套筒構(gòu)件、端部接頭組件以及組裝柔性管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種套筒構(gòu)件，端部接頭組件以及組裝柔性管的方法。具體地但非排它地，本發(fā)明涉及用于在柔性管體以端部接頭終止的區(qū)域中使用在柔性管中的套筒構(gòu)件。
[0002]本發(fā)明還涉及用于極深水下應(yīng)用的中間密封。具體地但非排它地，本發(fā)明涉及柔性管的端部接頭中的流體密封系統(tǒng)，包括該流體密封系統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)和測(cè)試。
【背景技術(shù)】
[0003]通常，柔性管被用于將諸如石油和/或天然氣和/或水之類的產(chǎn)品流體從一個(gè)位置運(yùn)輸?shù)搅硪晃恢?。柔性管?duì)于將水下位置(水下位置可以在水下較深，比如水下1000米或更深)連接到海平面位置是特別實(shí)用的。管道可以具有通常高達(dá)大約0.6米的內(nèi)徑。柔性管一般被形成為柔性管體與一個(gè)或多個(gè)端部接頭的組件。管體通常被形成為形成承壓管道的分層材料的組合。管結(jié)構(gòu)允許發(fā)生較大撓曲而并不產(chǎn)生損害管的功能性(在管的使用壽命期間)的彎曲應(yīng)力。管體一般被組裝成包括金屬層和聚合層的組合結(jié)構(gòu)。
[0004]非粘接的柔性管已經(jīng)被用于深水(小于3300英尺(1005.84米))和超深水(大于3300英尺)開采中。對(duì)石油日益增長的需求導(dǎo)致了在環(huán)境因素更為極端的越來越深的水域中進(jìn)行開采。例如，在這種深水和超深水環(huán)境中，海底溫度增大了產(chǎn)品被流體冷卻到導(dǎo)致管阻塞的溫度的風(fēng)險(xiǎn)。增加的深度還增大了與柔性管必須進(jìn)行操作的環(huán)境相關(guān)聯(lián)的壓力。因此，增大了對(duì)柔性管體的各層以及管體各層與端部接頭的連接的高性能等級(jí)的需要。
[0005]柔性管是一段管體和一個(gè)或多個(gè)端部接頭的組件，其中管體的相應(yīng)端部終止于各個(gè)端部接頭。圖1示出了管體100是如何由形成承壓管道的分層材料的組合形成的。盡管在圖1中示出了多個(gè)特定層，但管體結(jié)構(gòu)可以包括兩個(gè)或更多個(gè)由各種可能的材料制造而成的同軸層。層厚度僅以示例性的目的示出。
[0006]如圖1所示，管體包括可選的最內(nèi)骨架層101。骨架提供了能夠用作最內(nèi)層的互鎖結(jié)構(gòu)，以整體地或局部地防止內(nèi)部壓力殼層102由于管失壓(decompress1n,)、外部壓力、以及抗張力鎧裝壓力和機(jī)械壓毀負(fù)載而導(dǎo)致的損毀。管體可以在不具有骨架層(即，光滑孔)或具有骨架(粗糙孔)的情況下被使用。內(nèi)部壓力殼層102用作流體保持層并且包括確保內(nèi)部流體整體性的聚合物層。應(yīng)當(dāng)理解的是，該層自身可以包括多個(gè)子層。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)可選的骨架層被使用時(shí)，內(nèi)部壓力殼層通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱作封閉層。在沒有這樣的骨架的運(yùn)作(光滑孔的操作)中，內(nèi)部壓力殼層可以被稱作內(nèi)襯。
[0007]可選的壓力防護(hù)層103為具有接近90°的捻角(lay angle)的結(jié)構(gòu)層，該層增大了柔性管對(duì)外部和內(nèi)部壓力以及機(jī)械壓毀負(fù)載的耐受性。該層還結(jié)構(gòu)性地支撐內(nèi)部壓力殼層，并且通常包括互鎖結(jié)構(gòu)。壓力防護(hù)層通常具有纏繞線(mnmd wires)，纏繞線具有特定橫截面輪廓以進(jìn)行互鎖，以便能夠保持并吸收由管上的外壓力或內(nèi)壓力引起的徑向力。防止管由于壓力而導(dǎo)致壓毀或爆裂的纏繞線的橫截面輪廓有時(shí)被稱作抗壓輪廓。EP1141606、US6, 739，355、US6.283.16UUS6.065.501、W02008/023110、EP1135623 和 EP1395769 公開了具有用于壓力防護(hù)層的纏繞線的柔性管體，其中所述線具有各種橫截面輪廓。例如，在圖8中示出了穿過由纏繞線形成的已知壓力防護(hù)層的、具有呈大致“Z”形輪廓的橫截面輪廓的截面。
[0008]柔性管體還包括可選的第一抗張力防護(hù)層105和可選的第二抗張力防護(hù)層106。每個(gè)抗張力防護(hù)層都是具有通常介于10°到55°之間的捻角的結(jié)構(gòu)層。每層都被用于承受張力負(fù)載和內(nèi)部壓力?？箯埩Ψ雷o(hù)層通常成對(duì)地對(duì)向纏繞。所示出的柔性管體還包括可選的帶層104，帶層104有助于包含在下面的層并且在一定程度上防止相鄰層之間的磨損。
[0009]柔性管體通常還包括可選的隔離層107和外殼層108，外殼層308包括用于保護(hù)管以抵抗海水的滲透和其它外部環(huán)境、腐蝕、磨損和機(jī)械損傷的聚合物層。
[0010]每個(gè)柔性管包括至少一段(有時(shí)稱作一節(jié)或一部分)管體100以及位于柔性管的至少一個(gè)端部處的端部接頭。端部接頭提供了一種形成柔性管體與連接器之間的過渡部的機(jī)械裝置。例如在圖1中示出的不同的管層終止于端部接頭，這樣來傳遞柔性管與連接器之間的負(fù)載。
[0011]柔性管的端部接頭可以用于將各節(jié)柔性管體連接到一起或用于將它們連接到諸如剛性水下結(jié)構(gòu)或飄浮設(shè)施之類的終端設(shè)備。這樣，在其它各種用途中，柔性管可以用于提供將流體從水下流送管線輸送到飄浮結(jié)構(gòu)的立管組件。在這種立管組件中，柔性管的第一節(jié)可以被連接到一個(gè)或多個(gè)其它節(jié)的柔性管。柔性管的每節(jié)包括至少一個(gè)端部接頭。圖2示出了適于將諸如石油和/或天然氣和/或水之類的產(chǎn)品流體從水下位置201輸送到飄浮設(shè)施202的立管組件200。
[0012]圖3中示出了例如在W02007/144552或EP1867907中公開的已知的端部接頭組件300的橫截面。纟而部接頭300包括?而部接頭體301而部接頭體301包括沿著其長度延伸的內(nèi)孔302。端部接頭體由鋼或其它此類剛性材料制成。在端部接頭體301的第一端部處限定有敞開口部區(qū)域303，一節(jié)柔性管體100被定位于該口部區(qū)域303中然后被端接。端部接頭體301的另一端部處為連接器304。連接器304在端部接頭體上被形成為大致盤形外擴(kuò)區(qū)域。連接器可以被直接連接到相鄰節(jié)段的柔性管體的另一端部接頭體的匹配連接器上。連接可以通過使用螺栓或一些其它形式的固定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在這種構(gòu)型中，端部接頭可以被定位成對(duì)接的構(gòu)型。替代性地，連接器304可以被連接到諸如船只、平臺(tái)之類的飄浮結(jié)構(gòu)或固定結(jié)構(gòu)或其它此類結(jié)構(gòu)。柔性管體的各層被引入到端部接頭組件中、被剪切到適當(dāng)?shù)拈L度并且與端部接頭的特定部分密封地接合。
[0013]對(duì)于柔性管體的端部而言，存在有與所提供的端部接頭相關(guān)聯(lián)的各種各樣的問題。端部接頭必須確保良好的緊固和良好的密封。具體地，可以設(shè)置內(nèi)密封環(huán)600和外密封環(huán)309對(duì)柔性管體的相鄰層與端部接頭之間進(jìn)行密封。密封通過壓扣作用形成，這會(huì)導(dǎo)致密封環(huán)和/或管體的相鄰層的變形，以及導(dǎo)致管體的可能為例如聚合物的層被壓縮。端部接頭在設(shè)計(jì)上改變以適于柔性管體的不同變型。特定端部接頭設(shè)計(jì)可以包括例如為中間密封環(huán)的另一密封環(huán)，該密封環(huán)可以被用于形成柔性管體的中間殼層與端部接頭之間的密封。一些已知的構(gòu)造不能夠在將端部接頭附接到管體的組裝/制造階段容易地或可靠地被測(cè)試，從而無法知道這樣的密封的有效性如何，因此它們可能具有增大的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
[0014]到目前為止，在將端部接頭組裝到管體上期間對(duì)密封系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試不足以證明在管受壓時(shí)運(yùn)行的完整性。這是因?yàn)樵诙瞬拷宇^元件的構(gòu)造中使用的材料在受到負(fù)載時(shí)(例如當(dāng)管受壓時(shí))呈現(xiàn)彈性材料特性。部件的彈性運(yùn)動(dòng)/位移的量將由管中的壓力和部件的材料特性確定。例如，密封接頭通過螺紋緊固件系統(tǒng)來獲得其裝配力，并因此其密封完整性在組裝期間將需要緊固件的高預(yù)負(fù)載，以確保密封中的壓縮力(保持密封完整性所需)即使在管道中施加的壓力試圖將接頭分離時(shí)也是占優(yōu)勢(shì)的。
[0015]圖4示出了圖3的方框A中示出的構(gòu)造的變型。所示出的構(gòu)造根據(jù)圖3包括端部接頭殼體304、端部接頭體306和內(nèi)密封環(huán)600。然而，該組件還包括設(shè)置成端接管體的中間密封層312的第一環(huán)圈構(gòu)件308和第二環(huán)圈構(gòu)件310。中間密封層可以被設(shè)置在壓力防護(hù)層314的徑向外側(cè)并且用于密封壓力防護(hù)層。
[0016]該組件還包括中間密封環(huán)316(由于其抵靠管體的中間密封層進(jìn)行密封而被稱作中間密封環(huán))。此外，該組件包括O形圈320、322以幫助阻隔沿著第一環(huán)圈構(gòu)件308的邊緣的潛在泄漏路徑。
[0017]已知的是O形圈通常被用于有效密封，然而，O形圈密封的位置和性能非常依賴于圍繞它們的材料的特性和性能。O形環(huán)構(gòu)造的兩側(cè)上的壓縮力對(duì)于保持密封而言是關(guān)鍵的。證明密封系統(tǒng)的性能可以進(jìn)行使用的可能性是困難的，因?yàn)椴豢赡茉诠苁軌簳r(shí)在如圖4中所示的已知的構(gòu)型上執(zhí)行測(cè)試。
[0018]預(yù)先在這樣的構(gòu)造中測(cè)試O形環(huán)320、322和密封環(huán)316的完整性是不可能的。此夕卜，還可能存在當(dāng)在高壓下一些部件發(fā)生彈性撓曲時(shí)正確地定位O形環(huán)的問題，這些O形環(huán)上保持其密封完整性所需要的壓縮力會(huì)減少或甚至消失。
[0019]與為柔性管體的端部提供端部接頭相關(guān)聯(lián)的另一問題是，會(huì)難以剪切管體的具有不均勻特性的特定層來提供適當(dāng)?shù)挠糜谂c端部接頭的一部分抵接的直端面。柔性管體的防護(hù)層，例如壓力防護(hù)層和抗張力防護(hù)層通常具有不均勻