一种预拉力防屈曲的套筒式热补偿器及其应用的制作方法

本发明涉及海底管线防屈曲的方法与设备领域，尤其是一种预拉力防屈曲的套筒式热补偿器及其应用。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪。当前，随着人口的过度增长、能源的加剧消耗，使得海洋油气资源这一新兴的油气开采来源，成为了世界沿海各国竞相发展的关键性技术。在深海油气工程中，海底管道是不可或缺的关键设备。高温高压下裸置海底管线的水平向整体屈曲是管线破坏的主要形式之一，是深海油气开发面临的重要技术挑战。

针对这一问题，大批学者进行了一系列海底管道屈曲防护的相关研究，方法之一是对管线结构进行改进实现管道热补偿，目前工程应用中主要包括采用波纹管补偿器补偿、套筒式补偿器补偿等多种热补偿方式。以上补偿方式虽然技术上成熟，但存在一定程度的不足和缺点，如波纹式补偿器安装困难与滞后，且补偿量不大，一般在200-300mm左右；套筒式补偿器极易因往复运动造成密封材料的破坏，造成泄露。另一种屈曲防护方法是在管道铺设完毕后，通过向裸置管道施加一定程度的温压作用，使管线产生弹性范围内的预屈曲，然后再将管道埋设在屈曲后的位置上，从而在管道内引发了预拉应力，投入使用后，管线在温压联合作用下产生的压应力部分被预拉应力抵消，从而达到管线防护作用，该方法是海底管线屈曲防护最经济易行措施之一，其主要缺点是随着石油开发向深海发展，对预屈曲管线埋置施工极为困难。

技术实现要素：

本发明基于管线整体屈曲原理，提出一种利用套管连接段，内管受径向限位结构保证与外管的同心，同时内管受轴向限位结构作用沿轴向单向移动，使管道产生弹性范围内的预拉力，在管线受温压联合作用工作时内部轴向限位结构使管道产生的预拉应力抵消部分温压联合作用产生的压应力，从而防止管线发生整体屈曲的套筒式热补偿器。该预拉力套筒式补偿器对管线的热补偿方式实现了传统海底管线屈曲防护方法的结合。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种预拉力防屈曲的套筒式热补偿器，包括外套管、外套压管、内管、压紧螺栓、滚动轴承和密封橡胶层等；外套管与外套压管同轴设置，二者通过压紧螺栓连接形成套筒式热补偿器两端的左套筒结构和右套筒结构，在左套筒结构和右套筒结构之间同轴设置内管，沿外套管内壁设置密封橡胶层，在密封橡胶层的两端设置前滚动轴承和后滚动轴承，外套压管内壁上沿轴向等距设置轴向限位器，在内管的外壁上位于外套压管内侧的区域内沿圆周设置有轴向限位凹槽，内管的两端嵌入于外套管的前滚动轴承、密封橡胶层和后滚动轴承内。

而且，所述的外套管包括侧段、粗段、中段、细段和外套管凸起，侧段用于连接常规的输送管道，侧段和粗段具有相同的内径，粗段、中段和细段具有相同的外径，粗段管壁的厚度大于中段管壁的厚度，中段管壁的厚度大于细段管壁的厚度，外套管凸起设置于细段的末端。

而且，所述的内管的内径等于外套管侧段和粗段的内径。

而且，所述的外套压管的外壁上设置有外套压管凸起，压紧螺栓设置于外套压管的外套压管凸起和外套管的外套管凸起之间。

而且，所述的密封橡胶层设置于外套管的细段内壁上，密封橡胶层紧密贴合于外套管内壁与内管外壁之间，以保证外套管与内管连接结构的密封性。

而且，所述的前滚动轴承和后滚动轴承与内管相匹配，即前滚动轴承和后滚动轴承的内径略大于内管的外径，前滚动轴承和后滚动轴承内设置有钢珠，内管与轴承中的钢珠相接触，在保证内外管与滚动轴承三者同心的同时，使内外管间的相对运动阻力为滚动摩擦力。

而且，所述的轴向限位器由轴向限位基座、轴向限位柄、转动螺栓和扭力弹簧组成，轴向限位基座焊接于外套压管的内壁上，共4—8组，沿管道轴向等距分布，每组由6—16个轴向限位基座构成，同组轴向限位基座在外套压管内壁同一圆周上均匀分布；轴向限位柄设置于轴向限位基座之间，轴向限位柄上与轴向限位基座上设置有等径的圆孔，转动螺栓穿过圆孔将轴向限位柄与轴向限位基座连接在一起，转动螺栓的外侧设置有两组扭力弹簧，两组扭力弹簧的外侧端分别与轴向限位基座连接，两组扭力弹簧的内侧端分别与轴向限位柄连接。

而且，所述的轴向限位凹槽由直平面与曲面交替连接组成，曲面与轴向限位柄下端曲面的曲率相同，即轴向限位柄与轴向限位凹槽的曲面相匹配，以确保轴向限位柄可以卡在轴向限位凹槽内，曲面的数量为4-8个，与轴向限位器的轴向设置数量相同，两个相邻的曲面之间的距离与轴向相连的轴向限位器之间的距离相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过管线伸长及预拉应力施加实现热补偿，部件实现陆上安装，减少热补偿器安装成本；

2.本发明热补偿在外套管段实现，外管段足够的空间预留保证管线高温高压联合作用下的自由伸长；

3.本发明在管内设置轴向限位结构，该结构保证了内管相对外管的单向运动，跟传统套筒式补偿器相比，减小管道及密封材料因温压循环作用产生往复运动而破坏的风险；

4.本发明轴向限位结构使内外管沿轴向单向移动，因高温高压作用伸长的管段在降温过程中不再回缩，使管线在降温过程中产生一定的预拉应力，在管线第二次及以后所有工作循环中，轴向限位结构使管线产生的预拉应力可抵消部分温压联合作用产生的压应力，从而防止管线发生整体屈曲，达到传统通过埋置预屈曲管道引发预拉应力进行屈曲防护的效果，解决了传统预拉应力施加面临的深海埋置困难的问题，同时节约了施工成本，保证管线工作安全；

5.本发明轴向限位器的扭力弹簧，保证了在内管插入套筒前轴向限位柄受扭力弹簧作用指向径向，并在工作期保证了限位柄与限位凹槽的完美接触；

6.本发明具有径向限位功能的滚动轴承器保证了内外管轴向的同心运动；

7.本发明耐高温橡胶密封层内径略小于内管外径，密封层挤压内管，保证良好的密封效果。

附图说明

图1-1为一种新型预拉力套筒式热补偿器纵截面剖视图。

图1-2为图1-1的单侧(左套筒结构)的细部结构示意图。

图2-1为一种新型预拉力套筒式热补偿器轴向限位器所处管段的横截面剖视图。

图2-2为图2-1中轴向限位器的结构示意图。

图3-1为一种新型预拉力套筒式热补偿器轴向限位结构工作示意图(轴向限位器非工作状态下)。

图3-2为图3-1的局部结构放大示意图。

图3-3为一种新型预拉力套筒式热补偿器轴向限位结构工作示意图(轴向限位器接触内管时)。

图3-4为图3-3的局部结构放大示意图。

图3-5为一种新型预拉力套筒式热补偿器轴向限位结构工作示意图(轴向限位器工作状态下)。

图3-6为图3-5的局部结构放大示意图。

其中，1为外套管，1-1为侧段，1-2为粗段，1-3为中段，1-4为细段，1-5为外套管凸起，2为外套压管，2-1为外套压管凸起，3为内管，4-1为前滚动轴承，4-2为后滚动轴承，5为密封橡胶层，6为压紧螺栓，7为轴向限位器，8为轴向限位凹槽，8-1为直平面，8-2为曲面，9为轴向限位柄，10为扭力弹簧，11为转动螺栓，12为轴向限位基座，13为左套筒结构，14为右套筒结构。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

如附图中所示，本发明的整体结构为外套管1与带轴向限位器的外套压管2通过压紧螺栓6连接构成左套筒结构13和右套筒结构14，外壁上焊接六段轴向限位凹槽8的内管3内插于两个套筒之间，外套管两侧的侧段1-1焊接常规管线，内管的内径和外套管(侧段1-1与粗段1-2)的内径尺寸等于常规管线尺寸。内管外壁上焊接轴向限位凹槽，轴向限位凹槽包括直平面8-1和曲面8-2，曲面与轴向限位柄9曲面曲率相同。内管受轴向限位结构(轴向限位器7和轴向限位凹槽)的作用在外套管中单向移动；内嵌于外套管中的滚动轴承(前滚动轴承4-1和后滚动轴承4-2)与内管通过轴承内钢珠滚动摩擦接触，轴承外径与外套管内径相等，轴承内径略大于内管外径，在保证内外管的同心的同时，使内管与外套管间的相对运动阻力小于刚性摩擦的常规套管；两滚动轴承间为嵌在外管内壁中的耐高温密封橡胶层5，密封橡胶层贴合在外管内壁中，内管插于环形橡胶层中，橡胶层具有一定的弹性，其内径略小于内管外径，安装后橡胶层紧密挤压内管，以密封管线。

本实施方案所述常规管线半径为0.16195m，壁厚为0.0127m。每2000m间距的常规管线连接一个该补偿器，第一次输送高温高压介质时，管线在温压联合作用下产生压应力及膨胀变形趋势，因此热补偿器的内管与外套管发生相对运动，压应力通过管道在套筒式补偿器段沿轴向伸长进行释放，实现管道热补偿，防止管线发生整体屈曲破坏；降温时，管线升温时所产生的变形量有减小的趋势，内管与外套管之间产生与原有运动方向相反的相对运动趋势，但外套压管内壁的轴向限位柄此时将卡在焊接在内管外壁的轴向限位凹槽内(见图3-5与图3-6)，限制管线反向运动，管线因无法收缩而产生预拉应力，在管线第二次及以后所有工作循环中，轴向限位使管线产生的预拉应力可抵消部分温压联合作用产生的压应力，从而防止管线发生整体屈曲。

轴向限位结构(轴向限位器和轴向限位凹槽)由包括轴向限位基座、轴向限位柄、转动螺栓、扭力弹簧的轴向限位器和焊接在内管外壁上的轴向限位凹槽组成，其工作原理如图2-1和图2-2所示。轴向限位器的布置个数及密度由补偿器所连常规管线的尺寸以及管道工作温压环境决定，轴向限位凹槽间的距离及轴向限位凹槽的个数跟轴向限位器相一致。本实施方案涉及工作温度为93℃，其轴向限位器共含6组，轴向间距为0.05m，每组由沿同截面均匀分布的12个限位器构成。内管与外套管相对运动时，轴向限位柄在扭力弹簧作用下一直有向原位置转动的趋势，当靠近限位凹槽时，轴向限位柄卡入轴向限位凹槽中，达到轴向限位功能。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。