CN102777686A - 一种分阶段两次挖沟预热止屈的海底管道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分阶段两次挖沟预热止屈的海底管道施工方法，其特征在于：1)利用预热在海底管道路由中若干选定管道段上诱发轻微的侧向屈曲，并利用挖沟约束这些管道段的冷却回弹，从而在管壁内引发拉应力，部分抵消管道正式投产后热荷载在管壁内引发的压应力，达到避免管道在海床上发生垂向屈曲的目的。2)利用两次挖沟实现预热侧向屈曲的控制和侧向屈曲回弹的约束，第一次挖沟在计划发生侧向屈曲管段之外的管道段上展开，并将这些部位的管道沉入沟中，确保预热诱发的侧向屈曲发生在没有管沟约束的计划位置；第二次挖沟在预热期间进行并将已发生侧向屈曲的管道段沉入沟中，待预热结束后这些管段的冷却回弹受到约束从而引发拉应力。

Description

一种分阶段两次挖沟预热止屈的海底管道施工方法

技术领域

本发明涉及一种分阶段两次挖沟的海底管道施工方法，尤其是一种利用预热侧向屈曲的冷却回弹引发预拉应力，从而避免服役后管道发生垂向屈曲失效的施工方法。

背景技术

出于流动保障的要求，海洋石油需要在高温条件下实现管道输送，不可避免地，热荷载将在管壁内引发显著的轴向力，并可能导致管道发生垂向的或者侧向的屈曲而失效。为避免海底管道在海床上发生垂向的热屈曲，常用的工程方案是将管道埋设在海底或者在管道上方堆积石块约束管道，但对于长距离海底管道来说，类似的止屈措施成本很高，并给后期检测维修带来困难。尽管无法减少垂向屈曲失效的风险，但为确保管道在海床上就位稳定(不被海流冲离原位置)，限制侧向屈曲，以及减少对路由海域海洋作业的影响，现有海底管道常采用挖沟沉管后等待自然回填的施工方案对已铺设就位的海底管道加以约束。

结合现有的施工方案，若能够在挖沟前对管道预热，使管道发生一定程度的可接受的侧向屈曲后再挖沟约束，预热结束后管道的冷却回弹将被管沟限制，从而在管道内引发一定的预拉应力，即可缓解正式服役后热荷载引发的管壁内轴向压应力，从而避免垂向上的管道热屈曲失效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底管道施工方法，利用挖沟和预热工序在侧向屈曲后冷却回弹的管道内诱发拉应力，增加管道投产后的垂向热稳定性。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

海底管道铺设完毕并安装好终端膨胀弯以后，选择管道路由中的若干管段作为预热屈曲段保留，对其他管道段挖沟沉管，此为第一阶段挖沟工程。待第一阶段挖沟工程结束后选择合适温度、压力的热水通管，对管道进行预热，在确保管道不发生垂向屈曲的前提下，使未挖沟的管道段发生轻微幅度的侧向屈曲。待管道屈曲变形稳定以后，开始第二阶段的挖沟，使屈曲段的管道沉入沟中。然后结束预热，管道将冷却收缩，但其回弹受到了管沟的约束，因此在管道内部引发了一定的拉应力。待到清管结束管道投产输送热介质时，上述预留的拉应力将抵消一部分输送热荷载引发的管壁内的轴向压应力，故可减少管道发生垂向屈曲的风险，增加管道的垂向热稳定性。另外在管道铺设阶段，若能够将预热屈曲管道段事先铺设出一定弧度，那么该段管道的侧向屈曲临界载荷将会有所降低，到预热时其侧向屈曲发生的突然性将减小，同时屈曲变形也会更为稳定，整个施工方法也更容易获得成功。

附图说明

图1是本发明海底管道铺设后的第一阶段挖沟示意图；

图2是本发明第一阶段未挖沟管道段预热后侧向屈曲的示意图；

图3是本发明第二阶段的挖沟示意图；

图4是本发明预热结束后屈曲段管道冷却回弹引发张力的示意图；

图5是挖沟、未挖沟两个位置的管道剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，海底管道铺设过程中将3、5、7三位置处管道段在海床上呈弧线铺设，将这三段管道作为预留的管道段，在管道其他位置挖沟沉管。3、5、7三段管道的预留长度应满足以下两个条件：①在该长度下管道段一般只发生一阶模态的侧向屈曲；②该段管道预热后发生的侧向屈曲波长足够长，屈曲幅度不太大，发生过程缓慢，所引发的应力集中是可以接受的。因此3、5、7三段管道的预留长度应根据管道的刚度和海床海土摩擦属性事先计算。

图1中，4、6位置为预留管道段(3、5、7段)之间的间隔段，需要在第一阶段挖沟中沉入沟中。这两段管道长度也应该足够，确保在预热后3、5、7管道段发生的侧向屈曲稳定而不汇合。

第一阶段挖沟结束后，需用一定温度和压力的热水对管道预热，预热温度的选择需要满足以下两个条件①使有初始挠度的3、5、7段管道在海床平面上发生一定幅度的侧向屈曲，该侧向屈曲不会引发管道屈服或损伤；②预热温度不会过高而导致其他位置管沟内的管道直接发生垂向屈曲，应小于管道的投产温度。

预热过程中需要对3、5、7段管道的侧向屈曲实施监测，并同步调节升温速度和热水压力，确保侧向屈曲的过程缓慢稳定。由于预热中管道充满水，其重量大于输油状态下的管道重量，预热温度低于管道的投产温度，因此预热中直接发生垂向屈曲的可能性比较小，另外3、5、7段管道具有初始铺设挠度，其侧向屈曲的临界温度比较低，因此在一般条件下，容易得到一定的可行范围来选择预热温度。

3、5、7段管道在海床上发生屈曲并获得一定的侧向位移量以后(见图2)，开始实施第二阶段的挖沟，并使3、5、7段管道沉入沟中，见图3。在第二阶段的挖沟作业中，预热的水温和压力需要保持。

完成第二阶段挖沟任务后，可逐步降低水温结束预热。此时3、5、7段管道将有收缩回弹的趋势，但被新挖的管沟约束，从而在管道内引发一定拉应力。至此为止，本发明提出的两阶段挖沟利用预热止屈的施工方案整套完成，见图4。图5是挖沟、未挖沟两个位置的管道剖面图。

由于热水预热过程可以与常规的管道试压工序同步进行，因此完成以上施工工序后管道即可以投产正式输油。当输送温度较高时，热荷载引发的管道轴向力由于保留在管道内的拉力而得以缓解，从而避免管道发生垂向屈曲失效。因此相比现有的施工方案，本发明的施工措施提升了该管道的热荷载承担能力，使其能够在保持热稳定的前提下满足更高温度介质的输送任务。

上述实施例仅用于说明本发明，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种分阶段两次挖沟预热止屈的海底管道施工方法，主要包括以下步骤：

1)管道铺设阶段在其路由上选择若干相互间隔的管道段进行弧线铺设，使这些管道段具有一定初始挠度，铺设完毕后对这些管道段以外的直管道挖沟沉管；

2)选择合适温度对铺设完毕管道预热，使具有初始挠度的管道段在海床平面上发生轻微幅度的缓慢稳定的侧向屈曲；

3)保持预热温度，开始第二阶段挖沟，将发生侧向屈曲的管道段挖沟沉管，施加侧向约束；

4)结束预热，自然冷却管道，侧向屈曲段的管道将有回弹的趋势但被约束在管沟中，管道内引发一定拉应力。

2.如权利要求1所述的一种利用预热诱发轻微幅度的侧向屈曲从而避免正式投产后发生破坏性垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于管道投产前利用热水预热管道，并利用挖沟约束侧向屈曲管道冷却后的回弹，从而在管道内引发拉应力，用以抵消管道投产后热荷载引发的轴向压应力。

3.如权利要求1所述的一种利用预热诱发侧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对管道进行弧线铺设，并对这些管段以外的管道挖沟沉管，使预热诱发的侧向屈曲发生在设定的位置上，并利用铺设弧度降低管道发生侧向屈曲的突然性。

4.如权利要求1所述的一种利用预热诱发侧向屈曲避免垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于：预热诱发的侧向屈曲发生在具有初始铺设挠度的若干管道段上，在管道路由上这些管道段相互之间间隔足够长的距离，且间隔的直管段已挖沟约束，确保预热后发生的侧向屈曲能够保持稳定，各屈曲管段相互之间不会发生贯通。

5.如权利要求1所述的一种利用预热诱发侧向屈曲避免垂向屈曲的海底管道施工方法，其特征在于：预热水温要确保未挖沟位置的弧线铺设管道段发生一阶模态的侧向屈曲，同时又不会过高直接导致管沟内的其他管道段发生垂向屈曲。

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