[发明专利]双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，属于海底油气管道技术领域。

背景技术

双钢保温管道英文名称Pipe-in-pipe systems,由内外两层钢管组成，在两层钢管中设置保温层，达到对内管保温的作用。其中内层钢管主要承担介质输送的载荷，主要包括内压荷载与热荷载，外层钢管以承担外部环境荷载为主，主要起保护作用。该种类型保温管道对环境适应能力较强，在海洋油气集输中得到了大量采用。

海洋油气领域的双钢保温管道置于海底环境中，其外管温度与环境基本一致，而为满足介质流动保障的要求，内管输送温度一般通过选用更具保温能力的保温层而维系在较高水平上。这就导致内外两层管道的轴向应变差距较大，尤其当管道距离较长时，若不加以限制，热荷载作用下内层管道相对外层管道将发生明显的轴向相对运动，此时引发的剪力会严重破坏环形空间内的保温层和取中垫块(Spacer)。现有的做法是沿着管道轴向，在一定长度上(通常几百米或者1、2公里)设置内外管连接框圈(Bulkhead)，连接框圈为实心锻造钢圈，刚度很大，在同一管道路由位置与内外管层焊接。管道承担热荷载后，连接框圈承担内外管层轴向变形差异引发的剪力，约束内层管的轴向变形量，同时向外层管传递张力，将其所在位置的内外管层的轴向变形量最后保持一致，从而避免在环形空间内生成剪力。

连接框圈解决了两层管道的轴向应变差问题，但同时也限制了内管层在热荷载下的膨胀量，从而导致内层管道管壁内聚集较高的轴向温度应力(系压应力)。实际双钢保温管道中，内层管道管壁内热荷载引起的温度应力远大于输送压力引发的环向应力或轴向应力。过高的的温度应力会带来以下问题：

其一，更高温度的介质输送水平难以达到。内管轴向热膨胀被连接框圈约束后，内管管壁的温度应力是碳钢热膨胀系数、弹性模量以及温度荷载的函数，无法通过增加壁厚而提升管道的热荷载承载能力，这一点与其他载荷情况不同。对常用碳钢管材来说，其膨胀系数和弹性模量已然确定，例如常见值为1.17e-5 1/℃和207000MPa，当温度荷载达到120℃时，管壁内的轴向温度应力已经达到304MPa,甚至接近了管道材质的屈服强度。但是介质输送工艺方面却有可能有更高的温度需要，此时现有双钢保温管道结构难以满足要求。

其二，容易引发内层管道的热屈曲问题。过高的轴向温度应力还有可能导致内管发生热屈曲，尽管环形空间中的取中垫块可部分限制内管屈曲的幅度，但相同屈曲幅值下，随着温度升高，内管屈曲的模态还可能向更高级发展，表现为屈曲波长变短，屈曲应力迅速提高，此时管道局部很容易发生塑性变形。有时垫块接触力还会导致外层管侧向变形，进而致使双钢保温管道整体发生破坏性的侧向或垂向屈曲。

其三，输送泵暂停/重启引发的温度应力循环容易带来管道疲劳问题。由于内管管道段在其两侧连接框圈内近似处于完全约束状态，输送泵暂停/重启操作将会导致其温度应力大幅度变化，所带来的疲劳问题不容忽视。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够显著减小内管的轴向压应力的双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双钢保温管道热补偿式内外管连接框圈结构，其特征在于：它包括设置在相邻两段双钢保温管道之间的补偿器，所述补偿器包括一平直管段和连接在所述平直管段两端的小直径管段，在所述平直管段的两端分别通过螺纹连接有补偿器接箍，每一所述补偿器接箍与所述小直径管段之间形成环形腔；在所述双钢保温管道的外管的端部焊接有外管接头，在所述钢保温管道的内管的端部焊接有内管接头，所述外管接头和内管接头伸入由所述补偿器的小直径管段与所述补偿器接箍构成的环形腔中，所述内管接头与所述小直径管段之间以及所述外管接头与所述补偿器接箍之间均为可滑动密封连接；在所述外管接头的端部设置有外限位台阶，在所述补偿器接箍的端部设置有内限位台阶。

所述外管接头设置有内锥面，所述内管接头设置有外锥面，所述外管接头上的内锥面的锥度大于所述内管接头上的外锥面的锥度。

所述内管接头与所述补偿器的小直径管段之间的密封是通过嵌合在所述小直径管段外壁上的多个密封圈实现的。

所述外管接头与所述补偿器接箍之间的密封是通过嵌合在所述外管接头外壁上的多个密封圈实现的。

在所述中部平直管段的外壁以及所述补偿器接箍的外壁上均设置有多道沿轴向延伸的沟槽。