加苯乙烯嵌段共聚物例如SBS來補償。嵌段共聚物的價格為石油瀝青的25～50倍，因此應節制地使用，它們通常在需要單獨使用時按重量濃度計為瀝青重量的3～12％。在這種應用中，3～5％的重量濃度能取得良好結果，但更高的濃度可以進一步改進冷卻性質。
上面提出的聚合物濃度部分地是根據費用與效果折衷的結果，而並未概括整個可能範圍。對於在高溫條件下運行的管道，採用若干層在各層上加有不同聚合物的結構可能更能節省用費。在過去，前述組成料並未用於這一目的。
為了省除需要對材料加熱，某些瀝青組成料可以用溶劑稀釋或於水中乳化。然後將所得材料作固化處理，蒸發掉溶劑或水分。這只用在較薄的一些層。
通過給蜂窩式填料和水凝水泥的混合物添加瀝青材料和水的乳化物，能夠製備出一種相關的組成料。低的成本和能夠利用普通水泥使這種組成料具有吸引力，但也可採用其它類型的水泥。水泥固化成能在寬廣溫度範圍內保持其強度的結構材料，而與完全由水凝水泥構成的粘合劑相比，瀝青組分則能減少水的吸收和降低熱導率。在這樣的組成料中，當採用太多的瀝青組分時則能抑制這種反應。有效的限度隨蜂窩式填料的數量與類型而變化，但是瀝青的組分將會是總量中的較少部分。佔水泥重量的5～10％的瀝青組分與水泥和蜂窩式填料的組成相比，將顯著地減少水的吸收。較大量的瀝青材料將進一步減少水的吸收和這種組成的粘合劑的熱導率，並且還會減弱其強度。需要有比瀝青料多得多的水泥來提供有效的結構。這樣的組成料可不再需用獨立的裝置來防止蠕變。在本專利的範圍內，關於上述類型組成料的另一種想法是這樣一種組成料，其中的瀝青材料是散在有關的裝置中，用來防止管道相對此種裝置運動。這樣的保溫組成可以這樣地應用到管道上；通過澆注、噴塗、沉積一種軟化的物質到兩個相對轉動的例子中，加速這種物質以高速度衝擊到管道上，由此使材料密實化，在厚厚的層粘合到一起，通過擠壓或澆注細長的環形段並把這些段粘接或固定到管道上。
上述塗層的厚度將取決於海水的溫度；管子的尺寸；可能存在的其它塗層；待輸運的材料的溫度、壓力與性質；以及特點的固化組成料的熱導率。
瀝青組成料並不需同心地塗敷到管道上，它不需覆蓋管道的整個表面，同時可以用來使一批集束的管道保溫。
束中管道的一或多個可以用來載運熱的流體以補償通過保溫的熱損失。還可以將一批電加熱元件安裝到管或一批管道上。要是用加熱的管道或元件與管道作熱連接並與周圍隔熱，則正如周知，「熱追蹤」是唯一實用的方法。通過應用熱導率高的材料使它與加熱管或元件同一或多個管道連接，可以實現或增強上述熱連接。這種熱連接件可以是焊接或焊合金屬或是水凝水泥或是充填有金屬屑的聚合物粘接劑或是其它導熱粒料。此時，瀝青組成料將圍繞管道、加熱管道或加熱元件以及導熱的水泥，同時可使保溫組成料環繞整個束而不與束中的管道接觸。
在本專利說明書中，「由管子與疊層到其表面上的瀝青組成料構成的管道」一詞可以用來指一批管道，它們包括集成一束的管子，而在這束管子的整個外表面上疊層有瀝青組成料。它也可以是指由管子與加熱元件集成束的一批管道，而以瀝青組成疊層到這束管子與加熱件的外表面上。
例如在本發明中，是將安裝於在岸上裝配好而牽引到目的地的帶封套束之中一批小的管道，在它們和封套間的空隙用瀝青保溫。業已發現，可把粉碎的瀝青礦混合於水漿或石油礦漿中再泵送入封套內各小管道的四周。由於上述混合物的密度極近似於水的，故能理想地用於這一目的。熱導率較低的其它材料中絕大多數較輕將會飄浮到液面上而不能添加多達鎮重物似的這種物質。石油礦漿則較為理想，因為瀝青將溶解於石油中形成焦油。由於溶解過程在環境溫度下發生得很慢，故在上述管道安裝過程中仍要泵送，但當管道變熱後，瀝青很快溶解或吸收石油。用氧化的石油瀝青或煙煤代替瀝青所取得相似的結果。瀝青的主要優點是其中的某些類型例如硬瀝青(Gilsonite)非常之純，不經提純或特別處理就可顯示出極其接近純瀝青的低的熱導率。
另一種方式是採用乳化於表面活性劑和水中的水凝水泥和瀝青混合物，這種乳化物能長時間地保持為液體足以使其泵送入管道內，然後轉變成凝膠或布丁狀的稠密形式。乳化物中的水量最好保持到極少，這是因為水的熱導率高於瀝青的。類似地，所用的水泥量應是需用來促使保溫材料能充分膠凝防止發生對流的最低量，這是因為絕大多數水凝水泥的熱導率高於水的熱導率。其它的能與水緩慢反應並凝固成固體或半固體的材料也是可以使用的。與本發明有關的試驗證明，6份瀝青對3份水與表面活性劑的乳化物當在現場同2份普通水泥混合後的一段時間內將保持為液體，但在24小時後即成濃布丁狀稠密形式。這種固化組成的熱導率低至足以用於許多場合下，但不會低到瀝青與石油的漿液的程度。
本說明書中涉及的管道包括稱之為輸流管線的小管道，例如用來使井口與集輸岐管或平臺相連接的管道；由任何類型管子包括塑料管、複合材料管，以及具有多層結構的管子，包括可彎曲管與軟管等組成的管道。這裡所謂的用來形成管道的管子則指包括上述任何類型的管或管子。這裡所謂的管道還包括從海底延伸到近海表面的提升管。要是管子包括有若干層，例如先有技術中的可彎曲管，則瀝青組成料可以位於這些常規層之外或可以是與這種管子在一起形成中間層。
參看圖1，管道10示明於海底面14處，其中12指水面。此管道在其管道鋼管22的周圍塗有保溫組成或即保溫料20。在圖2中，有一套管24在管道鋼管22上延伸，而保溫料即粘附於管道鋼管22與套管24兩者之上。此套管經支承件7與鋼管連接，不連續的經過安裝接頭。在圖3中，保溫組成料或即保溫料20夾層在充有壓力的管道鋼管22和一直徑較小的套管24之間。在圖4與5中，鋼管22由保溫料覆蓋，此保溫料由層4與層5兩層組成，這兩層可以具有稍有不同的瀝青組成，或僅僅是由於溫度差而在機械性質上有所不同。層5離管道鋼管22最遠，由嵌裝於離鋼管22最近的層4中的機械連接件7相對於鋼管22保持在固定位置。圖6和7與圖4和5類似，只是機械連接件7佔據了與鋼管22相鄰的絕大部分或整個空間，這樣也就在最大程度上取代了此空間內的保溫組成料。在圖9中，在鋼管22周圍鄰近設有一批矩形帶7，它們由保溫料層4包圍。這些矩形帶將鋼管22連接到保溫料層5，使後者能相對於此鋼管保持於固定位置。圖10示明一管道10，其中的鋼管22由保溫料20覆蓋，此保溫料包括瀝青材料中的管狀填料，這些管狀填料與鋼管22的軸線平行。
圖9是若干小的輸流管線32集束於一浮管33內的橫剖面圖，代表了用來同時安裝多個管道的控制深度牽引法中所採取的典型結構。這裡的保溫材料34也用作鎮重物，使這束管子一旦牽引到最終目的地後即下沉。圖11與12是管道在安裝接頭27處的橫剖面圖，其中的管子10在其絕大部分長度上於工廠中塗有抗侵蝕塗層25，同時有多孔的保溫材料層7支承著瀝青保溫料的外層5，而在安裝接頭27附近的區域則由薄金屬片26包住，然後充填以相同或類似於瀝青保溫料5的瀝青保溫料8。
權利要求
1.有瀝青疊層於表面上的管道，其中所述瀝青未用粒狀填料擴增。
2.如權利要求1所述管道，特徵在於設置有機械裝置用來阻止此管道通過或相對於所述瀝青運動，此瀝青所塗布的厚度應基本上能抑制熱在此管道的內盛物和外部環境間傳遞。
3.有瀝青組成料疊層於表面上的管道，其中的瀝青組成料包括有熱導率低於0.24BTU/ft/hr-ft-°F的粒狀填料。
4.如權利要求3所述管道，特徵在於所述填料包括纖維質材料。
5.如權利要求4所述管道，特徵在於所述纖維質材料是聚合物纖維。
6.如權利要求4所述管道，特徵在於所述纖維質材料是植物纖維。
7.如權利要求3所述管道，特徵在於所述填料包括彈性粒料。
8.如權利要求7所述管道，特徵在於所述彈性粒料包括細碎的橡膠粒。
9.如權利要求7所述管道，特徵在於所述彈性粒料包括細分的聚烯烴粒料。
10.如權利要求3所述管道，特徵在於所述填料包括蜂窩式材料。
11.如權利要求10所述管道，特徵在於所述蜂窩式填料包括閉孔材料。
12.如權利要求10所述管道，特徵在於所述閉孔材料包括飛灰煤胞。
13.如權利要求11所述管道，特徵在於所述閉孔材料包括珍珠巖球料。
14.如權利要求10所述管道，特徵在於所述閉孔材料包括玻璃微珠。
15.如權利要求10所述管道，特徵在於所述蜂窩式材料包括帶孔隙的或開孔的材料或粒料，其中的孔隙度足夠細小能使瀝青粘合劑密封這些孔隙。
16.如權利要求15所述管道，特徵在於所述帶孔隙的材料包括火山灰粒料。
17.如權利要求10所述管道，特徵在於所述蜂窩式材料在前述保溫組成料中是植物材料。
18.如權利要求10所述管道，特徵在於所述蜂窩式材料是木屑。
19.如權利要求10所述管道，特徵在於所述蜂窩式材料包括管狀填料。
20.如權利要求19所述管道，特徵在於所述管狀填料包括草料。
21.如權利要求19所述管道，特徵在於所述管狀填料包括塑料管。
22.包括有管子和疊層於其表面上的瀝青組成料的管道，其中可包括有除瀝青以外的大量的任何添加劑，而這種添加劑的熱導率則使所述組分的熱導率不超過0.12BTU/ft/hr-ft2-°F。
23.表面上疊層有瀝青組成料的管道，其中所述組成料包括能形成連續相網絡的聚合物改性劑，其中瀝青是所述連續相之一，且其中所述改性劑能在管道運行溫度下和管道所施加的負荷下，於所述組成中提高瀝青的尺寸穩定性。
24.如權利要求23所述管道，特徵在於所述聚合物改性劑包括聚烯烴聚合物。
25.如權利要求24所述管道，特徵在於所述聚合物包括無規聚丙烯聚合物。
26.如權利要求25所述管道，特徵在於所述聚合物包括組合起的等規和無規聚丙烯。
27.如權利要求23所述管道，特徵在於所述組成包括苯乙烯嵌段共聚物。
28.包括管子和疊層於其表面上的瀝青組成料的管道，其中所述組成料包括有這樣的改性劑，它能與所述瀝青起反應而提高瀝青在管道運行溫度和管道施加負荷下的尺寸穩定性。
29.一種管道，它表面上疊層有瀝青組成料且設有用來防止所述管道在其自重下相對上述組成運動的機械裝置，所述組成料塗布成的厚度能基本上抑制在此管道的內盛物和外部環境間有熱傳遞。
30.如權利要求29所述管道，特徵在於所述用來防止所述管道通過所述保溫組成料運動的裝置是一沿所述管道設置且與所述組成鄰接的套管，此套管由與其本身和前述管道相接觸的機械裝置相對於此管道保持到一個與此管道相分開的固定位置處。
31.如權利要求30所述管道，特徵在於所述套管包括由上述保溫組成料構成的冷層，此冷層在機械上足夠穩定，使得前述機械裝置能反抗它而含有一較溫暖的層同時能長時期地抑制或阻滯此管道通過上述較溫暖層的運動。
32.如權利要求31所述管道，特徵在於所述用來將前述套管相對於此管道保持於固定位置的機械裝置包括木製品。
33.如權利要求31所述管道，特徵在於所述用來將前述套管連接到此管道上的機械裝置包括一批至少3mm厚的保溫層中的一層，這批保溫層的第一層圍繞並鄰接此管道。
34.如權利要求33所述管道，特徵在於所述這批層中至少有一層是有孔隙的保溫材料，而此保溫材料在管道的運行溫度下尺寸穩定。
35.如權利要求34所述管道，所述帶孔隙的保溫材料包括輕質混凝土。
36.一種管道，其中的管子由多層織物覆蓋，每一層織物均由一層瀝青組分所浸漬和覆蓋，這些瀝青質層中的第一層疊層到所述管子的表面上，其中在所述組成料中含有大量的相對瀝青的任何添加劑，以使此組分的熱導率不超過0.12BTU/hr-ft-°F。
37.一種管道，其中的管子由多層織物覆蓋，每批織物又由多層瀝青組分浸漬和覆蓋，而前述多層的總厚度至少為9mm。
38.管道束，它包括一批管道裝放於較大的套管內，而這些管道與此套管間的空隙有瀝青組分。
39.如權利要求38所述管道，特徵在於所述瀝青組成料包括有例如在石油礦漿中的瀝青巖之類的硬瀝青粒料，它們在上述套管內固化成瀝青焦油。
40.如權利要求38所述管道，特徵在於所述瀝青組成料包括水和例如瀝青巖之類的硬瀝青粒料，此種粒料已設置在所述套管內。
41.如權利要求38所述管道，特徵在於所述瀝青組成料是由普通水泥、瀝青、表面活性劑乳化於水中而在所述套管內固化形成。
42.管道束，它包括至少一根流體載運管，此載運管通過與導熱介質連接而加熱元件、加熱管或其它裝置以加熱所述流體載運管道本身，其中所述的這些管道與加熱件的組合體則由至少一層瀝青組成料所圍繞而，與周圍環境隔熱。
43.一種管道，它包括(a)焊合到一起的一批管段；(b)沿所述管道的絕大部分長度疊層到各所述管段表面上的一層保溫混凝土，只剩下各焊接處的一短段，上述各層是在將各管段接合之前塗布的；(c)疊層於上述混凝土層上的熱塑料層；以及(d)在各管段焊合之後疊層於所述管道上的一層前述熱塑料，此熱塑料層塗布的厚度應同此管道其餘部分上熱塑料層所暴露的表面直徑相匹配，且這一層是熔融到此管道其餘的熱塑料層上以形成一連續的外套。
44.如權利要求43所述的管道，特徵在於所述熱塑料層是在疊層於焊接區上的保溫層之上。
45.由包括一批不同材料層的可彎曲管構成的管道，其中一或多個所述的層具有瀝青組成料。
全文摘要
適用於水中或水底的，由瀝青組成(20)保溫的，改進了的廉價的保溫管道(10)或管道組件。
文檔編號F16L59/14GK1163658SQ95195394
公開日1997年10月29日 申請日期1995年8月29日 優先權日1994年8月29日
發明者格倫·R·薩姆納 申請人:格倫·R·薩姆納