專利名稱：帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器及其固定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海底管道設(shè)施鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海底管道附屬部件。
背景技術(shù)：
1.海底管道的屈曲傳播和止屈器海底管道在外部靜水壓力和彎曲作用下，容易發(fā)生屈曲破壞。屈曲破壞的形式有 兩種一種是局部屈曲(Collapse)，另一種是屈曲傳播(Propagating Buckles)。從理論上 講，若控制管道不發(fā)生局部屈曲，就不會(huì)發(fā)生屈曲傳播；但即使管道嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行 選擇和鋪設(shè)，在實(shí)際工程的鋪設(shè)過(guò)程中，仍然會(huì)出現(xiàn)一些狀況，會(huì)令管道受力超出預(yù)期，造 成局部屈曲。例如，海底管道可能會(huì)受到來(lái)自海床等其他物體的外力作用，或者鋪設(shè)過(guò)程中 遇到某些障礙令管道產(chǎn)生過(guò)大的彎曲變形等，這些原因都會(huì)使管道產(chǎn)生局部屈曲，也就是 說(shuō)，在海底這種復(fù)雜的環(huán)境中，海底管道要發(fā)生局部屈曲其實(shí)是很難避免的。局部的屈曲失 穩(wěn)一旦發(fā)生，就有可能沿著管道長(zhǎng)度方向進(jìn)行傳播，進(jìn)而使整個(gè)管道結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞，從 而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，解決海底管道屈曲傳播問(wèn)題的一個(gè)頗具經(jīng)濟(jì)性的方法，就是沿著管道的長(zhǎng) 度方向間隔一定距離設(shè)置止屈器(Buckling Arrestor) 0其工作原理就是允許管道發(fā)生局 部屈曲，但是屈曲傳播并不能跨越止屈器，這樣就能使局部屈曲僅發(fā)生于兩個(gè)止屈器之間。有效的止屈器應(yīng)該能夠在最大設(shè)計(jì)水深內(nèi)成功阻止屈曲傳播，其形式一般是一個(gè) 厚壁圓環(huán)或纏繞棒條，按照安裝的方式不同，一般可分為扣入式、普通焊接式、整體式和纏 繞式止屈器。發(fā)明專利申請(qǐng)200910309743. 6公開(kāi)了一種帶螺旋側(cè)板的海底管道止屈器，該 種，由包括兩個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)相同的殼體連接而成，每個(gè)殼體分別為變截面的半圓環(huán)形，兩個(gè) 殼體均設(shè)置外伸的眼板，所述眼板用于通過(guò)螺栓連接兩個(gè)殼體，外徑沿軸向變化且通過(guò)渡 斜面連接，兩端較厚，中部較薄，兩個(gè)殼體連接成一個(gè)變截面的環(huán)形柱體。該種海底管道止 屈器，由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管道在止屈器位置處的壁厚存在不連續(xù)性，從而會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng) 力集中點(diǎn)，特別是在鋪管過(guò)程中，容易對(duì)管道造成不良影響。2.海底管道的在位穩(wěn)定性設(shè)計(jì)海底管道在位穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要目的是，選擇合適的海底線路、管道材料、管道尺 寸，以及管道加工安裝和維護(hù)方法，使管道在運(yùn)營(yíng)期間能夠抵御可能遇到的波浪、海流等惡 劣環(huán)境載荷，并使投資費(fèi)用最低。海底管道雖然位于海底，但波浪和海流仍會(huì)對(duì)海底管道的 在位穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。在波浪和海流作用下，海底管道在位穩(wěn)定性與管道重量、環(huán)境載 荷和海底土層產(chǎn)生的阻力等多種因素相關(guān)。如果海底地基土所提供的阻力不足以平衡波浪 力和海流力，管道會(huì)從原位滑出而發(fā)生在位失穩(wěn)現(xiàn)象。為防止海底管道在位失穩(wěn)，必須提高管道的水下重量或?qū)艿肋M(jìn)行埋設(shè)或覆蓋。 管道水下重量的提高一般是通過(guò)增加管道混凝土配重層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而過(guò)大的管道設(shè) 計(jì)重量又會(huì)對(duì)鋪管設(shè)施和方法提出更高的要求；而如果將管道埋設(shè)或者覆蓋，則需要耗費(fèi) 巨大的施工成本?？梢?jiàn)，合理的海底管道在位穩(wěn)定性分析，對(duì)海底管道設(shè)計(jì)和鋪設(shè)施工方法的選擇具有重要意義。根據(jù)止屈器對(duì)海底管道進(jìn)行局部剛度加強(qiáng)的設(shè)計(jì)思想，提高管道的 在位穩(wěn)定性也可以通過(guò)一定的局部阻力加強(qiáng)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以在安全性和經(jīng)濟(jì)性中間 取得比較好的平衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供能夠有效防止海底管道止屈器應(yīng) 力集中以及增強(qiáng)海底管道在位穩(wěn)定性的局部加強(qiáng)裝置，并且提供一種該裝置在海底管道上 安裝的方法。本發(fā)明采取合理的施工工藝，降低成本，有效控制海底管道的止屈器應(yīng)力集中 及在位失穩(wěn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和安全性的完美統(tǒng)一。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，使用時(shí)固定在兩截海底管道之間，包括穩(wěn) 定性支撐和固定在其內(nèi)的球形止屈器，所述止屈器呈橢球形，其橫截面為圓環(huán)形，內(nèi)徑與管 道內(nèi)徑相同，截面外徑沿軸向變化，從中間向兩端逐漸縮小，止屈器兩端的截面外徑與管道 外徑相同，所述穩(wěn)定性支撐包括兩瓣等截面的殼體，一個(gè)為上殼體，一個(gè)為下殼體，上殼體 為半圓環(huán)形，下殼體為底部削平的半圓環(huán)形，底部中間帶有凹槽；兩瓣殼體的邊緣均帶有外 伸的眼板，螺栓穿過(guò)眼板，將兩瓣殼體連成一體，并緊貼在管道和球形止屈器的外表面上。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體的內(nèi)表面與海底管道和球形止屈 器的外表面相契合，內(nèi)外表面之間留有不超過(guò)管道外徑的1 2%的縫隙；球形止屈器的最 大壁厚取2-4倍的管道壁厚，總長(zhǎng)度取1. 5-2. 5倍的管道外徑。本發(fā)明同時(shí)提供一種上述帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器的固定方法，包括以下 步驟(1)根據(jù)給定海底管道的外徑及壁厚尺寸，制作球形止屈器和構(gòu)成穩(wěn)定性支撐的 兩瓣等截面殼體；(2)將球形止屈器焊接在兩段海底管道之間；(3)安裝穩(wěn)定性支撐時(shí)，首先將下瓣殼體緊貼在球形止屈器的下部，通過(guò)眼板位置 和球形止屈器的外表面，把上瓣殼體與已就位的下瓣殼體對(duì)接；兩瓣殼體通過(guò)螺栓進(jìn)行固 定，螺栓穿過(guò)眼板將兩瓣殼體連成一體，外包在球形止屈器和海底管道的外部；(4)在穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器外表面之間的微小 間隙，通過(guò)灌入水泥、混砂環(huán)氧樹(shù)脂以及聚氨酯等進(jìn)行填充；(5)在安裝好穩(wěn)定性支撐以外的管道部分敷設(shè)混凝土配重層，混凝土配重層的端 部緊貼穩(wěn)定性支撐的端部。第(5)步中，如果混凝土配重層的外表面不能與穩(wěn)定性支撐的外表面平齊，則在 鋪管船張緊器之后安裝穩(wěn)定性支撐；所述穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體的內(nèi)表面與海底管道和球 形止屈器的外表面相契合，內(nèi)外表面之間留有不超過(guò)管道外徑的1 2%的縫隙。本發(fā)明提供了一種集防止海底管道止屈器應(yīng)力集中與增強(qiáng)海底管道在位穩(wěn)定性 于一體的局部加強(qiáng)裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明能夠有效防止海底管道發(fā)生局部屈曲后的屈曲傳播，確保海底管道整 體的完整性，大大減少經(jīng)濟(jì)損失，由于本發(fā)明中的球形止屈器與管道焊接在一起，因此止屈 效果良好，非常適用于深水海底管道；
(2)球形止屈器的外徑從中間向兩端逐漸減小，最后與管道外徑相同，止屈器和管 道的外表面過(guò)渡平緩，能夠有效避免彎曲應(yīng)力集中，特別是在鋪管過(guò)程中，可以盡量減少對(duì) 管道造成的不良影響；(3)穩(wěn)定性支撐下瓣殼體的底部進(jìn)行了削平處理，并在底部中間開(kāi)有凹槽，大大增 加了海底地基土所提供的阻力，可以有效保證海底管道的在位穩(wěn)定性；(4)穩(wěn)定性支撐的內(nèi)表面與球形止屈器的外表面相契合，這可以通過(guò)一套內(nèi)外契 合的模具進(jìn)行批量生產(chǎn)，從而簡(jiǎn)化制造工藝，降低制造成本；(5)球形止屈器和穩(wěn)定性支撐的安裝工藝簡(jiǎn)單，可以采用流水線安裝，從而提高工 作效率，降低施工成本；(6)穩(wěn)定性支撐可以對(duì)球形止屈器兩端的焊縫進(jìn)行有力的保護(hù)，大大減緩焊縫的 腐蝕和開(kāi)裂破壞；(7)穩(wěn)定性支撐在一定程度上增加了球形止屈器的止屈效果，具有“二次止屈”的 作用，從而提高了球形止屈器的可靠性，以及應(yīng)對(duì)某些意外惡劣情況的能力。


圖1為僅裝配球形止屈器的某段海底管道的正視圖和剖視圖；圖2為同時(shí)裝配球形止屈器和穩(wěn)定性支撐的某段海底管道的正視圖；圖3為圖2中的A-A剖面圖；圖4為圖2中的B-B剖面圖；圖5為圖2中穩(wěn)定性支撐的下瓣殼體，是圖2中穩(wěn)定性支撐的仰視圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明1海底管道；2球形止屈器；3焊縫；4穩(wěn)定性支撐的上瓣殼體；5穩(wěn)定性支撐的下瓣 殼體；6眼板；7螺栓
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器。該種帶穩(wěn)定性支撐的海底管 道止屈器主要包括位于內(nèi)部的球形止屈器和位于外部的穩(wěn)定性支撐。球形止屈器的截面為 圓環(huán)形，內(nèi)徑與管道內(nèi)徑相同，截面外徑沿軸向變化，從中間向兩端逐漸縮小，兩端截面的 外徑與管道外徑相同，從外觀上看，該止屈器呈橢球形。在球形止屈器的周圍外包兩瓣形狀 不同的等截面殼體，兩瓣殼體通過(guò)螺栓緊密連接作為穩(wěn)定性支撐。穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體 橫截面均呈半圓環(huán)形，但下瓣殼體的底部削平，底部中間帶有凹槽；兩瓣殼體邊緣均帶有外 伸的眼板，螺栓穿過(guò)眼板，將兩瓣殼體連成一體，并緊貼在管道和球形止屈器的外表面上。本發(fā)明的止屈器，位于內(nèi)部的球形止屈器的最大壁厚取2-4倍的管道壁厚，另外， 在選取壁厚時(shí)應(yīng)考慮混凝土配重層的厚度，最好是與配重層的厚度相等。球形止屈器的總 長(zhǎng)度取1. 5-2. 5倍的管道外徑；安裝時(shí)將球形止屈器放到管道的指定位置，兩者同軸排好 之后，在連接處通過(guò)對(duì)頭焊接來(lái)將兩側(cè)的管道連接起來(lái)。穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體內(nèi)表面應(yīng)與海底管道和球形止屈器的外表面相契合，為了 便于安裝，內(nèi)外表面之間可以留有微量間隙，但不能超過(guò)管道外徑的1 2%，間隙中可以
5灌入水泥、混砂環(huán)氧樹(shù)脂以及聚氨酯等；否則，海底管道一旦發(fā)生局部屈曲并導(dǎo)致球形止屈 器失效，如果穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體不能緊緊貼在海底管道和球形止屈器的外表面，則穩(wěn) 定性支撐會(huì)失去“二次止屈”的作用。穩(wěn)定性支撐的殼體長(zhǎng)度應(yīng)至少保證能夠覆蓋球形止 屈器兩端的焊縫，外徑的選取可根據(jù)混凝土配重層的厚度或者管道在位穩(wěn)定性所需的水下 重量來(lái)確定。該局部加強(qiáng)裝置布置間距的確定需要在該裝置成本與裝置之間管道發(fā)生屈曲破 壞以及在位失穩(wěn)可能性中取得一個(gè)平衡，在確定布置間距時(shí)需要綜合考慮以下幾個(gè)因素 管道總長(zhǎng)度、管道外徑、壁厚以及管道單位長(zhǎng)度的成本、鋪設(shè)水深、替換和回收單位長(zhǎng)度受 損管道的成本等。這種帶穩(wěn)定性支撐的球形止屈器的制作和安裝方法，包括以下步驟(1)根據(jù)給定海底管道的外徑及壁厚尺寸，制作球形止屈器和穩(wěn)定性支撐的兩瓣 等截面殼體，這可以通過(guò)一套內(nèi)外契合的模具進(jìn)行批量生產(chǎn)。(2)海底管道一般采取分段預(yù)制，利用鋪管船等在海上焊接和鋪設(shè)，因此，該發(fā)明 的球形止屈器可在鋪管船的焊接過(guò)程中進(jìn)行安裝。(3)安裝穩(wěn)定性支撐時(shí)，首先將下瓣殼體緊貼在球形止屈器的下部，通過(guò)眼板位置 和球形止屈器的外表面，把上瓣殼體與已就位的下瓣殼體對(duì)接；兩瓣殼體通過(guò)四個(gè)螺栓進(jìn) 行固定，螺栓穿過(guò)眼板將兩瓣殼體連成一體，外包在球形止屈器和海底管道的外部。(4)穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器外表面之間的微小間 隙，通過(guò)灌入水泥、混砂環(huán)氧樹(shù)脂以及聚氨酯等進(jìn)行填充。(5)在安裝好穩(wěn)定性支撐以外的管道部分敷設(shè)混凝土配重層，混凝土配重層的端 部緊貼穩(wěn)定性支撐的端部；如果混凝土配重層的外表面不能與穩(wěn)定性支撐的外表面平齊， 可以考慮在鋪管船張緊器之后安裝穩(wěn)定性支撐，以保證管道能順利通過(guò)張緊器。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步描述。裝配有球形止屈器的某段海底管道的正視圖和剖視圖，如圖1所示。本發(fā)明所涉 及的海底管道球形止屈器2，在安裝時(shí)首先將球形止屈器2放到管道1的指定位置，兩者同 軸排好之后，在連接處3通過(guò)對(duì)頭焊接來(lái)將兩側(cè)的管道連接起來(lái)，然后采用角焊將球形止 屈器2的外表面與管道1的外表面進(jìn)行良好焊接。同時(shí)裝配有球形止屈器和穩(wěn)定性支撐的某段海底管道的正視圖，如圖2所示。穩(wěn) 定性支撐的上瓣殼體4和下瓣殼體5邊緣均帶有外伸的眼板6，螺栓7穿過(guò)眼板6，將兩瓣 殼體連成一體，并緊貼在管道1和球形止屈器2的外部；兩瓣殼體的橫截面均呈半圓環(huán)形， 但下瓣殼體5的底部進(jìn)行了削平處理，中部帶有凹槽，用于增加海底地基土所提供的阻力， 從而保證海底管道的在位穩(wěn)定性；球形止屈器和穩(wěn)定性支撐可運(yùn)用流水線預(yù)制工藝，通過(guò) 一套內(nèi)外契合的模具進(jìn)行批量生產(chǎn)，鋼材等級(jí)可選用API 5L X80o圖3和圖4分別為圖2中球形止屈器和穩(wěn)定性支撐的A-A和B-B剖面圖，它們顯示 了該發(fā)明的側(cè)面結(jié)構(gòu)形式。在管道敷設(shè)混凝土配重層之前，首先安裝球形止屈器2 ；在安裝 穩(wěn)定性支撐時(shí)，首先將下瓣殼體5緊貼在球形止屈器2的下部，通過(guò)眼板6的位置和球形止 屈器2的外表面，把上瓣殼體4與已就位的下瓣殼體5對(duì)接；兩瓣殼體通過(guò)四個(gè)螺栓7進(jìn)行 固定，螺栓7穿過(guò)眼板6將兩瓣殼體連成一體，外包在海底管道1和球形止屈器2的外部； 穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器外表面之間的微小間隙，通過(guò)灌入水泥、混砂環(huán)氧樹(shù)脂以及聚氨酯等進(jìn)行填充。
權(quán)利要求
1.一種帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，使用時(shí)固定在兩截海底管道之間，包括穩(wěn)定 性支撐和固定在其內(nèi)的球形止屈器，所述止屈器呈橢球形，其橫截面為圓環(huán)形，內(nèi)徑與管道 內(nèi)徑相同，截面外徑沿軸向變化，從中間向兩端逐漸縮小，止屈器兩端的截面外徑與管道外 徑相同，所述穩(wěn)定性支撐包括兩瓣等截面的殼體，一個(gè)為上殼體，一個(gè)為下殼體，上殼體為 半圓環(huán)形，下殼體為底部削平的半圓環(huán)形，底部中間帶有凹槽；兩瓣殼體的邊緣均帶有外伸 的眼板，螺栓穿過(guò)眼板，將兩瓣殼體連成一體，并緊貼在管道和球形止屈器的外表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，其特征在于，所述穩(wěn)定性 支撐的兩瓣殼體的內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器的外表面相契合，內(nèi)外表面之間留有不 超過(guò)管道外徑的1 2%的縫隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，其特征在于，所述的球形 止屈器的最大壁厚取2-4倍的管道壁厚，總長(zhǎng)度取1. 5-2. 5倍的管道外徑。
4.一種上述帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器的固定方法，包括以下步驟(1)根據(jù)給定海底管道的外徑及壁厚尺寸，制作球形止屈器和構(gòu)成穩(wěn)定性支撐的兩瓣 等截面殼體；(2)將球形止屈器焊接在兩段海底管道之間；(3)安裝穩(wěn)定性支撐時(shí)，首先將下瓣殼體緊貼在球形止屈器的下部，通過(guò)眼板位置和球 形止屈器的外表面，把上瓣殼體與已就位的下瓣殼體對(duì)接；兩瓣殼體通過(guò)螺栓進(jìn)行固定，螺 栓穿過(guò)眼板將兩瓣殼體連成一體，外包在球形止屈器和海底管道的外部；(4)在穩(wěn)定性支撐的兩瓣殼體內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器外表面之間的微小間 隙，通過(guò)灌入水泥、混砂環(huán)氧樹(shù)脂以及聚氨酯等進(jìn)行填充；(5)在安裝好穩(wěn)定性支撐以外的管道部分敷設(shè)混凝土配重層，混凝土配重層的端部緊 貼穩(wěn)定性支撐的端部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶穩(wěn)定性支撐的海底管道球形止屈器的固定方法，其特征在 于，第( 步中，如果混凝土配重層的外表面不能與穩(wěn)定性支撐的外表面平齊，則在鋪管船 張緊器之后安裝穩(wěn)定性支撐。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，其特征在于，所述穩(wěn)定性 支撐的兩瓣殼體的內(nèi)表面與海底管道和球形止屈器的外表面相契合，內(nèi)外表面之間留有不 超過(guò)管道外徑的1 2%的縫隙。
全文摘要
本發(fā)明屬于海底管道設(shè)施鋪設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶穩(wěn)定性支撐的海底管道止屈器，使用時(shí)固定在兩截海底管道之間，包括穩(wěn)定性支撐和固定在其內(nèi)的球形止屈器，所述止屈器呈橢球形，其橫截面為圓環(huán)形，內(nèi)徑與管道內(nèi)徑相同，截面外徑沿軸向變化，從中間向兩端逐漸縮小，止屈器兩端的截面外徑與管道外徑相同，所述穩(wěn)定性支撐包括兩瓣等截面的殼體，一個(gè)為上殼體，一個(gè)為下殼體，上殼體為半圓環(huán)形，下殼體為底部削平的半圓環(huán)形，底部中間帶有凹槽；兩瓣殼體的邊緣均帶有外伸的眼板，螺栓穿過(guò)眼板，將兩瓣殼體連成一體，并緊貼在管道和球形止屈器的外表面上。本發(fā)明同時(shí)提供一種該種止屈器的固定方法。本發(fā)明能夠有效防止海底管道止屈器應(yīng)力集中，并能夠增強(qiáng)海底管道在位穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)F16L1/20GK102062258SQ20101060302
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者余建星, 傅明煬, 卞雪航, 周清基, 李智博, 杜尊峰, 楊源, 馬維林 申請(qǐng)人:天津大學(xué)