專利名稱：包括兩層或更多層螺旋彎曲條帶的管狀體的制作方法
技術領域：
本發明涉及新型的管狀體。更特別地，本發明涉及一種細長的多 層管狀體，該細長的多層管狀體包括細長的管狀內部空芯、可選的細 長的管狀內套管和細長的管狀外套管，內套管圍繞空芯，外套管圍繞 內套管，該外套管包括至少兩層沿縱向預成形的扁平金屬條帶。金屬 條帶的預成形特別包括將這些條帶彎曲成使得每一根金屬條帶通過塑 性變形變成螺旋。預成形的金屬條帶可例如由高強度鋼制成，特別是 由其材料中的很大比例處于馬氏體相的鋼制成。優選地，存在細長的 管狀內套管。內套管可例如由抗腐蝕材料制成。這種管狀體具有的優
點在于通過使用高強度螺旋條帶，外套管可承受高內壓。使用高強 度螺旋條帶導致壁厚較小，從而形成重量較輕的管狀體。
背景技術：
通常，有利的是，在維持管道能夠操作的最大容許壓力的規范的 同時，設法使(每米)管道重量最小。或者，換句話說，有利的是， 在(每米)重量保持相同的同時，增加管道能夠操作的最大容許壓力。
已知的是，天然氣和液態石油產品可能包含不希望的污染物，特 別是不希望的酸性污染物，比如二氧化碳和硫化氫。此外，也可能存 在有機酸以及氯化物。還已知的是，在標準的壓力和溫度操作條件下， 運送這種受污染產品的、由常規材料形成的管道可例如由于應力腐蝕 破裂而受到損壞。這種損壞可導致管道的沿縱向延伸的裂紋。
先前的為了減少這種損壞風險的嘗試包括使用腐蝕抑制劑，該腐 蝕抑制劑被添加到正由管道運送的產品中。不幸的是，這樣可能導致 不可接受的成本，不僅包括抑制劑和將抑制劑添加到產品中的成本， 而且包括在適當時候從管道所運送的產品中去除和回收腐蝕抑制劑的成本。由于如果腐蝕抑制劑從管道中泄漏出會導致潛在的環境問題， 因此使用腐蝕抑制劑也是不可取的，特別是在海上管道中。
已經提出了通過減小管的與正在被運送的受污染產品接觸的部分 上的拉應力來降低管破裂(特別是應力腐蝕破裂)的風險的各種替代 方式。這些替代方式包括使用由例如兩根管子形成的管，所述兩根管 子中的 一根插入另 一根內部，然后在制造過程中通過機械方式迫使內 管與外管接觸，以使得內管在完成該操作之后具有壓應力而外管具有
拉應力。該方法被稱為"預應力處理"，美國專利US4，823，847描述了 通過機械方式執行該操作的一種方式。應當認識到的是，如果要使兩 根管的一根能夠插入另 一根管中并且執行預應力處理步驟而不會不利 地有損于內管，則必須將這兩根管制造成具有非常緊密的公差。還應 當認識到的是，該特殊的預應力處理操作僅適用于小長度的管，并且 具有屬于執行起來耗時以及因而費用昂貴的操作的缺點。用這種小長 度的管(通常是8-10米長)來生產管道的另一個缺點在于它將包括形 成很多接頭，這些接頭自身是管道中的薄弱點。
從美國專利US4，657,049中已知了 一種不同種類的管狀體，其中 金屬條帶以重疊方式螺旋纏繞并且嵌入粘性基質中以產生剛性管狀結 構。美國專利US3，530，567描述了一種通過自重疊方式螺旋纏繞金屬 條帶來形成管子的方法，使得任一點處的管壁厚度由多個重疊部形成。 為了去除由金屬條帶的邊緣形成的管子的內孔上的螺旋脊，在纏繞之 后通過使該管狀結構擴張超過金屬條帶的屈服點而使條帶材料的重疊 部一個頂著一個展平。該過程存在相當大的制造困難。
GB2280889公開了一種形成中空的細長或管狀體的方法，該方法 包括以自重疊方式螺旋纏繞至少一根材料條帶以提供多層管狀結構。 在該設置中，條帶沿縱向預成形以提供具有至少一個臺階的橫向截面， 所述至少一個臺階在該條帶的每一圏中容納下一圏的重疊部分。具有 由多個重疊部形成的壁厚的管狀體因而可由單根材料條帶連續制成， 壁厚基本上比在該條帶的截面中形成的臺階的數目大一個條帶厚度。 WO2006/016190描述了一種類似的管狀體。生產預成形的自重疊條帶需要專用的、昂貴的、笨重的和耗能的 設備。此外，該方法相當敏感，并且導致產生可能削弱管強度的應力 集中(由應力集中因子表示)。使成型的條帶彎曲導致該條帶上的應力 分配不均勻，可能導致早期失效。在制造和使用長管狀元件時，這一 點尤其不利。
發明內容
本發明的目的是提供一種管狀體及其形成方法，其中降低了應力 腐蝕破裂的風險，并且消除了已知管及其形成方法的其他上述缺點中 的一個或多個。該新型管狀體包括兩根或更多根圍繞著內套管的相對 簡單的預成形金屬條帶，內套管優選為較輕的內套管。該預成形金屬 條帶是簡單的、扁平的預彎曲條帶，沒有任何異型。預彎曲導致形成 螺旋形狀。成品管狀體中的預成形金屬條帶不是自重疊的。內套管優 選是抗腐蝕的。這樣，管道的抗腐蝕性和強度要求至少被部分分離。 內套管特別地提供抗腐蝕性，外層提供強度(軸向以及徑向)的主要 部分。細長體中心的空芯是用于傳送氣體和/或液體的空間。在外套管 中使用高強度鋼的情形中，結果將形成非常堅固的管，而重量將小于 具有相同壓力規范的傳統管的重量。
因此，本發明涉及一種細長的多層管狀體，該細長的多層管狀體 包括細長的管狀內部空芯、可選的細長的管狀內套管和細長的管狀外 套管，內套管圍繞空芯，外套管圍繞內套管，該外套管包括至少兩層， 每一層均包括一根或多根沿縱向預成形的扁平細長金屬條帶，金屬條 帶的預成形使得條帶已經被螺旋彎曲成使得螺旋的連續繞圏
(winding)彼此接觸或幾乎接觸， 一層中的每根金屬條帶與其它層中, 的其它條帶重疊，外套管中的層通過粘合劑彼此粘合。管狀體的橫截 面在沒有外力的情況下將是圓形的。在沒有內套管的情形中，外套管 直接圍繞內部空芯。
由于扁平金屬條帶可用于制備預成形的螺旋形外套管層的特征， 預成形條帶中幾乎不會出現任何損壞，例如由于應力集中而產生的損壞。此外，預成形條帶可通過簡單的工藝步驟制成。特別是在使用高 強度鋼合金(例如其晶粒中的很大比例處于馬氏體相)時，得到了能 夠承受高壓的管狀體。使用特別抗腐蝕的內套管將會減小任何應力腐 蝕。通過在外套管中使用預成形條帶的疊層，軸向負栽的相當大部分 由外套管承受。與標準管相比，本發明的管狀體可承受相同的內壓，
而節省了 40%或更多的材料重量。特別地，高馬氏體相含量的鋼條帶 與預彎曲的組合是有利的，這是因為在不進行預彎曲的情況下，成品 管產品將會包含大量的彈性變形能，這使得生產工藝以及任何維修成 為很難的過程。
金屬條帶的預彎曲包括通過金屬的塑性變形來施加適當的作用力 以獲得螺旋形條帶。例如，這一點可以通過在輥子上連續彎曲和移動 金屬條帶或者通過在(短)滾筒上螺旋地纏繞金屬條帶來實現。在一 層由一根金屬條帶形成的情形中，(在沒有任何導致彈性變形的作用力 的情況下)螺旋的直徑與內套管具有相同的數量級，而螺旋的連續繞 圏剛好彼此接觸或者呈現出可僅需由金屬的彈性變形克服的小間隙或 者重疊，以得到下面所限定的小間隙。螺旋的直徑可在內套管直徑的 0.6至1.4倍之間，螺旋的直徑適宜在內套管直徑的0.8至1.25倍之間， 優選在0.9至1.12之間，更優選在0.97至1.04之間。可看出，扁平金 屬條帶的預彎曲是螺旋形的預彎曲，產生螺旋形條帶。在圓筒形預彎 曲的情形中，螺旋可通過拉開金屬條帶的端部來獲得，但是，在該情 形中，相鄰的螺旋繞圏的邊緣將不會彼此對準。為了得到邊緣對準的 螺旋，預彎曲需要沿兩個方向進行。
應當理解的是，成品管狀體中的連續層的直徑需要稍微大于先前 的層。在管狀體的相同層中有兩根(或更多根)金屬條帶的情形中， 螺旋(包括兩根(或更多根)條帶)中的連續繞圏之間的距離是兩根 (或更多根)金屬條帶的寬度，可選地連同如下面所限定的兩個(或A 多)小間隙或重疊。請注意，在一層中有兩根(更多根)金屬條帶的 情形中，下一層可以是相同的結構或可以包括更少或更多的條帶。為 了得到連續層的所需重疊(其中在管的總長度上，螺旋的兩個繞圏之間的間隙或接觸線(以及在一個螺旋中有兩根或更多根條帶的情形中 的任何間隙或接觸線)由該連續層的螺旋覆蓋)，必需的是，包括一根 或多根金屬條帶的一層中的每個螺旋的節距與所有層相同。優選地， 每一層由一根或兩根金屬條帶構成，更優選由一根金屬條帶構成。
根據本發明的細長的管狀體優選包括細長的管狀內套管。在管狀 體用于輸送非腐蝕性材料(例如壓縮空氣、水、蒸汽、氮、純甲烷等) 的情形中，可省略這種內套管。
原則上，細長管狀體的長度可從一米變化至40km或甚至更長。 該長度適宜地為至少10米，優選在100米至20km之間，更優選在 500m至5km之間。原則上，連續方法可用于形成本發明的管狀體方 法。因而，長距離的管道僅需要有限數目的接頭。本發明的細長管狀 體在外套管中包括兩層或更多層，在每一層中，扁平金屬條帶的繞圏 彼此鄰近放置，沒有任何重疊。
原則上，對管狀體的直徑沒有限制。內部空芯具有的直徑適宜地 在5至250cm之間，優選在10至150cm之間，更優選在15至125cm 之間。外套管包括至少兩層。當使用僅一層時，抗軸向負載能力將會 太低。原則上，對層的最大數目沒有限制，但一種實際的數目將至多 為24,特別是至多為20。外套管適宜地包括2到16層，優選2到10 層，更優選3到8層，特別是4-6層。應當認識到的是，更多的層會 使得管能夠承受更高的壓力。同樣得到更高的軸向強度。
細長的管狀體在每一層包括一根金屬條帶時適宜地具有的周長/ 條帶寬度比是3到40之間，優選是4到28之間，更優選是6到20 之間，該周長是外套管的最小層(或者說圍繞空芯的第一層)的周長。 在一層中有多于一根金屬條帶的情形中，條帶寬度被定義為該層中條 帶寬度的總和。
外套管的一層中的兩個繞圏之間的距離優選較小。如此，可相對 容易地傳送作用力，而沒有任何關于粘合劑層破裂的潛在問題。兩個 連續螺旋繞圏之間的軸向間隙(如果存在的話)適宜地至多為條帶寬 度的四分之一，優選至多為條帶寬度的六分之一，更優選至多為條帶
8寬度的十分之一。因此，在層之間得到足夠的重疊以傳送作用力。條
帶的兩個繞圏之間的間隙適宜地為至多lcm,優選至多為0.4cm，更 優選至多為O.lcm。
優選內套管和外套管通過粘合劑彼此粘合。下文描述優選的粘合劑。
外套管的第一層和內套管之間的距離適宜地為至多2mm,優選在 O.Ol至lmm之間。類似地，外套管的兩層之間的距離為至多2mm， 優選在0.01至lmm之間。通常內套管和該第一層之間以及外套管的 各層之間的間隙填充有粘合劑。在一個優選實施例中，管狀體利用預 應力處理技術進行處理，去除內套管和層之間的大多數空空間，優選 去除全部的空空間。在一層中有一根金屬條帶的情形中， 一層中的每 一根金屬條帶與另 一層中的另 一根金屬條帶在縱向截面中重疊10-90 %，優選25-75%,更優選40-60%。對于該縱向截面，可特別參照圖 2。在一層中有兩根相似金屬條帶的情形中，以與上述相似的方式得到 最適宜的重疊。在有兩個(或更多)不相同層的情形中，對稱的布置 通常產生最佳的重疊。當相鄰層中存在不同數目的條帶時， 一些條帶 將100%重疊，其它層優選以上述的方式重疊。也可參照圖5。
適宜地，細長的管狀體包括內套管或者包層或同時包括這二者， 其中該內套管是細長的管狀管道(或管)。細長的管狀管道適宜地為金 屬管，特別是鋼管，更特別地是抗腐蝕鋼管。原則上，可以使用為所 容納的產品提供密封結構的任何材料，其提供對應力或氫誘發的破裂 的抵抗能力。
適宜地，內套管是以連續成形工藝制成的管狀管道，優選為滾軋 成形的縫焊金屬管子。在另一實施例中，內套管是焊接的螺旋纏繞的 金屬管子。在內管道由有機聚合物制成的情形中，套管可通過擠壓制 成。內部空芯適宜地由抗腐蝕材料制成，特別是聚合物材料，特別是 從包括卣代烯經的CrC4烯烴、丙烯腈、苯乙烯和/或環氧化物得到的 材料，優選為PVC、 PE、 PU或PP，或者是抗腐蝕鋼，特別是鐵素 體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、奧氏體不銹鋼或鉻/鉬/鎳合
9金。
細長管狀體適宜地包括內套管，該內套管是金屬或聚合物包層，
特別是有機聚合物管，優選從c2-c4、丙烯腈、苯乙烯和/或環氧化物
得到，優選是PVC、 PE、 PU或PP。
細長管狀體的外套管適宜地由鋼、不銹鋼、鈦或鋁制成，優選是 如上文進一步限定的高強度鋼，特別是其材料中的很大比例處于馬氏 體相的鋼。考慮到其高強度，優選具有很大數量的馬氏體晶粒的鋼。 使用這種鋼使得管狀結構具有較高強度和較低重量。這些鋼具有 900MPa到1500MPa之間的拉伸強度。這些鋼可從Mittal Steel獲得， 商標為"MartINsite"。
如上所述的細長的管狀體適宜地由具有至少100，000磅/平方英寸 的規定最小屈服應力(SMYS)的金屬條帶制成，該規定最小屈服應 力優選在150,000和300,000磅/平方英寸之間，更優選在180,000和 250,000磅/平方英寸之間。
通過一個或多個保護層來保護上述的細長管狀體是優選選項。因 而，管狀體優選在外套管的外側上具有保護套管/包層。合適的保護套 管是金屬套管，例如鋁制套管、鋼制套管等。合適的包層是聚合物包 層，例如PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PU (聚亞安酯)和/或PVC (聚氯乙烯)包層，或者是瀝青基包層以及防腐蝕保護涂料。也可以使 用上述各項的組合和/或使用數層包層。保護層可通過常規技術來施 加，例如纏繞、擠壓、涂敷等。
細長管狀體可施加有一層或多層隔離層，例如礦棉層、玻璃纖維 層等。
如上所述的細長管狀體適宜地包括粘合劑層，該粘合劑層包括施 加至內套管和/或施加至內外套管各層之間的粘合劑條帶。原則上，可 以使用每一種粘合劑(液體的、粉末的，等等)，但是從實踐的觀點來 看，粘合劑條帶是優選地。優選地，粘合劑層包括可固化的聚合物，， 優選具有紡織品載體的膜基環氧樹脂，更優選Cytec FM 8210-1。
在如上所述的細長管狀體中，金屬條帶適宜地具有的寬度至少為
1010mm，更適宜地至少為20mm，優選在5cm至50cm之間，更優選在 10至35cm之間，具有的厚度為0.2-5mm，優選為0.4-4mm,更優選 為0.8曙2mm。
本發明還包括將如上所述的細長管狀體用于輸送碳氫化合物，所 述碳氬化合物比如是可選地含有硫化氫和/或二氧化碳的油和/或氣。 除了油和氣之外，還可以有水。此外，管狀體可用于輸送二氧化碳、 氫、水、蒸汽、乙烷、乙烯、石腦油等。 一種非常合適的應用是從海
上平臺向海岸以及陸地輸送原油和/或天然氣。另一種合適的應用是輸 送精制油產品、汽油、氣態油、煤油、石腦油和LPG。
該使用適宜地在從-20。C到13(TC之間的溫度下實施，該溫度優 選在-5。C至SO。C之間。管狀體中的壓力適宜地在1至300巴(bar) 之間，更適宜地在10至250巴之間，特別是在30至200巴之間。
細長管狀體可通過圍繞管狀內套管施加預成形金屬條帶以及粘合 劑來制成。優選地，使用可固化的粘合劑。在固化之后，管狀體優選 進行預應力處理操作。這種操作在本領域中是已知的。將管狀體加壓 到高于操作壓力的一定壓力，以使內套管屈服但繞圏在它們的彈性限 度內擴張。 一旦該壓力松弛，繞圏處于殘余張力狀態而內套管處于殘 余壓力狀態。在管隨后在處于或低于其最大操作壓力的壓力下進行循 環時，使村管適當保持在其屈服應力之下具有兩個優點(a)極大地 降低了影響內芯平均疲勞的低得多的周期性拉應力；和(b)該襯管 處于較低的張力或壓力下，從而減小應力腐蝕破裂。
下面將參照附圖通過舉例的方式更詳細地描述本發明，附圖中 圖1示意性示出了根據本發明的管狀體(沒有外包層)的一個實 施例的側^L圖；以及
圖2示意性示出了根據本發明的管狀體(包括外包層)的縱向截面。
圖3示意性示出了圖2的管狀體的徑向截面。圖4示出了扁平細長條帶的一部分。
圖5示出了管狀體的縱向截面，其中各層包括不同數目的條帶(包 括外包層)。
具體實施例方式
參照圖1、 2和3,示出了包括兩根重疊的細長金屬條帶2和3的 管狀體1，所述兩根重疊的細長金屬條帶2和3圍繞著內套管4螺旋 纏繞，內套管4圍繞空芯5。每一層由一根金屬條帶構成。這兩層中 的金屬條帶之間的重疊是50%。條帶2和3由高強度鋼制成。條帶3 圍繞著內套管4螺旋纏繞。條帶2以重疊50%的模式圍繞著條帶3螺 旋纏繞。在內套管4和條帶3之間以及在條帶3和條帶2之間有一粘 合劑薄層。在外金屬條帶2的周圍有一保護包層薄層。圖4示出了細 長金屬條帶3。在根據本發明的方法中，金屬條帶圍繞垂直于線l的織 (例如l'、 1〃和l'〃)螺旋彎曲。顯然的是，在彎曲過程期間，金屬條 帶彎曲所圍繞的線將沿彎曲方向連續移動。距離C-C'是條帶3的兩個 繞圏之間的間隙。角a是線BA和BC之間的角度。圖5示出三層管 狀體的一部分，第一層包括4根條帶，第二層包括2根條帶而第三層 僅包括一根條帶。每一層的條帶寬度(或者說螺旋的節距(pitch)) 是外金屬條帶的條帶寬度。同樣示出了內套管4。
本發明的管狀體適用于陸上和海上管道、海底升管、井套管及管 中管應用。 ，
應當認識到，在管狀體不包括內套管的情形中，外套管直接圍繞 空芯。
權利要求
1.一種細長的多層管狀體，包括細長的管狀內部空芯、可選的細長的管狀內套管和細長的管狀外套管，該內套管圍繞該空芯，該外套管圍繞該內套管，該外套管包括至少兩層，每一層包括一根或多根沿縱向預成形的扁平細長金屬條帶，條帶的預成形使得條帶已經被螺旋彎曲成使得螺旋的連續繞圈彼此接觸或幾乎接觸，一層中的每根金屬條帶與其它層中的其它金屬條帶重疊，外套管中的層通過粘合劑彼此粘合。
2. 如權利要求1所述的細長的多層管狀體，其中每一層由一根 或兩根金屬條帶構成，優選由一根金屬條帶構成。
3. 如權利要求1或2所述的細長的多層管狀體，其中所述細長 的管狀體包括細長的管狀內套管。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的細長的管狀體，其中所述細 長的管狀體具有的長度為至少10米，優選在100米至20km之間，更 優選在500m至5km之間，所述內部空芯具有的直徑在5至250cm之 間，優選在10至150cm之間，更優選在15至125cm之間。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的細長的管狀體，其中所述外 套管包括2到16層，優選2到10層，更優選3到8層。
6. 如權利要求1-5中任一項所述的細長的管狀體，其中周長/條 帶寬度比為在3至40之間的數值，該數值優選在4至28之間，更優 選在6至20之間，該周長是外套管的最小層的周長。
7. 如權利要求1-6中任一項所述的細長的管狀體，其中一層中 的每一根金屬條帶與另一層中的另一根金屬條帶在縱向截面重疊10-90 % ，優選25-75%,更優選40-60 % 。
8. 如權利要求1-7中任一項所述的細長的管狀體，其中所述金 屬條帶的寬度至少為2cm，優選在5至50cm之間，更優選在10至35cm 之間，并且所述金屬條帶的厚度為0.2到5mm，優選在0.4至4mm之 間，更優選在0.8至2mm之間。
9. 如權利要求1-8中任一項所述的細長的管狀體，其中所述內 套管是金屬管，特別是鋼管，更特別是抗腐蝕鋼管。
10. 如權利要求1-9中任一項所述的細長的管狀體，其中所述內 套管是以連續的成形工藝制成的管狀結構，優選為滾軋成形的縫焊金 屬管子，或者是焊接的螺旋纏繞的金屬管子。
11. 如權利要求1-10中任一項所述的細長的管狀體，其中所述外 套管由鋼、不銹鋼、鈦或鋁制成，優選由其晶粒中的很大比例處于烏 氏體相的鋼制成。
12. 如權利要求1-11中任一項所述的細長的管狀體的應用，其用 于輸送可選地含有硫化氬和/或二氧化碳的油和/或天然氣的碳氬化合 物，或者用于輸送比如二氧化碳、氫、水和蒸汽的氣體或液體。
全文摘要
本發明涉及一種細長的多層管狀體(1)，該細長的多層管狀體包括細長的管狀內部空芯(5)、細長的管狀內套管(4)和細長的管狀外套管，該內套管圍繞該空芯，該外套管圍繞該內套管，該外套管包括至少兩層(2，3)，每一層包括一根或多根沿縱向預成形的扁平細長金屬條帶，金屬條帶的預成形使得條帶已經被螺旋彎曲成使得螺旋的連續繞圈彼此接觸或幾乎接觸，一層中的每根金屬條帶與其它層中的其它金屬條帶重疊，外套管中的層通過粘合劑彼此粘合。本發明還涉及細長的管狀體的應用，其用于輸送可選地含有硫化氫和/或二氧化碳的油和/或天然氣的碳氫化合物，或者用于輸送比如二氧化碳、氫、水和蒸汽的氣體或液體。
文檔編號F16L9/00GK101680577SQ200880017371
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月16日 優先權日2007年4月16日
發明者N·J·維內羅, R·J·A·史密斯, R·N·伯克, R·范沙爾克維克 申請人:國際殼牌研究有限公司