CN111577981A - 用于深海管道走管防控的转轴式管端结构及走管防控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构及走管防控方法，包括套筒，翼板和限位块体；套筒固定连接在管道外壁上；翼板包括左翼板和右翼板，左、右翼板设置在套筒的两侧，左、右翼板的尾端通过铰接的方式与套筒的第一端相连接，使得左翼板能围绕左翼板根部的铰链自由旋转、右翼板能围绕右翼板根部的铰链自由旋转；限位块体包括左限位块体和右限位块体，左、右限位块体设置在套筒的两侧并固定连接在套筒的第二端上，左限位块体与左翼板的首端相对布置，右限位块体与右翼板的首端相对布置，限制左翼板和右翼板的最小张开角度。本发明安装于管道一端，随管道轴向变形而对管道产生可变化的反作用力的结构，用于减小或消除管道走管现象。

Description

用于深海管道走管防控的转轴式管端结构及走管防控方法

技术领域

本发明涉及深海石油管道走管现象控制，特别涉及一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构及走管防控方法，是一种安装于管道一端，随管道轴向变形而对管道产生可变化的反作用力的结构，可以起到减小或消除走管现象的功能。

背景技术

我国深海区域石油存储量大，开发前景明朗，发展深海石油开采技术装备对保障我国石油供给安全有着重要意义。管道系统是深海石油开采中重要的集疏运手段，管道长度一般较长，且内部运送的石油温度较高。深海管道每年会定期关闭进行例行检查，管道每一次开启和关闭的循环会造成整条管道都出现了朝向某一方向的位移，称之走管现象。管道走管值随循环次数的增加而不断累积，造成管道连接处出现变形和断裂,对管道系统的安全构成了极大威胁。

在目前的国内外工程实践中，尚无科学有效的技术手段对管道进行保护，只能采用成本高昂、且对原管道影响巨大的锚定系统强行拖拽住管道，使得管道不至于发生过大轴向变形。该锚定系统对管道附加的巨大荷载，可能会产生额外的管道破坏风险，而锚定系统本身也存在一定的失效风险，导致走管效应不能完全被消除。采用在管道一端施加较小的、可变化的作用力，主动干扰和抑制走管现象的产生机理，是更为有效、可靠、安全和低成本的走管控制方法。该方法需要在管道造成随管道轴向位移而变化的阻力，基于此，本发明提供了一种可实现阻力随轴向位移变化而改变的管端附属装置及走管防控方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构及走管防控方法，用于减小或消除管道走管现象。

本发明所采用的技术方案是：一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构，包括：

套筒，所述套筒固定连接在管道外壁上；

翼板，所述翼板包括左翼板和右翼板，所述左翼板和所述右翼板设置在所述套筒的两侧，所述左翼板和所述右翼板的尾端通过铰接的方式与所述套筒的第一端相连接，使得所述左翼板能围绕左翼板根部的铰链自由旋转、所述右翼板能围绕右翼板根部的铰链自由旋转；以及，

限位块体，所述限位块体包括左限位块体和右限位块体，所述左限位块体和所述右限位块体设置在所述套筒的两侧并固定连接在所述套筒的第二端上，所述左限位块体与所述左翼板的首端相对布置，所述右限位块体与所述右翼板的首端相对布置，用于限制所述左翼板和所述右翼板的最小张开角度。

进一步地，所述左翼板和所述右翼板的平面形状为菱形，在所述左翼板和所述右翼板张开至设定角度后，所述左翼板的后缘和所述右翼板的后缘贴合于所述套筒的侧壁上；所述设定角度为所述左翼板和所述右翼板的最大张开角度。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述用于深海管道走管防控的转轴式管端结构的走管防控方法，包括以下步骤：

(一)管道发生由翼板尾端指向首端的轴向变形时

套筒带动翼板产生与管道相同方向的位移；

翼板受到翼板与套筒侧壁夹角间的海床土体的土压力，围绕铰链产生夹角不断增大的旋转，直至翼板的后缘贴合于套筒侧壁上，为管道端部提供最大的轴向阻力；

(二)管道发生由翼板首端指向尾端的轴向变形时

套筒带动翼板产生与管道相同方向的位移；

翼板受到外侧土体的土压力，围绕铰链产生夹角不断减小的旋转，直至翼板的首端与限位块体接触，为管道端部提供最小的轴向阻力。

本发明的有益效果是：本发明设计的一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构由套筒、翼板和限位块体三部分组成。(1)整个转轴式管端结构可在管道安装前焊接于管道上，随管道一并铺设于海床上，避免了额外的超千米水深条件下的水下施工工序，节约了大量的安装费用、缩短了管道安装工期。(2)直接焊接于管道上的套筒结构，在保证了整套结构牢固贴合于管道上的同时，还有助于将管道的轴向位移传递至翼板，并将翼板受到的土体阻力反馈至管道，避免了位移和阻力传递过程中的机械损耗。(3)翼板与套筒通过转轴连接，保证了翼板的可旋转性，从而高效实现了轴向阻力可变。(4)翼板的张开角度改变是通过与土体的相互作用形成的，保证了翼板旋转及土阻力变化是随管道轴向位移增大(或减小)而自动实现的。(5)限位块体使得翼板随管道反向轴向滑动时，不会因与土体的相互作用而完全贴合于套筒内壁，从而造成下一次循环时翼板与套筒夹角为0，海床土体无法进入而出现翼板不能自动张开的现象。(6)翼板菱形的平面形状，使得翼板在张开一定角度后，翼板后缘与套筒硬接触，限制了翼板最大张开角度，该角度可根据分析求出，并在翼板设计和加工时，通过改变翼板后缘的倾斜度来保证最大张开角度的控制。

附图说明

图1为本发明一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构示意图

图2为本发明管道产生轴向膨胀位移时翼板张开角度的变化

图3为本发明管道产生轴向膨胀位移时土阻力的变化

图4为本发明翼板完全张开时转轴式管端结构的示意图

其中，(a)为斜视图；(b)为俯视图；(c)为侧视图

图5为本发明翼板完全闭合时转轴式管端结构的示意图

其中，(a)为斜视图；(b)为俯视图；(c)为侧视图

附图标注：

1——管道； 2——套筒；

3——左翼板； 31——左翼板的后缘；

4——右翼板； 41——右翼板的后缘；

5——铰接； 6——左限位块体；

7——右限位块体； 8——焊接。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

深海管道走管现象普遍存在，传统的锚定系统防止走管的效果差、成本高、可靠性低且存在附加的管道破坏风险。而通过在管道端部施加一个随位移变化的轴向阻力，则可对走管现象产生机理进行干扰和抑制，从而实现走管值的减小或消失。这种走管控制方法需要管道端部附加一个相应的装置，并要求装置受到的土体阻力随位移的变化而变化，从而使得管道端部受到可变化阻力的作用。本发明通过转轴结构，将两块可转动的翼板与管道端部相连，通过翼板与土体的相互作用，实现翼板旋转角度随位移的不断变化。同时，由于翼板张开角度的改变，土体对翼板产生变化的阻力，该阻力通过转轴反作用于管道端部上，从而实现管端轴向阻力随位移变化的效果，进而达到控制走管量的目的。

如附图1至图5所示，一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构，包括套筒2、翼板(包括左翼板3和右翼板4)和限位块体(包括左限位块体6和右限位块体7)。

套筒2焊接8在管道1外壁上，起连接和固定其余部件并将土体阻力传递至管道1上的作用。套筒2可在管道1安装前焊接8于管道1上，使得转轴式管端结构无需水下安装。

翼板包括左翼板3和右翼板4，左翼板3和右翼板4设置在套筒2的两侧，左翼板3和右翼板4的尾端通过铰接5的方式与套筒2的第一端相连接，使得左翼板3能围绕左翼板3根部的铰链自由旋转、右翼板4能围绕右翼板4根部的铰链自由旋转。左翼板3和右翼板4的平面形状为菱形，在左翼板3和右翼板4张开至设定角度后，左翼板的后缘31和右翼板的后缘41贴合于套筒2的侧壁上；该设定角度即为左翼板3和右翼板4的最大张开角度α，最大张开角度α受左翼板3和右翼板4的外形控制。

限位块体包括左限位块体6和右限位块体7，左限位块体6和右限位块体7设置在套筒2的两侧并焊接在套筒2的第二端上，左限位块体6与左翼板3的首端相对布置，右限位块体7与右翼板4的首端相对布置，起到限制翼板最小张开角度β的作用，使得翼板不能完全贴合于套筒2侧壁上，保证在有限位移内翼板能迅速张开。最小张开角度β受左限位块体6和右限位块体7的厚度和块体位置控制。

翼板与海床土体直接接触，管道1出现膨胀或收缩位移时，带动套筒2产生滑动，进而使得翼板产生轴向位移。由于翼板可自由转动，当翼板前进受到土阻力时翼板张开角度发生改变。同时，翼板张开角度改变造成与周围土体接触面积不同，因此海床土体对翼板以及整个装置的阻力发生变化，进而影响管道1端部的阻力。翼板平面形状为菱形，因此在张开至一定角度后，翼板与套筒2侧壁发生硬性接触，翼板完全贴合于套筒2侧壁上，此后翼板的张开角度不再继续增大。该形状设计可控制翼板的最大张开角度。

以某管道发生膨胀和收缩滑移工况时分别展示，一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构的变化形式。

管道1发生如图4所示方向(由翼板尾端指向首端)的轴向变形时，焊接8于管壁上的套筒2带动整个翼板产生相同方向的位移。由于限位块体的存在，翼板与套筒2侧壁间存在一定的初始张角，此时产生位移的翼板滑移并破坏翼板与套筒2侧壁夹角间的海床土体，夹角内土体的土压力对翼板产生转动力矩，翼板开始绕铰链产生旋转。随着翼板转动角度的不断增大，产生滑移的翼板在运动方向上接触的土体面积也不断增大，转轴式管端结构受到的土体阻力也不断增大。从俯视图4(b)中可以看出，翼板的平面结构为菱形，因此翼板张开至一定程度后，翼板与套筒2侧壁发生硬性接触，翼板完全贴合于套筒2侧壁上，此后翼板的张开角度不再继续增大，此角度即为最大张角α，此时整个转轴式管端结构对管道1端部产生的轴向阻力最大。

管道1发生如图5所示方向(由翼板首端指向尾端)的轴向变形时，焊接8于管壁上的套筒2带动整个翼板产生相同方向的位移。翼板会因受到外侧土体的土压力，而围绕铰链产生张角不断减小的旋转。随着轴向滑移距离的不断增大，翼板张开角度不断减小。当翼板外沿旋转至与限位块体硬性接触时，翼板张角无法继续减小，此角度即为最小张角β，此时转轴式管端结构对管道1端部产生的轴向阻力最小。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构，其特征在于，包括：

套筒(2)，所述套筒(2)固定连接在管道(1)外壁上；

翼板，所述翼板包括左翼板(3)和右翼板(4)，所述左翼板(3)和所述右翼板(4)设置在所述套筒(2)的两侧，所述左翼板(3)和所述右翼板(4)的尾端通过铰接(5)的方式与所述套筒(2)的第一端相连接，使得所述左翼板(3)能围绕左翼板(3)根部的铰链自由旋转、所述右翼板(4)能围绕右翼板(4)根部的铰链自由旋转；以及，

限位块体，所述限位块体包括左限位块体(6)和右限位块体(7)，所述左限位块体(6)和所述右限位块体(7)设置在所述套筒(2)的两侧并固定连接在所述套筒(2)的第二端上，所述左限位块体(6)与所述左翼板(3)的首端相对布置，所述右限位块体(7)与所述右翼板(4)的首端相对布置，用于限制所述左翼板(3)和所述右翼板(4)的最小张开角度。

2.根据权利要求1所述的一种用于深海管道走管防控的转轴式管端结构，其特征在于，所述左翼板(3)和所述右翼板(4)的平面形状为菱形，在所述左翼板(3)和所述右翼板(4)张开至设定角度后，所述左翼板的后缘(31)和所述右翼板的后缘(41)贴合于所述套筒(2)的侧壁上；所述设定角度为所述左翼板(3)和所述右翼板(4)的最大张开角度。

3.一种基于上述权利要求1或2所述的用于深海管道走管防控的转轴式管端结构的走管防控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)管道(1)发生由翼板尾端指向首端的轴向变形时

套筒(2)带动翼板产生与管道(1)相同方向的位移；

翼板受到翼板与套筒(2)侧壁夹角间的海床土体的土压力，围绕铰链产生夹角不断增大的旋转，直至翼板的后缘贴合于套筒(2)侧壁上，为管道(1)端部提供最大的轴向阻力；

(二)管道(1)发生由翼板首端指向尾端的轴向变形时

套筒(2)带动翼板产生与管道(1)相同方向的位移；

翼板受到外侧土体的土压力，围绕铰链产生夹角不断减小的旋转，直至翼板的首端与限位块体接触，为管道(1)端部提供最小的轴向阻力。

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