CN107676551A - 一种新型碳纤复材‑混凝土‑钢双壁组合海底油气输送管 - Google Patents

一种新型碳纤复材‑混凝土‑钢双壁组合海底油气输送管 Download PDF

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刘文红
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Abstract

一种新型碳纤复材‑混凝土‑钢双壁组合海底油气输送管，包括塑料管、钢管、混凝土管和复材管，在钢管的内层布置保温层，并在保温层的内部布置柔性的耐腐蚀的可自由变形的塑料管，来输送腐蚀性的原油，最外层套一层复材管，并在复材管和钢管之间浇筑混凝土管部分，混凝土管由掺入短玻璃纤维的纤维混凝土浇筑而成。在管段的两端，各设置一个连接环和若干梯形板作为抗剪连接件，用于连接每一段管道。本发明具有造价低廉、抗腐蚀性强、抗外压承载力高、保温性能好等优点，使海洋中长距离热油输送成为可能。此外，由于承担输油功能的内侧塑料管具有良好的变形和抗渗能力，使该管道在由于意外而发生外侧管道破坏的情况下，也能保证油气不会渗透出来。

Description

一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管
技术领域
本发明涉及石油工程海洋油气集输领域，提供了一种既能够在结构上承受各种复杂的荷载，又能够克服海水腐蚀的新型海底油气输送管。
背景技术
海底石油管道在我国是最近30年才开始发展的。自从1985年建成我国第一条海底管道起，即渤海埕北油田内部短距离海底管道，至2015年底，我国已经累计在各海域铺设了总计超过6000千米的海底管道。由于起步晚，技术相对落后，虽然我国已经掌握100米水深内的海洋管道设计施工技术，但是深海领域的海洋管道的设计施工水平与世界领先水平还是有很大差距。目前，国外公司已经形成水深近3000米、恶劣海况和复杂海底地貌的工程技术。但是，随着我国南海油气田开发的日益推进，我国对深水管道的需求亦日益迫切。
目前，大多数的海底管道均是钢制管道，并配以相应的防腐措施，如在石油中添加缓蚀剂并采用阴极保护的方法。许多海底管道必须要覆盖一层35-40mm的带较重骨料(如铁矿石、炉渣或者重晶石)和钢丝网的混凝土配重层，以克服浮力并确保其在海床上的稳定性，否则管道可能在波浪和海流的作用下会发生侧向滑动，但是在设计时该配重层并不会纳入管道的强度计算中。除此之外，由于海底环境的低温特点而原油容易在低温结蜡的特点，海底管道还需要配备适当的保温层。
为了提高管道的耐腐蚀性能，海底石油管道还采用价格昂贵的双相不锈钢管道和复合管。与常见的碳锰钢管相比，这二者的材料费竟达到碳锰钢管的10倍左右，其焊接费用也达到碳锰钢管的4-6倍左右，但因其运行期间故障率低、维修费用低而备受青睐。除此之外，还有金属柔性管和纤维复合材料制成的增强热塑性管道(Reinforced thermoplasticpipe，以下简称RTP管)。这些管道虽然具有耐腐蚀、易安装等优点，但是由于这些管道抗外压能力弱，所以目前主要用于小管径的短距离的出油管，如从井口和井口汇管到刚性出油管的跨接线、补偿器以及动态和静态立管。暂时，很难解决大规模的海洋石油输送问题。
运行在海底的管道既可能受到波浪、海流、潮汐、腐蚀等作用，又可能面临船锚、平台或船舶掉落物、渔网等撞击拖挂危险，很容易发生失效事故。据美国MMS(MineralsManagement Service)对墨西哥湾1967-1987年间海底管道失效事故统计，在这20年间共发生海底管道失效事故690例，平均每年发生的失效事故多达35例。海底管道一旦发生破坏，就会造成严重的油气泄漏，不仅会造成海上油田停产，而且会造成严重的海洋环境污染，并且这种污染难以彻底清除，其影响可能会持续几十年之久，对海洋生态造成难以估量的破坏。随着政府和民众对环境保护的日益重视，相关法律亦日益完善，因石油泄漏而对石油公司造成的惩罚亦越来越严厉。以发生于2006年的阿拉斯加的普拉德霍湾的石油管道泄漏为例，由于此事故英国石油公司被迫支付高达2500万美元的罚款，创下了历史上单桶罚款的最高纪录。在这些事故原因的调查中，发现腐蚀是引起海底管道失效的主要原因，占总失效的50％。第三方活动(船锚、平台或船舶掉落物、渔网等撞击拖挂)以及波浪、海流和潮汐的冲刷造成管底悬空是海底管道失效的次要原因，分别占总失效的20％和12％，其它不明原因引起的失效占18％。因此，我国海底管道迫切需要一个安全可靠又耐久性好的深水管道，以满足海洋油气田的开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，能够抵抗深水海底的高水压力及海水的腐蚀作用，为深海的油气输送提供了一种新的手段。
为此，本发明所采用的技术方案为：
一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，其特征包括结构性部件和非承压结构。其中，非承压部件，主要是指管内的塑料管、紧贴塑料管的保温层。承压结构，主要是由一层小口径普通钢管和大口径混凝土管以及最外层的复材管组成。如图2所示，在管段的两端，各设置一个连接环和若干梯形板作为抗剪连接件，铺管时，通过焊接的方法将不同管段的组合管能够安全地连接在一起。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于该组合管采用了具有良好变形性能的塑料管做内衬，使得组合管即使在发生大变形的情况，也不致于发生石油泄漏事故，进而为管道提供了第二道防线。在受力过程中，该组合管中的结构性构件既可利用混凝土良好的抗压性能来抵抗外部海水带来的强大静水压力，又可利用碳纤复材良好的抗拉性能和各向异性的特点在抵抗由强大内压所带来的环向拉应力的同时又能保证管道在纵向具有一定的柔性，还可利用碳纤复材对水良好的密封性来隔绝海水中的氯离子和硫酸盐离子对管道的侵蚀。同时由于混凝土的存在，可以保护钢管不易发生屈曲破坏。
附图说明
图1为根据本发明的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管的结构示意图；
图2为根据本发明的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管的钢骨架结构示意图。
附图标号说明：
图1：1、复材管 2、混凝土管 3、钢管 4、保温层 5、塑料管
图2：1、管道连接环 2、抗剪切连接件 3、钢管
具体实施方式
本发明提供了一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，它由两部分组成：承压结构和非承压结构。如图1所示，承压结构，主要是由一层小口径普通钢管3和大口径复材管1组成。它们中间由掺入短玻璃纤维的纤维混凝土浇筑而成。其中，如图2所示，钢管通过抗剪切连接件2与管道连接环1连接在一起，然后将管道连接环1以焊接的方式将管道连接起来。非承压结构，主要是由图1管内的塑料管5，保温层4组成。制作该管时，先将非承压结构做好，再将承压结构中的钢管、大口径复材管布置好，最后将纤维混凝土浇筑其中。
本发明所述了一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，选用的材料均为市面上常见的普通材料，内层的部分包括钢管、塑料管、隔热层，具有很强的耐腐蚀性能，同时可以保证管内油气有足够的温度可以顺利流动，不会产生蜡和水合物等堵塞管道；外层部分包括碳纤维复材管，抗拉性能强，具有各向异性，可以有效抵抗由强大内压所带来的环向拉应力的同时又能保证管道在纵向具有一定的柔性，还可利用碳纤复材对水良好的密封性来隔绝海水中的氯离子和硫酸盐离子对管道的侵蚀；掺有碳纤维的混凝土，抗压性能强，可以有效抵抗超深水海底的高压，可以保护钢管不易发生屈曲破坏；该组合管采用了具有良好变形性能的塑料管做内衬，使得组合管即使在发生大变形的情况下，也不致于发生石油泄漏事故。
本发明所述的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，结构简单，安全可靠，价格低廉，施工方便，具有广泛的市场前景。

Claims (5)

1.一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，包括塑料管、钢管、混凝土管和复材管，在钢管的内层布置保温层，并在保温层的内部布置柔性的耐腐蚀性的可自由变形的塑料管，用以输送含硫或其他酸性物质的高腐蚀性的原油或者成品油，最外层套一层复材管，并在复材管和钢管之间浇筑混凝土管部分，混凝土管由掺入短玻璃纤维的纤维混凝土浇筑而成，在管段的两端，各设置一个连接环和若干梯形板作为抗剪连接件，用于连接每一段管道。
2.根据权利要求1所述的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，其特征在于，在钢管的内层布置保温层，并在保温层的内部布置柔性的耐腐蚀性的可自由变形的塑料管，用以输送含硫或其他酸性物质的高腐蚀性的原油或者成品油。
3.根据权利要求1所述的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，其特征在于，混凝土管为由掺入短玻璃纤维的纤维混凝土浇筑而成，用来限制混凝土微观裂缝的发展，提高混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度和混凝土的抗渗性，改善管道整体的力学性能，从而保障管道的安全。
4.根据权利要求1所述的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，其特征在于，复材管可以有效防止海洋环境对管道的腐蚀，还可利用其良好的抗拉性能和各向异性的特点在抵抗由强大内压所带来的环向拉应力的同时又能保证管道在纵向具有一定的柔性。
5.根据权利要求1所述的一种新型碳纤复材-混凝土-钢双壁组合海底油气输送管，其特征在于，在管段的两端，各设置一个连接环和若干梯形板作为抗剪连接件，铺管时通过焊接的方法将不同管段的组合管能够安全地连接在一起。
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