申请/专利权人：中国石油大学(北京)

申请日：2018-01-19

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN108558281B

主分类号：F16L9/14(20060101)

分类号：F16L9/14(20060101);C04B24/32(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.10.23#实质审查的生效;2018.09.21#公开

摘要：本发明公开了一种海底夹层管道及其专用相变微胶囊。该相变微胶囊由芯材和包裹所述芯材的壳材组成；所述芯材为相变材料；所述壳材为麦芽糊精、海藻胶、环氧树脂和聚丙烯腈中的任一种。本发明将相变材料及纤维增强复合材料应用于海底油气输送管道，在油气开采过程中从管道内输油气吸热，在关井或停输过程中向管道内介质放热，利用开采油气热量进行管道自保温，节约能源；可以保证海底管道满足耐压、轻质便于安装、保温、抗疲劳的要求，形成可靠性高、成本低的海底油气输运解决方案。本发明海底夹层管道结构简单，力学性能好、保温效果突出、安全性高，是一种用于连接水下井口及海上采油平台的新型回接管道。

主权项：1.一种海底夹层管道，它包括内层钢管、外层钢管以及中间的夹心层，其特征在于：所述夹心层为掺有相变微胶囊的水泥基；所述水泥基中还掺有聚乙烯醇纤维；所述相变微胶囊由芯材和包裹所述芯材的壳材组成；所述芯材为相变材料；所述壳材为麦芽糊精、海藻胶、环氧树脂和聚丙烯腈中的任一种；所述相变材料为相变温度为38~41℃的聚乙二醇微粒；所述相变材料的质量为所述相变微胶囊的质量的42%~55%；所述相变微胶囊的直径小于0.8mm；所述相变微胶囊的密度为110~130kgm³；所述聚乙烯醇纤维的弹性模量为25~40GPa，密度为1.30gcm3，抗拉强度为880~1800MPa，极限延伸率6~10%；所述聚乙烯醇纤维的直径为0.01~0.015mm；所述聚乙烯醇纤维的体积百分含量为0.1%~2%。

全文数据：一种海底夹层管道及其专用相变微胶囊技术领域[0001]本发明涉及一种海底夹层管道及其专用相变微胶囊，属于海底油气输送管道领域。背景技术[0002]目前，深海油气代表了当今世界石油开发的一大趋势，深海管道长距离输送中以蜡结晶及水合物生成为代表的流动保障问题日益凸显。[0003]保温技术的分类很多，根据有无电源可以分为被动保温技术和主动加热技术，主动加热方式分为热流体加热和电加热，例如:平台电加热、集肤效应伴热和直接电加热等；被动保温技术主要是指对管道的结构和材料进行优化设计从而达到更好的保温效果，例如聚丙烯复合保温体系、不发泡聚氨酯复合保温体系、钢套钢保温体系和单层管保温体系等。针对流动保障问题所应用的海底管道保温技术虽然已得到发展，但是由于被动保温方式安全可靠性低、主动保温方式成本投入大，其效果均不能满足深远海油气长距离输运的流动保障要求。发明内容[0004]本发明的目的是提供一种海底夹层管道及其专用相变微胶囊，该海底夹层管道利用相变微胶囊中的高分子相变材料使得管道内油气温度始终保持在蜡结晶及水合物形成的临界温度以上，从而根本解决其流动保障问题。[0005]本发明提供的一种相变微胶囊，它由芯材和包裹所述芯材的壳材组成;所述芯材为相变材料;所述壳材为麦芽糊精、海藻胶、环氧树脂和聚丙烯腈中的任一种。[0006]上述的相变微胶囊中，所述相变材料可为下述1-4中的任一种：[0007]1高分子类相变材料；[0008]2相变温度为25〜45°C如38〜4广〇的高分子类相变材料；[0009]3聚乙二醇和高密度聚乙烯中的任一种；[0010]4分子量为2000〜4000如2000的聚乙二醇和高密度聚乙烯中的任一种。[0011]上述的相变微胶囊中，所述聚丙烯腈的分子量可为30000〜80000，如50000。[0012]上述的相变微胶囊中，考虑到相变微胶囊的直径、体积和相变材料的相变，所述相变材料的质量可为所述相变微胶囊的质量的42%〜55%，具体可为50%。[0013]上述的相变微胶囊中，所述相变微胶囊的直径小于0.8mm，具体可为142um，密度可为110〜130kgm3,具体可为110kgm3,储能密度高、热稳定性好。[0014]本发明进一步提供了上述相变微胶囊的制备方法，包括如下步骤:将所述壳材包覆在所述芯材的表面，即可得到所述相变微胶囊。[0015]上述的制备方法中，所述方法具体可包括如下步骤：[0016]1在分散相和连续相的混合液中加入乳化剂，搅拌乳化，得到乳化液;所述分散相由所述芯材和所述壳材组成;所述连续相为水或有机溶剂；[0017]2搅拌所述乳化液进行所述包覆，得到所述相变微胶囊；[0018]步骤（1中，所述分散相与所述连续相的质量比可为2〇%〜30%:1，具体可为25%山[0019]所述分散相中，所述芯材和所述壳材的质量比可为1:0.8〜1.2。[0020]所述乳化剂可为烷基苯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、失水山梨醇脂肪酸酯等，优选失水山梨醇脂肪酸酯SPAN-80。[0021]所述乳化剂的质量可为所述分散相和所述连续相质量之和的0.5%〜2%，具体可为1%〇[0022]所述连续相可为甲苯。[0023]所述搅拌乳化的时间可为5〜lOmin，具体可为8min。[0024]步骤2中，所述搅拌的转速可为200rmin〜500rmin，具体可为300rmin，温度可为45〜60°C，具体可为50°C;时间可为3〜5小时，具体可为4h。[0025]本发明还提供了上述相变微胶囊在制备海底管道如海底夹层管道中的应用。利用相变材料吸收或释放热量，使海底管道始终保持在水合物和蜡结晶形成的临界温度之上，解决其流动保障问题，实现海底管道的保温。将相变材料储存于微胶囊中，可以固定其形态并解决封装问题，微胶囊的存在将增大水泥基夹层的抗压强度，进而增强管道的抗压能力。[0026]本发明还提供了一种海底夹层官道，它包括内层钢管、外层钢管以及中间的夹心层，其特征在于:所述夹心层为掺有上述相变微胶囊的水泥基。[0027]上述的海底夹层管道中，所述相变微胶囊的体积含量根据管道保温要求而定，如保温要求为6小时内温降80°C左右时，夹心层中相变微胶囊的体积含量为30%，保温要求为24小时内温降80°C左右时，夹心层中相变微胶囊的体积含量为⑼％，具体可根据实验数据确定。[0028]上述的海底夹层管道中，所述水泥基中还可掺有聚乙烯醇PVA纤维。所述聚乙炼醇纤维增强了海底管道的抗拉性能，可增强海底管道在更深更复杂海况下的安装承载能力，更能适应深水安装工况。[0029]上述的海底夹层管道中，所述聚乙烯醇纤维的弹性模量为25〜40GPa如35GPa，密度为l_30gcm3,抗拉强度为880〜1800MPa如1500MPa，极限延伸率6〜10%如6〜8%〇[0030]上述的海底夹层管道中，所述聚乙烯醇纤维的直径可为0.01〜0.015mm，具体可为0.015mm〇[0031]上述的海底夹层管道中，所述夹心层中，所述聚乙烯醇纤维的体积百分含量可为0.1%〜2%，具体可为0.1%。[0032]本发明具有如下有益效果：[0033]1本发明海底夹层管道的耐压、抗弯性能强。将相变材料储存于微胶囊中，可以固定其形态并解决封装问题。相变微胶囊的存在将增大水泥基夹层的抗压强度，进而增强管道的抗压能力。含量为0•1%〜2%、直径为0•012mm〜0.014mm的聚乙條醇PVA纤维，会提高水泥基夹层韧性，提升其抗弯能力，避免夹层材料发生脆性开裂。[0034]2本发明海底夹层管道的保温效果好。相变微胶囊及纤维增强的海底夹层管道，在油气开采过程中从管道内输油气吸热，在关井或停输过程中向管道内介质放热。利用开采油气热量进行管道自保温，节约能源。[0035]3本发明海底夹层管道的易于制造。对于相变微胶囊及纤维增强的海底夹层管道，其制备工艺已比较成熟，在其夹层水泥基中掺入聚乙烯醇PVA纤维和相变玻璃微珠，己有相关的制备工艺可以参考。[0036]4本发明将相变储能材料及纤维增强复合材料应用于海底油气输送管道，可以保证海底管道满足耐压、轻质便于安装、保温、抗疲劳的要求，形成可靠性高、成本低的海底油气输运解决方案。本发明海底夹层管道结构简单，力学性能好、保温效果突出、安全性高，是一种用于连接水下井口及海上采油平台的新型回接管道。附图说明[0037]图1为本发明相变微胶囊及纤维增强的海底夹层管道的结构示意图。[0038]图2为图1的截面图。[0039]图3为夹芯层的局部放大图。[0040]图中，各标记如下：[0041]1内层管、2夹心层、3外层管、4聚乙烯醇纤维、5相变微胶囊。具体实施方式[0042]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。[0043]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。[0044]实施例1、制备相变微胶囊[0045]采用相变温度在38〜4rc左右的高分子相变材料聚乙二醇微粒，其粒径为142wn聚乙二醇，分子量2000,上海倍科化工有限公司；CAS高分子材料）：25322-68-3。[0046]选择甲苯作为连续相，失水山梨醇脂肪酸酯（SPAN_8〇为乳化剂，以聚丙烯腈分子量为50000为壳材，以聚乙二醇微粒为芯材。制备过程通风橱中进行，室温2〇t：，相对湿度65%。[0047]按照如下步骤制备相变微胶囊：[0048]1以5_40g聚乙二醇和5_425g的聚丙烯腈为分散相，以50mL有机溶剂甲苯为连续相，分散相与连续相的质量比为25%:1;将乳化剂SPAN-80加入分散相和连续相的混合液中，乳化剂的质量为分散相和连续相总质量的1%，搅拌，乳化分散8min，得到乳化液；[0049]2搅拌乳化液均化搅拌速度为300rmin，时间为4小时，温度为5〇。〇，使核芯材料能够被均匀包覆，最终形成在聚乙二醇微粒外包裹一层性能稳定的微胶囊膜的具有核壳结构的相变微胶囊，依次进行过滤、萃取表面试剂并干燥恒温干燥箱中40°C下放置1个小时），得到相变微胶囊。[0050]本实施例中所制备得到的相变微胶囊的直径为142wn，密度为11〇kgm3;相变材料的添加量可为相变微胶囊的质量的50%。[0051]实施例2、制备海底夹层管道[0052]—、制备过程[0053]1、夹心层的制备[0054]选用泰安全友工程材料有限公司的聚乙烯醇PVA纤维，其弹性模量为35GPa，直径0•015mm，抗拉强度150OMPa，极限延伸率6〜8%。按照每方混凝土掺量聚乙烯醇PVA纤维0•9〜1.8kg的量与水泥基混合搅拌。砂石料备好后，将纤维和相变微胶囊相变微胶囊的直径为142wn，体积百分含量为夹心层的30%加入，使用强制式搅拌机将集料连同纤维—起加入搅拌机，须注意应保证纤维加在集料之间，千拌30s左右，加入水后，湿拌3〇s左右，使纤维充分分散。搅拌完成后随即取样，如纤维已均匀分散成单丝，则混凝土可投入使用，如果仍有成束纤维则延长搅拌时间20〜30秒，即可使用。[0055]2、夹层管道的制备[0056]先分别制备好内层管和外层管（内层管和外层管均为符合Api5L标准的X56碳钢，外层管外径为406•4mm，壁厚为8•8麵，内层管外径为323•9mm，壁厚为7•0mm，将两管的一端固定，从两管的另一端开始添加制备好的夹心层在其过程中，要一直保证内层管和外层管的相对位置），之后再经过静置、凝固将内层管、夹心层和外层管结合起来，即可得到掺有相变微胶囊的海底夹层管道。[0057]本实施例制备得到的海底夹层管道的结构示意图如图丨所示，它包括外径为323•9mm、壁厚为7•0mm，材质为X56碳钢的内层管1、外径为397.6mm，壁厚为73.7的夹心层2和外径为4〇6•4mm、壁厚为8•8臟，材质为X56碳钢的外层管3，其中，夹心层2为内部掺杂有聚乙烯醇纤维4和相变微胶囊5的混凝土，聚乙烯醇纤维4的直径为〇.15mm，添加量为0.9〜1•8kg每方混凝土（即体积百分含量为夹心层的〇•1%〜〇.2%，相变微胶囊的直径为I42um，体积百分含量为夹心层的30%。[0058]二、性能验证[0059]1保温性能[0060]对比例:制备常规使用的海底夹层管道，其结构与实施例1中的海底夹层管道的结构相同，其区别在于夹心层中没有添加聚乙烯醇纤维和相变微胶囊。使用该海底夹层管道运输油气，在运输过程中，当由于目标气田进入中后期开采阶段或者中途需要关井时，可以看出，由于管道内部的油气的温度降低，油气中的蜡结晶和水合物析出并凝结在管壁上，严重堵塞管道，减少管道输量，增大管线的压差，损坏管件，进而导致严重管道事故。[0061]本发明：采用本实施例制备得到的海底夹层管道运输油气，在运输过程中，当由于目标气田进入中后期开采阶段或者中途需要关井时，管道内部的油气未析出任何固体，这是由于:在运输时候，夹心层里的相变微胶囊能吸收管道中流体所散失的热量利用自身相变达到存储的目的。当管道内部的油气温度降低至相变材料的相变温度时，相变微胶囊里的相变材料发生相变，释放之前储存的热量以维持管道中油气的温度不再继续下降而达到生成水合物或蜡结晶的临界温度，直至关井过程结束，油气运输恢复。[0062]2力学性能[0063]本实施例制备得到的海底夹层管道的耐压和抗弯性能均得到提升。[0064]本发明中，可根据具体的油气运输工况包括温度、压强、水深），按照上述方法制备不同相变微胶囊体积含量的多个海底夹层管道。

权利要求：1.一种相变微胶囊，其特征在于：它由芯材和包裹所述芯材的壳材组成;所述芯材为相变材料;所述壳材为麦芽糊精、海藻胶、环氧树脂和聚丙烯腈中的任一种。2.根据权利要求1所述的相变微胶囊，其特征在于：所述相变材料为下述1-4中的任一种：1高分子类相变材料；2相变温度为25〜40°C的高分子类相变材料；3聚乙二醇和高密度聚乙烯中的任一种；4分子量为2000〜4000的聚乙二醇和高密度聚乙烯中的任一种。3.根据权利要求1或2所述的相变微胶囊，其特征在于:所述相变材料的质量为所述相变微胶囊的质量的42%〜55%;和或，所述相变微胶囊的直径小于0.8mm;和或，所述相变微胶囊的密度为110〜130kgm3。4.权利要求1-3中任一项所述的相变微胶囊的制备方法，包括如下步骤:将所述壳材包覆在所述芯材的表面，即可得到所述相变微胶囊。5.权利要求1-3中任一项所述的相变微胶囊在制备海底管道中的应用。6.—种海底夹层管道，它包括内层钢管、外层钢管以及中间的夹心层，其特征在于:所述夹心层为掺有权利要求1-3中任一项所述的相变微胶囊的水泥基。7.根据权利要求6所述的海底夹层管道，其特征在于:所述水泥基中还掺有聚乙烯醇纤维。8.根据权利要求7所述的海底夹层管道，其特征在于:所述聚乙烯醇纤维的弹性模量为25〜40GPa，密度为1•30gcm3，抗拉强度为880〜1800MPa，极限延伸率6〜10%。9.根据权利要求7或8所述的海底夹层管道，其特征在于:所述聚乙烯醇纤维的直径为0.01〜0.015mm。10.根据权利要求7-9中任一项所述的海底夹层管道，其特征在于:所述聚乙烯醇纤维的体积百分含量为0.1%〜2%。

百度查询： 中国石油大学(北京) 一种海底夹层管道及其专用相变微胶囊

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD