CN109538871B - 防弯器及柔性管线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防弯器及柔性管线，所述防弯器包括：防弯器分体；多个防弯器分体固定连接形成防弯器主体，所述防弯器主体的外径为圆形，所述防弯器主体的外径从所述防弯器主体的顶端至底端逐渐减小；或者，所述防弯器主体包括短圆柱段和圆锥段，所述短圆柱段的外径等于所述圆锥段的最大外径，所述圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径；相邻两个所述防弯器分体的接触面为螺旋面，所述螺旋面的轴线与所述防弯器主体的轴线重合。本发明提供的防弯器及柔性管线，通过将防弯器分体设置为螺旋形结构，使得防弯器整体的曲率变化更加平滑，从而降低应力集中。

Description

防弯器及柔性管线

技术领域

本发明涉及海洋柔性管线技术领域，尤其涉及一种防弯器及柔性管线。

背景技术

在油气田开发项目特别是深水油气田开发项目中，柔性管线作为常用的水下生产***的重要设备，为水下生产***设备输送介质，如输水、输油与输气。为了保证柔性管线的正常工作，柔性管线端部动态应用一般要安装防弯器，防止发生过度弯曲变形，保证柔性管线安全在位运行。防弯器已经成为海洋柔性管线的常用装备，结构简单，安装方便等优点。

图1为现有技术提供的防弯器的局部结构示意图，图2为现有技术提供的防弯器的整体结构示意图，参考图1和图2所示，现有的防弯器是典型的分体式圆锥形构件，包括由两个防弯器分体100组成的圆锥形防弯器主体200、设置在防弯器主体200内部的中心孔21、设置在防弯器主体200顶部的法兰螺栓件22和设置在圆锥形主体100上的螺栓连接孔23，分体式圆锥形主体通过螺栓连接孔23内的螺栓件连接为整体，通过法兰螺栓件22与柔性管线的端部接头或者浮体连接。

现有技术提供的分体式圆锥形防弯器，虽然可以满足柔性管线最大曲率的要求，但由于螺栓连接孔23的存在，圆锥形防弯器主体200上的螺栓连接分布不均，造成曲率分布不均，容易造成柔性管线最大曲率处发生疲劳破坏。

发明内容

本发明提供一种防弯器及柔性管线，通过将防弯器分体设置为螺旋形结构，使得防弯器整体的曲率变化更加平滑，从而降低应力集中。

本发明一方面提供一种防弯器，包括：防弯器分体；

多个防弯器分体固定连接形成防弯器主体，所述防弯器主体的外径为圆形，所述防弯器主体的外径从所述防弯器主体的顶端至底端逐渐减小；或者，所述防弯器主体包括短圆柱段和圆锥段，所述短圆柱段的外径等于所述圆锥段的最大外径，所述圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径；相邻两个所述防弯器分体的接触面为螺旋面，所述螺旋面的轴线与所述防弯器主体的轴线重合。

如上所述的防弯器，所述螺旋面的旋转角度小于一周。

如上所述的防弯器，还包括：沿着所述防弯器主体的轴线设置的中心孔，所述中心孔用于容纳柔性管线。

如上所述的防弯器，还包括：法兰盘，所述法兰盘连接在所述防弯器主体的顶端，所述法兰盘用于连接柔性管线的端部接头或者浮体。

如上所述的防弯器，所述法兰盘通过螺栓与嵌入在所述防弯器主体顶端的金属连接件连接。

如上所述的防弯器，所述防弯器分体上均匀分布有多个连接孔，相邻两个所述防弯器分体通过安装在所述连接孔内的螺纹紧固件固定连接。

如上所述的防弯器，所述防弯器分体的数量为三个，三个所述防弯器分体的形状相同，所述螺旋面的旋转角度为三分之一周。

本发明提供的防弯器，通过设置多个防弯器分体，且将相邻两个防弯器分体的接触面设置为螺旋面，即防弯器分体呈螺旋形结构，可使得防弯器整体弯曲曲率变化更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。进一步地，防弯器分体通过螺纹紧固件固定连接形成防弯器主体，通过防弯器主体顶端的法兰盘与柔性管线的端部接头或者浮体相连接，整体结构简单，拆装方便，便于推广和应用。

如上所述的防弯器，所述防弯器主体的外轮廓线为平滑曲率曲线。

本发明另一方面还提供一种柔性管线，包括：如上所述的防弯器。

本发明提供的柔性管线，通过将防弯器设置为多个防弯器分体，且将相邻两个防弯器分体的接触面设置为螺旋面的方式，使防弯器分体呈螺旋形结构，可使得防弯器整体弯曲曲率变化更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。进一步地，防弯器分体通过螺纹紧固件固定连接形成防弯器主体，通过防弯器主体顶端的法兰盘与柔性管线的端部接头或者浮体相连接，整体结构简单，拆装方便，便于推广和应用。

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作一简单地介绍，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为现有技术提供的防弯器的局部结构示意图；

图2为现有技术提供的防弯器的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的防弯器的局部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的防弯器的整体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的防弯器的又一结构示意图。

附图标记：

100-防弯器分体

11-螺旋面

200-防弯器主体

21-中心孔

22-法兰盘

23-连接孔

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。

需要说明的是，海洋管道是海洋油气资源最主要的运输工具，是水下生产***最关键的装备之一。其中，柔性管线在海洋管道中应用最为广泛，具有柔顺性突出，铺设简易、设计空间大、可回收、环保等优点。柔性管线一般为由不同材料层叠制成的多层复壁管，其具有较小的弯曲半径，对由于浮体运动、波浪、还留和安装作业等引起的弯曲载荷具有较好的顺应性。

在柔性管线的应用中，一般需要在与浮体的连接处安装防弯装备，防止柔性管线发生过度弯曲变形，进而保证其正常在位运行。防弯装备包括防弯器、限弯器、喇叭口等，一般安装在柔性管线的最容易发生应力集中或者弯曲破坏的位置，上端或者下端，起到防止柔性管线过度弯曲，减小疲劳损伤的作用。

其中，防弯器具有安装方便、要求空间小等优点，是应用最广泛的海洋柔性立管防弯装备。它通过增加柔性管线的局部刚度，使其受到弯曲载荷时，不至于过度弯曲，优点是可以有效抑制柔性管线的疲劳损伤。

参考图1和图2所示，现有技术中，防弯器是典型的分体式圆锥形构件，包括由两个防弯器分体100组成的圆锥形防弯器主体200、设置在防弯器主体200内部的中心孔21、设置在防弯器主体200顶部的法兰螺栓件22和设置在圆锥形主体100上的螺栓连接孔23，分体式圆锥形主体通过螺栓连接孔23内的螺栓件连接为整体，通过法兰螺栓件22与柔性管线的端部接头或者浮体连接。

现有技术提供的分体式圆锥形防弯器，虽然可以满足柔性管线最大曲率的要求，但由于螺栓连接孔23的存在，圆锥形防弯器主体200上的螺栓连接分布不均，造成曲率分布不均，容易造成柔性管线最大曲率处发生疲劳破坏。因此，本发明旨在对现有的分体式圆锥形防弯器进行改进，以减小柔性管线容易产生疲劳失效的区域，提高使用寿命。

实施例一

图3为本发明实施例提供的防弯器的局部结构示意图，图4为本发明实施例提供的防弯器的整体结构示意图，参考图3和图4所示，本发明一方面提供一种防弯器，包括：防弯器分体100；多个防弯器分体100固定连接形成防弯器主体200，防弯器主体200的外径为圆形，防弯器主体200的外径从防弯器主体200的顶端至底端逐渐减小；或者，防弯器主体200包括短圆柱段和圆锥段，所述短圆柱段的外径等于所述圆锥段的最大外径，所述圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径；相邻两个防弯器分体100的接触面为螺旋面11，螺旋面11的轴线与防弯器主体200的轴线重合。

具体地，防弯器主体200由多个防弯器分体100组合固定连接而成，相比于整体式结构的防弯器，分体式结构更方便生产、运输和装拆。防弯器主体200的外径为圆形，以使得防弯器结构稳定、受力均匀。柔性管线一般穿设在防弯器内，由于柔性管线的端部受到的载荷最大，因此防弯器主体200的外径从顶端至底端逐渐减小，以使得柔性管线的曲率分布均匀。

其中，防弯器主体200的外轮廓线在本实施例中不做具体限制，其外径需要满足从顶端至底端逐渐减小的基础条件，以使得柔性管线的曲率分布均匀。具体地，防弯器的作用是保护柔性管线的端部的安全，因此，防弯器的具体尺寸设计与柔性管线的尺寸、内压、拉伸和弯曲刚度、应用水深等特性有关。

本实施例通过将相邻两个防弯器分体100的接触面设置为螺旋面11，即防弯器分体100呈螺旋形结构，可使得防弯器整体弯曲曲率变化更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。

其中，防弯器一般采用聚氨酯弹性体，以增加耐磨性和抗老化性能。其中，聚氨酯弹性体是一种主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的高分子合成材料，一般由聚酯、聚醚和聚烯烃等低聚物多元醇与多异氰酸酯及二醇或二胺类扩链剂逐步加成聚合而成。

关于螺旋面11，其轴线与防弯器主体200的轴线重合，其母线为防弯器主体200的半径。螺旋面11的旋转角度过小时，其对防弯器曲率的改进不明显，螺旋面11的旋转角度过大时，不仅会造成防弯器整体结构的稳定性降低，而且加工工艺复杂，增加建造成本。优选地，螺旋面11的旋转角度小于一周。

本实施例中，防弯器还包括：沿着防弯器主体200的轴线设置的中心孔21，中心孔21用于容纳柔性管线。具体地，中心孔21由多个防弯器分体100上设置的弧形通孔拼接而成，中心孔21为适应柔性管线，应设置为圆形孔，且中心孔21的半径应略大于柔性管线的直径。柔性管线穿设在中心孔21内，以使得防弯器对柔性管线起到保护作用。

进一步地，本实施例中，防弯器还包括：法兰盘22，法兰盘22连接在防弯器主体200的顶端，法兰盘22用于连接柔性管线的端部接头或者浮体。为了固定防弯器的位置，通过在防弯器主体200的顶端设置法兰盘22，以将法兰盘22与柔性管线的端部接头或者浮体连接。

在长期动态服役过程中，防弯器很容易由于连接失效发生脱落，导致柔性管线被破坏，因此防弯器与柔性管线的端部接头或者浮体的连接可靠性至关重要。具体地，由于防弯器主体200为聚氨酯弹性体材料，而法兰盘22为金属材料，实现法兰盘22和防弯器主体200的连接可以有多种方式，例如尺寸嵌合、螺栓连接、焊接等。

优选地，法兰盘22通过螺栓与嵌入在防弯器主体200顶端的金属连接件连接。其中，将金属连接件嵌入到聚氨酯弹性件材料的防弯器主体200中，通过连接部件的相互嵌合和摩擦力的作用，将金属连接件与防弯器主体200连接在一起，称为内连接。再通过将法兰盘和螺栓，将金属连接件与浮体或者柔性管线的端部接头连接在一起，称为外连接。这种连接形式结构简单、安全可靠，加工方便。

至于将多个防弯器分体100固定连接为防弯器主体200的固定方式，一般地，防弯器分体100上均匀分布有多个连接孔23，相邻两个防弯器分体100通过安装在连接孔23内的螺纹紧固件固定连接。优选地，螺纹紧固件为螺栓，通过螺栓将多个防弯器分体100固定在一起，该连接方式结构简单、操作方便。

防弯器分体100的数量为多个，多个防弯器分体100配合形成防弯器主体200。防弯器分体100的数量过多时，不仅会造成防弯器整体结构的稳定性降低，而且加工工艺复杂，增加建造成本；而防弯器分体200的数量为小于三个时，对防弯器曲率的改进不明显。

在一种优选的实施例中，防弯器分体100的数量为三个，三个防弯器分体100的形状相同，螺旋面11的旋转角度为三分之一周。三个防弯器分体100为相对稳定的结构，不仅可以使得防弯器整体弯曲曲率变化明显更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，而且更加方便安装。

参考图3和图4所示，当防弯器分体100的数量为三个时，三个防弯器分体100的形状完全相同。定义相邻的两个防弯器分体100的位于防弯器主体200的外表面的交接线为螺旋线，则一条螺旋线的起点和终点相对于防弯器主体200轴线中心，旋转的角度为120度，即每一个螺旋面11的旋转角度为三分之一周。

继续参考图3和图4所示，在一种可行的实施例中，防弯器主体200包括短圆柱段和圆锥段，短圆柱段的外径等于圆锥段的最大外径，圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径。

由于防弯器主体200的顶端受到的冲击力更大，因此，在防弯器主体200的顶端一侧，可将一段防弯器主体200设置为圆柱段，相比于防弯器主体200整体为圆锥形的设计，短圆柱段和圆锥段结合的设置，可承受更大的力，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。

图5为本发明实施例提供的防弯器的又一结构示意图，参考图5所示，在另外一种可行的实施例中，防弯器主体200的外轮廓线为平滑曲率曲线。将防弯器主体200的外轮廓线设置为平滑曲率曲线，能够适应柔性管线更大的张力和加载角度，可用范围增大，曲率沿着柔性管线的轴向分布更加均匀和平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。其中，防弯器主体200的平滑曲率曲线外轮廓线的具体函数形式，需要根据有限元分析、实验等手段得来，在本实施例中不做进一步讨论。

本发明实施例提供的防弯器，通过设置多个防弯器分体，且将相邻两个防弯器分体的接触面设置为螺旋面，即防弯器分体呈螺旋形结构，可使得防弯器整体弯曲曲率变化更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。进一步地，防弯器分体通过螺纹紧固件固定连接形成防弯器主体，通过防弯器主体顶端的法兰盘与柔性管线的端部接头或者浮体相连接，整体结构简单，拆装方便，便于推广和应用。

实施例二

本发明另一方面还提供一种柔性管线，包括：如上的防弯器。

其中，所述防弯器，包括：防弯器分体100；多个防弯器分体100固定连接形成防弯器主体200，防弯器主体200的外径为圆形，防弯器主体200的外径从防弯器主体200的顶端至底端逐渐减小；或者，防弯器主体200包括短圆柱段和圆锥段，所述短圆柱段的外径等于所述圆锥段的最大外径，所述圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径；相邻两个防弯器分体100的接触面为螺旋面11，螺旋面11的轴线与防弯器主体200的轴线重合。

进一步地，螺旋面11的旋转角度小于一周。

防弯器还包括：沿着防弯器主体200的轴线设置的中心孔21，中心孔21用于容纳柔性管线。

进一步地，防弯器还包括：法兰盘22，法兰盘22连接在防弯器主体200的顶端，法兰盘22用于连接柔性管线的端部接头或者浮体。

可选地，法兰盘22通过螺栓与嵌入在防弯器主体200顶端的金属连接件连接。

进一步地，防弯器分体100上均匀分布有多个连接孔23，相邻两个防弯器分体100通过安装在连接孔23内的螺纹紧固件固定连接。

优选地，防弯器分体100的数量为三个，三个防弯器分体100的形状相同，螺旋面11的旋转角度为三分之一周。

或者，防弯器主体200的外轮廓线为平滑曲率曲线。

本发明实施例提供的柔性管线，通过将防弯器设置为多个防弯器分体，且将相邻两个防弯器分体的接触面设置为螺旋面的方式，使防弯器分体呈螺旋形结构，可使得防弯器整体弯曲曲率变化更加平滑，从而有效减小柔性管线发生疲劳的热点区域，降低应力集中，提高使用寿命。进一步地，防弯器分体通过螺纹紧固件固定连接形成防弯器主体，通过防弯器主体顶端的法兰盘与柔性管线的端部接头或者浮体相连接，整体结构简单，拆装方便，便于推广和应用。

在本发明的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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 (9)

1.一种防弯器，其特征在于，包括：防弯器分体；

多个防弯器分体固定连接形成防弯器主体，所述防弯器主体的外径为圆形，所述防弯器主体的外径从所述防弯器主体的顶端至底端逐渐减小；或者，所述防弯器主体包括短圆柱段和圆锥段，所述短圆柱段的外径等于所述圆锥段的最大外径，所述圆锥段的最小外径大于柔性管线的直径；

相邻两个所述防弯器分体的接触面为螺旋面，所述螺旋面的轴线与所述防弯器主体的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的防弯器，其特征在于，所述螺旋面的旋转角度小于一周。

3.根据权利要求1或2所述的防弯器，其特征在于，还包括：沿着所述防弯器主体的轴线设置的中心孔，所述中心孔用于容纳柔性管线。

4.根据权利要求3所述的防弯器，其特征在于，还包括：法兰盘，所述法兰盘连接在所述防弯器主体的顶端，所述法兰盘用于连接柔性管线的端部接头或者浮体。

5.根据权利要求4所述的防弯器，其特征在于，所述法兰盘通过螺栓与嵌入在所述防弯器主体顶端的金属连接件连接。

6.根据权利要求1或2所述的防弯器，其特征在于，所述防弯器分体上均匀分布有多个连接孔，相邻两个所述防弯器分体通过安装在所述连接孔内的螺纹紧固件固定连接。

7.根据权利要求1或2所述的防弯器，其特征在于，所述防弯器分体的数量为三个，三个所述防弯器分体的形状相同，所述螺旋面的旋转角度为三分之一周。

8.根据权利要求1所述的防弯器，其特征在于，所述防弯器主体的外轮廓线为平滑曲率曲线。

9.一种柔性管线，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的防弯器。

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