CN107339506A - 一种深水管道止屈器加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水管道止屈器加固方法，首先采用扣入式止屈器，作为实现管道止屈的初始止屈器，固定在海底管道的外部，其特征在于，对较大概率发生变形或已经发生变形的海底管道及扣入式止屈器进行加固和维护，方法为：在扣入式止屈器的外部再固定缠绕式止屈器，其截面最大直径约为扣入式止屈器壁厚的1～2倍，对于缠绕式止屈器所用钢条，其截面直径应保持一致。

Description

一种深水管道止屈器加固方法

技术领域

本发明属于海底管道铺设技术领域，具体涉及一种止屈器加固方法。

背景技术

我国海洋资源丰富、工业基础雄厚，海洋开发产业化潜力巨大。对于我国来说，海洋油气是我国能源产业发展的战略重点，开发海洋的任务愈发重要与紧迫。油气输送的媒介是海底管道，它保证了整个系统的正常运行，其稳定性和安全性对于海洋油气开发极为重要。

海底管道在外部水压的作用下，有可能发生屈曲压溃。管道是一种圆柱壳结构，其屈曲强度主要取决于结构的径厚比、材料强度等因素，在管道的设计制造阶段可以采用一定的手段来控制这些变量，以保证管道的强度，但海水腐蚀、落物撞击等外界因素会对管道造成局部损伤，会使管道的屈曲强度发生显著地降低，使其局部屈曲进而压溃。如果外部水压足够高，压溃变形会沿着管道轴向传播，发生屈曲传播现象，从而使整条管道失效破坏。这种屈曲传播只有遇到障碍或压力低于一定值时才会停止。能使管道维持屈曲传播所需要的最小压力是屈曲传播压力，管道在屈曲传播压力下可以保持稳定的准静态传播。管道的压溃压力指的是完好的管道发生压溃破坏所需要的最小压力。通常，海底管道的屈曲传播压力只有其压溃压力的18～25％，这意味着管道压溃压力远大于其传播压力，只需比管道压溃压力小得多的外部压力，就会产生屈曲传播。对于深水海底管道，屈曲传播的速度可达到每秒数百米，大范围的屈曲传播所造成的损失无法估量。

增加管道的壁厚可以在一定程度上解决海底管道的屈曲传播问题。不过增加管道壁厚会增加材料的用量，还会增加铺设过程中悬跨段的重量，也需要对铺设过程中的相关设备进行升级，直接或间接地增加了成本。对于解决屈曲传播问题而言，增加管道壁厚的方法过于保守，而且会增加大量成本，不具有很好的经济性。解决海底管道屈曲传播问题一个较经济的方法，就是沿着管道的长度方向相隔一定间距设置止屈器。止屈器是一种能提高管道局部环向刚度的厚壁圆环，其工作原理就是通过加强管道局部的环向强度阻碍屈曲传播，使屈曲传播不能跨越止屈器，能够将局部屈曲限制于两个止屈器之间。

扣入式止屈器的结构比较简单，它由一根比内径稍大于管道外径的钢套管，在管道指定位置直接安装而成。止屈器长度与管道外径比通常取为0.5～2.0。其结构简单，安装方便，成本较低。而且由于没有焊缝，避免了焊接过程中产生的残余应力。

缠绕式止屈器是将一根钢条紧密地缠绕在管道外壁数圈，然后在两端与管壁焊接以保持其固定的止屈器。缠绕式止屈器安装过程简单，适应面广泛，能够在管道绕卷筒前安装，也能在管道铺设的其他阶段安装。如果选择采用传统的管道分段焊接铺管法，可以将缠绕式止屈器提前按规定的止屈器布置间距安装在相应的管道分段上。

扣入式止屈器和缠绕式止屈器在工程实际中都得到了广泛的应用，但在开发海洋石油过程中，海洋工程作业、船舶起抛锚作业、海底土壤和洋流的影响等，都会造成海底管道的屈曲变形。破损变形的管道需要尽快的进行加固和维护，避免造成管道屈曲压溃或屈曲传播等更大的危害。但由于管道产生了变形，扣入式止屈器难以进行更换和安装，给加固带来了一定的困难。而缠绕式止屈器虽更加灵活，但止屈效果较扣入式止屈器较差。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在设计一种具有较高止屈效率的同时，还能便于对管道及止屈器进行加固的方法。本发明的技术方案如下：

一种深水管道止屈器加固方法，首先采用扣入式止屈器，作为实现管道止屈的初始止屈器，固定在海底管道的外部，其特征在于，对较大概率发生变形或已经发生变形的海底管道及扣入式止屈器进行加固和维护，方法为：在扣入式止屈器的外部再固定缠绕式止屈器，其截面最大直径约为扣入式止屈器壁厚的1～2倍，对于缠绕式止屈器所用钢条，其截面直径应保持一致。

优选地，使得缠绕式止屈器匝数与截面直径的乘积为扣入式止屈器沿管道轴向方向长度的1/2。

本发明的扣入式止屈器和缠绕式止屈器联合作用维修方法，是基于止屈器的工作原理和管道的实际维修情况而设计。具有以下的优点：

(1)在安装便捷度方面：管道及扣入式止屈器在海洋环境中发生变形，难以对扣入式止屈器进行拆卸和更换工作。缠绕式止屈器能够在具有各种不同截面形状的管道上进行安装，对于变形后具有一定椭圆度的管道及扣入式止屈器结构，也可容易地实现缠绕式止屈器的安装。

(2)在管线稳定性方面：在扣入式止屈器上实现缠绕式止屈器的安装，只需要对扣入式止屈器外壁进行除锈和磨光，就可进行缠绕式止屈器的首尾焊接和各段缠绕，其余操作很少。既可以使成本降低，管道和扣入式止屈器也不会产生第二次变形，管线的应力状态不会改变，有利于管道整体结构的稳定性和安全性。

(3)在止屈效果方面：缠绕式止屈器增强了管线的局部环向刚度，提高了管段的抗压承载力。在所耗用钢材质量相同的情况下，经过数值仿真可证明，扣入式止屈器外附加缠绕式止屈器与单一扣入式止屈器的止屈效果相差不到5％，具有良好的止屈效果，可满足变形管道的工程止屈需求。

(4)加固方法所用装置的全部部件均采用通用钢材，结构形式普通，制造工艺简单，不需要进行任何的复杂加工，可通过模具进行批量生产。重量轻、体积小、便于运输。同时安装简易、焊接技术要求低，不需对施工人员进行长时间培训。总体而言，经济成本较低，不会产生任何形式的钢材浪费。

(5)由于结构较为简单，各部件的通用标准成熟，该加固方法中扣入式止屈器外附加缠绕式止屈器结构，可通过商业有限元软件进行数值模拟仿真，通过计算得到该装置的止屈效果，并且能够对不同匝数或壁厚的缠绕式止屈器进行讨论分析，方便工程技术人员根据实际情况需要灵活进行选择、优化设计，实现最佳的海底管线及止屈器加固效果。

附图说明

图1是本发明的管道外壁扣入式止屈器附加缠绕式止屈器的整体结构图。

图2是本发明的整体结构A-A剖面图。

图3是本发明的整体结构B-B剖面图。

图4是本发明的整体结构C-C剖面图。

图中标号说明：1海底管道；2扣入式止屈器；3缠绕式止屈器；4缠绕式止屈器尾端焊点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

如图1所示，本发明包括扣入式止屈器2、缠绕式止屈器3以及海底管道1。止屈器材料采用与海底管道1相同材质的API 5L X65型或更高等级钢材。缠绕式止屈器3的作用是，利用缠绕时止屈器灵活的安装方式，对较大概率发生变形或已经发生变形的海底管道1及扣入式止屈器2结构进行加固和维护，以提高海底管道1的局部环向刚度，防止海底管道1出现屈曲传播，提高稳定性和安全性。

如图1和图2所示，扣入式止屈器2为圆柱壳结构，其内径比海底管道1的外径稍大，可在2-5厘米内浮动。扣入式止屈器2的壁厚为海底管道1壁厚的一至多倍，壁厚越大，止屈效果越好。缠绕式止屈器3截面为圆形，截面直径可为0.5～2倍扣入式止屈器2壁厚。在扣入式止屈器2的外壁上进行多匝数的缠绕，各段止屈器间隔为0～2倍缠绕式止屈器3截面直径，与海底管道1轴线夹角为30°～90°。在缠绕式止屈器3首尾两端进行焊接、固定，形成如缠绕式止屈器3尾端焊点4所示焊点。缠绕式止屈器3截面直径越大、匝数越多、各段间隔越小，其止屈效果越好。

下面结合附图说明该缠绕式止屈器3安装方式的方法实施过程：

对于已经服役的海底管道1-扣入式止屈器2结构，其服役过程中需要定期进行维护。对于有较大风险发生变形或已经发生微小变形破坏的结构，可通过安装缠绕式止屈器3进行加固，提高其止屈效果。在缠绕式止屈器3加工过程中，应提前计算好缠绕式止屈器3所用钢条的长度和截面直径，并留出一定的余量。在加工过程中需注意加工钢条的直径应保持一致，不能粗细不均。

对于存在风险的海底管道1及扣入式止屈器2结构，根据管道风险大小和止屈目标，先计算出合适的缠绕式止屈器3匝数和截面直径，并对缠绕式止屈器3所用钢条进行加工。取加工好的钢条，将其一端作为缠绕式止屈器3的首部，与扣入式止屈器2的外壁进行焊接固定。随后按照预设角度和间隔距离进行缠绕，当缠绕匝数达到预定要求时，将钢条切断，断面作为缠绕式止屈器3的尾端，与扣入式止屈器2的外壁进行焊接固定。

Claims (2)

1.一种深水管道止屈器加固方法，首先采用扣入式止屈器，作为实现管道止屈的初始止屈器，固定在海底管道的外部，其特征在于，对较大概率发生变形或已经发生变形的海底管道及扣入式止屈器进行加固和维护，方法为：在扣入式止屈器的外部再固定缠绕式止屈器，其截面最大直径约为扣入式止屈器壁厚的1～2倍，对于缠绕式止屈器所用钢条，其截面直径应保持一致。

2.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，使得缠绕式止屈器匝数与截面直径的乘积为扣入式止屈器沿管道轴向方向长度的1/2。