CN104024562A - 供海底管路使用的侧向翘曲缓冲设备、方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于控制海底管路、例如用于输送所生产的烃流体的管线的侧向变形并减少其轴向位移的系统和方法，所述轴向位移也被称为行走。该系统和方法包括在管路的预定部位安装滚动组件。滚动组件包括用于形成可相对于管路转动的滚动模块的元件。还公开了用于监测管路随着时间变化的位移的系统。

Description

供海底管路使用的侧向翘曲缓冲设备、方法和系统

技术领域

本发明涉及用于用于减小诸如海上烃生产管线这样的海底管路中的应变的系统和方法。本发明还涉及用于附着于海底管路的滚动模块。本发明还涉及用于监测海底管路随着时间变化的位移的系统。

背景技术

海上烃生产管线安装在海床上，通常横跨很长的距离。这种管线承载的烃井产流体可以在高温下存在，例如大于约80℃，甚至高达约165℃。在多次生产停止和启动期间，携带这种高温流体的管线经历横穿管线的热梯度，导致管线或管路的膨胀、收缩和热循环。这可能导致管线翘曲、运动和承受负载，产生静止峰值应力和周期性应力，这可以沿着管线长度在相对薄弱且易于适应这些失效机理的部位诱导过度应变和疲劳失效。

当前实践中，浮力模块附着于烃生产管线的外部，分段或分组的各个浮力模块位于分析(例如通过有限元分析)确定的部位上，以便减小管线的侧向阻力，这样管线可以以平稳、受控的方式"翘曲"。换句话说，使用浮力模块有利于响应热梯度在管线中产生的应力而沿着管线长度形成弧形。与不使用浮力模块的情况相比，这导致形成更平稳、更温和的变形，并因此在管线上形成更小的应变和疲劳。

在管线翘曲期间，传统浮力模块在海床上侧向滑动，不希望地导致土壤压实、侧向土壤阻力增大以及在海床上形成滩肩。滩肩产生额外的侧向阻力，该侧向阻力削弱了浮力模块缓和管线翘曲严重程度的效力。这可能导致管线上的应力增大，这样就会引起更频繁地需要浮力部分。虽然更大的浮力可以解决滩肩形成的负面作用并因此有助于控制侧向翘曲，但是不幸的是，因为管线"较轻"，轴向阻力被削弱，因此，管线被制得更易产生轴向位移，也被称为"行走"。行走是造成成本很高的问题，因为管线与生产设施基础结构的元件(例如管线末端(PLET)或其它海底设备)的接合处可能应力过大，结果会导致管线损坏，甚至管线与设备分开。这样的事故通常需要停止烃生产以便可以维修管线系统。为防止行走的发生，通常采用利用大吸力或打入桩等等的昂贵的锚固缓冲方式来将管线保持在适当位置。

所希望的是找出与上述现有浮力模块有关的问题的解决方案，其能够控制海底管线的翘曲，减轻由管线侧向位移引起的滩肩形成效应，减少管线行走的发生，并减少管线锚固的需要。

发明内容

在一个方面，提供了一种用于安装在海底管路上的滚动组件。该滚动组件包括至少两个滚动模块元件，所述至少两个滚动模块元件可彼此附着，以形成滚动模块，所述滚动模块具有带有两端部并限定一内腔的大体上圆筒形形状，所述内腔用于接收海底管路，这样，当安装在海底管路上时，滚动模块可相对于海底管路转动。该滚动组件还包括用于安装在海底管路上的至少一个夹紧单元。每个夹紧单元都由可彼此附着的一对半圆筒形夹紧元件形成。每个夹紧单元具有大体上圆筒形形状，并具有用于围绕和接触海底管路的夹紧内表面，这样，当安装在海底管路上时，每个夹紧单元相对于海底管路周向且轴向固定。

在另一个方面，提供了一种用于安装在海底管路上的滚动组件，其包括至少两个套筒元件，所述至少两个套筒元件可彼此附着，以形成圆筒形套筒，该圆筒形套筒具有两端部并限定一内腔，所述内腔具有用于围绕海底管路的套筒内表面，这样，当安装在海底管路上时，所述圆筒形套筒相对于海底管路周向且轴向固定。该滚动组件还包括至少两个滚动模块元件，所述至少两个滚动模块元件可彼此附着，以形成具有大体上圆筒形形状的滚动模块，该滚动模块具有两端部并限定有一内腔，所述内腔具有用于围绕和接触圆筒形套筒的滚动模块内表面，这样，当安装在圆筒形套筒上时，所述滚动模块可相对于圆筒形套筒转动。

在另一个方面，提供了一种用于在海床上输送流体的系统。该系统包括位于海床上的管路和在预定部位安装在管路上的如上所述的至少两个滚动组件。

在另一方面，该系统还包括位于所述至少两个滚动组件中的至少一个上的至少一个传感器，其用于测量诸如管路随着时间位移的距离这样的相关信息。

在又一个方面，提供了一种用于控制海底管路的侧向变形的方法。该方法包括在海底管路的预定部位安装如上所述的至少两个滚动组件。

附图说明

参照下文的描述、附带的权利要求以及附图，本发明的这些及其它目标、特征和优点将变得更好理解，其中：

图1是依照一个实施例的包括装备有滚动模块节段的管线的系统的俯视图。

图2是依照一个实施例的安装在一段管道上的滚动模块的侧视图。

图3A-C是依照另一个实施例的安装在一段管道上而处于不同转动位置的滚动模块的横截面视图。

图4A是依照一个实施例的用于安装在一段管道上的滚动模块和圆筒形套筒的分解图。

图4B是依照另一个实施例的图4A中安装在一段管道上的滚动模块和圆筒形套筒的透视图。

图5A-5E是依照另外的替换实施例的安装在一段管道上的滚动模块和圆筒形套筒的横截面剖视图。

图5F-5G是依照另外的替换实施例的安装在一段管道上的滚动模块的横截面剖视图。

图6是安装在一段管道上的滚动模块和传统浮力模块的侧视图。

具体实施方式

本发明提供了利用滚动组件控制海底管路的变形和翘曲的系统和方法，所述海底管路是指位于海床上的管路。

所使用的术语"管路"、"管线"和"管道"在此可以互换。

"滚动模块"是指一构造成安装到管路上的设备，其可相对于管路转动，使得滚动模块的转动有利于管路的侧向运动。

"滚动组件"是指具有如下特点的部件的组合，所述部件形成为实现各个滚动模块实施例的功能所需的滚动模块及其附件。

"滚动模块节段"是指安装在管路上的一组或系列相邻多个滚动模块。对于给定的管线系统，通过分析确定滚动模块节段的部位和滚动模块在该节段内的数量。

下文将详细描述的滚动组件和滚动模块设置成安装在海底管路的预定部位或多个预定部位上。本发明的滚动模块能够相对于其所安装的管道转动或滚动。当安装在管道上时，滚动模块允许管道响应于施加在管道上的应力、例如由热循环诱发的应力，以受控的方式变形。因为滚动模块能够转动，因此，当管线侧向移动时，滚动模块不会在海床上滑动，所以管线能够侧向移动而不会出现例如由滩肩形成引起的侧向土壤阻力的显著增大。因此，相对于使用传统浮力模块来说，成功控制翘曲所需的安装在管线上的滚动模块少，并且滚动模块节段也可能短。较少滚动模块的使用，能够减少或避免管线行走的发生以及管线中产生比容许应力高的应力，并且能够使用较少、成本较低的锚固装置。

与传统的用于附着于海底管路的浮力模块不同，本发明的滚动模块可相对于管路转动。所以，滚动模块可充当轮子，有利于管路的侧向运动，同时克服了滚动模块和海床之间的摩擦力。

图1是其中至少两个滚动模块节段300在预定部位处安装在位于海床3上的海底管路20上的系统的俯视图(即，从高空视角观察)。四个滚动模块节段300安装在所示的管线系统上。所示的系统还包括管线末端(PLET)200。节段300上的滚动模块有助于确保沿着安装滚动模块的管线20的长度出现圆弧形式的较平滑且侵入性较低的变形。这反过来又降低了在滚动模块附近的管线上产生比容许应力高的应力的可能性。给定滚动模块节段上的独立滚动模块的数量将依据特定管线结构而变化。作为非限制性的例子，在一节段上的滚动模块的数量可以是约10到40个，但也可以随着设计要求而改变。滚动模块基本上彼此相邻安装，间隔约4英寸到12英寸(10cm-30cm)，或者间隔开通过工程分析和安装要求确定的一段距离。

在一个实施例中，提供了一种用于形成附着于海底管路的滚动模块的滚动组件。该滚动组件包括可彼此附着以形成滚动模块的至少两个元件，所述滚动模块具有大体上圆筒形形状，且该滚动模块具有两端部并限定有用于接收海底管路的内腔。作为非限制性的例子，滚动模块的长度可以在约3英尺到7英尺(1m-2m)之间变化。该滚动组件可包括可彼此附着以形成该滚动模块的一对半圆筒形元件。作为选择，该滚动组件也可包括可彼此附着以形成该滚动模块的三块或更多块。该滚动模块可相对于管路转动。各种实施例将在下文更加详细地描述。

在有些实施例中，该组件还包括至少两个套筒元件，所述套筒元件可彼此附着以形成圆筒形套筒，该圆筒形套筒限定用于接收海底管路的内腔。在这样的实施例中，滚动模块可相对于套筒转动，而套筒相对于管路周向和轴向固定。套筒可以由任何适合的材料形成，包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、尼龙、复合材料、和低摩擦材料。

在有些实施例中，该滚动组件还包括可附着于管路的至少一个夹紧单元。在一个实施例中，一对夹紧单元紧邻滚动模块的各端部附着于管路。每个夹紧单元可以由一对半圆筒形端夹紧元件形成，所述一对半圆筒形端夹紧元件可彼此附着以形成夹紧单元，该夹紧单元具有大体上圆筒形形状并具有用于围绕和接触管路的夹紧单元内表面。在这样的实施例中，滚动模块可相对于套筒转动，而夹紧单元相对于管路周向和轴向固定。夹紧单元可以由任何适合的材料形成，包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、尼龙、复合材料、和低摩擦材料。

可想到几个替换的滚动模块构造。在一个示例性实施例中，如图2所示，一对半圆筒形元件112和112'彼此附着，以形成圆筒形滚动模块110。滚动模块110限定一内腔，当模块安装在管路上时，所述内腔接收管路20。在图2所示的实施例中，半圆筒形元件112和112'通过一对带子104彼此附着并保持在管路周围的适当位置上。这些元件也可以通过螺栓彼此附着。在半圆筒形元件112和112'之间有一接缝102。

图3A是依照一个实施例的组合的滚动组件100和管路20的截面视图。在滚动模块110与海床3之间的第一触点4上，管路被搁置在海床3上。围绕管路20的是由一对半圆筒形套筒元件122和122'构成的圆筒形套筒120。套筒120安装在管路20上，使得套筒不能相对于管路20轴向或周向移动。所以套筒120和管路20之间的交接面103是固定的。套筒元件的相接处为内套筒接缝124。围绕圆筒形套筒120的是由元件112和112'构成的圆筒形套筒110。这些元件的相接处为外元件接缝114。在滚动模块110和套筒120之间的是一滑移区130，所述滑移区130在滚动模块110和套筒120之间提供了足够低的摩擦力，以使滚动模块110可相对于套筒120自由转动。根据特定实施例，可以以多种方式实现滑移区130。下文将更加详细地描述滑移区130的不同实施例。

图3B显示了图3A中的已经向右转动至第二触点5的滚动组件100和管路20。在附图中采用字母R指示转动方向。图3C中显示了已经向左转动至触点5'的滚动组件100/管路20。通过观察外浮力元件接缝114相对于内套筒接缝124的相对位置，可以看到转动的量。从图3B和3C可以看到，滚动组件还没有转动完整一圈，转动了约135°。实际上，对滚动组件可以转动的圈数没有任何限制，侧向位移Δ的任意距离都是可以想到的。

图4A是依照一个实施例的滚动组件100的分解图，显示了其元件的相对位置。在所示的实施例中，设置有两个半圆筒形套筒元件122和122'，用于彼此附着以形成圆筒形套筒120。半圆筒形套筒元件122和122'通过穿过孔119和121的螺栓118彼此附着。通过将套筒元件用螺栓彼此固定，套筒120围绕管路(未显示)固定地安装，使得套筒120相对于管路周向且轴向固定。与半圆筒形套筒元件122和122'一体形成的凸缘128位于所述半圆筒形套筒元件的两端上。围绕所述半圆筒形套筒元件，设置有半圆筒形元件112和112'，用于彼此附着，以形成圆筒形滚动模块110。半圆筒形元件112和112'利用周向带子104彼此附着，带子104用来包裹并固定在滚动模块110周围。圆筒形套筒120的外表面126和/或滚动模块110的内表面127可由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料，以有利于滚动模块110相对于套筒120自由转动。图4B示出了在组装和安装到管路20上之后的图4A的滚动模块110。在所示的实施例中，因为半圆筒形元件112和112'具有逐渐缩减的内径，以允许管路屈曲和变形，所以在滚动模块110与模块端部的管路20之间存在一空隙106。

图5A示出了滚动组件100的替换实施例。在该实施例中，管路20由圆筒形套筒120围绕，而圆筒形套筒120又由滚动模块110围绕，正如之前概括描述的。在所示的实施例中，滚动模块110包括围绕滚动模块本体113的保护性外壳111。构成圆筒形套筒120的套筒元件122和122'均具有一对通道134。构成围绕圆柱状套筒的滚动模块110的滚动模块元件具有一对通道132，通道132以面对的关系与圆筒形套筒的通道134对齐，以形成一对容纳滚珠136的轨道。任选地，通道的内表面涂覆有低摩擦材料或由低摩擦材料形成，以提高滚动模块110相对于套筒120的自由转动。如图所示，滚动模块110可设置有一对与套筒120的凸缘128对齐的通道136。凸缘128有助于防止污染物进入滚动模块110和套筒120之间的空间。

图5B示出了滚动组件100的又一个实施例。在该实施例中，管路20也由圆筒形套筒120围绕，而圆筒形套筒120又由滚动模块110围绕。如图所示，滚动模块具有整体式本体而没有外壳。构成圆筒形套筒120的套筒元件122和122'均具有一对凸起梗带140，类似于焊珠，用于建立套筒120和滚动模块110之间的接触。梗带140可以由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料。在未显示的替换实施例中，梗带可以从滚动模块的内表面突出，而不是从圆筒形套筒的外表面突出。图5B示出了用于固定带子104的一个可行的示例性装置105。其它适合的固定装置对本领域技术人员来说也是显而易见的。图5B还是出了位于套筒120的凸缘部分上的用于接触滚动模块110的内表面的连续凸起梗带142。该凸起梗带142有助于防止污染物、例如灰尘或沙子进入滚动模块110和套筒120之间的空间。

图5C示出了类似于图5B的滚动组件100的又一个实施例，不同之处在于，替换图5B的凸起梗带140，设置一对成系列的凸起结144。通过利用离散的一系列凸起结，而不是连续的梗带，可以减少滚动模块110和套筒120之间的接触面积。这些凸起结也可以由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料。在未显示的替换实施例中，这些凸起结可以从滚动模块110的内表面突出，而不是从圆筒形套筒120的外表面突出。

图5D示出了滚动组件100的又一个实施例。就如在图5A中所示的那样，在滚动模块110和套筒120上也分别设置有通道132和134。在由通道形成的各轨道内设置有由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料的O形环150。通道132和134的内表面也可由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料。

图5E示出了滚动组件100的又一个实施例。在该实施例中，滚动模块110包括容纳在壳体111内的中空空间153。壳体111包括设置在滚动模块110的内表面上的用于接触圆筒形套筒120的整体式凸起梗带152。梗带152可以由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料。做为选择，梗带152也可以制作成离散的结。图5E还示出了用于将滚动模块元件彼此附着的螺栓114形式的替换装置。

图5F示出了滚动组件100的又一个实施例，其中滚动模块110直接接触管路20，没有前面实施例所述的圆筒形套筒。夹紧元件162和162'以及163和163'紧邻滚动模块110的各端部通过螺栓118彼此固定地附着在管路20周围，以形成夹具，在此也称为端夹具。滚动模块110能够相对于管路20和夹具转动。滚动模块110的端部分具有一内径，使得滚动模块的端部分接触端夹具。在所示的实施例中，与滚动模块110一体形成的凸起梗带或者成系列的凸起结152接触管路20以及由夹紧元件162和162'以及163和163'形成的夹具。

图5G示出了滚动组件100的又一个实施例，其中滚动模块110能够绕管路20转动，其间没有圆筒形套筒。在该实施例中，与滚动模块110一体形成的梗带(或结)152接触由夹紧元件162和162'以及163和163'形成的夹具，但是滚动模块110与管路20之间没有提供直接的接触。在该实施例中，梗带152和/或保持夹紧元件162、162'、163和163'可由低摩擦材料形成或涂覆有低摩擦材料。

在此公开的实施例中，在接触区域上使用的有助于滚动模块相对于管路自由转动的适合的低摩擦材料的非限制性例子包括：聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯、全氟烷氧基(perfluoroalkoxy)、聚乙烯、硅酮、改性含氟聚合物、聚醚醚酮和聚醚酮。

在有些实施例中，本发明的滚动模块可由浮力材料形成。适合的浮力材料的非限制例子包括泡沫，例如聚氨酯或聚丙烯合成泡沫等等。依照本发明的浮力滚动模块也可以是中空的。作为选择，本发明的滚动模块可由非浮力材料形成。在有些实施例中，非浮力滚动模块邻近传统浮力模块安装。如图5所示，一对传统浮力模块400安装在依照本发明的非浮力滚动模块100的任一侧上的管线20上。在这个实施例中，浮力模块400不接触海床3，这样，其不会妨碍滚动模块100在海床3上的滚动。

本发明的系统的一个优点在于，与使用传统非转动浮力模块的系统相比，以受控方式使管线变形所需的滚动模块少。因此，管线不容易受行走影响，所以所需的用于将管线保持在适当位置的锚固装置少，成本低。

在进一步的实施例中，测量位移的传感器可位于在此所述的至少一个滚动模块上，用于监测管线随着时间的运动。该传感器可以是用于测量、存储和/或传送包括应变和位移的相关信息的任何合适的装置，例如旋转式编码器，旋转式可变差动变送器，里程表等等。

只要容许，本申请中援引的所有公开、专利和专利申请整体在此引入作为参考，除非其内容与本申请不一致。

除非另作说明，所列举种类的元件、材料或其它部件(从中可以选择独立部件或部件的组合)包括所列部件及其组合的所有可能的子种类组合。而且，术语"包括"、"具有"及其衍生词不用来作为限制，所列的物品的叙述不排除也可以用于本发明的材料、成分、方法和系统中的其它类似物品。

本领域技术人员从上面的说明书可想到许多改进、改变和修改，这些都由附带的权利要求书覆盖。

Claims (15)

1.一种用于安装在海底管路上的滚动组件，该滚动组件包括：

a.至少两个滚动模块元件，所述至少两个滚动模块元件可彼此附着，以形成具有大体上圆筒形形状的滚动模块，该滚动模块具有两端部并限定用于接收海底管路的内腔，这样，当滚动模块安装在海底管路上时，滚动模块可相对于海底管路转动；和

b.用于安装在海底管路上的至少一个夹紧单元，每个夹紧单元包括：

i.一对半圆筒形夹紧元件，所述半圆筒形夹紧元件可彼此附着，以形成夹紧单元，所述夹紧单元均具有大体上圆筒形形状并具有用于围绕和接触管路的夹具内表面，这样，当所述夹紧单元安装在海底管路上时，每个夹紧单元相对于海底管路周向且轴向固定。

2.如权利要求1所述的滚动组件，其中，滚动模块的内腔具有内表面，该内表面包括用于接触管路的凸起结。

3.如权利要求1所述的滚动组件，其中，一对夹紧单元紧邻滚动模块的各端部安装在海底管路上，滚动模块元件的端部包括适于在夹紧单元上延伸的端部分。

4.如权利要求1所述的滚动组件，其中：

所述至少两个滚动模块元件可彼此附着，以形成具有大体上圆筒形形状的滚动模块，该滚动模块带有两端部并限定具有第一内径的内腔以用于接收海底管路，所述滚动模块具有第二内径的两个端部分，其中所述两个端部分均具有端部分内表面；

一对夹紧单元紧邻滚动模块的各端部安装在海底管路上，与滚动模块元件的所述端部分内表面接触；和

所述端部分内表面与夹紧单元之间的摩擦力足够低，使得滚动模块可相对于夹紧单元转动。

5.一种用于安装在海底管路上的滚动组件，该滚动组件包括：

a.至少两个套筒元件，所述至少两个套筒元件可彼此附着，以形成圆筒形套筒，该圆筒形套筒具有两端部并限定有带有套筒内表面的内腔，所述套筒内表面用于围绕海底管路，这样，当所述圆筒形套筒安装在海底管路上时，该圆筒形套筒相对于海底管路周向且轴向固定；和

b.至少两个滚动模块元件，所述至少两个滚动模块元件可彼此附着，以形成具有大体上圆筒形形状的滚动模块，该滚动模块带有两端部并限定有一内腔，该滚动模块的所述内腔具有用于围绕和接触所述圆筒形套筒的滚动模块内表面，这样，当该滚动模块安装在所述圆筒形套筒上时，所述滚动模块可相对于圆筒形套筒转动。

6.如权利要求5所述的滚动组件，其中，滚动模块内表面和圆筒形套筒中的至少一个涂覆有低摩擦材料。

7.如权利要求5所述的滚动组件，其中，滚动模块内表面和圆筒形套筒中的至少一个包括凸起结，滚动模块内表面在凸起结处与圆筒形套筒接触。

8.如权利要求5所述的滚动组件，其中，圆筒形套筒包括至少两个凸起梗带，滚动模块内表面在凸起梗带处与圆筒形套筒接触。

9.如权利要求8所述的滚动组件，其中，滚动模块内表面包括能够与所述凸起梗带匹配的凹槽。

10.如权利要求5所述的滚动组件，还包括在滚动模块和圆筒形套筒之间的滚珠，其中，滚动模块内表面和圆筒形套筒均包括至少一对凹槽，所述至少一对凹槽以相对关系放置，从而限定用于容纳所述滚珠的至少两个周向通道。

11.一种用于在海床上输送流体的系统，该系统包括：

a.位于海床上的管路；和

b.如权利要求1或权利要求5所述的安装在管路的预定部位上的至少两个滚动组件。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述滚动组件以包含至少20个相邻滚动组件的节段的形式安装在管路上。

13.如权利要求11所述的系统，还包括位于所述至少两个滚动组件中的至少一个上的用于测量、存储和传送管路随着时间变化而产生的应变和/或管路随着时间变化而移动的距离的至少一个传感器。

14.一种用于控制海底管路的侧向变形的方法，该方法包括：

将如权利要求1或权利要求5所述的至少两个滚动组件安装在海底管路的预定部位上。

15.如权利要求14所述的方法，其中，通过利用选自夹具、周向带子和螺栓中的至少一种附着装置将滚动组件的元件彼此附着，将所述至少两个滚动组件安装在海底管路上。