CN106030178B - 高抗性柔性管状管道和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造用来运输烃的柔性管状管道(10)的方法，且涉及由此制造的柔性管状管道。所述方法包括以下步骤：a)提供热塑性含氟聚合物，其能在熔化状态成形；b)使所述热塑性含氟聚合物在熔化状态成形，以便制造具有内壁(21)的密封管状护套(12)；和c)使铠装线围绕所述密封管状护套(12)螺旋地缠绕，以形成铠装线层(14、16、18)的组件；而所述内壁(21)是自由的。

Description

高抗性柔性管状管道和制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造柔性管状管道的方法，且涉及一种利用所述方法得到的柔性管状管道。

背景技术

一个可设想的应用领域是在烃运输领域中使用的柔性管状管道的应用领域，其在美国石油协会公开的标准文件API 17J，“Specification for Unbonded Flexible Pipe”、API 16C，“Choke and Kill Systems”和API 7K，“Rotary Drilling Hose”中描述。

意图运输烃的柔性管状管道通常包括内部密封护套，内部密封护套由聚合物材料制造并限定流动路径，烃或泥浆能够在其内流动。此外，内部密封护套一方面被以短节距缠绕的有形线(shaped wire)制成的压力撑件(vault)覆盖，以便能够抵抗通过流体在内部密封护套内流通和通过流体静力压力引起的径向应力，且另一方面覆盖有通过由以长节距缠绕的金属线制成的拉伸铠装层，该拉伸铠装层意图部分地或全部地吸收施加到管状管道的拉伸负载和径向内部负载。另外，拉伸铠装层通常通过外部密封护套覆盖，外部密封护套意图防止水通过铠装层和压力撑件进入。位于内部密封护套和外部密封护套之间的区域——包括压力撑件和至少一个拉伸铠装层——限定管道的环形空间。不论这些预防措施，外部密封护套可在使用海床上的柔性管状管道期间恰好穿孔，且有压力的水可进入管道的厚度并向内部密封护套施加径向负载。当这发生时，且当内部密封护套内的烃的压力下降时，该护套具有本身塌陷且被损坏的倾向。

因此，为了克服这样的情况，柔性管状管道在内部压力护套内装备有金属躯壳，其由以短节距螺旋以关于柔性管状管道的纵向轴线成接近90°的角缠绕的互锁金属带制成。这样的柔性管状管道由其英文名字“粗镗孔(rough-bore)”已知。

在这之上，柔性管状管道的服役条件变为更加严厉，因为烃的生产在越来越深的离岸水中进行。因此，烃通常较热，且明显地，流体静力压力较大。因而，特别地为了抵抗这些烃的高温和化学本质，利用具有优异性能的材料制成的密封护套，且特别是热塑料含氟聚合物。可参考文献WO96/30687，其描述了一种柔性管状管道，其装备有内部金属躯壳，该躯壳覆盖有热塑料含氟聚合物密封护套。

由此，在柔性管状管道的制造中的第一步骤中，含氟聚合物护套同轴地挤出到金属躯壳上。一旦该护套已经被挤出，该护套因此抵靠金属躯壳搁置。其内壁由此遵循金属躯壳的粗糙度，因为聚合物在其完全冷却之前仍处于粘性状态。在此之后，由此被金属躯壳支撑的密封护套相继地覆盖有螺旋缠绕的铠装线层。

但是，初期裂纹在金属躯壳中的不连续部处在密封护套的内壁中被发现。在此之上，如果管道突然减压，在这些不连续部处产生的残余应力可导致密封护套的减聚力(decohesion)。并且，观察到密封护套的局部去塑(deplastification)，且这损害其机械性能。

发明内容

因此，产生的且本发明寻求解决的一个问题是能够在严苛的海洋环境中在管道的服役寿命期间保留密封管状护套。

为此，根据第一主题，本发明提出，一种用于制造柔性管状管道的方法，所述管道意图用于烃的运输，所述方法包括以下步骤：a)提供热塑性含氟聚合物，其能在熔化状态成形；b)使所述热塑性含氟聚合物在熔化状态成形，以便获得具有内壁的密封管状护套；和c)使铠装线围绕所述密封管状护套螺旋地缠绕，以形成一组铠装线层；以及在步骤b)中，所述内壁是释放的。

由此，本发明的一个特征在于，使含氟聚合物在熔化状态成形，以便产生密封管状护套。特别地，一旦其已经形成，当聚合物仍处于橡胶状态时，管状护套的内壁是释放的，且因此在自由空气中朝向固态演变。并且，管状护套的内壁在可选的热处理步骤期间可以是释放的，该热处理步骤于在熔化状态成形的步骤之后执行，在该步骤期间，其保持在其熔点以下的温度持续确定时间长度期间，然后是受控的冷却。由此，与根据现有技术的方法相比(在该现有技术中，管状护套的内壁直接压靠具有粗糙度和间隙的金属躯壳)，根据本发明，内壁的冷却和其朝向固态的转变一致且均匀地在内壁的整个柱形表面上出现。因此，在管状护套的内壁中没有初期裂纹或残余应力发生。因此，增加了在管道内的管状护套的服役寿命。此外且令人惊讶地，没有金属躯壳对内部管状护套也不致命，即使当柔性管状管道安装在极深度处且传送热的烃时。没有金属躯壳的柔性管状管道是已知的，且通过其英文术语“光滑镗孔(smooth-bore)”管道已知。但是，它们用在特定条件下，在所述条件下，流体静力压力是低的，即接近离岸情况下的海洋环境的表面，和/或在岸上环境中传送流体，流体或烃是相对酸性的，且具有气体。

所以，可以看出，没有内部金属躯壳且在严苛温度和压力条件下使用的柔性管状管道的缺点被在制造时获得的内部管状护套的质量显著补偿。这些技术质量与机械应力通过护套厚度的消散相关联，且与没有初期裂纹相关联。特别地，内部管状护套没有挤出到金属躯壳的事实允许聚合物材料热收缩，这由此减小残余应力。

可以设想由较少蠕变的材料制造不具有内部金属躯壳的柔性管状管道，所述材料诸如PEEK，其代表聚醚醚酮(polyetheretherketone)。但是，这些材料具有两个主要缺点。首先，它们具有过大的刚度，这意味着它们需要非常大的弯曲半径。且因此，在制造水平，其需要非常大的线轴，且在使用中意味着其不能具有与例如钻孔平台上的可用空间相兼容的构造。第二方面在于，在Tg以上高温熟化期间(Tg对于PEEK大约为145℃)，基体变得更硬，伸长属性明显降低。基本上20％至5％丧失，这与高动态应力负载有些不兼容。

根据本发明的一个特别有利的实施例，提供热塑性含氟聚合物，其具有高于300℃、或甚至高于310℃的熔点。因此，其抵抗热烃的运输的能力将相应地被改善。优选地，提供制造密封管状护套的全氟烷氧基化合物。

不像聚四氟乙烯，全氟烷氧基化合物易于在熔化状态下工作，且具有相同的机械强度和化学抵抗弹性。相对地，全氟烷氧基化合物对蠕变没有聚四氟乙烯那样敏感。

此外，在熔化状态下的处理期间，管状护套的所述内壁被形成为获得光滑内表面。因此，在没有表面不平坦度时，内壁甚至以完全一致的方式从橡胶状态朝向固态的演变。

优选地，压力铠装线以短节距螺旋绕所述密封管状护套缠绕，以形成能够抵抗压力的压力铠装层。该压力铠装层——密封管状护套的外壁将压靠压力铠装层的内壁——特别地使得可以吸收内部和外部径向应力，所述应力由密封管状护套内的烃的压力以及外部环境施加的流体静力压力导致。有利地，抗蠕变层施加在内部密封护套12和压力铠装层14之间，以便限制含氟聚合物蠕变到压力撑件的邻接圈所形成的不连续部。另外，多个拉伸铠装线以长节距螺旋绕所述压力铠装层缠绕，以形成能够抵抗拉伸的至少一个拉伸铠装层。拉伸铠装线意图吸收施加到柔性管状管道的拉伸力，且局部或完全地吸收在密封管状护套内沿其流动的烃所施加的内部压力。当柔性管状管道从海洋环境的表面悬挂且延伸到海床以下时，这些拉伸力被自然地施加。另外，水深度越大，这些力越高。

另外，根据另一步骤，由聚合物材料制成的外部密封护套有利地围绕所述组铠装线层形成，以便防止包括该组铠装线层的柔性管状管道的环形空间溢流，因为这些线由钢制成，如果它们与水接触将更快速地腐蚀。

优选地，该方法还包括另一步骤，其中，金属层绕所述一个外部密封护套形成，例如金属躯壳、压力撑件或甚至拉伸铠装。

根据第二方面，本发明涉及一种柔性管状管道，其意图用于烃的运输，所述柔性管状管道一方面包括密封管状护套，其由热塑性含氟聚合物形成且具有内壁，且另一方面包括一组铠装线层，其绕所述密封管状护套螺旋地缠绕。所述密封管状护套的所述内壁有利地是释放的。这样的管道的优势主要源自于制造其的上述方法。所以，被使用的所述热塑性含氟聚合物优选地具有高于300℃的熔点，或甚至高于310℃的熔点。根据本发明的一个特别有利的特征，所述热塑性含氟聚合物是全氟烷氧基化合物。另外，所述内壁具有光滑的内表面。其因此不具有粗糙度或初期裂纹。

优选地，所述组铠装线层包括压力铠装线，其以短节距螺旋绕所述密封管状护套缠绕，以形成能够抵抗压力的压力铠装层。并且，所述组铠装线层包括多个拉伸铠装线，其以长节距螺旋绕所述压力铠装层缠绕，以形成能够抵抗拉伸的至少一个拉伸铠装层。另外，柔性管状管道还包括外部密封护套，其由聚合物材料制成并围绕所述组铠装线层定位。

附图说明

本发明的其它特征和优势将在阅读作为非限制性示例并参考附图给出的本发明一个特定实施例的以下描述时更清楚，在附图中：

图1是按照根据本发明的方法获得的柔性管状管道的示意透视剖切图；和

图2是根据本发明的方法的各步骤的流程图。

具体实施方式

首先参考图1，以便描述按照根据本发明的方法获得的柔性管状管道10的各个元件。

由此，柔性管状管道10从内向外包括：内部密封护套12、压力撑件或压力铠装层14、两个拉伸铠装层16、18和外部密封护套20。

内部密封护套12是挤出的含氟聚合物护套，其目的是约束在管道10内抵靠其内壁21沿着其流动的烃。用于制造含氟聚合物护套12的方法将在以下在说明书中更详细描述。优选地，利用全氟烷氧基(perfluoroalkoxy)聚合物材料，由其形成密封护套12。该材料——除了在机械属性和抵抗化学剂的能力方面具有优良性能之外——具有的优势是，其可以容易地通过通常被用于形成密封护套的挤出器挤出。这不是例如PTFE(代表聚四氟乙烯)的情况，其可仅通过涉及压缩模制PTFE粉末的方法转换，由此获得的部件然后在高温下烧结，导致粉末颗粒结块；或替换地，通过高度专门化的晶粒挤出(granular extrusion)过程(称为“RAM挤出”)转换，其中，活塞机挤出器(piston fan extruder)被馈送有预烧结粉末，预烧结粉末然后在位于加热封壳内的模具内被用力挤压，以便将粉末的颗粒熔合在一起。

在压力撑件14(其在此也称为压力铠装层)的情况下，这由以短节距毗邻绕圈以相对于柔性管状管道的纵向轴线成接近90°的角绕内部密封护套12缠绕的有形金属线形成。由此能够吸收与在管道10内沿着其流动的流体的压力相关联的径向力以及与周围环境施加的流体静力压力相关联的径向力。

对于拉伸铠装层或层片16、18，它们具有吸收拉伸力和烃在内部密封护套12内沿着其流动的内部压力的作用，所述拉伸力纵向地施加到柔性管状管道10，特别是当柔性管状管道10悬挂在海床和离岸环境的表面之间时。这些铠装层片16、18分别由两套多个金属铠装线构成，所述两套多个金属铠装线以长节距螺旋沿相反方向且以相对于柔性管状管道的纵向轴线成20°至55°的角绕压力撑件14缠绕。在图1中，它们交叉，以便平衡扭转负载的反作用。由此，压力铠装层14和拉伸铠装层16、18构成形成增强层的一组铠装线层。

由聚合物材料制成的保护性外部密封护套20绕铠装层片16、18挤出。本发明还可应用于不具有外部密封护套的管道。此外，诸如保持层或抗磨损层的其他层(由于它们是可选的，所以没有示出)可覆盖拉伸铠装层片16、18或插置在其之间。保持层包括至少一个以短节距螺旋绕拉伸铠装层片16、18缠绕的带。其对这些拉伸铠装层片16、18提供牵制，以防止它们肿胀。抗磨损层包括至少一个以短节距螺旋绕拉伸铠装层片16缠绕的带，以便防止拉伸铠装层片16、18通过一起摩擦导致的磨损现象。

可选地，诸如金属躯壳、压力撑件或拉伸铠装层这样的外部金属增强层可选地绕保护性外部密封护套20缠绕，以便有效地保护其不受任何外部损害。

现参考图2以描述根据本发明的用于制造柔性管状管道的方法中的各个步骤。

根据第一步骤a)，热塑性含氟聚合物(例如全氟烷氧基化合物)以颗粒形式或以粉末形式供应。该聚合物具有聚四氟乙烯在熔点(因为熔点接近327℃，全氟烷氧基化合物的熔点大约为307℃)以及在机械方面(因为其弹性模量接近600MPa)的所有优点。此外，其还具有优异的化学惰性。作为对比，其能够被容易地挤出，不像聚四氟乙烯。其流度指数(fluidity index，以其MFR为特征，其表示熔化流速，在5kg的施加负载和372℃的温度下测量)例如包含在0.5至15g/10min，优选地为1.5至3g/10min。

该含氟聚合物以颗粒或以粉末形式供应，且装载到挤出器中，以便在步骤b)中成形。挤出器在上游包括含氟聚合物存储斗，在下游包括用于挤出管状护套的头。存储斗和挤出头通过装备有加热器件的蜗杆连接到彼此，以便一方面将含氟聚合物从固态变为熔化状态，且另一方面将其以熔化状态驱动通过挤出头。挤出头具有环形腔室，熔化状态的含氟聚合物轴向地流动通过该腔室，以便在离开挤出器的唇部时形成具有例如0.5至2cm的厚度以及具有5.08cm(2”)至50.8cm(20”)的直径的柱形层，该直径优选地为7.62cm(3”)至15.24cm(6”)。

有利地，挤出头装备有超声波发生器(sonotrode)，从而高功率声波或超声波可被产生为引起与熔化聚合物直接接触的一些部分，特别是那些靠近挤出头出口定位的部分(在那里，熔化聚合物处于其最大粘度)振动。这些振动——具有1微米至0.01毫米量级的振幅和5千赫至200千赫的频率——通过减小金属-聚合物界面处的摩擦系数而具有使得聚合物更容易流动的作用。

并且，柱形层以低速挤出，因为熔化状态的含氟聚合物对在其离开挤出头时的材料剪切现象敏感。添加剂(诸如氮化硼)的添加允许消除该不期望有的效果。

柱形层被朝向冷却系统(诸如定径机，优选地为真空定径机)驱动，以便一方面将管道的外直径固定在期望尺寸，另一方面以受控方式冷却该层。定径机包括一组工具件，工具件被机加工到轴对称柱形层的轮廓的形状和被调节的温度。例如，定径机是衬套类型、环类型或领圈类型，或替换地干衬套类型。通道被机加工在定径机的壁的厚度中，且允许冷却剂的流通，所述冷却剂例如水。因此，它们冷却轴线对称的或展现圆形对称度的柱形层。并且，定径机的内表面(柱形层的外表面在所述内表面上滑动)具有多个穿孔。这些穿孔经由管子连接至真空泵。由此，柱形层的热壁通过抽吸牢固地保持抵靠定径机的内表面，由此将柱形层随着其固化保持在期望形状。层的在抽吸作用下的外侧和其在环境压力下的内侧之间建立的正压力差使得可以确保层的内壁21本身没有弯折，且其由此随着熔化状态的含氟聚合物流动而形成轴对称管状护套。

已经通过定径机之后，管状护套被轴向平移驱动，即使其仅被局部冷却。为了完成其固化且允许其之后缠绕到存储卷筒，管状护套被朝向冷却箱引导。冷却通过浸没而发生，优选地通过喷洒而发生。这则产生密封的管状护套，其内壁21的表面没有粗糙度且是光滑的。这是因为，在冷却阶段期间内壁21是自由的，这意味着残余表面应力在导致平坦表面的该阶段期间被重新吸收。在该材料情况下的优势在于，在熔化状态，其是完美地透明的，使得可以视觉上检测任何泡或污染物的存在。考虑到成品结构将经历的非常高的压力和温度水平，这是特别重要的。

接下来，在第三步骤c)中，相继地利用线盘绕机和铠装铺设机，之前提到的该组铠装线层将螺旋地绕该刚性密封管状护套缠绕。

在第四步骤d)中，密封管状护套则覆盖有该组铠装线层，被再次驱动通过挤出器，从而施加由聚合物材料制成的密封保护性护套，该聚合物材料不必须是含氟聚合物。

根据上述方法获得的柔性管状管道也是本发明的主题。

因此，因为管状管道不具有躯壳，内部密封护套12——由于随后的制造方法——在冷却和变硬的过程期间不经历与金属躯壳的相互作用。因此，没有塑料塌陷到躯壳的不连续部中的现象发生，该现象潜在地导致材料的减聚力和裂纹的出现。此外，在管道的突然减压期间没有残余应力的现象发生，该现象会导致起泡和/或密封护套的减聚力。

Claims (16)

1.一种用于制造在严苛的海洋环境中使用的柔性管状管道(10)的方法，所述柔性管状管道意图用于运输烃，所述方法包括以下步骤：

a)提供热塑性含氟聚合物，其能在熔化状态成形；

b)使所述热塑性含氟聚合物在熔化状态成形，以便获得具有内壁(21)的密封管状护套(12)；

c)使铠装线围绕所述密封管状护套(12)螺旋地缠绕，以形成一组铠装线层(14、16、18)；

其特征在于，在步骤b)中，柱形层被挤出，且提供定径机，以将管道的外直径固定在期望尺寸且以受控方式冷却该柱形层，且所述内壁(21)是释放的，且其中，管状护套的内壁在热处理步骤期间是释放的，该热处理步骤于在熔化状态成形的步骤之后执行，在该步骤期间，其保持在其熔点以下的温度持续确定时间长度期间，然后是受控的冷却，在冷却阶段期间所述内壁(21)是自由的，从而残余表面应力在导致平坦表面的该阶段期间被重新吸收；

其中，在管状护套的内壁中没有初期裂纹或残余应力发生；

且其中，所述柱形层被挤出的挤出头中设置有超声波发生器，使用超声波发生器来产生声波或超声波以使得与熔化聚合物直接接触的一些部分振动；

且其中，定径机包括一组工具件，所述工具件被机加工到轴对称柱形层的轮廓的形状和被调节的温度，且所述定径机的内表面具有多个穿孔，所述柱形层的外表面在所述内表面上滑动，所述穿孔经由管子连接至真空泵，所述柱形层的热壁通过抽吸牢固地保持抵靠所述定径机的内表面以将柱形层随着其固化保持在期望形状，且其中，所述柱形层的在抽吸作用下的外侧和其在环境压力下的内侧之间建立的正压力差使得所述柱形层的内壁本身没有弯折，且其随着熔化状态的含氟聚合物流动而形成轴对称的管状护套。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定径机为真空定径机。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，具有高于300℃的熔点的热塑性含氟聚合物被提供。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，供应全氟烷氧基化合物。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述内壁(21)被形成为获得光滑内表面。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，压力铠装线以短节距螺旋绕所述密封管状护套(12)缠绕，以形成能够抵抗压力的压力铠装线层(14)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，多个拉伸铠装线以长节距螺旋绕所述压力铠装线层(14)缠绕，以形成能够抵抗拉伸的至少一个拉伸铠装线层(16、18)。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其还包括步骤d)，其中，聚合物材料制成的外部密封护套(20)围绕所述一组铠装线层(14、16、18)形成。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括步骤e)，其中，金属层围绕一个所述外部密封护套(20)形成。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的方法获得的柔性管状管道(10)，其意图用于烃的运输，所述柔性管状管道一方面包括由热塑性含氟聚合物形成且具有内壁(21)的密封管状护套(12)，且另一方面包括绕所述密封管状护套(12)螺旋地缠绕的一组铠装线层(14、16、18)；

其特征在于，所述密封管状护套(12)的所述内壁(21)在所述柔性管状管道的制造过程中的熔化状态成形阶段和冷却阶段是释放的。

11.如权利要求10所述的柔性管状管道，其特征在于，所述热塑性含氟聚合物具有高于300℃的熔点。

12.如权利要求10或11所述的柔性管状管道，其特征在于，所述热塑性含氟聚合物是全氟烷氧基化合物。

13.如权利要求10或11所述的柔性管状管道，其特征在于，所述内壁(21)具有光滑内表面。

14.如权利要求10或11所述的柔性管状管道，其特征在于，所述一组铠装线层(14、16、18)包括压力铠装线，所述压力铠装线以短节距螺旋绕所述密封管状护套缠绕，以形成能够抵抗压力的压力铠装线层(14)。

15.如权利要求14所述的柔性管状管道，其特征在于，所述一组铠装线层(14、16、18)包括多个拉伸铠装线，所述拉伸铠装线以长节距螺旋绕所述压力铠装线层(14)缠绕，以形成能够抵抗拉伸的至少一个拉伸铠装线层(16、18)。

16.如权利要求10或11所述的柔性管状管道，其特征在于，其还包括外部密封护套(20)，所述外部密封护套(20)由聚合物材料制成并围绕所述一组铠装线层(14、16、18)定位。

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