[科普中國(guó)]-止屈器

止屈器分類(lèi)

加強(qiáng)管道截面剛度的方法通常為增大管道壁厚，因此，止屈器的一般形式為厚壁圓環(huán)。

按照止屈器安裝形式的不同，可分為以下四種形式。

（1）扣入式止屈器，如圖1所示，其形式為箍套在管道外的厚壁圓環(huán)，圓環(huán)的內(nèi)徑與管道外徑相當(dāng)。

按照止屈器與管道的連接方式，又可細(xì)分為直接扣入型、灌漿粘結(jié)型和螺栓夾緊型等幾種。

（2）纏繞式止屈器，如圖2所示，采用緊密纏繞在管道周?chē)臄?shù)圈鋼筋來(lái)替代扣入式止屈器中的厚壁圓環(huán)。

鋼筋的兩端與管道焊接在一起，以固定其在管道的位置，防止滑動(dòng)。

（3）焊接式止屈器，其形式與扣入式止屈器類(lèi)似，區(qū)別在于止屈器與管道之間多了兩道焊縫連接。

（4）整體式止屈器，前三種止屈器的內(nèi)徑都與管道的外徑一致。

整體式止屈器則不同，如圖3所示，其內(nèi)徑與管道的內(nèi)徑一致，壁厚比管道更厚，兩者同軸排好之后在連接處焊接，形成一個(gè)整體。2

止屈器的應(yīng)用所述四種止屈器類(lèi)型中，常用的主要有扣入式止屈器和整體式止屈器兩種?？廴胧街骨鞑恍枰獙?duì)管道本身進(jìn)行加工，具有安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)效率相對(duì)較低，且存在效率上限。因此，扣入式止屈器在淺水管道鋪設(shè)過(guò)程中得到最為廣泛的應(yīng)用。而整體式止屈器在用鋼量相同的條件下，與其他止屈器類(lèi)型相比效率最高，因此特別適用于深水的管道鋪設(shè)。2

屈曲傳播海底管道的屈曲海底管道的屈曲，多數(shù)是彎曲和外部超靜水壓共同作用的結(jié)果。一般認(rèn)為，在直徑10~20倍的管道有限長(zhǎng)度內(nèi)，管道受載基本上是均勻的，在這種長(zhǎng)度和徑厚比較大范圍內(nèi)，該間題通?？勺鳛橐粺o(wú)限長(zhǎng)的圓管問(wèn)題進(jìn)行分析。因此，研究無(wú)限長(zhǎng)圓管在彎曲和外部超靜水壓共同作用下的屈曲及其傳播現(xiàn)象，具有重要的工程實(shí)用意義。

管道的屈曲與屈曲傳播不僅在有損傷、凹陷的管道能夠發(fā)生,即使幾何尺寸比較完善且無(wú)重大損傷的管道也可能發(fā)生。因?yàn)楣艿狼脚c屈曲傳播現(xiàn)象，不僅與管道初始幾何缺陷等有關(guān)，而且與其中起重要作用因素的管道鋪設(shè)過(guò)程巾承受的復(fù)雜的荷載狀況直接有關(guān)。此外，管材性質(zhì)、幾何尺寸的相對(duì)比例和水深等也是造成管道屈曲與屈曲傳播現(xiàn)象的重要因素。

管道的屈曲與屈曲傳播現(xiàn)象不只是可能在數(shù)百米水深的海底管道上發(fā)生，在近海和淺海（例如60m水深）的管道鋪設(shè)作業(yè)中也可能發(fā)生，也應(yīng)考慮這種破壞現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。3

屈曲壓力根據(jù)已有的研究成果和已經(jīng)發(fā)生過(guò)的一些與屈曲和屈曲傳播有關(guān)的管道事故的分析，有8種不同性質(zhì)的控制屈曲現(xiàn)象發(fā)生的“屈曲壓力”：

（1）管道在彎曲與外部超靜水壓共同作用下的“極值型屈曲壓力”；

（2）管道在彎曲與外部超靜水壓共同作用下的“分枝型屈曲壓力”；

（3）管道“初始屈曲壓力”；

（4）管道“屈曲傳播壓力”；

（5）管道“濕性屈曲壓力”；

（6）誘發(fā)管道屈曲傳播的“初始破壞屈曲壓力”；

（7）當(dāng)管道有屈曲限制器時(shí)的“貫穿壓力”；

（8）管道“有約束屈曲傳播壓力”。

管道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題，它與管材的塑性性質(zhì)（屈服和硬化）有關(guān)，尤其是屈曲波形的傳播和在彎曲與外部超靜水壓共同作用下的極值型屈曲與分枝型屈曲，都發(fā)生在管材的彈塑性變形階段，或大塑性變形階段（如管道屈曲傳播后斷而壓扁呈“啞鈴”狀）。

管道發(fā)生屈曲傳播的主要?jiǎng)恿σ蛩厥峭獠砍o水壓，但這不是唯一的因素。因此，屈曲限制器的采用對(duì)深水管道需要，對(duì)近?；驕\海管道有時(shí)也成為必要。3

止屈器的作用用相應(yīng)的屈曲限制器防止屈曲波形的傳播，使管道屈曲與屈曲傳播現(xiàn)象得以防止，或使管道損傷限制在最小范圍內(nèi)。3

止屈器的重要性在管道鋪設(shè)過(guò)程中，管道受到張力、彎矩和外部壓力的綜合影響，有可能發(fā)生屈曲傳播；或者在管道的整個(gè)生命周期中，由于受到外來(lái)物體的作用，也可能會(huì)發(fā)生屈曲傳播現(xiàn)象。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，就很難被阻止，除非外部壓力低于屈曲傳播壓力，或者有局部加強(qiáng)措施（止屈器）。

由于深水條件下海管壁厚不是根據(jù)屈曲傳播壓力選取的，因此在深水條件下屈曲傳播幾乎是不可避免的；而且PIP管系外管由于沒(méi)有內(nèi)壓相抵消，更容易發(fā)生屈曲傳播。一旦發(fā)生破壞，就會(huì)導(dǎo)致保溫失效。另外，內(nèi)管在停止作業(yè)期間也存在屈曲傳播的危險(xiǎn)，所以在安裝階段和整個(gè)作業(yè)階段，考慮如何避免發(fā)生局部屈曲是非常關(guān)鍵的。4

止屈器的工作原理解決海底管道屈曲傳遞的一種較為經(jīng)濟(jì)性的方法，就是沿著管道的軸線、相隔一定距離設(shè)置止屈器，其工作原理就是使管道的屈曲傳遞不能跨越屈曲器，限制屈曲僅發(fā)生于兩個(gè)止屈器之間。止屈器雖然在一定程度上有可能造成管道發(fā)生局部的屈曲，但卻能很好地保持了管道的整體性，在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間取得了比較好的平衡。因此，止屈器越來(lái)越受到廣泛的應(yīng)用。

止屈器間隔的確定是基于多種因素的綜合，這些因素包括：修復(fù)壓潰管段的成本、安裝止屈器的成本、管道損壞的可能性以及陽(yáng)極保護(hù)塊安裝間距等，最終由工程師根據(jù)項(xiàng)目的不同特點(diǎn)而決定，一般來(lái)說(shuō)間隔取 90~180m 是比較合理的。4