带稳定性支撑的海底管道止屈器及其固定方法

摘要

本发明属于海底管道设施铺设技术领域，涉及一种带稳定性支撑的海底管道止屈器，使用时固定在两截海底管道之间，包括稳定性支撑和固定在其内的球形止屈器，所述止屈器呈椭球形，其横截面为圆环形，内径与管道内径相同，截面外径沿轴向变化，从中间向两端逐渐缩小，止屈器两端的截面外径与管道外径相同，所述稳定性支撑包括两瓣等截面的壳体，一个为上壳体，一个为下壳体，上壳体为半圆环形，下壳体为底部削平的半圆环形，底部中间带有凹槽；两瓣壳体的边缘均带有外伸的眼板，螺栓穿过眼板，将两瓣壳体连成一体，并紧贴在管道和球形止屈器的外表面上。本发明同时提供一种该种止屈器的固定方法。本发明能够有效防止海底管道止屈器应力集中，并能够增强海底管道在位稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种海底管道附属部件。

背景技术

1.海底管道的屈曲传播和止屈器

海底管道在外部静水压力和弯曲作用下，容易发生屈曲破坏。屈曲破坏的形式有两种：一种是局部屈曲(Collapse)，另一种是屈曲传播(Propagating Buckles)。从理论上讲，若控制管道不发生局部屈曲，就不会发生屈曲传播；但即使管道严格按照设计要求进行选择和铺设，在实际工程的铺设过程中，仍然会出现一些状况，会令管道受力超出预期，造成局部屈曲。例如，海底管道可能会受到来自海床等其他物体的外力作用，或者铺设过程中遇到某些障碍令管道产生过大的弯曲变形等，这些原因都会使管道产生局部屈曲，也就是说，在海底这种复杂的环境中，海底管道要发生局部屈曲其实是很难避免的。局部的屈曲失稳一旦发生，就有可能沿着管道长度方向进行传播，进而使整个管道结构发生失效破坏，从而造成巨大的经济损失。

目前，解决海底管道屈曲传播问题的一个颇具经济性的方法，就是沿着管道的长度方向间隔一定距离设置止屈器(Buckling Arrestor)。其工作原理就是允许管道发生局部屈曲，但是屈曲传播并不能跨越止屈器，这样就能使局部屈曲仅发生于两个止屈器之间。

有效的止屈器应该能够在最大设计水深内成功阻止屈曲传播，其形式一般是一个厚壁圆环或缠绕棒条，按照安装的方式不同，一般可分为扣入式、普通焊接式、整体式和缠绕式止屈器。发明专利申请200910309743.6公开了一种带螺旋侧板的海底管道止屈器，该种，由包括两个尺寸和结构相同的壳体连接而成，每个壳体分别为变截面的半圆环形，两个壳体均设置外伸的眼板，所述眼板用于通过螺栓连接两个壳体，外径沿轴向变化且通过渡斜面连接，两端较厚，中部较薄，两个壳体连接成一个变截面的环形柱体。该种海底管道止屈器，由于本身的结构特点，管道在止屈器位置处的壁厚存在不连续性，从而会产生弯曲应力集中点，特别是在铺管过程中，容易对管道造成不良影响。

2.海底管道的在位稳定性设计

海底管道在位稳定性设计的主要目的是，选择合适的海底线路、管道材料、管道尺寸，以及管道加工安装和维护方法，使管道在运营期间能够抵御可能遇到的波浪、海流等恶劣环境载荷，并使投资费用最低。海底管道虽然位于海底，但波浪和海流仍会对海底管道的在位稳定性产生不良影响。在波浪和海流作用下，海底管道在位稳定性与管道重量、环境载荷和海底土层产生的阻力等多种因素相关。如果海底地基土所提供的阻力不足以平衡波浪力和海流力，管道会从原位滑出而发生在位失稳现象。

为防止海底管道在位失稳，必须提高管道的水下重量或对管道进行埋设或覆盖。管道水下重量的提高一般是通过增加管道混凝土配重层的厚度来实现，然而过大的管道设计重量又会对铺管设施和方法提出更高的要求；而如果将管道埋设或者覆盖，则需要耗费巨大的施工成本。可见，合理的海底管道在位稳定性分析，对海底管道设计和铺设施工方法的选择具有重要意义。根据止屈器对海底管道进行局部刚度加强的设计思想，提高管道的在位稳定性也可以通过一定的局部阻力加强措施来实现，这样可以在安全性和经济性中间取得比较好的平衡。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供能够有效防止海底管道止屈器应力集中以及增强海底管道在位稳定性的局部加强装置，并且提供一种该装置在海底管道上安装的方法。本发明采取合理的施工工艺，降低成本，有效控制海底管道的止屈器应力集中及在位失稳现象，实现经济性和安全性的完美统一。

本发明采用如下的技术方案：

一种带稳定性支撑的海底管道止屈器，使用时固定在两截海底管道之间，包括稳定性支撑和固定在其内的球形止屈器，所述止屈器呈椭球形，其横截面为圆环形，内径与管道内径相同，截面外径沿轴向变化，从中间向两端逐渐缩小，止屈器两端的截面外径与管道外径相同，所述稳定性支撑包括两瓣等截面的壳体，一个为上壳体，一个为下壳体，上壳体为半圆环形，下壳体为底部削平的半圆环形，底部中间带有凹槽；两瓣壳体的边缘均带有外伸的眼板，螺栓穿过眼板，将两瓣壳体连成一体，并紧贴在管道和球形止屈器的外表面上。

作为优选实施方式，所述稳定性支撑的两瓣壳体的内表面与海底管道和球形止屈器的外表面相契合，内外表面之间留有不超过管道外径的1～2％的缝隙；球形止屈器的最大壁厚取2-4倍的管道壁厚，总长度取1.5-2.5倍的管道外径。

本发明同时提供一种上述带稳定性支撑的海底管道止屈器的固定方法，包括以下步骤：

(1)根据给定海底管道的外径及壁厚尺寸，制作球形止屈器和构成稳定性支撑的两瓣等截面壳体；

(2)将球形止屈器焊接在两段海底管道之间；

(3)安装稳定性支撑时，首先将下瓣壳体紧贴在球形止屈器的下部，通过眼板位置和球形止屈器的外表面，把上瓣壳体与已就位的下瓣壳体对接；两瓣壳体通过螺栓进行固定，螺栓穿过眼板将两瓣壳体连成一体，外包在球形止屈器和海底管道的外部；

(4)在稳定性支撑的两瓣壳体内表面与海底管道和球形止屈器外表面之间的微小间隙，通过灌入水泥、混砂环氧树脂以及聚氨酯等进行填充；

(5)在安装好稳定性支撑以外的管道部分敷设混凝土配重层，混凝土配重层的端部紧贴稳定性支撑的端部。

第(5)步中，如果混凝土配重层的外表面不能与稳定性支撑的外表面平齐，则在铺管船张紧器之后安装稳定性支撑；所述稳定性支撑的两瓣壳体的内表面与海底管道和球形止屈器的外表面相契合，内外表面之间留有不超过管道外径的1～2％的缝隙。

本发明提供了一种集防止海底管道止屈器应力集中与增强海底管道在位稳定性于一体的局部加强装置，与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明能够有效防止海底管道发生局部屈曲后的屈曲传播，确保海底管道整体的完整性，大大减少经济损失，由于本发明中的球形止屈器与管道焊接在一起，因此止屈效果良好，非常适用于深水海底管道；

(2)球形止屈器的外径从中间向两端逐渐减小，最后与管道外径相同，止屈器和管道的外表面过渡平缓，能够有效避免弯曲应力集中，特别是在铺管过程中，可以尽量减少对管道造成的不良影响；

(3)稳定性支撑下瓣壳体的底部进行了削平处理，并在底部中间开有凹槽，大大增加了海底地基土所提供的阻力，可以有效保证海底管道的在位稳定性；

(4)稳定性支撑的内表面与球形止屈器的外表面相契合，这可以通过一套内外契合的模具进行批量生产，从而简化制造工艺，降低制造成本；

(5)球形止屈器和稳定性支撑的安装工艺简单，可以采用流水线安装，从而提高工作效率，降低施工成本；

(6)稳定性支撑可以对球形止屈器两端的焊缝进行有力的保护，大大减缓焊缝的腐蚀和开裂破坏；

(7)稳定性支撑在一定程度上增加了球形止屈器的止屈效果，具有“二次止屈”的作用，从而提高了球形止屈器的可靠性，以及应对某些意外恶劣情况的能力。

附图说明

图1为仅装配球形止屈器的某段海底管道的正视图和剖视图；

图2为同时装配球形止屈器和稳定性支撑的某段海底管道的正视图；

图3为图2中的A-A剖面图；

图4为图2中的B-B剖面图；

图5为图2中稳定性支撑的下瓣壳体，是图2中稳定性支撑的仰视图。

图中标号说明：

1海底管道；2球形止屈器；3焊缝；4稳定性支撑的上瓣壳体；5稳定性支撑的下瓣壳体；

6眼板；7螺栓

具体实施方式

本发明提供了一种带稳定性支撑的海底管道止屈器。该种带稳定性支撑的海底管道止屈器主要包括位于内部的球形止屈器和位于外部的稳定性支撑。球形止屈器的截面为圆环形，内径与管道内径相同，截面外径沿轴向变化，从中间向两端逐渐缩小，两端截面的外径与管道外径相同，从外观上看，该止屈器呈椭球形。在球形止屈器的周围外包两瓣形状不同的等截面壳体，两瓣壳体通过螺栓紧密连接作为稳定性支撑。稳定性支撑的两瓣壳体横截面均呈半圆环形，但下瓣壳体的底部削平，底部中间带有凹槽；两瓣壳体边缘均带有外伸的眼板，螺栓穿过眼板，将两瓣壳体连成一体，并紧贴在管道和球形止屈器的外表面上。

本发明的止屈器，位于内部的球形止屈器的最大壁厚取2-4倍的管道壁厚，另外，在选取壁厚时应考虑混凝土配重层的厚度，最好是与配重层的厚度相等。球形止屈器的总长度取1.5-2.5倍的管道外径；安装时将球形止屈器放到管道的指定位置，两者同轴排好之后，在连接处通过对头焊接来将两侧的管道连接起来。

稳定性支撑的两瓣壳体内表面应与海底管道和球形止屈器的外表面相契合，为了便于安装，内外表面之间可以留有微量间隙，但不能超过管道外径的1～2％，间隙中可以灌入水泥、混砂环氧树脂以及聚氨酯等；否则，海底管道一旦发生局部屈曲并导致球形止屈器失效，如果稳定性支撑的两瓣壳体不能紧紧贴在海底管道和球形止屈器的外表面，则稳定性支撑会失去“二次止屈”的作用。稳定性支撑的壳体长度应至少保证能够覆盖球形止屈器两端的焊缝，外径的选取可根据混凝土配重层的厚度或者管道在位稳定性所需的水下重量来确定。

该局部加强装置布置间距的确定需要在该装置成本与装置之间管道发生屈曲破坏以及在位失稳可能性中取得一个平衡，在确定布置间距时需要综合考虑以下几个因素：管道总长度、管道外径、壁厚以及管道单位长度的成本、铺设水深、替换和回收单位长度受损管道的成本等。

这种带稳定性支撑的球形止屈器的制作和安装方法，包括以下步骤：

(1)根据给定海底管道的外径及壁厚尺寸，制作球形止屈器和稳定性支撑的两瓣等截面壳体，这可以通过一套内外契合的模具进行批量生产。

(2)海底管道一般采取分段预制，利用铺管船等在海上焊接和铺设，因此，该发明的球形止屈器可在铺管船的焊接过程中进行安装。

(3)安装稳定性支撑时，首先将下瓣壳体紧贴在球形止屈器的下部，通过眼板位置和球形止屈器的外表面，把上瓣壳体与已就位的下瓣壳体对接；两瓣壳体通过四个螺栓进行固定，螺栓穿过眼板将两瓣壳体连成一体，外包在球形止屈器和海底管道的外部。

(4)稳定性支撑的两瓣壳体内表面与海底管道和球形止屈器外表面之间的微小间隙，通过灌入水泥、混砂环氧树脂以及聚氨酯等进行填充。

(5)在安装好稳定性支撑以外的管道部分敷设混凝土配重层，混凝土配重层的端部紧贴稳定性支撑的端部；如果混凝土配重层的外表面不能与稳定性支撑的外表面平齐，可以考虑在铺管船张紧器之后安装稳定性支撑，以保证管道能顺利通过张紧器。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

装配有球形止屈器的某段海底管道的正视图和剖视图，如图1所示。本发明所涉及的海底管道球形止屈器2，在安装时首先将球形止屈器2放到管道1的指定位置，两者同轴排好之后，在连接处3通过对头焊接来将两侧的管道连接起来，然后采用角焊将球形止屈器2的外表面与管道1的外表面进行良好焊接。

同时装配有球形止屈器和稳定性支撑的某段海底管道的正视图，如图2所示。稳定性支撑的上瓣壳体4和下瓣壳体5边缘均带有外伸的眼板6，螺栓7穿过眼板6，将两瓣壳体连成一体，并紧贴在管道1和球形止屈器2的外部；两瓣壳体的横截面均呈半圆环形，但下瓣壳体5的底部进行了削平处理，中部带有凹槽，用于增加海底地基土所提供的阻力，从而保证海底管道的在位稳定性；球形止屈器和稳定性支撑可运用流水线预制工艺，通过一套内外契合的模具进行批量生产，钢材等级可选用API 5L X80。

图3和图4分别为图2中球形止屈器和稳定性支撑的A-A和B-B剖面图，它们显示了该发明的侧面结构形式。在管道敷设混凝土配重层之前，首先安装球形止屈器2；在安装稳定性支撑时，首先将下瓣壳体5紧贴在球形止屈器2的下部，通过眼板6的位置和球形止屈器2的外表面，把上瓣壳体4与已就位的下瓣壳体5对接；两瓣壳体通过四个螺栓7进行固定，螺栓7穿过眼板6将两瓣壳体连成一体，外包在海底管道1和球形止屈器2的外部；稳定性支撑的两瓣壳体内表面与海底管道和球形止屈器外表面之间的微小间隙，通过灌入水泥、混砂环氧树脂以及聚氨酯等进行填充。