[发明专利]具有扩散阻隔的柔性管

说明书

本发明涉及一种具有未粘合层的多层结构的柔性管。为简单起见，以下称作未粘合的柔性管(Unbonded Flexible Pipe)。这种管对来自输送流体的气体扩散具有高抵抗性，因此可以特别有利地用于输送原油、天然气、甲醇、CO₂等。

未粘合的柔性管本身是现有技术。这种管包括作为对抗输送流体逸出的阻隔的通常为塑料管形式的内衬，以及在所述内衬的外侧上的一个或多个增强层(Armierungsschicht)。未粘合的柔性管可以包括附加层，实例为内衬内侧上的一个或多个增强层，以便防止内衬在高外部压力下塌陷。这种内部增强层通常称作帘布层(Karkasse)。此外可以存在外部包皮(Umhüllung)，以便为来自外部环境的液体渗入增强层或其它内部聚合物或金属功能层提供阻隔。

典型的未粘合的柔性管例如在WO 01/61232，US 6 123 114和US 6 085 799中描述；它们还更详细地在API Recommended Practice 17B，“Recommended Practice for Flexible Pipe”，第3版，2002年3月，以及API Specification 17J，“Specification for Unbonded Flexible Pipe”，第2版，1999年11月中描述。

本上下文中，术语“未粘合的”表示至少两个层（包括增强层(Armierungsschicht)和塑料层）并未在结构上彼此粘合。在实践中，该管包括至少两个增强层，在沿着整个管长度上，其既没有直接也没有间接（即通过其它层）彼此粘合。这使得管可弯曲和足够柔软，可以为了运输目的而卷起。

这类未粘合的柔性管的各种实施方案为用于海上应用，以及各种陆上应用，用于运输液体、气体和悬浮液。作为实例，它们可以用于运输流体，在其中在沿着整个管长度上存在极高或极不同的水压力，例如从海底向上流动直至海面处或海面附近的设备的上升管道，或另外通常作为用于在各种设备之间运输液体或气体的管，或以大的深度铺设在海底的管，或在近海面的设备之间的管。

在常规的柔性管中，一个或多个增强层主要由螺旋形排列的钢丝、型钢或钢带组成，并且单独的层可以相对于管的轴心具有各种卷绕角度。除此之外，还有多种实施方案，其中至少一个增强层或所有增强层由通常包埋在聚合物基质中的例如纤维束或纤维织物形式的纤维，例如玻璃纤维组成。

在现有技术中，内衬通常由还可以是交联的聚烯烃，例如聚乙烯，或者由聚酰胺，例如PA11或PA12，或者由聚偏二氟乙烯(PVDF)组成。

聚乙烯具有与原油或天然气接触显著溶胀，然后发生蠕变的缺点。输送的非极性介质还经过聚乙烯壁强烈向外渗透。聚乙烯因此通常并不用于与产品流直接接触的管道，而是代之以主要用于所谓的注水管道。

聚酰胺，例如PA11或PA12，作为内衬材料具有极好的适用性，这是因为它们具有极好的机械性能，对烃类具有优异的耐受性，仅显示轻微的溶胀。聚酰胺的特殊适用性已经在出版物OTC 5231“Improved Thermoplastic Materials for Offshore Flexible Pipes”中详细描述。但是，它们仅可以在至多约70℃使用，因为原油或天然气中存在的工艺用水在较高温度下越来越多地发生水解。所述水解如此严重地降低聚酰胺的分子量，以至导致机械性能显著削弱和管最终失效。针对PA11，API 17TR2描述了一种详细的测试方法，用于测定其水解性能，并且该方法可以同样应用于PA12。

PVDF在至多130℃使用。改性之后，其即使在直至约130℃的较高温度下也是刚性的，伴随着低的压缩可变形性。但是，在高于130℃的温度，随着内部压力降低，还预计会出现起泡和起微泡沫。PVDF特别是在超临界CO₂中发生严重的溶胀，达约25%的程度；随着压力下降出现的气泡由良好的渗透阻隔产生，这同时意味着扩散不良。在层内发生局部气体解吸，于是超过材料的内聚强度。

通常的问题是当此类未粘合的柔性管用于输送原油或天然气或用于运输其它腐蚀性介质时，运输的介质的不希望有的和腐蚀性的成分扩散穿过内衬并腐蚀增强系统的线或型材。这一问题特别是随着硫化氢的由内向外渗透而产生。

使用高合金钢用于外部增强层可能是有帮助的。但是其不仅昂贵，而且还增加了管的重量，因为高合金钢往往比低合金钢强度更低，因此需要更厚的尺寸以在最终产品中获得类似的强度。现有技术因此具有各种措施来帮助解决所述问题。