CN101389807B - 一种锚绳 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有合成纤维的锚绳，所述锚绳具有至少800米的长度并且适于将水浮式***固定在适当的位置上，其中所述锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中，至少所述第一组件和所述第二组件具有不同的组成。根据本发明的绳适用于将水浮式***固定在适当的位置上。所述水浮式***可以是在水上漂浮的***或者在具有一定水深的水中具有浮力的***，合适的实例包括浮式生产储卸罐、卸货容器、柱形浮标、半潜式或其它形式的储烃罐和/或处理罐等。
Description
本发明涉及一种含有合成纤维的锚绳(mooring line)，所述锚绳具有至少800米的长度，并且适于将水浮式***(water floating system)固定在适当的位置上。
上述含有合成纤维并且具有至少800米的长度的锚绳已被用于负重海上用途，例如用于将水浮式***固定在适当的位置上，这是因为所述锚绳具有高强度和高刚度(stiffness)的优点。需要提到的另一个重要优点是轻质和无腐蚀特征。
含有合成纤维并且具有至少800米的长度的现有锚绳所面临的问题在于，水浮式***的尺寸和吨位持续增加。因此，对目前锚绳的设计、尺寸和机械性能的要求甚至更为苛刻。随着固定的锚定点与水浮式***之间的距离的增加，将大型水浮式***固定在适当的位置上变得越来越困难。外部因素诸如风、水波或水流对水浮式***的运动造成巨大的影响。在许多情况下，例如在石油或天然气生产所用***的情况下，将浮式***精确固定在适当的位置上非常重要。
通常用于制造所述锚绳所含的合成纤维的材料是聚酯、尼龙、聚丙烯、芳纶、聚乙烯等，每种材料都具有各自的优缺点。
用于将石油钻井装置(oilrig)固定在适当的位置上的已知锚绳的实例是：含有聚酯纤维的锚绳，这种锚绳具有良好的强度、刚度和低蠕变性。然而含有聚酯纤维并且具有至少800米的长度的锚绳非常重、具有大于250mm的直径并且非常难于操作。另一个缺点在于，由于聚酯纤维的刚度相对较低，所以水浮式***当遭受诸如风海流或水波的外部因素的作用时会与原有位置发生较大位移。
具有至少800米的长度的锚绳也可以由钢丝绳制成，然而，这种锚绳除了非常非常重以外还具有如下缺点：它们不能用在水深超过2000米的场所。在水深超过2000米时，钢丝锚绳由于长度的增加在其自身重量的作用下具有很高的断裂风险。而且，这种钢丝锚绳通常需要额外的浮力，在负载失效的情况下，这种重型钢丝锚绳存在可能损害与其接触的硬件的高风险。
高刚度聚乙烯纤维也用于制造所述锚绳。含有聚乙烯纤维的锚绳的强度要高于例如具有相同直径且含有聚酯纤维的锚绳。该锚绳还具有轻质和操作性能较好的优点。具有至少800米的长度并且用于将水浮式***固定在适当的位置上的锚绳的缺点在于，由于聚乙烯纤维的刚度较高，因而在由水流或水波造成的水浮式***的上下移动会产生较高应力，并且还会产生可能导致所述锚绳失效的较高峰值负荷(peak load)。
当固定的锚定点与水浮式***之间的距离非常远时，以上列举的缺陷使具有至少800米的长度的已知锚绳不适于长期停泊水浮式***。
本发明的目的在于提供一种具有至少800米的长度适于将水浮式***固定在适当的位置上的锚绳，所述锚绳包括合成纤维，并且具有尺寸和机械性质的良好平衡。
令人惊讶地，本发明的目的通过如下实现：所述锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中至少所述第一组件和所述第二组件具有不同的合成纤维的组成。
出人意料的发现是，本发明的锚绳(为了方便该锚绳此后被称为组合锚绳)能够将水浮式***更精确地固定在原有位置上。另一个优点在于，因为组合锚绳包括具有不同组成因而具有不同机械性质的组件，所以较好的抑制了由于波浪、风或水流在所述组合锚绳中造成的较高峰值负荷。所述锚绳的组合设计使得更容易针对具体应用(在所述应用中，需要在固定水浮式***和抑制较高峰值负荷之间保持适当平衡)调整所述锚绳。另一个优点在于，由于特定的组合设计，因而所述组合锚绳具有较低应力。由本发明的说明书清晰可见，所述组合锚绳的另一个优点在于：通过调整所述组件的组成可以获得所述组合锚绳的强度和尺寸之间的适当平衡。
“绳”被理解为含有纤维或短纤维的绳索、缆绳、麻绳、缆索、弦线和类似结构。“锚绳”在本文中被理解为，用于将水浮式***锚定在固定的锚定点上的绳。
“组件”被理解为具有特有纤维组成的锚绳的片段，所述纤维的组成不同于与所述片段或组件邻接的一个或多个片段或组件所特有的纤维的组成。
优选地，在所述组件两个末端提供联接件，所述联接件用于将一个组件的末端与另一个组件的末端连接从而形成所述组合绳。而且，联接件也可用于将所述组合锚绳连接到固定的锚定点上以及连接到水浮式***上。所述联接件例如可以为不同类型的钩环(shackle)、活套(loop)等。例如，利用所述联接件将一个组件的末端与另一个组件的末端连接，得到串联的两个组件。例如在将一个组件的末端与两个或多个其它组件的末端连接的情况下，可以得到一束组件。根据特定应用，本领域技术人员会选择合适的组合，从而制成尺寸和机械性质具有良好平衡的组合锚绳。
“水浮式***”被理解为，通过锚绳被锚定到锚定点上的***。所述水浮式***可以是在水上漂浮的***或者在具有一定水深的水中具有浮力的***，合适的实例包括浮式生产储卸罐、卸货容器、柱形浮标、半潜式或其它形式的储烃罐和/或处理罐等。
在本发明的组合锚绳中，组件所含合成纤维可以是由适于生产合成纤维的所有材料得到的纤维，例如为聚丙烯、聚酯、聚丙烯或聚酯的共聚物、尼龙、芳纶、聚烯烃等及其组合。
通过将合成细丝捻合在一起得到组件所含有的合成纤维。优选地，所述合成纤维由至少100根合成细丝组成，更优选由至少200根合成细丝组合，甚至更优选由至少300根合成细丝组成。合成细丝可以具有在宽范围内变化的线性密度或纤度，优选合成细丝的纤度为0.2至50dtex每根纤维，更优选为0.3至20dtex，最优选为0.4至10dtex。
而且，优选捻合合成纤维从而形成纱线，所述纱线优选由至少10根合成纤维组成，更优选由至少20根合成纤维组成，甚至更优选由至少50根合成纤维组成。优选进一步捻合纱线从而形成绳股，每根绳股优选由至少10根纱线组成，更优选由至少20根纱线组成，最优选由至少50根纱线组成。通过将所述绳股平织、编成辫子或编织或其组合可以得到组件。本领域技术人员可以根据自身的知识或者在一些计算或实验的协助下，选择与所需最终的组件的结构和尺寸相关的结构类型。合适的实例包括中空编织组件或平织组件，实心编织组件或实心平织组件、加捻编织组件、普通编织组件或普通平织组件等。应当理解到，组件结构并不仅仅局限于上述组件构型，任何其它的组件构型也可以成功地用于本发明。
可以采用润滑涂层进一步涂覆所述组件所含有的纤维和/或所述组件，从而减少磨损和内部摩擦、防止擦伤和磨损、延长组件的寿命、防止不希望的物质进入组件内部等。组件可以进一步包含粒子填料作为阻挡剂，从而防止磨损粒子的进入，同时允许例如空气或水的环境物质进入组件内部。
后面给出了根据本发明的组合锚绳的优选实施方式中的实例，从而证实了采用所述组件所获得的优点。应当理解到，优选的实施方式并不仅限于后面列举的那些，本领域技术人员在阅读以下详细的描述和所附权利要求书后，可以容易地获知和得到的本发明的额外实施方式和优点。
在优选的实施方式中，本发明的组合锚绳适于将水浮式***固定在适当的位置上，所述组件具有至少100米的长度，更优选具有至少200米的长度，甚至更优选具有至少300米的长度，还要更优选具有至少500米的长度，最优选具有至少700米的长度。
优选地，本发明的组合锚绳中的所有组件包括合成纤维，更优选地，所有组件由合成纤维组成。
在进一步优选的实施方式中，本发明的组合锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中，所述第一组件包括聚酯纤维。
在进一步优选的实施方式中，本发明的组合锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中，所述第二组件包括高性能聚烯烃纤维作为第二纤维。
在另一个进一步优选的实施方式中，本发明的组合锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中，所述第一组件包括至少51重量％的第一纤维，所述第二组件包括至少51重量％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维。
第一组件中的第一纤维可以是由适于生产纤维的所有材料得到的纤维，例如为聚丙烯、聚酯、聚丙烯或聚酯的共聚物、尼龙等及其组合。优选地，第一组件包括至少60重量％的第一纤维，更优选包括至少75重量％的第一纤维，最优选包括至少95重量％的第一纤维。除了第一纤维以外，第一组件还可以包括高性能聚烯烃纤维。
在本发明的第二组件中的第二纤维是高性能聚烯烃纤维。优选地，第二组件包括至少60重量％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维，优选包括至少75重量％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维，最优选包括至少95重量％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维。除了高性能聚烯烃纤维以外，第二组件还可以包括其它类型的纤维。
优选地，含有高性能聚烯烃纤维的第二组件的自由端连接到在海床上提供锚定点的锚上。相应地，优选地为含有第一纤维的组件的自由端提供适于将组合锚绳锚定到水浮式***上的连接件。优选采用钢丝绳或者采用长度优选为至多100米的钢链将本发明的组合锚绳的自由端与水浮式***相连以及与在海床上提供锚定点的锚相连。安装后，钢丝绳或钢链用于防止本发明的组合锚绳与水浮式***或海床上的锚定点直接接触，从而避免由于摩擦、不当操作等造成对组件的最终损害。
在进一步更优选的实施方式中，本发明的组合锚绳包括至少第一组件和第二组件，其中，所述第一组件包括至少51重量％的聚酯纤维，所述第二组件包括至少51重量％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维。
可用于制备所述高性能聚烯烃纤维的合适聚烯烃包括，例如聚乙烯均聚物、聚丙烯均聚物、聚乙烯共聚物和聚丙烯共聚物等及其组合。最优选的高性能聚烯烃纤维优选为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
本发明的组合锚绳的这个实施方式把聚酯纤维所特有的耐久性和低蠕动性以及UHMWPE聚乙烯纤维所特有的轻质和高强度组合起来，从而明显降低了所述组合锚绳的总重和体积，并且改善了所述组合锚绳的操作性能。当与现有聚酯锚绳相比时，发现本发明的组件锚绳的重量和体积大幅下降。另一个优点在于，所述组合锚绳在水中的断裂长度明显增加了。由于质轻，所述组合锚绳具有改善的操作性能，因而对所述组合锚绳的安装和维修人员来说安全性提高了，并且对与所述组合锚绳接触的硬件的损害风险降低了。还明显发现，本发明的所述组合锚绳具有增强的张力、转矩和弯曲疲劳。
含有聚酯纤维(所述聚酯纤维的刚度低于UHMWPE纤维)的组件的存在具有如下优点，起重特征(heave characteristic)对于石油钻井装置等的作用被更有效的解调了。因此，含有聚酯纤维的组件的存在为组合锚绳提供了良好的减振性质(dampening property)，有助于减少组合绳中存在的峰值负载。
而且，所述组合锚绳具有较好的刚度、断裂伸长率和吸能性的组合。另一个优点在于，含有UHMWPE纤维的组件的存在有助于将水浮式***更精确地固定在其原有位置上，而且是在长期使用后。
因此，当使用本发明的所述组合锚绳时，实现了更好的固定，实现了对水浮式***的运动的更好控制并且实现了使组合锚绳中的总应力的最小化。在风暴出现频率较高的场所或者水流非常汹涌的场所，所述组合锚绳特别适用于将水浮式***固定在适当的位置上。例如墨西哥湾中可以找到上述场所，在墨西哥湾中，由于频繁出现飓风、强对流空气和强水流，所以良好的固定石油钻井装置等是非常重要的。
可用于制备所述聚酯纤维的优选聚酯是线性对苯二甲酸聚酯，即含有2至20个碳原子的二醇与残余二元羧酸组分(所述组分优选包含至少75％的对苯二甲酸，更优选包含90％的对苯二甲酸)的聚酯。残余二元羧酸可以是任何合适的二元羧酸，例如癸二酸、己二酸、间苯二甲酸、磺酰基-4，4’-二苯甲酸、2，8-二苯并呋喃-二羧酸或2，6-萘二羧酸。二醇的链上可以包含两个以上碳原子，例如二乙二醇、丁二醇、十亚甲基二醇和二(1，4-羟甲基)环己烷。最优选的线性对苯二甲酸聚酯是聚(对苯二甲酸乙二醇酯)。
聚酯纤维优选具有至少0.6GPa，更优选至少0.7GPa，最优选至少0.8GPa的拉伸强度。所述聚酯纤维的断裂伸长率优选至少3％，更优选至少10％，最优选至少16％。所述聚酯纤维的纤度优选至多50dtex，更优选至多110dtex，最优选至多220dtex。
UHMWPE纤维优选根据凝胶纺丝的工艺来制备。UHMWPE的凝胶纺丝是本领域技术人员公知的，且在如下大量出版物中有描述，包括EP0205960A、EP 0213208A1、US 4413110、GB 2042414A、EP 0200547B1、EP 0472114B1、WO 01/73173A1和Advanced Fiber SpinningTechnology，Ed.T.Nakajima，Woodhead Publ.Ltd(1994)，ISBN 1-855-73182-7，和其中所引用的参考文献。凝胶纺丝被理解为包括至少如下步骤：从超高分子量聚乙烯在纺丝溶剂中的溶液纺出至少一根纤维；将所得纤维冷却以形成凝胶纤维；将至少部分纺丝溶剂从凝胶纤维中除去；在除去纺丝溶剂以前、期间和/或以后的至少一个拉伸步骤中，拉伸该纤维。合适的纺丝溶剂包括例如石蜡、矿物油、煤油或十氢化萘。纺丝溶剂可以通过蒸发、萃取或蒸发和萃取途径的组合来除去。此处可以通过选择纺丝孔的形状来选择纤维横截面的形状。
在本发明的上下文中，超高摩尔质量聚乙烯(UHMWPE)被理解为，特性粘度(IV)至少为5dl/g的聚乙烯。IV根据PTC-179方法(HerculesInc.Rev.Apr.29，1982)在135℃的温度下利用十氢化萘作为UHMWPE的溶剂来测定，其中溶解时间为16小时，抗氧剂DBPC的用量为2g/l溶液，不同浓度下的粘度外推至零浓度得到特性粘度。特别合适的是IV为约8-40dl/g，更优选为10-30，甚至更优选为12-28dl/g，最优选为15-25dl/g的UHMWPE。
优选地，UHMWPE是每100个碳原子上具有一个以下支链或侧链，优选每300个碳原子上具有一个以下侧链的线性聚乙烯，支链通常包含至少10个碳原子。线性聚乙烯还可以包含至多5mol％的一种或更多种共聚单体，例如，烯烃，如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯或辛烯。
在优选的实施方式中，UHMWPE包含少量相对较小的基团作为侧链，优选C1-C4烷基。由具有一定量这种基团的UHMWPE制成的纤维被发现具有低蠕变行为。如果侧链过长或侧链量过高，那么它们的存在都会对UHMWPE纤维的加工行为尤其对拉伸行为造成负面影响。因为这个原因，UHMWPE优选包含甲基或乙基或其组合作为侧链，更优选地，UHMWPE仅包含甲基作为侧链。侧链的量优选为每1000个碳原子至少0.3，更优选每1000个碳原子至少0.5，最优选每1000个碳原子至少1。侧链的量优选为每1000个碳原子至多20，更优选至多10。
UHMWPE可以是单一聚合物级别，还可以是至少两种不同级别UHMWPE的混合物。UHMWPE级别被理解为，具有特定IV或摩尔质量分布和特定量侧链(所述侧链具有特定构型)的UHMWPE。
UHMWPE聚合物还可以包含常用量(通常小于5质量％)的常用添加剂，例如，抗氧化剂、热稳定剂、着色剂、成核剂、流动促进剂、催化剂残余物等，并且还可以包含其它聚合物，优选聚烯烃聚合物，如其它聚乙烯、聚丙烯或它们的共聚物，该共聚物包括橡胶共聚物，如EPDM、EPR等。
UHMWPE纤维可以具有在宽范围内变化的细丝线密度或纤度。优选地，UHMWPE细丝的纤度为0.2至20dtex每根纤维，更优选为0.3至10dtex，最优选为0.4至5dtex。
优选地，UHMWPE纤维的拉伸强度为至少1.5GPa，更优选为至少2.0GPa，最优选为至少3.0GPa。按照ASTM D885M的规定，使用名义标定长度为500mm的纤维、50％/min的十字头速度和Fibre Grip D5618C型号的Instron 2714夹具来测定多纤维纱线的拉伸强度。
优选地，UHMWPE纤维的刚度为至少35GPa，更优选为至少50GPa，甚至更优选为至少70GPa，甚至还要更优选为至少100GPa，最优选为至少140GPa。在优选的实施方式中，UHMWPE纤维的刚度为110GPa至135GPa。
含有聚酯纤维的第一组件的长度优选为至多2000米，更优选为至多1500米，甚至更优选为至多1000米，甚至还要更优选为至多500米，甚至还要更优选为至多350米，最优选为200米。含有聚酯纤维的组件的长度和含有UHMWPE纤维的组件的长度的比优选为至多90％，更优选为至多60％，最优选为至多30％。
调整所述比的优点在于，根据使用组件锚绳的场所，含有UHMWPE纤维的组件位于水温优选低于15℃的水深中。这确保了含有UHMWPE纤维的组件被使用在水温有助于维持UHMWPE纤维的机械性质的水深中。
Claims (13)
1.一种锚绳，所述锚绳具有至少800米的长度并且一端连接到水浮式***且另一端连接到固定的锚定点，其中，
所述锚绳包括至少第一组件和第二组件，至少所述第一组件和第二组件具有不同的合成纤维的组成；
所述第一组件具有适于将所述锚绳锚至所述水浮式***的联接件；
所述第二组件具有适于将所述锚绳锚至所述固定的锚定点的联接件；
所述第一组件和所述第二组件具有将一个组件的末端连接至另一个组件的末端的联接件；并且
所述第二组件包括至少51wt％的高性能聚烯烃纤维作为第二纤维，所述高性能聚烯烃纤维是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
2.如权利要求1所述的锚绳，其特征在于，所述组件具有至少100米的长度。
3.如权利要求1和2中任意一项所述的锚绳，其特征在于，所述第一组件包括聚酯纤维作为第一纤维。
4.如权利要求3所述的锚绳，其特征在于，所述第一组件包括至少51重量％的第一纤维。
5.如权利要求4所述的锚绳，其特征在于，所述第一组件包括至少60重量％的第一纤维。
6.如权利要求5所述的锚绳，其特征在于，所述第一组件包括至少95重量％的第一纤维。
7.如权利要求1所述的锚绳，其特征在于，所述第二组件包括至少60重量％的UHMWPE纤维作为第二纤维。
8.如权利要求7所述的锚绳，其特征在于，所述第二组件包括至少95重量％的UHMWPE纤维作为第二纤维。
9.如权利要求3所述的锚绳，其特征在于，所述聚酯纤维具有至少0.6GPa的拉伸强度和至少3％的断裂伸长率。
10.如权利要求1所述的锚绳，其特征在于，所述UHMWPE纤维具有至少1.5GPa的拉伸强度和至少35GPa的刚度。
11.如权利要求3所述的锚绳，其特征在于，含有聚酯纤维的所述第一组件的长度为至多2000米。
12.如权利要求3所述的锚绳，其特征在于，含有聚酯纤维的所述组件的长度与含有UHMWPE纤维的所述组件的长度的比为至多90％。
13.如权利要求4至11中任意一项所述的锚绳，其特征在于，含有聚酯纤维的所述组件的长度与含有UHMWPE纤维的所述组件的长度的比为至多90％。
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