專利名稱：一種增強深水海底管線穩定性的方法
技術領域：
本發明屬于深水海底管道生產和鋪設安裝技術領域，涉及一種增強深水海底管線局部與整體穩定性，提高管線安全壽命的方法。
背景技術：
海底管線是深海油氣工程中的生命線，擔負著油氣輸運的重任。在位運行期間，深水海底管線所處的外部環境顯著區別于其他工程結構，環境作用具有高溫、高壓、內外腐蝕的特點。這種特點造成了深水海底管線失效破壞的主要形式為穩定性失效，具體包括局部環向上的壓潰(Collapse)和整體軸向上的屈曲(Buckle)。多數海底管線結構的穩定性失效屬于局部屈曲和壓潰。由于在鋪設過程中承受彎矩或在海底運營期間承受腐蝕作用以及諸如落物、撞擊、海底地質作用等偶然荷載，管線會產生壁厚減薄、凹坑、橢圓度等缺陷，進而在外部高靜水壓力作用下發生局部屈曲及至壓潰，壓潰后的管道截面呈啞鈴狀。對管線更大的危害在于，局部屈曲壓潰一旦發生，在一定水壓下壓潰形態將沿管線軸線方向前后傳播，導致整個管線的破壞，而導致這種屈曲傳播現象(Buckling Propagation)的臨界壓力遠小于壓潰壓力。理論上，管道壁厚與管徑達到一定比例時，局部屈曲壓潰和屈曲傳播就不會發生。但全線增加管壁厚度大量增加了材料的用量，以及鋪設過程中懸跨段的重量，迫使對鋪管船的張緊器進行升級，直接或間接增加了大量的成本。工程中為了防止這一災難性的失效，多采用沿管線長度方向相隔一定距離加裝止屈器的方法。常用的止屈器根據安裝形式的不同，可分為有扣入式、纏繞式和整體式三種，其基本原理均是在一個局部加厚管壁以增強環向剛度，使屈曲傳播不能穿越止屈器，從而將屈曲變形限制在兩個止屈器之間，避免了管線的整體破壞。不同形式的止屈器各具特色，其中單就止屈效果來說整體式止屈器最好。但各類止屈器據面臨著相似的缺陷和不足:(I)從結構安全的概率角度分析，局部屈曲壓潰可能發生在管線的任意一處，各止屈器之間的管段失效概率相同。止屈器只能阻止局部屈曲的傳播而并不能提高某一管段的安全性。如果一個止屈器前后的管段均已發生局部屈曲壓潰并各自沿軸向前后傳播，則這一止屈器相當于沒有起到效果，其前后管段均已破壞。(2)從止屈器的綜合效果分析，雖然有的設計聲稱能夠在止屈的同時起到抑制渦激振動等管線其他失效形式的功能，但因為對于整個管線來說止屈器只是一個局部結構，其抑制渦激振動或在位失穩等整體失效的效果一般。特別對于深水開采，高溫油氣導致管線軸向膨脹，壓力載荷顯著，整體失穩的可能性大增。目前的一些裝置、設計不能夠既發揮環向止屈功能又能提高整體在位穩定性。(3)從止屈器的經濟適用角度分析，止屈器的基本形式均是一個厚壁圓環，為達到一定的止屈效果需要一定的厚度和長度，從而導致重量較重，不便安裝、運輸。同時需要特殊制作，材料耗費較多，特別是扣入式和纏繞式止屈器工藝常常較為復雜，對焊接質量的要求極高，從而導致成本較高。一些止屈器的較復雜設計局部應力效應顯著，不太適用于深水海底管線。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是克服現有技術的不足，結合深水環境特點，提供一種增強深水海底管線局部與整體穩定性，提高管線安全壽命的保護方法。本發明的保護方法能夠增強深水海底管線局部與整體穩定性，提高管線安全壽命。本發明的技術方案如下:一種增強深水海底管線穩定性的方法，包括下列步驟:⑴制作需要加強的深水海底管件的三個粗細一致的管段:加強管段和兩個延伸管段；⑵根據管段的外徑及長度尺寸，選取寬度尺寸相同的窄翼H型鋼和窄翼T型鋼；⑶將窄翼T型鋼加工成環向加強材，即環向裙板(2)，將環向裙板(2)焊接在加強管件的兩端，形成徑向加強材料；⑷將窄翼H型鋼沿軸向采用埋弧焊方式焊接在加強管段及延伸管段上，分布在每個管段的窄翼H型鋼均為四條，均勻分布在管件的外圓柱面上，形成軸向加強材料，即縱向肋骨(3);(5)將加強管段和兩個延伸管段進行焊接，形成完整的局部加強結構。本發明針對深水海底管件的破壞變形特點，與現有技術相比具有以下優點:(I)在加強管段的兩端及中部設置環向焊接T型材形成環向裙板；在加強管段及其前后共三段上沿管段全長焊接H型材形成縱向肋骨。縱向肋骨沿環向分別在流向與垂向每隔90°設置。縱橫肋骨形成一個框架，外部載荷的能量通過肋骨框架傳遞到整個加強管段上，有效地提高了加強管段整體抵抗外載的能力。(2)在環向穩定性方面:加強管段及其前后一個管段截面的抗彎能力顯著增強，在鋪設與運營期間截面所受的彎曲應力大大減小，降低了發生局部屈曲的可能性；即使加強管段前后發生局部屈曲或屈曲模態傳播至此，由于前后段上也設置了縱向肋骨，對壓潰變形模態起到了實際的干擾與約束作用，耗散了部分屈曲傳播能量，降低了屈曲形式穿越環向裙板的可能性。(3)在抵抗其他失效形式方面:由于在加強管段全長設置了縱向肋骨，增大了管段全長截面的面積，同時縱橫肋骨的整體框架作用增強了管段兩端的約束作用，從而提高了加強管段的軸向整體屈曲臨界壓力；由于管段若形成懸跨，會在波流作用下在流向與垂向上發生振動，進而導致疲勞破壞，而在管段全長垂向與流向設置縱向肋骨，提高了管段截面流向與垂向的剖面模數，降低了截面危險點的應力比，從而提高了管段的疲勞壽命。(4)該裝置的全部部件均采用通用型材，不需要任何的復雜加工，重量輕，便于運輸，現場安裝工序簡單；同時基于上述(2)中特點，縱橫肋骨不需要很大的厚度，環向裙板也不必設置很長，因此相比于具有同等止屈效果的止屈器，該裝置所用的鋼材更少。總體上的經濟成本較低，且不會產生任何形式的鋼材浪費。(5)由于結構的簡單性及所有部件的標準通用性，該裝置的止屈及其他力學效果可以方便地通過現有的商業有限元計算軟件進行分析論證，從而可以方便工程技術人員根據不同的實際工程需要，靈活選擇不同型號的標準鋼材對該裝置進行優化設計。
圖1是采用了本發明的增強方法后的深水海底管線的整體結構圖。圖2是采用了本發明的增強方法后的深水海底增強管線的設置環向加強管段及其前后軸向加強管段的三維局部示意圖。圖中標號說明:1加強管件；2環向裙板；3縱向肋骨；I加強管段；II延伸管段。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行說明參見圖1和圖2，本發明的增強深水海底管線穩定性的方法，包括下列步驟:(1)結合加強管件(1)的外徑及長度尺寸，選取寬度尺寸相同的窄翼H型鋼和窄翼T型鋼。H型鋼及T型鋼翼板寬度均為管道外徑的159Γ20%;沿軸向焊接在加強管件(1)上的H型鋼的長度為管件長度與兩倍T型鋼翼板寬度之差；沿軸向焊接在延伸管段II上的H型鋼長度與管件等長。(2)將T型鋼加工成環向加強材，即環向裙板(2)。環向裙板(2)焊接在加強管件的兩端，形成徑向加強材料，即徑向肋骨。(3)將H型鋼加強管件(I)沿軸向采用埋弧焊方式焊接在加強管件(I)及延伸管段I I上，共四組，均勻分布在管件的外圓柱面上，形成軸向加強材料，即縱向肋骨(3)。 (4)將加強管段I和兩個延伸管段II進行焊接，形成完整的局部加強結構。參見圖1和圖2.經過本發明的增強處理的深水海底增強管線具體包括橫向T型肋骨(環向裙板)，以及在加強管段及其前后延伸管段上沿管長焊接的H型肋骨(縱向肋骨)。該裝置安裝位置為深水海底管線中有特殊強度需要的安全加強區域，包括一個加強管段I及其前后各一個延伸管段II，每個管段長度均不超過12m。加強管件(I)兩端焊接有環向裙板(2)，在兩個環向裙板(2)之間沿管長間隔90°布置有焊接在加強管件(I)上的軸向H型加強材料，即縱向肋骨(3)。在兩個延伸管段II上也沿管長間隔90°布置有焊接在加強管件(I)上的軸向H型加強材料，即縱向肋骨(3 )。
權利要求
1.一種增強深水海底管線穩定性的方法，包括下列步驟: (1)制作需要加強的深水海底管件的三個粗細一致的管段:加強管段和兩個延伸管段； (2)根據管段的外徑及長度尺寸，選取寬度尺寸相同的窄翼H型鋼和窄翼T型鋼； (3)將窄翼T型鋼加工成環向加強材，即環向裙板(2)，將環向裙板(2)焊接在加強管件的兩端，形成徑向加強材料； (4)將窄翼H型鋼沿軸向采用埋弧焊方式焊接在加強管段及延伸管段上，分布在每個管段的窄翼H型鋼均為四條，均勻分布在管件的外圓柱面上，形成軸向加強材料，即縱向肋骨(3)； (5)將加強管段和兩個延伸管段進行焊接，形成完整的局部加強結構。
全文摘要
本發明屬于深水海底管道生產和鋪設安裝技術領域，涉及一種增強深水海底管線穩定性的方法，包括制作需要加強的深水海底管件的三個粗細一致的管段加強管段和兩個延伸管段；根據管段的外徑及長度尺寸，選取寬度尺寸相同的窄翼H型鋼和窄翼T型鋼；將窄翼T型鋼加工成環向加強材，將其焊接在加強管件的兩端，形成徑向加強材料；將窄翼H型鋼沿軸向采用埋弧焊方式焊接在加強管段及延伸管段上，分布在每個管段的窄翼H型鋼均為四條，均勻分布在管件的外圓柱面上，形成軸向加強材料；將加強管段和兩個延伸管段進行焊接，形成完整的局部加強結構。本發明能夠增強深水海底管線局部與整體穩定性，提高管線安全壽命。
文檔編號F16L1/16GK103115192SQ20131004274
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者余建星, 李妍, 田里, 余楊, 楊源, 李智博, 孫震洲 申請人:天津大學