CN1007550B - 制作螺旋形流体输送管束的装置 - Google Patents

Abstract

在用卷轴式铺管法近海铺设流体输送管线束之前，将流体输送管线束盘捻和编织成永久性的象绳索那样的螺旋线形状。形成螺旋形输送管线束的适用设备包括一个捻管器和一系列转管器，转管器同管线中间支架交替布置，这种设备使输送管线束中的一部分转动并移动，而另一部分只是移动。

Description

采取装在浮船上的卷轴、拉紧器和直管器铺设小直径的海上流体输送管，是一种快速和有效的方法。不过，如果必须同时铺设多条管线时，这种“卷轴式铺管”法就成为不适宜的，对于铺到海底井口出来的出油管束说，经常就是这种情况。典型的通到水下油井的出油管束包括两条开采出油管线，一条环形进出管线，一条化学喷射管线，一条液压动力管线，以及一条控制电缆线。对于这种多管线情况，必须将各管线分别绕到各独立的卷轴上，然后是（1）分别从浮船上放出，铺设各管线，此时小心监控各悬垂长度;或者（2）用带子将各管线包 扎在一起，形成“流体输送管线束”，然后作为一个整体铺入水中。

多输油管线或流体输送管线束常常遇到问题，因为它们是铺入或拉入、并连到海下井口或其他海下建筑，或者进入固定平台上的J形管（J-管）。可能发生的问题是，如果分别铺设的话，于铺管期间，在管线之间发生动力冲击。对于输油管线束被拉入海下井口或其他海下建筑的情况，可能发生的问题是：由于管束弯曲而导致较小的油管侧向挠曲;由于拉力和弯曲载荷分配不均匀而导致某几根管线超应力;在输油管端头连到井口之前，需要很大转矩使它定位。对于拉入J-管的输油管线束来说，可能发生的问题是：对于扎紧的油管，由于组合系统的弯曲效应而增加牵引力;对于扎得不结实或局部捆孔的管束，较小的油管在J-管曲线段内的拉伸或挠曲有差异，或者在J-管接口处形成挠曲管“弧”。本发明的目的是克服该技术领域中的各种问题，以下将清楚地叙述。

根据本发明，这个目的是这样达到的：在近海铺设流体输送管组合件之前，将输送管组合件盘捻或编织成永久性的象绳索那样的螺旋线形状。

根据本发明的方法包括下面几个步骤：

组合成基本平行的管线的第一管束;

将第一管束的管线盘捻成基本上是螺旋线的形状;

组合成基本平行的管线的第二管束;

利用液密连接将第一管束同第二管束相连;

在将第一管束连到第二管束这个步骤之前或之后，将第二管束的管线盘捻成基本上是螺旋形的形状。

在一个优选的实施例中，这种方法需要组合成基本平行的管线的第一管束;将第一管束盘捻成基本上是螺旋线的形状;组合成基本平行的管线的第二管束;利用液密连接将第一管束（捻过）连到第二管束（未捻过）上;将第二管束盘捻成基本上是螺旋线的形状;等等。在这个优选实施例中，在邻近于第一和第二管束连接的地方，把两个管束捻成一个螺旋体。用转动和移动第一管束（捻过）或第二管束（未捻过）并移动但不转动另一管束的方法进行盘捻。另一方面，在连到第一管束之后，可以在两管束相连地方的对面端盘捻第二管束。在另一种优选的实施例中，其方法是需要组合成基本平行的管线的第一管束;将第一管束盘捻成基本上是螺旋线的形状;组合成基本平行的管线的第二管束;将第二管束盘捻成基本上是螺旋线的形状;利用液密连接将第一管束（捻过）连到第二管束（捻过）;等等。在这个实施例中，各管束可以从一端盘捻，也可以从两端盘捻。

在所有情况下，管束都可缠绕到卷轴上，卷轴可以在船上，然后可以通过从卷轴上放出管线而在近海铺管，放出管线时，船朝输油管线路行进。另一种办法是，螺旋形输送管可以装配成一根或多根长管柱，然后用拖船拖到海上位置。在更好的实施例中，形成螺旋束的平行管柱沿一定间隔距离支承在转管器上，在螺旋盘捻期间，转管器使管柱转动;管柱又分别穿过转动捻管器上的几个孔，以形成螺旋线形状的流体输送管束。

现在利用附图，更详细地对本发明进行说明。

图1表示一螺旋线流体输送管束，它是将多重管线和电缆线捻合成螺旋体而形成的。

图2表示输送管束正同时盘捻和缠绕到卷轴船上。

图3和图4表示第一和第二实施例中制作和缠绕螺旋形管束的绕管场。

图5和图6表示第三和第四实施例的绕管场的配置。

图7表示在绕上卷管船之前形成螺旋束的双捻管器的布置。

图8和图9表示在捻管器和依次排列的转管器和中间管束支架之间的具体配置情况和连接情况。

图10和11表示捻管器设备的机械细节，捻管器的捻管圆盘有两种结构型式。

图12和图13表示转管器设备的机械细节，转管器的转管圆盘有两种结构型式。

本发明涉及在铺设近海流体输送管束之前，将输送管束盘捻、编织和/或包扎成永久性的象绳索那样的螺旋线形状，最好是用卷轴法铺管。另一种办法是，输送管可以在岸上组合，并拖入近海，而不将它置于卷轴上。贯穿在本发明中所用的术语“盘捻”、“编织”和“捻管器”等，它们的特殊含义是，当需要将一些管子制成永久性的象钢丝绳那样的螺旋体时，使几个管子相互围绕着转动而对任何管子不施加大的转矩。这样，沿管束各管顶面拉出的一根管线在整个“盘捻”过程中将保持在各管的顶 面。在螺旋体形成之后管束的仅有的剩余力矩或转矩是随螺旋体本身产生的很小曲度而引起的。这个小转矩是不重要的，它使管束聚合的支持力增大，通过如下所述的对管束以一定间隔用带子包扎的方法，是很容易抑制和抵消这个影响的。

盘捻成或编织成螺旋体的流体输送管束，比其他可能的形状都有着一些优点。因为比起分别铺设各管线来说，由于螺旋形管束的重量和刚度结合在一起，各管贴近，因此它的强度更大、完整性更好、对管束中各管的保护更好。本发明使得有可能做到，如同单卷轴（例如在各种原有船舶上的大卷管轴）上单根管线那样地缠绕和铺设整个流体输送管束。这样，在卷管轴船舶上就不需要两个和两个以上的卷轴、直管器、拉紧器和悬垂长度监控器。本发明还允许如同单根管线那样地搬运、检查、修理输送管束，而不是对各管子分别进行;这是重要的作业优点。对于螺旋管束实际上已没有组合系统的性质。这样，经弯曲和盘捻的螺旋线管束的刚度只不过是各单根管子刚度的和，它比相同尺寸组合系统的刚度小得多。因此，编织管束可达到：在将输送管端头对准到井口接受器时所需要的弯曲力矩和转矩最小，使J-管拉力最小。编织管束也消除了各较小管子由于弯曲或热压膨胀而产生侧向挠曲，局部包扎直管束会发生这种弯曲和热压膨胀情况。这样，举例来说，本发明就消除了绕到卷轴上的或通过J-管拉住的输送管束的挠曲问题。

现在参看附图，图1是一螺旋形流体输送管束，它是通过将多重油管和电缆线盘捻在一起成螺旋体而制成的。管束可包括：例如，两条开采输油管2和3，一条环形进出口管4，一条控制电缆5，一条化学喷射管6，和一条液压动力管7。当螺旋形地盘捻在一起时，它们构成一条流体输送管束1，用增强塑料带或其他带条做成的包扎件8和9使管束稳定，防止松散。经验表明，只是在管束的两个终端才绝对需要这样打捆或包扎螺旋束，但是为了安全起见，也可以在中间位置使用这种方法。

可以有几种不同方法使多条管线形成一螺旋形管束，以便采用卷轴式铺管;这些如附图中的各图所说明。图2所示为其中一种工艺过程，几根管子10绕到卷轴12上的同时，形成螺旋体11。对于这个工艺过程，需要一个捻管器13，它装在卷轴12的附近，并与卷轴对准;卷轴随选择布置在卷轴式铺管船的船尾，当管子10被送到卷轴12上时，对管子10施加必要的拉力，并转动它们。在离卷轴12处捻管器13之外的管子连接区16，管束11的自由端15接长。在管连接区16，可适用快速焊接技术，例如单极或电弧对焊法;或者是如果采用诸如螺纹管的机械接头时，那末在盘捻和缠绕过程中，只是较短长度需要处理。不过，在进行手工焊的地方，焊接速度较慢，需要将管束中的各管先做成长的管柱，然后在盘捻的管束绕到卷轴上时，这些整体管柱相互围绕着转动。

必须谨慎地使盘捻和缠绕速度相一致，以获得有适当节距的均匀螺旋体。经验表明，螺旋形流体输送管束的最佳节距的管束中最大管子直径的80-100倍。节距再大时，管子在一起被绑扎得太松，当它们被绕到卷轴上时。容易散开。节距再短时，在形成螺旋体的过程中，管子发生塑性弯曲，就不可能保持平直的均匀螺旋体。

图3是优选的工艺过程和卷管场的布置，在这里将管子组装成长管柱17，然后在管束绕上卷轴12时使这些管柱17作成螺旋束11。这个工艺过程有下面几个步骤：（1）在工场18，用焊接或其他方法，将管子形成长管柱17，把这些管柱搁到贮存架19上;（2）将适当的管柱20，从贮存架19装到管柱转管器21和中间支架22上;（3）在管子连接区16，用焊接或其他方法在将管柱20和从船14上的卷轴12出来的管束11的自由管端15相连接;（4）由转管器21转动管柱20的同时，通过捻管器13将管柱20捻成螺旋体，所得的螺旋束绕到卷轴12上，同时根据要求调节送管和捻管的速度，以得到合适的螺旋体;（5）当管柱20的尾端到达管子连接区16时，停止捻/绕工序;（6）包扎或捆在卷轴12和捻管器13之间的管束11，以防松散;（7）重复步骤（1）-（6），直至装配和储存到卷轴12上的螺旋束11的长度足够满足规定的近海流体输送管用途。转管器21的结构最好是顶部或侧面能打开的，以允许方便地装上管柱。各转管器21的转速和捻管器13的转速同步，以保持管柱20在捻/绕工序的过程中平直和互相平行。主要靠捻管器、转管器和中间支承装置处的摩擦力保持管柱中的后张力。

图4表示另一种优先的工艺过程和卷管场的布 置，除了捻管器13是放在岸上，而不是在卷管船14之上，其他同图3中的几乎都一样。注意在图3和图4中，一条控制电缆或控制供应联系缆23可以从一临时的储存卷轴24上送出，并同管柱20组合在一起，作为螺旋形管束11的一部分。

图5中表示将管子形成螺旋束的第四种工艺过程，管束由卷轴式铺管船铺设。这个工艺过程的步骤如下：（1）在工场18装配管柱17并存放在支架19上;（2）将适当的管柱20从支架19处装到管束组合/盘捻区25，这个区内有一系列支架26（最好有滚子，以允许管束自由移动）;（3）在管子连接区16，将管柱20同从已在卷轴12上的管束放出来的管端相连接;（4）将管柱20的另一端同置于组合/盘捻区25远端的捻管器27相连接;（5）通过捻管器27和绞车28，使管柱20转动，并对它施加拉力，将支架26上的管柱20捻成规定的螺旋体;（6）在远端将管柱包扎或捆绑在一起，以防松散;（7）从捻管器27和从卷轴式铺管船14上的夹头29松开管束20;（8）管束20绕到卷轴12上，同时用绞车28保持足够的后张力;（9）在卷管船14上的夹头29处夹住管束20，同时在自由管端留有足够的长度，以焊到下一管柱上。重复步骤（1）-（9），直至卷轴12上存放了足够长度的管束。

图6和图7表示将管子形成螺旋束，以便由卷轴式铺管船铺设的第五种工艺过程。这个工艺过程中首先将各管柱形成螺旋形管束段，然后将这些螺旋管柱同已在卷轴上的管子相连接，并使这些螺旋管柱绕到卷轴上。此工艺过程包括：（1）在工场18装配管柱17，并贮存到支架19上，同前面所述的一样;（2）将适当的管柱20从支架19处装装到中央管束组合/盘捻区30;（3）将管柱20连到在组合/盘捻区30两端的捻管器31和32;（4）由两个捻管器31和32转动管柱并对管柱施加拉力，将管柱20捻成规定的螺旋体;（5）用带包扎或捆管柱的两端，以防松散;（6）从捻管器31、32松开螺旋形管束段20a，然后将它放到管束贮存架33上;（7）重复步骤（1）-（6），直至已形成的捻过管束段全长足以满足近海流体输送管的用途，并在支架33上有足够的贮存量。在之后的适当时间，这些螺旋束段可依次地在管子连接区16连起来，并绕到船14的卷轴12上。最后，卷轴式铺管船14在近海进行铺管工作。

图7较详细地表示从两端盘捻螺旋束段的设备情况。对于这个工序，由电动机34和35驱动的捻管器31和32，置于管束组合/盘捻区域30的两端。捻管器31装在固定支架36上，捻管器32装在小车37上，此小车带有诸如气缸之灰的工具38，以便在管柱20被编织在一起时对它作用拉力。组合/盘捻区30本身包含一系列管支架39a、39b等，管支架最好有滚子，以允许在盘捻过程中管束自由移动。对于如图5-7所示的从一端或从两端盘捻管柱的任何螺旋管束工序，为了得到均匀的螺旋体，在盘捻作业之前和盘捻期间，于管束的各管之间加入补充的减摩物质（例如润滑剂、滚轮等）。

图8-13更详细地公开了流体输送管束盘捻和缠绕到储管卷轴上的设备情况。该设备与图3和图4中的优选工艺过程相似。参看图8，要盘捻的直管柱20穿过一系列转管器21，又穿过专门的大圆盘转管器40，最后穿过捻管器13。转管器21与中间的管支架22交替布置。机构21、40、13的圆盘元件转动，当平行管柱20朝卷轴12移动时，由于圆盘转动引起平行管柱之间相互绕着转动。从大圆盘转管器40出来的管子，穿过捻管器13，在位置41处平行管柱趋向于外弯，然后在位置42处集中起来，在此处完全形成螺旋束。在此之后，螺旋管束11移动但不转动，直至它到达被绕上去的卷轴12处。变速马达43用于驱动捻管器13，并通过转动一系列传动轴44，使各转管器40、21与捻管器13同步转动。另一方面，一个或多个转管器21、40可以由各自的电动机或液压马达分别驱动，它们通过电气控制系统或其他方法保持与捻管器13同步转动。

作为示例，图9所示配置方案中，三个相邻转管器21是由一个独立的驱动马达45通过蜗轮蜗杆（图中未表示）和传动轴44带动的，马达45通过电气控制系统或其他方法与捻管器（图中未表示）同步。图9也表示了另一种中间管支架22，它是槽形的，在传动轴44和转管器21之间有联轴节46。

图10a和10b表示捻管器装置的机构细节。捻管器13和驱动马达43，与速度控制器47和减速齿轮箱48一起，装在结构底座49上，底座最 好固定到坚实的基础上，捻管器13本身有框架50、捻管圆盘51、压紧辊子52、主动小齿轮53和主动轴的轴承54。框架50包括底板55、侧向构件56、端板57、以及辊子支承板58，它们都焊接在一起。图10a和10b还表示了传动轴44和联轴节46。图11a和11b较详细地表示了两种结构的捻管圆盘51，在管线（图中未表示）正被捻成螺旋管束时，捻管圆盘引导管线并使其转动。在一种结构型式（图11a）中，输油管穿过两个或更多球面轴承60的内柱面59而被导向;球面轴承嵌入圆盘51。在第二种结构型式（图11b）中，输送管穿过装有两个或更多个辊子61的孔而被导向;辊子轴（图中未表示）嵌在圆盘中。图11a、11b中所表示的圆盘，各含有用于盘捻四个输送管的四个孔。具有不同孔数的其他结构型式的捻管圆盘以及/或不同的管支承装置也是可以的。同主动小齿轮53的齿轮63相啮合的齿轮62（如图11c中所示）也嵌入捻管圆盘51，使圆盘51转动时不打滑。

图12a和12b表示转管装置的机械零件。转管器21包括框架64、转管圆盘65、压紧辊子66、主动小齿轮67，和传动轴承68。框架64包括底板69，侧向构件70、和端板71，它们全部都焊接在一起。底板69最好固定到坚实的基础上，并且可以有找平用的螺钉。主动小齿轮67可以包上一层高摩擦覆面（例如橡胶），或者是啮合齿轮可以嵌入主动小齿轮67和转管圆盘65两者中，以达到圆盘65转动时无滑动。图13a和13b较详细地说明转管圆盘65的两种结构型式，它引导并转动最终捻成为螺旋体（见图8）的平行输送管（图中未表示）。一种转管圆盘（图13a）具有为同时转动四根流体输送管的四个孔73，而另一种圆盘（图13b）具有为同时转动六根流体输送管的六个孔73。两种圆盘65都可以通过卸除零件74而打开，以便从上面或侧面装入流体输送管;通过埋头螺钉75压住零件74。具有不同孔数的其他结构型式的转管圆盘以及/或采用不同的用于装管的快速打开零件也是可以的。

本发明中所述流体输送管束螺旋体的节距最好等于或小于管束所骁过的卷轴或J-管的最小圆周，以避免产生几根管子挠曲和拉伸有差别的问题。这样，对于由Apache卷管式铺管船铺设的螺旋束来说，正常节距最好等于或小于160英尺，这是主卷轴的圆周。对于必须停止盘捻步骤的任何管束盘捻过程，从盘捻装置上卸下管束，过后又开始盘捻步骤;尤其是如上所述的图5和图6的工艺过程，在每个盘捻管柱一端的较短长度内，最好进行特别的盘捻。并临时绑扎成较正常节距更密的螺旋体。一旦管柱同已在卷轴上的管子相连时，最好去除临时绑扎，这样，整个管束（包括含有管束柱之间接头的管子截面）形成均匀的螺旋体。

以上所叙述的本发明内容只是意欲作为说明性的，在所附权利要求书的范围内，在不偏离本发明精神的情况下，可以对所述方法和装置中的具体细节作各种改变。

Claims (12)

1、一种制作螺旋形管线组合件的设备，它包括：

组合成基本平行的管线的第一管束的装置；

将第一管束的管线捻成基本上是螺旋线形状的装置，所述装置包括一个捻管器，其特征在于设备进一步包括：

组合成基本平行的管线的第二管束的装置；

利用液密连接将第一管束连到第二管束上的装置；

将第二管束的管线捻成基本上是螺旋线形状的装置；还在于所述对管束的管线进行盘捻的装置包括一系列转管器。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于盘捻上述管束的管线所用的装置包括：

一系列中间管束支架;

至少一个可调速驱动马达;

至少一根传动轴。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于捻管器置于管束组合线路的一端，转管器沿此组合线路间隔布置;在一对转管器之间，有一个或多个中间管束支架。

4、根据权利要求2所述的设备，其特征在于由一台可调速马达直接驱动捻管器，并通过一系列传动轴间接驱动转管器，传动轴连接在每对机构之间。

5、根据权利要求2所述的设备，其特征在于由至少二个可调速马达驱动捻管器和转管器，马达速度是可控和同步的。

6、根据权利要求2所述的设备，其特征在于捻管器装置包括：

一个框架;

一个捻管圆盘;

一个主动小齿轮。

传动轴的轴承;

压紧辊子;

同驱动马达和传动轴连接的联轴节。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于捻管圆盘支承在框架、主动小齿轮和压紧辊子之间，当主动小齿轮旋转时，迫使捻管圆盘沿小齿轮反方向转动。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于通过在主动小齿轮上包上至少一层摩擦覆层和将齿轮嵌入圆盘和主动小齿轮两者中的办法，使捻管圆盘和主动小齿轮相对转动时不产生滑动。

9、根据权利要求6所述的设备，其特征在于捻管器圆盘至少有两个孔，它们允许在圆盘转动动作传给输油管时，使管束中各管线能自由地纵向位移、自由地扭转和相对自由地角度移动。

10、根据权利要求2所述的设备，其特征在于各转管器装置包括：

一个框架;

一个转管圆盘;

一个主动小齿轮;

传动轴的轴承;

压紧辊子;

同至少一个驱动马达和一根传动轴连接的联轴节。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于转管圆盘支承在框架、主动小齿轮和压紧辊子之间，当主动小齿轮转动时，迫使转管圆盘朝反方向转动。

12、根据权利要求11所述的设备，其特征在于转管圆盘至少有两个孔，它们允许在圆盘的旋转运动传递给流体输送管时，管束中的各管子能够自由地纵向移动和自由地扭转，转管圆盘上的这些孔可以临时打开，以便从盘外通入，通过滑动、吊挂和拆卸圆盘中的至少一个零件而使圆盘打开，这样就允许从顶上、旁侧的至少一个位置将流体输送管装进盘孔。

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