本發(fā)明涉及海底管線防屈曲的方法與設(shè)備領(lǐng)域，尤其是一種預(yù)拉力防屈曲的套筒式熱補償器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

21世紀是海洋的世紀。當前，隨著人口的過度增長、能源的加劇消耗，使得海洋油氣資源這一新興的油氣開采來源，成為了世界沿海各國競相發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。在深海油氣工程中，海底管道是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。高溫高壓下裸置海底管線的水平向整體屈曲是管線破壞的主要形式之一，是深海油氣開發(fā)面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

針對這一問題，大批學者進行了一系列海底管道屈曲防護的相關(guān)研究，方法之一是對管線結(jié)構(gòu)進行改進實現(xiàn)管道熱補償，目前工程應(yīng)用中主要包括采用波紋管補償器補償、套筒式補償器補償?shù)榷喾N熱補償方式。以上補償方式雖然技術(shù)上成熟，但存在一定程度的不足和缺點，如波紋式補償器安裝困難與滯后，且補償量不大，一般在200-300mm左右；套筒式補償器極易因往復(fù)運動造成密封材料的破壞，造成泄露。另一種屈曲防護方法是在管道鋪設(shè)完畢后，通過向裸置管道施加一定程度的溫壓作用，使管線產(chǎn)生彈性范圍內(nèi)的預(yù)屈曲，然后再將管道埋設(shè)在屈曲后的位置上，從而在管道內(nèi)引發(fā)了預(yù)拉應(yīng)力，投入使用后，管線在溫壓聯(lián)合作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力部分被預(yù)拉應(yīng)力抵消，從而達到管線防護作用，該方法是海底管線屈曲防護最經(jīng)濟易行措施之一，其主要缺點是隨著石油開發(fā)向深海發(fā)展，對預(yù)屈曲管線埋置施工極為困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于管線整體屈曲原理，提出一種利用套管連接段，內(nèi)管受徑向限位結(jié)構(gòu)保證與外管的同心，同時內(nèi)管受軸向限位結(jié)構(gòu)作用沿軸向單向移動，使管道產(chǎn)生彈性范圍內(nèi)的預(yù)拉力，在管線受溫壓聯(lián)合作用工作時內(nèi)部軸向限位結(jié)構(gòu)使管道產(chǎn)生的預(yù)拉應(yīng)力抵消部分溫壓聯(lián)合作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而防止管線發(fā)生整體屈曲的套筒式熱補償器。該預(yù)拉力套筒式補償器對管線的熱補償方式實現(xiàn)了傳統(tǒng)海底管線屈曲防護方法的結(jié)合。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種預(yù)拉力防屈曲的套筒式熱補償器，包括外套管、外套壓管、內(nèi)管、壓緊螺栓、滾動軸承和密封橡膠層等；外套管與外套壓管同軸設(shè)置，二者通過壓緊螺栓連接形成套筒式熱補償器兩端的左套筒結(jié)構(gòu)和右套筒結(jié)構(gòu)，在左套筒結(jié)構(gòu)和右套筒結(jié)構(gòu)之間同軸設(shè)置內(nèi)管，沿外套管內(nèi)壁設(shè)置密封橡膠層，在密封橡膠層的兩端設(shè)置前滾動軸承和后滾動軸承，外套壓管內(nèi)壁上沿軸向等距設(shè)置軸向限位器，在內(nèi)管的外壁上位于外套壓管內(nèi)側(cè)的區(qū)域內(nèi)沿圓周設(shè)置有軸向限位凹槽，內(nèi)管的兩端嵌入于外套管的前滾動軸承、密封橡膠層和后滾動軸承內(nèi)。

而且，所述的外套管包括側(cè)段、粗段、中段、細段和外套管凸起，側(cè)段用于連接常規(guī)的輸送管道，側(cè)段和粗段具有相同的內(nèi)徑，粗段、中段和細段具有相同的外徑，粗段管壁的厚度大于中段管壁的厚度，中段管壁的厚度大于細段管壁的厚度，外套管凸起設(shè)置于細段的末端。

而且，所述的內(nèi)管的內(nèi)徑等于外套管側(cè)段和粗段的內(nèi)徑。

而且，所述的外套壓管的外壁上設(shè)置有外套壓管凸起，壓緊螺栓設(shè)置于外套壓管的外套壓管凸起和外套管的外套管凸起之間。

而且，所述的密封橡膠層設(shè)置于外套管的細段內(nèi)壁上，密封橡膠層緊密貼合于外套管內(nèi)壁與內(nèi)管外壁之間，以保證外套管與內(nèi)管連接結(jié)構(gòu)的密封性。

而且，所述的前滾動軸承和后滾動軸承與內(nèi)管相匹配，即前滾動軸承和后滾動軸承的內(nèi)徑略大于內(nèi)管的外徑，前滾動軸承和后滾動軸承內(nèi)設(shè)置有鋼珠，內(nèi)管與軸承中的鋼珠相接觸，在保證內(nèi)外管與滾動軸承三者同心的同時，使內(nèi)外管間的相對運動阻力為滾動摩擦力。

而且，所述的軸向限位器由軸向限位基座、軸向限位柄、轉(zhuǎn)動螺栓和扭力彈簧組成，軸向限位基座焊接于外套壓管的內(nèi)壁上，共4—8組，沿管道軸向等距分布，每組由6—16個軸向限位基座構(gòu)成，同組軸向限位基座在外套壓管內(nèi)壁同一圓周上均勻分布；軸向限位柄設(shè)置于軸向限位基座之間，軸向限位柄上與軸向限位基座上設(shè)置有等徑的圓孔，轉(zhuǎn)動螺栓穿過圓孔將軸向限位柄與軸向限位基座連接在一起，轉(zhuǎn)動螺栓的外側(cè)設(shè)置有兩組扭力彈簧，兩組扭力彈簧的外側(cè)端分別與軸向限位基座連接，兩組扭力彈簧的內(nèi)側(cè)端分別與軸向限位柄連接。

而且，所述的軸向限位凹槽由直平面與曲面交替連接組成，曲面與軸向限位柄下端曲面的曲率相同，即軸向限位柄與軸向限位凹槽的曲面相匹配，以確保軸向限位柄可以卡在軸向限位凹槽內(nèi)，曲面的數(shù)量為4-8個，與軸向限位器的軸向設(shè)置數(shù)量相同，兩個相鄰的曲面之間的距離與軸向相連的軸向限位器之間的距離相等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明通過管線伸長及預(yù)拉應(yīng)力施加實現(xiàn)熱補償，部件實現(xiàn)陸上安裝，減少熱補償器安裝成本；

2.本發(fā)明熱補償在外套管段實現(xiàn)，外管段足夠的空間預(yù)留保證管線高溫高壓聯(lián)合作用下的自由伸長；

3.本發(fā)明在管內(nèi)設(shè)置軸向限位結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保證了內(nèi)管相對外管的單向運動，跟傳統(tǒng)套筒式補償器相比，減小管道及密封材料因溫壓循環(huán)作用產(chǎn)生往復(fù)運動而破壞的風險；

4.本發(fā)明軸向限位結(jié)構(gòu)使內(nèi)外管沿軸向單向移動，因高溫高壓作用伸長的管段在降溫過程中不再回縮，使管線在降溫過程中產(chǎn)生一定的預(yù)拉應(yīng)力，在管線第二次及以后所有工作循環(huán)中，軸向限位結(jié)構(gòu)使管線產(chǎn)生的預(yù)拉應(yīng)力可抵消部分溫壓聯(lián)合作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而防止管線發(fā)生整體屈曲，達到傳統(tǒng)通過埋置預(yù)屈曲管道引發(fā)預(yù)拉應(yīng)力進行屈曲防護的效果，解決了傳統(tǒng)預(yù)拉應(yīng)力施加面臨的深海埋置困難的問題，同時節(jié)約了施工成本，保證管線工作安全；

5.本發(fā)明軸向限位器的扭力彈簧，保證了在內(nèi)管插入套筒前軸向限位柄受扭力彈簧作用指向徑向，并在工作期保證了限位柄與限位凹槽的完美接觸；

6.本發(fā)明具有徑向限位功能的滾動軸承器保證了內(nèi)外管軸向的同心運動；

7.本發(fā)明耐高溫橡膠密封層內(nèi)徑略小于內(nèi)管外徑，密封層擠壓內(nèi)管，保證良好的密封效果。

附圖說明

圖1-1為一種新型預(yù)拉力套筒式熱補償器縱截面剖視圖。

圖1-2為圖1-1的單側(cè)(左套筒結(jié)構(gòu))的細部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-1為一種新型預(yù)拉力套筒式熱補償器軸向限位器所處管段的橫截面剖視圖。

圖2-2為圖2-1中軸向限位器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3-1為一種新型預(yù)拉力套筒式熱補償器軸向限位結(jié)構(gòu)工作示意圖(軸向限位器非工作狀態(tài)下)。

圖3-2為圖3-1的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖3-3為一種新型預(yù)拉力套筒式熱補償器軸向限位結(jié)構(gòu)工作示意圖(軸向限位器接觸內(nèi)管時)。

圖3-4為圖3-3的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖3-5為一種新型預(yù)拉力套筒式熱補償器軸向限位結(jié)構(gòu)工作示意圖(軸向限位器工作狀態(tài)下)。

圖3-6為圖3-5的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。

其中，1為外套管，1-1為側(cè)段，1-2為粗段，1-3為中段，1-4為細段，1-5為外套管凸起，2為外套壓管，2-1為外套壓管凸起，3為內(nèi)管，4-1為前滾動軸承，4-2為后滾動軸承，5為密封橡膠層，6為壓緊螺栓，7為軸向限位器，8為軸向限位凹槽，8-1為直平面，8-2為曲面，9為軸向限位柄，10為扭力彈簧，11為轉(zhuǎn)動螺栓，12為軸向限位基座，13為左套筒結(jié)構(gòu)，14為右套筒結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述：

如附圖中所示，本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)為外套管1與帶軸向限位器的外套壓管2通過壓緊螺栓6連接構(gòu)成左套筒結(jié)構(gòu)13和右套筒結(jié)構(gòu)14，外壁上焊接六段軸向限位凹槽8的內(nèi)管3內(nèi)插于兩個套筒之間，外套管兩側(cè)的側(cè)段1-1焊接常規(guī)管線，內(nèi)管的內(nèi)徑和外套管(側(cè)段1-1與粗段1-2)的內(nèi)徑尺寸等于常規(guī)管線尺寸。內(nèi)管外壁上焊接軸向限位凹槽，軸向限位凹槽包括直平面8-1和曲面8-2，曲面與軸向限位柄9曲面曲率相同。內(nèi)管受軸向限位結(jié)構(gòu)(軸向限位器7和軸向限位凹槽)的作用在外套管中單向移動；內(nèi)嵌于外套管中的滾動軸承(前滾動軸承4-1和后滾動軸承4-2)與內(nèi)管通過軸承內(nèi)鋼珠滾動摩擦接觸，軸承外徑與外套管內(nèi)徑相等，軸承內(nèi)徑略大于內(nèi)管外徑，在保證內(nèi)外管的同心的同時，使內(nèi)管與外套管間的相對運動阻力小于剛性摩擦的常規(guī)套管；兩滾動軸承間為嵌在外管內(nèi)壁中的耐高溫密封橡膠層5，密封橡膠層貼合在外管內(nèi)壁中，內(nèi)管插于環(huán)形橡膠層中，橡膠層具有一定的彈性，其內(nèi)徑略小于內(nèi)管外徑，安裝后橡膠層緊密擠壓內(nèi)管，以密封管線。

本實施方案所述常規(guī)管線半徑為0.16195m，壁厚為0.0127m。每2000m間距的常規(guī)管線連接一個該補償器，第一次輸送高溫高壓介質(zhì)時，管線在溫壓聯(lián)合作用下產(chǎn)生壓應(yīng)力及膨脹變形趨勢，因此熱補償器的內(nèi)管與外套管發(fā)生相對運動，壓應(yīng)力通過管道在套筒式補償器段沿軸向伸長進行釋放，實現(xiàn)管道熱補償，防止管線發(fā)生整體屈曲破壞；降溫時，管線升溫時所產(chǎn)生的變形量有減小的趨勢，內(nèi)管與外套管之間產(chǎn)生與原有運動方向相反的相對運動趨勢，但外套壓管內(nèi)壁的軸向限位柄此時將卡在焊接在內(nèi)管外壁的軸向限位凹槽內(nèi)(見圖3-5與圖3-6)，限制管線反向運動，管線因無法收縮而產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力，在管線第二次及以后所有工作循環(huán)中，軸向限位使管線產(chǎn)生的預(yù)拉應(yīng)力可抵消部分溫壓聯(lián)合作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而防止管線發(fā)生整體屈曲。

軸向限位結(jié)構(gòu)(軸向限位器和軸向限位凹槽)由包括軸向限位基座、軸向限位柄、轉(zhuǎn)動螺栓、扭力彈簧的軸向限位器和焊接在內(nèi)管外壁上的軸向限位凹槽組成，其工作原理如圖2-1和圖2-2所示。軸向限位器的布置個數(shù)及密度由補償器所連常規(guī)管線的尺寸以及管道工作溫壓環(huán)境決定，軸向限位凹槽間的距離及軸向限位凹槽的個數(shù)跟軸向限位器相一致。本實施方案涉及工作溫度為93℃，其軸向限位器共含6組，軸向間距為0.05m，每組由沿同截面均勻分布的12個限位器構(gòu)成。內(nèi)管與外套管相對運動時，軸向限位柄在扭力彈簧作用下一直有向原位置轉(zhuǎn)動的趨勢，當靠近限位凹槽時，軸向限位柄卡入軸向限位凹槽中，達到軸向限位功能。

以上對本發(fā)明進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。