集束海底管道

摘要

本发明公开了一种集束海底管道，该集束海底管道包括：承载管、位于所述承载管内的功能管线、设置在所述功能管线与所述承载管之间的间隔机构，以及位于所述承载管外的防护装置和限位机构；所述间隔机构相对所述承载管的管壁能在预定范围内滑动；所述限位机构设置在所述承载管外壁上，包括：轴向限位件和周向限位件，所述防护装置包括：套设在所述承载管外的保护套筒，所述保护套筒上设置有与所述周向限位件相配合的卡合部，所述轴向限位件用于限制所述保护套筒相对所述承载管轴向移动。本发明能够降低冰山挤压对海底管道带来影响。

权利要求

1.一种集束海底管道，其特征在于，包括：承载管、位于所述承载管内的功能管线、设置在所述功能管线与所述承载管之间的间隔机构，以及位于所述承载管外的防护装置和限位机构；所述间隔机构相对所述承载管的管壁能在预定范围内滑动；

所述限位机构设置在所述承载管外壁上，包括：轴向限位件和周向限位件；

所述防护装置包括：套设在所述承载管外的保护套筒，所述保护套筒上设置有与所述周向限位件相配合的卡合部，所述轴向限位件用于限制所述保护套筒相对所述承载管轴向移动；

所述功能管线包括：生产管组件、气举管、注水管组件；

所述生产管组件沿着径向包括：位于内部的生产管、位于中间的第一绝热层、第一扶正器和位于外部的第一套管，所述第一绝热层包括多段，所述第一扶正器的个数为多个，相邻两个所述第一扶正器之间设置有一个所述第一绝热层；

所述注水管组件沿着径向包括：位于内部的注水管、位于中间的第二绝热层、第二扶正器和位于外部的第二套管，所述第二绝热层包括多段，所述第二扶正器的个数为多个，相邻两个所述第二扶正器之间设置有一个所述第二绝热层；

所述保护套筒的外部形状呈流线型。

2.如权利要求1所述的集束海底管道，其特征在于，所述间隔机构包括：间隔板、与所述间隔板连接且与所述承载管内壁滑动配合的滑块、与所述间隔板连接且与所述承载管内壁滚动配合的滚轮。

3.如权利要求2所述的集束海底管道，其特征在于，所述间隔机构还包括：第一挡板，所述间隔板呈分体结构，所述间隔板包括：上间隔板、中间隔板和下间隔板，所述气举管卡合在所述上间隔板和所述第一挡板之间；

所述生产管组件卡合在所述中间隔板和所述上间隔板之间；

所述注水管组件卡合在所述中间隔板和所述下间隔板之间。

4.如权利要求3所述的集束海底管道，其特征在于，所述滑块安装在所述上间隔板的两侧，所述滑块具有与所述承载管接触的圆柱面；所述滚轮安装在所述中间隔板的两侧，所述滚轮呈回转柱体，所述滚轮的母线为所述承载管内壁的圆弧。

5.如权利要求1所述的集束海底管道，其特征在于，所述周向限位件为设置在所述承载管外壁上的环向挡块，所述轴向限位件为设置在所述承载管两端的轴向挡块，所述卡合部为与所述环向挡块相配合的卡槽。

6.如权利要求1至4任一所述的集束海底管道，其特征在于，所述防护装置还包括固定管柱，所述固定管柱包括：管桩，所述管桩的一端能插入海底，另一端设置有卡箍，所述卡箍与所述承载管连接。

说明书

集束海底管道

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋工程装备技术领域，特别涉及一种集束海底管道。

背景技术

[0002] 极地地区蕴含着丰富的油气资源。但是由于极地环境条件恶劣，海洋油气管道的设计和安装都需要额外考虑多种因素。其中，冰山挤压会对管道产生难以预估的破坏，为必
须考虑的因素之一。所谓的冰山挤压，是指北极地区的冰山移动到浅水区域或靠近海岸线
时，冰山在海平面以下的龙骨部分会接触海床，并且在风力和海流的作用下，冰山会进行移
动，从而在海床上凿出一道沟槽。

[0003] 业界普遍认为：为了防止冰山挤压带来的影响，可以将管道埋在土壤以下一定深度，不让管道与冰山直接接触。但即便如此，由冰山挤压产的沟槽会使土壤发生严重变形，
进而带动管道在水平方向上发生大的弯曲变形和位移。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种集束海底管道，其能够降低冰山挤压对海底管道带来影响。

[0005] 本发明实施例的具体技术方案是：

[0006] 一种集束海底管道，包括：承载管、位于所述承载管内的功能管线、设置在所述功能管线与所述承载管之间的间隔机构，以及位于所述承载管外的防护装置和限位机构；所
述间隔机构相对所述承载管的管壁能在预定范围内滑动；

[0007] 所述限位机构设置在所述承载管外壁上，包括：轴向限位件和周向限位件，

[0008] 所述防护装置包括：套设在所述承载管外的保护套筒，所述保护套筒上设置有与所述周向限位件相配合的卡合部，所述轴向限位件用于限制所述保护套筒相对所述承载管
轴向移动。

[0009] 在一个优选的实施方式中，所述功能管线包括：生产管组件、气举管、注水管组件。

[0010] 在一个优选的实施方式中，所述生产管组件沿着径向包括：位于内部的生产管、位于中间的第一绝热层、第一扶正器和位于外部的第一套管，所述第一绝热层包括多段，所述
第一扶正器的个数为多个，相邻两个所述第一扶正器之间设置有一个所述第一绝热层。

[0011] 在一个优选的实施方式中，所述注水管组件沿着径向包括：位于内部的注水管、位于中间的第二绝热层、第二扶正器和位于外部的第二套管，所述第二绝热层包括多段，所述
第二扶正器的个数为多个，相邻两个所述第二扶正器之间设置有一个所述第二绝热层。

[0012] 在一个优选的实施方式中，所述间隔机构包括：间隔板、与所述间隔板连接且与所述承载管内壁滑动配合的滑块、与所述间隔板连接且与所述承载管内壁滚动配合的滚轮。

[0013] 在一个优选的实施方式中，所述间隔机构还包括：第一挡板，所述间隔板呈分体结构，所述间隔板包括：上间隔板、中间隔板和下间隔板，所述气举管卡合在所述上间隔板和
所述第一挡板之间；所述生产管组件卡合在所述中间隔板和所述上间隔板之间；所述注水
管组件卡合在所述中间隔板和所述下间隔板之间。

[0014] 在一个优选的实施方式中，所述滑块安装在所述上间隔板的两侧，所述滑块具有与所述承载管接触的圆柱面；所述滚轮安装在所述中间隔板的两侧，所述滚轮呈回转柱体，
所述滚轮的母线为所述承载管内壁的圆弧。

[0015] 在一个优选的实施方式中，所述周向限位件为设置在所述承载管外壁上的环向挡块，所述轴向限位件为设置在所述承载管两端的轴向挡块，所述卡合部为与所述环向挡块
相配合的卡槽。

[0016] 在一个优选的实施方式中，所述保护套筒的外部形状呈流线型。

[0017] 在一个优选的实施方式中，所述防护装置还包括固定管柱，所述固定管柱包括：管桩，所述管桩的一端能插入海底，另一端设置有卡箍，所述卡箍与所述承载管连接。

[0018] 本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

[0019] 本申请所提供的集束海底管道，其包括：承载管、位于所述承载管内的功能管线、设置在所述功能管线与所述承载管之间的间隔机构，以及位于所述承载管外的防护装置和
限位机构；所述间隔机构相对所述承载管的管壁能在预定范围内滑动；所述限位机构设置
在所述承载管外壁上，包括：轴向限位件和周向限位件，所述防护装置包括：套设在所述承
载管外的保护套筒，所述保护套筒上设置有与所述周向限位件相配合的卡合部，所述轴向
限位件用于限制所述保护套筒相对所述承载管轴向移动。相对于现有的集束管道系统，可
以减少冰山挤压造成的管道位移、能够改变管道的应力分布，从而保护位于承载管内的功
能管线、降低管道的塑性应变，从而能够降低冰山挤压对海底管道带来影响。

[0020] 参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权
利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实
施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使
用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

[0021] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并
不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可
以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

[0022] 图1为本申请实施方式中提供的一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道的轴测图；

[0023] 图2为本申请实施方式中提供的一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道的主视图；

[0024] 图3为本申请实施方式中提供的一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道的拆去防护装置的主视图；

[0025] 图4为本申请实施方式中提供的一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道的拆去流线型套筒的俯视图；

[0026] 图5为本申请实施方式中提供的一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道的拆去生产管套管、注水管套管、流线型套筒、承载管的侧视图。

[0027] 以上附图的附图标记：

[0028] 100、承载管；101、环向挡块；102、轴向挡块；200、保护套筒；201、卡槽；300、功能管线；310、生产管组件；301、生产管；302、第一绝热层；303、第一扶正器；304、第一套管；320、
气举管；321、第一挡板；330、注水管组件；331、注水管；332、第二绝热层；333、第二扶正器；
334、第二套管；400、间隔机构；401、上间隔板；402、中间隔板；403、下间隔板；501、滑块；
502、滚轮；600、固定管柱；601、卡箍；602、管桩。

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人
员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

[0030] 需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、
“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0031] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个
相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0032] 集束管道可以集中运输油气资源，有着优异的保温和防腐蚀性能，并且可以将安装时间缩短到一个季节，从而降低工程成本，在极地地区具有明显的设计优势。集束管道可
以分为封闭式和开放式。开放式的管道结构较为简单，它只是简单地将各种管道和电缆绑
在一起，组成集束管道，其安装更为简单，成本低；但对于管道的防护功能较差，不能满足极
地环境的使用需求。封闭式集束海底管道可以在陆地上完成系统的生产，调试和组装，减少
了海上安装施工时间，可以给生产管线提供更好的保温作用，因此可以输送更高温度的油
气产品，输油输气管线没有直接暴露于环境，减少了管道破裂后对环境污染的风险。

[0033] 但即便是采用现有的封闭式集束管道也不能直接应用在存在冰山挤压的极地。总体而言，目前还没有一种集束海底管道能满足存在冰山挤压的极地环境的使用需求。

[0034] 本发明在考虑冰川挤压的情况下，针对现有集束管道的不足，同时为了充分缩短施工时间，并对管道进行良好的抗外界载荷和保温防护，提供了一种考虑冰山挤压影响的
极地集束海底管道。

[0035] 请结合参阅图1至图5，本发明说明书实施方式中提供一种集束海底管道，具体为一种考虑冰山挤压影响的极地集束海底管道，其主要包括：外部的承载管100、内部的功能
管线300、间隔板、防护装置和挡块。

[0036] 内部的功能管线300可以包括：生产管组件310、气举管320、注水管组件330。其中，在一个具体的应用场景下，该生产管组件310的个数可以为两个，一个生产管组件310为相
对的高压生产管组件，另一个生产管组件310为相对的低压生产管组件。

[0037] 如图3所示，该功能管线300包括：两条生产管组件310、一条气举管320、一条注水管组件330。生产管组件310与注水管组件330均为管中管结构。

[0038] 其中，该生产管组件310包括：位于内部的生产管301、中间的第一绝热层302、第一扶正器303和外部的第一套管304。第一绝热层302包括多段，第一扶正器303的个数为多个，
相邻两个第一扶正器303之间设置有一个第一绝热层302。

[0039] 具体的，该生产管301为中空的管体结构，其根据内部流经流体的压力可以分为多种压力的生产管，例如高压生产管和低压生产管。第一绝热层302用于对生产管301进行保
温，从而保证生产管301中的流体能够顺利流动。该第一绝热层302具体可以采用保温材料
制作，形成具有一定厚度的保温层。

[0040] 第一扶正器303的作用是将位于内部的生产管301有效地居中在第一套管304中，避免生产管301与第一套管304内壁直接接触而对保温层造成磨损，同时使保温层在生产管
301的管道轴线方向的长度得到减少，使保温层可以一小段一小段地安装，从而防止保温层
的偏移和转动。具体的，该第一扶正器303可以包括两个半圆环，两个半圆环可以通过螺栓
连接。

[0041] 注水管组件330沿着径向包括：位于内部的注水管331、中间的第二绝热层332、第二扶正器333和外部的第二套管334。第二绝热层332包括多段，第二扶正器333的个数为多
个，相邻两个第二扶正器333之间设置有一个第二绝热层332。

[0042] 具体的，该注水管331为中空的管体结构，该管体内部流经的流体为水。第二绝热层332用于对注水管331进行保温，从而保证注水管331中的水能够顺利流动。同样的，该第
二绝热层332具体可以采用保温材料制作，形成具有一定厚度的保温层。

[0043] 第二扶正器333的作用是将位于内部的注水管331有效地居中在第二套管334中，避免注水管331与第二套管334内壁直接接触而对保温层造成磨损，同时使保温层在注水管
331的管道轴线方向的长度得到减少，使保温层可以一小段一小段地安装，从而防止保温层
的偏移和转动。具体的，该第二扶正器333可以包括两个半圆环，两个半圆环可以通过螺栓
机构连接。该螺栓机构包括：螺母、垫圈和螺栓。

[0044] 位于内部的功能管线300与外部的承载管100之间设计有间隔板机构，该间隔机构400用于支撑内部的功能管线300，确保内部的功能管线300的相对位置固定。

[0045] 在一个实施方式中，间隔机构400可以包括：第一挡板321，呈分体结构的间隔板，间隔板包括：上间隔板401、中间隔板402和下间隔板403，气举管320卡合在上间隔板401和
第一挡板321之间；生产管组件310卡合在中间隔板402和上间隔板401之间；注水管组件330
卡合在中间隔板402和下间隔板403之间。

[0046] 在本实施方式中，气举管320位于间隔板上部，第一挡板321与间隔板上部固定气举管320的位置，第一挡板321与间隔板上部(即上间隔板401)通过螺栓机构连接。该螺栓机
构包括：螺母、垫圈和螺栓。

[0047] 在本实施方式中，为方便安装以及对内部的功能管线300合理布局后进行可靠定位，间隔板分为三部分，分别为可拆卸连接的上间隔板401、中间隔板402和下间隔板403。具
体的，上间隔板401与中间隔板402通过螺栓机构连接，中间隔板402与下间隔板403下通过
螺栓机构连接。

[0048] 在一个实施方式中，间隔板与外部承载管100之间有滑块501、滚轮502接触，可以沿承载管100的管道内壁有一定的活动自由度，当该集束海底管道遇到冰山挤压时，通过内
部功能管线300的自动调节，能够改变管线的受力状态，使得内部应力分布趋于均匀，防止
发生在水平方向大的弯曲变形。

[0049] 在本实施方式中，上间隔板401的两侧安装有垫块。垫块的形状可以接近于长方体，该垫块与承载管100接触的面为圆柱面，从而尽可能减少两者接触时的摩擦力。该垫块
与上间隔板401之间可以通过螺栓机构连接。当然，两者也可以通过其他连接方式相连接。

[0050] 在本实施方式中，中间隔板402两侧安装有滚轮502。该滚轮502的形状为回转柱体，滚轮502的母线为承载管100内壁的圆弧，滚轮502与承载管100内壁之间为滚动配合，从
而大大减少两者接触时的摩擦力。滚轮502与下间隔板403之间可以通过螺栓机构连接。当
然，两者也可以通过其他连接方式相连接。

[0051] 在本实施方式中，除了垫块和滚轮502与外部承载管100接触外，间隔板其他部分不和承载管100内壁发生接触，从而保证在该集束海底管道遇到冰山挤压时，内部功能管线
300的自动调节，可以优化内部应力分布，避免应力集中。

[0052] 在本实施方式中，在间隔板的顶部设置有一定的空间，以便放置控制电缆。

[0053] 请结合参阅图1和图2，在本实施方式中，防护装置可以包括：套设在承载管100外的保护套筒200。保护套筒200上设置有与周向限位件相配合的卡合部，轴向限位件用于限
制保护套筒200相对承载管100轴向移动。

[0054] 具体的，该保护套筒200包括外部形状呈流线型的保护套筒200，具体的，该保护套筒200的外表面为平滑而规则的表面,没有大的起伏和尖锐的棱角，通过设置该呈流线型的
保护套筒200后，流体(水与土壤的混合物)在流线型物体表面主要表现为层流，没有或很少
有湍流，这保证了保护套筒200受到较小的阻力。发明人通过对比分析验证：呈流线型的保
护套筒200安装在外部承载管100上，可缓解管道上由于冰山挤压导致土壤运动带来的径向
力，优化管道上的应力分布。另一方面，通过在承载管100外设置该保护套筒200，能够在该
集束海底管道遇到冰山挤压时，将冰山挤压的土壤快速地导离该集束海底管道，以抵抗管
道在土壤变形作用下的弯曲和位移，从而尽可能地减少冰山挤压对集束海底管道的影响。

[0055] 具体的，该保护套筒200的横截面的外轮廓可以但不限于椭圆形、例如，类椭圆形，或者其他外轮廓形状。

[0056] 请结合参阅图4，此外，该呈流线型的保护套筒200，可以通过限位机构限制自由度。具体的，该限位机构设置在承载管100外壁上，包括：轴向限位件和周向限位件。具体的，
该周向限位件为设置在承载管100外壁上的环向挡块101，轴向限位件为设置在承载管100
两端的轴向挡块102，卡合部为与环向挡块101相配合的卡槽201。当该环向挡块101和径向
挡块与卡槽201配合后，可以分别用于限制呈流线型的保护套筒200的环向、轴向运动。

[0057] 具体安装时，可以首先在承载管100上焊接环向挡块101，限制流线型套筒在承载管100上的环向运动。确定好流线型套筒在承载管100上的位置后，在承载管100的两端焊接
轴向挡块102，限制流线型套筒在承载管100上的轴向运动。

[0058] 请结合参阅图5，在一个实施方式中，防护装置还包括固定管柱600。固定管柱600包括：管桩602，管桩602的一端能插入海底，另一端设置有卡箍601，卡箍601与承载管100连
接。

[0059] 具体的，管桩602包含一个半圆筒形的承托结构。卡箍601、管桩602和承载管100可以通过螺栓机构连接。其中，该螺栓机构可以包括：螺栓、垫圈和螺母。固定管柱600采用了
桩基锚固技术对管道进行固定，以抵抗管道在土壤变形作用下的弯曲和位移。

[0060] 为了充分说明本申请所提供的集束海底管道所产生的突出的技术效果，以下发明人对本说明书中所提供的设置有防护装置的集束海底管道与现有的不设置防护装置的集
束管道系统从多方面进行了对比分析。

[0061] 一、位移分析

[0062] 设计的管道防护装置，确实可以减少冰山挤压造成的管道位移，尤其是对于位移最大的气举管320。下表1汇总了各个管道的最大位移情况。

[0063] 表1管道最大位移表

[0064]

[0065] 二、应力分析

[0066] 应力部分主要考察最大应力点。对于没有防护装置的集束管道系统，最大应力位于气举管320上。

[0067] 对于有防护装置的集束海底管道，最大应力位于外部承载管100上。

[0068] 由此可见，通过设置防护装置在能够改变管道的应力分布，从而保护位于承载管100内的功能管线300。

[0069] 三、塑性应变分析

[0070] 对于没有防护装置的集束管道系统，气举管320产生的最大等效塑性应变为0.033，位于间隔板处。

[0071] 对于有防护装置的集束海底管道，最大等效塑性应变为0.028，位于外部承载管100上。

[0072] 由此可见，防护装置可以在一定程度上降低管道的塑性应变。

[0073] 需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在
本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0074] 本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

[0075] 以上仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领
域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上
及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定
的范围为准。