CN101855485A - 用于连接位于深水的管道的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于连接深水管道的系统，该系统包括具有刚度和弹性的壳体(B)，当沉浸时壳体(B)的厚度等于e2，作用在壳体外表面上的静水压力大于作用在其壁上的压力。厚度减小允许所述壳体插入焊接于要连接的管道的端部的两个相对凸缘(30)之间，所述凸缘固定在机加工于U形螺栓(A)中的槽(27)中。当使所述壳体弹性变形的不同的压力通过使用平衡阀而得以中和时，U形螺栓产生与所述壳体的弹性力相等且相反的反作用力，壳体不能恢复至其初始厚度，而是限制于厚度e3。该厚度差对应于壳体在沉浸过程中由该壳体储存的弹性势能，所述弹性势能表示U形螺栓中连接系统的紧固力的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于连接海下管道的系统，该系统特别设计为用于深度较深处。
背景技术
已有多种用于将管道装配在一起的方案。装配可以通过焊接或通过钎焊来进行，通过用于连接的螺纹套管和连接器，或者使通过旋转或膨胀适用于固定在要连接的管道节段的端部的实际可移动的凸缘，也能够进行装配。
上述所有列出的连接技术所共有的特征是，需要具有用于传输多种形式的能量的系统，该能量能够用于进行上述连接：
·热能或电能(焊接或钎焊)；
·机械能，以能够对螺母、螺钉、连接器或套筒施加驱动扭矩，从而使这些部件弹性变形，因而所述部件储存用于夹紧目的的势能。
虽然所有那些连接系统所共有的上述特征对于户外和陆地上的场所来说没有问题，但是在环境条件非常恶劣且进行人类活动具有不可克服的困难的环境中，上述特征不再适用于管道安装。在深海处，人类活动仅能通过装备有工具的功能有限且潜水时间有限的载人潜水器来进行，或者例如利用水下遥控载具(ROV)来进行。
无论如何，应当注意到的是，露天(即在陆地上)使用的连接系统已经完全转换到海下环境，尽管海下环境与露天环境完全不同。考虑到较深处的压力值，深水形成非常不利的环境。但是，如果用于需要一定量的功的一次性操作(one-off operation)，该压力可以是有益的(providential)。所述功等于力F与移动距离L的乘积(W＝F×L)，其中，考虑到同样用于机械领域的力的值，功的大小具有广泛的潜在应用：例如，夹紧或穿破厚金属板的操作，或者具体来说，例如提供密封的压力元件的操作，如用于连接管道的凸缘和配对凸缘。
应该注意到的是，在这些多种操作过程所使用的功通过以势能的形式储存在弹性系统中而及时得以延缓，仅仅通过在控制部件上施加作用就能够随时利用上述势能。
发明内容
因而，本发明的目的是提供能够在较深海水或类似环境中将至少两个管道连接起来的装置及其相关方法，该装置和方法的实现比现有技术的上述装置和方法更为简单。
本发明的目的通过本发明的用于将至少两个管道的端部连接起来的装置或系统来实现，该系统包括壳体和套筒，该壳体由弹性结构制成，所述套筒沿所述壳体的轴线穿过所述壳体，所述壳体具有能够变化的厚度且限定有密封容积，因而大于所述密封容积内部压力的该密封容积的外部压力使所述弹性结构弹性变形，从而将所述壳体的厚度减小到最大压力作用下的厚度。而且，通过将该连接系统设置在两个管道的端部之间，并利用触发部件通过使所述密封容积的内部压力与该密封容积的外部压力平衡，以使所述壳体的厚度变为在非受压的厚度和最大压力作用下的厚度之间的夹紧连接厚度，从而所述连接系统将所述管道连接。该夹紧连接由所述管道的端部上的所述壳体施加的该壳体的弹性变形所产生的力来提供。这使得所述管道的端部之间产生大的夹紧力，并且所述连接系统不需要释放大量的能量(或功)。需要释放的用来引发这些力的功率的量约为几个瓦特(或者数百个瓦特)。
所述套筒为具有可变厚度的元件，用于将要连接的管道连接起来，并在要连接的管道的内部容积之间提供连续性。所述弹性结构为所述壳体的外部，并且该弹性结构与所述套筒协同配合，以限定所述密封容积。所述套筒为所述壳体的内部。
术语“厚度(thickness)”是指所述套筒两个自由端之间的距离，即连接于所要连接管道的两个端部之间的距离。
还应该理解的是，所述连接系统产生适用于将水下深处的管道连接起来的夹紧力。该夹紧力通常较大。触发部件用于引发要施加的所述力。该触发部件自身由需要很小的传递能量来控制的装置。因而，夹紧力的实施需要很小能量来控制，几个瓦特的功率足以触发或者不触发所述管道之间的实际连接以及该连接的夹紧。
优选地，配对凸缘固定于所述要连接管道的端部，所述连接就建立在所述配对凸缘之间。
优选地，所述系统还包括支架，该支架能够将使要连接管道连接起来的所述管道的端部固定。
优选地，所述触发部件为阀，该阀用于在所述密封容积与外部环境建立连通，或者用于将所述密封容积与外部环境分隔开。
在第一变化形式中，所述连接系统还包括构成低压源的罐，当与所述密封容积相通时，所述罐能够使所述密封容积达到低压，从而将所述连接松开，并通过使所述壳体的厚度恢复为最大压力作用下的厚度，从而允许所述连接系统拆开。
优选地，所述弹性结构包括至少两个截头锥体形的弹性板，所述弹性板相反地环绕设置，所述弹性板利用螺纹连接件或焊接部而通过所述弹性板的大基底部固定在一起，并利用所述套筒通过所述弹性板的小基底部固定在一起。
术语“大基底部”是指所述板的具有最大直径的径向端，而术语“小基底部”是指所述板的具有最小直径的径向端。另外，术语“相反地环绕”是指所述板的大基底部彼此抵靠，而且每个板从其大基底部远离另一板凸出，因而所述板的小基底部分别位于由大基底部之间接触区域所限定的平面的相反两侧上。
在第二变化形式中，所述弹性结构还包括附加弹簧。
优选地，要连接的管道的端部具有沉孔(counterbore)，所述套筒的承载表面抵靠在该沉孔上。
术语所述套筒的“承载表面(bearing surface)”是指设计用于支撑所述管道端部的套筒的离隙(in relief)区域或部分。术语“沉孔(counterbore)”是指与承载表面形状互补的形状的离隙区域或部分，因而所述沉孔和承载表面彼此配合，并提供所述连接系统的套筒和所述管道之间的连接。
优选地，所述支架还包括滑动轴衬。
在第三变化形式中，在所述支架的帮助下，所述连接系统能够将管道的端部与装有盖的套筒连接，从而能够封闭所述管道的端部。
本发明还提供用于将海下管道连接起来的方法，该方法的特征在于，利用储存在所述系统的可变形部分的弹性结构中的两个压力的差所驱动的功，并综合利用所述两个压力，一个自然产生的外界“高压”和人工提供并容纳在系统中的“低压”，在没有受到抵抗时，所述可变形部分能够以驱动功的形式释放所有储存的能量，通过平衡作用在所述壳体上的内压和外压，所述部分或全部释放由消除所述压力的差的触发部件来远程控制。
因而，能够理解的是，所述方法包括首先将由(包括弹性结构的)壳体限定的处于第一压力(如环境压力)的密封容积置于海平面。然后，所述方法包括将所述壳体放入外界压力(例如，深度为2000米的海水中的环境压力)大于所述第一压力的介质中。因而，由所述壳体限定的密封容积内的压力小于外部介质作用在所述壳体上的压力，从而使所述壳体变形。当然，为了能够进行该变形，所述密封容积容纳有可压缩的流体，如空气。一旦所述壳体发生变形，通过触发部件(如阀)使所述密封容积与周围介质相通，则所述壳体的密封容积中的压力变为所述壳体外部的环境压力。然后，所述壳体的内部压力和外部压力趋于平衡，并因此所述壳体恢复为初始形状。自然，所述壳体按如下方式进行设计：所述壳体承受的变形不涉及塑性范围内的变形，从而以确保所述壳体的变形为可逆的。
在平衡所述内部压力和外部压力的过程中，所述方法包括限制或约束所述壳体恢复到其原始形状，也就是说，通过将所述壳体放置在两个管道的两个自由但基本静止的端部之间。因而，当所述壳体恢复到其原始形状时，该壳体抵靠在所述管道的自由端上，并从而建立所述两个管道之间的连接。然后，当所述壳体内的内部容积的压力和外部介质的压力平衡时，所述壳体施加将所述管道和壳体之间的连接夹紧(锁定)的夹紧力。该夹紧力与所述壳体受到限制的弹性变形成比例。换句话说，当所述壳体受到限制时，壳体的变形越大，则释放的夹紧力越大。
该新颖技术的基本思想是：系统综合利用外界静水压力和由变形时用于储存势能的材料制成的元件的弹性性质，用所述系统来代替利用如以包括螺栓和螺母的组件为代表的螺旋夹紧件的连接。所述势能是指在弹性静力学中所述元件的弹性势能或内部势能。所述元件可以由金属(如钢)制成，或者由天然聚合物或人工聚合物(如合成橡胶)制成，或者实际由复合材料(使用玻璃、碳纤维或聚芳酰胺纤维(aramid fiber))制成，因为复合材料能够利用粘合基质或夹层型(sandwich-type)组件将这些多种不同材料结合在一起。
因而，用于实现本发明的所述系统的技术利用硬件元件(hardwareelements)，该硬件元件的一部分依赖于弹性和刚性以吸收和释放功，该部分硬件元件包括称为“壳体B”的组件，而其他硬件元件利用硬件元件抗变形的能力组成称为“支架A”的组件，该支架产生与一定条件(在标题为“所述系统的操作”中进行解释)下壳体B产生的驱动力相抵抗的反作用力。
静水力学或流体静力学为公知的，因而重力作用的影响也是公知的。不需要进行详细地描述。虽然如上所述，这些力产生在深水中进行动作的主要障碍，但这些力还提供重要的且有利的势能。本发明依赖两个基本元件，该两个基本元件形成与弹性性质结合的该性质的应用。
在能量方面，基本理论是类似的。例如，为了获得热力学的功，需要冷源和热源。同样，在流体领域中，在流体静力学中，例如为了产生驱动力，需要处于不同压力水平的两种介质。因而，可以理解的是，如果外部表面封闭，具有刚性和弹性的壳体所受的压力大于可压缩流体作用在该壳体的壁上的压力，从而产生使所述壳体变平的力，进而改变该壳体的尺寸特征。该变形功对应于势能，该势能由壳体结构储存并且能够在所述压力源的作用消除时完全或部分恢复。
应该注意到的是，当所述壳体浸入液体中时，力通过压缩、牵引或弯曲而改变其结构的所有尺寸。该种变形对完全由机械加工控制的所述壳体的设计产生影响。例如，当由于压缩优势动作而需要采取动作并控制该动作时，所述壳体的结构的厚度在特定区域内能够减小，从而提高其柔性，或者相反地，能够增加其厚度，以提高其刚性。限制变形的所述刚性能够通过安全元件而得以加强，当所述壳体的厚度减小到最优值时，所述安全元件相互接触。
深水中的操作地点可以位于不同的深度，因而根据对应于壳体所浸入的深度的静水压力和在凸缘的连接平面处所需的夹紧力，可以在制造时对所述可变形的壳体B进行调整，并通过设计变形所涉及的表面面积的合适尺寸来进行调整。另外，使壳体B适用于具体目的与如下方面直接有关：
形成壳体结构所选择的材料(柔韧性、刚性、弹性模量、弹性限度)；和
构成所述壳体的壁的结构的厚度，所述壳体包括如上所述强度减小的区域或提高所述区域的刚度的更厚厚度的区域。
考虑到经济原因，并使制造较为简便，设计用于具体沉浸深度的壳体的一种确定类型的结构，通过使壳体具有可调整的附加负载可以适用于更深的深度，所述附加负载可以例如由用于呈柱或呈串安装(该两种相关的方法在工厂的装配过程中可以相互结合)的锥形弹性垫圈型的弹簧形成。
简言之：
如上所述，有效的是：
·提供以外界静水压力为代表的高能量源的介质；
·形成以具有(约为大气压力的)低压空气的壳体的内部容积为代表的低压源；以及
·适用于利用弹性性质来储存或恢复能量的系统；
因而，通过使用上述压力源中的一个或另一个，并利用“压力平衡阀”而使所述压力源隔开或相通，从而能够获得驱动功或抵抗功(resistingwork)。
这些装置的合适的结合形成本发明的海下管道连接系统的操作基础。
附图说明
通过阅读作为非限制性实施例给出的多种实施方式的如下详细描述，能够更好地理解本发明及其优势。以下描述参考附图，在附图中：
图1A为本发明的第一实施方式在厚度e1处的部分截面图，图1B包括在厚度e2和e3处的两个半截面，而图1C为沿图1B的平面F的截面图；
图2为本发明的第二实施方式的半截面图；
图3A为本发明的第三实施方式的部分剖开的正视图(face view)，而图3B为沿图3A的平面IIIB的部分截面图；
图4A为本发明的第四实施方式的部分正视图，而图4B为沿图4A的平面FF的限位部(set back)截面图；
图5A、图5B和图5C表示根据本发明的第五实施方式所实施的方法中的三个阶段，图5D为沿图5C的平面VD的截面图；
图6为本发明的第五实施方式的部分截面图；
图7A为本发明的第六实施方式的部分正视图，而图7B包括图7A的实施方式沿平面VIIB(在不同的厚度处)的两个半截面；
图8A和图8B表示本发明所实施的方法的两个阶段(分别为阀关闭阶段和阀打开阶段)；
图9A、图9B(阀关闭)和图9C(阀打开)表示本发明所实施的方法的变化形式的三个阶段；
图10为载荷/变形图表；和
图11为表示载荷如何根据水深而变化的图表。
具体实施方式
图1A、图1B和图1C
本发明的系统包括：
·首先，具有刚性的壳体B。该壳体B为封闭的并包括两个截头锥体形的弹性板1和2，该两个弹性板1和2为相反地环绕设置，所述两个弹性板1和2利用螺栓紧固件或焊接部5通过该弹性板的大基底部彼此固定，并利用套筒8通过其小基底部彼此固定。所述套筒8恰好沿壳体B的轴线穿过该壳体B；在套筒8的中部，套筒8具有预先成形为波纹管9的一个或多个折叠环形部，在套筒8的端部加工有垂直于轴线XZ的圆形部16和18。因而，可以理解的是，包括套筒8和弹性板1、2的壳体B围绕轴线XZ轴对称，套筒8同轴地安装在弹性板1和2中。弹性板1和2相当于本发明的弹性结构，即通过弹性变形产生夹紧力的部分。当壳体B静止(at rest)时，套筒8的两端之间的距离为最大值，并等于e1(非受压的厚度)。
由于套筒8通过旋转或膨胀而紧固于截头锥体形的小基底部36，该套筒8确定环形的密封容积10(leaktight volume)，通过将固定于结合板的大基底部的阀15打开，所述密封容积10适用于与壳体的外部环境相通，如上所述，所述结合板的大基底部通过螺栓紧固件而彼此固定，所述阀15的轴线相对于轴线XZ垂直。因此，可以理解的是，环形的容积首先由套筒8限定，其次由弹性板1和2限定。另外，还可以理解的是，套筒8为可弹性变形的，因而该套筒适用于通过弹性变形而储存能量，并因此适用于促进夹紧力的形成。
每个截头锥体形板的内部包括通过机械加工在其中围绕轴线XZ形成的圆形凸起13。所述凸起在所述环形容积10内彼此对称并彼此面对。当壳体B变平到最大程度e2时，所述凸起13能够彼此接触。换句话说，当壳体B承受压力差的作用时，所述凸起13彼此紧靠，从而壳体B具有最大的变形(即沿轴线XZ方向的变形)，因此套筒两端之间的距离为最小值，且等于e2(最大压力作用下的厚度)。
·此外，所述系统包括全焊接的支架A，该支架A包括几乎不会变形的U形加强件，而且在支架A中容纳有两个配对凸缘30，该两个配对凸缘30固定于要连接的管道的两端。所述配对凸缘预先装配在环形限位部(setback)27中。支架A适用于通过其配对凸缘30来支撑管道，以防止管道沿XZ方向移动而彼此分离。支架用于承载由壳体B产生的夹紧力。换句话说，当壳体B和管道连接起来时，支架A通过配对凸缘30以使壳体B利用弹性变形产生夹紧力的方式来支撑壳体B。
本发明的连接系统的操作
图1A、图1B和图1C(第一实施方式)表示：
·首先，在正视图和半截面图的顶部，此时壳体不受任何压力。环形容积10的内部压力与作用在壳体外表面上的压力相同，而且阀15为关闭的。在该条件下，壳体B的厚度为最大值e1，与壳体B的未沉浸位置对应。
·其次，图1B表示当壳体B承受静水压力时(最大压力作用下的厚度e2)，壳体B的截面图，而图1A表示非受压的厚度e1，因而最大的变形值等于e1-e2。
·当承受静水压力时，环形容积10与外部介质被阀15隔开，因而厚度为e1的所述壳体B的厚度变为e2，从而该壳体B能够插入由彼此相向的配对凸缘30的表面所确定的空间中。当壳体B下降时，壳体B通过由静水压力产生的力而逐渐变平，并在该阶段达到其最大变形，该最大变形受到彼此接触并用作安全装置的环形凸起13的限制。
确定对应于变平的厚度变化的力的值为：壳体外径(Φ2)所对应的面积和壳体内径(Φ1)所对应的面积的差与每平方厘米(cm2)静水压力的乘积。在设计所述壳体时，以及使所述壳体适应于传输液体的工作压力时，上述面积差的值非常重要，并且该值更精确地用于调整弹性势能，所述弹性势能即为以真正弹性系统的方式由所讨论的壳体B储存的功的大小。利用如上所述设置的壳体B，该壳体B的轴线与轴线XZ共轴(即壳体B设置在与管道相同的轴线上)，通过将阀15打开，以使所述壳体的内外压力平衡，从而能够将连接夹紧。随着所述壳体的膨胀，该壳体将圆形承载表面16和18强制配合在配对凸缘30的限位部(setback)中。配对凸缘固定在形成于支架A的圆形限位部27中，所述配对凸缘提供与夹紧力相等的反作用力(opposingreaction force)。在该位置，壳体B的套筒8的端部之间的距离(称为中间距离)等于e3，该厚度e3小于最大厚度e1(处于静止的壳体B)且大于或等于最小厚度e2(变形最大的壳体B)，即e2≤e3＜e1。
应该注意到的是，该系统的操作在理论上可以与蝶型(Belleville)弹性垫圈相比，其中，载荷P与形变(deflection)Δ之间的关系与其他类型的弹簧不同。对于变化较大的形变，所述垫圈提供恒定的载荷，而且所述垫圈特别在操作范围(operating zone)中提供恒定的载荷，该操作范围具有特别的优势，即接近最大载荷，并因而接近最大变形(参见第7/8页上的图10中图表)。该特征能够产生使圆形承载表面16和18深入配合在配对凸缘30中的膨胀，而没有大量的能量损耗。
图2(第二实施方式)与第一实施方式(图1A、图1B和图1C)的操作方式类似，区别之处在于，壳体B包括装配在一起的四个截头锥体形的板1、2、3和4，该四个板成对相反地环绕装配起来，所述板首先利用抵靠在环形衬垫6上的螺栓紧固件5通过所述板的大基底部彼此固定，其次在其小基底部通过套筒8而彼此固定，该套筒8在装配之前为液压成形(hydro-formed)或者热成型制成，并且套筒8压紧在截头锥体形1和4的圆形基底部上。环形容积10相对于外部的密封通过两个环形塑料的覆布模塑(drape-molded)环12而得以加强，一个覆布模塑环抵靠在套筒8和截头锥体形板1的小基底部上；另一覆布模塑环抵靠在截头锥体形板4的小基底部和夹紧螺母17上。拧紧所述螺母会同时使套筒8变长，同时与之相反的推动截头锥体形板的基底部，从而在按照该方式安装的装配过程中，获得小量的预紧力。两个环形容积10能够通过例如通道16或者通过在套筒8中机加工的纵向槽(未显示)相通。
如参考图1A和图1B的描述，设置有环形凸起13，当环形凸起13相互接触时，该环形凸起13能够限制变形。在该位置，所述凸起容纳抵靠在该凸起上的波纹管9。
在轴线XY上以及在围绕套筒8的纵向轴线的同心圆上，设置有以锥形弹性垫圈型弹簧(conical spring-washer type springs)为形式的附加负载14(additional loads)，如上所述。该弹性垫圈具有销37，该销37穿过所述弹性垫圈，并通过滑动轴衬38而与弹性垫圈的小基底部配合。滑动轴衬38在围绕轴线Z-Z’的同心圆上对称分布。销37之间间隔有角度，该角度的大小在工厂装配过程中来确定。设置可拆卸且可调整的附加负载，能够便于利用本发明的系统使根据壳体B的结构适用于不同的水深，从而适用于不同深度的工作地点。
截头锥体形板1具有平衡阀15，该阀15螺旋拧入截头锥体形板1的侧部，以(当关闭时)将环形容积10与外部环境隔开，或者相反地，(当打开时)使两种介质相通。该部件用于允许或者防止环形容积10与外界压力平衡，该部件可以为用低功率超声波控制的针阀型或电控阀型阀，因而从ROV或实际从海面的船上能够进行远程控制。
所述连接系统的上述变化形式的主要优势在于：首先，增加形变的大小，对于相同的负载，该形变的大小变为两倍；其次，能够利用弹性垫圈型弹簧14而将所述负载(load)增加到所需要的值。在该实施方式中，弹性结构为与附加负载14结合的四个板1、2、3和4。当然，还能够将该附加负载或弹簧14安装到第一实施方式(图1A和图1B)中。
图3A和图3B(第三实施方式)表示形状略微不同于图1A所示的双锥体形的壳体，而且其中，为了定向所述壳体的变形，在环形容积10的外周形成有槽7，中性纤维(neutral fiber)位于轴线UU’上。图3A表示附加负载14、圆形凸起13和最后用于配合支架A中的配对凸缘30的圆形限位部27的设置，所述附加负载14位于与要连接的管道的长度的轴线同心的圆上。
图4A和图4B(第四实施方式)表示使本发明的系统能够同时将直径为Φ1、Φ2、Φ3、Φ4的多个管道连接起来的另一变化形式。
再次使用截头锥体形板1和2，该板1和2利用螺栓紧固件或焊接部5通过板的大基底部而彼此固定，并利用套筒8通过所述板的小基底部而彼此固定。该套筒8焊接于薄板20，该薄板20几乎不变形，并且在板1和2受到静水压力的作用下而变形过程中，驱动所述薄板20平移，从而使壳体的厚度减小，或者当压力平衡时允许壳体膨胀。环形空间10的功能与(平衡阀未显示的)上述实施方式中的功能相同。环形限位部27容纳支架A中的配对凸缘30。
图5A、图5B、图5C和图5D表示类似闸刀刀片(guillotine blade)将壳体B安装在支架A中的阶段，也就是说，将壳体B安装在由支架A支撑的管道的两端之间(壳体B为第五实施方式的壳体，以下将参考图6描述第五实施方式)。阶段一(图5A)和阶段二(图5B)表示下降到海底时而承载最大静水压力的壳体B，该最大静水压力将壳体B的厚度值变为e2，从而使壳体能够插入彼此面对的两个配对凸缘30之间的空间中(阶段二)。
阶段三(图5C和图5D)对应于弹性膨胀的壳体，并对应于通过将平衡壳体B内外压力的阀15打开而被夹紧的连接系统。
应该注意到的是，在阶段一和阶段二中，可滑动的轴衬21和22处于收缩位置，并在阶段三夹紧后重叠(该变化形式将参考图6加以解释)。
图6(第五实施方式)提供本发明的用于将设置在支架A中的两个管道节段连接起来的系统。因而，通过覆盖套筒8的端部的滑动轴衬21，以及覆盖螺母17并防止该螺母17转动的滑动轴衬22，使所述连接的刚性(stiffness)得以加强。
罐24通过焊接固定在支架A上，并形成用于拆开(dismantling)本发明的连接系统所需的低压能量源，所述罐24承载最大的静水压力。通过当阀23打开时使罐24与环形容积10相通，能够恢复到夹紧之前的初始压力条件，从而实现松开和拆开。只有当轴衬21和22滑回其重叠之前的初始位置之后，才能够将支架A从壳体B拆卸下来。
支架-壳体组件中结合有低压源的该拆开装置有利地限制使用管道系统以将阀23和15相互连接的行为，该阀23和15以如下方式加以设置：使环形容积10与外界压力隔开，并使所述环形容积受到所述罐24形成的低压源的作用。
罐24的容量应该不小于环形容积10和连接的管道系统(connectionpipework)的总容量。
采用所述系统将水下管道连接起来具有优势，所述水下管道可以具有长度较长的节段，这可以通过所述节段的较小密度来实现(然后使用柔性的立管(risers))。应该注意到的是，罐24提高支架A的刚性，并与支架A形成一个单元组件。
图7A和图7B(第六实施方式)表示根据与本发明的系统相同的原理运行的变化形式，并且当管道充满如液体碳氢化合物的污染物质时(例如，在油田放弃之后)，所述变化形式特别设计用于在拆开操作过程中封闭海下管道节段的端部。
与上述变化形式相比的一个区别之处在于如下事实：支架A通过螺纹连接于43的可变形套筒8而固定在壳体B上。在下降之后，按照上述方式设计的所述单元组件覆盖和保持约束配对凸缘30，这可以从表示壳体和支架位于其夹紧之前的位置的截面图(上半部分)中看出；而且从表示在夹紧后通过抵靠在配对凸缘30的圆形沉孔上的承载表面16所提供的密封的截面图(下半部分)中，也可以看出这一点。
图7A和图7B表示提升环33和螺盖34，在未拧紧时，所述螺盖34使管道节段在到达海面时能够清空；而另一端(未显示，但设置有相同的组件)能够使表面活性剂或蒸气在压力作用下通过螺纹连接件35喷射出来，以使管道系统中残存的物质流体化(fluidizing)，从而使管道系统能够恢复。
另一区别之处在于在上述实施方式中称作阀的平衡部件15。该阀被可破坏管39来代替。所述可破坏管39的一端通过在(tapping)截头锥体形板2的壁中攻丝而得以固定，其另一端为封闭。通过使杆31旋转四分之一圈，以使可破坏管39扭转并破坏，从而上述可破坏管39适用于使环形容积10中的压力与外界静水压力相平衡。在操作地点进行操作和下降过程中，为了避免使壳体B内部压力与外部压力平衡的不合时宜的命令操作，带有铅封(lead seal)的叉形件32用于防止杆31移动。
在清空管道节段操作结束时，通过松开装配螺栓37，能够使配对凸缘30与支架A脱离。
图8A和图8B(阀打开，阀关闭)表示本发明的连接系统的现场装配。在与参考图5A、图5B、图5C和图5D所述的相同的过程中，将壳体B类似于闸刀刀片置于支架A中。
图9A和图9B(阀关闭)和图9C(阀打开)表示本发明的连接系统的一种变化形式的装配。该变化在于：在使支架A和管道下降之前，通过焊接部S将支架A固定在用于连接的管道的端部45，并将所述组件置于底部，在下降之前，壳体B本身通过焊接部S1固定在用于连接的管道的另一端，然后再下降并与环形限位部27配合。接着，所述壳体处于对应于本发明的连接系统的夹紧的位置上。
图11为表示载荷如何根据采用的面积差而变化的图表。在如下实施例中，本发明的连接系统安装于名义直径Φ等于8英寸的管道，即203.2毫米(1英寸＝25.4毫米)。(公制)单位为吨的载荷沿横坐标，与海下地点相等的水深为纵坐标。
实施例1(水深2000米，系数K＝Φ2/Φ1＝600/350＝1.714)对应于连接面处的压力等于373吨。
实施例2(水深相同，系数K＝Φ2/Φ1＝650/350＝1.857)对应于连接面处的压力等于471吨。能够通过远程控制触发这些力的功率为几瓦特(W)。
标记(定义)参见图1A和图1B
e1 不受压力的壳体的厚度
e2 在最大压力作用下的壳体的厚度
e3 所述连接系统被夹紧时的壳体的厚度
Φ1 不涉及壳体变形的面积的直径
Φ2 参与壳体变形的环形的直径
SΦ2-SΦ1 涉及形变的表面积差
根据涉及表面积的差的载荷
实施例1：管名义直径Φ为8英寸，水深2000米
Φ2＝600mm S＝2826cm2
面积差：2826-961＝1865cm2
Φ1＝350mm S＝961cm2
2000米处的总载荷：200×1865＝373,000千克(kg)
连接面积(joint area)66cm2
连接处的压力：373,000÷66＝5651kg/cm2
实施例2：管名义直径Φ为8英寸
Φ2＝650mm S＝3316cm2
面积差：3316-961＝2355cm2
Φ1＝350mm S＝961cm2
2000米处的总载荷：200×2355＝471,000kg
连接面积(joint area)66cm2
连接处的压力：471,000÷66＝7136kg/cm2
Claims (11)
1.用于将至少两个管道的端部连接起来的连接系统，该系统的特征在于，所述系统包括壳体(B)和套筒(8)，该壳体(B)由弹性结构制成，所述套筒(8)沿所述壳体(B)的轴线(XZ)穿过所述壳体(B)，所述壳体(B)具有能够变化的厚度且限定有密封容积(10)，因而大于所述密封容积(10)内部压力的该密封容积(10)的外部压力使所述弹性结构弹性变形，从而将所述壳体(B)的厚度减小到最大压力作用下的厚度(e2)；而且所述系统的特征在于，通过将所述连接系统设置在两个管道的端部之间，并利用触发部件(15)使所述密封容积(10)的内部压力与该密封容积(10)的外部压力平衡，以使所述壳体(B)的厚度变为在非受压的厚度(e1)和最大压力作用下的厚度(e2)之间的夹紧连接厚度(e3)，从而所述连接系统将所述管道连接，该夹紧连接由所述管道的端部上的所述壳体(B)施加的该壳体(B)的弹性变形所产生的力来提供，从而无需提供大量的能量，就能够在所述管道的端部和所述连接系统之间实现大的夹紧力。
2.根据权利要求1所述的连接系统，其特征在于，在固定于要连接的所述管道的端部的配对凸缘(30)之间进行所述连接。
3.根据权利要求1或2所述的连接系统，其特征在于，所述系统还包括支架(A)，该支架(A)能够使要连接的所述管道的端部相对于彼此而保持固定。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述触发部件为阀(15)，该阀(15)能够使所述密封容积(10)与外部环境相通或隔开。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述系统还包括构成低压源的罐(24)，该罐(24)能够与所述密封容积(10)相通，以使该密封容积(10)恢复低压，从而将所述连接松开，并通过使所述壳体(B)的厚度变为最大压力作用下的厚度(e2)，从而允许所述连接系统的拆开。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述弹性结构包括截头锥体形的至少两个弹性板(1，2，3，4)，所述弹性板相反地环绕设置，所述弹性板利用螺纹连接件或焊接部(5)而通过所述弹性板的大基底部彼此固定，并利用所述套筒(8)通过所述弹性板的小基底部彼此固定。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述弹性结构还包括附加弹簧(14)。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述要连接的管道的端部具有沉孔，所述套筒(8)的承载表面(16，18)抵靠在该沉孔中。
9.根据权利要求3以及权利要求1至8中任意一项所述的连接系统，其特征在于，所述支架(A)还包括滑动轴衬(21，22)。
10.根据权利要求3以及权利要求1至9中任意一项所述的连接系统，其特征在于，在所述支架(A)的帮助下，所述系统还能够将管道与装有盖(34)的所述套筒(8)连接，以封闭所述管道的端部。
11.用于将海下管道连接起来的方法，该方法的特征在于，利用储存在所述系统的可变形部分的弹性结构中的两个压力的差所驱动的功，并综合利用所述两个压力，一个自然产生的外界“高压”和人工提供并容纳在系统中的“低压”，在没有受到抵抗时，所述可变形部分能够以驱动功的形式释放所有储存的能量，通过平衡作用在所述壳体(B)上的内部压力和外部压力，所述部分或全部释放由消除所述压力的差的触发部件(15)来远程控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120829 Termination date: 20131105 |