усовершенствованное расстановочное и центрирующее устройство для жесткого трубопровода с двойным кожухом с низким коэффициентом теплопередачи

Формула изобретения

1. Устройство для разнесения и центрирования для жесткого трубопровода, типа труба в трубе (110), например типа трубопровода, который можно сворачивать, предназначенного для транспортировки углеводородов, причем указанный жесткий трубопровод (110) содержит две коаксиальные трубы (116, 118), разделенные кольцевой зоной (114), указанное устройство для разнесения и центрирования размещено в указанной кольцевой зоне (114), чтобы поддерживать обе коаксиальные трубы (116, 118) на расстоянии друг от друга, отличающееся тем, что оно содержит элемент (130) из материала с низкой теплопроводностью, состоящего из аэрогеля, причем указанный элемент покрыт, по меньшей мере, частично кожухом (132) из пластичного материала полимерного типа.

2. Устройство для разнесения и центрирования по п.1, отличающееся тем, что указанный аэрогель имеет неорганическое основание.

3. Устройство для разнесения и центрирования по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанный элемент (130) выполнен из двух дугообразных полудеталей (236, 238), причем свободные концы (240, 242) обеих полудеталей (236, 238) соответственно приспособлены для соединения друг с другом посредством соединительных средств (254, 256, 258).

4. Устройство для разнесения и центрирования по п.1, отличающееся тем, что указанный пластический материал является устойчивым, в частности, к истиранию.

5. Устройство для разнесения и центрирования по п.1, отличающееся тем, что указанный элемент (130) устойчив к сжатию выше 10 МПа.

6. Свертываемый жесткий трубопровод труба в трубе, отличающийся тем, что включает в себя множество устройств для разнесения и центрирования по одному из пп.1-5, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль указанного жесткого трубопровода (110).

7. Жесткий трубопровод по п.6, отличающийся тем, что указанная кольцевая зона (114) содержит материал с низкой теплопроводностью между указанными устройствами для разнесения и центрирования.

8. Жесткий трубопровод по п.6 или 7, отличающийся тем, что устройства для разнесения и центрирования разнесены друг от друга на расстоянии меньше 5 м.

9. Жесткий трубопровод по п.6, отличающийся тем, что его средний коэффициент теплопроводности меньше 1,1 коэффициента теплопроводности одного участка трубопровода в кольцевой зоне, из которой продолжается указанный материал с низкой теплопроводностью.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройству для разнесения и центрирования, в частности, для жестких систем типа "труба в трубе", предназначенных для транспортировки углеводородов.

Жесткие трубы такого типа содержат две коаксиальные трубы, внешнюю жесткую трубу или несущую трубу и внутреннюю жесткую трубу для потока, разделенные кольцевым пространством, причем указанное устройство для разнесения и центрирования, или прокладка (распорка), расположено в указанном кольцевом пространстве, чтобы удерживать две коаксиальные трубы на расстоянии друг от друга.

Эти трубопроводы предназначены для размещения на дне океана с помощью средства для установки, приспособленного для прокладки трубопровода и, в частности, способом, известным как техника "жесткого развертывания".

Системы типа труба в трубе, как правило, используют для подводных производственных линий, в частности для транспортировки углеводородов, и их необходимо изолировать, потому что тяжелые масла (нефть) имеют тенденцию к затвердеванию при охлаждении во время транспортировки со дна океана на поверхность. Изоляция необходима также для того, чтобы избежать образования гидратов, которые появляются при охлаждении определенных типов сырой нефти, например, когда добыча прерывается.

Тепловая изоляция обеспечивается при заполнении кольцевого пространства трубопровода материалом с низкой теплопроводностью.

Кроме того, системы типа труба в трубе выполнены таким образом, чтобы их кольцевое пространство оставалась сухим, с целью улучшения параметров теплоизоляции. В кольцевом пространстве должно поддерживаться атмосферное давление, для того чтобы указанный материал не подвергался ни гидростатическому давлению, которое испытывает внешняя труба, ни давлению углеводорода, который циркулирует во внутренней трубе. Таким образом, в жестких системах типа труба в трубе можно использовать широкое разнообразие материалов с низкой теплопроводностью, обеспечивающих хорошую изоляцию.

Обычно для размещения подводных трубопроводов с трубоукладочного судна используют два основных способа: использование системы, которая позволяет опускать трубопровод вниз вертикально на дно моря ("J-укладка" или "S-укладка"), и способ "жесткого развертывания".

В первом способе трубопровод собирают на судне, сваривая концы секций труб перед укладкой на дно океана. Такой способ занимает много времени, является дорогостоящим и требует присутствия сварочной бригады на борту трубоукладочного судна.

Способ "жесткого развертывания" предусматривает наземную стадию сборки трубопровода и стадию сматывания на катушку, которую затем транспортируют на место добычи, где ее разматывают вдоль заранее предусмотренного места. Этот способ прокладки трубопровода позволяет использовать трубоукладочное судно более короткий период времени, чем способ опускания трубопровода вниз вертикально на дно моря.

В способе "жесткого развертывания" жесткий трубопровод при наматывании на катушку пластично деформируется, и эта пластичная деформация устраняется специальным выпрямляющим механизмом, когда трубопровод находится в размотанном состоянии. Во время сматывания к трубопроводу прикладывают напряжение для того, чтобы внешний трубопровод соответствовал катушке. Таким образом, внешний трубопровод сгибается посредством контактирования с катушкой или с уже намотанными слоями трубопровода.

Во время операций сматывания и разматывания силы сгибания передаются от внешней трубы к внутренней трубе через распорки или с помощью кольцевых перегородок, расположенных в кольцевой зоне вдоль трубопровода. Во время разматывания трубопровод выпрямляется, причем внешний трубопровод продолжается через выпрямляющие средства, такие как противолежащие валки или блок выпрямляющих натяжных устройств, хорошо известных специалистам. Выпрямляющие усилия прикладывают к наружной поверхности внешней трубы и перемещают к внутренней трубе с помощью устройств для разнесения и центрирования.

Эти устройства распределяют вдоль трубопровода с двойным кожухом (типа труба в трубе) дискретно, выпрямление внутренней трубы происходит локально и не является полным. Таким образом, внутренняя труба после выпрямления имеет остаточные изгибы, которые зависят от расстановки распорок в кольцевом пространстве. Относительное перемещение внутренней трубы во внешней трубе приводит к локальным сокращениям кольцевого пространства, находящегося между двумя трубами, и, как следствие этого, к потенциальному сжатию материала с низкой теплопроводностью, который изолирует трубопровод.

При применении способа "жесткого развертывания" в системах типа труба в трубе последовательные отрезки изолирующего материала должны быть разделены распорками, а расстояние между распорками должно быть достаточно маленьким, чтобы силы сгибания могли быть переданы от внешней трубы к внутренней трубе и чтобы можно было избежать локальных сокращений кольцевого пространства между обеими трубами.

Если теплоизолирующий материал относится к половинному типу, локальное сжатие изоляционного материала приводит к ухудшению изоляционных свойств и, в целом, к ухудшению изоляционных свойств трубопровода. Чтобы компенсировать эту потерю, необходимо добавить распорки и приблизить их друг к другу, чтобы предотвратить сжатие изоляционного материала.

Однако использование дополнительных распорок, теплоизоляционная способность которых является низкой по отношению к используемым изоляционным материалам, неизбежно сокращает общее количество теплоизоляционного материала, и следовательно, теплоизоляцию трубопровода.

Можно также изменить форму трубопровода, увеличивая диаметр внешней трубы и/или уменьшая диаметр внутренней трубы таким образом, чтобы увеличить количество изоляционного материала. Но такое решение порождает другие проблемы, и в частности, проблему изменения диаметров используемых стандартных труб, что увеличивает стоимость и/или сокращает вместимость трубопровода.

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении жесткого трубопровода типа труба в трубе, имеющего улучшенные изоляционные свойства, способного при размещении свертываться и развертываться с помощью обычно используемых способов выпрямления.

С этой целью настоящее изобретение в качестве первого объекта предлагает устройство для разнесения и центрирования для жесткого трубопровода типа труба в трубе свертываемого типа, предназначенного для транспортировки углеводородов, причем указанный жесткий трубопровод содержит две коаксиальные трубы, разделенные кольцевой зоной, а указанное устройство для разнесения и центрирования размещается в указанном кольцевой зоне, чтобы поддерживать обе коаксиальные трубы на расстоянии друг от друга; указанное устройство для разнесения и центрирования содержит элемент, выполненный из материала с низкой удельной теплопроводностью, состоящего из аэрогеля, причем указанный элемент покрыт, по меньшей мере частично, кожухом из пластичного материала типа полимер.

Таким образом, особенность данного изобретения состоит в использовании аэрогеля для изготовления устройства для разнесения и центрирования, причем удельная теплопроводность аэрогеля является низкой, например ниже 0,1 Вт/мК.

Таким образом, указанный элемент является не только термоизолирующим, но также его механическое сопротивление, и в частности сопротивление сжатию (например, выше чем 10 МПа), таково, что общие механические свойства указанного устройства для разнесения и центрирования можно сравнивать с распорками, описанными в предшествующем уровне техники.

Таким образом, общее увеличение изоляции трубопровода по отношению к трубопроводу, соответствующему предшествующему уровню техники, где устройства для разнесения и центрирования состоят из одной детали, выполненной из пластичного материала, например полиамида, составляет порядка 15-20%.

Кроме того, при изготовлении трубопровода вставляют, например, 1 км внутренней трубы, снабженной указанными устройствами для разнесения и центрирования, во внешнюю трубу, состоящую из труб, соединенных с помощью сварки; указанные устройства при трении о внутреннюю стенку внешней трубы значительно изнашиваются, в частности, на уровне сварочных швов, которые слегка выступают вдоль указанной внутренней стенки. Чтобы предохранить указанный элемент от истирания, которое появляется при относительных перемещениях обеих труб и указанного устройства для разнесения и центрирования, его покрывают, по меньшей мере в местах контактирующих поверхностей, кожухом из пластичного материала, обладающим повышенной устойчивостью к истиранию, а также к механическому воздействию и, в частности, к ударам. Таким пластичным материалом является, например, полиамид.

Предпочтительно, указанный элемент сформирован из двух дугообразных полудеталей, причем свободные концы обеих полудеталей соответственно приспособлены к соединению вместе с помощью определенных соединительных средств. Таким образом, их монтаж упрощен, потому что достаточно соединить обе полудетали, подогнав соответственно их свободные концы друг к другу, чтобы сжать внутреннюю трубу, применив указанные соединительные средства. Этими соединительными средствами, например, являются тангенциальные отверстия, выполненные в свободных концах, и введенные в них ввинчиваемые элементы, которые будут подробно описаны дальше.

Согласно другому объекту изобретения, предлагается свертываемый жесткий трубопровод труба в трубе, содержащий множество устройств для разнесения и центрирования, таких как описаны выше, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль трубопровода.

Таким образом, благодаря указанным устройствам для разнесения и центрирования указанный жесткий трубопровод типа труба в трубе приспособлен к размещению, в частности, способом "жесткого развертывания" без деформации кольцевой зоны и при сохранении общих изоляционных свойств трубопровода.

Для этого и особенно преимущественным способом устройства для разнесения и центрирования располагают в кольцевой зоне отдельно друг от друга на расстоянии менее чем 5 метров, и кольцевая зона, преимущественно, заполнена материалом с низкой теплопроводностью между указанными устройствами для разнесения и центрирования.

Кроме того, благодаря расположению указанных устройств для разнесения и центрирования средний коэффициент теплопроводности указанного трубопровода преимущественно ниже, чем 11/10, предпочтительно, 10.5/10 коэффициента теплопроводности одной части трубопровода в кольцевой зоне, из которой продолжается указанный материал с низкой теплопроводностью. Таким образом, указанный трубопровод хорошо теплоизолирован, потому что устройства для разнесения и центрирования по изобретению имеют изоляционные свойства и обеспечивают трубопровод изоляцией, которая приближена к изоляции трубопровода, у которого кольцевая зона полностью заполнена изоляционным материалом без устройства для разнесения и центрирования. Таким образом, теплообмен между внутренней и внешней частями трубопровода очень низкий, в отличие от трубопроводов предшествующего уровня техники, где используемые распорки образуют тепловые мосты между внутренней и внешней поверхностями трубопровода.

Другие особенности и преимущества изобретения будут выявлены при чтении описания конкретных способов выполнения изобретения, представленных для сведения, но не в ограничительном смысле, при ссылке на чертежи, на которых:

Фигура 1 - частичный схематический вид в продольном разрезе жесткого трубопровода труба в трубе по изобретению;

Фигура 2 - детальный схематичный вид в перспективе устройства по изобретению;

Фигура 3 - подробный схематичный частичный вид в разрезе одного элемента устройства, показанного на Фигуре 2;

Фигура 4 - схематичный вид в разрезе устройства, показанного на Фигуре 2, после сборки;

Фигура 5 - схематичный вид в разрезе элемента устройства согласно другому варианту выполнения;

Фигура 6 - схематичный вид в разрезе элемента устройства согласно еще одному варианту выполнения;

Фигура 7 - схематичный частичный вид в радиальном разрезе, показывающий устройство по изобретению согласно первому варианту выполнения;

Фигура 8 - схематичный частичный вид в радиальном разрезе, показывающий устройство по изобретению согласно второму варианту выполнения;

Фигура 9 - схематичный частичный вид в перспективе устройства по изобретению согласно третьему варианту выполнения;

Фигура 10 - вид в радиальном разрезе устройства, представленного на Фигуре 9;

Фигура 11 - схематичный частичный вид в перспективе устройства по изобретению согласно четвертому варианту выполнения; и

Фигура 12 - вид в радиальном разрезе устройства, представленного на Фигуре 11.

Подобные или идентичные элементы, которые выполняют одинаковые функции, на Фигурах 1, 2, 5 и 6 имеют один и тот же ссылочный номер, которому предшествует номер рассматриваемой фигуры.

На Фигуре 1 показан участок жесткого трубопровода труба в трубе 110, содержащий устройство 112 для разнесения и центрирования по изобретению, состоящее из кольцевой распорки, которая размещена в кольцевой зоне 114 между двумя коаксиальными жесткими трубами, внешней трубой 118 и внутренней трубой 116. Кроме того, кольцевая зона 114 заполнена материалом с низкой теплопроводностью 120, адаптированным к теплоизоляции внутренней части 122 внутренней трубы 116, которая предназначена для транспортировки рабочей жидкости, например углеводородов. Эта теплоизоляция предусмотрена между внутренней частью 122 и внешней частью 124 для того, чтобы некоторые соединения не подвергались физической трансформации при охлаждении во время транспортирования вдоль трубопровода. Парафины, например, способны затвердевать при охлаждении, и/или гидраты, которые могут осаждаться и закупоривать трубопровод.

Кольцевая распорка 112 показана здесь в разрезе, при этом внешняя поверхность 128 продолжается параллельно внешней трубе 118, преимущественно на расстоянии от внешней трубы, в то время как внутренняя поверхность 126 кольцевой распорки 112 опирается на внутреннюю трубу 116 таким образом, чтобы поддерживать обе трубы 116, 118 на расстоянии друг от друга. Кольцевая распорка 112 преимущественно установлена неподвижно на внутренней трубе 116, которая затем вставляется во внешнюю трубу 118, при этом между кольцевой распоркой 112 и внешней жесткой трубой 118 предусмотрен функциональный зазор.

Кольцевая распорка 112 включает в себя элемент 130 в форме кольца, выполненный в материале с низкой теплопроводностью и покрытый, по меньшей мере частично, кожухом 132 из пластического материала.

Элемент 130 выполнен из материала с очень высокими теплоизоляционными характеристиками типа аэрогель, органический или неорганический, и он отлит в форму из пластического материала, например из полиамида, устойчивого к истиранию и к различным механическим воздействиям (напряжениям), таким как удары, компрессия или срез.

Аэрогель получают из геля, который высушивают, чтобы удалить (вывести) его растворяющее вещество и сохранить структуру твердого вещества такой, какой она была в исходном геле. Растворяющее вещество заменяют воздухом во время сушки, и затем начальный гель формирует твердое вещество.

Таким образом, аэрогель неорганического типа, например аэрогель монолитного кремнезема, имеет плотность, близкую 0,1 г/см, а процентное содержание твердого вещества равно приблизительно 5%.

Используемый здесь твердый аэрогель является неорганическим веществом, и его удельная теплопроводность ниже чем 0,1 Вт/(м·К), например 0,012 Вт/(м·К).

Кроме того, несмотря на низкую плотность его сопротивление сжатию является значительным, выше чем 10 МПа, например 100 МПа, так что после формования он адаптируется к сопротивлению напряжениям, вызванным приближением обеих труб 116, 118 при сворачивании и затем разворачивании трубопровода, и, в частности, он подходит для передачи радиальных усилий от внешней трубы к внутренней трубе.

Благодаря своей удельной теплопроводности, которая в 10 или 100 раз меньше, чем теплопроводность пластмасс, широко используемых для изготовления распорок, соответствующих предшествующему уровню техники, общие тепловые потери трубопровода 110 из-за косого направления кольцевой распорки 112 также сильно снижены, приблизительно на 20-30%.

При ссылке на Фигуру 2 описывается метод жесткого соединения устройства по изобретению с внутренней трубой и, согласно конкретной форме выполнения, с кольцевой распоркой.

Кольцевая распорка (212) состоит из двух дугообразных полудеталей 236, 238, расположенных симметрично друг другу, причем их вогнутые части располагаются параллельно с возможностью зажима внутренней трубы. Обе полудетали имеют соответственно два свободных конца 240, 242, способных соединяться с помощью соединительных средств, которые будут описаны ниже, чтобы образовать кольцевую распорку 212. Каждая из полудеталей 236, 238 содержит элемент 230 в форме полукольца, выполненный из материала с низкой теплопроводностью и покрытый кожухом 232 из пластика.

Обе полудетали в радиальном сечении (разрезе) представляют собой две наложенные друг на друга части, при этом внешняя часть 245 определяет внешнюю поверхность 226 и внутренняя, менее широкая, часть 247 определяет внутреннюю поверхность 228, причем обе части разделены двумя боковыми заплечиками 246, 248, симметричными друг другу. Кроме того, каждый из свободных концов 240, 242 обеих полудеталей имеет тангенциальное отверстие 250, выполненное по толщине полудеталей и выходящее с одной стороны во внешнюю поверхность 226 и с другой стороны в поверхность 252 радиальных сечений этих полудеталей. Таким образом, отверстия 250 свободных концов 240, 242 соответственно адаптированы к взаимодействию таким образом, чтобы каждая пара отверстий могла получить один винт 254, предназначенный для соединения друг с другом свободных концов 240, 242.

Винты 254 предназначены каждый для взаимодействия с гайкой 258 и опорной шайбой или втулкой 256.

На Фигуре 3 показаны два противолежащих свободных конца 242 двух полудеталей 236, 238, которые соединены и поддерживаются в соединенном положении благодаря винту 254, соединяющему гайку 258 и кольцо 256, которые захватывают оба свободных конца 242 полудеталей 236, 238. Чтобы держать обе пары свободных концов вместе, отверстия 250 обоих свободных концов 242 имеют для этого внутренние заплечики 272, на которые соответственно опирается гайка 258 и втулка 256.

Таким образом, формируют жесткую структуру, которая зажата на внутренней трубе и одновременно поддерживает в неподвижном положении относительно друг друга обе полудетали 236, 238, которые одновременно блокированы радиально в направлениях, противоположных друг другу, но также продольно.

Такой тип соединения позволяет поддерживать кольцевую распорку 212, показанную целиком на Фигуре 4, в неподвижном положении на внутренней трубе, при этом два других соответствующих свободных конца 240 двух полудеталей 236, 238 соединены вместе симметрично таким же образом.

Кроме того, винт 254, который приспособлен для вращения посредством углубленной головки, полностью размещается в толще кольцевой распорки 212, чтобы внешняя поверхность 226 свободно опиралась на внешнюю (несущую) трубу.

Фигура 6 показывает полудеталь 636 в форме дуги, предназначенную для спаривания, чтобы образовать кольцевую распорку согласно другому способу применения; радиальное сечение полудетали 636 идентично радиальному сечению кольцевой распорки, показанной на Фигуре 1.

В противоположность кольцевой распорке на Фигуре 2, внешняя поверхность 626 менее широкая, чем внутренняя поверхность 628, что позволяет получить кольцевую распорку, силы трения которой по отношению к внутренней трубе больше, чем силы трения по отношению к внешней трубе.

Согласно еще одному способу применения, показанному на Фигуре 5, где также показана полудеталь 536 в форме дуги, радиальное сечение не является симметричным, оно асимметрично. Внешняя и внутренняя части 545 и 547, которые имеют здесь почти одинаковую ширину, отстоят продольно одна от другой таким образом, что образуют два заплечика 546, 548, опорные поверхности которых противоположны одна по отношению к другой. Заплечик 548 предназначен для расположения напротив внешней трубы, другой 546 - напротив внутренней трубы.

В этих двух способах применения согласно изобретению, показанных на Фигурах 5 и 6, полудетали 536, 636 имеют соответственно элементы 530, 630 в форме полукольца, выполненные из материала с низкой теплопроводностью и покрытые кожухом 532, 632 из пластика.

Устройство по изобретению, во всех способах применения, описанных выше, может быть выполнено при формовке аэрогеля с пластиком, чтобы покрыть его частично или полностью. К тому же гайки и опорные шайбы или втулки адаптированы к формовке вместе с аэрогелем таким образом, чтобы упростить сборку.

Однако, согласно конкретному способу применения изобретения, только внутренняя и внешняя поверхности формуются с пластиком, боковые же поверхности устройства выполняются из аэрогеля. Таким образом получают устройство, стенки которого образуют многослойную структуру.

На Фигурах 7-12 описывается устройство для разнесения и центрирования по изобретению согласно 4 разным вариантам выполнения.

На Фигуре 7 показана в радиальном разрезе кольцевая распорка 712, содержащая элемент 730, состоящий из жесткого аэрогеля. В разрезе элемент 730 представляет собой дугу 780, каждый конец которой продолжается двумя коаксиальными участками 782, отодвинутыми друг от друга. Кроме того, элемент 730 из аэрогеля располагается между двумя участками из полиамида 784 и 786. Учитывая хрупкость аэрогеля, элемент 730 в его нижней части защищают слоем 788 из полиамида, прикрепленным или отформованным.

Согласно второму варианту, представленному на Фигуре 8, кольцевая распорка 812 содержит внутри утопленный в полиамиде, который ее окружает, элемент 830 из жесткого аэрогеля, который в разрезе представляет собой прямолинейную часть 811, направленную к внутренней части распорки 812, и округленную часть 813, направленную к наружной стороне распорки 812. Элемент 830 располагается по ширине распорки 812.

На Фигуре 9 представлена дугообразная полудеталь 936 распорки 912 на внутренней трубе 916 согласно третьему варианту выполнения изобретения. Кольцевая распорка представляет первые выступы 915, которые упираются во внутреннюю трубу 916 и которые содержат элемент из аэрогеля 930, показанный в разрезе на Фигуре 10.

Между выступами 915 кольцевая распорка 912 поддерживается на расстоянии от внутренней трубы 916 для того, чтобы не проводить тепловую энергию, а между трубой 916 и распоркой 912 преимущественным способом введен другой изоляционный материал.

Согласно четвертому варианту, показанному на Фигурах 11 и 12, выступы 1115 распорки 1112 направлены к наружной части и содержат элемент из аэрогеля 1130, показанный в разрезе на Фигуре 12. Согласно этому варианту распорка между выступами находится на расстоянии от внешней трубы (не показана) и именно эти выступы опираются на эту внешнюю трубу. Как и в предшествующем варианте, промежуток между внешней трубой и распоркой может быть заполнен другим изоляционным материалом.