一段流体运输管的电热系统、段以及装配有该电热系统的管

摘要

本发明涉及至少一段(1)流体运输管(2)的电热系统，管包含待运输流体流过的套管(3)，加热系统包括设置在套管(3)周围用于通过连接元件(21和22)由电源供电的电线(4)，电源包含多相。在该系统中，电线(4)设置在一套(9)多组(10a、10b和10c)上，每组包括多根电线(4)。该套中每组可由不同相供电，该电热系统包含进行电连接且将每组中电线连接在一起的连接单元(7)。

说明书

技术领域

本发明的技术范围是：流体运输管的加热系统。本发明特别涉及远距离烃类海底或陆地 运输。

背景技术

为了在寒冷环境中运输流体，例如，烃类的海底运输，技术方案在于加热管以避免流体 冷却形成障碍物。因此，必须通过加热运输管来保持最低温度。电热可解决此问题。

加热设备的鲁棒性必须适合于运输管所在的环境条件。海底烃类运输管道可设置到几千 米深处以至于很难对这些管道进行任何维修操作。同样的困难也出现在铺设在恶劣环境下的 陆地管道上。

运输管的电热线通常位于烃类流管上且设置在一保护套管下。保护套下一层的隔热材料 通常设置在电热线和烃类流管周围，以促进与内管的热交换进而限制对外部的损耗。一个称 为管中管的双壁管包括设置在形成内烃类流管的内金属套管周围的金属外保护套管。

一旦就位，烃类运输管的长度达数万千米，这样，电热电缆的长度也达数万千米。沿着 与那输管设置的电线可特别串联装配，因而形成沿管道延伸的直线。例如，由三相电源供电 的三根直线连接到该管的另一端再连接到电源三相，在管的另一端连接在一起形成一电平衡 星组件。三根直线通常均由电连接器连接的串联设置的多根电缆构成。因而，三根电线多套 沿运输管且绕其外围设置，每个套构成一个加热电路。在此处，加热系统通过焦耳效应工作， 且当加热系统包含电磁部件(电感加热)时，其也是适用的。

然而，当两根电线连接不佳时就会出现问题。全线失效，因而其加热电路也会失效。因 而，既然电安全部件可使与缺陷线路有关的线路失效，运输管的加热会恶化。

任何一段首尾装配形成的管道可能会出现与电连接相关的故障问题。对于一般长为12 米、24米或72米且由铺管船上设置在海底的逐个形成管道的直段，出现该问题的几率很大， 因而其设置在海底后，不可能作用于管。

众所周知，电系统的故障大部分与连接故障有关。电线和段的倍增导致管的长度倍增， 继而导致了系统包含数万的连接，结果增加了整体风险上升到难以接受的程度。

例如，100千米的管装配在多个20米段内，每段整合了60根电线，每千米有3000个连 接处，加起来总共有30万个连接处。

因而，针对电连接的故障，对于电线加热的管来讲，有必要提高电热系统的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的是提供一段的电热系统，其针对电连接处故障的鲁棒性得以提高，从而克 服现有技术中的一项或多项缺陷。

该目的通过至少一段运输管的电热系统实现，管包含待运输流体流过的套管，加热系统 包含设置在套管周围通过连接元件由包含多相电源供电的电线，其中电线形成至少多组一套， 每组包含多根电线，每组由不同相供电，电热系统包含进行电连接且将每组电线连接在一起 的连接单元。

根据本发明特性，所述连接单元设置在该段的两端间的中间区域。

根据本发明另一特性，设置在段两端的连接元件与属于同一组的电线识别元件相关。

根据本发明另一特性，每套包含一些组，该组的数量与电源相的属相一致，每套中的每 组包含同样数量的电线，这些组有同样的阻抗性。

根据本发明另一特性，加热系统包含多根电线的多组的多套。

根据本发明另一特性，设置在金属流体运输套管上的电热线通过一个电绝缘导热护套来 进行电绝缘。

本发明的另一对象涉及包含一段流体运输管，该管包括待运输流体流经的第一套管，根 据本发明，一个加热系统配置在该管上。

根据本发明另一特性，该段包含设置在第一套管周围且与其保持一定距离的第二套管， 进而形成一个环形区域，将连接单元和多根电线的多组多套覆盖。

根据本发明另一特性，沿管设置的一些段包含加强环，加强环用于连接第一和第二套管 进而在第一和第二套管间形成一环形壁。在环形壁内设置通道以容置将同一组电线连接在一 起的连接单元。这样的加强环称为“隔板”。

根据本发明另一特性，配置连接单元的加强环构成水密隔板，以气动切断上流环形区域 与下流环形区域。

根据本发明另一特性，加强环沿管道按照一定间隔，例如每隔一米，进行设置。

根据本发明另一特性，该段包括指示连接单元存在的外部标志。

本发明的另一对象涉及流体运输管，该管包含配置有电热线的多段，电热线通过段间连 接处的所述连接元件连接在一起，所述连接元件设置在管一端，管连接到电源或最后电连接 器的中性点，根据本发明，管还包括一段或多段。

该管，例如，是烃类运输管。

最后电连接器，例如，是三相电源的星组件的中点。

根据本发明另一特性，管包括多段，这些多段未配置将同一组的电线连接在一起的连接 单元；两种段，该两种段配置有同样数量的电热线，这些电热线在两段连接处串联。

根据本发明另一特性，三相电源包括其三相，该三相连接在管的一端再连接到电线；各 套各组的电线，各套各组的电线在管另一端进一步连接在一起形成每个加热电路的星组件。

根据本发明另一特性，每个加热电路包括设置在管外部的电源板上的保护和控制单元， 例如保险丝。

本发明的另一对象涉及包括段的烃类运输管的铺设工艺，每段包括待运输流体流经的内 套管和外套管，内套管和外套管形成一环形空间，一块绝缘材料设置在环形空间内，电线设 置在内套管周围且通过连接元件由多相主电源供电。其工艺如下：

-终端段的内套管焊接到加强环的内圈上，加强环包含与其内圈一体的外圈；

-根据至少一套多组多电线，电线的连接元件连接到加强环的连接元件，所述套中各组 通过主电源的不同相供电；

-电热线由至少一个附加电源临时供电，该附件电源包含多相，每相对同一组中的每个 电线分别供电；

-通过焊接一个套管或两个半壳体形成的管状元件，将管的外套管连接到加强环的外 圈；

-每组中各个电线电连接在一起。

此外，通过烃类运输管的铺设工艺，部分管需要进行预应力，管包括几段，每段与两端 的加强环连接。预应力一部分一部分进行。为此，仅在装配阶段，使用电热电路以便优先加 热内管使其通过焊接到外管而固定前膨胀到预定长度。电线的特定组织可减少选择加热的管 的长度，以便于在施工阶段一部分一部分进行预应力。该铺设工艺特别适用于管的陆地装配。

根据本发明另一特性，当电热线通过所述附加电源临时加热时，要直接监控或通过测量 内套管的相应轴向膨胀来监控内套管的温度，以便将内套管加热到外部环境下最高操作温度 和最低操作温度之间的中值温度。

根据本发明另一特性，将外套管连接到加强环的外圈之前可按照管状元件的安装区域将 隔热材料径向设置在第一套管周围。

根据本发明另一特性，多段被铺设且机械地电连接在一起，这些段设置在两加强环之间， 其中，同一组的所述电线电连接。

本发明的其他特征，优点和特性将通过以下实施例中的附加说明更加突出，将通过实例 和参考附图来具体说明，具体如下：

-图1示出了根据本发明的段；

-图2示出了根据本发明的管；

-图3示出了根据本发明的管的电热系统；

-图4示出了加强环；

-图5示出了根据本发明的连接单元所处加强环中壳体的剖面图；

-图6示出了根据本发明将三根电线电连接的连接单元的分解图；

-图7和8示出了端对端安装的两段的端部；

-图9示出了连接器外套管前连接在一起的两段；

-图10示出了将两双壁段的外套管连接在一起的两半管的安装；

-图11示出了成组的连接元件的相互配合；

-图12示出了按照电线是否属于同一组或不同组来进行电线间阻抗的测量；

-图13示出了铺设预应力管的不同阶段；

-图14示出了面向端段设置的加强环的剖面图；

-图15示出了说明已安装管最后部分的临时加热的剖面图；

-图16示出了最后安装部分进行预应力管端部的剖面图。

具体实施方式

现在，对本发明进行具体说明。

图1示出了与其他段装配在一起形成运输流体如烃类的管2的段1。该段包括待运输流 体流经的第一套管3，或内套管。

第二套管11设置在第一套管3周围且与其保持一定的距离。套管3和套管11界定一 环形区域26。环形区域26容置，例如，加热系统以及第一套管3的隔热材料。第一套管3 可为金属材质制成，同样第二套管11也可为金属材质制成。第一套管3和第二套管11，例 如，可用钢材或其他金属制成。明确示出第二套管11以显示加热系统，无绝缘材料显示在图 1中。

设有单套管的管可设想具有电热线，电热线压向金属套管的外壁且通过采用皮带或塑料 套管等固定方式固定到位。

加热系统包括设置在第一套管3周围的电线4。所述电线4由具有多相的电源通过连接 元件21和22来供电。电源的相指定电源供电的供应点。中性电线可被指定作为电源相使用。 本领域技术人员确定直流电源的设想以及为了清楚起见，此处的讨论是基于相位概念。

电线4设置成多组10a，10b和10c的一套9，每组包括多根电线4。套9中每组由不同 相来供电。另外，加热系统包括进行电连接的将多组10a、10b和10c中的各个电线电连接在 一起的连接单元7。

如图1所示，双壁段的环形区域26用于覆盖部分加热系统，该加热系统包含连接每组 中电线4的连接单元7。

设置外指示标志15制成用于指示将各组电线连接在一起的连接单元7的存在。指示标 志15在段1的外部是明显的。标志15，例如，喷涂或雕刻在外套管11的外部。

一端8a的连接元件，例如，是母联轴器22，另一端8b的连接元件是公联轴器21。因 此，通过其内流体运输套管3焊接在一起的段与串连在一起的电线4相关。双壁管即可保护 加热和隔热系统。

如图1，例如，连接单元7设置在段1两端8a和8ba之间的中间区域内，然而，连接单 元7也可位于连接元件21和22的水平面上。

图2示出了根据本发明的管2，其加热系统包括三组10a、10b和10c一套9，每组包括 电线4，且由不用相供电。设置在外套管11外的终端29a、29b和29c均连接到管17一端的 一组10a、10b和10c。终端29a、29b和29c也均连接到电源相6a、6b和6c。

管2延伸在流体喷出套(例如，井口)和流体接受套27(例如，油水分离装置)之间。

如图2所示，管2包括配置有连接同一组电线的连接单元7的多段1。多段1即可由外 部标识15指示，外部标识15，例如，同与多段1一体的加强环2相对应，但是，其他标志 也可设置或位于沿段的任何位置。配置有连接单元7的有标志的段均匀插入形成管道2。

管2也包括，例如，多段16，其未配置将电线4连接在一起的连接单元7；两种段，其 配置有同样数量的电线4，这些电线4两两串联在两段16或1之间的连接处25。

成为星点的电中性点24形成在管端部。为了获得更长的长度，可沿管道间隔设置多个 电源点。

可设置三相式电源5，其三相6a、6b和6c首先连接在管一端17然后连接到电线4；其 次，连接到管2的另一端18，各套9中的各组10a、10b和10c的各电线4进一步电连接在 一起形成电星组件的中性点24。

图3示出了流体运输管的加热系统。连续段的电线之间的连接由相对两点而一体化。 此处，电源5传输平衡三相电源的三相6a、6b和6c。因而，这些相在与端17相对的端18连 接在一起，形成平衡星组件，其中，电源在端17连接。

加热系统包括多组10a、10b和10c多套9，每组包括电线4。由于实际原因，此处仅示 出两套9，但是可设置更多套。用于控制和保护且位于发电机5和加热电路9之间的连接元 件未示出。

每套9包括可作为电源5的相6a、6b和6c的多组10a、10b和10c。此处，每套9包 括三组，每套9中的每组10a、10b和10c分别包括同样数量的电线4，因而，各组10a、 10b和10c具有相同的阻抗。

如图3所示的电气图中，未配置连接单元7的多段16与配置连接单元7的段1相关。 根据本发明，管也设置成所有段都配置连接单元7，这有利于连接单元7与加强环13以近1 千米的距离间隔连接在一起，进而限制过渡阶段产生的内套管和外套管之间的相对位移。该 距离与方向变化相关的弯道处可变短。

这样，有利于位于两段连接处25的连接元件21和22之间的连接有问题时，仅在该有 缺陷连接的任何一侧的最近的连接单元处，将电线中的电流断开。相比沿管2延伸的线路的 全长，部分不通电电线的长度是短的，因此，一组电线的阻抗又很少的变动，且该套保持平 衡和动态的。

连接单元7确保与单元7相关的所有组的下流电线供电。实际上，上流组中至少有一根 电线给连接单元7供电。

设置在金属套管3上的电热线4通过一护套进行电绝缘。该护套是电绝缘和导热的，且 可通过焦耳效应发热。例如，电线由铜制成，电绝缘材料由聚氯乙烯、硅或氟聚合物制成。

端对端设置的多段，例如，是直段。该种段一般测量为12米、24米或72米。根据本发 明，缠绕段，长度一般为1千米，配置有多个连接单元7，这多个连接单元7沿缠绕段间隔 设置。

因而，根据本发明，加热系统可克服缺陷电连接或其他故障，如电线4断裂。通过设置 预定加热电源，保持对管周围的加热线的加热是动态的。

也可能提供包括两根或四根或五根或更多电线的组。

多套段包括多组，每组包括多根电线，可选择每套中多组的电线数量，例如，作为装备 该段的电线总数的一个函数，以形成成组的类似阻抗。

多组可用作多相。

图4示出了将内外套管3和11连接在一起的加强环12。该加强环12也称为“隔板”。 该加强环12有利于将段分割为两个半段，该两个半段焊接在该加强环12的两边；然而，该 加强环12也可位于该段的端部。该加强环包括一内圈30和一外圈31，该内圈30和外圈31 通过环形壁13连接在一起。多个通道14设置在壁13内。

生产管时，段的内套管首先焊接在内圈30的每一边。然后，该段的外套管焊接在外圈 31的每一边。因而，形成配置有加强环12的段1。在段外部可看到外圈31，因而组成以 上说明的标志15。

图5示出了配置有连接单元7的通道14的剖面图。连接单元7可位于通道14内。进而， 上圈31和下圈30之间的间隙与设置有电线4的环形区域26的高度相对应。未占用的通道 14可形成一贯穿管道内环形区域26长度的连续连通通道。

图6示出了将三根电线4连接在一起的一连接单元7的一个实例。连接单元7包括一个 中间圆柱形部分32，该圆柱形部分32的尺寸可使其固定在以上说明的通道14内且形成在加 强环12内。

所述圆柱形部分32可使加强环密闭，从而相互标记上流和下流环形区域的阻抗。水密 性将流体的任何泄露限制到环形区域内。

中间圆柱形部分32通过所述中间圆柱形部分32两边的三个公连接器33延伸。所有6 个连接器33都电连接在一起，所述圆柱形部分32和公连接器33的外部电绝缘，仅公连接器 33的端部是导电的。

设置在电线4端部的母连接器32位于公连接器33上形成电连接。因而，各组内的三根 电线4的可连接，有利于多段内进行电连接，当段连接在一起用于铺设管道时，壳体内的电 连接比海底内的电连接更稳定。该段生产讨论后，段内同一组电线的电连接可对该连接立即 进行测试，以提高可靠性。

图7示出了双壁管道的两段1a和1b的连接。每段包括包围一层设置在电热线4上的绝 缘材料19的外套管11，电热线4位于内套管3上。电线4的端部配置有连接器21和22。 段1a的公连接器21可插入另一段1b的母连接器22内。连接器21和22均配置有识别元件 20。

图8示出了通过将两个内套管焊接在连接处25而连接在一起的内套管3的两端。电线 14连接在一起。因而，电流可从一端输送到另一端，进而电线4通过公连接器21或母连接 器22作为连接元件两两连接。

图9示出了通过隔热材料19对连接处电线进行覆盖。这样，隔热材料19沿内套管周围 的管而设置。

图10示出了连接两外套管11的半圆柱体23的安装。因而，可沿双壁管道设置连续外 套管。此处，段的内套管比其外套管长。

也可设置其外套管与内套管的长度相同的段，外套管被平移以使内套管之间连接处25 所在区域清晰。电连接以及开始实施绝缘后，平移外套管以通过焊接连接到另一段的外套管。

既然约24米的包括60根电线的多段端对端装备形成长度为2千米的管，多段连接处的 电连接数量大约为5000个。此处，处理一些电故障的重要性是易于理解的。

图11示出了连接元件21和22的相对定位。设置在段两端的连接元件21和22与同一 组中电线4的识别元件20相关。在包括三组10a、10b和10c的套9中，每组包括电线，指 示各个电线属于哪组的统一元件10重复设置三次，然后，另一元件20重复设置三次，以此 类推。这样，两个连续组与不同指示元件20相关。

指示属于同一组的识别元件20可设置在连接元件21或22的一面。例如，指示属于同 一组的识别元件20可通过喷涂或雕刻的标记来实现。

图11没有全部示出不同公连接器、母连接器上不同的识别标志或符号如三角形、星星、 正方形或圆圈。也可使用不同颜色来指示。

有利于界定同一组电线。图11示出了与不同识别元件20提供的指示相一致的连接的实 例。在该实例中，每组包括同样数量的电线，不管电线属于哪组。因而，同一组的所有电线 均连接到另一组电线的情况下，一组可任意连接另一组。

识别元件20便于避免不同组之间的连接。

连接器可成组机械地连接在一起，从而使一次动作中，一组中所有电线与另一组电线连 接。这会减少操作的数量且保持每组沿管的连续性。

如图12所示，可电测试线路以便确定哪些电线属于同一组。这样的电测试，例如，是 一种阻抗的测量。因而，除去实现管从星点到第一连接7的阻抗外，欧姆计M1测量的同一组 中两根电线间的阻抗小于欧姆计M2测量的属于不同一组的两根电线间的阻抗。

现在，对预应力管的设置进行说明。连续设置步骤在图13中已阐明，安装过程中，管 端部的附图如图14-16所示。图14-16阐明了连续步骤。

如图14所示，已安装管部分的端部包括内套管3，一外套管11绕内套管3而设置。两 套管3和11形成双壁管。套管3和11之间形成环形区域，隔热材料19即可沿电绝缘加热线 设置在该环形区域内。测量温度的元件，如测量温度的光纤，也可设置在环形区域内。与内 套管3相对设置的电线的尺寸要有利于加热烃类运输管。

在已安装管端部，内套管3相对于外套管11突出，因而，内套管3可焊接到加强环12 的内圈30上。

加强环12(隔板)包括与内圈10一体的外圈31。内圈30和外圈31通过一墙壁连接在 一起。通道14绕墙壁直径设置在墙壁内，通过通道14，可连接到设置在环形区域内的电线。

内套管焊接到加强环12的内圈30后，电线4的连接元件连接到加强环12内的电连接 元件。连接点40即如图15所示。

电线4的端部连接后，电线成组连接到附加电源35的相。附加电源35，例如，包括三 相36a、36b和36c，每相均连接到同一组电线中的每个电线。既然每组中电线4在之前就位 的加强环12的水平面上连接在一起，最后一组电线的最后部分因而以星的排列方式通电。每 套中示出的三组10a、10b和10c均包括三根电线4，这三根电线4由电连接单元7在加强环 12处连接在一起。

通过给电阻式电线供电，由焦耳效应释放热量。管，主要是其内套管通过导电而加热。

单相附加电源可用于加热每组电线的最后部分，电流通过每组中电线的电连接单元7返 回。

由附加电源35加热仅是临时性的。加热温度可通过设置在环形区域内与内套管3相对 的光纤39来监控。因而，光纤39可临时连接到温度监控装置38。

也可测量内套管的轴向膨胀，这样的膨胀代表内套管的温度。

电线4连接到附加电源35后，加热已安装管的最后部分。通过同一组内电线间的电连 接单元7来返回加热电流，这些电连接单元7设置在之前安装的加强环12内。

有利于使用电能进行预应力加热以提高管加热的效率。使用不可再用流体的效率是，例 如，20％，然而，电加热的效率是，例如，90％。

此外，由于必须临时设置加热流体循环电路，所以进行流体基加热是更复杂的。

另一优势在于仅加热已安装管的最后部分去进行预应力，从而便于预紧管的设置。已安 装的最后部分的定向加热进一步提高了效率。

预定阶段可激活加热，或依靠测量温度或已观察膨胀激活加热。

操作者可依靠温度监控装置38读出的数据激活附加电源35。当达到所需温度时，操作 者可切断附加电源35。

操作者也可测量内套管的轴向膨胀。当内套管膨胀到操作者测量的预定长度时，操作者 可切断附加电源35。对于长度为1千米的，设置在零摄氏度环境下的用于在150摄氏度下操 作的管部分，操作者加热该部分直到其达到约1米的轴向膨胀。该轴向膨胀与75摄氏度的中 值温度相对应。

因而，激活内套管3加热以达到最高操作温度和最低操作温度间的中间温度。例如，可 选择中值温度。加热主要是使内套管膨胀，外套管和加强环12之间的间隙E41随着温度的升 高而变宽。与预期中间温度对应的宽间隙E42如图16所示。

当达到中间温度时，绝缘材料19放置在内套管3周围。该绝缘材料固定到位，例如， 通过其周围的薄钢片来紧固。

绝缘材料19就位后，管的外套管11连接到加强环12的外圈31。这可以通过焊接一个 管状元件来实现。

管状元件可由套管37形成，套管37的内径与管的外径以及加强环12的外径相对应。

管状元件也可以由两个半圆柱型的半壳体构成，该半圆柱型的半壳体的外径与管和加强 环12的外径一致。这样的半壳体即参考图10进行说明。

加热到中间温度可使管进行预应力。在特别冷的外部环境中，由于温度的变化，最大应 力的绝对值因而减少。将预应力中值温度调整到最大外部温度和最低操作温度之间的中值温 度，使机械应力的最大绝对值减少约一半。

管状元件固定到位后，埋入新安装的管部分。预应力管因而被设置到地下。可继续加热 内套管直到管设置到位。

最后预应力部分设置后，断开附加电源35和温度监控装置38。

附加电源35断开后，每组10a、10b和10c的电热线通过连接单元7连接在一起，如 图16所示。

因而，管端部被用于连接其他配置有加热线的段。

根据未说明的变化，电源断开以及各组电热线连接在一起后，可进行埋入步骤。

后继段的内套管焊接到加强环12的内圈30上。加强环的电连接21与该段的电连接在 一起。该段的外套管焊接到加强环的外圈。

然后，多段端对端电气机械地装配在一起。内套环焊接在一起。电连接件两两设置。外 套管焊接在一起。

之后，端段的内套管焊接到加强环12的内圈上的步骤可按照上述说明重复进行。

该领域的技术人员必须明确的是本发明可以有其他不同的实施例。因此，必须认为当前 实施例对于由所附权利要求书限定的本发明来说仅是描述性的。