CN114542809B - 避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，包括管道竖向限位组块、侧向滑动组块和枕木组块，海底管道经管道竖向限位组块中两组侧滑挡板之间的缝隙进入并成功安装于竖向限位底座上的管道预留位置，之后侧滑挡板在弹性组件作用下恢复至原对接状态，从而达到限制管道竖向位移的作用，避免海底管道在温压荷载作用下发生竖直向屈曲；侧向滑动组块可以减小管道侧向位移所受阻力并且避免了局部不均匀阻力，减少出现不可控整体屈曲的风险。本发明可保证管道在启闭荷载往复作用下仅发生沿枕木轨道的单向运动，促使管道发生可控的整体屈曲。本发明提出一种上述枕木装置的使用方法，可达到促进海底管道发生可控整体屈曲的工程目标。

Description

避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置及其使用方法

技术领域

本发明属于深海油气工程领域，涉及海底管线整体屈曲防护，特别是涉及一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置及其使用方法。

背景技术

能源是现代社会高效运转并可持续发展的核心动力，作为主要能源之一的油气资源起着举足轻重的作用。随着陆地与浅海油气资源在长期开采中逐渐减少，世界深海油气资源开发在近年来得到了蓬勃发展。在深海油气工程中，海底管道是不可或缺的关键设备。高温高压下裸置海底管线的水平向整体屈曲是管线破坏的主要形式之一，是深海油气开发面临的重要技术挑战。

针对这一问题，大批学者进行了一系列海底管道屈曲防护的相关研究，现有的海底管道整体屈曲防护措施可分为两大类：一是通过减小温压荷载、增加管道抗弯刚度或海床约束力以达到完全消除管道整体屈曲失稳的目的，称之为“避免屈曲”防护措施；二是通过在预定位置引入整体屈曲诱发因素，促使管道发生可控的整体屈曲，称之为“控制屈曲”防护措施。其中“控制屈曲”是一种适用于深海管道且相对经济高效的管道整体屈曲防护方案，现行最常用的三种整体屈曲诱发方式为蛇形铺设法、枕木法和分布浮力法，其中枕木法因其经济便利得到了最广泛的工程应用。

枕木法是指在管道路由的特定位置设置枕木或管垫，使管道在枕木或管垫的位置形成竖向缺陷和悬跨段，激发管道在温压联合作用下发生水平向整体屈曲。即枕木法促使海底管线发生整体屈曲的原理在于：1)通过枕木抬升管线形成整体屈曲的三要素之一—初始缺陷，2)通过在枕木两边形成悬跨段减少海床对管道的土抗力，促使整体屈曲。对于采用枕木控制管道整体屈曲的工程措施，设计的关键在于以下两点：一是管道能否在设定的位置发生整体屈曲，即引发整体屈曲的临界轴力应足够低，以避免在设定位置附近出现不可控的整体屈曲；二是管道在后屈曲过程中的最大应力、应变是否能控制在允许的范围内，即管道的设计屈曲极限状态应符合设计规范。

然而，枕木法铺设海底管道所形成的竖向初始缺陷会激发管道在温压联合作用下发生竖向屈曲，尤其是为了保证引发整体屈曲而加大枕木铺设高度铺设方案，管道发生竖向整体屈曲的风险极高，与横向整体屈曲变形相比，竖向屈曲产生的应力更大，且竖向变形管道的触地段更容易发生破坏；此外，枕木法铺设海底管道的长距离悬跨段的存在，使得发生竖向整体屈曲变形的后屈曲管道可能会发生涡激振动，严重威胁管道安全。并且，发生竖向整体屈曲变形的管道在竖向位移达到一定程度后会倒塌转化为水平向的整体屈曲，这一不可控的动态大变形会使得管道产生较大椭圆度甚至发生局部压溃破坏等，尤其是在管道经历多次启闭运行过程中，循环温压荷载作用下管道将反复经历竖直向屈曲和水平向屈曲的耦合作用，严重威胁管道安全。

因此，可能引起竖直向整体屈曲的枕木铺设法必须得到改进，现有的防止竖向整体屈曲的常用方法是将轨枕高度降低到某一临界值，然而，由于轨枕的作用随着高度的降低而降低，较低的轨枕难以保证管道在预设位置整体屈曲成功激发。因此，提出一种能够避免竖向整体屈曲同时能高效率保证水平向整体屈曲成功激发的枕木装置及其对应铺设方案具有工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置及其使用方法，以解决上述现有枕木装置及其铺设方案难以在保证较高整体屈曲激发几率的同时避免竖向整体屈曲的现存问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，包括：

管道竖向限位组块，所述管道竖向限位组块包括侧滑挡板、弹性组件和竖向限位底座，所述竖向限位底座上表面设置有供海底管道安装的预留位置，所述侧滑挡板沿所述海底管道的轴向对称设置有两组，两组所述侧滑挡板设置于所述预留位置的上方，所述竖向限位底座上表面在任意一所述侧滑挡板的远离所述海底管道的一侧均设置有固定基板，任意一所述侧滑挡板均通过所述弹性组件与对应侧的所述固定基板连接；两组所述侧滑挡板在对应所述弹性组件的作用下对接，并能够在所述海底管道的自身重力下被挤开，以使所述海底管道从两组所述侧滑挡板之间的缝隙内进入所述预留位置；所述海底管道安装完成后，两组所述侧滑挡板在对应所述弹性组件的作用下恢复对接状态，以限制所述海底管道的竖向位移；

侧向滑动组块，所述侧向滑动组块的上表面与所述竖向限位底座的下表面连接；

枕木组块，所述枕木组块包括由下至上依次设置的枕木基础、枕木支柱和枕木滑轨，所述枕木滑轨的轴向垂直于所述海底管道的轴向；所述侧向滑动组块滑动安装于所述枕木滑轨上，并能够带动所述管道竖向限位组块沿所述枕木滑轨的轴向自由滑动；所述枕木组块用于支撑并提升所述海底管道离开海床。

可选的，所述枕木基础、所述枕木支柱和所述枕木滑轨的整体高度为所述海底管道的直径的2～5倍。

可选的，所述侧向滑动组块包括：

第一滚动滑块，所述第一滚动滑块的一侧设置有第一开口，所述第一开口用于与所述枕木滑轨的一侧滑动配合；所述第一滚动滑块的上表面与所述竖向限位底座的下表面连接；

第二滚动滑块，所述第二滚动滑块的一侧设置有第二开口，所述第二开口用于与所述枕木滑轨的另一侧滑动配合；所述第二滚动滑块的上表面与所述竖向限位底座的下表面连接；

滚轮，所述滚轮转动安装于所述第一开口和所述第二开口内，且任意一所述滚轮的转动轴线均垂直于所述枕木滑轨的轴向，所述第一开口通过所述滚轮与所述枕木滑轨一侧的上表面和下表面滚动配合，所述第二开口通过所述滚轮与所述枕木滑轨另一侧的上表面和下表面滚动配合。

可选的，所述弹性组件包括若干弹簧，任意一所述弹簧的一端与所述固定基板连接，另一端与所述侧滑挡板连接。

可选的，还包括滑板，所述滑板的一侧与所述侧滑挡板连接，所述滑板的另一侧与若干所述弹簧连接。

可选的，所述管道竖向限位组块还包括管道导引架，两组所述侧滑挡板的上方分别设置有一所述管道导引架，且所述管道导引架安装于所述固定基板上，所述管道导引架的内侧设置有外凸式弧状导引面，所述外凸式弧状导引面能够与处于对接状态下的所述侧滑挡板衔接，以将所述海底管道导引至两组所述侧滑挡板上方。

可选的，所述预留位置为半圆形凹槽；

所述侧滑挡板为三角形挡板，且所述三角形挡板的底边为1/4圆弧凹槽，所述三角形挡板的一个斜边通过所述弹性组件与对应侧的所述固定基板连接，另一斜边能够在两组所述侧滑挡板处于对接状态时与所述外凸式弧状导引面衔接；

两组所述侧滑挡板结构相同，且对称布置，两组所述侧滑挡板处于对接状态时，两组所述侧滑挡板中的所述1/4圆弧凹槽能够与所述半圆形凹槽拼接形成一闭合圆环槽。

可选的，所述枕木支柱的两侧与所述枕木基础之间设置有三角加劲肋；所述三角加劲肋的高度为所述枕木支柱的高度的2/3倍。

可选的，所述枕木基础、所述枕木支柱和所述枕木滑轨由下至上依次设置形成工字型结构，且所述枕木支柱的顶端与所述枕木滑轨的沿其宽度方向的中点连接，底端与所述枕木基础的沿其宽度方向的中点连接。

可选的，所述半圆形凹槽的直径为所述海底管道的直径的1.02～1.05倍；所述枕木基础的宽度为所述海底管道的直径的3～6倍；所述枕木滑轨的宽度为所述海底管道的直径的0.5～1倍。

可选的，所述枕木支柱的高度为所述海底管道的直径的2～5倍。

同时，本发明提出一种基于上述避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的使用方法，包括：

在所述海底管道的安装路线上间隔设置多个所述枕木装置；

在所述枕木装置上安装所述海底管道，以使所述海底管道安装入所述竖向限位底座的所述预留位置，并由所述侧滑挡板限制所述海底管道的竖向位移。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，具体为一种带有侧向位移促进结构(即侧向滑动组块)和竖向位移限制结构(即管道竖向限位组块)以诱发海底管道发生可控整体屈曲的新型枕木装置；海底管道经两组侧滑挡板之间的缝隙进入并成功安装就位于所述竖向限位底座上的管道预留位置，之后侧滑挡板在弹性组件作用下恢复至原对接状态，从而达到限制管道竖向位移的作用，通过管道竖向限位组块中对接状态下的一对侧滑挡板限制海底管道竖直向位移，可以避免海底管道在温压荷载作用下发生竖直向屈曲，增加整体屈曲设计方案的可控性；此外，上述枕木装置中，侧向滑动组块可以减小管道侧向位移所受阻力并且避免了局部不均匀阻力，从而提高管道侧向整体屈曲成功激发的保证率，避免了管道整体屈曲过程中的应力集中和累积，进而减少管道出现不可控整体屈曲的风险。本发明中，上述侧向位移促进结构(即侧向滑动组块)和竖向位移限制结构(即管道竖向限位组块)联合作用，保证管道在启闭荷载往复作用下仅发生沿枕木轨道的单一路径的往复运动，避免了多维复杂位移下的不确定性，从而达到避免管道发生竖向屈曲和水平向屈曲耦合作用的目的，促使管道发生可控的整体屈曲，进而解决现有枕木装置及其铺设方案难以在保证较高整体屈曲激发几率的同时避免竖向整体屈曲的现存问题。

另外，在本发明公开的一些枕木装置技术方案中，将枕木组块的整体高度设置为2～5倍海底管道直径，以一定间隔预先在海底管道安装线路上设置枕木装置，支撑并提升海底管道离开海床，使海床土体对海底管道的阻力降低，减小管道屈曲临界荷载，激发管道发生水平向热屈曲以达到释放轴力的目的。

本发明提出的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的使用方法，以一定间隔预先在管道线路上设置枕木装置，通过限制管道竖直向位移并促进侧向滑动的枕木装置实现海底管道枕木法，可达到促进海底管道发生可控整体屈曲的工程目标，装置部件可实现陆上安装，减少枕木装置安装成本，提高海底管道工程中枕木法的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的安装示意图；

图2为本发明实施例所公开的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的整体结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的分解结构示意图；

图4为本发明实施例所公开的管道竖向限位组块的安装示意图；

图5为本发明实施例所公开的管道竖向限位组块的整体结构示意图；

图6为本发明实施例所公开的管道竖向限位组块的分解结构示意图；

图7为本发明实施例所公开的管道竖向限位组块的俯视图；

图8为本发明实施例所公开的海底管道在避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置中的安装过程示意图；

图9为本发明实施例所公开的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的运行过程示意图；图中由上至下依次呈现为下列状态：安装就位、升温升压-发生整体屈曲、降温降压-反向位移、升温升压-再次发生整体屈曲。

其中，附图标记为：

100、避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置；

1、管道竖向限位组块；11、侧滑挡板；111、1/4圆弧凹槽；12、弹簧；13、滑板；14、竖向限位底座；15、预留位置；16、固定基板；17、管道导引架；171、外凸式弧状导引面；

2、侧向滑动组块；21、第一滚动滑块；22、第一开口；23、第二滚动滑块；24、第二开口；25、滚轮；

3、枕木组块；31、枕木基础；32、枕木支柱；33、枕木滑轨；34、三角加劲肋；

4、海底管道；

5、海床。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一是提供一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，以解决现有枕木装置及其铺设方案难以在保证较高整体屈曲激发几率的同时避免竖向整体屈曲的现存问题。

本发明的另一目的还在于提供一种基于上述避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的使用方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1～图9所示，本实施例提供一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100，主要包括管道竖向限位组块1、侧向滑动组块2和枕木组块3，其中的管道竖向限位组块1包括侧滑挡板11、弹性组件和竖向限位底座14，竖向限位底座14上表面设置有供海底管道4安装的预留位置15，侧滑挡板11沿海底管道4的轴向对称设置有两组，两组侧滑挡板11设置于预留位置15的上方，竖向限位底座14上表面在任意一侧滑挡板11的远离海底管道4的一侧均设置有固定基板16，任意一侧滑挡板11均通过弹性组件与对应侧的固定基板16连接；两组侧滑挡板11在对应弹性组件的作用下对接，并能够在海底管道4的自身重力下被挤开，以使海底管道4从两组侧滑挡板11之间的缝隙内进入预留位置15；海底管道4安装完成后，两组侧滑挡板11在对应弹性组件的作用下恢复对接状态，以限制海底管道4的竖向位移。枕木组块3包括由下至上依次设置的枕木基础31、枕木支柱32和枕木滑轨33，枕木滑轨33的轴向垂直于海底管道4的轴向；侧向滑动组块2的上表面与竖向限位底座14的下表面连接，侧向滑动组块2滑动安装于枕木滑轨33上，并能够带动管道竖向限位组块1沿枕木滑轨33的轴向自由滑动；枕木组块3用于支撑并提升海底管道4离开海床5。上述避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100是一种带有侧向位移促进结构(即上述侧向滑动组块2)和竖向位移限制结构(即上述管道竖向限位组块1)以诱发海底管线发生可控的整体屈曲的新型枕木装置，该枕木装置可促使海底管道4沿枕木轴向移动，并且限制海底管道4发生垂直于海底管道4的竖向屈曲变形，从而达到避免海底管道4发生竖向屈曲和水平向屈曲耦合作用的目的，促使海底管道4发生可控的整体屈曲。

本实施例中，侧向滑动组块2包括第一滚动滑块21、第二滚动滑块23和滚轮25，第一滚动滑块21的一侧设置有第一开口22，第一开口22用于与枕木滑轨33的一侧滑动配合，第一滚动滑块21的上表面与竖向限位底座14的下表面连接；第二滚动滑块23的一侧设置有第二开口24，第二开口24用于与枕木滑轨33的另一侧滑动配合，第二滚动滑块23的上表面与竖向限位底座14的下表面连接；第一滚动滑块21和第二滚动滑块23以枕木滑轨33的轴向为对称线对称布置。滚轮25转动安装于第一开口22和第二开口24内，且任意一滚轮25的转动轴线均垂直于枕木滑轨33的轴向，第一开口22通过滚轮25与枕木滑轨33一侧的上表面和下表面滚动配合，即在第一开口22的内顶面和内底面上均沿枕木滑轨33的轴向设置有若干滚轮25，以实现第一开口22的内顶面和内底面分别与枕木滑轨33的上表面和下表面之间的滚动配合。同理，第二开口24通过滚轮25与枕木滑轨33另一侧的上表面和下表面滚动配合，即在第二开口24的内顶面和内底面上均沿枕木滑轨33的轴向设置有若干滚轮25，以实现第二开口24的内顶面和内底面分别与枕木滑轨33的上表面和下表面之间的滚动配合。

本实施例中，侧向滑动组块2中的滚轮25与第一滚动滑块21、第二滚动滑块23之间通过轴承连接。

本实施例中，弹性组件包括若干弹簧12，任意一弹簧12的一端与固定基板16连接，另一端与侧滑挡板11连接。任意一组弹性组件中可包含9组成矩形阵列均匀分布的弹簧12。弹簧12的刚度由海底管道4重量确定，确定标准为保证海底管道4重量能够挤开与弹簧12连接的侧滑挡板11，且在管道安装就位后，侧滑挡板11能在弹簧12作用下恢复原位置，从而达到限制管道竖向位移的作用。

本实施例中，还包括滑板13，滑板13的一侧与侧滑挡板11连接，滑板13的另一侧与若干弹簧12连接。侧滑挡板11通过滑板13与若干弹簧12同时连接，确保滑板13平稳滑移，受力均衡。

本实施例中，管道竖向限位组块1还包括管道导引架17，两组侧滑挡板11的上方分别设置有一管道导引架17，且管道导引架17安装于固定基板16上，管道导引架17的内侧设置有外凸式弧状导引面171，外凸式弧状导引面171能够与处于对接状态下的侧滑挡板11衔接，以将海底管道4导引至两组侧滑挡板11上方。

本实施例中，管道导引架17优选焊接连接于固定基板16上，固定基板16与竖向限位底座14之间也为焊接连接，弹簧12与固定基板16、滑板13之间也均以焊接的方式连接。

本实施例中，预留位置15优选为半圆形凹槽；侧滑挡板11为三角形挡板，且三角形挡板的底边为1/4圆弧凹槽111，三角形挡板的一个斜边(直边)通过弹性组件与对应侧的固定基板16连接，另一斜边(直边)能够在两组侧滑挡板11处于对接状态时与外凸式弧状导引面171衔接；两组侧滑挡板11结构相同，且对称布置，两组侧滑挡板11处于对接状态时，两组侧滑挡板11中的1/4圆弧凹槽111能够与上述半圆形凹槽(即预留位置15)拼接形成一闭合圆环槽，即两组侧滑挡板11中的1/4圆弧凹槽111的直径与上述半圆形凹槽(即预留位置15)的直径是相同的，作为优选方式，上述半圆形凹槽(即预留位置15)的直径为海底管道4的直径的1.02～1.05倍，当两组侧滑挡板11处于对接状态时，海底管道4与上述闭合圆环槽之间为间隙配合，既不会使1/4圆弧凹槽111对海底管道4造成挤压、压迫，同时可确保1/4圆弧凹槽111对海底管道4的竖向限位作用。

本实施例中，两组侧滑挡板11处于对接状态时，两组侧滑挡板11相互靠近的两斜边(直边)底端对接形成“V”字托槽，且该两斜边(直边)的顶端分别与对应侧的管道导引架17的外凸式弧状导引面171底端衔接；管道导引架17呈“翅膀”状，两管道导引架17对称布置于预留位置15的两侧。设置了管道导引架17的管道竖向限位组块1实质为一种管道导引及竖向限位组块，在海底管道4铺设过程中，首先由外凸式弧状导引面171导引定位存在铺设误差的海底管道4落入两组侧滑挡板11对接(两组侧滑挡板11对接即两组侧滑挡板11在弹簧作用下相互紧贴)时形成的“V”字托槽上，同时在海底管道4由管道导引架17进入侧滑挡板区域过程中，两组侧滑挡板11受海底管道4重力作用分开，向远离对方的方向滑动，此过程中弹簧12被压缩，促使海底管道4经两组侧滑挡板11之间形成的缝隙开口落入竖向限位底座14上的预留位置15，之后两组侧滑挡板11在弹簧12的复位作用下，相互靠近复位，并在海底管道4完全落入预留位置15时，重新达到相互紧贴的状态，此时两组侧滑挡板11的1/4圆弧凹槽111与竖向限位底座14共同构成限制管道竖向位移的限位结构，避免管道在温压荷载作用下发生竖直向屈曲。实际操作中，当两组侧滑挡板11之间的距离等于海底管道4直径时便已经达到滑动最大距离，随后，侧滑挡板11便会在弹簧12的作用下，随着海底管道4的下落而复位至相互对接状态。一般情况下，将管道导引架17之间的开口距离(沿枕木轴向)设置为5～10倍海底管道直径，主要作用为在管道铺设过程中，导引定位存在铺设误差的海底管道4落入竖向限位底座14上的海底管道预留位置。

本实施例中，枕木基础31、枕木支柱32和枕木滑轨33由下至上依次设置形成工字型结构，且枕木支柱32的顶端与枕木滑轨33的沿其宽度方向的中点连接，底端与枕木基础31的沿其宽度方向的中点连接，使得整个枕木组块3以枕木支柱32为中心呈对称结构。作为优选方式，将枕木基础31的宽度设置为海底管道4的直径的3～6倍；枕木滑轨33的宽度设置为海底管道4的直径的0.5～1倍。枕木支柱32的两侧与枕木基础31之间设置有三角加劲肋34；三角加劲肋34的高度为枕木支柱32的高度的2/3倍。其中枕木组块3的高度是最关键参数，作为优选方式，可将枕木基础31、枕木支柱32和枕木滑轨33的整体高度设置为海底管道4的直径的2～5倍，可使得管道被抬举脱离海平面且悬空段不会过长，从而在温压荷载下发生可控的整体屈曲变形。实际操作中，为了确保枕木组块3的高度达标，可将枕木支柱32的高度设置为海底管道4的直径的2～5倍。

针对现有枕木装置及其铺设方案难以在保证较高整体屈曲激发几率的同时避免竖向整体屈曲的现状，在考虑管线在高温高压联合作用下受初始缺陷设置诱发发生整体屈曲的原理的基础上，本实施例提出的上述带有侧向位移促进结构(即上述侧向滑动组块2)和竖向位移限制结构(即上述管道竖向限位组块1)的新型枕木装置中，侧向位移促进结构可以降低管道整体屈曲临界轴力，更好的保证枕木处海底管道整体屈曲的成功激发，竖向位移限制结构可以通过限制海底管道的竖向位移而实现避免竖向整体屈曲的目的；同时侧向位移促进结构和竖向位移限制结构的联合作用，可保证管道在启闭荷载往复作用下仅发生沿枕木的单向运动，避免了多维复杂位移下的不确定性。下面对本实施例上述避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100的运行原理做具体说明：

避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100的整体结构可为：管道竖向限位组块1与侧向滑动组块2焊接构成管道竖向限位和侧向滑动促进的上部结构，该结构通过与沿枕木轴向的枕木滑轨33滑动连接构成整个新型枕木装置。其中，采用海底管道4的半径为0.16195m，壁厚为0.0127m；每2000m间距的常规管线(即海底管道4)连接一个该避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100，第一次输送高温高压介质时，管线(即海底管道4)在温压联合作用下产生整体屈曲变形趋势，在竖直向位移受限且侧向滑动自由的枕木装置作用下，海底管道4发生侧向整体屈曲变形，如图9所示；降温时，管线(即海底管道4)升温时所产生的变形量有减小的趋势，海底管道4产生与原有运动方向相反的相对位移。带侧向滑动组块2的枕木装置使海底管道4在温压循环荷载下的往复整体屈曲变形始终只有侧向，避免多向运动下管道整体屈曲不可控，且位移过程中所受抗力为滑动抗力，避免海底管道4位移过程中的应力累积致使管道破坏。

由此可见，本技术方案中将枕木组块的高度设置为2～5倍海底管道的直径，并以一定间隔预先在管道安装线路上设置枕木，支撑并提升海底管道离开海床，使海床土体对海底管道的阻力降低，减小海底管道屈曲临界荷载，激发海底管道发生水平向热屈曲以达到释放轴力的目的；本技术方案通过限制海底管道竖直向位移并促进侧向滑动的枕木装置实现海底管道枕木法促进可控整体屈曲的工程目标，部件实现陆上安装，减少新型枕木装置安装成本；本技术方案管道竖向限位组块可以避免海底管道在温压荷载作用下发生竖直向屈曲，增加整体屈曲设计方案的可控性；本技术方案两侧滑挡板的开口距离(沿枕木轴向)可达5～10倍海底管道直径，可导引定位海底管道成功安装就位于新型枕木装置的竖向限位底座上的海底管道预留位置；本技术方案中弹性组件可由呈矩阵分布的9组弹簧构成，确定在管道安装就位后，侧滑挡板能在弹簧作用下恢复原位置，从而达到限制管道竖向位移的作用；本技术方案侧向滑动组块可以减小管道侧向位移所受阻力并且避免了局部不均匀阻力，避免了管道整体屈曲过程中的应力集中和累积，减少出现不可控整体屈曲的风险。

实施例二

本实施例提出一种基于实施例一中避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100的使用方法，主要包括如下步骤：

首先，在海底管道4的安装路线上间隔设置多个枕木装置(即避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100)；

然后，在枕木装置(即避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置100)上安装海底管道4，以使海底管道4安装入竖向限位底座14的预留位置15，并由侧滑挡板11限制海底管道4的竖向位移。

海底管道4安装完成之后，受枕木组块3的抬举作用脱离地面，脱离地面区域管道所受土抗力缺失，并且存在初始缺陷，在海底管道4升温升压运行工况下，产生整体屈曲趋势，在竖直向位移受限且侧向滑动自由的枕木装置作用下，海底管道4发生侧向整体屈曲变形；在管道启闭循环中经历降温降压工况时，海底管道4发生反向位移，并在再次升温升压中发生往复整体屈曲变形。带侧向滑动组块2的枕木装置使海底管道4在温压循环荷载下的往复整体屈曲变形始终只有侧向，避免多向运动下管道整体屈曲不可控，且位移过程中所受抗力为滑动抗力，避免管道位移过程中的应力累积致使管道破坏。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，包括：

管道竖向限位组块，所述管道竖向限位组块包括侧滑挡板、弹性组件和竖向限位底座，所述竖向限位底座上表面设置有供海底管道安装的预留位置，所述侧滑挡板沿所述海底管道的轴向对称设置有两组，两组所述侧滑挡板设置于所述预留位置的上方，所述竖向限位底座上表面在任意一所述侧滑挡板的远离所述海底管道的一侧均设置有固定基板，任意一所述侧滑挡板均通过所述弹性组件与对应侧的所述固定基板连接；两组所述侧滑挡板在对应所述弹性组件的作用下对接，并能够在所述海底管道的自身重力下被挤开，以使所述海底管道从两组所述侧滑挡板之间的缝隙内进入所述预留位置；所述海底管道安装完成后，两组所述侧滑挡板在对应所述弹性组件的作用下恢复对接状态，以限制所述海底管道的竖向位移；

枕木组块，所述枕木组块包括由下至上依次设置的枕木基础、枕木支柱和枕木滑轨，所述枕木滑轨的轴向垂直于所述海底管道的轴向；所述枕木组块用于支撑并提升所述海底管道离开海床；

侧向滑动组块，所述侧向滑动组块包括第一滚动滑块、第二滚动滑块和滚轮，所述第一滚动滑块的一侧设置有第一开口，所述第一开口用于与所述枕木滑轨的一侧滑动配合；所述第一滚动滑块的上表面与所述竖向限位底座的下表面连接；所述第二滚动滑块的一侧设置有第二开口，所述第二开口用于与所述枕木滑轨的另一侧滑动配合；所述第二滚动滑块的上表面与所述竖向限位底座的下表面连接；所述滚轮转动安装于所述第一开口和所述第二开口内，且任意一所述滚轮的转动轴线均垂直于所述枕木滑轨的轴向，所述第一开口通过所述滚轮与所述枕木滑轨一侧的上表面和下表面滚动配合，所述第二开口通过所述滚轮与所述枕木滑轨另一侧的上表面和下表面滚动配合；所述侧向滑动组块能够带动所述管道竖向限位组块沿所述枕木滑轨的轴向自由滑动。

2.根据权利要求1所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述枕木基础、所述枕木支柱和所述枕木滑轨的整体高度为所述海底管道的直径的2~5倍。

3.根据权利要求1或2所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述弹性组件包括若干弹簧，任意一所述弹簧的一端与所述固定基板连接，另一端与所述侧滑挡板连接。

4.根据权利要求3所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，还包括滑板，所述滑板的一侧与所述侧滑挡板连接，所述滑板的另一侧与若干所述弹簧连接。

5.根据权利要求1或2所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述管道竖向限位组块还包括管道导引架，两组所述侧滑挡板的上方分别设置有一所述管道导引架，且所述管道导引架安装于所述固定基板上，所述管道导引架的内侧设置有外凸式弧状导引面，所述外凸式弧状导引面能够与处于对接状态下的所述侧滑挡板衔接，以将所述海底管道导引至两组所述侧滑挡板上方。

6.根据权利要求5所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述预留位置为半圆形凹槽；

所述侧滑挡板为三角形挡板，且所述三角形挡板的底边为1/4圆弧凹槽，所述三角形挡板的一个斜边通过所述弹性组件与对应侧的所述固定基板连接，另一斜边能够在两组所述侧滑挡板处于对接状态时与所述外凸式弧状导引面衔接；

两组所述侧滑挡板结构相同，且对称布置，两组所述侧滑挡板处于对接状态时，两组所述侧滑挡板中的所述1/4圆弧凹槽能够与所述半圆形凹槽拼接形成一闭合圆环槽。

7.根据权利要求1或2所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述枕木支柱的两侧与所述枕木基础之间设置有三角加劲肋；所述三角加劲肋的高度为所述枕木支柱的高度的2/3倍。

8.根据权利要求6所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置，其特征在于，所述半圆形凹槽的直径为所述海底管道的直径的1.02~1.05倍；所述枕木基础的宽度为所述海底管道的直径的3~6倍；所述枕木滑轨的宽度为所述海底管道的直径的0.5~1倍。

9.基于权利要求1所述的避免海底管道竖向整体屈曲的枕木装置的使用方法，其特征在于，包括：

在所述海底管道的安装路线上间隔设置多个所述枕木装置；

在所述枕木装置上安装所述海底管道，以使所述海底管道安装入所述竖向限位底座的所述预留位置，并由所述侧滑挡板限制所述海底管道的竖向位移。