專利名稱：一種阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海底管道鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種止屈裝置。
背景技術(shù)：
海底管道是海洋石油工程中重要的油氣輸運方式，它的安全運營是確保海上油氣生產(chǎn)順利進行的關(guān)鍵。管道在鋪設(shè)期間處于空載狀態(tài)，沒有內(nèi)部壓力平衡外部水壓，此外管道張緊器會給管道預(yù)拉應(yīng)力，因此管道將被拉伸，導(dǎo)致管道壁厚減小，這些因素都使得管道在外水壓作用下很容易發(fā)生壓潰。而當(dāng)管道處于在位運行期間，由于受到腐蝕作用或外力如船舶脫錨撞擊管道、海床作用力、海水引起的彎矩或其他干擾力作用下，也會發(fā)生屈曲壓潰。在外界水壓作用下，屈曲沿管道軸向傳播，最終導(dǎo)致整個管道的破壞。管道發(fā)生局部屈曲壓潰后，在遠小于壓潰壓力的一定水壓作用下，壓潰形態(tài)將沿管長方向傳播，從而造成整條管道的變形破壞，這種現(xiàn)象就是屈曲傳播現(xiàn)象。目前，工程上多采用加裝止屈器的方法來防止屈曲沿管道長度方向的傳播。其工作原理就是允許管道發(fā)生局部屈曲，但是屈曲傳遞并不能跨越屈曲器，這樣就為屈曲傳播設(shè)置了物理障礙，將屈曲變形限制在兩個止屈器之間，從而避免了管道的整體破壞。止屈器的基本形式是一個厚壁圓環(huán)，當(dāng)前常用的止屈器根據(jù)安裝形式的不同，可分為有扣入式、纏繞式和整體式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后直接夾緊，纏繞式止屈器在管道的指定位置進行纏繞，整體式止屈器的內(nèi)徑和管道的內(nèi)徑一樣，而壁厚比管道更厚，兩者同軸排好之后再連接處焊接。從止屈性能上看，整體式止屈器的止屈效果最好，但由于其厚度長度較大導(dǎo)致重量較重，為安裝運輸帶來不便，且對焊接質(zhì)量、水密性要求極高，安裝復(fù)雜，成本較高?？廴胧街骨鹘Y(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但止屈效率較低，易發(fā)生螺栓沖剪破壞，不適用于深水管道。將扣入式止屈器與管道在它們的連接處焊接起來，可形成焊接式止屈器，但由于施焊位置僅限于止屈器邊緣與管道相接觸的地方，施焊面積相對較小，止屈器與管道并不能形成有效的整體，因此對止屈效率提升不大。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種重量較輕，安裝簡便，同時又有較高效率的止屈裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，固定在需要保護的海底管道的外部，包括至少兩個弧形長條鋼板及至少兩個鋼環(huán)，每個弧形長條鋼板的截面為一段圓弧，圓弧的內(nèi)半徑等于海底管道的外半徑，；所述的鋼環(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有多個弧形凹槽，鋼環(huán)的內(nèi)徑與海底管道的外徑相同，弧形凹槽的個數(shù)不小于弧形長條鋼板的個數(shù)，凹槽的寬度與弧形長條鋼板的寬度一致，各個弧形長條鋼板沿管道軸向方向均勻分布在海底管道外部，與海底管道相貼合，并嵌在各個鋼環(huán)的弧形凹槽內(nèi)。作為優(yōu)選實施方式，所述阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，其特征在于，所述的弧形長條鋼板和弧形凹槽的個數(shù)均為3個；所述的鋼環(huán)為兩個，分別固定在弧形長條鋼板的兩端。本發(fā)明通過將三個弧形鋼板瓣體每隔60°焊接在管道外壁上，減輕了整個裝置的重量，增加了整個裝置與管道外壁的焊接面積，同時在外部套以止屈鋼環(huán)，大大提高了管道的環(huán)向剛度。由于采用組合部件，制造工藝簡單，可批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，同時結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和運輸，成本較低；同時弧形鋼板與止屈圓環(huán)的雙層防護又使得整個裝置能有效阻斷屈曲傳播的進行，實現(xiàn)了經(jīng)濟性與安全性的統(tǒng)一，適用于深水海底管道。具體而言，具有以下優(yōu)點:(I)本裝置用三個弧形鋼板對管道外壁環(huán)向剛度進行不均勻加強，這三個弧形鋼板沿管道環(huán)向每隔60°設(shè)置一個，并與管道進行焊接，雖然沒有對管道外壁進行360°全面加強，但是由于管道變形的對稱性，這種設(shè)置方式實際對管道沿各個方向的對稱壓潰變形都起到了干擾與約束作用，因此提高了屈曲傳播穿過止屈器需要耗散的能量，對屈曲傳播起到了阻止作用。此外，弧形鋼板外面再套以止屈圓環(huán)，相當(dāng)于若干扣入式止屈器，進一步約束了管道的環(huán)向變形。因此這兩層防護結(jié)構(gòu)使得整個止屈裝置的止屈效果有很大的提升。(2)本止屈裝置所有邊界與管道外壁相接觸位置均與管道焊接在一起，由于采用三個瓣體結(jié)構(gòu)，使得施焊面積較一般焊接式止屈器大為增加，止屈裝置與管道能更大程度地結(jié)合為一個整體，從而提高了止屈效果。此外所有焊接位置均露于外側(cè)，不需要復(fù)雜的焊接工藝，操作簡便。(3)由于采用三個60°的弧形鋼板，每隔一定間距套一個止屈圓環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，使得本裝置與同尺寸其它形式的止屈器相比，重量更輕，節(jié)省了更多鋼材，降低了成本。(4)本裝置由多個部件組成，每個部件均可實現(xiàn)批量化流水線生產(chǎn)，制作工藝簡單。每個部件與現(xiàn)有其它止屈器相比都體積更小、重量更輕，運輸十分方便?，F(xiàn)場安裝工序簡便，焊接操作簡單，不需要有整體式止屈器那樣高的焊接工藝與水密性要求。(5)本裝置通過止屈圓環(huán)上的凹槽組裝為一個整體，弧形鋼板與止屈圓環(huán)可以很好地鉚合在一起，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，全部結(jié)構(gòu)沒有用到螺栓等其它形式的連接，不會出現(xiàn)扣入式止屈器螺栓沖剪破壞的情況。(6)可以根據(jù)實際工程狀況來靈活決定所需生產(chǎn)的弧形鋼板的長度以及外側(cè)所套止屈圓環(huán)的個數(shù)，來調(diào)整本止屈裝置的長度以及保護強度；或通過沿管道長度方向并列對接若干個弧形鋼板，將它們在對接位置處焊接在一起并套上止屈圓環(huán)，來達到適時改變本止屈裝置長度的目的。


圖1是安裝在某段管道上的本止屈裝置的示意圖；圖2是安裝在某段管道上的本止屈裝置的正視圖；圖3是圖2中的A-A截面圖；圖4是止屈圓環(huán)的橫截面圖；圖5是本止屈裝置的安裝過程示意圖。圖中標(biāo)號說明:
I海底管道；2止屈鋼環(huán)；3弧形鋼板；4焊縫；5止屈鋼環(huán)上凹槽處的圓角。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步描述:如圖1所示，本發(fā)明包括三瓣緊貼海底管道I外壁的弧形長條鋼板3以及套在外面的若干止屈鋼環(huán)2。每一瓣弧形鋼板的截面形狀為對應(yīng)圓心角等于60°的一段圓弧，此段圓弧的內(nèi)半徑等于所安裝管道的外半徑以保證此瓣弧形鋼板能夠合適地緊貼在管道外壁上，如圖3所示，厚度一般取2t 3t (t位管道壁厚)，長度可根據(jù)工程實際情況適時調(diào)整，一般取ID 3D (D位管道外徑)之間?；⌒武摪逋饷嫠椎闹骨摥h(huán)2的截面形狀為一內(nèi)側(cè)帶三個弧形凹槽的厚壁圓環(huán)，如圖4所示，圓環(huán)的內(nèi)徑與管道外徑相等，厚度可以取4t 6t，止屈鋼環(huán)沿軸向的寬度不宜過大，可以取0.1D 0.5D。止屈鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的凹槽深度與相應(yīng)弧形鋼板的厚度相同，凹槽形狀也是一個對應(yīng)圓心角為60°的圓弧，這樣，弧形鋼板便可很好地嵌入此凹槽中，與止屈鋼環(huán)緊密地鉚合在一起，使整個止屈裝置成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。此外，止屈鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的凹槽沿圓周方向每隔60°分布一個，這樣可使嵌入其中的弧形鋼板沿圓周方向每隔60°對管道外壁進行不均勻加強，這樣做的好處是對管道各個方向的2階模態(tài)壓潰變形起到干擾與約束作用，誘發(fā)管道更高階模態(tài)的屈曲變形，從而提高了屈曲傳播穿過止屈器需要耗散的能量，增加了止屈效率。整個止屈裝置所能看得到的邊緣與管道外壁之間的縫隙均通過手工電弧焊進行填充，如圖2中的焊縫4所示，具體包括每瓣弧形鋼板露在外面的邊界部分與管道外壁之間的縫隙，以及止屈鋼環(huán)與管壁相接觸部分的邊界縫隙。通過將止屈裝置與管道焊接為一個整體，可以進一步提高止屈裝置對屈曲傳播的阻礙作用。各部件的生產(chǎn)加工方法為:止屈鋼環(huán)可以通過用特定形狀的模具整體澆鑄而成，尺寸根據(jù)實際管道的情況進行設(shè)計，材料宜選用比管道材料等級更高的鋼材，以保證其的整體剛度，內(nèi)徑要比所安裝管道的外徑稍大，留出一定的余量以便于安裝，同樣凹槽的尺寸也要留出插裝弧形鋼板的余量。在澆鑄完成后出廠前，應(yīng)對止屈鋼環(huán)內(nèi)側(cè)凹槽的邊緣折角處進行打磨或銼削等處理，形成一定的圓角，如圖4中5所示，以減小該處的應(yīng)力集中，同時也便于弧形鋼板的安裝?；⌒武摪宓匿摬囊诉x用強度等級與海底管道相同或更高的鋼材，可以通過用特定模具澆鑄而成，也可使用如下方法加工生產(chǎn):先準(zhǔn)備一批內(nèi)徑與所安裝海底管道外徑相等，厚度與所需弧形鋼板厚度相同的厚壁圓管，沿長度方向切割成長度等于所需弧形鋼板長度的若干段；對于每一段切割下來的圓管，均對其位于圓周上每隔60°的位置處沿軸向進行縱切割，這樣每一小段鋼管可以得到兩組6個所需的弧形鋼板。這種加工方法操作簡單，效率較高，適用于這個部件的批量化生產(chǎn)。本發(fā)明同時提供一種上述止屈裝置的安裝方法，安裝過程如圖5所示:(I)本止屈裝置應(yīng)在鋪管階段分段管道的焊接之前進行安裝。選出需要安裝本止屈裝置的管段，先將兩個止屈鋼環(huán)從管道兩段套在其上，調(diào)整間距使其距離大約等于弧形鋼板的長度，調(diào)整角度使它們的凹槽處在同一軸線上。若弧形鋼板的長度較長，也可在兩個端部的止屈鋼環(huán)之間再用同樣方法設(shè)置若干個止屈鋼環(huán)，以對弧形鋼板進行加強約束，具體數(shù)量可根據(jù)弧形鋼板的長度以及管道的作業(yè)水深來確定。
(2)將三瓣弧形鋼板從一端沿止屈鋼環(huán)的凹槽插入，并穿過每一個止屈鋼環(huán)相應(yīng)的凹槽，插入后調(diào)整止屈鋼環(huán)的位置，使其與弧形鋼板很好的鉚合在一起。(3)在本止屈裝置的所有邊界與管道之間的縫隙位置進行焊接，確保焊接后止屈裝置與管道之間不可相對滑動。(4)本止屈裝置為組合焊接式，可根據(jù)需要靈活組合。若要求止屈裝置的長度較長時，可沿軸向?qū)硬贾枚嘟M弧形鋼板，并在每兩個鋼板對接位置處設(shè)置一個止屈鋼環(huán)。具體安裝時，在布置好止屈鋼環(huán)并插入多組弧形鋼板后，可先將止屈鋼環(huán)移至一邊，將兩個鋼板在對接位置處焊接在一起后，再將止屈鋼環(huán)移回連接處焊接固定，使其對焊縫連接處形成保護。(5)在整個管線上每隔一定的長度間距安裝本止屈裝置，可以有效將屈曲傳播阻斷于兩個止屈器之間。本發(fā)明的最佳實施例采用了 3個弧形長條鋼板和2個鋼環(huán)，在實際施工中長條鋼板的數(shù)量和鋼環(huán)的數(shù)量是可以改變的，但長條鋼板的數(shù)量和尺寸應(yīng)當(dāng)與鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的凹槽的數(shù)量和尺寸相互配合。
權(quán)利要求
1.一種阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，固定在需要保護的海底管道的外部，包括至少兩個弧形長條鋼板及至少兩個鋼環(huán)，每個弧形長條鋼板的截面為一段圓弧，圓弧的內(nèi)半徑等于海底管道的外半徑。所述的鋼環(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有多個弧形凹槽，鋼環(huán)的內(nèi)徑與海底管道的外徑相同，弧形凹槽的個數(shù)不小于弧形長條鋼板的個數(shù)，凹槽的寬度與弧形長條鋼板的寬度一致，各個弧形長條鋼板沿管道軸向方向均勻分布在海底管道外部，與海底管道相貼合，并嵌在各個鋼環(huán)的弧形凹槽內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，其特征在于，所述的弧形長條鋼板和弧形凹槽的個數(shù)均為3個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，其特征在于，所述的鋼環(huán)為兩個，分別固定在弧形長條鋼板的兩端。
全文摘要
本發(fā)明屬于海底管道鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種阻止海底管道屈曲傳播的組合加強式止屈裝置，固定在需要保護的海底管道的外部，包括至少兩個弧形長條鋼板及至少兩個鋼環(huán)，每個弧形長條鋼板的截面為一段圓弧，圓弧的內(nèi)半徑等于海底管道的外半徑；所述的鋼環(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有多個弧形凹槽，鋼環(huán)的內(nèi)徑與海底管道的外徑相同，弧形凹槽的個數(shù)不小于弧形長條鋼板的個數(shù)，凹槽的寬度與弧形長條鋼板的寬度一致，各個弧形長條鋼板沿管道軸向方向均勻分布在海底管道外部，與海底管道相貼合，并嵌在各個鋼環(huán)的弧形凹槽內(nèi)。本發(fā)明重量較輕，安裝簡便，同時又有較高效率。
文檔編號F16L1/16GK103162013SQ201310063738
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者余建星, 翟宇軒, 余楊, 田里, 楊源, 梁靜, 劉源, 孫震洲 申請人:天津大學(xué)