一种用于海洋非粘结复合柔性软管的异型材和抗压铠装层

技术领域

本发明涉及海洋复合柔性软管，具体涉及一种用于海洋非粘结复合柔性软管的异型材和抗压铠装层，属于海洋油气资源运输技术领域。

背景技术

随着陆上油气田的不断勘探开发，陆上油气产量的不断减少，丰富的海洋油气资源逐渐引起人们的重视。据有效数据显示，世界海洋油气资源占据石油总量的三分之一，而当前仍未探明的海洋石油资源占到海洋总石油资源的70％。大量的海洋油气资源还在沉睡，正迫切地等待着我们去开发利用。

海洋管道作为海洋油气资源运输中最主要的工具之一，大致可以分为钢管及复合式柔性管道两大类。而近些年来由国外开始兴起的一种海洋非粘结复合式柔性软管由于其柔软、绿色环保可回收、安装便捷、耐腐蚀、抗高压、具有各层间相对独立且可相对移动的特殊结构、寿命长、维修费用低等优点，比钢管具有更好的柔韧性和适应性，成为海洋开发尤其是深海开发的必需管道。

目前，非粘结复合式柔性软管已经越来越广泛地应用于海洋柔性管道市场，前景十分广阔。非粘结复合柔性软管的结构由内到外主要为骨架层、内衬层、抗压铠装层、耐磨层、抗拉铠装层、外包覆层，有时还会根据不同的功能需求及海况增加一些结构辅助如保温层、绝缘层等。抗压铠装层作为其中重要的一层金属层，主要抵抗管道内部输送介质的内压载荷，同时也抵抗部分静水外压载荷，但并不具备显著的承受轴向荷载和弯曲的能力。抗压铠装层一般由金属互锁异形厚度为4～12mm的钢带与管体轴线呈88°～90°螺旋角缠绕而成，为管道提供径向刚度。由于抗压铠装层截面轮廓的不对称性，常见的失效模式是解锁，而铠装层中金属面直接接触且相对移动，又常会出现磨损失效，当管道发生动态移动导致负载出现较大变化时也可能出现疲劳断裂。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一个目的是提供一种用于海洋非粘结复合柔性软管的异型材，该异型材通过缠绕互锁连接，互锁结构之间有间隙允许相对移动，保证复合软管具有良好的柔性，又不容易发生解锁，通过发生动态移动变形来抵御内压载荷；本发明的另一个目的是提供一种由若干上述异型材缠绕互锁形成的抗压铠装层结构；本发明的第三个目的是提供一种包含上述抗压铠装层的海洋非粘结复合柔性软管。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于海洋非粘结复合柔性软管的异型材，该异型材包括呈GF型横截面的钢带，所述钢带包括顺次连接为一体的第一竖臂、第一横臂、第二竖臂、第二横臂、第三竖臂、第三横臂、第四竖臂和第四横臂；

其中，所述第三横臂和第四横臂在横向长度和纵向宽度上相等，所述第三竖臂和第四竖臂在横向宽度和内表面纵向长度上相等，所述第三竖臂内表面的纵向长度略大于所述第四横臂的纵向宽度；所述第二竖臂和第三竖臂的横向宽度相等；所述第二竖臂的横向宽度和第一横臂的纵向宽度相等；

所述第一竖臂的内表面形成一具有倾斜度的斜坡，所述第一竖臂在所述斜坡最低点处的横向宽度与所述第二竖臂的横向宽度相等，并将所述第一竖臂在所述斜坡最低点处的横向宽度定义为所述第一竖臂的横向宽度；所述第一竖臂在所述斜坡最高点处的横向宽度约为所述第一竖臂横向宽度的0.8倍；

所述第二横臂的横向长度约为所述第一横臂的横向长度的2.6倍，所述第二横臂的横向长度约为所述第三竖臂的横向宽度的9.5倍，所述第二横臂的横向长度约为所述第三横臂的横向长度的3倍；

所述第二横臂的纵向宽度约为所述第三横臂的纵向宽度的2倍，所述第一横臂的纵向宽度约为所述第三横臂的纵向宽度的1.2倍，所述第一竖臂的横向宽度略大于所述第三横臂的纵向宽度，所述第一竖臂的纵向长度约为所述第一横臂的纵向宽度的2.2倍；

所述第二横臂、第三横臂、第一横臂和第四横臂的上表面在竖直方向由高到低分布且互相平行，所述第二横臂、第三横臂和第四横臂的下表面在竖直方向由高到低分布且互相平行，所述第一横臂和第四横臂的下表面在同一竖直高度上。

所述的异型材，优选地，所述第一竖臂和第一横臂的连接处、所述第一横臂和第二竖臂的连接处、所述第二竖臂和第二横臂的连接处、所述第二横臂和第三竖臂的连接处、所述第三竖臂和第三横臂的连接处、所述第三横臂和第四竖臂的连接处以及所述第四竖臂和第四横臂之间的连接处均采用相同半径的圆角过渡。

所述的异型材，优选地，所述第一横臂和第二竖臂的连接处、所述第二竖臂和第二横臂的连接处、所述第二横臂和第三竖臂的连接处以及所述第四竖臂和第四横臂之间的连接处均采用相同半径的圆角过渡。

所述的异型材，优选地，所述第一竖臂的两个角边、所述第三横臂的两个角边以及所述第四横臂的两个角边均采用相同半径的圆角过渡。

所述的异型材，优选地，在所述第一竖臂、第三横臂和第四横臂的弧顶处分别设置有第一耐磨垫片、第二耐磨垫片和第三耐磨垫片，所述第一耐磨垫片、第二耐磨垫片耐磨垫和第三耐磨垫片分别通过三个凹槽与所述钢带相互嵌合在一起，且所述第一耐磨垫片、第二耐磨垫片和第三耐磨垫片均具有共中心的椭圆弧外表面和圆弧内表面。

所述的异型材，优选地，所述第一耐磨垫片和第二耐磨垫片的椭圆弧的短半轴长度的一半与圆弧的半径长度相同，椭圆弧的长轴长度约为短轴长度的2倍；同时，所述第一耐磨垫片的纵向宽度约为所述第一横臂的纵向宽度的0.25倍，所述第二耐磨垫片的横向宽度约为所述第三竖臂的横向宽度的0.25倍，所述第三耐磨垫片与所述第二耐磨垫片完全相同。

所述的异型材，优选地，所述第一耐磨垫片、第二耐磨垫片和第三耐磨垫片的材质均为耐磨损的聚合物材料。

一种抗压铠装层，由若干上述异型材缠绕互锁形成，即第一钢带的第一竖臂与第二钢带的第一竖臂相互扣合，所述第一钢带的第四横臂插入第三钢带的第二横臂和第三横臂之间，所述第一钢带的第三横臂插入所述第三钢带的第三横臂和第四横臂之间，以此类推形成缠绕互锁结构。

一种海洋非粘结复合柔性软管，包括由内至外依次设置的骨架层、内衬层、抗压铠装层、第一耐磨层、第一抗拉铠装层、第二耐磨层、第二抗拉铠装层、防扭曲层和外包覆层，所述抗压铠装层采用上述抗压铠装层。

所述的海洋非粘结复合柔性软管，优选地，所述抗压铠装层在靠近所述内衬层的一侧加工有凹槽，所述凹槽与接头装置中外表面有对应凸起的所述内衬层相互嵌合。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的异型材的横截面形状呈GF型，能够缠绕互锁，在保证复合软管具有良好柔性的同时，还能有效地防止异型材相互滑出。

2、本发明的各异型材由于相互咬合截面之间存在间隙，该空间裕量允许异型材相邻截面为了一定的柔性在一定空间内发生相对运动。

3、本发明提供的抗压铠装层由于截面采用呈GF型的异型材互锁缠绕在内衬层外，其缠绕角度接近90°，因此通过螺旋缠绕的异型材可以起到有效地抵抗内压的作用。

4、本发明中异型材的钢带槽连接处都进行了圆弧角过度设计，以防止发生应力集中和钢带蠕变引起的金属尖端受力。

5、本发明将相互扣合的接触面由传统的金属-金属接触改为聚合物-金属接触，可以有效改善金属-金属接触导致的微动磨损致使疲劳断裂失效，延长抗压铠装层的使用寿命，适用于深海恶劣的海洋环境。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的异型材的截面示意图；

图2为本发明一实施例提供的抗压铠装层结构的截面示意图；

图3为本发明一实施例提供的海洋非粘结复合柔性软管的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的在接头处改进后抗压铠装层的截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“横”、“竖”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的用于海洋非粘结复合柔性软管的异型材，包括呈GF型横截面的钢带46，钢带46包括顺次连接为一体的第一竖臂10、第一横臂12、第二竖臂14、第二横臂16、第三竖臂18、第三横臂22、第四竖臂19和第四横臂21。

其中，第三横臂22和第四横臂21在横向长度和纵向宽度上相等，第三竖臂18和第四竖臂19在横向宽度和内表面的纵向长度上相等，第三竖臂18内表面的纵向长度略大于第四横臂21的纵向宽度；第二竖臂14和第三竖臂18的横向宽度相等；第二竖臂14的横向宽度和第一横臂12的纵向宽度相等。

第一竖臂10的内表面形成一具有倾斜度的斜坡45，第一竖臂10在该斜坡45最低点处的横向宽度与第二竖臂14的横向宽度相等，并将第一竖臂10在斜坡45最低点处的横向宽度定义为第一竖臂10的横向宽度；第一竖臂10在该斜坡45最高点处的横向宽度约为第一竖臂10的横向宽度的0.8倍。

第二横臂16的横向长度约为第一横臂12的横向长度的2.6倍，第二横臂16的横向长度约为第三竖臂14的横向宽度的9.5倍，第二横臂16的横向长度约为第三横臂22的横向长度的3倍。

第二横臂16的纵向宽度约为第三横臂22的纵向宽度的2倍，第一横臂12的纵向宽度约为第三横臂22的纵向宽度的1.2倍，第一竖臂10的横向宽度略大于第三横臂22的纵向宽度，第一竖臂10的纵向长度约为第一横臂12的纵向宽度的2.2倍。

第二横臂16、第三横臂22、第一横臂12和第四横臂21的上表面在竖直方向由高到低分布且互相平行，第二横臂16、第三横臂22和第四横臂21的下表面在竖直方向由高到低分布且互相平行，第一横臂12和第四横臂21的下表面在同一竖直高度上。

上述实施例中，优选地，第一竖臂10和第一横臂12的连接处28和11、第一横臂12和第二竖臂14的连接处29、第二竖臂14和第二横臂16的连接处30、第二横臂16和第三竖臂18的连接处31、第三竖臂18和第三横臂22的连接处32、第三横臂22和第四竖臂19的连接处35以及第四竖臂19和第四横臂21之间的连接处36均采用相同半径的圆角过渡。

上述实施例中，优选地，第一横臂12和第二竖臂14的连接处13、第二竖臂14和第二横臂16的连接处15、第二横臂16和第三竖臂18的连接处17以及第四竖臂19和第四横臂21之间的连接处20均采用相同半径的圆角过渡。

上述实施例中，优选地，第一竖臂10的角边26和27、第三横臂22的角边33和34以及第四横臂21的角边37和38均采用相同半径的圆角过渡。

上述实施例中，优选地，在第一竖臂10、第三横臂22和第四横臂21的弧顶处分别设置有第一耐磨垫片25、第二耐磨垫片23和第三耐磨垫片24，第一耐磨垫片25、第二耐磨垫片23和第三耐磨垫片24分别通过凹槽43、39和41与钢带46相互嵌合在一起，且第一耐磨垫片25、第二耐磨垫片23和第三耐磨垫片24均具有共中心点的椭圆弧外表面和圆弧内表面。进一步地，第一耐磨垫片25、第二耐磨垫片23和第三耐磨垫片24的材质均为耐磨损的聚合物材料。

上述实施例中，优选地，第一耐磨垫片25和第二耐磨垫片23的椭圆弧的短半轴长度与圆弧的半径长度相同，椭圆弧的长轴长度约为短轴长度的2倍；同时，第一耐磨垫片25的纵向宽度约为第一横臂12的纵向宽度的0.25倍，第二耐磨垫片23的横向宽度约为第三竖臂18的横向宽度的0.25倍，第三耐磨垫片24与第二耐磨垫片23完全相同。

如图2所示，基于上述实例提供的异型材，本发明还提供了一种用于海洋非粘结复合柔性软管的抗压铠装层，该抗压铠装层由若干个异型材缠绕互锁形成，即钢带46的第一竖臂10与另一钢带47的第一竖臂10相互扣合，钢带46的第四横臂21插入钢带48的第二横臂16和第三横臂22之间，钢带46的第三横臂22插入钢带48的第三横臂22和第四横臂21之间，以此类推形成缠绕互锁结构。

上述实例中，优选地，当钢带46插入钢带47中时，由于钢带46的第一竖臂10和第二竖臂14之间的间距大于第一竖臂10的横向宽度，且钢带46的第一竖臂10的纵向长度(包括第一耐磨垫片25的纵向宽度)与第一横臂12的纵向宽度的和小于第三竖臂18和第四竖臂19的纵向长度与第三横臂22和第四横臂21的纵向宽度的和，钢带46的第一竖臂10的纵向长度(包括第一耐磨垫片25的纵向宽度)的2倍大于第三竖臂18和第四竖臂19的纵向长度与第三横臂22和第四横臂21的纵向宽度的和，因此钢带46和钢带47可以相互扣合；在极限情况下，钢带46和钢带48的第三横臂22和第四横臂21紧密接触，钢带46和钢带47的第一竖臂10仍能互相扣合，由此留有的空间裕量能使抗压铠装层保持很好的柔性。

上述实例中，优选地，当钢带46插入钢带48中时，由于第三竖臂18内表面的纵向长度略大于第四横臂21的纵向宽度，则钢带46与钢带48可以相互扣合。在极限情况下，当钢带46的第二竖臂紧贴钢带47的第一竖臂10的外表面时，由于第一横臂12的横向长度与第二竖臂14的横向宽度、第四横臂21的横向长度(包括第三耐磨垫片24的纵向宽度)、第三竖臂18的横向宽度之和与第二横臂16的横向长度的差约为第三竖臂18的横向宽度的一半，因此，钢带46和钢带48之间不会滑脱。

上述实例中，优选地，由于海洋非粘结复合柔性软管的内外压差使抗压铠装层的钢带之间的互锁结构在垂直方向相互接触，因此通过第一耐磨垫片25与金属的接触可以有效地改善由于金属-金属之间接触产生的磨损危害；另外，当软管受到拉力、弯矩等动态荷载时产生的轴向拉力使抗压铠装层的钢带之间的互锁结构在水平方向相互接触，通过第二耐磨垫片23和第三耐磨垫片24与金属的接触也可以有效地改善由于金属-金属之间接触产生的磨损危害。由此，本发明异型材形成的抗压铠装层相邻截面可以在保证软管一定柔性的同时在一定空间内允许海洋非粘结复合柔性软管发生相对运动又不易发生滑脱解锁，同时又能有效地改善和防止抗压铠装层发生疲劳微动磨损而断裂。

如图3所示，基于上述实施例提供的抗压铠装层，本发明还提供了一种用于海洋非粘结复合柔性软管，它从内至外依次包括骨架层1、内衬层2、互锁缠绕的抗压铠装层3、第一耐磨层4、第一抗拉铠装层5、第二耐磨层6、第二抗拉铠装层7、防扭曲层8和外包覆层9。

其中，骨架层1为用来抵抗外压荷载，提供足够的径向刚度来支撑内衬管，防止外压压溃；内衬层2形成输送流体的密封层，防止内部流体泄露；互锁缠绕的抗压铠装层3承受管体内压及部分外压；第一耐磨层4和第二耐磨层6能够防止金属层与金属层之间接触磨损；第一抗拉铠装层5和第二抗拉铠装层7用来承受轴向拉力；防扭曲层8用以防止抗拉铠装层发生鸟笼化；外包覆层9可以抵抗机械损坏，防止海水腐蚀及海洋生物和船舶的破坏。

上述实例中，优选地，如图4所示，在抗压铠装层3与内衬层2相邻一侧的钢带46中部加工一弧形凹槽，该弧形凹槽与钢带46外表面的连接处亦采用圆角过渡，弧形凹槽与接头装置中外表面有对应凸起的内衬层2相互嵌合，在柔性软管的接头装置内起到协助固定内衬层2的作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。