在海底管道整体屈曲过程中进行侧向位移控制的装置

摘要

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种在海底管道整体屈曲过程中进行侧向位移控制的装置，包括应力传感器、电源、控制电路、外周带有凸起的环形刚性结构、保护层及能够使得保护层剥离的执行机构，其中，应力传感器的支架为与管道外径相配合的圆环，其应变片沿圆环环向均匀分布；环形结构的内径大于应力传感器的支架外径，在环形刚性结构的外部设置有保护层，用以保护所述的环形刚性结构，使其不直接与海床接触，控制电路根据应力传感器采集的应变信号大小，控制所述的执行机构是否动作，是否需要使保护层被剥离。本发明可以有效解决海底管道整体屈曲过程中侧向位移过大的问题，控制管道的侧向屈曲失稳。

说明书

所属技术领域

本发明属于海底管道整体屈曲控制领域，是在海底管道整体屈曲过程中进行侧向位移控制的装置。

背景技术

近年来，随着海洋油气资源的开发，特别是深水和边际油田的开采，海底管道的工作压力不断提高， 其设计温度普遍达到或超过100℃，甚至可能达到150℃的高温，出现了越来越多在高温、高压下工作的 海底管道。由于热荷载和压力荷载的作用，当管道的运行温度和压力高于周围环境时，管道将膨胀，如果 管道的轴向变形受到周围土体的限制，那么管道将承受轴向压力，当轴向压力达到一定值时，管道会发生 整体屈曲。对于埋设管道可能发生隆起屈曲；对于裸铺在海床上的管道，可能发生侧向屈曲。对已有海底 管道的调查表明，管道屈曲变形的危害不容忽视。海底管道在高温高压作用下的整体屈曲变形问题成为管 道设计的关键性问题。

对于高温、高压海底管道整体屈曲的设计通常存在两种设计目标：第一种设计目标是限制管道发生整 体屈曲；第二种设计目标是允许管道发生整体屈曲，但是管道后屈曲的弯矩及应力应控制在允许的范围内， 即管道在控制下屈曲。对于限制管道发生整体屈曲的设计目标，通常采用挖沟埋设或堆石的方法来限制管 道发生整体屈曲；对于埋地管道，管道的埋深是设计的控制因素，只有在埋设深度满足要求的情况下才能 限制管道发生隆起屈曲。通过挖沟埋设或堆石以限制管道发生整体屈曲的方法在浅海施工中常采用。在深 海中，挖沟埋设和堆石操作难度大，成本高。因此，对于深海裸铺管道来说，允许管道发生整体屈曲的设 计方法是深水油田开发中控制管道整体屈曲设计的唯一可行方法。对于允许管道发生整体屈曲的设计目 标，管道能否在预设位置发生整体屈曲非常重要，因此，通常采用枕木法、蛇形铺设法及分布浮力法来激 发管道的整体屈曲。

现存的激发海底管道发生整体屈曲的方法都只能通过增大初始缺陷或减小侧向阻力来激发海底管道 发生整体屈曲。但是，当管道发生整体屈曲后，并不能控制海底管道整体屈曲变形过大的情形。如果海底 管道在整体屈曲过程中侧向位移过大，将导致管道中应力过大，从而导致海底管道发生局部屈曲或者管道 破裂等问题，这将引起管道泄漏或者使管道无法正常工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供在海底管道整体屈曲过程中进行侧向位移控制的装 置。该装置在海底管道发生整体屈曲过程中，当海底管道整体屈曲变形较大时，本装置可以通过增大侧向 土壤阻力控制海底管道整体屈曲变形的进一步增大。本发明可以有效解决海底管道整体屈曲过程中侧向位 移过大的问题，控制管道的侧向屈曲失稳。本发明的技术方案如下：

一种在海底管道整体屈曲过程中进行侧向位移控制的装置，包括应力传感器、电源、控制电路、外周 带有凸起的环形刚性结构、保护层及能够使得保护层剥离的执行机构，其中，应力传感器的支架为与管道 外径相配合的圆环，其应变片沿圆环环向均匀分布；环形结构的内径大于应力传感器的支架外径，在环形 刚性结构的外部设置有保护层，用以保护所述的环形刚性结构，使其不直接与海床接触，控制电路根据应 力传感器采集的应变信号大小，控制所述的执行机构是否动作，使保护层被剥离。

作为优选实施方式，所述的环形刚性结构为的外表面具有锯齿、脊状凸起或刺猬状凸起等。所述的控 制电路包括微处理器和继电器，所述的执行机构为吸盘式电磁铁，所述的保护层为两个相同的半圆环构成， 在保护层的两个半圆环之间设置有至少两对分布在不同部位的吸盘式电磁铁，每对吸盘式电磁铁的两个吸 盘分别固定在保护层的一个半圆环上，利用吸盘式电磁铁通电后产生的吸力将保护层的两个半圆环连接起 来；由应力传感器采集的应变信号被送入微处理器，微处理器在判断应变信号超出预设阈值时，通过继电 器断开对吸盘式电磁铁的供电。

本发明提供的装置可以在控制海底管道整体屈曲控制中单独使用，也可以与现存的激发海底管道发生 整体屈曲的方法联合使用，从而更好地控制海底管道整体屈曲变形，避免由于管道侧向位移过大而导致海 底管道完整性遭到破坏。具体而言，具有如下的有益效果：

1、增大侧向土抗力，限制海底管道整体屈曲变形进一步增大。应变片将测量的应变转换成对应的电 压达到规定值时，中间继电器使输出电路断开，吸盘式电磁铁中的吸力消失，保护层结构的两个半圆环分 开，脱落到海床上。使锯齿形结构暴露出来，锯齿形结构将会嵌入到土壤中，管道的侧向土抗力将会显著 增加。

2、锯齿形结构增大了管道的局部壁厚，相当于对管道进行了局部加强。锯齿形结构相当于止曲器， 起到了防止管道发生屈曲传播的作用。在整体屈曲变形最大的位置，管道由于弯曲变形而导致管道受到的 弯矩最大，此处管道应力最大，且管道的椭圆率也会增大。因此在整体屈曲变形的最大位置处管道较易发 生局部屈曲，当管道发生局部屈曲后，管道容易发生屈曲传播，但是锯齿形结构起到的局部加强可以有效 抑制屈曲传播。

3、本装置可以预制，在海底管道铺设过程中，只需将本装置与海底管道通过焊接或者其它方式连接 即可，海上操作程序简便，成本较低，且有效的降低了管道屈曲引起的危害，增长了海底管道的寿命，以 最低的成本最大程度的提高了管道的经济效益。

4、应力传感器可以对突发性的应力进行预测和报警，及时对海底管道可能受损部位进行评估，避免 造成海底管道局部泄漏或破裂。

附图说明

图1为本发明的横剖面图；

图2为本发明安装在管道上的横剖面图；

图3为本发明安装在管道上的纵剖面图；

图4为本发明的保护层结构示意图，(a)为闭合状态示意图，(b)为剥离状态示意图。

图5为本发明的控制信号流程图。

图中：1、海底管道，2、应力传感器，3、锯齿形结构，4、保护层结构，5、吸盘式电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图1-5和实施例对本发明作进行详细描述。

1、本发明的侧向位移控制装置，主要包括应力传感器2，微处理器芯片，电源，继电器，吸盘式电磁 铁5，保护层结构4几个部分。

2、应力传感器2包括应变片、微处理器芯片、继电器和电源。应力传感器2选用高精度电阻应变片， 在管道1外表面环向均匀分布粘贴应变片，测量管道应变。应变片将测量的应变转换成对应的电压信号， 此电压信号作为中间继电器的输入信号来控制中间继电器的输出电路的闭合与断开。应力传感器2的内径 与管道1的外径相同，将应变片布置在应力传感器2内表面，应变片沿环向均匀分布，在将本装置安装到 管道1上时，将应力传感器2内表面的应变片粘贴与管道1外表面。

3、预制锯齿形结构3，锯齿形结构3为钢制外周带有锯齿的圆环。保证锯齿形结构3的内径与应力传 感器2外径相同，锯齿形结构3在应力传感器2外侧与应力传感器2连接。

4、预制保护层结构4。保护层结构4由两个半圆环钢制结构和吸盘式电磁铁5组成。每一个半圆环两 端各布置一对吸盘式电磁铁5，吸盘式电磁铁5产生吸力将保护层结构4的两个半圆环连接起来，保护层 结构4处于封闭状态，保护层结构4将应力传感器2与锯齿形结构3封闭起来。当应力在规定范围内时， 应力传感器中的中间继电器的输出电路闭合，吸盘式电磁铁5产生吸力将两个半圆环连接起来，保护层结 构4处于封闭状态。

5、应力传感器2感应的应变信号被送入微处理器芯片，微处理器芯片所采集的信号判断管道所受到 的应力大小，若判断应力过大，通过继电器使输出电路断开，吸盘式电磁铁5中的吸力消失，保护层结构 4的两个半圆环分开，脱落到海床上。

6、将锯齿形结构3安装在应力传感器2的外表面，并将保护层结构4安装在锯齿形结构3的外表面， 形成一个完整的止曲装置。

7、通过详细设计确定海底管道1易发生屈曲的薄弱位置，进而确定安装止曲装置的位置。

8、在海底管道1的铺设过程中，根据设计选定的薄弱位置，将预制好的止曲装置直接与海底管道1 相连。

9、管道1进入工作状态后，通过应力传感器2全程在线监测海底管道1中的应力。应力传感器2感 应的应变信号被送入微处理器芯片，微处理器芯片所采集的信号判断管道所受到的应力大小，若判断应力 过大，通过继电器使输出电路断开，吸盘式电磁铁5中的吸力消失，保护层结构4的两个半圆环分开，脱 落到海床上，使锯齿形结构3暴露出来。

10、暴露出来的锯齿形结构3嵌入到海底土壤中，管道1的侧向土抗力和轴向土抗力将会显著增加， 进而限制了管道1整体屈曲变形的进一步增加，有效的避免了管道1中应力的进一步增加，避免了管道1 整体完整性受到破坏。

本发明的侧向位移控制装置可以在控制海底管道整体屈曲控制中单独使用，也可以与现存的激发海底 管道发生整体屈曲的方法联合使用，从而更好地控制海底管道整体屈曲变形，避免由于管道侧向位移过大 而导致海底管道完整性遭到破坏。

本实施例给出的侧向位移控制装置，只是给出了一种保护层结构及如何将其剥离的控制方式。在具体 使用的时候，还可以采用其他的方式。例如，在锯齿形结构与保护层之间设置一个小型电机和可以伸长的 连杆，保护层结构可以是由如橡胶、钢之类的材质制成的相互活动连接的两个部分，在需要剥离保护层的 时候，利用电机驱动连杆伸长，使得两个部分分离。保护层的材质、结构以及剥离保护层的手段应当是多 种的。

本实施例给出的侧向位移控制装置，只是给出了保护层结构的一种结构形式，在具体使用的时候，保 护层结构还可以采用其它的结构形式。例如，保护层结构可以为长方体或者球体等形式。保护层结构只要 能使锯齿形结构不与海底土壤接触即可。

本实施例给出的侧向位移控制装置，只是给出了锯齿形结构一种结构形式。在具体使用的时候，锯齿 形结构中的锯齿可以采用其它形式。例如：锯齿形结构中的锯齿可以为脊状凸起或者刺猬状凸起的，锯齿 形结构的外表面只要有凸起部分即可，凸起的形状、大小、密集程度可以是不同的。