柔性管体和制造柔性管体的方法 |
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| 申请号 | CN201380041420.8 | 申请日 | 2013-07-12 | 公开(公告)号 | CN104520625B | 公开(公告)日 | 2016-11-09 |
| 申请人 | 通用电气石油和天然气英国有限公司; | 发明人 | 克里希纳·康德·阿加瓦尔; 比哈里·拉尔; S·塞尔文; | ||||
| 摘要 | 公开了一种柔性管体(100)以及制造柔性管体的方法。所述柔性管体包括抗压毁层(701)，所述抗压毁层包括径向内表面(711)和径向外表面，所述径向内表面在横截面中包括大致平坦部(705)和至少一个从所述平坦部径向向 外延 伸的空腔(703)，并且所述径向内表面在横截面中进一步包括至少一个空 气动 力 学结构(715)，所述至少一个 空气动力 学 结构从所述平坦部延伸出，以便在使用中破坏沿着所述柔性管体流动的 流体 的分界层(509)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于从水下位置输送流体的柔性管体，包括： |
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| 说明书全文 | 柔性管体和制造柔性管体的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种柔性管体和提供柔性管体的方法。具体地但非排它性地，本发明涉及一种柔性管体，该柔性管体具有内部抗压毁层，与已知的设计相比该内部抗压毁层在流经管体的流体流动方面具有改善的性能。 背景技术[0002] 通常，柔性管被用于将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从一个位置运输到另一位置。柔性管对于将水下位置(水下位置可以在水下较深，比如水下1000米或更深)连接到海平面位置是特别实用的。管道可以具有通常高达大约0.6米的内径。柔性管一般被形成为柔性管体与一个或多个端部接头的组件。管体通常被形成为形成承压管道的分层材料的组合。管结构允许发生较大挠曲而并不产生损害管的功能性(在管的使用寿命期间)的弯曲应力。管体一般被组装成包括金属层和聚合层的组合结构。 [0003] 在整个说明书都将以柔性管作为参考。应当理解的是，柔性管是一段管体和一个或多个端部接头的组件，其中管体的相应端部终止于各个端部接头。图1示出了管体100是如何可以由形成了承压管道的分层材料的组合形成的。尽管在图1中示出了多个特定层，但应当理解的是本发明广泛适用于，可以包括两个或更多个由各种可能的材料制造而成的层的同轴管体结构。层厚度仅以示例性的目的示出。 [0004] 如图1所示，管体包括作为抗压毁层的最内骨架层101。骨架提供了能够用作最内层的互锁结构，以整体地或局部地防止内部压力壳层102由于管失压(decompression，)、外部压力、以及抗张力铠装压力和机械压毁负载而导致的压毁。骨架层可以由螺旋卷绕的细长带状金属元件形成，其中卷绕体与相邻的卷绕体互锁以形成互锁构造。图3中示出了已知骨架层301的剖视图。图4示出了贯穿骨架层301的壁的纵向横截面图。这种骨架层可以通过如下方式形成：折叠例如具有矩形横截面的不锈钢的细长板条形成，以便具有近似的反S形横截面，并且螺旋卷绕该板条使得第一钩状部叠置并且嵌套到相临卷绕体的相应钩状部中。如图4所示，钩状区域的尺寸允许相临卷绕体之间沿轴向方向产生一定程度的移动。所述移动对于允许柔性管进行预定量的弯折是有益的。 [0005] 返回图1，内部压力壳层102用作流体保持层并且包括确保内部流体整体性的聚合物层。应当理解的是，该层自身可以包括多个子层。应当理解的是，当可选的骨架层被使用时，内部压力壳层通常被本领域技术人员称作障壁层。在没有这样的骨架的运作(所谓的光滑孔的操作)中，内部压力壳层可以被称作内衬。 [0006] 可选的压力防护层103为结构层，该层增大了柔性管对外部和内部压力以及机械压毁负载的耐受性。该层还结构性地支撑内部压力壳层，并且通常可以由具有接近90°的捻角(lay angle)的缠绕线的互锁结构形成。压力防护层通常为例如由碳钢形成的金属层。压力防护层也可以由复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。 [0007] 柔性管体还包括可选的第一抗张力防护层105和可选的第二抗张力防护层106。每层都被用于承受张力负载和内部压力。抗张力防护层通常由多个金属线(为该层提供强度)形成，所述多个金属线位于内层上方并且沿着管的长度以通常介于10°到55°之间的捻角螺旋缠绕。抗张力防护层通常成对地对向缠绕。抗张力防护层通常为例如由碳钢形成的金属层。抗张力防护层也可以由复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。 [0008] 所示出的柔性管体还包括可选的带层104，带层104有助于包含在下面的层并且在一定程度上防止相邻层之间的磨损。 [0010] 每个柔性管包括至少一段(有时称作一节或一部分)管体100以及位于柔性管的至少一个端部处的端部接头。端部接头提供了一种形成柔性管体与连接器之间的过渡部的机械装置。例如在图1中示出的不同的管层终止于端部接头，这样来传递柔性管与连接器之间的负载。 [0011] 图2示出了适于将诸如石油和/或天然气和/或水之类的产品流体从水下位置201输送到飘浮设施202的立管组件200。例如，在图2中，水下位置201包括水下流送管线。柔性流送管线205包括柔性管，该柔性管整体地或局部地靠置在海底204上或埋置在海底下方并且在静态应用中被使用。飘浮设施可以通过平台或浮体或如图2中示出的船只提供。立管组件200被设置为柔性立管，也就是将船只连接到海底设施的柔性管203。柔性管可以为具有连接端部接头的成段的柔性管体。 [0012] 应当理解的是，如本领域技术人员所知晓的，存在有不同类型的立管。本发明的实施例可以与任何类型的立管一起使用，例如自由悬挂的(自由的、悬链立管)、在一定程度上受到限制(浮体、链条)的立管、完全受限的立管或包封在管(I型或J型管)中。 [0013] 图2还示出了柔性管的一部分如何可以用作流送管线205或跨接管线206。 [0014] 非粘接的柔性管已经被用于深水(小于3300英尺(1005.84米))和超深水(大于3300英尺)开采中。对石油日益增长的需求导致了在环境因素更为极端的越来越深的水域中进行开采。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度增大了产品被流体冷却到导致管阻塞的温度的风险。增加的深度还增大了与柔性管必须进行操作的环境相关联的压力。因此，增大了对柔性管体的各层高性能等级的需要。 [0015] 柔性管也可以用于浅水应用(例如小于大约500米的深度)或甚至用于海岸(陆上)应用。 [0016] 如上所述，粗糙孔和光滑孔的柔性管是已知的。光滑孔柔性管包括称作内衬的流体保持层。内衬的光滑内表面限定输送流体的孔。光滑孔柔性管被用于各种应用中，例如用于注水或用于浅水应用。然而，在孔受压的情况下，柔性管的环状区域中在内衬与径向外层之间累积的压力会使内衬损坏并且这会导致不可逆的损害。因此，在抗压毁的重要的一些应用中，骨架层在流体保持层的内部被使用。这就是所谓的粗糙孔应用，并且骨架层(如在图3中的横截面中示出的，骨架层通常通过以互锁的方式螺旋卷绕的成形板条形成)通过对流体保持层进行支撑来防止流体保持层在孔的压降下被压毁。 [0017] 已知的骨架层通常为管体的内表面提供较少的光滑程度，这会对流经管的流体流动带来不利影响。 [0018] 粗糙孔应用中遇到的问题在于，骨架层的互锁的成形板条对流体沿着柔性管的流动具有有害影响。实际上，骨架的不规则的内表面导致在流体流动时形成涡流，这会增大压力变化。这些压力变化特别是在共振发生时会产生问题。这些压力起伏和所产生的振动会造成损害并且最终使连接到柔性管的外围设备出现故障。在本领域中已经形成了术语“涡流引发的振动(VIV)”来描述导致这些问题的现象。 [0019] 更具体地，由于在柔性管内产生的压力变化而可以听到称作“振鸣”的尖利的音调。压力变化导致管振动和沿着管的交变应力。已经发现这一问题在经过立管的相对较高的流体输出速度下发生。由此，如果发生振鸣，生产率必然会受到限制。 [0020] 振鸣问题可以归因于在柔性管的内表面上产生的流动引发的脉动。当涡流散发频率激励管线的声音自然频率时，结构振动、持续声波和涡流脱落就会出现。存在有3个与振鸣问题有关的方面——(i)骨架空腔中的涡流脱落、(ii)从管端部反射的声能以及(iii)声场和流体流动之间的反馈。 [0021] 本领域技术人员在试图减小流体流动涡流和立管振鸣时，已经努力试图通过各种方式使骨架层的内表面“平滑”。 发明内容[0022] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于从水下位置输送流体的柔性管体，所述柔性管体包括： [0023] 抗压毁层，所述抗压毁层包括径向内表面和径向外表面，所述径向内表面在横截面中包括大致平坦部和至少一个从所述平坦部径向向外延伸的空腔，并且所述径向内表面在横截面中进一步包括至少一个空气动力学结构，所述至少一个空气动力学结构从所述平坦部延伸出，以便在使用中破坏沿着所述柔性管体流动的流体的分界层。 [0024] 根据本发明的第二方面，提供了一种提供柔性管体的方法，所述方法包括： [0025] 提供抗压毁层，所述抗压毁层包括径向内表面和径向外表面，所述径向内表面在横截面中包括大致平坦部和至少一个从所述平坦部径向向外延伸的空腔，并且所述径向内表面在横截面中进一步包括至少一个空气动力学结构，所述至少一个空气动力学结构从所述平坦部延伸出，以便在使用中破坏沿着所述柔性管体流动的流体的分界层。 [0027] 根据本发明的第四方面，提供了一种基本上如在本文中参照附图描述的方法。 [0028] 本发明的特定实施例提供的优点是，提供了一种柔性管体，该柔性管体具有较大的抗压毁性能，并且与已知的管体设计相比防止或减小了涡流引发的振动。 [0029] 本发明的特定方面提供了一种柔性管体结构，与已知的管体结构相比该柔性管体结构赋予穿过其内腔的流体以优秀的自由流动。 附图说明[0030] 下文中参照附图进一步描述本发明的实施例，在附图中： [0031] 图1示出了柔性管体； [0032] 图2示出了立管组件； [0033] 图3示出了已知骨架层的剖视图； [0034] 图4示出了图3的骨架层的横截面图； [0035] 图5示出了流经已知柔性管体的流体流动； [0036] 图6示出了图5的骨架层的横截面图； [0037] 图7示出了本发明的骨架层的横截面； [0038] 图8示出了流经包括图7的骨架层的柔性管体的流体流动； [0039] 图9示出了图8中的一部分的放大视图；以及 [0040] 图10a、图10b和图10c示出了各替代性骨架层的一部分。 [0041] 在附图中，相同的附图标记表示相同的部分。 具体实施方式[0042] 发明人采用了2-D LES CFD模拟方法(2维大涡流模拟计算流体动力学)来鉴别沿着柔性管行进的流体在流动中的剪切层波动。具体地，发明人通过在流体输送期间观察贯穿柔性管的2维横截面研究了沿着柔性管的内腔的纵向方向的流体流动。如在本文中所使用的，术语剪切层将被用于指代流动流体的出现大速度梯度(例如从30m/s的流动速度降至骨架空隙内的零流动速度)的部分之间的界面。技术人员将会理解到，沿着管的内腔流动的流体会具有相邻于管壁而受到剪力的一部分流体，从而引起更受扰动的流动(更大涡流强度)而使流体以不相同的速度流动。大致位于管的中心部分的另一部分的流体相对地将不受来自管壁的力的影响。具体地，当管的内表面不光滑时，涡流强度会较大。受剪力影响的区域和不受剪力影响的区域之间的分界面被称作分界层。 [0043] 图5示出了沿着柔性管的内腔520在图中从左向右流动的流体的涡流强度轮廓。尽管理所当然地，贯穿管的纵向横截面会呈现管的围闭管内腔的两个壁，但在附图中仅示出了骨架层501的一个壁以及内腔的一部分。在这种情况下，被测试的柔性管体包括已知的骨架层501，骨架层501具有如图6中示出的横截面轮廓(与图4中示出的横截面轮廓相同)。 [0044] 骨架层501由螺旋卷绕的细长带状金属元件形成，其中卷绕体与相邻的卷绕体互锁以形成互锁的管状构造。骨架层501通过对例如具有矩形横截面的不锈钢细长板条进行折叠而形成，以便具有近似的反S形横截面，其中使第一端部折叠以形成第一钩状部并且使第二端部沿相反方向折叠以形成第二钩状部并且沿对角线形成有中央本体部。板条被螺旋卷绕，使得第一钩状部被叠置并嵌套到相临卷绕体的第二钩状部的相应凹部中。根据图4，钩状区域的尺寸允许相临卷绕体之间沿轴向方向产生一定程度的移动。 [0045] 由于骨架层501的特定横截面轮廓，存在有多个形成骨架层501的径向内表面511的大致平坦部分5051-4和空腔5031-3。空腔为未被填充的空间的空隙区域并且以在横截面中呈近似的长菱形形状507(在图6中以虚线示出)的形式有效地径向向外延伸。当然，在横截面中示出的空腔实际上是连续地围绕骨架层的内表面螺旋延伸的单个空腔。 [0046] 在图5的内腔520中示出的不同区域的阴影示出了沿着内腔以不同速度流动的流体。可以看到的是，流体流动由于空腔5031-3的出现而受到影响，从而在流体进入和离开空腔时产生了流体流动的涡流。结果导致沿着骨架层表面至分界层509的湍流流动。这种湍流流动会导致如上所述的VIV和立管振鸣。 [0047] 图7示出了根据本发明的骨架层701的横截面。可以看到的是，骨架层在一些方面类似于上述骨架层501，并且为了简便起见相同特征将不再论述。然而，骨架层701包括形成在该层的径向内表面711的一部分上的突起7151-3。突起7151-3被形成为：从骨架层的相应的大致平坦部7051-3延伸出的近似半圆或隆起的空气动力学结构。当然，当没有在横截面中观察时，所示出的突起实际上为连续地围绕骨架层的内表面螺旋延伸的单个突起。 [0048] 突起7151-3与骨架层一体地形成，即作为骨架层的一体部分。由此该空气动力学结构与抗压毁层一次成型。 [0049] 如附图中所示，突起715设置在大致平坦部705的相邻于空腔703的端部处。可以在制造细长带状元件的片材进料期间将突起715形成为带状元件的整体部分(例如，通过在用于压薄、拉伸并且形成带状元件的轧辊或成组轧辊上使用特定的纹理表面)，然后带状元件被弯折成如附图中示出的适当形状。 [0050] 带状元件为金属的，在本示例中完全为不锈钢的。 [0051] 适当地，突起的高度介于空腔深度的大约1/50至四分之一之间。突起的高度应当从大致平坦表面705处的基部至其顶点进行测量。空腔的深度应当从大致平坦表面处的同一位置至基部(另一钩状部的内边缘)进行测量。更适当地，突起的高度介于空腔深度的大约1/10至1/15之间，并且更适当地，突起的高度为空腔深度的大约1/12。 [0052] 适当地，突起具有大于200μm的高度。适当地，突起具有小于1.5mm的高度。 [0053] 适当地，空腔具有大约2.5mm的深度。在这种情况下突起可以适当地具有0.208mm至0.833mm之间的高度。 [0054] 当管体被用于输送流体时，突起715被设置在空腔703的上游。突起被布置成破坏沿着柔性管体流动的流体的分界层。 [0055] 图8示出了沿着柔性管的内腔720在图中从左向右流动的流体的使用2-D LES CFD模拟方法的涡流强度轮廓。再次地，在附图中仅示出了骨架层701的一个壁和内腔的一部分。在这种情况下，被测试的柔性管体包括具有图7中示出的横截面轮廓的骨架层701。图9示出了突起7151附近区域的放大视图。 [0056] 从图8和图9中可以看到的是，与图5中示出的已知结构相比，相邻于管体(骨架层)的壁的流体的扰动和涡流强度大大减小。与图5相比，流体流动更呈层状。沿着管体流动的流体在突起区域受到影响，从而产生涡流尾部717。涡流尾部717用来有效地覆盖空腔703的主要部分，使得流体不被直接引导到空腔703中。因为主要是流动到空腔中的流体产生最具扰动性的流动模式，所以这样就使得产生的流动模式得到改善。 [0057] 对上述细节设计的各种改型都是可能的。例如，尽管突起715在上文中被描述为大致半圆形，但突起可以采用任意形状，例如为矩形(如图10a所示)或椭圆形或三角形，或多边形或其它凸出的突起或凹入的凹入部，或相对于空腔的深度具有不同的尺寸(如图10b和图10c所示)。突起可以是被形成为有助于破坏分界层并且减小流经管体的流体中的涡流强度的任意适合的凸脊或凸部。对于半圆形或椭圆形的突起而言，可以预定突起的曲率半径以便提供对流体流动的适合作用。 [0058] 尽管突起被描述成在骨架层的内表面上位于大致平坦部的端部处，但突起可以沿着大致平坦部偏移。应当对骨架层的内表面进行研究，特别是大致平坦部和所确定的空腔的相对长度，以便最优化由空气动力学结构提供的涡流尾部，以便充分防止流体直接进入空腔。 [0060] 尽管上文中的用于破坏分界层的空气动力学结构被描述为一个或多个突起，但对于骨架层而言可以具有结合到径向内表面中以破坏分界层的凹入部或凹穴。凹入部应当形成为使流体流动被引导远离空腔。因而，空气动力学结构被构造成使沿着管体的流体流动被引导远离抗压毁层的空腔。 [0061] 任何上述变型都可以以组合的方式用作例如用于破坏分界层的一系列结构。空气动力学结构的尺寸可以沿着管体的长度改变。 [0062] 尽管上述骨架层被描述成包括细长带状元件的螺旋卷绕体，但骨架层可以以其它方式形成。例如，骨架层可以由多个独立环状元件形成，所述多个独立环状元件具有连接部以与相邻的环状元件互锁。相邻环状元件可以具有一个或多个从骨架层的内表面延伸(例如在相邻环状元件之间的位置处延伸或在骨架层的内表面的其它区域延伸)的空腔。 [0063] 尽管上述骨架层为不锈钢的，但骨架层可以由任何适合的材料形成，例如由碳钢、其它金属、复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。 [0064] 通过上述结构，可以发现的是与已知的设计相比，在管体的最内层上提供突起或其它空气动力学结构有效地减少了剪切层波动和流经管体的流体的涡流强度。由此，与已知的设计相比，空腔表面处的整体的速度和压力波动在幅度和严重程度上极大减小，从而产生改进的流动而不具有在局部引起管部件或设备的疲劳破坏高频振动的风险。这导致了剪切层流动波动的较小的幅度和较弱的声源，从而减小或消除了通常在气体开采的流动速度下的声音脉冲。 [0065] 也就是说，提供空气动力学结构旨在故意地干扰沿着柔性管的流体流动。这实际上减小了流体的剪切层波动和涡流强度。 [0066] 与骨架层相关联的剪切层波动的物理位置还进一步以远离空腔的方式移动，由此避免了流体涡流与空腔的冲撞。 [0067] 因此，以上描述的本发明会有助于防止有害的立管振鸣，这进而将改善疲劳寿命并且增长柔性管的寿命。 [0068] 剪切层波动的减小还会导致流经柔性管的流体中的较少的压降。因此通过该管产生增大的生产率会是可能的。 [0069] 本领域技术人员将会清楚的是，与上述实施例中的任一个相关地进行描述的特征能够在不同的实施例之间可互换地应用。上述实施例为用于表明本发明的各种特征的示例。 [0070] 在本文的整个说明书和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以及其变型意味着“包括但不限于”，并且这些术语并非意在(并且不)排除其它组分、添加物、部件、整体或步骤。在本文的整个说明书和权利要求书中，单数包含复数，除非在上下文中另外有要求。具体地，在使用不定冠词时，本文应当被理解为考虑了复数以及单数，除非在上下文中另外有要求。 [0071] 除非是与其不相容的，本发明所结合的特定方面、实施例或示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学组分或组应当被理解为适用于本文中描述的任何其它方面、实施例或示例。本文中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，和/或本文中公开的任何方法或过程的步骤可以以任何组合方式组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本文中(包括任何所附权利要求、摘要和附图)公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或延伸至本文中公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。 [0072] 读者可以将注意力放到与本申请的说明书同时提交或者在前提交的并且利用该说明书对于公众查阅是开放的所有论文和文献，并且所有这些论文和文献的内容都通过参考结合到本文中。 |
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