CN103527896B - 一种带导流板的海底管道保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海底管道设施铺设和生产技术领域，涉及一种带导流板的海底管道保护装置，包括底部导流板（5）、上部保护壳体（1）和至少一个内部支撑结构，其中，底部导流板（5）置于待保护的海底管道（4）的下部；上部保护壳体（1）的上部与海底管道（4）有一定距离，这段距离由内部支撑结构进行支撑保护；各个内部支撑结构沿海底管道（4）轴向分布，一个内部支撑结构由紧贴海底管道（4）的弧形板（3）和多个支撑辐条（2）两部分构成；每个支撑辐条（2）的下端固定在弧形板（3）上，上端固定在上部保护壳体（1）内侧上。本发明结构简单，在降低成本的同时能有效防止管道下部海床的渗流冲刷，并减轻落物撞击对海底管道的影响。

Description

一种带导流板的海底管道保护装置
技术领域
本发明属于海底管道设施铺设和生产过程中的技术领域，具体涉及一种能够有效防止海底管道冲刷和遭受落物撞击导致凹陷泄漏的装置。
背景技术
海底油气管道是海洋油气开发中生产运输的主要方式。由于海底管线所处的海洋环境非常复杂，许多不确定因素的相互影响使得海底管线的铺设和运营风险俱增，因冲刷悬空及落物撞击而造成的破坏层出不穷。
由于铺设深度及海床地质地貌的不同，海流、波浪的大小、方向的变化，以及对海底管线安全寿命要求的不同，海底管线在海床中的敷设方式也各不相同。通常将埋置于海床土壤3倍管径深度以下的管线称之为深埋管线；埋置于海床土壤3倍管径深度以内的管线称之为浅埋管线；而将直接铺设于海床表面的管线称之为直铺管线。埋设管线一般不易受海面波浪和海洋底层洋流的直接影响，具有较高的安全性和可靠性，但敷设费用昂贵、施工难度大，只有一些服役期很长且安全性要求很高的输油输气管线才采用这种敷设方式。直铺管线施工容易，造价也较低，是当前深海管道的主要铺设方式，但它直接暴露于海水中，受海流、波浪等环境荷载的作用较为为显著，容易在管道下部造成局部冲刷，严重时甚至出现管涌和悬空，使得管道失去稳定性，在环境荷载的长期作用下，悬空段容易发生上浮或侧向屈曲以及涡激振动而失效，引发断裂等破坏事故，造成巨大的经济损失和环境污染。
当前深水油气开发多采用水下生产系统的开发模式，上部结构吊装等作业可能坠落的物体给错综复杂的海底管道造成很大风险。由于坠落物体一般质量和体积都很大，一旦落入海中砸中海底管道，轻者造成管道凹陷，重者则会引发穿刺和油气泄漏，不但影响油气开发、污染海洋环境，其封堵和修补也十分艰难。
海底管道的冲刷悬空和遭受落物撞击，将给海上石油及天然气的开发带来巨大的经济损失，预防和控制冲刷及撞击后果对于海底管道工程具有重要的意义。
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冲刷悬空和落物撞击失效的保护装置。本发明提出的装置结构简单，易于加工和安装，降低成本的同时能有效防止管道下部海床的渗流冲刷，并减轻落物撞击对海底管道的影响，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保护装置，包括底部导流板5、上部保护壳体1和至少一个内部支撑结构，其中，
底部导流板5置于待保护的海底管道4的下部；
上部保护壳体1的上部与海底管道4有一定距离，这段距离由内部支撑结构进行支撑保护；
各个内部支撑结构沿海底管道4轴向分布，一个内部支撑结构由紧贴海底管道4的弧形板3和多个支撑辐条2两部分构成；每个支撑辐条2的下端固定在弧形板3上，上端固定在上部保护壳体1内侧上。
作为优选实施方式，所述的上部保护壳体1的内部两侧与海底管道4紧贴，其半圆结构内壁直径与海底管道外径相同，而半圆结构外径随位置变化，呈椭圆型，设管道壁厚为t0，则上部保护壳体1顶部最厚位置t≥1.5t0，两侧与管道紧贴的壳体部分厚度t1为管道厚度t0的1/2～3/2。设海底管道外径为D，则导流板整体的宽度L≥D+2*0.4D+2t1。
作为另外一种优选实施方式，所述的上部保护壳体1的半圆结构厚度取值为大于1.5倍管道壁厚。
本发明提供了一种有效防止海底管道冲刷悬空和落物撞击失效的保护装置，相比现有的技术具有以下优点：
（1）本发明包括底部导流板、上部保护壳体及内部支撑结构三个部分。底部导流板能够防止管道两侧压差大所造成的海床渗流和冲刷；上部保护壳体能够有效防止落物撞击对管道造成的直接损伤；而内部支撑结构则确保管道在保护装置内的稳定性。
（2）管道两侧压力差在海床内部诱导的渗流力是促使管道冲刷的主要因素，本发明中底部导流板的设置阻止了来流对管线上游床面的下冲作用力，使管线两侧的压力差减小，当导流板达到一定长度时，管线两侧压力差小于使管线冲刷发生的压力差值，即可阻止管线底部渗流的发生。
（3）落物撞击海底管道造成的凹陷及穿透损伤由落物撞击能量和管道壁厚共同决定，理论公式和试验证明，管道壁厚的增加能够显著减轻落物撞击损伤。但是管道整体壁厚增加将使成本提高，自重增加也给施工和铺设带来挑战。本发明中上部保护壳体具备较厚的壁厚，并且距离管道上表面有一定距离。可将本装置设置在落物风险较大的管道区段，当落物撞击管道时，厚壁保护装置能够有效防止或减轻撞击后果，保护海底管道的安全。
（4）由于保护装置上壁距离海底管道上表面有一定距离，为确保管道在保护装置中的稳定性和安全性，分段设置内部支撑结构。支撑结构包括贴合管道的弧形板和连接弧形板及上部保护壳体的交叉辐条两部分。交叉辐条的设计一方面保证了管道位置的固定，另一方面即使在此处遭受落物撞击也会由于辐条的失稳而避免能量传递至管道，确保管道安全。
（5）该保护装置集控制管道下海床冲刷与减轻落物撞击后果的功能于一体，可以实现两种功能模块的一体制造与安装。对于同一管径的海底管道可以进行批量生产，并且按照海底管道布置情况进行布放，降低成本的同时确保管道安全。
（6）本发明保护装置安装工艺简单，可以通过流水线安装，提高工作效率，降低施工成本。
附图说明
图1是配有本发明保护装置的某段海底管道的侧视图。
图2是图1中所示A-A截面图。
图中标号说明：
1保护装置上部保护壳体；2内部支撑辐条；3弧形板；4海底管道；5底部导流板。
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，本发明包括一片底部导流钢板5、一个上部保护壳体1和若干内部支撑结构2、3。底部导流钢板5上表面紧贴海底管道4底部，下表面与海床接触；上部保护壳体1的内部两侧与管道4紧贴，上部与管道4有一定距离，这段距离由内部支撑结构进行支撑保护；内部支撑结构由紧贴管道的弧形板3和支撑辐条2两部分构成。支撑辐条2与弧形板3、支撑辐条2与上部保护壳体1、保护壳体1与底部导流板5之间通过焊接的方式进行连接。
底部导流板5主要作用为防止海底海流对管道底部海床的冲刷导致管涌和管道悬空。根据研究，若海底管道外径为D（如图2所示），则导流板整体的宽度L≥D+2*0.4D+2t1，即每侧宽度s≥0.4D时，可以有效阻止管道底部渗流的发生，因此底部导流板应设置宽度L≥D+2*0.4D，厚度约为管道厚度t0的1/2左右。上部保护壳体为保护海底管道免受落物撞击产生凹陷或穿透而设置，当落物撞击保护区域海底管道时，首先接触到上部保护壳体，通过试验和理论验证，撞击时增加管道厚度能有效减小撞击后的管道损伤，因此上部保护壳体顶部厚度t较大时能够对内部海底管道起到明显保护。上部保护壳体的半圆结构厚度取值为大于1.5倍管道壁厚，为了在保护管道的同时节约钢材，可设置半圆结构内壁直径与海底管道外径相同，而半圆结构外径随位置变化，呈椭圆型，如图2所示，若管道壁厚t0，顶部最厚位置t≥1.5t0。两侧与管道紧贴的壳体部分厚度t1约为管道厚度t0的1/2～3/2左右。为了使海底管道在保护装置中固定，设置内部支撑结构，包括支撑辐条和弧形板。支撑结构无需沿保护装置和管道径向布满，可以间隔布置，能确保海底管道稳定即可。支撑辐条可采用尺寸较小的角钢或T型钢等钢材，以确保撞击瞬间辐条能够失稳，从而不会将撞击能量传递至管道。弧形板与管道紧贴，厚度取1/3t0左右，宽度和长度试管道情况而定。上部保护壳体、底部导流板及内部支撑结构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。
下面结合附图说明该有效防止海底管道冲刷和遭受落物撞击导致凹陷泄漏的装置实施过程：
（1）进行该保护装置的生产时，首先根据管道尺寸分别制造图中所示的上部保护壳体、底部导流板和内部支撑结构。由于同一个工程项目管道尺寸变化不大，可以根据布置和落物风险评估的结果对保护装置设置段进行规划，确定保护装置长度。由于保护装置壳体、底部导流板及内部支撑结构的尺寸对于同一尺寸管道来说是一致的，可以使用统一的模具进行批量浇铸生产。
（2）保护装置的安装应在各部分制造完成后、铺管作业前进行。海底管道一般采取分段预制，利用铺管船等在海上焊接和铺设，因此，该发明的保护装置可在铺管船的焊接过程中进行安装。首先将内部支撑的辐条与弧形板焊接相连，然后将保护装置与上部保护壳体进行焊接。将焊接完成后的上部结构套置需保护的管道段，确保弧形板与保护装置两侧板材与管道贴合后，进行导流板与上部结构的焊接。
（3）铺设管道时，将导流板放置于海床表面，保护装置安装完成。

Claims (3)

1.一种带导流板的海底管道保护装置，包括底部导流板(5)、上部保护壳体(1)和至少一个内部支撑结构，其中，
底部导流板(5)置于待保护的海底管道(4)的下部；上部保护壳体(1)的上部与海底管道(4)有一定距离，这段距离由内部支撑结构进行支撑保护；各个内部支撑结构沿海底管道(4)轴向分布，一个内部支撑结构由紧贴海底管道(4)的弧形板(3)和多个支撑辐条(2)两部分构成；每个支撑辐条(2)的下端固定在弧形板(3)上，上端固定在上部保护壳体(1)内侧上；所述的上部保护壳体(1)的内部两侧与海底管道(4)紧贴，其半圆结构内壁直径与海底管道外径相同，而半圆结构外径随位置变化，呈椭圆型，设管道壁厚为t0，则上部保护壳体(1)顶部最厚位置t≥1.5t0，两侧与管道紧贴的壳体部分厚度t1为管道厚度t0的1/2～3/2。
2.根据权利要求1所述的带导流板的海底管道保护装置，其特征在于，设海底管道外径为D，则导流板整体的宽度L≥D+2*0.4D+2t1。
3.根据权利要求1所述的带导流板的海底管道保护装置，其特征在于，所述的上部保护壳体(1)的半圆结构厚度取值为大于1.5倍管道壁厚。
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