專利名稱：至少一個包括密封隔板的水下管道熱絕緣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少一個深水水下管道的熱絕緣裝置和方法。
本發(fā)明更特別涉及連接水下和浮在表面的錨固設(shè)施的管道。
本發(fā)明的技術(shù)方面為管道外部和管道周圍的絕緣系統(tǒng)的制造和安裝方面，一些熱流體在管道中流動，人們希望限制管道的熱量消耗。
本發(fā)明更特別用于深海油田的開發(fā)，即用于安裝在深海上的石油設(shè)施，在這些設(shè)施中，水面設(shè)備一般位于浮動結(jié)構(gòu)上，井口在海底。更為特別的是，本發(fā)明涉及的管道為立管或伸向水面的海底-水面的連接管，還有連接井口和海底-水面連接管的管道。
背景技術(shù)：
深海開發(fā)的水深現(xiàn)在達到1500m。未來的開發(fā)將會達到3000-4000m和超過這個深度的水深。
本發(fā)明的主要應用是浸入海底或水下，特別是300m以上的管道或管線的熱絕緣，這些管道和管線輸送熱的石油產(chǎn)品，在正常生產(chǎn)狀態(tài)和停產(chǎn)的情況下，這些石油產(chǎn)品的過度冷卻都會產(chǎn)生問題。
實際上，在這類應用中，如果石油產(chǎn)品的溫度比它們的產(chǎn)出溫度下降一個比較大的值，產(chǎn)出溫度常常為60-80℃，而周圍特別是在很大深度下的水溫可以大大低于10℃，并達到4℃，這就會出現(xiàn)很多問題。例如，對于一個70-80℃的初始溫度，如果石油產(chǎn)品冷卻到30-60℃以下，則一般會觀察到——粘度急劇增加，這會降低管道的流量；——溶解臘析出，這會增加產(chǎn)品的粘度，并且臘的沉積會減小管道的有效內(nèi)徑；——導致同樣問題的瀝青絮凝作用；——突然形成大量致密的氣體水化物，這些氣體水化物在高壓和低溫下沉淀，因此會突然堵塞管道。
臘和瀝青掛在管壁上，因此需要通過管內(nèi)的刮擦進行清洗；相反，水化物更困難，有時甚至不可能重新吸收。
因此這些管道的熱絕緣的功能不僅是在已經(jīng)建立的正常生產(chǎn)狀態(tài)下延遲輸送的石油產(chǎn)品的冷卻，例如對于一個進入管道時為70-80℃的生產(chǎn)溫度，使它們到達水面時的溫度至少為40℃，而且在產(chǎn)量減少甚至停產(chǎn)的情況下避免流動溫度下降，例如下降到30℃以下，以便限制上述問題，或至少可以使這些問題是可逆的。
在單獨的管線或管束(通常叫做“管束bundles”)設(shè)備情況下，一般最好在陸地上預制250-500m的單位長度的所述管道，然后用一個牽引機從寬度方面牽引管道。在一個塔型海底-水面連接的情況下，管道的長度一般為水深的50-95％，即對于一個2500m的水深，管道可以達到2400m。在陸上制造管道時，從海上牽引要與下一個單位長度連接的第一個單位長度，在連接階段，牽引機保持整體的拉伸，連接階段可能持續(xù)幾小時，甚至幾天。當管道或管束的整體已經(jīng)放到水中時，整體被牽引到現(xiàn)場，一般在海底，基本為水平，管道或管束的整體在這里被“翻身”，即被翻轉(zhuǎn)到垂直位置，以便達到垂直位置，然后被放到確定的位置。
人們知道一種至少一個用于放在大深度海底的水下管道的絕緣裝置(實際上水下管道是一個單獨的管道或與其它管道的組合，構(gòu)成所謂的“管束”)，管道包括一個在管道周圍的外覆蓋層和一個保護套。
管道和管束的絕緣層受一個包套的保護，這個包套有雙重作用——一方面避免制造或就位牽引時可能產(chǎn)生的損壞，特別是在淺水區(qū)域，在有些情況下，所述牽引可能在幾百公里的距離上進行。為此使用一些有足夠強度的材料，如鋼、熱塑或熱固化合物、或復合材料；——另一方面在絕緣系統(tǒng)的周圍產(chǎn)生一個密封殼。這個密封殼在外覆蓋層由有遷移傾向甚至包括流體成分的材料構(gòu)成的情況下是必要的。
實際上，在2000m的深度下，靜水壓力約為200bars，即20MégaPascals，這就要求管道和它們的絕緣材料覆蓋層的整體不僅能夠承受這些壓力，在其中有熱流體流動的管道增壓或減壓時沒有破壞，并且還能承受不同成分的體積變化產(chǎn)生的溫度周期，因此承受正壓或負壓，這種正壓或負壓可能導致由于超過可以接受的應力或者由于包套的內(nèi)破裂(負的內(nèi)壓變化)使包套局部或全部破壞。
人們知道專利FR99/00985和WO00/40886中描述的方法和裝置，專利WO00/40886描述了一種改變固-液相和具有熔化潛熱的絕緣材料，這種絕緣材料能夠在內(nèi)管恢復熱量，這種材料被封閉在一個密封的和可變形的包套內(nèi)，使這種材料可以跟隨各種成分在所有環(huán)境參數(shù)和內(nèi)外溫度的影響下的膨脹和收縮。因此管道被封閉在一個聚乙烯或聚丙烯的熱塑軟包套內(nèi)，例如包套為圓形，由于溫度的變化而產(chǎn)生的類似于呼吸的內(nèi)體積的增加或減少被包套的柔軟性吸收，例如包套由一種具有很高彈性極限的熱塑材料構(gòu)成。為了抵抗機械應力，最好使用一種由高強度材料構(gòu)成的半剛性包套，如鋼或一種復合材料，如從一種像環(huán)氧樹脂這樣的粘合劑和礦物纖維或有機纖維如玻璃纖維或碳纖維組成的復合材料，并且使管束的形狀為卵形或扁平形狀，有反拱或沒有反拱(contre-courbure)，這使管束在恒定的周邊上有一個小于對應圓形的截面。因此，在體積增加和減少的情況下，管束的“呼吸”分別導致包套“重新變圓”，或所述包套的扇形加重。在這種情況下，與一個圓形包套相反，管束-包套整體用“扁平管束”來表示。
人們還知道在GANET油田使用的方法，這種方法是在陸地上預制一個密封的圓形管束，沒有絕緣復合物，而是充滿一種惰性氣體，然后把管束拖到現(xiàn)場并且安裝到很大的深度，最后給管束充填一種加有增粘劑的以單乙烯乙二醇為基礎(chǔ)的絕緣化合物。為了吸收溫度變化產(chǎn)生的體積變化，并且不在圓形鋼包套中產(chǎn)生不可接受的應力，在管束內(nèi)沿整個管束安裝了一個加氮壓的可變形管道。
對這些老的實施例的應用進行了描述，在這些應用中，管道水平位于水下。
在連接海底-水面的情況下，例如一個塔的垂直部分或連接塔頂與水面支撐的懸鏈線的部分，或者一些在海底的一個大斜坡上的管道，外部壓力沿著管道變化，并隨著管道上升到水面而降低。在膏狀或流體絕緣材料的情況下，絕緣材料的密度小于海水的密度，一般為0.8到0.85，內(nèi)外壓差沿著所述管道變化，隨著管道上升到水面而增加。因此，在壓差最大的部分變形加重，因此導致流體沿與所述管道的縱軸平行的方向的大量傳輸。另外，上面描述的溫度變化產(chǎn)生的“呼吸”現(xiàn)象加重了這種傳輸。
一種“扁平管束”對坡度產(chǎn)生的壓力變化很敏感向下為過壓，向上為減壓，因此牽引階段很重要，因為長度可能達到幾公里，實際上，“管束”永遠不是完全水平的，由此導致所述牽引時，特別是翻身作業(yè)時壓差變化很大。
當“管束”處于垂直位置或在海底的一個很大的斜坡上時，絕緣材料的低密度產(chǎn)生的壓差使包套應該可以支撐的絕緣材料產(chǎn)生運動，壓差還與絕緣材料的熱膨脹有關(guān)。人們力求避免顆粒與管束軸平行的運動，即絕緣材料在“管束”的兩個隔開區(qū)域之間的遷移，因為這些遷移有破壞所述絕緣材料結(jié)構(gòu)的危險。
為了使“管束”在它的整個壽命期間有一個良好的性能，希望它不帶有殘余氣。實際上，在膏狀或半流體絕緣復合物的情況下，制造過程產(chǎn)生的任何氣囊一方面將對運輸造成重要的影響，因為一旦把“管束”牽引到很大的深度，周圍的壓力壓縮殘余氣，這有明顯降低浮力的危險，因此可能導致不僅對材料，而且對人員的危險情況；另一方面，當垂直就位時，所有被壓縮的氣囊向“管束”上部聚集，因此有可能使管線產(chǎn)生一個很大的沒有絕緣成分的長度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是能夠以更好的成本在陸地上制造一個“管束”，能夠使一個半流體或膏狀類型的絕緣材料覆蓋層就位，將其牽引到海底，將其翻轉(zhuǎn)到垂直位置以便進行安裝，同時保持整體的完整性，直到投產(chǎn)和它的整個壽命期間，它的壽命一般超過30年。
另一個目的是能夠從一個“扁平管束”類型的密封包套出發(fā)實現(xiàn)至少一個用于鋪設(shè)在海底的水下管線的絕緣，特別是在大深度和大坡度地區(qū)，包套能夠提供很大的橫向柔軟度，用于吸收體積變化，同時保持足夠的縱向強度，以便能夠進行作業(yè)，如陸上預制和牽引到現(xiàn)場，并在它的整個產(chǎn)品壽命期間保持所述包套的機械完整性，其壽命達到并超過30年。
因此提出的問題是減少經(jīng)有遷移傾向的絕緣材料的縱向移動，在所述絕緣材料是半流體或膏狀，尤其是凝膠化絕緣基質(zhì)的情況下這一點特別重要，因為當未考慮到的內(nèi)剪切力施加到所述絕緣基質(zhì)上時，絕緣復合物的性能有被破壞的危險。
為此，本發(fā)明的目的是至少一個水下管道的熱絕緣裝置，該裝置包括——一個包圍所述管道的熱絕緣覆蓋層；——所述覆蓋層被一個密封保護包套覆蓋；——所述絕緣覆蓋層包括一種有遷移傾向的材料，并且所述包套由一種軟性或半剛性材料構(gòu)成，這種材料能夠在所述絕緣覆蓋層變形時保持與所述絕緣覆蓋層的外表面接觸；——所述包套為管狀，并且有一個縱向中心軸ZZ’，并且所述包套的橫截面最好形成一個有兩個互相垂直并且與所述縱軸ZZ’垂直的對稱軸XX’和YY’的周邊。
根據(jù)第一個主要特征，本發(fā)明所述裝置的特征在于包括至少兩個橫向密封隔板，所述隔板中的每一個由一個封閉的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述管道穿過該結(jié)構(gòu)并且與該結(jié)構(gòu)連接，并且該結(jié)構(gòu)的外圍與所述包套連接。
這個與包套連接的剛性結(jié)構(gòu)阻止所述包套在面對所述隔板的地方相對所述隔板移動，因此固定包套橫截面在所述隔板處的幾何形狀。
所述隔板的“密封”和“封閉”表示所述隔板不允許構(gòu)成所述絕緣覆蓋層的材料通過所述隔板，特別是，所述管道與所述管道穿過所述隔板的孔眼之間的連接使所述絕緣覆蓋層的材料不能通過。
所述密封隔板保證所述包套與所述隔板之間構(gòu)成所述絕緣覆蓋層的絕緣材料的封閉。
“橫截面”表示所述包套在一個與縱軸ZZ’垂直的XX’和YY’的平面中的截面。
在一個特殊實施例中，所述橫向密封隔板的所述封閉結(jié)構(gòu)包括一個有一個橫截面的柱形零件，橫截面的周邊具有與包套的所述橫截面形狀相同的固定形狀。
本文中的“橫截面的周邊”表示形成所述橫截面確定的平坦表面的封閉曲線形狀的線條。
包套在密封隔板處的橫截面的周邊形狀是固定的，因此不能隨著所述包套在此處的收縮或膨脹而且產(chǎn)生變形。
根據(jù)不同的實施變型，所述的包套橫截面是圓形的或橢圓形的，或者是最好帶有圓角的矩形。
在該裝置包括至少兩個在同一平面內(nèi)的管道的情況下，所述包套的橫截面最好為在該平面的同一方向的長形。
特別是，所述保護套的橫截面的外周邊是一個封閉的曲線，正如FR99/00985中描述的，對于這個封閉曲線界定的面積與長度之比至少等于13。
當內(nèi)體積變化時，包套具有向圓形的變形的趨勢，在周長固定不變時，圓形在數(shù)學上具有最大面積。
在一個具有圓形剖面的密封包套的情況下，體積增加在壁中產(chǎn)生應力，這些應力與體積增加導致的壓力增加有關(guān)。
相反，如果使外覆蓋層的橫截面變得扁平，則它的包套吸收由于不同成分在溫度作用下的膨脹而產(chǎn)生的膨脹的能力更好，并且不產(chǎn)生明顯的過壓，因為包套有變成圓形的可能性。
在剖面為橢圓形的情況下，內(nèi)壓的變化將導致彎曲應力與單純拉伸應力的結(jié)合，因為橢圓形的可變曲率就像一個建筑拱形，但是與我們的包套不同的是，應力為拉伸應力，而不是壓縮應力。因此為了使膨脹能力較小，可以考慮一個橢圓形或接近橢圓形的形狀，因此例如最好考慮長軸ρmax與短軸ρmin的比值盡可能至少大于2/1或3/1的橢圓形。
因此將根據(jù)外絕緣覆蓋層在溫度變化作用下的體積總膨脹來選擇包套的形狀。因此，對于一個主要使用有膨脹趨勢的材料的絕緣系統(tǒng)，矩形、多邊形或橢圓形都可以通過壁的彎曲產(chǎn)生膨脹，同時在包套中產(chǎn)生的拉伸應力最小。
對于一種在溫度變化作用下產(chǎn)生較大膨脹的絕緣材料，如粗柴油(gazole)、鏈烷族產(chǎn)品(石臘)、或相改變材料，最好使矩形扁平，以便產(chǎn)生必要的膨脹儲備。也可以通過以已知的方式產(chǎn)生反拱來增加這個膨脹儲備。
這里用“絕緣材料”表示一種導熱率低于0.5W×m-1×K-1，并最好在0.05-0.2W×m-1×K-1.K(Watt/mètre/Kelvin)之間的材料。
“有遷移傾向的材料”表示一種液態(tài)、膏狀或具有固體相容性的材料，如油脂、石臘或凝膠，這種材料能夠在包套的兩個不同點之間的壓差和/或所述絕緣材料內(nèi)的溫度變化作用下產(chǎn)生的應力的作用下發(fā)生變形。
人們知道能夠構(gòu)成本發(fā)明所述絕緣覆蓋層的不同熱絕緣材料。
最常見的這種材料為絕緣復合物，包括第一種化合物，如一種碳氫化合物，如石臘或粗柴油，并最好與凝膠化和/或具有結(jié)構(gòu)作用特別是通過交聯(lián)作用的第二成分混合，如一個聚氨基甲酸酯類型的第二化合物。
更可以舉出鏈烷族的化學成分作為第一種化合物，如石臘或臘、瀝青、煤焦油、脂肪醇、乙二醇，特別是材料的熔化溫度在其中一個管道內(nèi)流動的熱流體的溫度t1與包圍正在作業(yè)的管道的介質(zhì)溫度t2之間的化合物，實際上即熔化溫度在20-80℃之間。例如使用熔化溫度約為50℃的分子式為C24H50的二十四碳烷石蠟。
所述隔板產(chǎn)生一些熱橋。因此人們力求使這些隔板之間的距離盡可能大，以減少熱橋。
在一個特殊實施例中，沿所述包套的所述縱軸ZZ’的兩個相鄰密封隔板之間的間距為50-200米，特別是100-150米。
為了減少密封隔板的數(shù)量，根據(jù)一個推薦特征，一個本發(fā)明所述的裝置包括至少一個，最好多個橫向位于所述縱軸(ZZ’)上的定型模板，這些定型模板由一個與所述管道連接的開放剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述管道穿過這個結(jié)構(gòu)并且所述包套的周邊與這個結(jié)構(gòu)連接，這些定型模板最好以規(guī)則的間隔沿著所述縱軸ZZ’位于兩個相鄰的密封隔板之間，所述定型模板最好有一些可以使所述絕緣覆蓋層的組成材料穿過所述定型模板的開口。
和所述密封隔板一樣，所述定型模板使包套橫截面在所述安裝隔距片處形狀固定，同時使熱橋最小。
更為特別的是，所述定型模板的所述開放結(jié)構(gòu)包括一個具有一個橫截面的柱形零件，橫截面的周邊嵌在一個與所述密封隔板的橫截面的周邊形狀確定的幾何圖形相同的幾何圖形中。
本發(fā)明所述裝置最好以規(guī)則的間隔包括多個沿包套的縱軸ZZ’分布的定型模板，兩個定型相鄰安裝隔距片相隔5-50米，最好相隔5-20米。
根據(jù)本發(fā)明的第兩個主要特征，該裝置包括至少一個最好幾個對中模板，這些對中模板最好以規(guī)則的間隔橫向位于所述縱軸ZZ’上，在沿所述縱軸ZZ’的兩個相鄰密封隔板之間和/或兩個定型模板之間，每個對中模板由一個與所述管道連接的剛性零件構(gòu)成，并且其形狀允許所述包套的有限移動，即面對所述對中模板的收縮和膨脹，對中模板的所述剛性零件具有一個外表面，并最好是一個柱形外表面，該柱形外表面的橫截面的周邊比所述密封隔板的周邊收縮，因此通過所述包套在所述剛性零件上的直接機械阻擋，最好是所述包套橫截面周邊的至少兩個相對點的機械阻擋限制所述包套的變形。
這個對中模板的目的是在包套收縮變形的情況下保證所述管道周圍的絕緣覆蓋層(3)的最低包裹，并且保證所述可流動材料在兩個所述密封隔板和/或兩個安裝隔距片之間的傳遞。
更特別的是，所述對中模板有一個橫截面，橫截面的周邊嵌在一個與所述密封隔板橫截面的周邊形成的幾何圖形基本相似的幾何圖形中。
在一個實施例中，構(gòu)成所述對中模板的所述剛性零件的外表面有一個比包套的表面足夠收縮的部分，并且/或者具有一些穿過對中模板的孔眼，以便形成一個可以穿過所述對中模板傳遞所述絕緣覆蓋層的組成材料的空間。
兩個對中模板之間沿所述縱軸ZZ’的距離可以保證保持一定量的組成所述絕緣覆蓋層的材料，這些材料足以保證所述管道的熱絕緣所需的最低包裹，并考慮到所述包套支撐的收縮變形。
本發(fā)明所述裝置還可包括多個對中模板，并且兩個相鄰的對中模板沿包套的所述縱軸ZZ’相隔2-5米的距離。
本發(fā)明的一個更為特殊的目的是一個包括至少兩個平行的水下管道的本發(fā)明所述裝置。
在這種情況下，所述密封隔板、定型模板和對中模板保持至少兩個互相相隔一個固定距離的水下管道。
本發(fā)明的目的還在于一種單元熱絕緣裝置，用于通過所述單元的熱絕緣裝置的頭對頭的組裝得到符合本發(fā)明的裝置，其特征在于包括——一個或一些代替在水下管道的單元水下管道件；——一個如上面定義的絕緣覆蓋層和一個所述保護包套，每個單元件的至少一端或每一端包括一個所述密封隔板，并最好具有上面定義的并且位于兩個相鄰的密封隔板之間的所述對中模板和安裝隔距片。
本發(fā)明的最后一個目的在于一種至少一個水下管道的熱絕緣方法，其特征在于，制造上面描述的單元熱絕緣裝置，并把上面描述的單元熱絕緣裝置頭對頭地組裝在一起。
在一個推薦實施例中，所述絕緣材料是一種包括不同成分的復合物，將這些不同的成分混合，然后以液態(tài)注入到兩個相鄰隔板形成的不同隔間中，并且所述絕緣材料通過所述成分中至少一種成分的交聯(lián)作用轉(zhuǎn)變成凝膠。
這種凝膠化的基質(zhì)能限制對流。
閱讀下面作為非限定示例而進行的描述并參照附圖可以更好地了解本發(fā)明的特征和優(yōu)點。


圖1、2、3為一個管束的一個橫截面的剖面圖，管束包套的橫截面為圓形(圖1)、帶有圓滑邊緣的矩形(圖2)和橢圓形(圖3)。
圖4是本發(fā)明所述裝置用于一個立柱情況下的側(cè)視圖。
圖5、6、7是表示該裝置在圖4的a-b-d和e處的橫截面剖面圖，分別為圓形包套(圖5)、橢圓形包套(圖6)和帶有圓滑邊緣的矩形包套(圖7)的裝置。
圖8、9、10表示從一個具有圓形包套(圖8)通過超過彈性極限(圖9)的變形得到一個橢圓形包套(圖10)的不同階段。
圖11、12、13是一個具有橢圓包套的裝置在一個密封隔板處(圖11)和一個對中模板處(圖12、13)的橫截面剖面圖，所述包套處于收縮階段(圖12)和膨脹階段(圖13)。
圖14是一個有幾個對中模板和成型安裝隔距片和密封隔板的本發(fā)明所述裝置的側(cè)視圖。
圖15、16、17是一個本發(fā)明所述裝置的一個橫截面的剖面圖，該裝置包括一個在一個對中模板處為一個具有圓角的矩形的包套，分別處于靜止狀態(tài)(圖15)，包套的膨脹狀態(tài)(圖16)，和包套的收縮狀態(tài)(圖17)。
圖18、19分別表示一根據(jù)本發(fā)明所述裝置的剖面圖(圖18)和側(cè)視圖(圖19)，該裝置包括一個具有圓滑邊緣的矩形包套，包套帶有一個使該裝置成圓形的外部屏障，小屏障本身帶有防渦旋的螺旋。
圖20是一個本發(fā)明所述裝置的縱剖面圖，該裝置具有一個密封隔板、一個對中模板和一個安裝隔距片。
圖21、22分別表示一個對中模板或安裝隔距片的縱剖面圖(21)和頂視圖(圖22)，這些安裝隔距片包括一個具有自行車輻條類型的開放結(jié)構(gòu)的剛性零件。
具體實施例方式
圖8、9、10表示一個管束的鋼質(zhì)包套的截面，分別為制造后的圓形(圖8)，然后在一個力F的壓迫下，在超過彈性極限處發(fā)生變形，最后在力F放松后成為稍微扁平的形狀(圖9)，因此形成一個截面基本為橢圓形的“扁平管束”的包套(圖10)。
圖1是一個本發(fā)明所述裝置的橫截面剖面圖，該裝置由一個熱塑材料的圓形軟包套2構(gòu)成，包套2裝有一種有遷移傾向的絕緣材料3，例如一種石蠟類型的膏狀材料，絕緣材料的中心有兩個石油流體的生產(chǎn)管道4以及一個輔助加熱管道15和一個電纜16。
在圖2、3中，同樣的管道4和15以及電纜16位于一個鋼板或復合材料的扁平管束內(nèi)，包套2的形狀分別為一個具有圓滑邊緣的矩形(圖2)或一個橢圓(圖3)。
圖4是一個熱絕緣立柱或“立管”的一部分11的立面圖，該立柱包括一個由熱塑材料、鋼、或復合材料制成的包套，包套的截面可以是圖5詳細表示的圓形，或圖6詳細表示的橢圓形，或圖7詳細表示的具有圓滑邊緣的矩形。
所述的立柱部分11包括兩個安裝在中心的管道4以及在上部(a)和下部(e)的一個密封隔板5，用于與包套2配合封閉絕緣材料3。所述密封隔板5支撐所述管道4，并且使管道4互相之間以及與包套壁之間保持一個固定的距離。
在所有的圖中表示出一個具有兩個水下管道的熱絕緣裝置，該裝置包括至少一個水下管道的熱絕緣裝置，這種熱絕緣裝置包括
——一個包圍所述管道的絕緣覆蓋層；——一個密封保護套覆蓋所述覆蓋層；——所述包套為管形，并且有一個縱向?qū)ΨQ軸ZZ’，所述包套的橫截面形成一個有兩個互相垂直并且與所述縱軸ZZ’垂直的對稱軸XX’和YY’的周邊。
在圖4和14中出示了一個上面叫做單元熱絕緣裝置的一部分或一段11，該部分包括兩個密封隔板5和多個對中模板6或定型模板7。密封隔板5、對中模板6和定型模板7均為圖20所示的柱形剛性零件。
在圖5、6、7、11中，構(gòu)成密封隔板的剛性零件的橫截面具有一個與包套的橫截面形狀相同的橫截面。在圖20中，構(gòu)成密封隔板5的柱形剛性零件的高度至少為它的直徑的四分之一，并最好為它的直徑的大約一半，使得與包套的接觸面51足夠大，密封隔板通過接觸面51與包套連接。管道4穿過密封隔板5。密封隔板與管道4之間的連接也是密封的，這使封閉成為可能，并且包套內(nèi)沒有絕緣材料的泄漏。密封隔板5具有一定機械強度，使包套的截面在此處(圖4的a和e處)保持固定。構(gòu)成密封隔板5的剛性零件的柱形外表面51粘貼或焊接在包套上，但是它也可以在此處被一個在包套外的外箍條18補充包圍。
所述密封隔板是一些與所述包套不同的結(jié)構(gòu)，所述包套在位于所述隔板兩側(cè)的兩個點之間的縱向具有連續(xù)性。
對中模板6和定型模板7位于所述段11的兩個密封隔板5之間的封閉空間內(nèi)。
對中模板最好以規(guī)則的間隔分布，例如距離為2-5米。它們也由一個與內(nèi)管4連接的剛性零件構(gòu)成，對中模板的形狀允許包套2的有限移動，即面對所述對中模板6的收縮和膨脹，特別是包套2的所述面對一個對中模板6的移動相當于所述包套橫截面周邊的兩個相對點21-22、23-24之間的距離變化0.1-10％，并最好為0.1-5％。
在圖15-17中，所述對中模板6的所述橫截面為一個矩形，矩形的角被截成斜面61。
在圖12、13和15-17中，對中模板有一個橫截面，橫截面的周邊嵌在一個具有圓滑邊緣的矩形61(圖15)、橢圓形(圖12)的幾何圖形內(nèi)，這個幾何圖形與對中模板與之配合的密封隔板的橫截面周邊形成的幾何圖形相似。
在圖16、17中，對中模板6的橫截面周邊比密封隔板的周邊收縮，因此比靜止位置的包套(圖11)收縮，因此通過所述包套橫截面周邊上的至少兩個相對點21-22、23-24對所述包套的直接機械阻擋限制所述包套的變形(圖16和17)。
在包套內(nèi)比包套外過壓的情況下(見圖4的b區(qū)和圖16)，如果包套2不是圓形，而是扁平形狀，特別是帶有互相垂直并且位于橫截面的平面內(nèi)的長對稱軸XX’和短對稱軸YY’的橢圓形或矩形，則包套橫截面的周邊有變?yōu)閳A形的趨勢。在這些條件下，機械阻擋，因此就是包套與所述對中模板的接觸僅僅發(fā)生在所述包套位于最長的對稱軸XX’上的相對點21、22上，使所述包套沿短對稱軸YY’的膨脹也受到限制(見圖4的b區(qū)和圖16)，因此所述包套的橫截面可以保持扁平的形狀(非圓形)。
相反，在包套外比包套內(nèi)過壓的情況下，在橫截面平面內(nèi)，包套與所述對中模板的機械阻擋和接觸同時發(fā)生在所述包套位于最長對稱軸XX’上的兩個相對點21、22和所述包套位于最短對稱軸YY’上的兩個相對點23、24上，使所述包套的收縮受到限制(見圖4的d區(qū)和圖17)。因此避免包套在這些點可能發(fā)生的內(nèi)破裂。
對中模板6在它的外圍，主要在與包套接觸的區(qū)域有一個足夠大的接觸面64，避免管束呼吸時包套損壞。相反，對中模板的中心部分65可以是挖空的，如圖20所示，以減少熱橋，同時保持足夠的材料，使對中模板保持足夠的強度。
定型模板7是一些厚度更小的柱形剛性零件，它的作用和密封隔板5一樣，是為了在它們所在之處固定包套橫截面的形狀，這個截面最好與密封隔板5賦予的截面形狀相同。因此，如圖20所示，構(gòu)成該零件的柱形圓周薄片的接觸面72的高度小于對中模板或密封隔板的高度，以減小熱橋，但是它們和密封隔板一樣通過粘貼或焊接與包套連接，并最好通過一個在包套上的外箍條18給接觸面(72)加箍。
定型模板7不是密封的，因為它包括一些讓絕緣材料通過的開口71，特別是絕緣材料的充填階段，絕緣材料為流體或膏狀，并且最好具有非常低的粘度。定型模板7與內(nèi)管4連接，并且和密封隔板5和對中模板6一樣使內(nèi)管4互相保持一個固定的距離。另外，定型模板在一個定型模板處使內(nèi)管保持距包套一個固定的距離。
相鄰的定型模板最好相隔一個5-50米的距離，最好相隔5-20米，構(gòu)成所述密封隔板5或所述定型模板7的所述柱形剛性零件的外表面與所述包套2連續(xù)接觸。需要通過“連續(xù)接觸”理解的是，在所述包套橫截面周邊的整個圓周上實現(xiàn)所述接觸。
圖5、6、7以明顯放大的方式分別表示每種類型的包套，即圓型、橢圓形或矩形在a、b、d、e處由于裝置內(nèi)與周圍介質(zhì)之間的壓差在分別位于a和e處的兩個密封隔板之間產(chǎn)生的變形。施加在包套2上的壓差是由于絕緣材料與海水的密度之差，絕緣材料的密度一般約為0.8-0.85。因此，作為示例，如果考慮一個100米的立柱部分11，對于一種密度為0.8的絕緣材料，上下之間的壓差為0.2Mpa，所述立柱的下部(圖4的d處)處于負壓，而上部處于過壓。因此導致包套2的變形12，變形的結(jié)果基本與圖5、6、7的每種圖形相似。下部的負壓有使包套收縮的趨勢，如平面e與平面d之間所示，截面在平面d處最小，然后在b處增加到最大，然后又減小到隔板11確定的標準截面。根據(jù)管束的類型，變形示于與圖5、6、7相關(guān)的平面a-b-c-d-e中。
包套的這些變形將產(chǎn)生半流體或膏狀絕緣復合物的向上傳遞，這會有破壞良好絕緣性能的危險，甚至破壞絕緣物的結(jié)構(gòu)，因為這種有遷移趨勢的絕緣材料很脆弱，不能承受內(nèi)遷移產(chǎn)生的內(nèi)剪切作用。
在圖5表示的熱塑材料圓形包套的情況下，b處的膨脹較大，但在d處觀察到的收縮非常小，因為存在的負壓對最終形狀的影響比較小。
這種向上傳遞流體的現(xiàn)象還要加上上面描述的內(nèi)管溫度變化產(chǎn)生的呼吸現(xiàn)象，溫度變化主要在絕緣復合物內(nèi)產(chǎn)生體積變化，這又加大了變形，特別是在上部。
當絕緣覆蓋層的材料通過在ZZ’方向的遷移而產(chǎn)生物質(zhì)傳遞時，在所述管道為一個立柱或立管或傾斜的情況下一般為從下向上的傳遞，所述包套橫截面的周邊形狀沿對稱軸ZZ’不是均勻的，因此在所述物質(zhì)傳遞前，即所述絕緣覆蓋層沿所述縱軸ZZ’均勻分布在所述管道周圍并且包套橫截面的形狀沿所述縱軸也是均勻的時，所述密封隔板的橫截面的周邊的所述固定形狀相當于所述包套橫截面的形狀。
當包套和絕緣覆蓋層的外表面發(fā)生變形時，所述的包套橫截面的周邊形狀一般仍保持與兩個互相垂直并且與包套的縱向?qū)ΨQ軸ZZ’垂直的軸XX’和YY’對稱。
在一個推薦實施例中，對中模板和定型模板用與自行車輪相似的方法制成，如圖21-22所示。所述安裝隔距片由一個輪緣、一個輪轂和一些像線一樣纏繞并最好是連續(xù)纏繞的輻條構(gòu)成。
像線一樣的纏繞表示一種從一種高強度的纖維得到的產(chǎn)品，最好是一種浸透一種復合產(chǎn)品，例如一種環(huán)氧樹脂的碳纖維或玻璃纖維，在樹脂交聯(lián)以前最好在張力下連續(xù)就位。
所述輪緣和輪轂最好以連續(xù)的方式用一個平坦的鋼條進行制造。
用一個更寬的鋼條開始制造，根據(jù)形狀例如圖21所示的矩形折疊鋼條。然后加入補充的加強筋(未示)，以便使整體有一個很大的強度。通過一個未示的臨時裝置使輪緣33和輪轂32互相就位，并且使浸有樹脂并保持張力的復合帶依次在輪緣的一個懸掛元件周圍通過，然后從輪轂的一個懸掛元件上通過，如此繼續(xù)，以形成錯綜復雜的輻條，這些輻條構(gòu)成所述輪緣與輪轂之間的堅固連接。需要指出的是，機械運行的方式與自行車輪的運行方式類似，因為在垂直負荷下，輪緣在壓縮狀態(tài)下工作，但是輻條的整體在張力下工作。制造浸有樹脂的復合帶的技術(shù)是已知的，名字叫做“anglo-saxon de pulltrusion”，意思是“拉伸-擠壓”，并且這種技術(shù)將與一種制造機器人聯(lián)合，這種機器人自動在輪緣和輪轂的支撐懸掛元件周圍進行“編織”，以形成輻條。
對中-定型模板已經(jīng)表示為圓形，但是它的形狀也可以是橢圓形或具有圓滑邊緣的矩形，但是在這種情況下，輻條不再均勻分布，某些區(qū)域必須加強，以便在所有方向具有足夠的強度。
當本發(fā)明所述裝置有一個橫截面形狀為矩形的包套時，這種形狀在接近水面的強擺動區(qū)域承受強應力。這就是為什么在這種情況下最好如圖18和19所示設(shè)置一個使其具有圓形的外屏障21，另外所述屏障本身的外表面帶有一個螺旋形的抗渦旋的穩(wěn)定零件22。圖18所示的帶有矩形橫截面包套的本發(fā)明所述裝置通過橡膠類型的軟連接23與外屏障連接。
密封隔板、對中模板6和定型模板7最好由一種高強度、低導熱的材料制造，例如強化或未強化的熱塑材料、復合材料、甚至部分用金屬制造，并最好是這些不同工藝的結(jié)合。
按照本發(fā)明所述裝置的總尺寸，密封隔板、對中模板和定型模板的橫截面的最大直徑約為1-1.5m，甚至2m，在聚乙烯或聚丙烯類型的熱塑軟包套的情況下，對應的包套厚度約為15-40mm，在鋼或復合材料的半剛性包套的情況下，包套厚度為5-8mm，管道的直徑約為100-400mm。
例如可以用以下方式把單元段11組裝成一個幾公里的連續(xù)管束。首先制造第一段，例如長度為100m，如圖14所示，并帶有它的密封隔板。為此，從12m長的管子制造通過焊接連接的內(nèi)管，然后逐步安裝對中模板和定型模板，例如所述對中模板和定型模板的下部裝有滾輪或滑板。然后把整體裝到包套2內(nèi)，推動已經(jīng)預制成一個單一零件的包套2，或者連接12m、24m或更長的單元包套零件，所述連接最好在遠離內(nèi)管端部的地方進行。當包套就位時，在與包套2和管道4連接的每一端安裝所述密封隔板5，并在隔板之間注入絕緣材料。應該注意在需要加長的一側(cè)超過包套和內(nèi)管4一定長度，例如20cm，例如一側(cè)超過1m，第二側(cè)超過1.5m，使得需要通過焊接進行連接的區(qū)域互相分開，這樣可以使焊接和控制設(shè)備進入。然后把預制段拖到海上，以便騰出工作區(qū)域，并以類似的方式制造后面的段落。當把包套放在一個新段周圍時，將前面一段的一個端部與等待的包套相對，然后進行焊接。在另一端，把一個密封隔板5與所述包套和管道連接。然后和上面描述的一樣，注意使管4比包套超出一個足夠的距離，以便于進行焊接和控制作業(yè)，然后重新開始作業(yè)，直到得到足夠的長度。
如果需要把電纜或臍狀(ombilicaux)纜安裝在該裝置內(nèi)，則增加一個起襯套作用的補充管道，則只要在完全組裝管束的整個長度后把電纜穿過所述襯套就可以了，管束的長度可能達到幾公里。
在本發(fā)明的一個推薦版本中，從一種具有很高穩(wěn)定性的交聯(lián)凝膠制造絕緣復合物，例如一種起基質(zhì)作用的聚氨酯類型的化合物，這種化合物交聯(lián)作用產(chǎn)生一種基本連續(xù)的凝膠，一種液體，如石蠟、粗柴油或其它具有低導熱性的成分分散在這種凝膠中。制造絕緣復合物時還在復合物中加入一些固體成分，如微型玻璃球或纖維基質(zhì)，玻璃球的作用是降低復合物的熱傳導率，纖維基質(zhì)的作用是減少在所述絕緣復合物內(nèi)保持液體狀態(tài)的顆粒的對流。
因此把各種成分混合，然后進行有力的攪拌，以便得到一種可以以液體的形式注入的均勻成分，因此充填被兩個連續(xù)的密封膜片限定管段的整體。注入流體絕緣材料前，使管段抽真空，避免產(chǎn)生殘余氣囊。產(chǎn)生的真空不會不使包套局部內(nèi)破裂，但是，一旦注入必要的和足夠量的流體，包套就恢復它的原始形狀。當然需要注意確定定型器和對中器的尺寸，并使它們足夠接近，使得臨時的內(nèi)破裂對包套的整體沒有明顯的影響。
這樣注入的均勻產(chǎn)品在充填階段為液態(tài)，并且在粘合劑交聯(lián)后轉(zhuǎn)化為一種凝膠化的基質(zhì)，其它保持液態(tài)和還處于凝膠狀態(tài)的成分處于被封閉的狀態(tài)，這樣就大大減少了對流現(xiàn)象。
最好選擇粘合劑的成分，例如聚氨酯，使得聚合物化只在幾小時后開始，例如最少6到8小時，這樣可以通過合理的混合和泵送裝置在這段時間內(nèi)實現(xiàn)大約100米的直徑為1m單元段裝置。
還可以根據(jù)注入裝置的大小增加或減小這個單位長度，或使用有阻滯添加劑或沒有阻滯添加劑的成分，它們開放時間，即可以使用的時間或短或長，重要的是整個注入作業(yè)應該在凝膠化或粘合劑的交聯(lián)反應明顯開始前結(jié)束。
這樣操作就明顯簡化了管束的充填，因為避免了老工藝的復雜作業(yè)，老工藝的作業(yè)在于安裝吸收基質(zhì)，并使絕緣流體滲濾，或注入熱的絕緣復合物，如石蠟，這種復合物在從液態(tài)過度到固態(tài)時有很大的收縮傾向。
權(quán)利要求
1.一種至少一個水下管道(4)的熱絕緣裝置(1)，該裝置包括——一個包圍所述管道(4)的熱絕緣覆蓋層(3)；——所述覆蓋層被一個密封保護套(2)覆蓋；——所述包套為管形，并且有一個縱向?qū)ΨQ軸(ZZ’)；——所述絕緣覆蓋層(3)包括一種有遷移傾向的材料，并且所述包套(2)由一種軟性或半剛性材料構(gòu)成，這種材料能夠在所述絕緣覆蓋層(3)變形時保持與所述絕緣覆蓋層(3)的外表面接觸，該裝置的特征在于包括——至少兩個橫向密封隔板(5)，所述隔板中的每一個由一個封閉的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述管道穿過該剛性裝置，并與該剛性裝置連接；——至少一個并最好多個對中模板(6)，這些對中隔距片(6)最好以規(guī)則的間隔位于兩個沿所述縱軸(ZZ’)的相鄰密封隔板(5)之間，每個對中模板(6)由一個與所述管道連接的剛性零件構(gòu)成，該剛性零件的形狀允許所述包套(2)的一個面對所述對中模板(6)的有限移動，即收縮和膨脹，所述對中模板(6)的所述剛性零件有一個最好為柱形的外表面(64)，柱形外表面(64)的橫截面的周邊比密封隔板(5)的周邊收縮，因此通過把所述包套機械阻擋在所述剛性零件(6)上限制所述包套的變形，機械阻擋最好在所述包套(2)的橫截面周邊的至少兩個相對的點(21-22、23-24)上。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述橫向隔板(5)由一個柱形零件構(gòu)成，柱形零件橫截面周邊的形狀與所述包套(2)的橫截面周邊的形狀相同。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述橫向隔板(5)最好以規(guī)則的間隔沿所述縱軸(ZZ’)分開一個50-200米的距離。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述包套(2)面對一個所述對中模板(6)的移動為所述包套橫截面周邊的兩個相對點(21-22、23-24)之間的距離變化0.1-10％，并最好變化0.1-5％。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于，構(gòu)成所述對中模板(6)的剛性零件有一個外表面比包套的表面足夠收縮的部分，并且/或具有一些穿過所述對中模板的孔眼，以便產(chǎn)生一個可以使組成所述絕緣覆蓋層(2)的材料穿過所述對中模板(6)傳遞的空間(62)。
6.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述對中模板(6)的所述橫截面的形狀為一個矩形，矩形的角被截成斜面(63)。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括多個所述對中模板(6)，并且兩個相鄰對中模板沿包套的縱軸(ZZ’)相距一個2-5米的距離。
8.按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括至少一個，最好多個定型模板(7)，定型模板(7)由一個剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該剛性結(jié)構(gòu)與所述管道連接并被所述管道穿過，它的周邊與所述包套(2)連接，并且位于兩個相鄰的密封隔板(5)之間，所述定型模板有一些開口(71)，這些開口可以使所述絕緣覆蓋層的組成材料穿過所述定型模板(7)。
9.按照權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述定型模板(7)的開放結(jié)構(gòu)由一個具有一個橫截面的柱形零件構(gòu)成，橫截面的周邊嵌在一個與密封隔板(5)的橫截面周邊形成的幾何圖形相同的幾何圖形中。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，該裝置包括多個最好以規(guī)則的間隔沿所述包套的縱軸(ZZ’)分布的定型模板，兩個相鄰的定型模板(7)最好分開20-50米。
11.按照權(quán)利要求1至10中任一項所述的裝置，其特征在于，構(gòu)成一個所述對中模板或一個所述定型模板的所述剛性零件包括一個由一些徑向位于一個輪轂(32)與一個輪緣(33)之間的輻條(31)形成的開放結(jié)構(gòu)，輪轂(32)由一個包圍所述管道的柱形圍圈構(gòu)成，輪緣(33)構(gòu)成所述安裝隔距片與所述包套的接觸表面。
12.按照權(quán)利要求1至11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述包套(2)形成一個具有兩個互相垂直并且與所述縱軸(ZZ’)垂直的對稱軸(XX’)和(YY’)的周邊。
13.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，包套的所述橫截面為圓形。
14.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，包套的所述橫截面為橢圓形。
15.按照權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，包套的所述橫截面為矩形，并最好帶有圓角。
16.一個水下管道束的熱絕緣裝置，其特征在于，該裝置包括一個按照權(quán)利要求1至15中的任一項所述的裝置，該裝置包括至少兩個平行的水下管道。
17.按照權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述密封隔板(5)、定型模板(7)和對中模板(6)保持至少兩個互相相距一定距離的水下管道(4)。
18.一種單元熱絕緣裝置，用于通過使所述單元熱絕緣裝置頭對頭的組裝得到一個按照權(quán)利要求1至17的任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括·一個或一些代替水下管道的水下管道單元件；·一個如權(quán)利要求1-17中定義的絕緣覆蓋層(3)、一個保護包套(2)，每個所述單元件(4)的至少一端或每一端包括一個所述密封隔板(5)，最好還包括一些如權(quán)利要求1-17中定義的位于兩個相鄰密封隔板之間的對中模板(6)和定型模板(7)。
19.至少一個水下管道的熱絕緣方法，其特征在于，按照權(quán)利要求18實現(xiàn)單元熱絕緣裝置，并頭對頭地組裝這些單元熱絕緣裝置。
20.按照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述絕緣材料是一種包括不同成分的復合物，把這些成分混合，然后在液體狀態(tài)下注入到兩個相鄰的所述密封隔板形成的不同分隔間中，并且所述絕緣材料通過它的所述成分中的至少一個成分的交聯(lián)作用轉(zhuǎn)化成凝膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種至少一個水下管道(4)的熱絕緣裝置(1)，該裝置包括一個包圍所述管道(4)的熱絕緣覆蓋層(3)；所述覆蓋層被一個密封保護套(2)覆蓋；所述包套為管形，并且有一個縱向?qū)ΨQ軸(ZZ’)；所述絕緣覆蓋層(3)包括一種有遷移傾向的材料，并且所述包套(2)由一種軟性或半剛性材料構(gòu)成，這種材料能夠在所述絕緣覆蓋層(3)變形時保持與所述絕緣覆蓋層(3)的外表面接觸；該裝置的特征在于包括至少兩個橫向密封隔板(5)，所述隔板中的每一個由一個封閉的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述管道穿過該剛性裝置，并與該剛性裝置連接；至少一個并最好多個對中模板(6)，這些對中隔距片(6)沿所述縱軸(ZZ’)位于兩個的相鄰密封隔板(5)之間，每個對中模板(6)由一個與所述管道連接的剛性零件構(gòu)成，該剛性零件的形狀允許所述包套(2)的一個有限移動，即面對所述對中模板(6)的收縮和膨脹。
文檔編號F16L59/14GK1496463SQ02806137
公開日2004年5月12日 申請日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月9日
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