CN102705580A - 一种多重固定的扣入式止屈器及其抑制屈曲传播的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋石油装备技术领域，涉及一种多重固定的扣入式止屈器，用于固定海底管道，包括一对瓣壳，每个瓣壳的两侧均设置有用于使两个瓣壳成对地扣合在海底管道外部的外伸板，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，位于其两侧的外伸板的中部区域的每一侧各开设有一个贯通的孔，用于布置螺栓连接件；在每对相互扣合的外伸板的扣合面上靠近瓣壳的位置各设置有一对方形卡头卡槽，在每个外伸板的两端沿管道方向均设置有细长槽，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，8道细长槽两两对合，成为4道相重合的细长槽，使用时，在各道相重合的细长槽处插有工字截面插件以对瓣壳进行强化固定。本发明具有安装方便、固定连接强度好、适用于中等水深的特点。

Description

一种多重固定的扣入式止屈器及其抑制屈曲传播的方法

技术领域

本发明属于海洋石油装备技术领域，涉及一种海底管道止屈器。

背景技术

海底管道是海洋石油工程中重要的油气输运方式，它的安全运营是确保海上油气生产顺利进行的关键。深水海底管道由于其铺设海域水深较大，将承受巨大的静水压力。深水管道平铺在海床上可能会遭受锚等重物下落的撞击，这将造成自身的几何缺陷；深水的低温环境与管内输送热油液构成管道内外温差，会管道产生轴向变形；铺管过程中不合理的操作可能会引起垂弯段弯矩过大；特殊海洋环境以及输送液体对管道可能构成的局部腐蚀。以上种种因素都可能引发深水管道的局部屈曲压溃。当管道发生局部屈曲压溃后，若外水压超过一定压力，管道的压溃形态将沿管长方向向两边传播开来，造成整条管道的破坏，这种现象就是屈曲传播现象，维持管道屈曲传播所需要的最小外压力就是屈曲传播压力。

屈曲传播一旦发生，要使其终止，则要具备以下两个条件之一：外压降至屈曲传播压力以下，或者屈曲传播遭到它无法穿越的物理障碍。因为管道的屈曲传播压力一般明显小于它的屈曲压溃压力，从前一个条件出发，以屈曲传播压力为稳定性设计准则来设计管道，使管道所受外压总低于其屈曲传播压力，这将使管道的壁厚大大增加，显然是十分不经济的。因此，设置有效的物理障碍，来阻止屈曲传播，成为了应对管道屈曲传播问题的主要手段。这种抑制屈曲传播的结构就是止屈器。

有效的止屈器可以成功防止屈曲沿管道轴向的传播，使管道出现的屈曲压溃仅发生在两个止屈器之间，从而避免整条管道遭受破坏。止屈器的基本形式是一个厚壁圆环，当前常用的止屈器根据安装形式的不同，可分为有扣入式、缠绕式和整体式止屈器。

扣入式止屈器是直接扣入到管道指定位置、比管道外径稍大的钢套管（套筒），通常止屈器长度与管道外径比为L/D=0.5~2。其结构比较简单，安装时将其滑过管道接头，然后将止屈器固定到指定位置即可。扣入式止屈器是成本最低的止屈器，而且没有焊缝，避免了焊接引起的缺陷和残余应力；但由于其本身强度的限制，可能不适用于较大水深。

扣入式止屈器按固定形式划分有普通扣入式止屈器、螺栓紧固型扣入式止屈器和灌浆粘结型扣入式止屈器。考虑到安装成本和便利等因素，工程上较常用的形式为螺栓紧固型。这种止屈器只将两个带外伸板的半圆柱壳在管道上扣合，然后用螺栓紧固即可。

但是，扣入式止屈器的止屈穿越试验表明，当扣入式止屈器的长度较长、厚壁较大时，从屈曲变形传播至止屈器前端到穿越止屈器的过程中，止屈器螺栓出现过多次拉断破坏或剪切破坏现象，造成止屈器失效。具体发生拉伸破坏还是剪切破坏，与管道发生屈曲压溃的方向、止屈器扣合的方向有关，但无论出现哪种破坏，都说明螺栓连接强度不足。因此，在中等水深的海底管道工程中，需要使用这种较长较厚的扣入式止屈器来达到要求的止屈效率，而此时使用螺栓连接并不可靠。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种安装方便、固定连接强度好、可用于中等水深的扣入式止屈器。它根据止屈器在穿越前后受力特点设计，针对可能发生的两种代表性固定连接破坏形式，拉伸破坏和剪切破坏，设计了贯通的反对称卡头卡槽、中部高强螺栓和端部工字型插件三重固定模式，使三者有效的结合在一起，形成优良的固定连接强度。同时，相比常用的螺栓紧固型扣入式止屈器，它的安装也十分方便，不需要进行焊接或灌浆等相对复杂的操作。它能够使用在中等水深的海底管道工程中，克服螺栓紧固型扣入式止屈器螺栓连接不可靠的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种多重固定的扣入式止屈器，用于固定海底管道，包括一对瓣壳，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两个瓣壳成对地扣合在海底管道外部的外伸板，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，位于其两侧的外伸板的中部区域的每一侧各开设有一个贯通的孔，用于布置螺栓连接件；在每对相互扣合的外伸板的扣合面上靠近瓣壳的位置各设置有一对相互配合的方形卡头卡槽，沿止屈器长度方向贯通，两对方形卡头卡槽呈反对称分布，在每个外伸板的两端沿管道方向均设置有细长槽，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，8道细长槽两两对合，成为4道相重合的细长槽，使用时，在各道相重合的细长槽处插有工字截面插件以对瓣壳进行强化固定。

作为优选实施方式，在工字截面插件的末端的厚度大于细长槽的槽宽，使用时需要施加紧固力，使其与细长槽卡住。

本发明同时提供一种采用上述多重固定的扣入式止屈器实现的抑制海底管道屈曲传播的方法，包括下列步骤：

1)安装在铺管过程中进行，先将两块瓣壳及外伸板扣合在管道外壁上，使得每对卡头卡槽相对合，进行初步定位；

2)安装位于中部区域的螺栓连接件，将止屈器定位加强；

3)将4块工字截面插件分别插入4道重合的细长槽中，实现插入方向的定位；

4)至此一套止屈器的安装过程已完成，铺设时沿管道轴向每隔60120m设置一个该止屈器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明可用于浅水和中等水深下的海底管道工程中，能够有效防止海底管道屈曲传播。相比于常用的螺栓紧固型扣入式止屈器，它所采用的三重固定连接的可靠性更高。

（2）为克服常用的螺栓紧固型扣入式止屈器可能发生的螺栓剪切破坏问题，该装置在止屈器外伸板扣合面靠近管道一侧附近上制作了一个方形卡头卡槽。当止屈器安装到管道上时，两对卡头卡槽对合在一起。若管道压溃方向和瓣壳扣合方向的角度，使得对止屈器的固定连接处产生明显剪切效应，由于卡头卡槽承载面积明显比采用螺栓连接时大，同等材质下止屈器结构发生固定连接处的剪切承载能力将大大提升。

（3）为克服常用的螺栓紧固型扣入式止屈器可能发生的螺栓拉伸破坏问题，在外伸板沿管长方向的两侧，每边各开一个细长槽，在止屈器安装时将把工字截面插件插入方形槽中，并通过施加紧固力在工字截面插件尾端固定。当止屈器扣合的管道发生屈曲压溃变形，且压溃方向和瓣壳扣合方向的角度使得对止屈器的固定连接处产生明显拉伸效应时，由于端部工字插件承载面积较大，同等材质下止屈器结构发生固定连接处的拉伸承载能力将大大提升。

（4）本装置的制作过程易于批量生产，安装操作上继承了螺栓紧固型扣入式止屈器的优势，它的安装也十分方便，不需要进行焊接或灌浆等相对复杂的操作。

附图说明

图1是配有止屈装置的某段海底管道的正视投影图（其中止屈器的高强螺栓连接件和端部工字型插件的截面用不同的底纹标识出）

图2是图1中所示A-A剖面图；

图3是图1中所示B-B剖面图；

图4是图1中所示C-C剖面图。

图中标号说明：

1海底管道；2瓣壳；3外伸板；4高强螺栓连接；5端部工字型插件；6方形卡头卡槽；

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，本发明包括一对瓣壳2、4块外伸板3、2对高强螺栓4、2对端部工字型插件5的组合结构。其中，一个瓣壳2与2块外伸板4是一体的，形成一个瓣壳外伸板组合体，2个瓣壳外伸板组合体能够成对地扣合在管道外壁上，通过多重固定形成止屈器装置。瓣壳外伸板组合体的长度为1～2.5倍管道外径，壁厚为1～2.5倍管道壁厚。瓣壳外伸板组合体、端部工字型插件的材料宜采用与深水海底管道相同材质的API 5L X65型或更高等级等级钢材。而高强螺栓宜采用API 5L X70或X80等级钢材。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，保证整条管线的安全。

在止屈器外伸板扣合面靠近管道一侧附近上制作了一个方形卡头卡槽6。它在管道两侧各一个，沿止屈器长度方向贯通，呈反对称分布，卡槽宽度为2.5~4倍管道壁厚，如图2中部件6。当两个瓣壳扣合在管道上，在与瓣壳相连的外伸板处两对卡头卡槽6恰好对合在一起。当止屈器扣合的管道发生屈曲压溃变形时，若压溃方向和止屈器扣合方向的角度使得对止屈器的固定连接处产生明显剪切效应，贯通止屈器的卡头卡槽将承受此作用力。由于卡头卡槽6承载面积明显比采用螺栓连接时大，同等材质下止屈器结构发生固定连接处剪切破坏的可能性将大大减小。为提升止屈器瓣壳与外伸板的过渡处强度，削弱卡槽引起的应力集中，在过渡处外缘进行较大的倒角过渡，使有卡槽一侧由于卡槽出现带来的板厚损失得到至少50%的厚度补偿。

在外伸板沿管长方向的两侧，每边各开一个宽度为1.5~2.5倍管道壁厚、长度为0.25~0.5倍管道外径的细长槽，如图1、2、4中与部件5配合的区域。每块外伸板两端有2道细长槽，每个瓣壳外伸板组合体有4道细长槽。当两个瓣壳外伸板组合体扣合在一起时，8道细长槽会两两对合，成为4道重合的细长槽。安装时，将如图4部件5所示的工字截面插件插入细长槽中，工字截面插件面板之间的设计间距与两个重合细长槽的总高度略高1.5~2.5mm，当插件插入后其面板与外伸板的间隙在0.5~2mm之间。腹板主体区域厚度小于细长槽宽度，而且尾端区域厚度逐渐过渡到1.1倍细长槽宽度。通过施加一定大小的紧固力将工字截面插件尾端的一部分楔入到凹槽内，从而在插入方向上固定工字截面插件。采用这种止屈器外伸板端部固定方式，在止屈器的端部形成较强的固定连接。当止屈器扣合的管道发生屈曲压溃变形时，若压溃方向和止屈器扣合方向的角度使得对止屈器的固定连接处产生明显拉伸效应，端部插件将承受此作用力，同样，由于承载面积明显比螺栓连接时大，止屈器结构发生固定连接处拉伸破坏的可能性也将大大减小。

工字截面插件固定的方式在止屈器端部比较适用，但在中部区域则不便实施。因此在外伸板的中部区域保留了传统止屈器的螺栓连接方式。考虑到端部方槽的长度和止屈器总长度等因素，在止屈器外伸板的中部区域每侧只布置了一对螺栓连接件。为了提高止屈器的整体固定连接强度，这里采用高强螺栓连接。螺栓外径在1.5~2.5倍管道壁厚之间。螺栓连接在宽度方向上的分布位置与端部细长槽一致，位于距同一方向上的瓣壳内侧边缘处4~6倍管道壁厚位置处。

下面结合附图说明该抑制海底管道屈曲传播的方法实施过程：

（1）进行该止屈装置的制作时，首先制作出瓣壳外伸板组合体，制作时需注意卡头卡槽区域的强度需求，该区域附近不应采用焊接加工。此外，卡头卡槽区域、螺栓孔区域和细长槽区域的尺度，这三处涉及装配，要采用精加工加工方式加以控制。

（2）制作工字截面插件和配套的螺栓连接件。

（3）安装在铺管过程中进行，先将两块瓣壳外伸板组合体扣合在管道外壁上，此时卡头卡槽应恰好对合，做初步定位；

（4）再安装中部区域的螺栓螺母，将止屈器定位加强；

（5）将4块工字截面插件分别插入4道重合的端部细长槽中，由于彼此间隙插件面板下缘与止屈器外伸板边缘的间隙很小，插入过程中可能需要施加一定大小的插入力。当只有工字截面插件的尾端面板厚度较大的部分未插入时，通过锤击或其它的加载方式，在工字截面插件的尾端施加紧固力，使其部分楔入细长槽内，实现插入方向的定位。

（6）至此一套止屈器的安装过程已完成，铺设时沿管道轴向每隔60120m（视水深及环境而定）设置一个该止屈装置。

Claims (3)

1.一种多重固定的扣入式止屈器，用于固定海底管道，包括一对瓣壳，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两个瓣壳成对地扣合在海底管道外部的外伸板，在其特征在于，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，位于其两侧的外伸板的中部区域的每一侧各开设有一个贯通的孔，用于布置螺栓连接件；在每对相互扣合的外伸板的扣合面上靠近瓣壳的位置各设置有一对相互配合的方形卡头卡槽，沿止屈器长度方向贯通，两对方形卡头卡槽呈反对称分布，在每个外伸板的两端沿管道方向均设置有细长槽，在止屈器的两个瓣壳成对地扣合后，8道细长槽两两对合，成为4道相重合的细长槽，使用时，在各道相重合的细长槽处插有工字截面插件以对瓣壳进行强化固定。

2.根据权利要求1所述的扣入式止屈器，其特征在于，在工字截面插件的末端的厚度大于细长槽的槽宽，使用时需要施加紧固力，使其与细长槽卡住。

3.一种利用权利要求1所述的多重固定的扣入式止屈器实现的抑制屈曲传播的方法，包括下列步骤：

1)安装在铺管过程中进行，先将两块瓣壳及外伸板扣合在管道外壁上，使得每对卡头卡槽相对合，进行初步定位；

2)安装位于中部区域的螺栓连接件，将止屈器定位加强；

3)将4块工字截面插件分别插入4道重合的细长槽中，实现插入方向的定位；

4)至此一套止屈器的安装过程已完成，铺设时沿管道轴向每隔60-120m设置一个该止屈器。

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