CN103115192A - 一种增强深水海底管线稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深水海底管道生产和铺设安装技术领域，涉及一种增强深水海底管线稳定性的方法，包括：制作需要加强的深水海底管件的三个粗细一致的管段：加强管段和两个延伸管段；根据管段的外径及长度尺寸，选取宽度尺寸相同的窄翼H型钢和窄翼T型钢；将窄翼T型钢加工成环向加强材，将其焊接在加强管件的两端，形成径向加强材料；将窄翼H型钢沿轴向采用埋弧焊方式焊接在加强管段及延伸管段上，分布在每个管段的窄翼H型钢均为四条，均匀分布在管件的外圆柱面上，形成轴向加强材料；将加强管段和两个延伸管段进行焊接，形成完整的局部加强结构。本发明能够增强深水海底管线局部与整体稳定性，提高管线安全寿命。
Description
所属技术领域
本发明属于深水海底管道生产和铺设安装技术领域，涉及一种增强深水海底管线局部与整体稳定性，提高管线安全寿命的方法。
背景技术
海底管线是深海油气工程中的生命线，担负着油气输运的重任。在位运行期间，深水海底管线所处的外部环境显著区别于其他工程结构，环境作用具有高温、高压、内外腐蚀的特点。这种特点造成了深水海底管线失效破坏的主要形式为稳定性失效，具体包括局部环向上的压溃（Collapse）和整体轴向上的屈曲（Buckle）。
多数海底管线结构的稳定性失效属于局部屈曲和压溃。由于在铺设过程中承受弯矩或在海底运营期间承受腐蚀作用以及诸如落物、撞击、海底地质作用等偶然荷载，管线会产生壁厚减薄、凹坑、椭圆度等缺陷，进而在外部高静水压力作用下发生局部屈曲及至压溃，压溃后的管道截面呈哑铃状。对管线更大的危害在于，局部屈曲压溃一旦发生，在一定水压下压溃形态将沿管线轴线方向前后传播，导致整个管线的破坏，而导致这种屈曲传播现象（Buckling Propagation）的临界压力远小于压溃压力。
理论上，管道壁厚与管径达到一定比例时，局部屈曲压溃和屈曲传播就不会发生。但全线增加管壁厚度大量增加了材料的用量，以及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。工程中为了防止这一灾难性的失效，多采用沿管线长度方向相隔一定距离加装止屈器的方法。常用的止屈器根据安装形式的不同，可分为有扣入式、缠绕式和整体式三种，其基本原理均是在一个局部加厚管壁以增强环向刚度，使屈曲传播不能穿越止屈器，从而将屈曲变形限制在两个止屈器之间，避免了管线的整体破坏。
不同形式的止屈器各具特色，其中单就止屈效果来说整体式止屈器最好。但各类止屈器据面临着相似的缺陷和不足：
（1）从结构安全的概率角度分析，局部屈曲压溃可能发生在管线的任意一处，各止屈器之间的管段失效概率相同。止屈器只能阻止局部屈曲的传播而并不能提高某一管段的安全性。如果一个止屈器前后的管段均已发生局部屈曲压溃并各自沿轴向前后传播，则这一止屈器相当于没有起到效果，其前后管段均已破坏。
（2）从止屈器的综合效果分析，虽然有的设计声称能够在止屈的同时起到抑制涡激振动等管线其他失效形式的功能，但因为对于整个管线来说止屈器只是一个局部结构，其抑制涡激振动或在位失稳等整体失效的效果一般。特别对于深水开采，高温油气导致管线轴向膨胀，压力载荷显著，整体失稳的可能性大增。目前的一些装置、设计不能够既发挥环向止屈功能又能提高整体在位稳定性。
（3）从止屈器的经济适用角度分析，止屈器的基本形式均是一个厚壁圆环，为达到一定的止屈效果需要一定的厚度和长度，从而导致重量较重，不便安装、运输。同时需要特殊制作，材料耗费较多，特别是扣入式和缠绕式止屈器工艺常常较为复杂，对焊接质量的要求极高，从而导致成本较高。一些止屈器的较复杂设计局部应力效应显著，不太适用于深水海底管线。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，结合深水环境特点，提供一种增强深水海底管线局部与整体稳定性，提高管线安全寿命的保护方法。本发明的保护方法能够增强深水海底管线局部与整体稳定性，提高管线安全寿命。本发明的技术方案如下：
一种增强深水海底管线稳定性的方法，包括下列步骤：
⑴制作需要加强的深水海底管件的三个粗细一致的管段：加强管段和两个延伸管段；
⑵根据管段的外径及长度尺寸，选取宽度尺寸相同的窄翼H型钢和窄翼T型钢；
⑶将窄翼T型钢加工成环向加强材，即环向裙板（2），将环向裙板（2）焊接在加强管件的两端，形成径向加强材料；
⑷将窄翼H型钢沿轴向采用埋弧焊方式焊接在加强管段及延伸管段上，分布在每个管段的窄翼H型钢均为四条，均匀分布在管件的外圆柱面上，形成轴向加强材料，即纵向肋骨（3）；
⑸将加强管段和两个延伸管段进行焊接，形成完整的局部加强结构。
本发明针对深水海底管件的破坏变形特点，与现有技术相比具有以下优点：
（1）在加强管段的两端及中部设置环向焊接T型材形成环向裙板；在加强管段及其前后共三段上沿管段全长焊接H型材形成纵向肋骨。纵向肋骨沿环向分别在流向与垂向每隔90°设置。纵横肋骨形成一个框架，外部载荷的能量通过肋骨框架传递到整个加强管段上，有效地提高了加强管段整体抵抗外载的能力。
（2）在环向稳定性方面：加强管段及其前后一个管段截面的抗弯能力显著增强，在铺设与运营期间截面所受的弯曲应力大大减小，降低了发生局部屈曲的可能性；即使加强管段前后发生局部屈曲或屈曲模态传播至此，由于前后段上也设置了纵向肋骨，对压溃变形模态起到了实际的干扰与约束作用，耗散了部分屈曲传播能量，降低了屈曲形式穿越环向裙板的可能性。
（3）在抵抗其他失效形式方面：由于在加强管段全长设置了纵向肋骨，增大了管段全长截面的面积，同时纵横肋骨的整体框架作用增强了管段两端的约束作用，从而提高了加强管段的轴向整体屈曲临界压力；由于管段若形成悬跨，会在波流作用下在流向与垂向上发生振动，进而导致疲劳破坏，而在管段全长垂向与流向设置纵向肋骨，提高了管段截面流向与垂向的剖面模数，降低了截面危险点的应力比，从而提高了管段的疲劳寿命。
（4）该装置的全部部件均采用通用型材，不需要任何的复杂加工，重量轻，便于运输，现场安装工序简单；同时基于上述（2）中特点，纵横肋骨不需要很大的厚度，环向裙板也不必设置很长，因此相比于具有同等止屈效果的止屈器，该装置所用的钢材更少。总体上的经济成本较低，且不会产生任何形式的钢材浪费。
（5）由于结构的简单性及所有部件的标准通用性，该装置的止屈及其他力学效果可以方便地通过现有的商业有限元计算软件进行分析论证，从而可以方便工程技术人员根据不同的实际工程需要，灵活选择不同型号的标准钢材对该装置进行优化设计。
附图说明
图1是采用了本发明的增强方法后的深水海底管线的整体结构图。
图2是采用了本发明的增强方法后的深水海底增强管线的设置环向加强管段及其前后轴向加强管段的三维局部示意图。
图中标号说明：1 加强管件；2 环向裙板；3 纵向肋骨；I 加强管段；II 延伸管段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明
参见图1和图2，本发明的增强深水海底管线稳定性的方法，包括下列步骤：
⑴结合加强管件（1）的外径及长度尺寸，选取宽度尺寸相同的窄翼H型钢和窄翼T型钢。H型钢及T型钢翼板宽度均为管道外径的15%~20%；沿轴向焊接在加强管件（1）上的H型钢的长度为管件长度与两倍T型钢翼板宽度之差；沿轴向焊接在延伸管段II上的H型钢长度与管件等长。
⑵将T型钢加工成环向加强材，即环向裙板（2）。环向裙板（2）焊接在加强管件的两端，形成径向加强材料，即径向肋骨。
⑶将H型钢加强管件（1）沿轴向采用埋弧焊方式焊接在加强管件（1）及延伸管段ＩＩ上，共四组，均匀分布在管件的外圆柱面上，形成轴向加强材料，即纵向肋骨（3）。
⑷将加强管段I和两个延伸管段II进行焊接，形成完整的局部加强结构。
参见图1和图2.经过本发明的增强处理的深水海底增强管线具体包括横向T型肋骨（环向裙板），以及在加强管段及其前后延伸管段上沿管长焊接的H型肋骨（纵向肋骨）。该装置安装位置为深水海底管线中有特殊强度需要的安全加强区域，包括一个加强管段I及其前后各一个延伸管段II，每个管段长度均不超过12m。加强管件（1）两端焊接有环向裙板（2），在两个环向裙板（2）之间沿管长间隔90°布置有焊接在加强管件（1）上的轴向H型加强材料，即纵向肋骨（3）。在两个延伸管段II上也沿管长间隔90°布置有焊接在加强管件（1）上的轴向H型加强材料，即纵向肋骨（3）。
Claims (1)
1.一种增强深水海底管线稳定性的方法，包括下列步骤：
(1)制作需要加强的深水海底管件的三个粗细一致的管段：加强管段和两个延伸管段；
(2)根据管段的外径及长度尺寸，选取宽度尺寸相同的窄翼H型钢和窄翼T型钢；
(3)将窄翼T型钢加工成环向加强材，即环向裙板（2），将环向裙板（2）焊接在加强管件的两端，形成径向加强材料；
(4)将窄翼H型钢沿轴向采用埋弧焊方式焊接在加强管段及延伸管段上，分布在每个管段的窄翼H型钢均为四条，均匀分布在管件的外圆柱面上，形成轴向加强材料，即纵向肋骨（3）；
(5)将加强管段和两个延伸管段进行焊接，形成完整的局部加强结构。
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