专利名称：一种基于形态吸能的海底管道止屈器制作和固定方法
技术领域：
本发明属于海底管道安装和运营技术领域，具体涉及一种能够有效防止海底管道的屈曲传播的制作和固定方法。
背景技术：
海底管道是海洋石油工程中重要的油气输运方式，它的安全运营是确保海上油气生产顺利进行的关键。深水海底管道由于其铺设海域水深较大，将承受巨大的静水压力。深水管道平铺在海床上可能会遭受锚等重物下落的撞击，这将造成自身的几何缺陷；深水的低温环境与管内输送热油液构成管道内外温差，会管道产生轴向变形；铺管过程中不合理的操作可能会引起垂弯段弯矩过大；特殊海洋环境以及输送液体对管道可能构成的局部腐蚀。以上种种因素都可能引发深水管道的局部屈曲压溃。当管道发生局部屈曲压溃后，若外水压超过一定压力，管道的压溃形态将沿管长方向向两边传播开来，造成整条管道的破坏， 这种现象就是屈曲传播现象，维持管道屈曲传播所需要的最小外压力就是屈曲传播压力。屈曲传播一旦发生，要使其终止，则要具备以下两个条件之一外压降至屈曲传播压力以下，或者屈曲传播遭到它无法穿越的物理障碍。因为管道的屈曲传播压力一般明显小于它的屈曲压溃压力，从前一个条件出发，以屈曲传播压力为稳定性设计准则来设计管道，使管道所受外压总低于其屈曲传播压力，这将使管道的壁厚大大增加，显然是十分不经济的。因此，设置有效的物理障碍，来阻止屈曲传播，成为了应对管道屈曲传播问题的主要手段。这种抑制屈曲传播的结构就是止屈器。有效的止屈器可以成功防止屈曲沿管道轴向的传播，使管道出现的屈曲压溃仅发生在两个止屈器之间，从而避免整条管道遭受破坏。止屈器的基本形式是一个厚壁圆环，当前常用的止屈器根据安装形式的不同，可分为有扣入式、缠绕式和整体式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后直接夹紧，缠绕式止屈器在管道的指定位置进行缠绕，整体式止屈器的内径和管道的内径一样，而壁厚比管道更厚，两者同轴排好之后再连接处焊接。在扣入式止屈器的基础上，在其与管道之间的连接增加了两道焊缝，可形成焊接式止屈
ο从止屈性能上看，整体式止屈器的止屈效果最好，但对焊接工艺要求较高，安装复杂，且重量较重。扣入式和焊接式止屈器结构简单，制造方便，但止屈效率较低，不适用于深水管道。缠绕式止屈器的情况与扣入式止屈器大体相似，也不适于深水管道使用。从止屈原理上看，三种止屈器都是通过提高管道环向刚度来阻止屈曲传播的，且这种环向刚度的加强是沿环向均勻进行的。这种均勻环向加强型止屈器的从理想角度讲， 其止屈效率的形式莫过于整体式止屈器。因此，基于这一原理想很难进一步提高止屈器的效率，以适应深水管道的应用。管道屈曲压溃的变形形态，将直接影响管道屈曲传播过程中的能量平衡，通过止屈器干扰屈曲压溃的变形形态，使屈曲传播穿越止屈器付出更高的能量，这从能量观点上是合理的。根据国外进行的扣入式止屈器和整体式止屈器的穿越试验资料，止屈效率较低的止屈器多发生平行穿越的失效模式，而止屈效率较高的止屈器的失效模式主要是正交穿越。由此可以推想要进一步提高止屈器的止屈效率，可以止屈器设计中引入一些对屈曲传播的压溃形态构成干扰和诱导作用的因素，使之穿越止屈器就要发生比正交穿越更为耗能的形态变换过程。目前，还没有一种从形态吸能角度出发提高止屈效率的止屈装置出现，且没有比整体式止屈器重量更轻、适于深水管道的止屈装置出现。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有深水止屈器技术上的不足，从形态吸能这样一个新的角度出发设计出一种止屈效率较高的止屈器，提供了这种止屈器的制造和在海底管道上安装和固定的方法。本发明通过采取合理的施工工艺，降低成本，有效控制海底管道屈曲传播现象，实现经济性和安全性的完美统一。本发明的技术方案如下一种基于形态吸能的海底管道止屈器制作和固定方法，包括下列步骤(1)制作一对内径与海底管道外径相同的半圆柱形壳体，两个半圆柱形壳体对接后形成一个圆柱体；(2)采用轴向切割结合环向切割的方式，将每个半圆柱形壳体的一端的中部切割下一块，称之为中部干扰壳，将每个壳体的另一端的两侧各切割下一块，称之为侧边干扰壳，从两个壳体共切割下来六块大小和形状均相同的干扰壳；(3)将切割了干扰壳的两个半圆柱形壳体对接后固定在海底管道上，一个壳体的切割了中部干扰壳的一端与另一个壳体的切割了侧边干扰壳的一端在对接后位于同一端；(4)在切割了干扰壳的半圆柱形壳体上，将各个干扰壳沿管长方向向外延伸排布并与壳体对接，对接后形成的新的壳体，在原先切割下干扰壳的位置处留下空白；将各个干扰壳沿管长方向的两个侧边固定在海底管道上。作为优选实施方式，每个半圆柱形壳体的两侧均设置有用于将止屈器对接和固定在海底管道上的侧翼眼板。本发明的技术效果有(1)本发明能够有效防止深水海底管道局部屈曲的传播，保证海底管道的安全性， 具有显著的经济价值。(2)采用本发明的制作方法制作的止屈器，在管长方向的两侧各形成一组错位布置的屈曲传播干扰结构，每组结构由3个呈60度角的弧片形干扰壳和上、下瓣壳的外伸弧片部分组成，它们呈120度旋转对称状固结在管壁上，且每组干扰结构的干扰壳与瓣壳外伸出的壳体部分在布置上正好错开。干扰壳和上、下瓣壳的外伸弧片部分均沿管长方向的板边焊接在管道外壁上。这种呈120度旋转对称状分布的60度干扰结构，对干扰壳附着的壁厚进行了不均勻的环向刚度加强，在这种刚度分布下易于诱发管道3、4阶屈曲模态变形，而这与通常海底管道发生的1、2阶模态的屈曲模态变形将发生相互干扰，破坏管道屈曲的稳态传播，故称为干扰结构。3、4阶屈曲模态变形伴随着更高的局部屈曲压力，将管道压溃到这种变形形态，止屈器将吸收更高的能量，从而止屈器的穿越压力得到提高。实际工程中管道的压溃形态多为狗骨头型，但究竟是哪一部分环向管壁段在屈曲压溃中发生了接触具有不确定性。因此，对于环向刚度不均勻加强的结构，干扰结构的120度旋转对称分布，可以更全面地捕捉各种压溃变形方向的屈曲传播，从而提高干扰结构的有效性。(3)采用本发明的制作方法制作的止屈器，在管长方向的中央区域形成了一个环向刚度一致的加强结构，称为上、下瓣壳，是止屈器的加强结构部分。这部分在止屈原理上类似扣入式止屈器，所不同的是上、下瓣壳的部分弧段沿管长方向外伸出1 2个弧片， 它与干扰壳共同形成了止屈器的干扰结构部分，使得止屈器的干扰结构与加强结构紧密相连。这种布置使得干扰结构的作用与加强结构的作用产生正向耦合，屈曲经过干扰结构作用后，其能量将得到相当程度的耗散，这样位于中部的加强结构可以更有效地阻止住屈曲传播。(4)本发明基于形态耗能的原理设计，且对于管道的环向刚度进行了不均勻的加强，这是明显不同于当前常用的几类止屈器的。这种止屈器如能通过尺寸优化设计，辅以试验等手段进行深入的研发，有望产生超越整体止屈器，获得更高的止屈效率。(5)本发明可应用于深水海底的管道，干扰结构在防止屈曲传播的同时，也能够给海流施加一定的扰动从而改变雷诺数，使得流动状态提前进入湍流状态，达到一定的抑制涡激振动效果。
图1是配有止屈装置的某段海底管道的正视投影图(其中止屈器部分用纸屑状图案填充标识)图2是图1中所示A-A截面图，D-D截面图与其相同；图3是图1中所示B-B截面图，E-E截面图与其相同；图4是图1中所示C-C截面图。图5是与图1相应的这段海底管道的俯视投影图；图6是与图1相应的这段海底管道的仰视投影图；图7是上瓣壳的切割-焊接示意图(正视图)；图8是上瓣壳的切割-焊接示意图(俯视图)；图9是下瓣壳的切割-焊接示意图(正视图)；图10是下瓣壳的切割-焊接示意图(仰视图)；图11是上瓣壳制作、安装示意的展开图(俯视)；图12是下瓣壳制作、安装示意的展开图(俯视)。图中标号说明1海底管道；2干扰壳；3上瓣壳；4下瓣壳；5连接螺栓；6侧翼眼板；7半厚壁圆柱壳体
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一对上、下瓣壳和6块干扰壳组成的组装结构，壳板材料宜采用与深水海底管道相同材质的API 5L X65型或更高等级的X70、X80等级钢材。其主要的功能在于防止海底管道在复杂环境和载荷下的屈曲传播，保证整条管线的安全。
干扰壳分布在止屈装置沿管长方向的两侧约1 1. 5倍管道直径的管长段上，干扰壳壁厚取管道壁厚的2 4倍。每一侧有3块干扰壳体，每块干扰壳的弧度均为60度， 而且以3个为一组，绕管道轴心呈120度旋转对称布置，且止屈器在管长方向两侧的干扰壳分布是恰好错位的，如图3和图4所示，它们起到对稳态的屈曲传播进行干扰吸能的作用。 为达到环向加强管道刚度的目的，所有干扰壳体沿管长方向要与管道外壁焊接在一起。瓣壳从功能上可以分为位于管长方向两侧的外伸弧片部分和位于管长方向中部的半圆柱壳体，但两部分是一体的，如图1和图2所示。瓣壳有上下两个，总长度取4 6倍管道外径，其中外伸弧片部分的长度为1 1. 5倍管道直径，半圆柱壳体部分的长度为2 3倍管道直径，壳厚度取管道壁厚的2 4倍。沿管长方向，同一侧的外伸弧片部分与干扰壳的布置是错位的，两者长度上也宜是相等的，如图3和图4所示。为达到环向加强管道刚度的目的，所有瓣壳的外伸弧片部分沿管长方向也要与管道外壁焊接在一起。半圆柱壳体段为环向刚度均勻加强段，经过干扰结构的屈曲传播将在这一段得到有效的阻止，半圆柱壳体段的侧翼延伸出长条形眼板，使得上、下壳体通过螺栓穿入侧翼的眼板相连接。下面结合
该种止屈装置的制作、安装方法(1)进行该止屈装置的生产时，首先制造出一与瓣壳外径、长度相同的带侧翼眼板的半厚壁圆柱壳体，如图7 10中部件7所示。其结构简单，可使用统一的模具批量生产， 这降低了制造成本。(2)在半厚壁圆柱壳体上通过气割或机械切割的方式制造出干扰壳和瓣壳，建议使用气割的方式。根据图1和图2可看出，假使干扰壳沿管长方向向中部移动一个干扰壳的长度，恰好能够填补瓣壳外伸弧片产生的空白区，对接出一个厚壁圆柱壳体。切割过程中， 先进行轴向切割，再进行环向气割。具体地说，在半厚壁圆柱壳体的轴向两侧的环向60度和120度位置处开始切割，沿管道轴向割出两道长度与干扰壳长度相等的缝隙，然后从两个缝隙的内端处沿环向相向割出1块干扰壳，或者沿环向反向切割出2块干扰壳。考虑到切割可能引发的应力集中，干扰壳的弧形边角位置进行近似的倒角处理，倒角半径控制在 1/20倍的直径以内即可，不必有很高的精度。此外，与图1和图2相应，同一半厚壁圆柱壳的第二步切割(即环向切割)的方向是不同的，一侧为环向相向切割，那么另一侧则为环向反向切割。对于每块半厚壁圆柱壳体，切割将得到一个瓣壳和3个干扰壳。(3)切割制造出的干扰壳和瓣壳，对可能会出现影响安装的局部变形，因此需要进行尺寸的检查，对变形严重的部件进行简单的变形修复处理，以确保它可以顺利的安装到管道外壁上。上瓣壳的切割和焊接过程如图7 8所示，下瓣壳的切割和焊接过程如图9 10所示。将止屈器的上半部分(包括干扰壳、上瓣壳)沿环向展开得到如何图11所示的示意图，将止屈器的下半部分(包括干扰壳、下瓣壳)沿环向展开得到如何图12所示的示意图，两图的视角都是俯视，即从止屈器的上方向下看。在图11中，上半图为制作止屈器时先通过模具生产得到的半厚壁圆柱壳体，上半图中的粗虚线示意了切割的位置，下半图为止屈器安装在管道上时上瓣壳与三片干扰壳的相对布置位置，下半图中的粗虚线示意了焊缝的位置，表明在焊缝所示位置处干扰壳、上瓣壳需要与对应管道的外壁位置焊接，以加强环向刚度，提高止屈效率。止屈器的上半部分与下半部分呈中心对称，因此展开示意图12与图11也是中心对称的。
装置制造好之后，就可以进行安装。安装方式如下在铺管前将制作好的瓣壳紧贴在海底管道的外壁上，并将上下两部分的侧翼眼板对齐，通过螺栓固定锁死，然后对瓣壳的外伸弧片部分沿管长方向进行焊接，焊接完成之后，将6块干扰壳按照图1和图2所示方式，错位焊接在干扰止屈瓣壳的管长方向外侧，同样是沿轴向进行焊接，然后再行铺设海底管道，铺设时，沿管道轴向每隔50-100m(视水深及环境而定)设置一个该止屈装置。
权利要求
1.一种基于形态吸能的海底管道止屈器制作和固定方法，包括下列步骤(1)制作一对内径与海底管道外径相同的半圆柱形壳体，两个半圆柱形壳体对接后形成一个圆柱体；(2)采用轴向切割结合环向切割的方式，将每个半圆柱形壳体的一端的中部切割下一块，称之为中部干扰壳，将每个壳体的另一端的两侧各切割下一块，称之为侧边干扰壳，从两个壳体共切割下来六块大小和形状均相同的干扰壳；(3)将切割了干扰壳的两个半圆柱形壳体对接后固定在海底管道上，一个壳体的切割了中部干扰壳的一端与另一个壳体的切割了侧边干扰壳的一端在对接后位于同一端；(4)在切割了干扰壳的半圆柱形壳体上，将各个干扰壳沿管长方向向外延伸排布并与壳体对接，对接后形成的新的壳体，在原先切割下干扰壳的位置处留下空白；将各个干扰壳沿管长方向的两个侧边固定在海底管道上。
2.根据权利要求1所述的基于形态吸能的深水海底管道止屈器制作和固定方法，其特征在于，每个半圆柱形壳体的两侧均设置有用于将止屈器对接和固定在海底管道上的侧翼眼板。
全文摘要
本发明属于海底管道设施铺设技术领域，涉及一种基于形态吸能的海底管道止屈器制作和固定方法，包括制作一对半圆柱形壳体；将每个半圆柱形壳体的一端的中部切割下一块，将每个壳体的另一端的两侧各切割下一块；将切割了干扰壳的两个半圆柱形壳体对接后固定在海底管道上，一个壳体的切割了中部干扰壳的一端与另一个壳体的切割了侧边干扰壳的一端在对接后位于同一端；将各个干扰壳沿管长方向向外延伸排布并与壳体对接，对接后形成的新的壳体，在原先切割下干扰壳的位置处留下空白；将各个干扰壳沿管长方向的两个侧边固定在海底管道上。本发明通过采取合理的施工工艺，降低成本，有效控制海底管道屈曲传播现象，实现经济性和安全性的统一。
文档编号F16L1/20GK102359661SQ20111024173
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者余建星, 卞雪航, 周清基, 晋文超, 李智博, 杨源, 柴松, 马维林 申请人:天津大学