CN108453971A - 一种海洋柔性管缆防弯器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由聚氨酯弹性体与环氧树脂组合成的海洋柔性管缆防弯器，包括：筒体、连接件和法兰盘，筒体是中空圆柱筒，其弹性模量沿轴向按预设值变化。本发明的优点是：1、本发明提出的采用弹性模量可变材料设计的圆柱筒形防弯器，突破了以往防弯器采用均质材料的限制，使柔性管缆在防弯器保护段的曲率分布更平滑，有效消除管缆的疲劳热点区域，保证管缆的安全在位运行；2、圆柱体形防弯器可以减小结构体积，减轻结构质量，节约制造成本；3、圆柱体形防弯器的模具设计简单，成型方法简便，脱模容易，生产效率高，故可以在海洋工程柔性管缆技术领域广泛推广。

Description

一种海洋柔性管缆防弯器及其制造方法

技术领域

本发明涉及海洋工程柔性管缆技术领域，尤其涉及一种海洋柔性管缆防弯器及其制造方法。

背景技术

随着近海油气资源已日趋减少，海洋油气资源的开采范围不断向深水区域扩展。柔性管缆具有较小的弯曲半径，对浮体运动、海流、安装作业等引起的弯曲载荷具有较好的顺应性，成为了深水油气开发中不可或缺的重要装备。在柔性管缆的应用中，管缆与其他刚性设施，如浮体、ROV和水下井口等连接处弯曲严重，非常容易因为应力集中导致破坏，一般要在关键部位安装弯曲限制器，保证其安全在位运行。

防弯器是一种套在管缆端部与刚性构件连接处的由聚合物材料制造的弯曲限制装置，具有良好的弹性和变形能力。防弯器在刚性构件和柔性管缆的连接中，主要起刚度过渡的作用，防止管缆由于过度弯曲而产生的应力集中与过大曲率，同时防止管缆在交变荷载作用下发生疲劳破坏。防弯器由于安装方便、要求空间小且在动态应用时对管缆有较好的保护效果，在海洋工程中的应用非常广泛。根据设计规范ANSI/API RP 17B-2008与设计经验，防弯器基本结构是一圆锥形的构件，按几何形状可分为三段，分别是上端圆柱形，中间锥形，以及下端的小圆柱(也可省略)，其构型如图1。

申请号为201410209671.9的专利公开了一种基于样条曲线的海洋柔性管缆防弯器，其特征是筒体外表面轮廓线是样条曲线，曲率分布比较平滑。

以往防弯器的共性特点是采用均质材料制造，防弯器的弹性模量保持不变，从而具有以下不足之处：1.三段式防弯器构型，由于外形概念的限制导致曲率沿长度方向呈现先增后减的趋势，从而造成管缆在最大曲率处容易发生热点疲劳失效。2.为满足刚度过渡的需要，设计成锥形或样条曲线等复杂表面形状，成型模具的设计及加工较繁琐，构件成型过程中脱模难度大，使防弯器的材料、加工、运输及安装等的成本增加。3.防弯器的几何参数随管缆的规格、应用水深、环境载荷的不同而改变，现今的设计制造方法是针对具体工况进行一对一的优化，形状差异大，制造装备的共通性差。

随着海洋石油开发向深水进军，柔性管缆使用水深增加，管缆应用中顶端的载荷进一步加大，风浪流作用下的疲劳荷载加剧，以往防弯器构型难以满足使用需求，需要对原有构型进行改进和创新。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种海洋柔性管缆防弯器及其制造方法。本发明采用的技术手段如下：

一种海洋柔性管缆防弯器，包括：筒体、连接件和法兰盘，所述法兰盘嵌于所述筒体顶部，所述连接件包括圆环和焊接在所述圆环上的螺栓，所述连接件嵌于所述筒体内，所述连接件通过穿过所述法兰盘的螺栓与管缆接头相连，所述筒体为中空圆柱筒，内部为由聚氨酯弹性体与环氧树脂混合而成的混合体且所述混合体的弹性模量沿轴向按预设值变化。

进一步地，所述筒体的径向内外表面均为圆形，其轴向的直径偏差为浇注成型弹性体的工艺斜度。

进一步地，所述筒体内部弹性模量的预设值从底部到顶部的变化范围为10-800MPa。

进一步地，所述法兰盘内径等于筒体的内径。

本发明还公开了一种上述海洋柔性管缆防弯器的制备方法，包括以下步骤：

S1：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例，

根据海洋柔性管缆特性和整体线型的布置，确定管缆的最小弯曲半径和所受的最大载荷与角度，根据管缆的最小弯曲半径确定筒体对所用材料的断裂伸长率的需求范围，依据聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例与断裂伸长率间的对应关系选择两者的比例范围；

S2：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的长度，

根据防弯器的最大载荷情况和最小弯曲半径的设计准则及曲率均匀变化的设计目标，得到防弯器长度L及其弯曲刚度沿长度方向的变化趋势，由弯曲刚度EI确定防弯器直径D及弹性模量E的变化趋势。选取符合要求的聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例及其对应的长度；

S3：确定连接件和法兰盘的尺寸，

根据防弯器设计中连接强度准则，即防弯器和浮体的连接强度大于最危险工况下的荷载，计算得到防弯器内部的连接件和法兰盘的尺寸；

S4：浇注成型，

将连接件和法兰盘固定在防弯器浇注模具的底部，按S2确定的比例将聚氨酯原料和环氧树脂及其固化剂混合均匀，浇注到模具内，固化后取出得到防弯器制品。

现有技术中，防弯器主要起刚度过渡的作用，弯曲刚度用EI(E为弹性材料的弹性模量，I为截面的惯性矩)表示，使用均质材料时，E不变，通过改变截面尺寸使I值发生变化以满足不同需求；而较现有技术相比，本发明提出的防弯器构型为圆筒型，截面尺寸保持不变，通过设计E值渐变的制造材料来实现刚度过渡，降低管缆的弯曲曲率，提高曲率分布平滑度，延长柔性管缆的使用寿命。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出的采用弹性模量可变材料设计的圆柱筒形防弯器，突破了以往防弯器采用均质材料的限制，使柔性管缆在防弯器保护段的曲率分布更平滑，有效消除管缆的疲劳热点区域，保证管缆的安全在位运行；

2、圆柱体形防弯器可以减小结构体积，减轻结构质量，节约制造成本；

3、圆柱体形防弯器的模具设计简单，成型方法简便，脱模容易，生产效率高，故可以在海洋工程柔性管缆技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术三段式防弯器结构示意图。

图2是本发明防弯器结构示意图。

图3是本发明防弯器的法兰盘示意图。

图4是本发明防弯器的连接件示意图。

图5是本发明防弯器筒体用材料的性能与组成比例关系图。

图6是本发明实施例中筒体用材料的弹性模量变化趋势图。

图7是使用本发明防弯器与三段式防弯器的立管曲率对比图。

图中：1筒体，2连接件，3法兰盘。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种海洋柔性管缆防弯器，包括筒体1、连接件2和法兰盘3，所述法兰盘3嵌于所述筒体1顶部，所述连接件2包括圆环和焊接在所述圆环上的螺栓，所述连接件2嵌于所述筒体1内，所述连接件2通过穿过所述法兰盘3的螺栓与管缆接头相连，所述筒体1为中空圆柱筒，内部为由聚氨酯弹性体与环氧树脂混合而成的混合体且所述混合体的弹性模量沿轴向按预设值变化。防弯器的几何尺寸和材料的弹性模量范围根据海洋柔性管缆应用的实际工况计算确定。

所述筒体1的径向内外表面均为圆形，其轴向的直径偏差为所述混合体的工艺斜度。

所述筒体内部混合体弹性模量的预设值从底部到顶部的变化范围为10-800MPa。

如图3所示，法兰盘为带颈法兰，其内径与防弯器内径相同，法兰盘外径小于防弯器外径使其嵌入在防弯器顶端内部，法兰盘上设有12个螺栓通孔，用于连接件穿过通孔与柔性管缆的接头相连。

如图4所示，连接件由一圆环和12根螺栓焊接而成。12根螺栓对应着法兰盘的12个螺栓通孔，一部分嵌入在防弯器筒体内，一部分穿过法兰盘用于连接管缆接头。

如图5所示是防弯器筒体用材料的性能与组成比例关系图。如图所示，材料的弹性模量和断裂伸长率随环氧树脂含量的变化而变化，通过改变环氧树脂的加入量获得不同组成的防弯器筒体用变弹性模量材料。

本发明还公开了一种上述海洋柔性管缆防弯器的制备方法，包括以下步骤：

S1：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例，

根据海洋柔性管缆特性和整体线型的布置，确定管缆的最小弯曲半径和所受的最大载荷与角度，根据管缆的最小弯曲半径确定筒体1对所用材料的断裂伸长率的需求范围，依据聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例与断裂伸长率间的对应关系图选择两者的比例范围；

S2：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的长度，

根据防弯器的最大载荷情况和最小弯曲半径的设计准则及曲率均匀变化的设计目标，得到防弯器长度L及其弯曲刚度沿长度方向的变化趋势，由弯曲刚度EI确定防弯器直径D及弹性模量E的变化趋势，选取符合要求的聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例及其对应的长度；

S3：确定连接件和法兰盘的尺寸，

根据防弯器设计中连接强度准则，即防弯器和浮体的连接强度大于最危险工况下的荷载，计算得到防弯器内部的连接件2和法兰盘3的尺寸；

S4：浇注成型，

将连接件2和法兰盘3固定在防弯器浇注模具的底部，按S2确定的比例将聚氨酯原料和环氧树脂及其固化剂混合均匀，浇注到模具内，固化后取出得到防弯器制品。

实施例1：本发明技术用于8寸海洋立管防弯器设计

本实施例针对中国南海典型工况，对1500m水深的柔性立管开展圆筒形防弯器实例设计。根据工程要求，柔性立管特性与荷载情况如表1所示。

表1柔性立管特性与荷载

防弯器的制造过程如下：

S1：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例，

根据柔性立管荷载最大张力和角度及最小弯曲半径，得到对防弯器材料的要求：断裂伸长率大于等于20％。利用聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例与防弯器材料性能间的关系(图5)，选取环氧树脂的含量为0-0.68，其弹性模量变化范围为20-600Mpa。

S2：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的长度，

根据防弯器的最大载荷情况和最小弯曲半径的设计准则及曲率均匀变化的设计目标，计算出防弯器的长度L＝2.2m及其弯曲刚度沿长度方向的变化趋势。由弯曲刚度EI(I＝π(D4-d4)/64，d为防弯器内径300mm)，并考虑防弯器体积最小化的目标，得到防弯器的直径D＝450mm及其对应的材料的弹性模量沿长度方向上的变化趋势(图6)。

S3：确定连接件和法兰盘的尺寸，

根据防弯器设计中连接强度准则(防弯器和浮体的连接强度大于最危险工况下的荷载)，计算得到防弯器内部的连接件和法兰盘的尺寸。

S4：浇注成型，

将连接件和法兰盘固定在防弯器浇注模具的底部，按确定的比例将聚氨酯原料和环氧树脂及其固化剂混合均匀，浇注到模具内，固化后取出得到防弯器制品。

为了验证本实例防弯器的作用效果，利用ABAQUS有限元软件对变弹性模量材料防弯器在极限荷载作用下的弯曲响应进行模拟分析：考虑防弯器材料属性在长度方向上发生变化，防弯器建模过程中将其建成若干不同材料层组合的圆筒，根据设计结果中材料弹性模量变化趋势赋予每层材料属性；其中立管为螺旋缠绕结构，为简化计算，赋予其等效的弹性模量，采用实体单元建模。

为说明本发明提出的圆筒形防弯器的优点，将其与三段式防弯器(如图1所示)进行对比。根据柔性立管特性与荷载情况设计得到三段式防弯器尺寸如表2所示，同样利用ABAQUS有限元软件对其进行分析。

表2三段式防弯器的设计结果

根据有限元计算结果，得到两种模型在极限荷载下的变形云图，通过路径设置，提取立管各面上最大应变ε，通过公式计算曲率，得到的立管曲率变化对比图，如图7所示。

通过对比可以看出，立管曲率均小于立管设计的最大曲率0.48(κ＝1/ρ＝0.48)，本发明提出的防弯器保护段立管的最大曲率为0.10，小于三段式防弯器保护段的最大曲率0.12，且曲率分布更加平滑，从而消除管道的疲劳热点应力，提高了管道的疲劳寿命，表现出使用以往的防弯器难以实现的保护效果。

对比两种防弯器的体积发现，本发明提出的防弯器体积仅为三段式防弯器体积的1/1.8，降低了加工、运输与安装的成本，同时可以降低柔性管缆承受的应力与破坏风险。对比两种防弯器加工制造过程可以发现，本发明提出的圆筒形防弯器的模具设计更加简单，脱模容易，并且可以在不改变模具尺寸的情况下通过改变防弯器材料的组成设计、制造出满足不同工况使用的柔性管缆防弯器，可以提高模具利用率与生产效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种海洋柔性管缆防弯器，其特征在于，包括筒体(1)、连接件(2)和法兰盘(3)，所述法兰盘(3)嵌于所述筒体(1)顶部，所述连接件(2)包括圆环和焊接在所述圆环上的螺栓，所述连接件(2)嵌于所述筒体(1)内，所述连接件(2)通过穿过所述法兰盘(3)的螺栓与管缆接头相连，所述筒体(1)为中空圆柱筒，内部为由聚氨酯弹性体与环氧树脂混合而成的混合体且所述混合体的弹性模量沿轴向按预设值变化。

2.根据权利要求1所述的海洋柔性管缆防弯器，其特征在于，所述筒体(1)的径向内外表面均为圆形，其轴向的直径偏差为所述混合体的工艺斜度。

3.根据权利要求1所述的海洋柔性管缆防弯器，其特征在于，所述混合体弹性模量的预设值从所述筒体的底部到顶部的变化范围为10-800MPa。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的海洋柔性管缆防弯器，其特征在于，所述法兰盘(3)内径等于筒体(1)的内径。

5.一种海洋柔性管缆防弯器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例，

根据海洋柔性管缆特性和整体线型的布置，确定管缆的最小弯曲半径和所受的最大载荷与角度，根据管缆的最小弯曲半径确定筒体(1)对所用材料的断裂伸长率的需求范围，依据聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例与断裂伸长率间的对应关系图选择两者的比例范围；

S2：确定聚氨酯弹性体与环氧树脂的长度，

根据防弯器的最大载荷情况和最小弯曲半径的设计准则及曲率均匀变化的设计目标，得到防弯器长度L及其弯曲刚度沿长度方向的变化趋势，由弯曲刚度EI确定防弯器直径D及弹性模量E的变化趋势，选取符合要求的聚氨酯弹性体与环氧树脂的比例及其对应的长度；

S3：确定连接件和法兰盘的尺寸，

根据防弯器设计中连接强度准则，即防弯器和浮体的连接强度大于最危险工况下的荷载，计算得到防弯器内部的连接件(2)和法兰盘(3)的尺寸；

S4：浇注成型，

将连接件(2)和法兰盘(3)固定在防弯器浇注模具的底部，按S2确定的比例将聚氨酯原料和环氧树脂及其固化剂混合均匀，浇注到模具内，固化后取出得到防弯器制品。