CN102943925B

CN102943925B - 一种深水海底管道止屈器

Info

Publication number: CN102943925B
Application number: CN201210407413.2A
Authority: CN
Inventors: 曹静; 李新仲; 谢彬; 余建星; 陈严飞; 沙勇; 周巍伟; 张恩勇; 杨源; 于敏
Original assignee: Tianjin University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tianjin University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: CN102943925A

Abstract

本发明涉及一种深水海底管道止屈器，其特征在于：它包括止屈器本体，止屈器本体为圆柱壳体，止屈器本体的内径小于海底管道的内径，止屈器本体的外径按照从小到大的顺序依次划分为第一级阶梯、第二级阶梯和第三级阶梯；第三级阶梯位于止屈器本体的中部，第三级阶梯的两侧均为第二级阶梯，两个第二级阶梯的另一侧均为第一级阶梯；第一级阶梯的外径小于海底管道的内径，第二级阶梯的外径与海底管道的外径相同，第三级阶梯的外径大于海底管道的外径。本发明的焊接过程不需要复杂的工艺要求，并且第一级阶梯可以作为与海底管道对焊时的沉垫，既有利于提高海底管道的焊接质量，又利于提高本发明的止屈能力；本发明在深水环境使用时具有更高的止屈性能，且大大削减了焊接难度，可广泛用于深水环境中的海底管道上。

Description

一种深水海底管道止屈器

技术领域

本发明涉及一种止屈器，特别是关于一种与深水海底管道相连接的止屈器。

背景技术

海底管道是海洋石油工程中重要的油气输运方式，它的安全运营是确保海上油气生产顺利进行的关键。深水海底管道由于其铺设海域水深较大，将承受巨大的静水压力。深水管道平铺在海床上可能会遭受锚等重物下落的撞击，这将造成自身的几何缺陷；深水的低温环境与管内输送热油液构成管道内外温差，会使管道产生轴向变形；铺管过程中不合理的操作可能会引起垂弯段弯矩过大；特殊海洋环境以及输送液体对管道可能构成局部腐蚀。以上种种因素都可能引发深水管道的局部屈曲压溃。当管道发生局部屈曲压溃后，若外水压超过一定压力，管道的压溃形态将沿管长方向向两边传播开来，造成整条管道的破坏，这种现象就是屈曲传播现象，维持管道屈曲传播所需要的最小外压力就是屈曲传播压力。

屈曲传播一旦发生，要使其终止，则要具备以下两个条件之一：外压降至屈曲传播压力以下，或者屈曲传播遭到它无法穿越的物理障碍。因为管道的屈曲传播压力一般明显小于它的屈曲压溃压力，从前一个条件出发，以屈曲传播压力为稳定性设计准则来设计管道，使管道所受外压总低于其屈曲传播压力，这将使管道的壁厚大大增加，显然是十分不经济的。因此，设置有效的物理障碍，来阻止屈曲传播，成为了应对管道屈曲传播问题的主要手段。这种抑制屈曲传播的结构就是止屈器。

有效的止屈器可以成功防止屈曲沿管道轴向的传播，使管道出现的屈曲压溃仅发生在两个止屈器之间，从而避免整条管道遭受破坏。止屈器的基本形式是一个厚壁圆环，当前常用的止屈器根据安装形式的不同，可分为扣入式、缠绕式和整体式止屈器。扣入式止屈器先旋入到管道指定位置然后直接夹紧,缠绕式止屈器在管道的指定位置进行缠绕,整体式止屈器的内径和管道的内径一样，而壁厚比管道更厚，两者同轴排好之后在连接处焊接。在扣入式止屈器的基础上，在其与管道之间的连接增加了两道焊缝，可形成焊接式止屈器。从止屈性能上看，整体式止屈器的止屈效果最好，但对焊接工艺要求较高，安装复杂，且重量较重。扣入式和焊接式止屈器结构简单，制造方便，但止屈效率较低，不适用于深水管道。缠绕式止屈器的情况与扣入式止屈器大体相似，也不适于深水管道使用。

虽然工程上有上述三种常用的海底管道止屈器，但缠绕式、扣入式（包括延伸出的焊接式）止屈器大都用于浅水海底管道的防护，不适用于深水工程。目前常用深水工程的海底管道止屈器形式比较单一，仅整体式止屈器一种，而整体式止屈器虽然结构简单，但需要对位焊接，这一点对焊接工艺要求很高。当屈曲变形传播到止屈器前端，由于深水止屈器壁厚较大，在屈曲传播穿越前后不会发生显著的变形，这将对止屈器前端焊缝产生很强的弯曲和轴向力，这种复杂的受力环境比一般的中高压压力容器的焊缝质量要求更高。相应地，焊缝出现破坏的可能性也就很大，轻度破坏仅仅是焊缝沙眼连通，在外水压和内压的共同作用下发生小型渗漏；严重破坏时焊缝处会出现裂缝甚至裂口，这将引起严重的泄漏事故。因此设计一种对焊接质量要求较低的深水管道止屈器十分必要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种既有利于提高管道焊接质量，又具有较高止屈能力的深水海底管道止屈器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水海底管道止屈器，其特征在于：它包括止屈器本体，所述止屈器本体为圆柱壳体，所述止屈器本体的内径小于海底管道的内径，所述止屈器本体的外径按照从小到大的顺序依次划分为第一级阶梯、第二级阶梯和第三级阶梯；所述第三级阶梯位于所述止屈器本体的中部，所述第三级阶梯的两侧均为所述第二级阶梯，两个所述第二级阶梯的另一侧均为第一级阶梯；所述第一级阶梯的外径小于所述海底管道的内径，所述第二级阶梯的外径与所述海底管道的外径相同，所述第三级阶梯的外径大于所述海底管道的外径。

所述止屈器本体的第一级阶梯的长度为0.25倍的所述海底管道的外径；所述第一级阶梯的壁厚为1～2倍的所述海底管道的壁厚；所述第一级阶梯的外径比所述海底管道的内径小0.5～2mm，所述第一级阶梯***所述海底管道的端部位置加工成30°的平缓坡角。

所述止屈器本体的第二级阶梯的长度为0.25倍的所述海底管道的外径；所述第二级阶梯的壁厚为2～3倍的所述海底管道的壁厚；所述第二级阶梯的内径与所述第一级阶梯的内径一致；所述第二级阶梯与所述第一级阶梯的连接处即为与所述海底管道的焊接处，所述第二级阶梯靠近焊缝的端部开成45°坡口。

所述止屈器本体的第三级阶梯的长度为0.5倍的所述海底管道的外径；所述第三级阶梯的壁厚为3～5倍的所述海底管道的壁厚；所述第三级阶梯的内径与所述第一级阶梯的内径一致。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明与常用于深水的整体式止屈器相比，在材料分布上有显著不同，整体式止屈器的所有材料分布在海底管道内径以外的区域，而本发明的两个第一级阶梯分别***海底管道中，其材料约有30%～50%分布在海底管道内径以内的区域；对于圆柱壳体而言，径厚比越小，抗屈曲性能越好；因此，在等量材料的前提下，本发明的这种材料分布方式将提高其止屈能力。2、本发明克服了深水用整体式止屈器焊接要求复杂的不足：整体止屈器要求止屈器内径与管道内径相等，安装时实施对位焊接；深水管道止屈器要求具有较高的止屈效率，对应的整体式止屈器壁厚较大，在发生穿越时不发生显著的变形，这使得屈曲变形传播到止屈器前端时，止屈器前端焊缝处会承受很大的弯曲和轴向力，易于发生破坏；本发明的第一级阶梯伸入海底管道内部，屈曲传播接近海底管道，第一级阶梯将向受到较大弯曲和轴向力的区域前移，对焊缝处起到保护作用。3、本发明在焊接安装过程中，第一级阶梯的存在也可以作为焊接的沉垫，使得获得较好焊接质量的操作难度较低。4、本发明的第三梯级壁厚较大，其外径大于海底管道外径，内径小于海底管道内径，是本发明环向刚度最强的区域，是本发明止屈能力的核心；通过本发明前两个梯级的过渡，本发明大壁厚的优势可以不受焊缝质量困扰得到发挥，能够设置比整体式止屈器更大的壁厚，因此，本发明能够使用在超深水环境中。5、本发明在最不利的情况下，即使焊缝出现破坏时，由于第一级阶梯的存在，可以限制海底管道的泄漏速度，减小可能带来的后果。6、本发明的第一级阶梯***海底管道的端部位置进行了30°坡角处理，因此，可以减少对海底管道内部流体流动的干扰，同时也便于清管器的工作。本发明的焊接过程不需要复杂的工艺要求，并且本发明的第一级阶梯可以作为与海底管道对焊时的沉垫，既有利于提高海底管道的焊接质量，又利于提高本发明的止屈能力；本发明在深水环境使用时比整体式止屈器具有更高的止屈性能，且大大削减了整体式止屈器的焊接难度，可广泛用于深水环境中的海底管道上。

附图说明

图1是本发明用在某段海底管道的正视投影示意图

图2是图1中所示的A-A截面示意图

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。

如图1、图2所示，本发明包括止屈器本体1，止屈器本体1为圆柱壳体，止屈器本体1的内径小于海底管道2的内径，止屈器本体1的外径不同，按照从小到大的顺序依次划分为第一级阶梯3、第二级阶梯4和第三级阶梯5。第三级阶梯5位于止屈器本体1的中部，第三级阶梯5的两侧均为第二级阶梯4，两个第二级阶梯4的另一侧均为第一级阶梯3。同时，第一级阶梯3的外径小于海底管道2的内径，第二级阶梯4的外径与海底管道2的外径相同，第三级阶梯5的外径大于海底管道2的外径。

如图1所示，本发明止屈器本体1的第一级阶梯3的长度为0.25倍的海底管道2的外径；第一级阶梯3的壁厚为1～2倍的海底管道2的壁厚；第一级阶梯3的内径小于海底管道2的内径；第一级阶梯3的外径比海底管道2的内径小0.5～2mm，便于在安装时顺利***海底管道2内部。第一级阶梯3***海底管道2的端部位置加工成30°的平缓坡角，便于海底管道2内的流体流动和清管操作。

如图1所示，本发明止屈器本体1的第二级阶梯4的长度为0.25倍的海底管道2的外径；第二级阶梯4的壁厚为2～3倍的海底管道2的壁厚；第二级阶梯4的内径小于海底管道2的内径，且与第一级阶梯3的内径一致；第二级阶梯4的外径与海底管道2的外径一致。第二级阶梯4与第一级阶梯3的连接处即为与海底管道2的焊接处，第二级阶梯4靠近焊缝6的端部开成45°坡口，用于与海底管道2的对位焊接。

如图1所示，本发明止屈器本体1的第三级阶梯5的长度为0.5倍的海底管道2的外径；第三级阶梯5的壁厚为3～5倍的海底管道2的壁厚；第三级阶梯5的内径小于海底管道2的内径，且与第一级阶梯3的内径一致；第三级阶梯5的外径大于海底管道2的外径。

本发明的材料可以采用与深水海底管道2相同材质的API 5L X65型或更高等级的X70、X80等级钢材；其主要的功能在于防止海底管道2在复杂环境和载荷下的屈曲传播，保证整条管线的安全。

本发明的制作安装方法包括以下步骤。

1）进行本发明的工程应用时，宜选用壁厚达到第三级阶梯5的壁厚，外径与第三级阶梯5的外径一致或接近，且材料适合的管件，切割得到1.5倍海底管道2直径的长度的毛坯。

2）在车床或铣床上加工出如图1所示的多梯级圆柱壳型式和60°坡角。考虑到焊接坡口要在铺管现场开，因此，在制作本发明时，第二级阶梯4与第一级阶梯3之间的过渡坡角应做成稍大于此角度，建议在60°以上。

3）铺管时，将本发明的两个第一级阶梯3分别***两条海底管道2中，与两端的海底管道2对位，以第一级阶梯3为衬垫，实施有衬垫条件下的对位焊接，沿海底管道2轴向每隔50～100m（视水深、环境和每根管件长度而定）设置一个本发明。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种深水海底管道止屈器，其特征在于：它包括一圆柱壳体状的止屈器本体，所述止屈器本体由两端向中部外径依次变大，分别形成了第一级阶梯、第二级阶梯和第三级阶梯，所述第一级阶梯的外径小于所述海底管道的内径，所述第二级阶梯的外径与所述海底管道的外径相同，所述第三级阶梯的外径大于所述海底管道的外径；所述第一级阶梯***海底管道，所述第二级阶梯与海底管道对位焊接；***海底管道的所述第一级阶梯的长度为0.25倍的海底管道的外径；所述第一级阶梯的壁厚为1～2倍的所述海底管道的壁厚；所述第一级阶梯的外径比所述海底管道的内径小0.5～2mm，所述第一级阶梯***所述海底管道的端部位置加工成30°的平缓坡角；所述止屈器本体的第二级阶梯的长度为0.25倍的所述海底管道的外径；所述第二级阶梯的壁厚为2～3倍的所述海底管道的壁厚；所述第二级阶梯的内径与所述第一级阶梯的内径一致；所述第二级阶梯与所述第一级阶梯的连接处即为与所述海底管道的焊接处，所述第二级阶梯靠近焊缝的端部开成45°坡口；所述第三级阶梯的长度为0.5倍的所述海底管道的外径；所述第三级阶梯的壁厚为3～5倍的所述海底管道的壁厚；所述第三级阶梯的内径与所述第一级阶梯的内径一致。