CN105805439A - 双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构 - Google Patents

双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一平直管段和连接在所述平直管段两端的小直径管段，在所述平直管段的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶。

Description

双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构
技术领域
本发明涉及一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，属于海底油气管道技术领域。
背景技术
双钢保温管道英文名称Pipe-in-pipesystems,由内外两层钢管组成，在两层钢管中设置保温层，达到对内管保温的作用。其中内层钢管主要承担介质输送的载荷，主要包括内压荷载与热荷载，外层钢管以承担外部环境荷载为主，主要起保护作用。该种类型保温管道对环境适应能力较强，在海洋油气集输中得到了大量采用。
海洋油气领域的双钢保温管道置于海底环境中，其外管温度与环境基本一致，而为满足介质流动保障的要求，内管输送温度一般通过选用更具保温能力的保温层而维系在较高水平上。这就导致内外两层管道的轴向应变差距较大，尤其当管道距离较长时，若不加以限制，热荷载作用下内层管道相对外层管道将发生明显的轴向相对运动，此时引发的剪力会严重破坏环形空间内的保温层和取中垫块(Spacer)。现有的做法是沿着管道轴向，在一定长度上(通常几百米或者1、2公里)设置内外管连接框圈(Bulkhead)，连接框圈为实心锻造钢圈，刚度很大，在同一管道路由位置与内外管层焊接。管道承担热荷载后，连接框圈承担内外管层轴向变形差异引发的剪力，约束内层管的轴向变形量，同时向外层管传递张力，将其所在位置的内外管层的轴向变形量最后保持一致，从而避免在环形空间内生成剪力。
连接框圈解决了两层管道的轴向应变差问题，但同时也限制了内管层在热荷载下的膨胀量，从而导致内层管道管壁内聚集较高的轴向温度应力(系压应力)。实际双钢保温管道中，内层管道管壁内热荷载引起的温度应力远大于输送压力引发的环向应力或轴向应力。过高的的温度应力会带来以下问题：
其一，更高温度的介质输送水平难以达到。内管轴向热膨胀被连接框圈约束后，内管管壁的温度应力是碳钢热膨胀系数、弹性模量以及温度荷载的函数，无法通过增加壁厚而提升管道的热荷载承载能力，这一点与其他载荷情况不同。对常用碳钢管材来说，其膨胀系数和弹性模量已然确定，例如常见值为1.17e-51/℃和207000MPa，当温度荷载达到120℃时，管壁内的轴向温度应力已经达到304MPa,甚至接近了管道材质的屈服强度。但是介质输送工艺方面却有可能有更高的温度需要，此时现有双钢保温管道结构难以满足要求。
其二，容易引发内层管道的热屈曲问题。过高的轴向温度应力还有可能导致内管发生热屈曲，尽管环形空间中的取中垫块可部分限制内管屈曲的幅度，但相同屈曲幅值下，随着温度升高，内管屈曲的模态还可能向更高级发展，表现为屈曲波长变短，屈曲应力迅速提高，此时管道局部很容易发生塑性变形。有时垫块接触力还会导致外层管侧向变形，进而致使双钢保温管道整体发生破坏性的侧向或垂向屈曲。
其三，输送泵暂停/重启引发的温度应力循环容易带来管道疲劳问题。由于内管管道段在其两侧连接框圈内近似处于完全约束状态，输送泵暂停/重启操作将会导致其温度应力大幅度变化，所带来的疲劳问题不容忽视。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够显著减小内管的轴向压应力的双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一平直管段和连接在所述平直管段两端的小直径管段，在所述平直管段的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶。
所述外管接头设置有内锥面，所述内管接头设置有外锥面，所述外管接头上的内锥面的锥度大于所述内管接头上的外锥面的锥度。
所述内管接头与所述补偿器的小直径管段之间的密封是通过嵌合在所述小直径管段外壁上的多个密封圈实现的。
所述外管接头与所述补偿器接箍之间的密封是通过嵌合在所述外管接头外壁上的多个密封圈实现的。
在所述中部平直管段的外壁以及所述补偿器接箍的外壁上均设置有多道沿轴向延伸的沟槽。
一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一球阀座和连接在所述球阀座两端的小直径管段，在所述球阀座的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶；在所述球阀座中设置有球阀，所述球阀通过与所述球阀座螺纹连接的六角压帽限制在所述球阀座中，在所述球阀的一侧紧固连接有阀杆，所述阀杆的另一端通过所述六角压帽的中心通孔穿出。
在所述六角压帽与所述球阀座之间设置有密封圈；在所述阀杆与所述六角压帽之间设置有密封圈。
一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器；所述补偿器包括两个相互对接的连接法兰、连接在两所述连接法兰的外端的小直径管段以及一端带有球头的导向杆；在两所述连接法兰的外端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶；两所述连接法兰均设置有中心通孔；在其中一连接法兰的中心通孔处设置有球面凹槽，所述导向杆的球头通过与该连接法兰螺纹连接的导向杆压帽限制在球面凹槽中，所述导向杆的杆体沿轴向延伸于另一所述连接法兰的中心通孔中；所述导向杆亦设置有中心通孔。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在相邻的两段双钢保温管道之间设置有补偿器，补偿器两端具有一环形腔，双钢保温管道的外管和内管均滑动密封连接在环形腔中，使得双钢保温管道具有一定的轴向自膨胀量，从而释放热载荷引发的内管轴向力，避免轴向力应力过大导致的屈服和屈曲，进而在相同温度荷载下，使得服役中内管内的轴向压应力得以大幅度缓解，对于轴向应力承载有限的内管8来说，上述缓解意味着提升了整条管道的热荷载承载能力。2、本发明外管接头设置有内锥面，使其由靠近外管的一端至靠近补偿器的一端壁厚逐渐变厚，内管接头设置有外锥面，使其由靠近内管的一端至靠近补偿器的一端壁厚逐渐变薄，并且，外管接头上的内锥面的锥度大于内管接头上的外锥面的锥度，因此，当内管受热轴向膨胀后，其外锥面接触到外管的内锥面，两锥面相互挤压，对内管的轴向膨胀产生约束，此时外管在锥面挤压力水平分量作用下受拉，双钢保温管道的环形空间内的保温材料不会因内管的过度滑移而剪切受损。3、本发明由于补偿器的中部采用球阀座并设置有球阀，因此使得连接框圈结构具有截止阀的功能。4本发明由于补偿器的中部采用两对接的连接法兰，并且连接法兰中设置有导向杆，当某一段双钢保温管道发生损坏进行更换时，可以先将连接法兰与两侧的双钢保温管道连接，之后在两连接法兰靠近的过程中始终由导向杆进行导向，从而解决两侧待连接管道口的不共线问题。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例三的结构示意图。
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。
实施例一：
如图1所示，本发明提出了一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，它包括设置在相邻两段双钢保温管道1之间的补偿器2，补偿器2包括一平直管段3和连接在平直管段3两端的小直径管段4，在平直管段3的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍5，每一补偿器接箍5与小直径管段4之间形成环形腔。在双钢保温管道1的外管6的端部焊接有外管接头7，在钢保温管道1的内管8的端部焊接有内管接头9，外管接头7和内管接头9伸入由补偿器2的小直径管段4与补偿器接箍5构成的环形腔中，并且内管接头9与小直径管段4之间以及外管接头7与补偿器接箍5之间均为可滑动密封连接。在外管接头7的端部设置有外限位台阶10，在补偿器接箍5的端部设置有内限位台阶11，外限位台阶10与内限位台阶11配合以防止外管接头7从环形腔中滑脱。
上述实施例中，外管接头7设置有内锥面，使其由靠近外管6的一端至靠近补偿器2的一端壁厚逐渐变厚；相应地，内管接头9设置有外锥面，使其由靠近内管8的一端至靠近补偿器2的一端壁厚逐渐变薄，并且，外管接头7上的内锥面的锥度大于内管接头9上的外锥面的锥度。
上述实施例中，内管接头9与补偿器2的小直径管段4之间的密封是通过嵌合在小直径管段外壁上的多个密封圈12实现的。
上述实施例中，外管接头7与补偿器接箍5之间的密封是通过嵌合在外管接头7外壁上的多个密封圈12实现的。
上述实施例中，在补偿器2中部平直管段3的外壁以及补偿器接箍5的外壁上均设置有多道沿轴向延伸的沟槽，用于安装时便于施加扭矩。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同之处在于：补偿器2中部的平直管段3替换为球阀座13，球阀座13的两端分别通过螺纹与补偿器接箍5连接，在球阀座13中设置有球阀14，球阀14通过与球阀座13螺纹连接的六角压帽15限制在球阀座13中，在球阀14的一侧紧固连接有阀杆16，阀杆16的另一端通过六角压帽15的中心通孔穿出。当转动阀杆16时，可带动球阀14转动，从而使球阀孔与双钢保温管道1连通或者阻断。
上述实施例中，在六角压帽15与球阀座13之间设置有密封圈12；在阀杆16与六角压帽15之间设置有密封圈12。
实施例三：
本实施例与实施例一的不同之处在于：补偿器2中部的平直管段3替换为两个相互对接的连接法兰17、18，两连接法兰17、18均设置有中心通孔。本实施例还包括一端带有球头的导向杆19。在其中一连接法兰17的中心通孔处设置有球面凹槽，导向杆19的球头通过与连接法兰17螺纹连接的导向杆压帽20限制在球面凹槽中，导向杆19的杆体沿轴向延伸于另一连接法兰18的中心通孔中。导向杆19亦设置有中心通孔，其与位于补偿器2两端的小直径管段4连通。
本发明提出了三种连接框圈结构，其差别主要体现在补偿器2结构的不同，在实际使用中可以根据实际情况选用其一，下面对上述三种连接框圈结构的用途及工作原理分别做以说明：
实施例一所述的连接框圈结构适用于常规的双钢保温管道1的连接，补偿器2的布置间隔为几百米到一、二千米，主要用于补偿相邻两段双钢保温管道1的内管8的热膨胀。在具体安装连接框圈结构时，首先将补偿器接箍5套在外管接头9上，然后将外管接头7和内管接头9分别焊接在外管6和内管8上，再将两侧的补偿器接箍5安装在补偿器2上，其中，补偿器2的小直径管段插入内管接头9。补偿器2平直管段3两端的螺纹是互为反向的，因此，其两侧的双钢保温管道1可以同时上紧。
由各补偿器2连接管道安装完毕后，在海底投产使用，作为保温管道，一般需要保温输送高温介质，内管8在热载荷作用下有轴向膨胀的趋势，即连同内管接头9向两端膨胀(在图1中是两端的内管接头9相向运动)。在内管接头9的锥面接触到外管接头7的锥面之前，少量的自由膨胀即可大量卸载内管8的轴向力(相比原有Bulkhead固定约束引发的轴向力)，极大减少内管8的轴向压应力。当内管接头9的锥面接触到外管接头7的锥面后，两锥面之间相互挤压，对内管8的轴向膨胀产生约束，此时外管在锥面挤压力水平分量作用下受拉，双钢保温管道1的环形空间内的保温材料21不会因内管8的过度滑移而剪切受损。两锥面完全挤压后，内外管之间力的传递效果与原有焊接设计类似(外管与环境温度接近，自身不膨胀，在Bulkhead位置受到张力)，但利用最初的滑移，相同温度荷载下，服役中内管8内的轴向压应力得以大幅度缓解。对于轴向应力承载有限的内管8来说(过高的轴向压力可能导致内管屈服或屈曲)，上述缓解意味着提升了整条管道的热荷载承载能力。
实施例二所述的连接框圈结构配备有截断阀的功能，在水下可利用内六角扳手转动阀杆16，从而控制球阀14闭合。该实施例中的连接框圈结构的补偿原理与实施例一相同，故不再赘述。
实施例三所述的连接框圈结构具有便于对双钢保温管道1进行维修及更换的优点，当某一段双钢保温管道1发生损坏后，更换新的双钢保温管道1时，先将两连接法兰17、18分别与两侧的双钢保温管道1时连接，将导向杆19的球头通过导向杆压帽20安装在连接法兰17的球面凹槽中，导向杆19在球面凹槽中可以转动但不会松动脱落。然后对接两侧的双钢保温管道1，利用导向杆19进行导向，探入连接法兰18，连接法兰18沿导向杆19推进，直至两连接法兰17、18能够用螺栓连接紧固。利用导向杆19对两侧的双钢保温管道1进行连接，可以有效解决两侧待连接管道口的不共线问题。该实施例中的连接框圈结构的补偿原理与实施例一相同，故不再赘述
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一平直管段和连接在所述平直管段两端的小直径管段，在所述平直管段的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶。
2.如权利要求1所述的一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：所述外管接头设置有内锥面，所述内管接头设置有外锥面，所述外管接头上的内锥面的锥度大于所述内管接头上的外锥面的锥度。
3.如权利要求1所述的一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：所述内管接头与所述补偿器的小直径管段之间的密封是通过嵌合在所述小直径管段外壁上的多个密封圈实现的。
4.如权利要求1所述的一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：所述外管接头与所述补偿器接箍之间的密封是通过嵌合在所述外管接头外壁上的多个密封圈实现的。
5.如权利要求1所述的一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：在所述中部平直管段的外壁以及所述补偿器接箍的外壁上均设置有多道沿轴向延伸的沟槽。
6.一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一球阀座和连接在所述球阀座两端的小直径管段，在所述球阀座的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶；在所述球阀座中设置有球阀，所述球阀通过与所述球阀座螺纹连接的六角压帽限制在所述球阀座中，在所述球阀的一侧紧固连接有阀杆，所述阀杆的另一端通过所述六角压帽的中心通孔穿出。
7.如权利要求6所述的一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：在所述六角压帽与所述球阀座之间设置有密封圈；在所述阀杆与所述六角压帽之间设置有密封圈。
8.一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器；所述补偿器包括两个相互对接的连接法兰、连接在两所述连接法兰的外端的小直径管段以及一端带有球头的导向杆；在两所述连接法兰的外端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶；两所述连接法兰均设置有中心通孔；在其中一连接法兰的中心通孔处设置有球面凹槽，所述导向杆的球头通过与该连接法兰螺纹连接的导向杆压帽限制在球面凹槽中，所述导向杆的杆体沿轴向延伸于另一所述连接法兰的中心通孔中；所述导向杆亦设置有中心通孔。
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