CN105485427A - 一种基于cx截面变形元件深水管中管止屈器 - Google Patents

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张宏
夏梦莹
刘啸奔
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    • F16L57/02—Protection of pipes or objects of similar shape against external or internal damage or wear against cracking or buckling

Abstract

本发明涉及一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：在管中管的内外管环形空间中添加CX截面变形元件。CX截面变形元件根据C型元件和X型元件的凹凸特性形成连锁使得管道具有一定弯曲性能，同时其自身强度可以起到抵抗外压的作用。基于CX截面变形元件构成的管中管止屈器不需要改变管中管尺寸，直接安装于内外管之间，且不会影响管中管内的隔热装置。该止屈器还具有通用性，可以针对不同尺寸的管中管裁剪，并可由管中管制造商直接安装在外管上，选择保温材料的聚合物壳还能提高止屈器的保温性能。此发明可以防止深水管中管在存储、安装、运行中的屈曲和屈曲传播，同时还使管道具有一定柔性，可提高深水管中管的铺管与止屈效率，节约成本。

Description

一种基于CX截面变形元件深水管中管止屈器
技术领域
本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种利用CX截面变形元件来防止屈曲传播的止屈器。
背景技术
海底管道作为一种流体介质输送工具，具有经济、快捷、输送量大等优点，是海上油气开发的主动脉和生命线。在海底特殊环境特别是高静水压力环境下，长期以来，屈曲压溃和传播问题一直阻碍着海底管道的发展。
屈曲发生有两个过程：第一：外部局部压力大于该处管道强度，使得管道在该处发生压溃现象；第二，管道局部发生压溃现象后，如果紧邻处管壁强度小于临界压力，就会发生屈曲传播现象。研究发现，维持管道屈曲传播的最小压力，即屈曲的临界压力，只有发生屈曲破坏的最小压力的15％左右。因此，一旦产生局部屈曲失稳，屈曲就会从局部损伤部位以数百米的速度轴向传播，从而导致海底管道的大规模破坏，造成巨大的经济损失。
从屈曲传播的两个过程着手，解决屈曲问题有两种方法。第一，增加全线管道壁厚，总体提升管道强度，保证管道强度总大于外部压力。第二，沿官道每隔一定距离设置止屈器，增加管道局部强度，使得屈曲传播被限制在两个止屈器之间，从而避免了整条管线的压溃破坏。两种方法相对比，第一种方法大幅增加了钢材耗量，不够经济，并同时增加了管道的重量，给管道的铺设安装带来不便。第二种方法以止屈器间管道作为代价，使得钢材耗量大幅降低，管道重量也大幅减轻，非常经济。此外，可以通过调整止屈器的间距来平衡经济性和止屈要求，比较灵活。因此，止屈器技术在工程实践中得到广泛的应用。
目前使用的止屈器的主要类型有整体式、滑移式、夹套式和内环式。
整体式止屈器内径与管道内径相同，但壁厚大于管道壁厚，通过焊接与管道相连。
滑移式止屈器内径与管道外径相同，套在管道上以增加管道局部的环向刚度。
夹套式止屈器原理与滑移式相似，其由两个半壳组成，使用时通过螺栓紧固在管道外壁上。
内环止屈器与滑移式止屈器原理相似，适用用于管中管。止屈器管环被放置于内外管管缝中，并紧贴于外管。
整体式、滑移式和夹套式三种形式的止屈器都显著增加了局部管径，这给管道的运输和储存带来了不变。整体式止屈器采用焊接的形式与管道相连，容易产生焊接缺陷和应力集中。而滑移式和夹套式虽然不需要焊接，结构较为简单，安装比较方便，但是止屈效率低，容易发生“U型穿越”，因而只适用于浅水深管道。
内环式止屈器相比以上三种形式的止屈器而言不改变管道外径，止屈效率较高，但是制造安装不太方便，并且经济成本也高于以上三种形式的止屈器。此外，由于加强的主要部分为紧贴外管的管环，铺设过程中的造成的局部损伤在运行时不能复原。
发明内容
为克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种能够提高深水管中管弯曲性能的基于CX截面变形元件的管中管止屈器，可以防止深水管中管在储存、运输、安装和运行过程中承受弯曲而发生的屈曲和屈曲传播。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
沿管道长度方向，每隔一段距离(100m-500m)安装本专利所述的基于CX截面的核型止屈器。该核型止屈器由隔圈，CX截面的变形元件和聚合物壳组成。CX截面变形元件根据C型元件和X型元件的凹凸特性互相连锁，装配于内外管间的环形空间中，靠近外管内表面；聚合物壳固定于CX截面元件内侧，与内管外表面存在一定空隙；隔圈安装在核型止屈器两端的环形区域内，其外表面非常接近外管内表面，但存在一个间隙。变形元件内表面与聚合物壳接触，而聚合物壳与内管外表面存有间隙，用以隔热装置的安装。聚合物壳本身也可以具有隔热能力，从而保证了管道的保温性能。变形元件之间的间隙可以使得管道可以轻度弯曲，方便其储存运输。其自身可以承受径向压力从而防止屈曲传播，实现止屈功能。
本专利由于采用了上述技术方案，具有以下优点：
1.基于CX截面变形元件的止屈器主体缠绕在管中管的环形空间中，其自身强度可以承受径向压力，很好地抵抗外压，起到防止屈曲和屈曲传播的作用。同时，止屈器主体根据C型和X型元件的凹凸特性形成轴向连锁，在连锁处存有空隙，该间隙使得管中管在弯曲时止屈器变形元件能够发生相对运动从而不用承受弯矩，具有很好的柔性，方便管道储存运输，可有效减小铺管过程中弯曲管段(如S型铺管中的上弯段和下弯段)的应力，提高铺管效率。
2.基于CX截面变形元件的止屈器安装于管中管内外管环形空间中，不增加其外径，不影响原有管中管装置(如隔热装置等)。此外，选择具有保温性能的材料制造的聚合物壳，还可以增加管道的保温性能。
3.基于CX截面变形元件的止屈器具有通用性。厂家只需生产一种规格的CX截面的变形元件，就可以装配于不同管径的管中管中。采取此种装配方式，铺管时无需现场加工，可大大提高铺管效率，从而节省生产管理费用。
4.在X型截面变形元件上设置沟槽，可用于放置管道监测装置，如监测应变的光纤或者温度传感器，也可用于放置管道加热装置。
附图说明
图1：是本发明中管中管安装止屈器的结构示意图
图2：是本发明中核型止屈装置的截面示意图
图3：是本发明中CX截面变形元件的结构示意图
图4：是本发明中CX截面变形元件的另一种结构示意图
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，管中管1由内管2和外管4组成。CX截面变形元件10以与管道长度方向接近90度的角螺旋缠绕在内外管之间的环形空间中，其外表面与外管内壁至少有两点接触，内表面与内管外表面隔开不接触。
如图2所示，管中管1的中心轴为AA。在内管2和外管4的环形空间6中，安装了本发明所述的核型止屈器。该核型止屈器由隔圈7、一个或多个变形元件10(图1，其横截面如图2中18、19所示)和聚合物壳15组成。
在管中管1中，每隔一定距离就会安装隔圈7。隔圈7限定了止屈器的轴向长度。隔圈7的内表面固定(焊接或者其他固定方式)在内管2外表面14上，外表面与外管4内表面12存在一个间隙8使得外管4可以套入内管2。隔圈7可以由具有一定强度的保温材料制成。如果不是由保温材料制成，可在隔圈7与内管2之间安装隔热装置以保证管道的保温性能。
聚合物壳15的材质通常是具有保温性能的聚合物，以保证管道的保温性能。聚合物壳15的内表面17与内管2的外表面14之间留有空间16。聚合物壳15贴在变形元件的内表面上，为保证隔热效果，聚合物壳是密封的，选用保温材料制成的聚合物壳可以提高其保温性能。
止屈器的核心主体由一个或多个变形元件10组成，通过C型元件和X型元件的凹凸特性形成轴向连锁，且在连锁处存有变形间隙20。通过间隙20实现轻度变形，其自身能够承受径向压力从而防止屈曲的传播。变形元件10的外表面11与外管4的内表面12至少有2点接触，尽可能地沿长度方向都接触，用以轴向限位。其内表面13与壳15接触。变形元件10的理想材料是碳素钢，但也可由具有一定强度的其他材料制成。变形元件10的截面尺寸可调，在0.01m-10m之间。
如图3所示，C型元件18和X型原件19互相连锁构成止屈器的核心主体。它们之间存在间隙20。该间隙的宽度可根据具体的变形要求在制管时改变。该间隙可以在管中管铺管时辅助变形，减少所承手的弯矩。
如图4所示，CX截面变形元件中的X型元件上表面(或其他表面)具有一圆形(或其他形状)的凹槽21，用于减轻自身重量或者安放监测装置或加热装置。通过设计凹槽的方法可以减轻止屈器自身重量。也可在凹槽中放入管道监测装置，如监测应变的光纤、温度传感器等，或者放入管道的局部加热装置。

Claims (7)

1.一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其在管中管内外管环形空间内添加由CX截面变形元件、聚合物壳和隔圈构成的核型止屈装置；CX截面变形元件根据C型元件和X型元件的凹凸特性互相连锁，装配于内外管间的环形空间中，靠近外管内表面；聚合物壳固定于CX截面元件内侧，与内管外表面存在一定空隙；隔圈安装在核型止屈器两端的环形区域内，其外表面非常接近外管内表面，但存在一个间隙。
2.如权利要求1所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：其核型止屈装置由变形元件、聚合物壳和隔圈构成，变形元件的截面尺寸可调，在0.01m-10m之间。
3.如权利要求1或2所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：CX变形元件以与管道长度方向接近90度的角螺旋缠绕在内外管之间的环形空间中，其外表面与外管内壁至少有两点接触，内表面与内管外表面隔开不接触。
4.如权利要求1或2所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：聚合物壳贴在变形元件的内表面上，为保证隔热效果，聚合物壳是密封的，选用保温材料制成的聚合物壳可以提高其保温性能。
5.如权利要求1或2所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：用于核型止屈装置两端分隔的隔圈，外表面与外管内表面存在一个间隙使得外管可以套入内管，可在隔圈与内管之间安装隔热装置以保证管道的保温性能。
6.如权利要求1或2所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：CX截面变形元件通过C型元件和X型元件的凹凸特性形成轴向连锁，且在连锁处存有变形间隙。
7.如权利要求1或2所述的一种基于CX截面变形元件的深水管中管止屈器，其特征在于：CX截面变形元件中的X型元件上表面(或其他表面)具有一圆形(或其他形状)的凹槽，用于减轻自身重量或者安放监测装置或加热装置。
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