專利名稱：深海油氣輸送復(fù)合管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種海洋油氣輸送技術(shù)領(lǐng)域的裝置及其制造方法，具體是一 種深海油氣輸送復(fù)合管及其制造方法。
背景技術(shù)：
在過去的50多年中，海洋開發(fā)的深度以/ (1/540)7V35的規(guī)律遞增(Sarpkaya， 2004)。離岸產(chǎn)油的水深紀(jì)錄不斷被打破，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了水深超過3000米的 油并。將石油或天然氣從海底并口輸送到海面作業(yè)平臺(tái)的油氣輸送管道-立管是 進(jìn)行深海油氣開采的關(guān)鍵設(shè)備之一。這些管道受到內(nèi)壓、外壓、軸向拉力和彎矩 的作用，同時(shí)由海流引起的立管渦激振動(dòng)是導(dǎo)致立管結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因。 因此尋求抑制立管渦激振動(dòng)或提高立管疲勞性能的措施一直是深海立管研究者 努力的主要方向。深海立管或油氣集輸管線所處的海洋環(huán)境較淺海要惡劣得多。 不但管道在工作時(shí)的受力狀態(tài)要苛刻，同時(shí)管道安裝也要比淺海困難得多。因此 對(duì)深海油氣管線的材料的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)、制造及安裝都提出更高的要求。
目前立管的安裝形式主要有頂部張緊式，懸鏈線式及其混合式。深海立管由 于長(zhǎng)度較大，易于受到海流的作用產(chǎn)生渦激振動(dòng)，同時(shí)受到頂部張力或彎矩的作 用使得立管的焊接接頭處易于產(chǎn)生疲勞等損傷，在實(shí)踐中采用高強(qiáng)度高韌性材 料，如鈦合金，高強(qiáng)度鋼X70， X80等材料。常用立管的結(jié)構(gòu)型式有單層管和多 層復(fù)合柔性管，復(fù)合材料立管主要見于實(shí)驗(yàn)研究中。多層復(fù)合柔性立管，目前世 界上只有少數(shù)幾個(gè)公司能生產(chǎn)，價(jià)格昂貴且供貨得不到保障。鈦合金管造價(jià)太高， 同樣也面臨渦激振動(dòng)疲勞問題。對(duì)于深海立管來說，從海底井口到海面采油平臺(tái)， 管線長(zhǎng)度從幾百米到幾千米，立管所受內(nèi)壓、外壓、軸向力和彎矩隨不同部位(深 度)而不同，渦激振動(dòng)的幅值和頻率也將不同。合理的立管設(shè)計(jì)能夠綜合考慮上 述因素隨位置的變化，采用單層鋼管則不易實(shí)現(xiàn)該目的。
從現(xiàn)場(chǎng)安裝角度來說，油氣輸送管道通常是由若干根一定長(zhǎng)度的鋼管(一般 為十多米長(zhǎng))在海上鋪管船上通過焯接連接而成。對(duì)于一定長(zhǎng)度的油氣輸送管道 來說，每根鋼管的長(zhǎng)度越小管線的焊縫就越多，海上施工勞動(dòng)強(qiáng)度越大，效率就
4越低，安裝成本高。同時(shí)焊縫是鋼管的薄弱環(huán)節(jié)，研究表明疲勞裂紋易發(fā)生于焊 縫焊趾、未悍透、夾雜、錯(cuò)邊等缺陷處，且一旦出現(xiàn)宏觀裂紋，發(fā)生裂紋擴(kuò)展穿 透管壁而泄漏或斷裂。無論是發(fā)生泄漏還是斷裂都將對(duì)安全生產(chǎn)和海洋環(huán)境產(chǎn)生 嚴(yán)重危害。深海立管由于長(zhǎng)度較大，易于受到海流的作用產(chǎn)生渦激振動(dòng)，對(duì)于頂 張緊型立管同時(shí)還受到頂部張力的作用使得立管的接頭處易于產(chǎn)生疲勞等損傷， 渦激振動(dòng)疲勞損傷是立管主要的失效形式。對(duì)于懸鏈線立管近海底部分受到較大 的附加彎矩，同時(shí)也受到平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的疲勞損傷。立管由于渦激振(運(yùn)) 動(dòng)產(chǎn)生的疲勞損傷和立管的材料性能，結(jié)構(gòu)幾何尺寸及阻尼等相關(guān)。就結(jié)構(gòu)的抗 疲勞或止裂性能來說，單層結(jié)構(gòu)不如多層結(jié)構(gòu)。
復(fù)合鋼管結(jié)構(gòu)一是提高結(jié)構(gòu)的阻尼和柔性，二是提高其疲勞阻抗，減少焊縫。 深海立管施工環(huán)境差，應(yīng)盡可能地減少焊接接頭，每一根鋼管盡可能的長(zhǎng)，這樣 就可以使得海上施工的效率得以提高。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)主要采用可焊接的中低強(qiáng)度鋼帶或型 鋼帶在端部和封頭焊接連接，如申請(qǐng)?zhí)?4109273.9的"型鋼繞帶式壓力容器及 其制造方法和繞帶裝置"以及申請(qǐng)?zhí)?1228870.1的"用于深冷低溫的多層繞帶 式高壓容器"均用來制造多層式高壓容器，在深海油氣開發(fā)用立管中，現(xiàn)有技術(shù) 中只有多層柔性管采用類似結(jié)構(gòu)，成本很高，不能實(shí)現(xiàn)不可焊鋼材之間的復(fù)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種深海油氣輸送復(fù)合管及其制 造方法，采用高抗拉強(qiáng)度的鋼帶作為外層材料包裹在強(qiáng)度級(jí)別較低的可焊管的管 外壁制成具有高的抗拉性能和抗疲勞性能又便于安裝施工，經(jīng)濟(jì)且安全可靠的深 海油氣集輸管。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明涉及深海油氣輸送復(fù)合管包括內(nèi)管、鋼帶層，管接頭和保溫層和保 護(hù)層，其中管接頭固定設(shè)置于內(nèi)管的兩端，鋼帶層、保溫層和保護(hù)層依次設(shè)置 于內(nèi)管的外部。
所述的內(nèi)管為若干根可焊管對(duì)接焊制成，該可焊管為鋼材或鈦合金制成。 所述的鋼帶層包括軸向鋼帶層、軸向鋼帶鎖緊環(huán)、環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)和兩層 環(huán)向鋼帶層，其中軸向鋼帶層環(huán)繞包覆于內(nèi)管外壁圓周上，軸向鋼帶鎖緊環(huán)與 軸向鋼帶層并分別與管接頭緊密套接固定，兩層環(huán)向鋼帶層分別依次環(huán)繞包覆于軸向鋼帶層外側(cè)，環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)位于環(huán)向鋼帶層的兩端并緊密套接于環(huán)向鋼帶 層的外部。
所述的軸向鋼帶層為若干根沿內(nèi)管軸向平行緊密排列的鋼帶； 所述的環(huán)向鋼帶層為若干根沿內(nèi)管的軸向緊密環(huán)向纏繞的鋼帶； 所述的鋼帶截面形狀為矩形或圓形，其中矩形鋼帶的寬度或圓形鋼帶的直 徑為1咖 60咖。
所述的管接頭為焊接式接頭或法蘭式接頭，在管接頭的錐頸上設(shè)有凹槽，該 凹槽的尺寸與環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)相匹配，其中所述的法蘭式接頭的法蘭端面分別設(shè) 有密封凸面和密封凹面。
所述的軸向鋼帶鎖緊環(huán)的內(nèi)壁為錐形結(jié)構(gòu)，該錐形結(jié)構(gòu)與管接頭的錐頸相匹配。
所述的環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)為兩塊相同的雙瓣半圓結(jié)構(gòu)，該雙瓣半圓結(jié)構(gòu)的兩端 面設(shè)有波浪形狀的扣緊槽。
所述的保溫層為筒狀結(jié)構(gòu)，由多孔保溫材料制成；所述的多孔保溫材料為聚 氨酯或泡沫塑料。
所述的保護(hù)層為筒狀結(jié)構(gòu)，由硬質(zhì)防水材料制成；所述的硬質(zhì)防水材料為 PVC、聚氯乙烯或玻璃鋼。
本發(fā)明涉及上述深海油氣輸送復(fù)合管的制造方法包括以下步驟
第一步、將若千根可焊管通過對(duì)接焊焊成長(zhǎng)的內(nèi)管，套上軸向鋼帶鎖緊環(huán)， 將內(nèi)管與管接頭對(duì)焊，經(jīng)探傷合格后磨削平內(nèi)管的外壁焊縫；
第二步、按照內(nèi)管的外周長(zhǎng)和鋼帶的寬度確定鋼帶數(shù)量，將鋼帶在內(nèi)管的外 壁上沿內(nèi)管軸向平行緊密排列制成軸向鋼帶層，然后再通過軸向鋼帶鎖緊環(huán)的錐 面將軸向鋼帶層兩端鎖緊于管接頭上；
第三步、將若干根鋼帶在軸向鋼帶層的外部一端沿內(nèi)管的軸向緊密環(huán)向纏 繞，至達(dá)到軸向鋼帶層的外部另一端制成第一層環(huán)向鋼帶層后沿反方向再次纏繞 第二層環(huán)向鋼帶層，最后分別將第一層環(huán)向鋼帶層的鋼帶首端和末端與第二層環(huán) 向鋼帶層的鋼帶首端和末端固定連接后用環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)在管接頭錐頸上的凹 槽處鎖緊，制成復(fù)合管。
第四步、將復(fù)合管的兩端密封后進(jìn)行過壓測(cè)試使內(nèi)管和鋼帶層脹貼緊；
所述的過壓測(cè)試是指以壓強(qiáng)為16MPa 80MPa進(jìn)行水壓脹貼處理并兼作水壓試驗(yàn)。
第五步、對(duì)復(fù)合管的外部噴涂或涂刷防腐蝕油漆，待油漆干燥后在復(fù)合管的 外部依次套接并固定保溫層和保護(hù)層，復(fù)合鋼管制備完成。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比采用不可焊接的抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上的鋼作為 外層復(fù)合層材料，通過機(jī)械連接方式進(jìn)行復(fù)合制成復(fù)合管，使得復(fù)合管的結(jié)構(gòu)和 可用材料的范圍更寬，充分發(fā)揮不同材料的性能，獲得性能優(yōu)化的復(fù)合管。


圖l為本發(fā)明主剖視圖2為本發(fā)明橫剖視圖3為本發(fā)明中段管的縱剖視圖4為焊接式接頭示意圖5為法蘭式接頭的示意其中圖5a為密封凸面示意圖；圖5b為密封凹面示意圖6為軸向鋼帶鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖7為環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意其中圖7a為雙瓣半圓結(jié)構(gòu)；圖7b為局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括內(nèi)管l、鋼帶層2，第一管接頭3、保溫層4、保
護(hù)層5和第二管接頭6，其中第一管接頭3和第二管接頭6分別固定設(shè)置于內(nèi)管1 的兩端，鋼帶層2、保溫層4和保護(hù)層5依次設(shè)置于內(nèi)管1的外部。 所述的內(nèi)管l為4根可焊管對(duì)接焊制成。
如圖2和圖3所示，所述的鋼帶層2包括軸向鋼帶鎖緊環(huán)7、環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán) 8、軸向鋼帶層9、第一環(huán)向鋼帶層10和第二環(huán)向鋼帶層11，其中軸向鋼帶層9 環(huán)繞包覆于內(nèi)管l外壁圓周上，軸向鋼帶鎖緊環(huán)7與軸向鋼帶層9并分別與第一管 接頭3和第二管接頭6緊密套接固定，第一環(huán)向鋼帶層10和第二環(huán)向鋼帶層11分別 依次環(huán)繞包覆于軸向鋼帶層9外側(cè)，環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8位于第二環(huán)向鋼帶層11的兩 端并在管接頭錐頸上的凹槽處緊密套接于第二環(huán)向鋼帶層ll的外部。
7如圖3所示，所述的軸向鋼帶層9為80根沿內(nèi)管1軸向平行緊密排列的矩形鋼
帶12;
如圖2所示，所述的第一環(huán)向鋼帶層10和第二環(huán)向鋼帶層11為8根沿內(nèi)管1軸
向緊密環(huán)向纏繞的矩形鋼帶13;
所述的矩形鋼帶12的截面寬度為8mm，所述的矩形鋼帶13的截面寬度為6mm;
如圖4所示，所述的第一管接頭3為焊接式接頭，在第一管接頭3的錐頸14上 設(shè)有凹槽15,該凹槽15的尺寸與環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8相匹配使得第二環(huán)向鋼帶層11 的兩端得以緊密套接；
如圖5a和圖5b所示，所述的第二管接頭6為法蘭式接頭，在第二管接頭6的 錐頸14上設(shè)有凹槽15，該凹槽15的尺寸與環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8相匹配，該法蘭式接 頭的法蘭端面分別設(shè)有密封凸面16和密封凹面17。
如圖6所示，為軸向鋼帶鎖緊環(huán)7的剖面視圖，該軸向鋼帶鎖緊環(huán)7的內(nèi)壁18 為錐面，該錐面的斜率與第一管接頭3或第二管接頭6的錐頸14相匹配。
如圖7a和圖7b所示，為環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8的剖面視圖，該環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8 為兩塊相同的雙瓣半圓結(jié)構(gòu)，該雙瓣半圓結(jié)構(gòu)的兩端面設(shè)有波浪形狀的扣緊槽 19，用于將環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)8扣緊于第二環(huán)向鋼帶層11上；
所述的矩形鋼帶12和矩形鋼帶13采用抗拉強(qiáng)度1000MPa以上的材料制成。
所述的保溫層4為筒狀結(jié)構(gòu)，由多孔保溫材料制成；所述的多孔保溫材料為 泡沫塑料。
所述的保護(hù)層5為筒狀結(jié)構(gòu)，由硬質(zhì)防水材料制成；所述的硬質(zhì)防水材料為 聚氯乙烯。
本實(shí)施所述輸送復(fù)合管具體通過以下步驟制備獲得
第一步、將可焊管通過對(duì)接焊焊成長(zhǎng)的內(nèi)管l，將內(nèi)管l的一端與第一管接頭
3對(duì)接焊，將內(nèi)管1的另一端與第二管接頭6對(duì)接焊，經(jīng)探傷合格后磨削平內(nèi)管l 的外壁焊縫；
第二步、按照內(nèi)管1的外周長(zhǎng)和矩形鋼帶12的寬度確定圓形鋼帶12的數(shù)量， 將矩形鋼帶12在內(nèi)管1的外壁上沿內(nèi)管1軸向平行緊密排列制成軸向鋼帶層9，然 后再通過軸向鋼帶鎖緊環(huán)7的內(nèi)壁18的錐面將軸向鋼帶層9的兩端分別鎖緊于第 一管接頭3和第二管接頭6上。
第三步、將矩形鋼帶13在軸向鋼帶層9的外部一端沿內(nèi)管1的軸向緊密環(huán)向纏繞，至達(dá)到軸向鋼帶層9的外部另一端制成第一層環(huán)向鋼帶層10后沿反方向再次 纏繞第二層環(huán)向鋼帶層11，最后將第一層環(huán)向鋼帶層10的矩形鋼帶13的首端和末 端和第二層環(huán)向鋼帶層11的矩形鋼帶13的首端和末端固定連接后用鋼帶鎖緊環(huán)8
鎖緊，制成復(fù)合管。
第四步、將復(fù)合管的兩端密封后以壓強(qiáng)為28MPa進(jìn)行水壓脹貼處理使內(nèi)管l 和鋼帶層2脹貼緊；
第五步、對(duì)復(fù)合管的外部噴涂或涂刷防腐蝕油漆，待油漆干燥后在復(fù)合管的 外部依次套接并固定保溫層4和保護(hù)層5，復(fù)合鋼管制備完成。
本實(shí)施例中采用的內(nèi)管l為強(qiáng)度級(jí)別相對(duì)較低的可焊管，利用其良好的塑性 韌性、可焊性及低的成本或耐腐蝕性能，外層的矩形鋼帶12和矩形鋼帶13采用抗 拉強(qiáng)度1000MPa以上的材料制成，利用鋼帶很高的抗拉性能來合理分配管所受到 的軸向及環(huán)向載荷，鋼帶和管接頭之間采用機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)不可焊材料間的復(fù)合。
在壁厚相同的情況下，由于只有內(nèi)管l采用焊接，而內(nèi)管l又受到外部三層鋼 帶層的約束，并且鋼帶無中間接頭而使整根復(fù)合管成為一個(gè)連續(xù)的整體，從而保 證內(nèi)管不會(huì)產(chǎn)生過大的局部變形，因而也就不易發(fā)生斷裂或泄漏。
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權(quán)利要求
1、一種深海油氣輸送復(fù)合管，包括內(nèi)管、管接頭、保溫層和保護(hù)層，其特征在于，還包括鋼帶層，其中管接頭固定設(shè)置于內(nèi)管的兩端，鋼帶層、保溫層和保護(hù)層依次設(shè)置于內(nèi)管的外部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的鋼帶層包 括軸向鋼帶層、軸向鋼帶鎖緊環(huán)、環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)和兩層環(huán)向鋼帶層，其中-軸向鋼帶層環(huán)繞包覆于內(nèi)管外壁圓周上，軸向鋼帶鎖緊環(huán)與軸向鋼帶層并分別與 第一管接頭或第二管接頭緊密套接固定，兩層環(huán)向鋼帶層分別依次環(huán)繞包覆于軸 向鋼帶層外側(cè)，環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)位于環(huán)向鋼帶層的兩端并在管接頭錐頸凹槽處緊 密套接于環(huán)向鋼帶層的外部。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的軸向鋼帶 層為若干根沿內(nèi)管軸向平行緊密排列的鋼帶，該鋼帶截面形狀為矩形或圓形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的環(huán)向鋼帶層為若干根沿內(nèi)管的軸向緊密環(huán)向纏繞的鋼帶，該鋼帶截面形狀為矩形或圓形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的管接 頭為焊接式接頭或法蘭式接頭，在管接頭的錐頸上設(shè)有凹槽，該凹槽的尺寸與環(huán) 向鋼帶鎖緊環(huán)相匹配。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的法蘭式接 頭的法蘭端面分別設(shè)有密封凸面和密封凹面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的軸向鋼帶 鎖緊環(huán)的內(nèi)壁為錐面，該錐面與管接頭的錐頸相匹配。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的深海油氣輸送復(fù)合管，其特征是，所述的環(huán)向鋼帶 鎖緊環(huán)為兩塊相同的雙瓣半圓結(jié)構(gòu)，該雙瓣半圓結(jié)構(gòu)的兩端面設(shè)有波浪形狀的扣 緊槽。
9、 一種根據(jù)權(quán)利要求l所述的深海油氣輸送復(fù)合管的制備方法，其特征在于， 包括以下步驟-第一步、將若干根可焊管通過對(duì)接焊焊成長(zhǎng)的內(nèi)管，套上軸向鋼帶鎖緊環(huán)， 將內(nèi)管與管接頭對(duì)焊，經(jīng)探傷合格后磨削平內(nèi)管的外壁焊縫；第二步、按照內(nèi)管的外周長(zhǎng)和鋼帶的寬度確定鋼帶數(shù)量，將鋼帶在內(nèi)管的外 壁上沿內(nèi)管軸向平行緊密排列制成軸向鋼帶層，然后再通過軸向鋼帶鎖緊環(huán)的錐 面將軸向鋼帶層兩端鎖緊于管接頭上；第三步、將若干根鋼帶在軸向鋼帶層的外部一端沿內(nèi)管的軸向緊密環(huán)向纏 繞，至達(dá)到軸向鋼帶層的外部另一端制成第一層環(huán)向鋼帶層后沿反方向再次纏繞 第二層環(huán)向鋼帶層，最后分別將第一層環(huán)向鋼帶層的鋼帶首端和末端與第二層環(huán) 向鋼帶層的鋼帶首端和末端固定連接后用環(huán)向鋼帶鎖緊環(huán)在管接頭錐頸上的凹 槽處鎖緊，制成復(fù)合管；第四步、將復(fù)合管的兩端密封后進(jìn)行過壓測(cè)試使內(nèi)管和鋼帶層脹貼緊；第五步、對(duì)復(fù)合管的外部噴涂或涂刷防腐蝕油漆，待油漆干燥后在復(fù)合管的 外部依次套接并固定保溫層和保護(hù)層，復(fù)合鋼管制備完成。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的深海油氣輸送復(fù)合管的制備方法，其特征是，所 述的過壓測(cè)試是指以壓強(qiáng)為16MPa 80MPa進(jìn)行水壓脹貼處理并兼作水壓試驗(yàn)。
全文摘要
一種海洋油氣輸送技術(shù)領(lǐng)域的深海油氣輸送復(fù)合管及其制造方法，包括鋼帶層、內(nèi)管、管接頭和保溫層和保護(hù)層，其中管接頭固定設(shè)置于內(nèi)管的兩端，鋼帶層、保溫層和保護(hù)層依次設(shè)置于內(nèi)管的外部。本發(fā)明通過采用抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上的鋼帶作為外層材料包裹在強(qiáng)度級(jí)別較低的可焊管的管外壁制成高抗拉性能和抗疲勞性能又便于安裝施工，經(jīng)濟(jì)且安全可靠的深海油氣集輸管。
文檔編號(hào)F16L23/16GK101586708SQ200910053748
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者黃小平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)