一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置及方法

1.本发明属于海底管道铺设技术领域，具体涉及一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置及方法。


背景技术：

2.随着我国国民经济的持续高速发展，国家对油气资源的需求逐年增加，海洋油气资源已成为主要接替资源而被高度关注。为实现对海洋油气的安全、高效、低成本运输，众多应用于不同场景的运输设备被开发设计与运用。
3.海底管道是海洋油气快捷、安全且经济可靠的运输方式。由于海底地形情况复杂，裸铺的海底管道会因地势起伏而存在悬跨段，海床松软的泥沙也容易在洋流的冲刷下引起管道悬空，地质运动对海底形貌的改变也可能造成海底管道新悬跨段的出现。海底洋流以一定大小的流速绕过悬跨管时会在管道两侧产生交替泄放的旋涡，使管道两侧受力不均，引发涡激振动和管道屈曲现象，其中，涡激振动影响了海底管道的疲劳寿命，屈曲则造成海底管道变形和受力不平衡。此外，裸铺的海底管道还容易遭到上方落物的撞击，增加了失效风险，一旦因管道失效而出现油气的泄漏，对海洋环境可能产生不可逆转的污染。目前，管道悬跨防治手段主要是打桩固定、沙袋堆砌和种植水草覆盖等方法，尽管对管道悬跨防治有一定的效果，但存在施工周期长、管外负荷较大等缺点。
4.因此，采用合适的方法和手段使裸铺海底管道保持安全稳定运营对海洋油气的持续开采具有十分重要的意义。迄今为止，罕见集海底管道防撞阻渗与振动抑制一体化的装置。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够有效减轻或防止海底管跨产生海底渗流、涡激振动、管道屈曲和落物撞击危害的海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置及方法。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置，由底板模块、伸缩模块和粗糙弧形盖板三部分组成。
8.底板模块包括海底阻渗板、平行导轨槽和管道固定箍。海底阻渗板为圆形平板，海底阻渗板上表面嵌有平行的两对平行导轨槽，两对平行导轨槽的导轨关于海底阻渗板的直径对称分布，每条平行导轨槽是由等间距串列排布的倾斜内凹六面体凹槽组成，六面体凹槽以平行导轨槽中点为对称轴，对称轴两侧的六面体凹槽的内凹倾斜方向相反。管道固定箍是顶面设有内凹圆弧形的楔形块，每两个管道固定箍为一对，它们的圆弧面相向布置，以卡抱海底管道。共有四对管道固定箍，每对平行导轨槽关于中心对称布置有两对管道固定箍。管道固定箍底面设有等间距串列布置的双排倾斜外凸六面体啮齿，六面体啮齿与平行导轨槽的六面体凹槽尺寸一致，且排列的间距也相等。管道固定箍底面的双排六面体啮齿
间距等于每对平行导轨槽两根导轨之间的横向间距，管道固定箍通过六面体啮齿嵌入平行导轨槽的六面体凹槽实现卡固，所述管道固定箍贴合管道一侧由橡胶材料制成，其余部分由刚性防腐蚀材料制成。所述的海底阻渗板直径由铺设的海底管道外径及海底管道悬空段的长度综合确定。
9.伸缩模块从下至上由底部固定块、旋转槽、轴承圈、球形滚动滑块、支撑弹簧、伸缩杆和盖板连接帽组成。底部固定块为正方体，其顶面中部开有半球形下凹坑，底部固定块底面焊接固定于两对平行导轨槽的端部中间，且贴近海底阻渗板的边缘。在底部固定块顶面半球形下凹坑边开有旋转槽，旋转槽是环状弧形下凹槽。轴承圈是由两根十字交叉的圆弧状轴承条组成的半球形轴承骨架，每根轴承条上等间距分布有轴承滚珠。轴承圈下表面贴合底部固定块半球形下凹坑的表面。球形滚动滑块下部为半球状滚动块，上部为圆形平面，半球状滚动块嵌入轴承圈并压于底部固定块半球形下凹坑表面，实现半球状滚动块在半球形下凹坑内的滑动。球形滚动滑块上表面中心焊接有支撑弹簧，支撑弹簧为圆柱形压缩弹簧，支撑弹簧上部焊接有盖板连接帽，支撑弹簧内部套有伸缩杆。伸缩杆是由下至上直径依次递减的三段式圆筒杆件，上、中两节杆件可依次缩入下节杆件，伸缩杆的下端焊接于球形滚动滑块上表面中心，伸缩杆的上端焊接于盖板连接帽底面，通过支撑弹簧压缩后的弹性力实现伸缩杆压缩后的复位。盖板连接帽由直径下大上小的两个圆柱焊接而成，其大圆柱的下表面与支撑弹簧和伸缩杆焊接，盖板连接帽的小圆柱上表面与粗糙弧形盖板焊接固定。所述伸缩模块一共有两个，在平行导轨槽的两端各安装一个伸缩模块。
10.粗糙弧形盖板是一块开有通孔的弧面形盖板。粗糙弧形盖板上开设有供两根平行布置的海底管道贯通的椭圆形孔洞，另外为在粗糙弧形盖板上开设有大小不一的圆形通孔。所述粗糙弧形盖板的椭圆形孔洞的短径大于海底管道的外径。
11.利用所述的海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置提供一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的方法。海底洋流流经该装置时，粗糙弧形盖板开设的通孔对上部洋流起到扰动和引流改向的作用，使部分上部洋流流入装置内部，进而改变装置内部的局部流场，扰乱了内部海底管道的周围流场，有效抑制了绕流旋涡的形成，从而抑制了涡激振动。当海底管道上方有落物时，落物撞击粗糙弧形盖板后，动能转化为粗糙弧形盖板下方支撑弹簧的弹性势能，支撑弹簧受力压缩并带动伸缩杆收缩，从而减轻落物对海底管道直接撞击的影响。同时，粗糙弧形盖板在落物撞击时由于受力不均，促使球形滚动滑块在底部固定块半球形下凹坑内发生滑动，带动粗糙弧形盖板发生偏斜，因球形滚动滑块上部的圆形平板与旋转槽接触，保证粗糙弧形盖板的倾斜角控制在有限范围内。落物从粗糙弧形盖板滑落后，支撑弹簧恢复，装置随即恢复至平衡状态。海底阻渗板将海底管道与海底松软的泥沙的隔离，泥沙不会受到海床管道周围的流场旋涡的影响，从而避免了海床的冲刷和海底管道悬跨段长度的增长。
12.本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
13.1、本发明提供的海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置结构简单，随海底管道铺设时同步安装，成本低。
14.2、本发明装置粗糙弧形盖板与伸缩支撑杆的伸缩及倾斜作用，减轻了重物撞击对海底管道造成的直接撞击伤害。
15.3、本发明装置的海底阻渗板将海底管道与海床分隔，阻隔了周期性的涡流作用，
抑制了海床冲刷，防止形成管道悬跨或悬跨长度的增加。
16.4、本发明装置的管道固定箍既可防止管道的涡激振动，又可有效阻止管道出现大位移屈曲。
17.5、本发明装置的粗糙弧形盖板通孔减小了装置内外的流体流速，改变了部分流体的流动方向，进一步抑制了海底管道在海底洋流作用下的涡激振动。
附图说明
18.图1是本发明装置整体结构拆分示意图
19.图2是本发明装置伸缩支撑杆拆分示意图
20.图3是本发明装置海底阻渗板部分结构的拆分与局部放大示意图
21.其中：
22.1-粗糙弧形盖板；2-海底管道；3-盖板连接帽；4-管道固定箍；5-海底阻渗板；6-平行导轨槽；7-支撑弹簧；8-球形滚动滑块；9-轴承圈；10-旋转槽；11-底部固定块；12-伸缩杆。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
24.一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置，由底板模块、伸缩模块和粗糙弧形盖板1三部分组成。底板模块包括海底阻渗板5、平行导轨槽6和管道固定箍4。海底阻渗板5为圆形平板，海底阻渗板5上表面嵌有平行的两对平行导轨槽6，两对平行导轨槽6的导轨关于海底阻渗板5的直径对称分布，每条平行导轨槽6是由等间距串列排布的倾斜内凹六面体凹槽组成，六面体凹槽以平行导轨槽6中点为对称轴，对称轴两侧的六面体凹槽的内凹倾斜方向相反。管道固定箍4是顶面设有内凹圆弧形的楔形块，每两个管道固定箍4为一对，它们的圆弧面相向布置，以卡抱海底管道2。共有四对管道固定箍4，每对平行导轨槽6关于中心对称布置有两对管道固定箍4。管道固定箍4底面设有等间距串列布置的双排倾斜外凸六面体啮齿，六面体啮齿与平行导轨槽6的六面体凹槽尺寸一致，且排列的间距也相等。管道固定箍4底面的双排六面体啮齿间距等于每对平行导轨槽6两根导轨之间的横向间距，管道固定箍4通过六面体啮齿嵌入平行导轨槽6的六面体凹槽实现卡固，所述管道固定箍4贴合管道一侧由橡胶材料制成，其余部分由刚性防腐蚀材料制成。所述的海底阻渗板5直径由铺设的海底管道2外径及海底管道2悬空段的长度综合确定。
25.伸缩模块从下至上由底部固定块11、旋转槽10、轴承圈9、球形滚动滑块8、支撑弹簧7、伸缩杆12和盖板连接帽3组成。底部固定块11为正方体，其顶面中部开有半球形下凹坑，底部固定块11底面焊接固定于两对平行导轨槽6的端部中间，且贴近海底阻渗板5的边缘。在底部固定块11顶面半球形下凹坑边开有旋转槽10。旋转槽10是环状弧形下凹槽。轴承圈9是由两根十字交叉的圆弧状轴承条组成的半球形轴承骨架，每根轴承条上等间距分布有轴承滚珠。轴承圈9下表面贴合底部固定块11半球形下凹坑的表面。球形滚动滑块8下部为半球状滚动块，上部为圆形平面，半球状滚动块嵌入轴承圈9并压于底部固定块11半球形下凹坑表面，实现半球状滚动块在半球形下凹坑内的滑动。球形滚动滑块8上表面中心焊接有支撑弹簧7，支撑弹簧7为圆柱形压缩弹簧，支撑弹簧7上部焊接有盖板连接帽3，支撑弹簧
7内部套有伸缩杆12。伸缩杆12是由下至上直径依次递减的三段式圆筒杆件，上、中两节杆件可依次缩入下节杆件，伸缩杆12的下端焊接于球形滚动滑块8上表面中心，伸缩杆12的上端焊接于盖板连接帽3底面，通过支撑弹簧7压缩后的弹性力实现伸缩杆12压缩后的复位。盖板连接帽3由直径下大上小的两个圆柱焊接而成，其大圆柱的下表面与支撑弹簧7和伸缩杆12焊接，盖板连接帽3的小圆柱上表面与粗糙弧形盖板1焊接固定。所述伸缩模块一共有两个，在平行导轨槽6的两端各安装一个伸缩模块。
26.粗糙弧形盖板1是一块开有通孔的弧面形盖板。粗糙弧形盖板1上开设有供两根平行布置的海底管道2贯通的椭圆形孔洞，另外为在粗糙弧形盖板1上开设有大小不一的圆形通孔。所述粗糙弧形盖板1的椭圆形孔洞的短径大于海底管道2的外径。
27.利用所述的海底管道防撞阻渗与振动抑制的装置提供一种海底管道防撞阻渗与振动抑制的方法。海底洋流流经该装置时，粗糙弧形盖板1开设的通孔对上部洋流起到扰动和引流改向的作用，使部分上部洋流流入装置内部，进而改变装置内部的局部流场，扰乱了内部海底管道2的周围流场，有效抑制了绕流旋涡的形成，从而抑制了涡激振动。当海底管道2上方有落物时，落物撞击粗糙弧形盖板1后，动能转化为粗糙弧形盖板1下方支撑弹簧7的弹性势能，支撑弹簧7受力压缩并带动伸缩杆12收缩，从而减轻落物对海底管道2直接撞击的影响。同时，粗糙弧形盖板1在落物撞击时由于受力不均，促使球形滚动滑块8在底部固定块11半球形下凹坑内发生滑动，带动粗糙弧形盖板1发生偏斜，因球形滚动滑块8上部的圆形平板与旋转槽10接触，保证粗糙弧形盖板1的倾斜角控制在有限范围内。落物从粗糙弧形盖板1滑落后，支撑弹簧7恢复，装置随即恢复至平衡状态。海底阻渗板5将海底管道2与海底松软的泥沙的隔离，泥沙不会受到海床管道周围的流场旋涡的影响，从而避免了海床的冲刷和海底管道悬跨段长度的增长。