CN102278530B - 一种带导流板的海底管道止屈器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海底管道设施铺设技术领域，涉及一种带导流板的海底管道止屈器，用于固定海底管道，包括一对上、下瓣壳和用于支撑止屈器和海底管道的至少两组支架，两个瓣壳的内径与海底管道的外径相同，每个瓣壳的两侧均设置有用于使上、下瓣壳固定于海底管道外部的侧翼眼板，还包括布置在止屈器外侧的4块导流板，每块导流板，一端固定在上瓣壳或下瓣壳上，另一端固定在一个侧翼眼板上。本发明采取两位一体的设计，从而简化施工工艺，降低成本，有效控制海底管道的屈曲传播和涡激振动，实现经济性和安全性的统一。
Description
技术领域
本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种能够有效防止海底管道屈曲的传播和抑制管道的涡激振动的装置。
背景技术
在实际工程中，海底管道所处的环境极其复杂。首先，海底管道特别是深水海底管道，将承受着相当大的静水压力，这种压力随深水而逐渐增大，这需要设计人员根据有关规范计算出为确保在制造椭圆度偏差(小于0.5％)下完好管道不发生局部屈曲的最小壁厚，在壁厚确定中予以考虑。其次，在管道铺设过程中由于操作不当等原因可能使管道垂弯段产生过大的弯曲变形或者使管道承受过大的轴向力，而管道运营过程中输送的热油形成了管道内外温差，将引发管道的热膨胀和显著的轴向应变，以及管道在内、外环境下可能遭到的腐蚀和坠落物的撞击，这些原因都可能使管道在低于规范预计的压溃压力下发生局部屈曲，这些不确定的因素在设计上很难全面而有效地进行防范。管道局部屈曲一旦发生，将在一定的外压作用下，沿着管道轴向发生传播，进而使得整条管道被压瘪，造成严重的破坏。其中，在局部屈曲发生的条件下，促使管道屈曲变形沿管长传播所需的最小压力为屈曲传播压力，这个压力与管道的径厚比及管道材质有关。
理论上讲，只要管道的壁厚增加到一定值，使管道的屈曲传播压力小于外部水压，管道即使发生局部屈曲，也不会发生任何屈曲传播。但增加管道的壁厚大量增加了材料的用量，而且增加了铺设过程中悬跨段的重量，迫使对铺管船的张紧器进行升级，直接或间接增加了大量的成本，因此，单凭增加管道壁厚去解决屈曲传递问题在经济上不具可行性。
目前，工程上多采用加装止屈器(buckle arrestor)的方法来防止屈曲沿管道长度方向的传播。其工作原理就是允许管道发生局部屈曲，但是屈曲传递并不能跨越屈曲器，这样就能使屈曲仅发生于两个止屈器之间。
止屈器是一种局部加强管道刚度的装置，它能够在屈曲传播的过程中起到障碍物地作用，而有效的止屈器应能够在设计最大水深内成功阻止屈曲传递。其目前止屈器主要有扣入式、缠绕式和整体式止屈器三种形式。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，可形成焊接式止屈器。
此外，海底管道铺设于不平坦的海床表面，在海流、潮汐等因素的共同作用下，沿着管道的铺设路由上的某些区域，容易发生管道暴露在海底土壤上形成悬空段。在环境荷载的长期作用下，悬空段容易发生涡激振动而失效。
目前，集防止屈曲传播和抑制涡激振动于一体的管道防护装置还很少。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效防止海底管道屈曲传播以及抑制管道涡激振动的止屈器。本发明提供的止屈器，采取两位一体的设计，从而简化施工工艺，降低成本，有效控制海底管道的屈曲传播和涡激振动，实现经济性和安全性的统一。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种带导流板的海底管道止屈器，用于固定海底管道，包括一对上、下瓣壳和用于支撑止屈器和海底管道的至少两组支架，两个瓣壳的内径与海底管道的外径相同，每个瓣壳的两侧均设置有用于使上、下瓣壳固定于海底管道外部的侧翼眼板，还包括布置在止屈器外侧的4块导流板，每块导流板，一端固定在上瓣壳或下瓣壳上，另一端固定在一个侧翼眼板上。
作为优选实施方式，上、下瓣壳的中部60度弧段壁厚取3～4倍管道壁厚，两侧弧段的壁厚取管道壁厚的2～3倍；每块导流板，一端固定在一个侧翼眼板的端部，另一端固定在上瓣壳或下瓣壳的壁厚变化处；止屈器沿管道方向全长4～6倍管道外径；眼板宽度应取0.5～1.25倍的管道外径，眼板板厚取1～2.5倍管道壁厚；所述的一组支架包括一个横撑杆和分别固定在其上的一个外撑杆和一个内撑杆，内撑杆的长度小于外撑杆的长度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明的止屈器采用一组用螺栓夹紧的上、下瓣壳实现止屈功能。考虑到实际工况下，管道的顶部侧面有遭受坠落物撞击，从而发生局部屈曲，形成沿水平方向压瘪的传播形态的可能，这种情况是其它侧面不易发生的。因此，对止屈器顶部和底部的60度弧长范围内进行壁厚加强，以有效针对这一方向压溃变形的传播。
(2)该装置将导流板焊接在瓣壳上，焊接在不同瓣壳上的两个相邻的导流板共同作用可分别起到对水平方向来流引发涡激振动的抑制效果。
(3)该装置集控制屈曲传播与防止涡激振动的功能于一体，可以实现两种功能模块的一体制造与安装，导流板的设置不仅可以起到防止涡激振动的作用，而且它与瓣壳间的焊接也加强了管道水平方向附近弧段的环向刚度，起到提高整个装置的止屈效果的作用。
(4)该止屈装置在软质海床上布置时采用的加长型端部撑杆，除了可以帮助导流板的定位，使其针对水平流外，还能够起到一定的在位稳定作用。
附图说明
图1是硬质海床上的止屈器端部横剖面图。
图2是止屈器中部横剖面图。
图3是软质海床上的止屈器端部横剖面图。
图4是止屈器的正视图。
图5是止屈器的俯视图。
图中标号说明：
1导流板；2连接螺栓；3瓣壳；4侧翼眼板；5端部外撑杆；6端部内撑杆；7海床；8海底管道；
具体实施方式
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，本发明包括以一对上、下瓣壳3和4块导流板1为主体，辅以一组对称分布于止屈器两端的内、外撑杆5、6共同组成的组装支架结构。壳板和导流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，内、外撑杆材料宜使用相同钢材。该装置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和涡激振动，保证整条管线的安全。当管道铺设在弱质海床上时，端部撑杆插入土中，可起到一定的在位稳定作用。
止屈器沿管道方向全长4～6倍管道外径，上、下瓣壳通过4～5对螺栓在两侧的眼板位置固定。
上下瓣壳完全对称，瓣壳的中部60度弧段壁厚取3～4倍管道壁厚，两侧弧段的壁厚取管道壁厚的2～3倍。在管道运营过程中，其顶部侧面有遭受锚等坠落物撞击的危险，这种情况易引起管道沿水平方向的局部屈曲压溃，继而造成沿水平方向压瘪的传播形态。这种危险事件是其它侧面不易发生的，在上下瓣壳的中部弧段做特别加强，是为了提高止屈器应对管道沿水平方向压瘪的传播形态的止屈效果。
与瓣壳一体的侧翼眼板采用螺栓进行固定，它比通常的螺栓夹紧型扣入式止屈器更宽，眼板宽度应取0.5～1.25倍的管道外径，眼板板厚取1～2.5倍管道壁厚。眼板宽度的加长是为了使导流板可以准确定位焊接，此外，导流板与侧翼眼板和瓣壳间焊接形成的固结体能够加强附近弧段的刚度，提升装置的止屈效果。
导流板侧向布置在止屈器外侧，其一端与侧翼眼板的端部相焊接，另一端与止屈器的壁厚变化处相焊接。导流板的宽度将根据侧翼眼板的宽度，利用余弦定理来计算确定，一般应大于0.86倍的管道外径。导流板厚度应与眼板板厚接近。从图1中可看出，上、下瓣壳下各有两块导流板。导流板的设置可以改变管道附近的尾流流态，有效地减小引起振动发生的涡旋，从而起到抑制水平来流引起的涡激振动的作用。在工程中水平来流的尺度常远大于垂直来流，该装置的涡激振动抑制功能主要针对抑制水平来流引发的涡激振动而设计，未考虑垂直来流的影响。
为了确保导流板能准确针对来流发挥作用，在止屈器的两端设有一组对称分布的内、外撑杆，它起到为导流板定向的作用，如图1和图5。内、外撑杆的长度可根据管道铺设海床的土质情况进行调整，对于硬质海床，撑杆的长度宜使撑杆底部与瓣壳底缘平齐或者略低于瓣壳底缘，如图1；对于软质海床，撑杆的长度可适当加长，使其插入土中，这种情况下定向的同时还可以起到提高管道在位稳定性的作用，如图3。
因为该止屈器的制造过程与安装过程是交叉的，下面将制造和安装过程作为一个整体过程进行说明：
(1)进行该止屈器的生产时，首先制造出与侧翼眼板一体的上、下瓣壳，并配齐所需的螺栓连接部件。瓣壳结构简单，且上下对称，可采用统一的模具批量生产，这可以降低制造成本。再对钢板直接切割得到设计尺寸的导流板，端部撑杆可直接采用相应长度的扁钢或角钢。
(2)将上下瓣壳通过螺栓夹紧固定在管道上。
(3)将导流板焊接在上、下瓣壳上，焊接过程中先将导流板与瓣壳上厚度变化位置对齐，然后将导流板这一端板边与止屈器焊接在一起，最后将导流板的另一端板边与侧翼眼板的端部相焊接。每个瓣壳上要焊接2块导流板，对于一个完整的止屈器应焊接有4块导流板。
(4)在与下瓣壳相焊接的导流板的轴向两端处分别焊接一对内、外撑杆，其中内撑杆竖直布置，其位置与螺栓的位置一致，外撑杆略有外斜，其上部与导流板尾部相焊接。为了确保内、外撑杆的底部与止屈器下边缘平齐，宜将撑杆靠放在一定角度的支架上并与止屈器对齐后再进行焊接。至此该止屈器的制作工作完成。
(5)根据管道铺设的水深，在沿管道轴向每隔60-100m设置一个这样的止屈器。
Claims (3)
1.一种带导流板的海底管道止屈器，用于固定海底管道，包括一对上、下瓣壳和用于支撑止屈器和海底管道的至少两组支架，两个瓣壳的内径与海底管道的外径相同，每个瓣壳的两侧均设置有用于使上、下瓣壳固定于海底管道外部的侧翼眼板，其特征在于，还包括布置在止屈器外侧的4块导流板，每块导流板，一端固定在上瓣壳或下瓣壳上，另一端固定在一个侧翼眼板上；上、下瓣壳的中部60度弧段壁厚取3～4倍管道壁厚，两侧弧段的壁厚取管道壁厚的2～3倍；眼板宽度取0.5～1.25倍的管道外径，眼板板厚取1～2.5倍管道壁厚。
2.根据权利要求1所述的带导流板的海底管道止屈器，其特征在于，止屈器沿管道方向的全长为4～6倍管道外径。
3.根据权利要求1所述的带导流板的海底管道止屈器，其特征在于，一组支架包括一个横撑杆和分别固定在其上的一个外撑杆和一个内撑杆，内撑杆的长度小于外撑杆的长度。
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