專利名稱：一種分階段兩次挖溝預(yù)熱止屈的海底管道施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分階段兩次挖溝的海底管道施工方法，尤其是一種利用預(yù)熱側(cè)向屈曲的冷卻回彈引發(fā)預(yù)拉應(yīng)力，從而避免服役后管道發(fā)生垂向屈曲失效的施工方法。
背景技術(shù)：
出于流動(dòng)保障的要求，海洋石油需要在高溫條件下實(shí)現(xiàn)管道輸送，不可避免地，熱荷載將在管壁內(nèi)引發(fā)顯著的軸向力，并可能導(dǎo)致管道發(fā)生垂向的或者側(cè)向的屈曲而失效。為避免海底管道在海床上發(fā)生垂向的熱屈曲，常用的工程方案是將管道埋設(shè)在海底或者在管道上方堆積石塊約束管道，但對(duì)于長(zhǎng)距離海底管道來說，類似的止屈措施成本很高 ，并給后期檢測(cè)維修帶來困難。盡管無法減少垂向屈曲失效的風(fēng)險(xiǎn)，但為確保管道在海床上就位穩(wěn)定(不被海流沖離原位置)，限制側(cè)向屈曲，以及減少對(duì)路由海域海洋作業(yè)的影響，現(xiàn)有海底管道常采用挖溝沉管后等待自然回填的施工方案對(duì)已鋪設(shè)就位的海底管道加以約束。結(jié)合現(xiàn)有的施工方案，若能夠在挖溝前對(duì)管道預(yù)熱，使管道發(fā)生一定程度的可接受的側(cè)向屈曲后再挖溝約束，預(yù)熱結(jié)束后管道的冷卻回彈將被管溝限制，從而在管道內(nèi)引發(fā)一定的預(yù)拉應(yīng)力，即可緩解正式服役后熱荷載引發(fā)的管壁內(nèi)軸向壓應(yīng)力，從而避免垂向上的管道熱屈曲失效。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種海底管道施工方法，利用挖溝和預(yù)熱工序在側(cè)向屈曲后冷卻回彈的管道內(nèi)誘發(fā)拉應(yīng)力，增加管道投產(chǎn)后的垂向熱穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案海底管道鋪設(shè)完畢并安裝好終端膨脹彎以后，選擇管道路由中的若干管段作為預(yù)熱屈曲段保留，對(duì)其他管道段挖溝沉管，此為第一階段挖溝工程。待第一階段挖溝工程結(jié)束后選擇合適溫度、壓力的熱水通管，對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，在確保管道不發(fā)生垂向屈曲的前提下，使未挖溝的管道段發(fā)生輕微幅度的側(cè)向屈曲。待管道屈曲變形穩(wěn)定以后，開始第二階段的挖溝，使屈曲段的管道沉入溝中。然后結(jié)束預(yù)熱，管道將冷卻收縮，但其回彈受到了管溝的約束，因此在管道內(nèi)部引發(fā)了一定的拉應(yīng)力。待到清管結(jié)束管道投產(chǎn)輸送熱介質(zhì)時(shí)，上述預(yù)留的拉應(yīng)力將抵消一部分輸送熱荷載引發(fā)的管壁內(nèi)的軸向壓應(yīng)力，故可減少管道發(fā)生垂向屈曲的風(fēng)險(xiǎn)，增加管道的垂向熱穩(wěn)定性。另外在管道鋪設(shè)階段，若能夠?qū)㈩A(yù)熱屈曲管道段事先鋪設(shè)出一定弧度，那么該段管道的側(cè)向屈曲臨界載荷將會(huì)有所降低，到預(yù)熱時(shí)其側(cè)向屈曲發(fā)生的突然性將減小，同時(shí)屈曲變形也會(huì)更為穩(wěn)定，整個(gè)施工方法也更容易獲得成功。


圖I是本發(fā)明海底管道鋪設(shè)后的第一階段挖溝示意圖；圖2是本發(fā)明第一階段未挖溝管道段預(yù)熱后側(cè)向屈曲的示意圖；圖3是本發(fā)明第二階段的挖溝示意圖4是本發(fā)明預(yù)熱結(jié)束后屈曲段管道冷卻回彈引發(fā)張力的示意圖；圖5是挖溝、未挖溝兩個(gè)位置的管道剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖I所示，海底管道鋪設(shè)過程中將3、5、7三位置處管道段在海床上呈弧線鋪設(shè)，將這三段管道作為預(yù)留的管道段，在管道其他位置挖溝沉管。3、5、7三段管道的預(yù)留長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件①在該長(zhǎng)度下管道段一般只發(fā)生一階模態(tài)的側(cè)向屈曲；②該段管道預(yù)熱后發(fā)生的側(cè)向屈曲波長(zhǎng)足夠長(zhǎng)，屈曲幅度不太大，發(fā)生過程緩慢，所引發(fā)的應(yīng)力集中是可以接受的。因此3、5、7三段管道的預(yù)留長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)管道的剛度和海床海土摩擦屬性事先計(jì)笪 o圖I中，4、6位置為預(yù)留管道段(3、5、7段)之間的間隔段，需要在第一階段挖溝中沉入溝中。這兩段管道長(zhǎng)度也應(yīng)該足夠，確保在預(yù)熱后3、5、7管道段發(fā)生的側(cè)向屈曲穩(wěn)定而不匯合。第一階段挖溝結(jié)束后，需用一定溫度和壓力的熱水對(duì)管道預(yù)熱，預(yù)熱溫度的選擇需要滿足以下兩個(gè)條件①使有初始撓度的3、5、7段管道在海床平面上發(fā)生一定幅度的側(cè)向屈曲，該側(cè)向屈曲不會(huì)引發(fā)管道屈服或損傷；②預(yù)熱溫度不會(huì)過高而導(dǎo)致其他位置管溝內(nèi)的管道直接發(fā)生垂向屈曲，應(yīng)小于管道的投產(chǎn)溫度。預(yù)熱過程中需要對(duì)3、5、7段管道的側(cè)向屈曲實(shí)施監(jiān)測(cè)，并同步調(diào)節(jié)升溫速度和熱水壓力，確保側(cè)向屈曲的過程緩慢穩(wěn)定。由于預(yù)熱中管道充滿水，其重量大于輸油狀態(tài)下的管道重量，預(yù)熱溫度低于管道的投產(chǎn)溫度，因此預(yù)熱中直接發(fā)生垂向屈曲的可能性比較小，另外3、5、7段管道具有初始鋪設(shè)撓度，其側(cè)向屈曲的臨界溫度比較低，因此在一般條件下，容易得到一定的可行范圍來選擇預(yù)熱溫度。3、5、7段管道在海床上發(fā)生屈曲并獲得一定的側(cè)向位移量以后(見圖2)，開始實(shí)施第二階段的挖溝，并使3、5、7段管道沉入溝中，見圖3。在第二階段的挖溝作業(yè)中，預(yù)熱的水溫和壓力需要保持。完成第二階段挖溝任務(wù)后，可逐步降低水溫結(jié)束預(yù)熱。此時(shí)3、5、7段管道將有收縮回彈的趨勢(shì)，但被新挖的管溝約束，從而在管道內(nèi)引發(fā)一定拉應(yīng)力。至此為止，本發(fā)明提出的兩階段挖溝利用預(yù)熱止屈的施工方案整套完成，見圖4。圖5是挖溝、未挖溝兩個(gè)位置的管道剖面圖。由于熱水預(yù)熱過程可以與常規(guī)的管道試壓工序同步進(jìn)行，因此完成以上施工工序后管道即可以投產(chǎn)正式輸油。當(dāng)輸送溫度較高時(shí)，熱荷載引發(fā)的管道軸向力由于保留在管道內(nèi)的拉力而得以緩解，從而避免管道發(fā)生垂向屈曲失效。因此相比現(xiàn)有的施工方案，本發(fā)明的施工措施提升了該管道的熱荷載承擔(dān)能力，使其能夠在保持熱穩(wěn)定的前提下滿足更高溫度介質(zhì)的輸送任務(wù)。上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種分階段兩次挖溝預(yù)熱止屈的海底管道施工方法，主要包括以下步驟 1)管道鋪設(shè)階段在其路由上選擇若干相互間隔的管道段進(jìn)行弧線鋪設(shè)，使這些管道段具有一定初始撓度，鋪設(shè)完畢后對(duì)這些管道段以外的直管道挖溝沉管； 2)選擇合適溫度對(duì)鋪設(shè)完畢管道預(yù)熱，使具有初始撓度的管道段在海床平面上發(fā)生輕微幅度的緩慢穩(wěn)定的側(cè)向屈曲； 3)保持預(yù)熱溫度，開始第二階段挖溝，將發(fā)生側(cè)向屈曲的管道段挖溝沉管，施加側(cè)向約束； 4)結(jié)束預(yù)熱，自然冷卻管道，側(cè)向屈曲段的管道將有回彈的趨勢(shì)但被約束在管溝中，管道內(nèi)引發(fā)一定拉應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求I所述的一種利用預(yù)熱誘發(fā)輕微幅度的側(cè)向屈曲從而避免正式投產(chǎn)后發(fā)生破壞性垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于管道投產(chǎn)前利用熱水預(yù)熱管道，并利用挖溝約束側(cè)向屈曲管道冷卻后的回彈，從而在管道內(nèi)引發(fā)拉應(yīng)力，用以抵消管道投產(chǎn)后熱荷載引發(fā)的軸向壓應(yīng)力。
3.如權(quán)利要求I所述的一種利用預(yù)熱誘發(fā)側(cè)向屈曲避免垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于在海底管道路由的若干位置對(duì)管道進(jìn)行弧線鋪設(shè)，并對(duì)這些管段以外的管道挖溝沉管，使預(yù)熱誘發(fā)的側(cè)向屈曲發(fā)生在設(shè)定的位置上，并利用鋪設(shè)弧度降低管道發(fā)生側(cè)向屈曲的突然性。
4.如權(quán)利要求I所述的一種利用預(yù)熱誘發(fā)側(cè)向屈曲避免垂向屈曲的海底管道施工方法 其特征在于預(yù)熱誘發(fā)的側(cè)向屈曲發(fā)生在具有初始鋪設(shè)撓度的若干管道段上，在管道路由上這些管道段相互之間間隔足夠長(zhǎng)的距離，且間隔的直管段已挖溝約束，確保預(yù)熱后發(fā)生的側(cè)向屈曲能夠保持穩(wěn)定，各屈曲管段相互之間不會(huì)發(fā)生貫通。
5.如權(quán)利要求I所述的一種利用預(yù)熱誘發(fā)側(cè)向屈曲避免垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于預(yù)熱水溫要確保未挖溝位置的弧線鋪設(shè)管道段發(fā)生一階模態(tài)的側(cè)向屈曲，同時(shí)又不會(huì)過高直接導(dǎo)致管溝內(nèi)的其他管道段發(fā)生垂向屈曲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分階段兩次挖溝預(yù)熱止屈的海底管道施工方法，其特征在于1)利用預(yù)熱在海底管道路由中若干選定管道段上誘發(fā)輕微的側(cè)向屈曲，并利用挖溝約束這些管道段的冷卻回彈，從而在管壁內(nèi)引發(fā)拉應(yīng)力，部分抵消管道正式投產(chǎn)后熱荷載在管壁內(nèi)引發(fā)的壓應(yīng)力，達(dá)到避免管道在海床上發(fā)生垂向屈曲的目的。2)利用兩次挖溝實(shí)現(xiàn)預(yù)熱側(cè)向屈曲的控制和側(cè)向屈曲回彈的約束，第一次挖溝在計(jì)劃發(fā)生側(cè)向屈曲管段之外的管道段上展開，并將這些部位的管道沉入溝中，確保預(yù)熱誘發(fā)的側(cè)向屈曲發(fā)生在沒有管溝約束的計(jì)劃位置；第二次挖溝在預(yù)熱期間進(jìn)行并將已發(fā)生側(cè)向屈曲的管道段沉入溝中，待預(yù)熱結(jié)束后這些管段的冷卻回彈受到約束從而引發(fā)拉應(yīng)力。
文檔編號(hào)F16L1/16GK102777686SQ201110447850
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者趙天奉 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)