CN105299317B - 一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，其特征在于：在管中管的内外管之间添加齿状截面变形元件。齿状截面变形元件在管道弯曲的变形过程中相扣可防止内外管相对运动变大，同时可以起到抵抗内压的作用。由齿状截面变形元件和塑性壳构成的管中管止屈器不需要改变管中管尺寸，直接安装于内外管之间，且不会影响管中管内的隔热装置。该止屈器还具有通用性，可以针对不同尺寸的管中管裁剪，并可由管中管制造商直接安装在外管上，选择保温材料的塑性壳还能提高止屈器的保温性能。此发明可以防止深水管中管在存储，安装，运行中的屈曲和屈曲传播，提高深水管中管的安装与止屈效率，节约成本。

Description

一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器

技术领域

本发明属于海底管道设施铺设技术领域，具体涉及一种能够防止海底管道屈曲传播的方法。

背景技术

伴随着世界各国对油气资源需求的日益增加，海底管道的发展成为不可阻挡的趋势，同时海底管道设计施工运行过程中存在着诸多急需解决的问题。其中较为突出的问题是管道屈曲问题，产生屈曲的主要原因有：弯头和外部静水压力的共同作用，其他物体碰撞产生局部凹陷，安装和使用过程中产生的过度弯曲。由于屈曲传播压力小于局部屈曲压力，管道一旦发生局部屈曲失稳，屈曲就会沿其长度方向以数百米每秒的速度传播，即产生屈曲传播，从而使整个管道结构发生失效破坏，造成巨大经济损失和生态环境破坏，并且这种屈曲传播一旦产生就很难被阻止。

屈曲传播的临界压力：即能维持管道屈曲传播所需的最小压力。屈曲破坏(压溃)的临界压力：即管道完全无损的情况下受到压力发生屈曲破坏所需的最小压力。研究发现，屈曲传播压力只有屈曲破坏压力的1/8--1/4左右，换言之，比屈曲破坏压力小得多的压力已经达到屈曲传播压力，能使管道缺陷沿管道长度方向快速传播，这样的屈曲传播特性对于海底管道的安全运行极其不利。

解决屈曲传播有两种方法：一是使外部压力低于屈曲传播压力，二是设置局部加强装置(止屈器)。第一种方法可以通过增大管道壁厚使管道的总体强度提升，从而保证外部压力低于传播压力，防止发生屈曲破坏或者屈曲破坏传播。但是增加管道壁厚，使得材料用量大大增加的同时，还增加了铺设过程中悬跨段的重量，这样保守的解决方式虽然理论上能够解决屈曲传播的发生，但直接或间接的增大了成本投资，在经济角度考虑是不可取的。而第二种方法，其工作原理是通过沿管线长度方向上，每相隔一段距离安装一个加强装置一止屈器(一种对管道进行局部刚度加强，并能防止局部屈曲沿管道长度方向继续传播的装置)，允许局部屈曲的发生，但是限制屈曲范围只能发生在两个止屈器之间，不能跨越止屈器，从而防止了管道发生大规模的屈曲传播造成巨大经济损失，较好的保持了管道的完整性，同时能够兼顾安全性和经济性的要求。

现在发展的止屈器形式主要有四种，即扣入式，焊接式，缠绕式和整体式。

扣入式：为一比管道外径稍大的扣在管道指定位置的厚壁圆环。

焊接式：与扣入式相似，增加了两道位于管道与止屈器之间的焊缝。

缠绕式：采用数圈钢筋紧密缠绕在管道周围，为了固定其在管道上的位置、防止滑动，钢筋两端焊接在管道上。

整体式：也是一与管道同轴排列的厚壁圆环，圆环内径与管道内径相等，圆环壁厚大于管道壁厚，链接处经行焊接。

对于扣入式和缠绕式止屈器而言，虽然不需要焊接，结构较为简单，安装方便且成本低，但是止屈效率低，容易发生“U型”穿越，不适用于较大水深的海底管道；此外，缠绕式的止屈器会增加管道的外径。对单层管道而言，强度加强部分管道的直径增加是可接受的。然而，当管道是管中管时，由于运输和存储的因素影响，外管上的直径增加是不可接受的。

焊接式的止屈器通过焊接之后虽然具有比扣入式更好的止屈效果，但同时也由于焊缝的存在，容易产生焊接缺陷和应力集中。具有较好止屈效果的整体式止屈器，虽然适用于深水管道，但焊接工艺比较复杂，存在焊接造成的焊缝应力集中和焊接缺陷的问题，同时经济成本也高于扣入式止屈器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高深水管中管弯曲性能的基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，可以防止深水管中管在卷曲储存、安装、运行过程中承受弯曲而发生的屈曲和屈曲传播。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

在垂直于管道长度方向上装配至少一个具有对称匝数的变形元件。这个变形元件安装在管中管的内外管之间的环形区域内，其外表面与外管内壁至少有两点接触，内表面与内管外壁隔开不接触。通过变形元件可以预防管中管在弯曲的过程中发生屈曲，能够辅助其完成卷曲用于存储，也可以用于保证管中管在安装和运行的过程能够安全的承受一定的弯曲。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下优点：

1.管中管的外径在局部不增加尺寸的情况下就提供足够的柔性使其能够产生一定的弯曲，保证了管中管承受弯曲的能力，可以用于方便的存储和更高效的铺设。

2.厂家可以在管中管的外管和内管组装之前将基于齿状截面变形元件的止屈器装配在外管上，这样无须在管道铺设的过程中现场加工，大大挺高了铺设效率。

3.基于齿状型截面变形元件的止屈器安装在管中管内外管之间的环形区域内，该区域中不会影响原有的管中管装置(通常有隔热组件等)。

4.由若干齿状型截面变形元件和塑性壳构成了一个核型止屈装置，该止屈装置具有通用性。生产厂家不需要针对不同的管道制造不同的核型止屈装置，厂家可以直接在将现成的核型止屈装置裁剪成设计尺寸，装配到外管内表面上。并且有保温材料构成的塑性壳可以提高止屈器的隔热保温性能。

5.截面变形元件为齿状，其包括了四个齿和三个凹陷区域，其中中间凹陷区域大于两端凹陷区域。具有齿状截面特性的钢丝呈近似于90度缠绕在外管内表面，缠绕后齿状结构位于相邻的凹陷区域形成相邻位置的齿状钢丝扣合。

附图说明

图1：是本发明中管中管安装止屈器的结构示意图

图2：是本发明中核型止屈装置的截面示意图

图3：是本发明中齿状截面变形元件的结构示意图

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。

根据图1和图2所示，本发明中，刚性管1的中心轴为AA，刚性管1为管中管类型，由内管2和外管4组成。内管2的管壁3，内管2的直径和材料根据使用的具体要求而定。

外管4直径足够大，可以将内管2套入。外管4的管壁5足以承受刚性管所处介质外界和周围的压力。内管2和外管4之间存在一个环形区域6，是从直径方向上内管2外表面到外管4内表面大约几厘米的一个环形区域。在如上所述双层刚性管套中，整条刚性管在内管2和外管4之间每隔一段距离都会安装隔圈7。隔圈7的外表面非常接近外管内表面，在设计公差允许范围，隔圈7外表面和外管4内表面之间存在一个间隙8，间隙8能使外管4中可以套入内管2。并且会在隔圈7和内管2之间安装隔热装置。

根据本发明，整条刚性管上每隔一段距离安装一个或多个核型止屈装置，这种核型止屈 装置可以阻止外管 4 上出现的屈曲发生传播。如图一、图二所示，每个装置至 少包含一个安装在环形区域 6 中变形元件 10 ，变形元件的外表面 11 与外管内表面 12至少有 2 点接触，尽可能使变形元件外表面 11 的长度方向上都接触。变形元件内表面13 与内管 2 的外表面 14 之间则存在一段距离。这个装置上也包含一个壳，例如塑性 壳15 ，这个塑性壳 15 贴在变形元件 10 的内表面 13 上。塑性壳 15 的内表面 17 和内管外表面 14 之间留有一个空间 16 。这个塑性壳 15 是密封的，以便加强隔热装置的隔热性能。

这个变形元件 10 如图二所示，是由齿状截面的型钢丝构成。其中相邻齿状钢丝圈 18 和齿状钢丝圈 19 之间存在一个闸间空隙 20 ，这个闸间空隙 20 在刚性管卷曲成管卷 时辅助变形元件 10 变形 ( 图上未显示 ) 。图三给出了齿状截面钢丝相扣时的截面图。

变形元件 10 的长度在 0.5m-5m 之间，通过隔圈 7 进行隔断。变形元件 10 和塑性 壳 15 装配在一起组成一个管中管中的标准核型止屈装置。该核型止屈装置可以在管中 管制造商处经行加工，切割成设计尺寸后插入外管 4 中，通过适当方式加固在外管4 的内表面 12 上。在加固时，最好能将第一圈和最后一圈的变形元件 10 都焊接在外管内表面 12 上，如果无法到达，至少需将最后一圈变形元件 10 焊接在外管内表面 12 上。

Claims (4)

1.一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，其在管中管内外管环形空间内添加由齿状截面变形元件、塑性壳和隔圈构成的核型止屈装置；齿状截面变形元件由齿状截面钢丝相扣组成，装配在外管内表面上，且两条钢丝相扣后在两个线圈之间需要留有一定的间隙；塑性壳固定于齿状截面变形元件内侧，与内管外表面存在一定空隙；隔圈安装在齿状截面变形元件和塑性壳两端的环形区域内，其外表面与外管内表面之间存在一个间隙使内管可以套入外管中，并在隔圈和内管之间安装隔热装置。

2.如权利要求1所述的一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，其特征在于：其核型止屈装置由齿状截面变形元件、塑性壳和隔圈构成，其长度可调，调整范围为0.5m-5m；核型止屈装置两端的隔圈，在核型止屈装置整体加工后直接装配到环形区域(6)内。

3.如权利要求1或2所述的一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，其特征在于：齿状截面钢丝构成的齿状截面变形元件呈90°缠绕在外管内表面，其外表面与外管内壁至少有两点接触，内表面与内管外壁隔开不接触。

4.如权利要求1或2所述的一种基于齿状截面变形元件的管中管止屈器，其特征在于：塑性壳贴在齿状截面变形元件的内表面上；为保证隔热效果，塑性壳是密封的，同时选用保温材料构成塑性壳提高其保温性能。