一种海底柔性管铺设用固定装置的制作方法

本发明涉及海底管道配套装备技术领域,具体涉及一种海底柔性管铺设用固定装置。

背景技术：

海底用柔性管一般由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等缠绕的增强层、高密度聚乙烯、聚丙烯等制成的外套层和内衬层等粘结构成，也有通过金属层与非金属层复合而成的非粘结性管道。由于构成材料的原因，复合增强管道在整体上的密度往往与海水差异不大，因此需要采取特殊方法使管道沉入海底并保证其铺设后稳定性。

海底柔性管（以下简称海管）沉放到海底后，波浪、海流以及附近船舶抛锚都会危及到海管的安全及稳定性。针对平管段、浅水区域的海管铺设常采用挖沟埋设，但是当遇到具有较多硬质岩石的海床，挖沟埋设已变的非常困难，这时就需要将管道上移至海床表面，通过铺设碎石方法覆盖管道，这种抛石的方法虽然成本低但受工作水深和倾倒准确性的影响显著，其配重压力分布并不平均，长时间下碎石受波流等冲刷部分管道区域的压载效果会失效，另外，在埋设或部分配重块中管道的轴向位移被限制，而管道在两种铺设法的过渡区域亦或是从铺管到立管的过渡区域，管道在轴向力和环向力共同作用下极为不稳定，易造成表面磨损局部屈曲或其他形式的疲劳。

在深海，由于挖沟埋设不方便成本过高，而且受人为影响较小，柔性管主要采用配重压垫、稳定压块、配重块等方式。对于配重压垫方式来说，一般也只用于保护局部管道，增加局部管道与海床的贴合程度，大范围使用压垫不现实；稳定压块按形式可分为铰链式稳定压块和马鞍形稳定压块，这种配重方式必须实现对海底进行平滑处理，否则易与隆起表面形成挤压造成柔性管的局部应力集中；配重块通常由上、下两块组成，首选对称于管中心的设计，然后通过螺栓连接，可以做成圆形、矩形、星形等不同形状，实际铺设中，需要的配重块数量多总重量太大，且柔性管在安装时一般需要托管架以及张紧器的支持，因此配重法在实际安装中有诸多不便。在深海，受探测技术的限制，不可能完全描绘出海底铺设区域的地形地貌，同时在铺设线路上也不可能保证地形的完全水平，一定存在较复杂的地形区，而改造深海地形成本太大，也因此，配重块的安放是个考验，要保证配重块的平放非常困难，否则对于配重块锁定螺栓的长期剪应力疲劳性能是个考验。

此外，以上所有的配重方式关于其维护换新和废弃回收重复利用都相对困难，成本很高，面对配重铺设方式存在的问题，面向更深的应用水域和更复杂的地理条件，需要一种新的柔性管铺设装置，不仅能克服以上问题，而且能保持良好的稳固性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种海底柔性管铺设用固定装置，可适应大部分柔性管铺设要求，无论是在水平亦或是具有倾斜角度的海底都能够保证装置抓地的稳固性，对于地形的适应性非常好，且安装实施方便。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海底柔性管铺设用固定装置，包括固地装置以及与固地装置连接的管道限位装置，所述固地装置插入土壤中，利用土壤摩擦、海水内外压差和内部配重保持稳固，管道穿过管道限位装置被环向固定；所述固地装置为中空无底圆柱型结构，包括上壳以及侧壁，其上壳较厚；上壳的中间设置有一插槽，以与管道限位装置相连，插槽的周围环向设置有配重槽及排气通孔，所述配重槽和排气通孔内分别设置有配重块和排气装置；所述配重块的形状与配重槽底部轮廓保持一致，其高度小于配重槽，配重块的实际重量和形状可以根据实际需要确定；所述固地装置侧壁的底端为削尖部，有助于将固地装置的初始插入，且在固地装置内侧壁上设置有倒齿，以增加固地装置拔出时的土壤摩擦力。

进一步的，所述管道限位装置包括对管道起保护作用的管套以及与所述插槽匹配的插头，管套外面套设有对管套进行固定的上管箍和下管箍，上管箍和下管箍通过螺栓固定连接，且所述插头与下管箍相连接，管道通过管套，并通过上、下管箍箍紧管套，插头插入插槽中，并通过一锁紧环固定，以将管道限位装置和固地装置连接。

进一步的，所述插槽为倒圆锥形结构，对应的，在固地装置的内部具有一倒圆锥体，同样，所述插头为倒圆锥形结构，以与插槽相匹配。

进一步的，所述排气装置包括一外筒，外筒的顶部设置有通气板，通气板上设置有若干个气口，外筒内设置有上密封舱和下密封舱，上密封舱和下密封舱的底部具有倒圆锥形阀口，且在上密封舱和下密封舱内分别设置有可局部上下运动实现密封或流通的上密封块和下密封块，且在通气板下方设置有伸入上密封舱内用以阻止上密封块向上过度运动的止挡柱。

进一步的，所述外筒上部为圆柱形、下部为倒圆锥形结构，对应的，在排气通孔的底部设置有与外筒下部倒圆锥形结构匹配的倒圆锥口。

进一步的，所述排气装置与排气通孔螺纹连接，即在排气装置的外侧壁上设置有外螺纹，在排气通孔的内侧壁上设置有内螺纹，通过将排气装置旋入排气通孔并使得排气装置的下部倒圆锥形结构卡在排气通孔底部倒圆锥口处，同时形成密封。

进一步的，所述管套由两个相卡接的半圆筒状壳体组成，且所述管套的内径略大于管道外径，以允许一定的径向位移和管道椭圆度，且在管套的中部外壁上设置有与所述上管箍和下管箍配合的凸起环，管套的两端部被加工削成圆弧尖状。

进一步的，所述上管箍和下管箍分别包括两个半圆形箍环和两个连接块，所述连接块焊接在半圆形箍环的两端部，且两个半圆形箍环中间的空隙与所述凸起环相嵌合，以防止上管箍和下管箍发生位移，固定的更加牢固。

进一步的，所述插头包括与下管箍焊接的上组块以及倒圆锥形下组块，所述上组块为圆柱形，且下组块的直径大于上组块的直径，所述倒圆锥形下组块与所述插槽紧密贴合。

进一步的，所述锁紧环包括上部圆盘和下部卡轴，下部卡轴的外表面设置有螺纹，且下部卡轴紧贴插头下组块设置。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

其一、本方案所提出的固定装置的最大优点表现在其灵活性：①整个结构的体积，重量较小；固定支持力的产生原理不同于传统的配重方式；整个装置是组装而成，各个部件可以拆卸和更换；②可适应不同的地形环境、土壤种类和地表倾角；满足大部分的柔性管铺设要求，并可与其他的铺设方法结合使用；③功能具有多样性，一方面可将管道固定于某一水平高度，应用于减小管道振动，另一方面可以用于固定除了管道以外的诸多不同海底设备；方便安装和拆卸，便于维修和更换；

其二，该固定装置的稳固和配重机理有效减少了铺管船配重块的运输重量，下放于水中也比传统配重块方式或是挖沟方式方便快捷，有效减少了安装运输和回收的成本，提升了铺管的效率，并保证其稳固效果不亚于传统方式；

其三，该固定装置对于深水铺设或固定有较大的价值：在深水，无论是挖沟还是配重的成本要大大增加；对于更深的水域，在不便于做细致勘探和平滑处理的海底，此装置的适应性极佳，可以使管道有效避开复杂的海底地表；越深的海底，其海水压力越大，此装置正是利用了海水压差保证稳固，越大的水压，其安装和稳固的效果越好。

附图说明

图1为本发明实施例所述固定装置整体结构示意图；

图2为图1中所述固定装置结构爆炸示意图；

图3为图1中所述固定装置剖面示意图；

图4为本发明实施例所述管道限位装置结构示意图；

图5为本发明实施例所述固地装置示意图；

图6为本发明实施例所述排气装置立体参考图；

图7为本发明实施例所述排气装置密封状态下的剖面示意图；

图8为本发明实施例所述排气装置排气状态下的剖面示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

一种海底柔性管铺设用固定装置，如图1和图2所示，包括固地装置3以及与固地装置3连接的管道限位装置2，所述固地装置3插入土壤中，利用土壤摩擦、海水内外压差和内部配重保持稳固，管道1穿过管道限位装置2被环向固定；参考图3和图5，所述固地装置3为中空无底圆柱型结构，包括上壳31以及侧壁32，其上壳31较厚；上壳31的中间设置有一插槽33，以与管道限位装置2相连，插槽33的周围环向设置有配重槽34及排气通孔35，所述配重槽34和排气通孔35内分别设置有配重块4和排气装置5；所述配重块4的形状与配重槽底部轮廓保持一致，可以为扇形或其他形状，其高度小于配重槽34深度，配重块4的实际重量和形状可以根据实际需要确定，放入不同重量、大小、密度的配重块4后并焊接封好。从图3和图5可以看出，所述固地装置3侧壁32的底端为削尖部321，侧壁32的厚度由下到上逐渐增厚，有助于固地装置3的初始插入，且在固地装置3内侧壁上设置有倒齿36，以增加固地装置拔出时的土壤摩擦力。

参考图4，所述管道限位装置2包括对管道起保护作用的管套21以及与所述插槽33轮廓及角度匹配的插头22，管套21外面套设有对管套进行固定的上管箍23和下管箍24，上管箍23和下管箍24通过螺栓25固定连接，且所述插头22与下管箍24相连接，管道1通过管套21，并通过上、下管箍箍紧管套21，插头22插入插槽33中，并通过一锁紧环6固定，以将管道限位装置2和固地装置3连接。所述插槽33为倒圆锥形结构，对应的，在固地装置3的内部具有一倒圆锥体37，同时倒圆锥体37的存在使得土壤逐渐被压紧变硬，排出了土壤内部的水和空气，使土壤与倒齿充分接触，增加了固地装置的抓力。

本实施例中，参考图6-图8，所述排气装置5为轴对称结构，包括一外筒，外筒的顶部设置有通气板，通气板上设置有若干个气口51；图7和图8分别为单向自闭式排气装置的密封状态和排气状态剖面的结构图，具体的，在外筒内设置有上密封舱52和下密封舱53，上密封舱52和下密封舱53的底部具有倒圆锥形阀口7，且在上密封舱52和下密封舱53内分别设置有可上下运动实现密封或流通的上密封块521和下密封块531，两个密封块的锥角度同密封舱壁圆锥角度一致，在受压后贴合能形成完整密封，且在通气板下方设置有伸入上密封舱内用以阻止上密封块521向上过度运动的止挡柱54。

用吸管从排气装置5气口51开始吸水气时，排气装置5内密封块因压力变化会向上移动，图6中，所述外筒上部为圆柱形55、下部为倒圆锥形结构56，对应的，在排气通孔35的底部设置有与外筒下部倒圆锥形结构匹配的倒圆锥口351，以提供相应的密封压力。所述排气装置5与排气通孔35螺纹连接。即在排气装置5的外侧壁上设置有外螺纹，在排气通孔35的内侧壁上设置有内螺纹，通过将排气装置5旋入排气通孔并使得排气装置的下部倒圆锥形结构卡在排气通孔底部倒圆锥口处，同时形成密封。

排气时，图8中，上密封块521首先被吸起，下密封块531紧接着被吸起，由于特殊的结构形状，密封块不会反向密封，整个排气装置内形成完整畅通的路径，内部和空气水顺着路径流入吸管中，抽入吸水器，当固地装置圆筒内外压差相同时，固地装置开始下降逐渐插入土中，待固地装置在土壤中安置完成，拔出吸管，在内外压差和自身重力作用下上、下密封块回到原位置，从而形成双重压力密封。

另外，从图2可以了解，所述管套21由两个相卡接的半圆筒状壳体26组成，且所述管套21的内径略大于管道1外径，以允许一定的径向位移和管道椭圆度，且在管套1的中部外壁上设置有与所述上管箍23和下管箍24配合的凸起环27，凸起环27的截面为等腰梯形。管套边缘被设计成缓冲过渡，减小与管道的接触应力集中，所述上管箍23和下管箍24分别包括两个半圆形箍环28和两个连接块29，所述连接块29焊接在半圆形箍环28的两端部，且两个半圆形箍环28中间的空隙281与所述凸起环27相嵌合，在上、下管箍螺栓连接后，两块半圆筒状壳体被箍紧形成干涉配合从而固定住，以防止上管箍23和下管箍24发生位移，固定的更加牢固。

所述插头22包括与下管箍焊接的上组块221以及倒圆锥形下组块222，所述上组块221为圆柱形，且下组块222的直径大于上组块的直径，所述倒圆锥形下组块222与所述插槽33紧密贴合。所述锁紧环6包括上部圆盘61和下部卡轴62，下部卡轴62的外表面设置有螺纹。

整个固定装置在着地时由于装置自身和配重块重量对土壤有一定初始涉入量，固地装置内部形成封闭。通过排气装置吸取固地装置内部的水和气，形成和外部海水的压差，在压力作用下固地装置侧壁被压入土中；在固地装置内部倒圆锥体的作用下，压入的土壤被越压越实，同时与侧壁和倒齿紧密结合。压入完毕后，内部形成密封，在土壤摩擦力、海水压差和配重的共同作用下，整个固定装置保持稳固；排气时，在排气装置作用下，受到来气口的吸力，上密封块和下密封块依次被吸起，由于内部的特殊结构设计，形成一个由上至下的通路，内部海水和空气沿此路径排出；所述气口暴露于海水中时，受到海水压力，两密封块被下压至其锥面紧贴倒圆锥形阀口圆锥面，此时通路被封闭，排气装置内部形成双重密封。

本实施例提出的固定装置能够对铺地柔性管道形成稳固且持久的海底固定效果，通过利用固地装置入地结构处的土壤阻力、装置负压及上壳内部的配重来保证整个装置的稳定性，并通过倒齿，倒圆锥等局部结构布置进一步提升了固地装置的抓紧力和稳定性，形成良好并持久的固定效果；在固地装置上方亦可以根据需要安放用于其它海底装备固定的限位装置，在此不做详细说明，对于海底结构的固定具有普遍适用性和灵活性；再者，该装置的适应能力和灵活性高，对复杂地形和不同的土壤适应性强，固定装置在不同土质的土壤中都能插入并紧固。

此外，固地装置插入的深度、与地面的插入角度等都能够适当地调整以适应不同的海底情况；同时，排气装置和限位装置也方便装卸，便于维修更换，对排气装置的设计具有自紧和双重密封效果，较传统的排气口更安全，更灵活，具有更好的密封效果和更长的使用寿命；整个固定装置体积小、安装简单且无需工作人员潜水作业，节省了海底柔性管道的铺设成本，较传统的海底复合管道固定方式更具有经济效益和安全性，也能够根据需要和其他配重方式配合使用，比如挖沟埋沟等，适用范围较广。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。