專利名稱：低溫管道結構與方法
技術領域：
傳輸低溫物質(通常至少低于-200。F)的管道的結構與方法。
背景技術：
流體和/或氣體在管道中的低溫傳輸經常存在著問題，這是由于進 入管道的流體或氣體的低溫導致大多數的管材實質收縮，從而產生相當 大的熱應力。雖然人們為適應熱應力進行了許多嘗試，但這些解決方案 又引起了新的困難。
在大多數已知的結構中，低溫管道采取一種套管結構，在這種結構 中，外保護管沿圓周方向包圍內管道，低溫物質在所述內管道中傳輸。 因此，這種系統通常包括充滿絕緣材料或抽成低壓的環狀空間。這種絕 緣的例子包括如EP0412715中所教導的泡沫絕緣體，如WO2004/099554 中所披露的柱狀纏繞氣凝膠，以及如GB1422156中所描述的真空的利用。 但是，所有或者幾乎所有已知的絕緣材料都不能減小低溫物質進入管道 時所形成的熱應力。因此，即使絕緣將冷損失減少到至少一定程度，但 絕緣材料也無法為所述套管結構提供任何結構上的支持。
為了減少熱應力和改進管道的結構穩定性，可以采用如GB2168450 中所描述的褶皺絕緣材料。替代地，如法定發明注冊H594中所記載的 那樣對所述環狀空間加壓。但是，這種穩定性通常依然是不足的，尤其 是對于相對長的管道。也可以如GB2186657中所描述的那樣，通過提供 允許管道的一段相對于另一段活動的膨脹接頭和/或風箱來減小熱應 力。不幸的是，雖然這種結構在相當程度上(即使如果不是全部)減小 了低溫管道上的熱應力，但新的不利因素出現了。其中，膨脹接頭和/或風箱易于泄漏，安裝相對困難，并且一旦出現故障，更換很麻煩。
替代地，通過采用應力錐將低溫管與外管連接，套管結構中的熱應
力，如編號為3, 865, 145和4， 219, 224的美國專利所描述的那樣。在這 種結構中，當裝配管道時，預壓外管的端部，這樣會在低溫管上產生壓 縮負載。低溫物質一進入低溫管，熱收縮就會平衡所述壓縮。同樣地， 如GB1，348，318中所描述的，低溫管的熱收縮力被傳遞到外套，所述外 套的預壓是可選擇的。由于安裝相對簡單，并且力的傳遞程度可以控制， 這種結構在概念上是很吸引人的。但是，在這種結構中，因為眾多的焊 縫需要順次排列，所以安裝相對復雜。而且，由于外管與內管的特定連 接，以及應力錐的特定布置與結構，應力會集中在連接兩段低溫管的焊 縫上。
在另一已知的方法中，低溫產品管道可如編號為6,145,547的美國 專利所教導的那樣由INVAR (36%鎳鋼)制造，該材料具有非常低的膨 脹和收縮特性。因而，在這種管道中熱應力幾乎完全消除并且構造確實 簡單。但是，INVARTM鋼相對昂貴，因此成本常常受到限制。
因此，雖然現有技術中低溫管道有多種結構可用于減小熱損失和熱 應力，但所有或者幾乎所有的結構都存在著一些不利因素。所以，仍然 需要對低溫管道的結構和方法進行改進。
發明內容
本發明涉及管道的結構和方法，尤其是包含有隔壁的低溫管道，其 使用隔壁從內管向外管傳遞熱應力，其中部分隔壁形成管路，該管路以 不固定的方式地連接管道的兩個內管，并且將產品從兩個內管中的一個 傳送到另一個。最優地，該管道是傳輸液化天然氣(LNG)的低溫管道， 而該隔壁是金屬隔壁。但是，另一方面，非金屬隔壁在這里也是適用的。 這樣的非金屬隔壁通常會經由內管與外管間的摩擦聯結傳遞熱應力，并 且僅在某些情況下才形成內管所運送的產品的管路。
在本發明主題的一個方面，低溫管道包含有隔壁，該隔壁具有內部 過渡元件以及連接至并至少部分地圍繞所述內部過渡元件的第 一 、第二外部過渡元件。在這些實施例中，優選的是內部過渡元件形成從第一低
溫管道向第二低溫管道傳送低溫產品的管路。優選地，第一和第二過渡
元件將第一和第二外套管道分別與第一和第二低溫管道連接，以使第一 和第二低溫管道中的熱應力負載分別傳遞到第一和第二外套管道。
最優地，內部過渡元件具有管結構，其內徑與第一和第二低溫管道 的內徑大致相同，和/或外部過渡元件中的至少 一個具有與第 一和第二 外套管道大致相同的外徑。在第一和第二外部過渡元件之間還可設置袖 部，并且內部過渡元件以及第 一和第二低溫管道中的至少 一個至少部分 圍有絕緣材料。另外，可提供覆蓋第一和第二外部過渡元件的外部絕緣。 通常，內部過渡元件與外部過渡元件相鄰，^旦并非必要。這里較合適的 是，可以在第一和第二外套管道的至少一個上結合重物(例如，覆蓋層)。
既而，在本發明主題的另一個方面，關注低溫套管管道的安裝接頭， 其中，安裝接頭的內部部分以不固定的方式連接該管道產品管路的第一 和第二單元，安裝接頭的外部部分連接該管道外套的第一和第二單元， 而且安裝接頭的內外部分連接在 一起以使熱應力負載從產品管路的第一 和第二單元分別傳送至管道外套的第一和第二單元。
最典型的是，所關注的安裝接頭的外部部分分成兩個環狀元件，其 經由角形連接器與內部部分連接，和/或在兩個環狀元件之間設置袖部。 更優地，絕緣材料可將產品管路的至少之一與該內部部分連接在一起， 并且絕緣材料可以覆蓋該外部部分以形成外部絕緣。
在本發明主題的又一個方面，連接第一和第二套管管道的方法可因 而包括一個提供具有內部部分和外部部分的安裝接頭的步驟。在另一步 驟中，該內部部分連接至套管管道中產品管路的第一和第二單元，以及 在另一步驟中，該外部部分連接至套管管道中外套的第一和第二單元， 其中執行不固定連接和連接的步驟以使所述內部和外部部分在套管管道 中聯合將熱應力負載從產品管路的第 一和第二單元分別傳遞至外套的第 一和第二單元。
本發明的各種目的、特征、方面和優勢將借助附圖以及下面的本發 明優選實施例的詳細描述而變得更為直觀。
圖1A是依據本發明主題的一個帶有隔壁的管道的截面示意圖。 圖1B是圖IA所示隔壁的詳細視圖。
圖1C是依據本發明主題的另一個帶有隔壁的管道的截面示意圖。 圖1D是圖1C所示隔壁的詳細視圖。
圖2是不具有隔壁的圖1A所示管道的另一截面的示意圖。 圖3是圍繞有絕緣體并連接有支撐外管的間隔裝置的典型內產品管 的照片。
具體實施例方式
發明人披露了管道，尤其是傳輸低于環境溫度的物質(例如，低溫 物質)的管道，所述管道能夠以既增加機械穩定性又具有合適熱絕緣的 方式被構造，同時維持簡單的機械結構，其制造和安裝相對較便宜。
在本發明主題特別優選的方面，低溫管道由傳統材料制造。例如， 套管管道中產品管可由額定為低溫使用的鋼(例如，9%鎳鋼)制造， 而外套管可由碳鋼制造。這種結構中的熱絕緣優選為高性能毫微多孔氣 凝膠產品，通常約2英寸厚，在環境壓力下毯形安裝于該環狀空間內。
在本發明主題的一個典型方面，使用多個隔壁(非金屬，混合物， 或金屬)和間隔裝置以在產品管道和外管道間形成環狀空間，其中所述 環狀空間至少部分充滿多微孔或毫微多孔絕緣材料。所述隔壁優選構造 成(并連接所述內外管道)使得隔壁可將內低溫產品管道上由收縮引起 的軸向壓縮負載傳遞至外套管道。在大多數這種管道的實施例中，所述 環狀空間的壓力將處于環境壓力下。因此，可意識到的是，這樣構造成 的套管系統可起到結構支柱的作用，并且在外界環境壓力下在所述環狀 空間內保持熱絕緣，從而不需要昂貴的合金、產生/維持真空、或使用
更特別地，在本發明主題更優選的方面，在管道端部連接內外管道 的所述隔壁借助外管道的硬度平衡壓縮力。在這種結構中，收縮力傳遞 至外部管道，外部管道因此被壓縮。為防止受壓彎曲，圍繞內產品管道 設置間隔裝置(例如，熱隔離)以在各管間保持預定的距離，同時再圍繞產品管道的剩余表面設置低溫泡沫(例如，毫微多孔或多微孔泡沫)。 尤其可意識到的是，這種管道結構非常有利允許使用9%鎳鋼制造產品 管道以減少制造成本。
例如，圖1A所描述的一個優選管道。這里，管道100A構造成套管 管道，其具有分別形成第一和第二內管單元110A和IIOA，的內產品管。 外管單元120A和120A，沿圓周方向圍住內單元。安裝接頭120A由通過 不固定連接至內管而形成產品管路一部分的內部部分122A、以及連接至 外管單元120A和120A，的外部部分124A和124A，組成。附加的外部中間 單元126A連接外部部分124A和124A，，并提供絕緣層130A以減少潛在 的冷損失。
圖1B顯示了圖1A所示安裝接頭120A的詳細視圖。這里，內部部 分122B分別與內管單元110B和110 B，焊接在一起，并進一步與依次焊 接到外管單元120B和120B'的外部部分124B和124B'焊接起來。如上所 述，中間單元126B焊接至外部部分124B和124B，。當然，應當認識到 的是，雖然通常優選將安裝接頭通過焊接構造在原處，但也可使用單一 安裝接頭，此時僅能焊接(或另外的連接方式，包括螺紋連接、法蘭連 接和膠合)于所述內外單元。幾個等級的不銹鋼已經為所述結構作了評 估，并取決于服務需要和管道結構，確定以下材料在所述關注的結構中 是特別優選的(316型不銹鋼(ASTM A312),和/或9鎳鋼(ASTM 333第 8級管))。還可認識到的是，所述內管和/或外管的安裝可以在運送低溫 物質過程中在冷卻時滿足松弛/收縮的要求。但是，通常優選沒有上述 要求的結構。
替代地，如圖1C所描述的，也可以利用非金屬隔壁將熱應力從內 管單元傳遞至外管單元，其中利用非金屬隔壁140C的內外表面通過摩 擦和剪應力連接器將熱應力從內管單元110C和IIOC，傳遞至外管單元 120C和120C，。圖1C所示非金屬隔壁更詳細的典型^L圖在圖1D中給出， 其中內外絕緣未示出。
這里所關注的非金屬隔壁是通常用作中間隔壁的，它與優選為金屬 的主端部隔壁分擔一些熱應力負載的傳遞。非金屬隔壁優選包括堅硬的 復合泡沫，它不僅用作絕緣體，也還作為傳遞熱應力的媒介，所述熱應
8力通過內管路和外包管之間的摩擦進行傳遞。憑借最終的熱應力負載添 加剪應力連接器的運用可能是必需的，它可以作為安裝接頭的邊來焊接 或者形成預先制作或鑄造的形態。這些安裝接頭片可安裝在管子的兩個 規則的單元之間并且最優的是也形成產品管路。內管路將是管子的短單 元，其中所述剪應力連接器附于該外部表面，同時外管將包括分開的袖 部以易于裝配和焊接(所述剪應力連接器將用于內表面，如圖1D所示)。
應當意識到的是，所述剪應力連接器可有多種形狀，并且該特別的 形狀和結構將至少部分依賴于所述非金屬隔壁的最終設計、內部非金屬 絕緣的材料特性、和/或連接器的形狀。值得進一步關注的是，非金屬 隔壁可以通過環氧膠珠或包扎工具固定到內管路和外包管，以方便借助 摩擦和壁表面剪應力的傳遞。
通常，優選的是，金屬隔壁將用于套管結構的端部或者方向上的過 渡變化處，例如在管道的彎曲處。無論如何，如果使用非金屬隔壁，它 將用作中間隔壁以在負載小于端部的區域傳遞熱應力。在埋于地下或受 限的管道中，因為在地下管道中(或在地上管道中的一些情形中，沿其 長度在墊板上有直通限制)沿外部包套管的負載被傳遞至土壤，所以該 端部將試圖比管道內部部分前進更多。
因此，通常優選兩個隔壁聯合密封隔壁間的環狀空間。在這個結構 中，通常優選該環狀空間處于環境壓力下。但是，當在整個設計中引入 泄漏檢測系統時，保持該環狀空間的壓力稍高于環境壓力可能是有利 的。在這種情況下，環狀空間壓力的任何改變都會導致泄漏檢測，無論 是外部的還是內部的。
金屬隔壁用于端部以實現所述環狀空間的密封以及允許由軸向壓縮 負載引起的收縮的傳遞。另外，非金屬隔壁的使用貫穿所述管道結構以 提供額外的密封或用于擋水以及提供額外的負載傳遞。在這些隔壁之 間，為了易于制作，使用非金屬間隔裝置或定中心裝置以提供額外的支 撐和結構硬度。圖3描述了典型的非金屬間隔裝置(外管未示出)，其
中內管被毫微泡沫絕緣體302 (例如，各種各樣的商用氣凝膠或其它彈 性絕緣覆蓋層)所圍住。間隔裝置304優選由絕緣材料制成并靠著內管， 以及限制帶306保持該間隔裝置處于預定的位置。絕緣和間隔裝置材料優選保持在外界環境壓力下，這可以通過借助 金屬或非金屬隔壁的密封來實現。所述隔壁將由內部低溫運送管上軸向 壓縮負載引起的收縮傳遞至外部套管。由此形成的管道束是結構要素， 它無需借助膨脹風箱或超低熱收縮合金來處置所述熱收縮和膨脹負載。
更好的機械穩定性可以通過將套管裝配放置在受限的外界環境中來 實現。例如，所關注的管道可以放置在溝槽中，同時精選的回填材料安 裝于管道之上。因此，在這種結構中，隔壁與外管道上的負載被傳遞至 周圍土壤。同樣地，所述管道在地面上也可以受到限制。例如，所述管 道可以放置在包含滑行的或裝有萬向接頭的支撐的墊板基礎上。
通常所關注的是，現有技術中有許多方法可用于所述(預先制作或 裝配)管道的安裝，并且可認識到的是，特別的安裝方法至少部分依賴 所述管道的結構和重量。但是，特別優選的安裝方法包括安裝的拖曳方 法或是借助水面駁船的安裝。
關于特別管道的結構，所關注的是，特殊的需要通常將會指定所述 結構。例如，管道內徑通常定為易于操縱在特殊的時間框架內從油輪卸
下LNG的流動的需要。因而，在這些使用方法中，正常的管道壁厚將符 合直徑與壁厚之比低于50,這樣將允許管道在預期的低壓下操作。類似 的管道束結構已經構造用于底部拖曳和深度限制拖曳方法，該深度限制 拖曳方法用于安在最大長度介于7和10英里之間的安裝以及在介于400 和500海里的距離之上拖曳至安裝地點的安裝。另一方面，尤其是在需 要較長距離返回岸邊地點的地方，所關注的是通過將LNG產品從低壓流 轉變為較稠密狀態的壓力流使最大長度延長超過10英里，所述較稠密 狀態壓力流將LNG保持在使蒸汽汽化最小化的范圍內。但是，這個結構 需要產品傳送管道壁厚的增加和隨之而來的整個設計的改變，伴隨著絕
緣需要的相應減少。
在更為關注的方面，優選地，管道將包含監測系統以處理在海底環 境傳輸低溫物質中的保險和安全問題。例如，在特別優選的方面，如圖 2示意性描述的， 一個或更多光纖傳感器可以用于測量實時張力、溫度、 振動和深水管道中的流動，其中傳感器210、 220和230可連接至內管、 外管，和/或分別布置在內外管之間的絕緣空間內。在其它有利因素中，由于其具有多路傳輸能力、免除電磁干擾、堅固性和長距離信號傳輸能 力，光纖傳感器在深水中的運用是具有吸引力的。光纖傳感器的益處還 包括輕量級結構和相對小的尺寸，以及長壽命。而且，光纖傳感器常常 是惰性/抗腐蝕的，對要考察的物理結構的影響很少或沒有，并且可以 在帶有易爆或易燃物質的環境中安全地運行。發明人近來的監測試驗成 功地使用了光纖傳感器(數據未示出)，包括低溫監測、張力和所關注
的LNG管道熱量的測試單元。
盡管所關注的管道結構和方法優選用于低溫氣體和液體，尤其用于
LNG卸貨和海上LNG終端，但這里還有許多可選擇的利用被認為是適當 的。例如，所關注的可選擇的利用包括用于灌注LNG產品、儲存和從容 器卸貨的傳送管線，用于航空或其它應用的液態氫和氧的加料管線，以 及其它需要通過管道傳輸低溫產品的應用。所關注的利用還包括LPG的 傳輸、低于環境溫度的氣體和液體的傳輸(例如，液化二氧化碳、LPG、 液氮等等)。
因此，管道結構和方法的特殊實施例和應用已經予以披露。然而， 本領域的技術人員明白，在不脫離此處創造性概念的情況下，除了已經 描述的之外，更多的修改是可能的。因而，本發明的主題除所附權利要 求的精神外將不受到限制。而且，在說明書和權利要求書的說明中，所 有術語應當以最寬泛的可能的方式予以解釋并保持上下文一致。特別 是，術語"包括"和"包含"應當解釋為以非排除的方式提到元件、組 分或步驟，并指出所提及的元件、組分或步驟可以存在、被利用或是與
其它沒有明確提及的元件、組分或步驟組合。此外，如果在此引入作為 參考的參考文獻中的術語的定義或使用與與這里所規定的術語定義不一
致或相反，則這里所規定的術語定義適用，而參考文獻中的術語定義不 適用。
權利要求
1.一種低溫管道包括隔壁，其具有內部過渡元件以及第一和第二外部過渡元件，所述第一和第二外部過渡元件連接至所述內部過渡元件并至少部分地包圍所述內部過渡元件；其中所述內部過渡元件形成從第一低溫管道向第二低溫管道傳送低溫產品的管路；并且其中所述第一和第二外部過渡元件將第一和第二外套管道分別連接到所述第一和第二低溫管道，以使所述第一和第二低溫管道上的熱應力分別傳遞至所述第一和第二外套管道。
2. 如權利要求1所述的管道，其中所述內部過渡元件具有內徑與 所述第 一和第二低溫管道的內徑大致相等的管結構。
3. 如權利要求1所述的管道，其中所述外部過渡元件中的至少一個 具有與所述第一和第二外套管道的外徑大致相等的外徑。
4. 如權利要求1所述的管道，還包括布置在所述第一和第二外部過 渡元件之間的空間中的袖部。
5. 如權利要求1所述的管道，其中所述內部過渡元件以及所述第一 和第二低溫管道中的至少 一個被絕緣材料至少部分地圍住。
6. 如權利要求1所述的管道，還包括覆蓋所述第一和第二外部過渡 元件的外部絕緣。
7. 如權利要求1所述的管道，其中所述內部過渡元件和外部過渡元 件是相鄰的。
8. 如權利要求1所述的管道，還包括連接至所述第一和第二外套管 道中的至少一個的重物覆蓋層。
9. 一種用于低溫套管管道的安裝接頭，其中所述安裝接頭的內部部 分以不固定的方式連接所述管道中產品管路的第一和第二單元，其中外 部部分連接所述管道中外套的第一和第二單元，并且其中內部和外部部 分連接在一起，以將來自所述產品管路第一和第二單元的熱應力負載分 別傳遞至所述管道中所述外套的第一和第二單元。
10. 如權利要求9所述的安裝接頭，其中所述外部部分被分成兩個環狀元件，其經由角形連接器連接至所述內部部分。
11. 如權利要求10所述的安裝接頭，其中在所述兩個環狀元件間的空間中布置有袖部。
12. 如權利要求9所述的安裝接頭，還包括連接至所述產品管路和 內部部分中的至少 一 個的絕緣材料。
13. 如權利要求9所述的安裝接頭，還包括絕緣材料，其覆蓋所述 外部部分以形成外部絕緣。
14. 如權利要求9所述的安裝接頭，其中所述內部和外部部分是相鄰的。
15. —種連接第一和第二套管管道的方法，包括 提供具有內部部分和外部部分的安裝接頭；將所述內部部分以不固定的方式連接至套管管道中產品管路的第一 和第二單元；將所述外部部分連接至套管管道中外套的第一和第二單元；和其中以不固定的方式連接和連接的步驟被執行，以使所述內部和外部部分在套管管道中協同將熱應力負載從產品管路的第 一和第二單元分別傳遞至所述外套的第一和第二單元。
16. 如權利要求15所述的方法，其中所述套管管道是低溫套管管道。
17. 如權利要求15所述的方法，其中所述不固定連接的步驟包括焊接。
18. 如權利要求15所述的方法，還包括將絕緣材料連接至所述產品 管路第一和第二單元中至少一個的步驟。
19. 如權利要求15所述的方法，還包括將間隔裝置連接至所述產品 管道第一和第二單元中至少一個的步驟，以在所述產品管路和外套間保 持一定距離。
20. 如權利要求15所述的方法，還包括將重物連接至所述外套第一 和第二單元中至少一個的步驟。
全文摘要
套管管道具有將熱應力從內管傳遞至外管的隔壁，其中至少部分隔壁形成產品通過內管行進的管路。最優地，所述管道是傳輸液化天然氣的低溫管道。合適的是，絕緣材料可以布置在內外管之間，同時間隔裝置可以保持管間的距離。
文檔編號F16L7/02GK101305231SQ200580009386
公開日2008年11月12日 申請日期2005年3月23日 優先權日2004年3月26日
發明者C·N·普雷斯科特, J·張 申請人:弗勞爾科技公司