柔性管子和用于其的耦合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于高壓力或高壓力/高溫度應(yīng)用的柔性管子或軟管，并且特別地，雖然不是排他地，涉及在管子或軟管和金屬耦合構(gòu)件之間的密封的連接部的構(gòu)建。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，加強(qiáng)工具被結(jié)合入柔性管子或軟管的內(nèi)襯墊中。本發(fā)明的柔性管子或軟管主要地意圖適合于烴類液體或氣體和/或水的運(yùn)輸。還公開了用于制造具有上文提到的特征的柔性管子或軟管的方法。雖然術(shù)語“管子”和“軟管”在本發(fā)明的公開內(nèi)容全文中被大體上同步地使用，但是管子可以被理解為是比軟管相對地較不柔性的，如果上下文如此允許的話。
[0002]發(fā)明背景
[0003]柔性管子或軟管在油氣開采的領(lǐng)域中在在岸和離岸應(yīng)用二者中使用，主要地用于流體和氣體的運(yùn)輸。術(shù)語“柔性”將被理解為排除實(shí)質(zhì)上剛性的構(gòu)造，例如鋼管子。柔性管子或軟管典型地被用于把被加壓的高溫度原油和氣體從基于海床的井口運(yùn)輸至浮式平臺或處理設(shè)施。然而，它們同樣地適合于攜帶寬的范圍的目的在于增強(qiáng)或保持生產(chǎn)量的注射或服務(wù)流體。因此，柔性管子軟管被暴露于內(nèi)部和外部壓力和溫度二者的寬的變化。
[0004]典型的管子或軟管壓力和溫度額定值在例如美國石油組織(API)標(biāo)準(zhǔn)7K，第5版，2010 年 6 月，名稱為 ‘Drilling and Well Servicing Equipment’ 中公開(見段落 9.6.1、9.6.3.1和表格9)。另外的關(guān)于在柔性管子或軟管(典型地具有3〃和更高的直徑)中經(jīng)歷的壓力和/或溫度條件的指導(dǎo)可以在API標(biāo)準(zhǔn)，16C(見表格3.4.1,3.4.2,3.4.3和3.5.2.1)，0CIMF，17J和17K中找到。在中等直徑軟管中壓力額定值將典型地是幾百bar (例如具有10至超過10MPa的數(shù)量級)，并且將隨著增加的軟管直徑減少。柔性管子或軟管必須能夠抵抗約_40°C至+132°C的典型的溫度條件，取決于應(yīng)用。
[0005]柔性管子可以被分割為兩個類別:粘合的和非粘合的。非粘合的柔性管子典型地包括多個金屬防護(hù)層和聚合物抗磨損/抗摩擦層，由此在至少兩個毗鄰的層之間的一定程度的相對滑移是可能的。即使當(dāng)一個層被內(nèi)嵌在另一個內(nèi)時，非粘合的特征也可能被簡單的拉拔試驗(yàn)表明，例如將鋼索加強(qiáng)層從其圍繞的聚合物基質(zhì)拉拔出來的拉拔試驗(yàn)。該試驗(yàn)是基于 ‘Standard Test Method for Rubber Property-Adhes1n to Steel Cord，(ASTMD2229-85) ’的適應(yīng)性修改的版本。
[0006]普遍地用于與非粘合的管子相似的應(yīng)用的范圍的粘合的管子排除毗鄰的層之間的任何滑移。粘合的管子采用內(nèi)彈性體的或熱塑性襯墊管子，其有時被在底層的金屬骨架上擠出或被結(jié)合到底層的金屬骨架并且被防護(hù)層圍繞。整個的管子可以被認(rèn)為是被粘合的(涂覆黃銅的或鍍鋅的)金屬線纜或絲和彈性體層的復(fù)合物，如下文提到的，可能包括熱塑性內(nèi)襯墊層。粘合的管子被測試以確保它們能夠抵抗快速的氣體減壓事件，快速的氣體減壓事件可能導(dǎo)致在它們的最內(nèi)的層中的起泡現(xiàn)象。粘合的柔性管子類型可以被用作柔性的升管、裝載軟管或用于開采的軟管(旋轉(zhuǎn)軟管、扼流和節(jié)流軟管、泥和水泥軟管)。
[0007]為了避免液體和氣體滲透損失，熱塑性管子或具有熱塑性內(nèi)襯墊的管子經(jīng)常地被采用從而增強(qiáng)其的總體的密封能力。然而，某些流體或氣體可以是非常侵蝕性的并且導(dǎo)致某些聚合物或塑料襯墊的快速的降解，特別是在較高的溫度。為了解決該問題，已知的是采用在管子和/或其的內(nèi)襯墊(如果存在的話)內(nèi)的更化學(xué)地惰性的聚合物類型，例如交聯(lián)聚乙烯(PEX)、聚酰胺11/12 (PAl 1/PA12)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚醚醚酮(PEEK)。雖然這些工程聚合物提供在耐熱性、酸性腐蝕抵抗性、抗裂化行為、低氣體/液體滲透性等等的方面的許多優(yōu)點(diǎn)，但是它們已知是在確保與軟管耦合器的良好的品質(zhì)的密封(即管子至管子或管子至端部接頭連接)上較不有效的。經(jīng)常地，這些襯墊被內(nèi)(不銹鋼)骨架加強(qiáng)。
[0008]為了確保管子或其的內(nèi)襯墊和耦合器之間的可靠的密封(即管子至管子或管子至端部接頭連接)，所有的‘泄漏路徑’必須被消除。泄漏路徑是任何允許被加壓的流體或氣體與更低壓力狀態(tài)均衡化的路徑。在管子構(gòu)造內(nèi)在毗鄰的層或材料之間的織物、氣穴(airpocket)、防護(hù)線纜或任何連續(xù)的粘合失效均可以導(dǎo)致這樣的‘泄漏路徑’，導(dǎo)致局部化的氣體/液體積聚，導(dǎo)致起泡以及，最終地，柔性管子的失效。安全的并且有效的密封是對于高壓力高溫度的粘合的管子的基本的安全性要求。據(jù)發(fā)明人所知，粘合的軟管的所有的制造商迄今已經(jīng)采用基于彈性體的密封化合物，例如在GB2329439B(Antal等人)中公開的那個。
[0009]彈性體構(gòu)成最柔性的、可變形的并且彈性的三個類別的非金屬的聚合物材料。所有的彈性體的一個行為特性是它們是對氣體和蒸氣固有地可滲透的。當(dāng)被在柔性管子內(nèi)用于高溫度/高壓力應(yīng)用時，溶解的氣體的向彈性體的結(jié)構(gòu)內(nèi)的微空隙中的傳輸使管子在快速的減壓事件期間更易于破裂，即由此當(dāng)管子的外部的壓力被損失時氣泡在微空隙內(nèi)形成。這種類型的管子失效被稱為‘爆炸性減壓’并且導(dǎo)致管子密封和/或內(nèi)襯的嚴(yán)重失效。
[0010]在為使‘爆炸性減壓’最小化的努力中，用于高溫度/高壓力應(yīng)用的柔性管子典型地采用內(nèi)熱塑性襯墊以減少液體/氣體滲透的可能性；以及位于熱塑性襯墊徑向地內(nèi)側(cè)的內(nèi)部條狀纏繞的鋼骨架以減少起泡的可能性。雖然這樣的預(yù)防性的措施通常是沿著管子的長度有效的，但是在管子和其的耦合器之間的密封的連接部(即管子至管子或管子至端部接頭連接)是保持經(jīng)受密封壓力的區(qū)域。這樣的壓力來源于機(jī)械地施加的壓縮和/或來源于正在被密封的流體的流體靜壓力的壓縮。
[0011]在它們的功能的性質(zhì)的方面，彈性體是軟的，實(shí)質(zhì)上彈性的并且實(shí)質(zhì)上不可壓縮的。這樣的特征使彈性體適合于作為在管子和其的耦合器的界面處的初級的密封部的使用。彈性體的固有的不可壓縮性意味著高應(yīng)力可以被抵抗，并且高壓力可以被適應(yīng)，當(dāng)彈性體材料被高度地約束時。彈性體的密封部因此是對于高溫度/高壓力應(yīng)用的自動的選擇。然而，彈性體的失效或退化的多個模式被充分地記載，如在健康和安全執(zhí)行局報(bào)告第 320 (2005)號，名稱為:‘Elastomers for fluid containment in offshore oil andgasproduct1n:Guidelines and review’ (ISBN 0 7176 2969 4)中的表格 I 和 2 中匯總的。在表格I中，“快速氣體減壓或爆炸性減壓(ED) ”的失效模式被如下地描述當(dāng)外部壓力被損失時，在高壓力條件下被溶解在彈性體中的氣體從溶液出來并且形成在材料中的氣泡。氣泡可以足夠地生長以導(dǎo)致材料(例如密封部)的或界面(例如軟管中的襯墊和毗鄰的層之間的)的斷裂。
[0012]考慮到彈性體的失效或惡化的已知的模式，上文僅描述了其中的一個，本發(fā)明的發(fā)明人得出了這樣的結(jié)論:具有對于提供相對于目前的密封性能的可識別的改進(jìn)同時簡化總體的管子構(gòu)造和制造的方法的可選擇的柔性管子安排的需要。特別地，在柔性管子或軟管和任何相關(guān)聯(lián)的耦合器的在更長的時期內(nèi)抵抗惡劣的條件的方面的進(jìn)一步的改進(jìn)將是高度地期望的。
[0013]發(fā)明概述
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種合成聚合物柔性管子，包括:
[0015](i)圍繞柔性管子的端部的防護(hù)層；
[0016](ii)管子親合器，該管子親合器被布置在管子的端部處并且圍繞防護(hù)層；
[0017](iii)被管子耦合器的凹陷的部分界定的密封區(qū)域；以及
[0018](iv)被布置在密封區(qū)域中的密封材料；
[0019]其中所述管子端部延伸入密封區(qū)域中并且被結(jié)合到密封材料，并且其特征在于密封材料是非彈性體的并且密封材料和柔性管子二者都包含選自包括熱塑性塑料和熱固性塑料的組的同一個類別的合成聚合物。
[0020]可選擇地，柔性管子和密封材料中的每個包含半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0021]在一個實(shí)施方案中，密封材料作為可注射的流體或熔融的合成聚合物被提供。
[0022]在一個可選擇的實(shí)施方案中，密封材料作為固態(tài)的可熔融的密封體被提供。
[0023]可選擇地，固態(tài)的可熔融的密封體包括選自包括以下項(xiàng)目的組的一種或多種金屬顆粒:纖維、粗晶粒、碎肩、或細(xì)粉末。
[0024]可選擇地，不同的大小的金屬顆粒被分布遍及固態(tài)的可熔融的密封體。
[0025]可選擇地，僅柔性管子的內(nèi)襯墊層包含延伸入密封區(qū)域中的半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0026]可選擇地，加強(qiáng)材料被設(shè)置在內(nèi)襯墊層內(nèi)但是未結(jié)合到其的半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0027]可選擇地，加強(qiáng)材料被設(shè)置在內(nèi)襯墊層內(nèi)，加強(qiáng)材料借助于粘合性束縛層被完全地結(jié)合到內(nèi)襯墊層的半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0028]可選擇地，加強(qiáng)材料包括被螺旋地纏繞的鋼索和/或鋼絲。
[0029]可選擇地，兩個或兩個以上單獨(dú)的被螺旋地纏繞的鋼索和/或鋼絲被以互鎖方式安排。
[0030]可選擇地，加強(qiáng)材料被以纏繞方式以相對于柔性管子的縱向軸線的在25度至85度之間的角度安排在內(nèi)襯墊層內(nèi)。
[0031]可選擇地，加強(qiáng)材料包括選自包括以下項(xiàng)目的列表的一種或多種纖維線和/或粗紗:玻璃纖維、碳纖維、UHmwPE (超高分子量聚乙烯)纖維和芳香聚酰胺纖維。
[0032]可選擇地，電加熱元件被設(shè)置在內(nèi)襯墊層內(nèi)。
[0033]可選擇地，電加熱元件包括選自包括以下項(xiàng)目的列表的一種或多種材料:傳導(dǎo)性的絲、傳導(dǎo)性的電纜、傳導(dǎo)性的織物或傳導(dǎo)性的復(fù)合物。
[0034]可選擇地，內(nèi)襯墊層的半結(jié)晶的熱塑性材料通過聚合物至聚合物結(jié)合被直接地結(jié)合到密封材料的半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0035]可選擇地，密封材料的半結(jié)晶的熱塑性材料通過聚合物至金屬結(jié)合被直接地結(jié)合到管子耦合器。
[0036]可選擇地，密封材料的半結(jié)晶的熱塑性材料經(jīng)過中間粘合性束縛層被間接地結(jié)合到內(nèi)襯墊層和/或管子耦合器。
[0037]可選擇地，粘合性束縛層也包含半結(jié)晶的熱塑性材料。
[0038]可選擇地，內(nèi)襯墊層和/或密封材料的半結(jié)晶的熱塑性材料是聚偏二氟乙烯(PV