柔性管道外护套修补系统及相关方法与流程

发明领域本技术公开的主题涉及用于修补结构完整性受损的柔性管道外护套的方法和系统。发明背景在许多烃生产作业中，柔性管道广泛用于陆地上和海洋应用中的油和气到地面/水面设备的运输，在地面/水面设备处将生产的流体精炼或转送以进行进一步加工。柔性管道可包含内衬或非金属护套以确保管道中运输的烃的流体密封性。内衬还可被一个或多个中间层围绕，中间层起到许多功能，包括耐静水压溃(res is tance to hydros tat iccol lapse)、压力、轴向力、摩擦和导热性。耐静水压溃和压力由这样的单独的层提供，该单独的层由互锁的螺旋缠绕的线构成。耐轴向力由这样的单独的层提供，该单独的层由非互锁的螺旋缠绕的线构成。柔性管道还可包含非金属的外护套，该外护套形成抵御外部管道周围环境的保护屏障。包围在两个同轴的非金属护套(在两个管道端部终端处密封以提供流体密封性)之间的空间被称为管道环状空间(pipe annulus)。柔性管道的相邻层通常是“非结合的”，并且不形成层间连接。柔性管道的层内的相邻线也是“非结合的”，并且不形成线间连接。层间和线间连接的缺乏允许相对的层和线的移动，确保增强的柔性和耐用性。由于压力和温度的差异，非结合的柔性管道允许气体通过内护套从管孔渗透到环状空间。对于悬挂在固定或浮动平台上的柔性立管而言，积累在环状空间中的气体通过安装在柔性立管端部配件终端内的排气口释放。柔性管道的外护套的损坏可以通过各种失效模式发生，包括由堵塞的排气口所致的环状空间超压，老化和机械疲劳，撞击损坏等。外护套的破裂可导致对下面的结构层的级联损坏，例如允许氧和其它腐蚀性元素接触和降解加固层。在没有高效的减轻的情况下，对外护套的损坏可最终导致立管密封性的丧失，以及减少的生产、环境污染和对人员的健康危害。破裂后柔性管道外护套修补通常包括使用各种带有内衬的硬质金属卡箍(clamp)，将其固定在损坏的外护套周围。卡箍可以阻碍管道层的移动和柔性，这在循环荷载过程中随着管道厚度变化引起额外的应力。由于卡箍材料比外护套硬得多，额外的开裂和破裂可在老化外护套的修补部位附近传播。发明概述本技术公开的主题涉及用于修补柔性管道的方法和系统。在一个方面，修补柔性管道的方法包括使用结构粘合剂将复合材料带固定到外护套的表面，所述复合材料带在外护套中破裂上形成复合材料修补物(compos i te repa ir)；以及用固定装置在缠绕部分的端部使复合材料带固定。在另一个方面，修补柔性管道的方法包括将结构粘合剂施加到复合材料带；和将复合材料带固定到柔性管道的外护套，所述复合材料带在外护套中破裂上方形成复合材料修补物。在另一个方面，系统包括柔性管道；密封柔性管道的外护套中破裂的复合材料修补物，所述复合材料修补物包括围绕柔性管道螺旋地缠绕的复合材料带，以及将复合材料带固定到柔性管道的结构粘合剂。附图简要描述图1是说明根据本公开的柔性管道的基本结构的图。图2是显示根据本公开的安装在柔性管道上的复合材料修补物的图。图3a-3c是说明根据本公开的缠绕复合材料带以形成复合材料修补物的可能的方法的图。发明的详细描述本技术公开的主题涉及用于修补柔性管道的方法和系统。本文公开的方法可包括使用结构粘合剂来固定复合材料带的一个或多个层，形成复合材料修补物以修补柔性管道外护套上的破裂。本文公开的系统可以包含其上具有复合材料修补物的柔性管道，所述复合材料修补物包含使用结构粘合剂粘贴的复合材料带。本文公开的修补柔性管道的方法包括在外护套的确定的结构弱点或破裂上方形成复合材料修补物，这可将修补区域的完整性恢复或提高到初始柔性管道规格，以承受高达约2bar或更高的环状空间内压。本公开的复合材料修补物可具有许多优势，例如能够用具有与管道外护套的劲度相当的劲度的材料修补破坏的外护套，这使连锁反应失效最小化；耐受柔性管道环形空间内积累的压力，该压力不小于完整的外护套能在不爆裂的情况下耐受的最大压力；相比使用可商购获得的卡箍的对比方法成本更低并且劳动密集程度更低。本文公开的方法还可用于原位修补柔性管道，在不中断生产的情况下减少停钻时间。关于图1，显示了柔性管道的实施方案的分层结构的详细实例。柔性管道100可包括若干个内部层，包含骨架层(carcass)102、内护套104、抗磨衬106、铠装层108和压力衬(pressure l inings)110，它们被外护套112密封、覆盖和/或保护。尽管图1描述相对简单的柔性管道结构100，但是本领域技术人员将理解，柔性管道可包含额外的和/或不同的层，包括内衬、环向应力加固层、抗磨层、润滑层、拉伸加固层、抗挤压层、膜等。在作业现场，柔性管道100暴露于各种环境和机械应力下，该应力可以以破裂和可导致环状空间与外部环境不受控制的连通的其它失效模式的形式对外护套112造成老化、疲劳和损坏。当检测到外护套112中的破裂时，施加结构粘合剂和复合材料带在柔性管道的外护套上形成复合材料修补物。图2显示了通过施加复合材料修补物214修补外护套212有损坏的柔性管道200的实例。对外护套212的损坏通过施加复合材料带216得以减轻，该复合材料带通过结构粘合剂结合到外护套212，填补和密封损坏区域并形成密封不漏的密封。为了构建复合材料修补物214，将结构粘合剂施加到外护套和/或复合材料带的表面，并通过施加压力将复合材料带缠绕在粘合剂上。缠绕完成后，使结构粘合剂固化以形成外护套和复合材料带的一个或多个层之间的层间结合。本文公开的结构粘合剂可以以薄膜、流体、固体、凝胶和/或粉末态提供，并且在施加到复合材料带或外护套时可以是未固化或部分固化的。结构粘合剂可具有约4℃至约50℃范围内的固化和/或操作温度。在一些实施方案中，修补方法可利用具有互补功能的结构粘合剂的组合。例如，特别是在水下系统中，结构粘合剂可包含提供初始粘着性以促进复合材料带安装的第一粘合剂，而第二粘合剂固化并形成持久的最终的结合。合适的结构粘合剂可包括丙烯酸类聚合物和共聚物粘合剂，聚甲基丙烯酸丁酯、聚丙烯腈、丙烯腈-苯乙烯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚偏二卤乙烯、卤代乙烯聚合物、卤代乙烯共聚物、聚甲醛、聚乙烯基酮、聚乙烯基醚、聚乙烯甲醚、聚乙烯基芳族化合物、环氧树脂、聚氨酯、有机硅、基于橡胶的粘合剂等及其组合。复合材料带216提供长期抗蠕变性、耐受环状空间压力、并且延长柔性管道的使用寿命，包括在要求不透水外护套修补的应用(如海底和电力电缆)中。复合材料带216可包括具有嵌入聚合物基体的加固纤维组分的结构。复合材料带可包括纤维组分，所述纤维组分可包括玻璃纤维、芳族聚酰胺、碳、高强度钢纤维、聚酯芳族聚酯、聚唑、e玻璃、聚酰胺、聚丙烯、复合材料织物(例如dyneema和spectra)和/或任何其它用于复合结构材料的纤维。聚合物基体可包括中和高密度聚乙烯、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚偏二氟乙烯、热塑性弹性体、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸共聚物、聚丙烯、环氧树脂、聚酯、乙烯基酯等。可以通过一种或多种固定装置218a,b使复合材料带216的端部固定以消除或最小化操作过程中的分层。固定装置218a,b可沿管道直径完全或部分延伸以接触复合材料带216并使其保持固定位置。固定装置可以是机械的，例如带(s trap)、软卡(soft clamp)、管卡(pipe clamp)、caterpi l lar卡(caterpi l lar clamp)、夹具(cl ip)、系件(t ie)、扎件(band)、o型环、绷带(l igature)等。在一些实施方案中，固定装置218a,b可以是化学的，例如粘合剂，单独使用或作为物理固定装置(例如，卡箍、扎件等)的补充使用，在复合材料带216端部下方和/或上方施加。化学固定装置218a,b可包含上文列举的任意结构粘合剂并且可以与施加到外护套212和/或复合材料带216的结构粘合剂相同或不同。复合材料带216在柔性管道200的外护套212上方的配置不被认为是特别限制的，只要所得的复合材料修补物产生减轻下面的破裂或损坏的密封即可。如图3a-c中显示的，复合材料带可以以若干变体施加，该变体可包括改变缠绕的方向，相对于柔性管道中轴的螺旋角，相邻缠绕之间重叠的百分比，缠绕层的数目等。复合材料带可以以任何合适的角度缠绕以密封柔性管道的损坏或破裂的外护套。在一些实施方案中，复合材料带可以以相对于管道中轴可为约25°至约60°的螺旋角缠绕。图3a中，提出了一个实例，在该实例中通过使用结构粘合剂320将复合材料带316的单层施加道外护套312来形成复合材料修补物。在复合材料带316足够宽以覆盖外护套312中的破裂的情况下和/或在加固(例如，与阻止流体流失相反)是主要功能的情况下，单层复合材料修补物可以是合适的。在图3b中，显示了多层配置，在该配置中通过结构粘合剂320将第一层316a施加到外护套312。然后将第二层316b施加到第一层316a以增强对由第一层316a中复合材料带的相邻缠绕产生的接缝之间的泄漏的抵抗。层316a和316b之间的重叠可以是足以密封下面的外护套312的任意量。图3b中显示了顶层316b在下层316a的相邻缠绕之间的接缝上方约50:50的重叠(50％来自上层的缠绕接触接缝的每一侧)，然而，所有值都在本公开的范围内，例如约0:100、约10:90、约20:80等。复合材料修补物还可包括重叠配置，其中一个或多个层具有以一定量与前面的缠绕的边缘的一部分重叠的相继缠绕。如图3c中显示，重叠配置可包括以通过结构粘合剂320固定到外护套312的单重叠层的方式布置复合材料带316。相继缠绕之间的重叠量可以是足以密封外护套的任意量，例如约50％、约40％或约30％。在多层和重叠配置中，包括图3b和图3c中显示的那些，可将结构粘合剂320施加到层316的全部或子集(类似316a,b)以促进层间结合。进一步，尽管提出了若干实例，但可以设想在不偏离本公开的范围的情况下，复合材料带可以经布置以形成具有3、4或更多个子层的复合材料修补物。多层配置还可包括以重叠配置的一个或多个层。本文公开的复合材料修补物还可包括安装一个或多个排气口，该排气口能够使加压气体和流体从柔性管道的层之间的环状空间释放。例如，在复合材料带中安装和缠绕的额外排气口可以弥补柔性管道其它部分(例如端部配件终端)中堵塞的排气口，复合材料修补物还可包括额外的附件，例如减少来自元素暴露的机械损伤的uv保护涂层或套。一旦通过本领域任意合适的方法检测到外护套弱点或破裂，就可以开始根据本文公开的方法的柔性管道的修补，以将修补区域的完整性恢复或提高到初始柔性管道规格。方法可包括确定破裂位置和，在一些情况下，通过清洁表面和/或使表面变粗糙来准备区域，以帮助复合材料修补物的施加。本文公开的方法可包括通过除去任何碎片或损坏的外护套来准备表面。在将复合材料修补物施加道柔性管道的外护套之前，可以清洁和/或打磨接触表面以增强修补程序中的结合。可通过物理或化学方法进行打磨，除去可能阻碍结构粘合剂和/或复合材料带施加的残留物和颗粒。物理打磨可通过砂磨、研磨、锉磨、压缩空气或其它物理打磨工具或方法来完成。化学打磨可通过溶剂、表面活性剂或其它清洁剂来完成。形成本文公开的复合材料修补物的方法可包括使用结构粘合剂将复合材料带固定到外护套，所述复合材料带在外护套中破裂上方形成复合材料修补物，以及任选地用固定装置在缠绕部分的端部使复合材料带固定。其它修补柔性管道的方法可包括将结构粘合剂施加到复合材料带，将复合材料带固定到柔性管道的外护套，以及任选地用固定装置在缠绕部分的端部使复合材料带固定。方法还可包括形成复合材料带的多层缠绕配置，其中结构粘合剂在复合材料修补物的一个或多个层之间(例如在外护套和复合材料带之间，和在复合材料带的相继层之间)形成层间结合。在一些实施方案中可以如下形成多层配置：围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的第一层，复合材料带的边缘形成具有复合材料带的邻接缠绕的第一层，随后围绕第一层螺旋地缠绕复合材料带并形成具有邻接缠绕的第二层。复合材料修补物还可包括重叠配置，其中一个或多个层具有以一定量与前面的缠绕的边缘的一部分重叠的相继缠绕。可以如下形成重叠配置：围绕柔性管道螺旋地缠绕单层，其中复合材料带的边缘重叠至少50％、至少40％或至少30％。重叠可施加到单层、多层配置中的单层或多层配置中的多个层。本文公开的实施方案包括以下。a.修补柔性管道的方法，包括：使用结构粘合剂将复合材料带固定到外护套的表面，所述复合材料带在外护套中破裂上方形成复合材料修补物；以及用固定装置在缠绕部分的端部使复合材料带固定。b.修补柔性管道的方法，包括：将结构粘合剂施加到复合材料带；和将复合材料带固定到柔性管道的外护套，所述复合材料带在外护套中破裂上方形成复合材料修补物。c.系统，包括：柔性管道；密封柔性管道外护套中的破裂的复合材料修补物，所述复合材料修补物包含围绕柔性管道螺旋地缠绕的复合材料带，以及将复合材料带固定到柔性管道的结构粘合剂。实施方案a、b和c可以任意组合的方式具有以下额外的要素中的一个或多个。要素1：其中在将复合材料带固定到外护套之前，将结构粘合剂施加到外护套的表面。要素2：其中在将复合材料带固定到外护套之前，将结构粘合剂施加到复合材料带。要素3：其中结构粘合剂包含结构粘合剂。要素4：其中结构粘合剂包含以下中的一种或多种：丙烯酸类聚合物和共聚物粘合剂，聚甲基丙烯酸丁酯、聚丙烯腈、丙烯腈-苯乙烯共聚物、乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚偏二卤乙烯、卤代乙烯聚合物、卤代乙烯共聚物、聚甲醛、聚乙烯基酮、聚乙烯基醚、聚乙烯甲醚、聚乙烯基芳族化合物、环氧树脂、聚氨酯、有机硅和基于橡胶的粘合剂。要素5：其中复合材料带包含纤维组分，所述纤维组分选自以下中的一种或多种：玻璃纤维、芳族聚酰胺、碳、高强度钢纤维、聚酯芳族聚酯、聚唑、e玻璃、聚酰胺、聚丙烯和复合材料织物。要素6：其中复合材料带包含聚合物基体，所述聚合物基体选自包括以下中一种或多种：中和高密度聚乙烯、热塑性聚氨酯、聚酰胺、热塑性弹性体、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸共聚物和聚丙烯。要素7：其中固定包括围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的层，复合材料带的边缘邻接并且形成单层。要素8：其中固定包括围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的层，复合材料带的边缘重叠至少30％。要素9：其中固定包括围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的第一层，形成第一层的复合材料带的边缘邻接，以及围绕第一层螺旋地缠绕复合材料带的第二层。要素10：其中第二层配置为在第一层的相邻缠绕之间的接缝上方约50:50重叠。要素11：其中用固定装置使复合材料修补物的一个或多个端部固定。要素12：其中固定装置是选自以下的一种或多种：带、软卡、管卡、caterpi l lar卡、夹具、系件、扎件、o型环、绷带和粘合剂。要素13：其中在固定复合材料带之前，通过一种或多种清洁和打磨中的一种或多种来准备外护套的表面。要素14：其中密封进一步包括安装排气口。要素15：其中固定包括围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的第一层，形成第一层的复合材料带的边缘邻接，以及围绕第一层螺旋地缠绕复合材料带的第二层。要素16：其中固定包括围绕柔性管道螺旋地缠绕复合材料带的层，复合材料带的边缘重叠至少50％。要素17：系统进一步包括一种或多种将复合材料带的端部固定到柔性管道的固定装置。作为非限制性实例，适用于a的示例性组合包括但不限于，1与2至14中的任意一个或多个；2与1和3至14中的任意一个或多个；3与1至2和4至14中的任意一个或多个；4与1至3和5至14中的任意一个或多个；5与1至4和6至14中的任意一个或多个；6与1至5和7至14中的任意一个或多个；7与1至6和8至14中的任意一个或多个；8与1至7和9至14中的任意一个或多个；9与1至8和10至14中的任意一个或多个；10与1至9和11至14中的任意一个或多个；11与1至10和12至14中的任意一个或多个；12与1至11和13至14中的任意一个或多个；13与1至12和14中的任意一个或多个；以及14与1至13中的任意一个或多个。适用于b的示例性组合包括但不限于，15和16中的任意一个或多个。适用于c的示例性组合包括但不限于17。因此，公开的系统和方法很好地适合实现提及的目的和优点以及其中固有的那些。上文公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开的教导可以以不同但等效的方式修改和实施，该方式对于受益于本文教导的本领域技术人员来说是显然的。此外，除了以下权利要求书中所描述的之外，对本文显示的结构或设计细节没有任何限制。因此明显的是，上文公开的特定说明性实施方案可以被改变、组合或修改，并且所有这种变化都被认为在本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可在没有本文未具体公开的任意要素和/或本文公开的任意任选要素的情况下适当地实施。虽然组合物和方法用“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤的措辞来描述，但组合物和方法也可以“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。以上公开的所有数值和范围可以以一定量变化。每当公开具有下限和上限的数值范围时，明确公开了落在该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地，本文公开的每个值的范围(形式为“从约a至约b”，或等效地，“从约a至b”，或等效地，“从约a-b”)应被理解为阐述了包括在更宽泛的值的范围内的每个数值和范围。另外，权利要求中的术语具有其普通的、一般的含义，除非专利权人另外清楚地和明确地定义。此外，如权利要求中使用的不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”在本文被定义为意为一个或多个其引导的要素。如果本说明书中的措辞或术语的用法与通过引用并入本文的一个或多个专利或其它文件有冲突，则应采用与本说明书一致的定义。如本文所用，在一系列项之前的措辞“至少一个”(用术语“和”或者“或”来分隔任何项)，作为一个整体修饰该列表，而不是列表中的每个成员(即每个项)。措辞“至少一个”允许的含义包括所述项中的任一个中的至少一个，和/或所述项的任意组合中的至少一个，和/或所述项中的每个中的至少一个。作为实例，措辞“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一个”各自指仅a、仅b或仅c；a、b和c的任意组合；和/或a、b和c中的每个中的至少一个。方向术语如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的使用与图中描述的说明性实施方案相关使用，向上方向是朝向相应图的顶部，向下方向是朝向相应图的底部。

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技术实现思路