一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構的制作方法

一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，解決了現有技術中高溫埋地油氣輸送管道補償器效能低下，在管道轉彎處只能通過大幅增加補償器數量的問題，在埋地管道補償器和彎管處形成了人為創造的形變空間。提高了補償器效能和管線自身抗二次應力能力，可大大減小補償器的設置數量，節約了一部分對補償器的投資以及制造、運輸、施工周期。
【專利說明】一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及油氣領域，特別是涉及一種提高高溫埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構。

【背景技術】
[0002]在油氣工業中，管道是最常用的輸送工具，為了節省地面空間和減少意外對地面人和物的傷害，油氣輸送管道通常被埋在地下，在長期的使用過程中，管道經歷了冷暖交替，管道由于膨脹和壓縮而產生的橫向應力對管道的使用壽命有很大影響，使管道破裂、滲漏；地下的管道收到地面上的重物碾壓而產生的縱向應力和瞬間作用力使管道不堪重負。
[0003]目前，關于應力方面的問題主要出現在供熱管道中，而供熱管道應力補償采取的方式主要有設置補償器、無補償器方式(需設置錨固墩)、預應力安裝(一次性補償器)、敞溝預熱安裝。結合工程實際情況，就上述幾種方式的可操作性進行說明，如下:
[0004](一)設置補償器:在線路自然彎管不能吸收應力的情況下，補償器的設置是必要的。
[0005](二)無補償器方式(需設置錨固墩):在管線必要位置設置錨固墩，通過計算管線二次應力、土壤反約束力確定錨固墩的大小及設置間距。
[0006](三)預應力安裝(一次性補償器):即在除一次性補償器附近管線的溝槽外，其余部分的管溝可立即回填。在首次加熱過程中，當一次性補償器補償量達到補償段所要釋放的熱膨脹量時，再把一次性補償器焊死。最終實現管線的整體焊接。
[0007](四)敞溝預熱安裝:該方法是從縮小管線溫差的角度出發對應力進行補償作用。
[0008]隨著經濟的發展，采集油氣設施及油氣輸送逐漸發展，油氣管道鋪設工程所面臨復雜地形的趨勢逐漸擴大。特別是在天然氣管道輸送過程中，因為輸送時埋地管道具有高溫，應力補償成為管道施工重要的指標之一。
[0009]對于運行溫度高的埋地天然氣管道，線路敷設的基本原則是盡量直線敷設，但在進、出天然氣站場，穿越公路，兩管同溝敷設交匯等處不可避免的存在管道線路轉彎，并且有可能是大角度轉彎(具體多少度為大角度，以應力分析確定，下同)。而管線由建成到投產運行、或是由生產中處于長時間停止運行到重新啟動運行，管道本體溫度會從管道周圍土壤環境溫度上升到較高的管內介質溫度，這個過程導致管道金屬本體有一個急劇的溫度抬升。又或是管道由正常運行到長時間停止運行，管道本體溫度會從管內介質溫度降至管道周圍土壤環境溫度，這個過程導致管道金屬本體有一個急劇的溫度降。
[0010]當高溫埋地天然氣管道鋪設在一些復雜地形中時，尤其是鋪設在松軟地質、沙土地形甚至是沙漠地形中時，根據金屬熱脹冷縮的自然現象，在沙土中長距離敷設的管道直管會沿管道軸向兩端膨脹或是反向收縮。這對處于直管兩端的彎管產生了很強的拉伸應力或是壓縮應力，超過了彎管的許用應力，導致彎管被擠破裂或是被拉裂。
[0011]因此，高溫埋地天然氣輸送管道在轉彎處應力補償的需求遠遠大于通常鋪設。而對于上述針對應力采取補償的方式，在松軟地質、沙土地形等復雜地形中使用時，會產生如下的缺點:
[0012](一)設置補償器:由于埋地后受土壤約束的原因，補償器形變空間受限，其吸收應力的作用實際被降低。僅靠設置補償器來吸收管線二次應力效果不佳，如要求二次應力必須低于某規定值的情況下，只能通過增加補償器的數量來滿足要求值，不經濟且增加工程周期。
[0013](二)無補償器方式(需設置錨固墩):錨固墩一般設置于線路端部或彎管處，數量多，體積大，只能是現澆混凝土，在沿管道走向的施工帶上現澆混凝土施工難度較大，特別是在沙漠地區敷設的管道，沙土的反約束力不強，不能固定尺寸較小的錨固墩，導致其外形尺寸將會很大，混凝土用量大大增加，因此該方式或是不經濟，或是效果不佳。
[0014](三)預應力安裝(一次性補償器):該方式主要針對供熱管道而言，而對于天然氣管道，并非輸送熱水或者蒸汽，在管道整體未焊接完成前，沒有可用的高溫介質對管道進行整體加熱。因此不具備實際操作性。
[0015](四)敞溝預熱安裝:當管道數量多，總體長度長，管道敷設地帶為沙漠、戈壁時，施工地點往往偏遠。并且管溝表面積大且距離長，需預熱的沙土量太大，無法找到經濟、合理的方法預熱如此大量的沙土。施工不具備可操作性。
[0016]而在較硬地質中，因為天然氣管道的特殊性，不允許在埋地管道周圍有密閉空間，一旦管道泄漏，可能形成爆炸氣體聚集的空間。而在埋地油氣輸送管道施工過程中，一定硬質的沙土回填也會造成類似于沙土地質的效果，因此降低了補償器的效能。
[0017]并且在高溫埋地天然氣輸送管道施工方面，在直管段上設置應力補償器是必要的，但由于管道是埋地管道，并非地上敷設管道，補償器也必須埋地。而埋地后的補償器不能像地上設置的補償器一樣能夠靈活進行形變來吸收管道產生的二次應力，導致單個補償器效能大大降低，為保證總體效果，只能增加補償器設置數量，但這又導致工程投資增加，工期延后。
[0018]因此如何提高單個補償器的效能并解決高溫埋地油氣管道轉彎處的高應力補償需求成為急需解決的技術問題。
實用新型內容
[0019]本實用新型針對上述現有技術中存在的問題，提供了一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，解決了現有技術中高溫埋地油氣輸送管道補償器效能低下，在管道轉彎處只能通過大幅增加補償器數量的問題，降低了高溫埋地油氣輸送管道施工的成本，延長管道使用壽命。
[0020]為實現本實用新型目的，采用的技術方案如下:
[0021]一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:為包裹在埋地油氣輸送管道和/或補償器外的柔性材料包裹層。
[0022]進一步地，所述柔性材料包裹層為成型夾套包裹層，或為條狀材料捆扎包裹層，或為上述兩種結構組合。
[0023]進一步地，所述成型夾套包裹層為多個成型夾套塊在管道外組合捆扎。
[0024]進一步地，所述成型夾套包裹層為兩個半弧形夾套形狀的柔性材料塊閉合捆扎包裹管道，半弧形夾套內徑同防腐后被包裹的管道外徑一致；被包裹管道為彎管時，成型夾套曲率半徑與彎管曲率半徑一致。
[0025]進一步地，所述成型夾套包裹層厚度小于等于600mm。
[0026]進一步地，所述條狀材料捆扎包裹層為將柔性材料板材切割為條狀后，按一定方式捆扎在管道外。
[0027]進一步地，所述柔性材料采用阻燃、耐濕、耐蝕，具備一定彈性與緩沖功用的柔性材料。
[0028]進一步地，所述柔性材料采用發泡型材料。
[0029]進一步地，所述柔性材料采用聚烯烴類發泡材料。
[0030]本實用新型所采用的原理如下:
[0031]本實用新型的技術方案是在充分認識到補償器的必要性的前提下，為提高埋地管道補償器的效能而制定的方法。具體原理是給埋地的補償器和大角度彎管等形變量大的管段營造一個類似地上補償器的形變空間，但在埋地時該空間不可能憑空產生，即需要用相對柔軟的柔性材料填充替代類似地上補償器形變的空氣空間，要求柔性材料既不被回填土壤、沙土壓實，又在管道形變時能夠讓出形變空間。填充的方式有多種，而最經濟可行的便是將柔性材料捆扎在補償器管道外壁和大角度彎管外壁，隨補償器和彎管埋地敷設后，在其四周自然地形成相對柔軟的形變空間。
[0032]在天然氣管道補償器和大角度彎管組焊合格并已進行焊接接頭防腐后，在二次應力集中或形變量大的地方包裹選定的柔性材料，包裹方式可以是條狀的柔性材料均勻地捆扎在管道四周，也可以是根據被包裹管段外形訂制的兩個半弧形夾套形狀的柔性材料塊閉合捆扎包裹管道。包裹完成后，管道整體(含彎管、補償器)埋設于指定深度，然后覆土回填。
[0033]對柔性材料本身的選擇也很關鍵，首先應結合工程實際，獲得管道最高運行溫度、管徑大小及其防腐層厚度、彎管曲率半徑等參數，以及通過對管線應力分析后，確定的線路大角度彎管和單個補償器形變允許幅度值。柔性材料選擇的條件及原理如下:
[0034]a、本實用新型主要是針對高溫管線，獲得管道最高運行溫度主要是為了選擇能夠長期承受該溫度的柔性材料，其熔點應更高。
[0035]b、獲得被包裹管線管徑大小及其防腐層厚度，主要是為制作半弧夾套狀柔性材料塊確定內徑，確保其內徑與防腐后的管道外徑一致。如采用標準條狀柔性材料，則是用于確定其長度。
[0036]C、獲得彎管曲率半徑，主要是為制作用于包裹彎管處的半弧夾套狀柔性材料塊，使之曲率半徑與彎管曲率半徑一致。
[0037]d、通過應力分析，獲得的線路大角度彎管或單個補償器形變允許幅度值，則是為了確定包裹管線的柔性材料厚度。理論上應該是彎管或補償器產生幅度值時受到的應力等于柔性材料被壓縮相同幅度值時的壓縮外力。
[0038]除上述必要的參數外，結合高溫埋地天然氣管道的特點，所選用的柔性材料同時應具備以下特性:
[0039]e、由于被包裹的介質為天然氣管道，考慮到施工及維修的安全性，該柔性材料應具備阻燃性；
[0040]f、柔性材料長期埋設于地下，一旦吸水，勢必影響材料的可壓縮性及材料本身壽命，因此應具備耐濕性，其吸水率應相當低，結合具體材料而定；
[0041]g、使用柔性材料的主要目的是補償器或彎管形變時，材料能夠承受其擠壓，應具有緩沖性。同時，當補償器或彎管形變恢復時，材料同樣需要具有良好的恢復性能，確保材料所占空間不被周圍土壤、沙土擠占，提高材料使用的持續性；
[0042]h、在滿足以上技術條件下，柔性材料價格應經濟合理、制備周期應滿足工程進度要求。
[0043]柔性材料確定及制備后，需在管線、補償器、大角度彎管焊接及其防腐工序完成后，在補償器、大角度彎管二次應力集中或形變量大的管段包裹選定的柔性材料，包裹方式可以是條狀的柔性材料均勻地捆扎在管道四周，也可以是根據被包裹管段外形訂制的兩個半弧形夾套形狀的柔性材料塊閉合捆扎包裹管道。捆扎方式最好采用不銹鋼鋼帶一次性焊接捆扎，也可采用鋼絲、鐵絲密集捆扎，捆扎后對鋼帶、鋼絲、鐵絲進行防腐層包裹處理，防止埋于地下銹蝕斷裂。包裹完成后，管道整體(含彎管、補償器)埋設于指定深度，然后覆土回填。
[0044]本實用新型對柔性材料的外形尺寸有具體要求。通常成型模具默認為標準方形模具，成型后的尺寸是有長寬高的立方板材，厚度不超過110_，通過再切割形成條狀。如采用訂制特殊外形尺寸的柔性材料，則成型模具需專門訂制，并結合具體尺寸要求，對成型機行程進行改良。即便如此，成型后的半弧夾套最大厚度不得超過600_。
[0045]優選方案:
[0046](I)對柔性材料成型厚度要求δ ( IlOmm的工程項目，建議選擇制造標準尺寸的板材，然后進行適當切割，并采用標準尺寸包裹方式。
[0047](2)對柔性材料成型厚度要求110mm〈 δ < 600mm的工程項目，需對成型機進行適當改良(提出要求，由柔性材料供貨商改良)，建議選擇訂制的半弧夾套狀柔性材料，并采用成型夾套殼包裹方式。
[0048](3)對柔性材料成型厚度要求δ >600mm，同樣需對成型機進行改良(提出要求，由柔性材料供貨商改良)，改良后的成型厚度也不能超過600mm，此時選擇訂制厚度110mm< δ ( 600mm的特殊板材，然后進行適當切割，并采用類似標準尺寸包裹方式的分層包裹方式，以滿足最終的厚度要求。
[0049]本實用新型的有益效果表現在:
[0050]本實用新型的最終結果是在埋地管道補償器和彎管處形成了人為創造的形變空間。有了形變空間，補償器可以在受力后進行相應的形變，其效能隨之提高。同時也將該方法運用到管線本身的大角度彎頭處，提高了管線自身應對二次應力集中的能力。隨著補償器效能和管線自身抗二次應力能力的提高，可大大減小補償器的設置數量，節約了一部分對補償器的投資以及制造、運輸、施工周期。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為本實用新型實施例1的結構示意圖。
[0052]圖2為本實用新型實施例2的結構示意圖。
[0053]圖中，I半弧夾套成型包裹件，2管道，3條狀材料捆扎包裹層。

【具體實施方式】
[0054]實施例1:
[0055]如圖1所示，采用柔性材料夾套成型包裹油氣輸送管道，分為上下兩個半弧夾套成型包裹件1半弧夾套成型包裹件I采用聚丙烯作為主要材料制備而成，輸送管道外徑為273mm,因此半弧夾套成型包裹件I內徑為273_ ;根據管道應力補償計算，半弧夾套成型包裹件I的厚度為300_，在此厚度下，彎管或補償器產生幅度值時受到的應力等于柔性材料被壓縮相同幅度值時的壓縮外力。
[0056]將上下兩個半弧夾套成型包裹件I閉合捆扎包裹管道2。捆扎方式采用不銹鋼鋼帶一次性焊接捆扎，也可采用鋼絲、鐵絲密集捆扎，捆扎后對鋼帶、鋼絲、鐵絲進行防腐層包裹處理，防止埋于地下銹蝕斷裂。包裹完成后，管道整體(含彎管、補償器)埋設于指定深度，然后覆土回填。
[0057]實施例2:
[0058]如圖2所示，某高溫天然氣埋地管道敷設工程，施工時管線溫度20°C，運行溫度100°C，溫差達80°C，受二次應力作用，管線大角度彎管處應力超標，可能出現彎管處爆管，影響管道運行安全。最初采取的方式為設置線路“Π”型補償器(方形補償器)，設置數量為94個，同時要求提高施工時管線溫度至40°C。特別是施工時管線溫度至40°C的要求，無法找到經濟、合理的應對方法。后采取在線路“Π”型補償器(方形補償器)、大角度彎管處包裹聚丙烯發泡材料(一種柔性材料，常用于包裝行業)，可減少“ Π ”型補償器(方形補償器)數量14個，并降低施工時管線溫度要求至20°C。
[0059]管道2外徑為273mm，如采用半弧夾套的柔性材料包裹，其厚度達573mm，需對提前對供貨商成型機進行改良。由于工期緊，放棄了半弧夾套包裹方式，遂采用了 10mm厚的標準成型板材并切割為條狀，最終采用了標準尺寸分3層包裹方式，在管道外形成條狀材料捆扎包裹層3，厚度約為300mm。
[0060]捆扎方式采用不銹鋼鋼帶一次性焊接捆扎，也可采用鋼絲、鐵絲密集捆扎，捆扎后對鋼帶、鋼絲、鐵絲進行防腐層包裹處理，防止埋于地下銹蝕斷裂。包裹完成后，管道整體(含彎管、補償器)埋設于指定深度，然后覆土回填。
[0061]實施例3:
[0062]在較硬地質中進行埋地輸油管道鋪設施工中，根據實際地質詳細數據與管道數據結合計算應力補償所需的形變空間，事先挖掘好管道及柔性材料包裹層所需空間。采用定做柔性材料夾套成型包裹油氣輸送管道，分為上下兩個半弧夾套成型包裹件。半弧夾套成型包裹件采用聚丙烯作為主要材料制備而成，輸送管道外徑為320_，因此半弧夾套成型包裹件內徑為320mm ;根據管道應力補償計算，半弧夾套成型包裹件的厚度為313mm，在此厚度下，彎管或補償器產生幅度值時受到的應力等于柔性材料被壓縮相同幅度值時的壓縮外力。
[0063]將上下兩個半弧夾套成型包裹件閉合捆扎包裹輸油管道。捆扎方式采用不銹鋼鋼帶一次性焊接捆扎，也可采用鋼絲、鐵絲密集捆扎，捆扎后對鋼帶、鋼絲、鐵絲進行防腐層包裹處理，防止埋于地下銹蝕斷裂。包裹完成后，管道整體(含彎管、補償器)埋設于指定深度，然后覆土回填。
[0064]上述為本實用新型的優選實施例，并不是對本實用新型保護范圍的限定，任何對本實用新型的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的方法中步驟進行等質的替換，以及改進或步驟增減，均在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:為包裹在埋地油氣輸送管道和/或補償器外的柔性材料包裹層。
2.根據權利要求1所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述柔性材料包裹層為成型夾套包裹層或條狀材料捆扎包裹層或上述兩種結構組入口 ο
3.根據權利要求2所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述成型夾套包裹層為多個成型夾套塊在管道外組合捆扎。
4.根據權利要求2所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述成型夾套包裹層為兩個半弧形夾套形狀的柔性材料塊閉合捆扎包裹管道，半弧形夾套內徑同防腐后被包裹的管道外徑一致；被包裹管道為彎管時，成型夾套曲率半徑與彎管曲率半徑一致。
5.根據權利要求3或4所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述成型夾套包裹層厚度小于等于600_。
6.根據權利要求2所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述條狀材料捆扎包裹層為將柔性材料板材切割為條狀后，按一定方式捆扎在管道外。
7.根據權利要求1所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述柔性材料采用阻燃、耐濕、耐蝕，具備一定彈性與緩沖功用的柔性材料。
8.根據權利要求1所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述柔性材料采用發泡型材料。
9.根據權利要求1所述的一種提高埋地油氣輸送管道應力補償器效能的結構，其特征在于:所述柔性材料采用聚烯烴類發泡材料。
【文檔編號】F16L1/20GK204254025SQ201420661432
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】劉書文, 李汀, 唐馨, 李良均 申請人:四川科宏石油天然氣工程有限公司