CN102076926B - 管连接器装置 - Google Patents

Abstract

一种管连接器包括管状公接头构件（1）和管状母接头构件（2），所述管状公接头构件（1）具有截圆锥形外表面（3），而管状母接头构件（2）具有截圆锥形内表面（4），该内表面（4）与公接头构件（1）的外表面（3）相对应，并且当构件（1，2）完全接合时叠加公接头构件（1）的截圆锥形表面（3）。构件（1，2）在上述周面（3，4）上装备有可相互接合的环形凸起（5）和槽（6），用于当它们完全接合在一起时在轴向上将构件锁紧在一起。凸起（5）和槽（6）沿着表面（3，4）间隔开。公接头构件（1）的内管状表面（21）和母接头构件（2）的外管状表面（28）各都包括凹槽（22，23，32，33）和/或突出物/径向增大分段（34，35）的至少其中之一，这样沿着相关构件（1，2）的长度减少和/或增加管状壁的厚度，以便平衡构件（1，2）在喷射压力下沿着其长度在不同点处的位移。

Description

管连接器装置

技术领域

本发明涉及管连接器的改进，该管连接器尤其是但不仅仅是供在石油工业中使用，用于连接一系列管的金属管段。 

背景技术

所谓的Merlin式管连接器在用于将管连接在一起的技术中众所周知，并在GB 1573945，GB 2033518，GB 2099529，GB 2113335和GB 2138089中公开。连接由管状公接头构件和管状母接头构件形成，所述管状公接头构件具有截圆锥形外周面，而管状母接头构件通常具有截圆锥形内周面，该截圆锥形内周面与公接头构件的截圆锥形外周面相对应。在使用中，将两个各与一管段有关的构件套接在一起，并通过配合上述周面上的环形凸起和槽轴向上锁紧在一起，凸起和槽沿着两个表面间隔开。 

在将两个构件套接在一起时，起初将它们套接在至少表面叠加部分的端处，直到在凸起的顶部表面和槽间表面之间形成表面接触。然后通常是在表面的叠加部分之间供应加压下的液压流体，以便使公接头构件扩张和/或使母接头构件收缩，以让构件完全套接在一起，或者使构件可以被简单地推在一起。加压的液压流体也能通过扩张母接头构件和/或收缩公接头构件来将构件分开，以便使凸起与对应的槽脱离接合。 

为了减少构件的轴向范围，可以设置其具有较小轴向范围的凸起和槽，但这意味着，为了在构件开始接触之后将它们完全套接在一起，必需在每个凸起与设计用来接合于其中的槽对准之前，移动各个凸起通过至少一个槽。在这样做时，有凸起和槽在构件完全套接在一起之前可能相互接合的危险，且随后证明不可能将凸起和槽分开。为了避免这点，现有技术系统提出了将凸起和槽的至少某一些形成具有不同的轴向范围，以便在构件完全接合之前，这些凸起和槽不能相互接合。如此安排，以便在各构件的所有中间位置中，在完全接合之前和截圆锥形表面开始最初的表面接触之后，在至少一部分凸起的顶部和沿着截圆锥形表面的叠加部分间隔开的槽间表面之间有接触。 

然而，这些现有连接器技术有问题，因为当用加压的液压流体将构件分开时，为了保证凸起和槽在构件表面的端部处克服径向约束并完全分开，被加压流体强加在构件表面的中心部分上的径向荷载显著地大于为分开这些分段中的凸起和槽所必需的荷载。这可能造成超过这些分段中连接器部件的材料的弹性极限，使这些部件永久地变形，并因此阻止了重复使用。这个问题已通过用高强度钢制造构件克服，但这显著地增加了成本。 

申请人拥有的较早欧洲专利EP 0803637对这个问题公开了一种解决方案，其中将凸起的径向高度朝每个构件的自由端方向降低，以便减少那些凸起在槽中的接合深度。尤其是，凸起的径向高度朝每个构件的自由端方向向内形成锥形，这减少了各齿在槽中的接合深度，因此在卸开时提供足够的端齿的间隙，以便能在较低的压力下分开，而同时保持平均齿接合相对高度。这样，减少了在连接器的中间构件过压超出材料的弹性极限的危险。 

然而，该系统有缺点，因为各齿顶不再对准在单一锥体上，且不均匀的顶部外形在装配期间产生接触压力高的点，而这能导致齿的过度局部磨损。另外，在端部处将齿顶形成锥形在形成接头期间损害端齿之间的金属-金属密封，这意味着需要高粘度喷射流体，以便能实现光滑构造所需的高喷射压力。 

发明内容

按照本发明的一方面，提供了一种管连接器，该管连接器包括：管状公接头构件和管状母接头构件，所述管状公接头构件通常具有截圆锥形的外周面，而管状母接头构件通常具有截圆锥形的内周面，该截圆锥形内周面与公接头构件的外周面相对应，且当构件完全接合在一起时叠加公接头构件的截圆锥形表面，各构件在上述周面上设有可相互接合的环形凸起和槽，用于当构件完全接合在一起时将构件轴向上锁紧在一起，凸起和槽沿着表面间隔开，用于当构件完全接合在一起时在构件的表面的叠加部分之间供应加压下的液压流体的机构，以便使母接头构件扩张和/或使公接头构件收缩，来使凸起与对应的槽脱离接合并让构件分开，和用于径向约束连接器的其中一个构件的自由端的机构，其特征在于，公接头构件的内管状表面和母接头构件的外管状表面的至少其中之一包括凹槽和凸起/径向增大的分段的至少其中之一，其沿着至少一个构件的长度减少和/或增加管状壁的厚度，以便平衡至少一个构件在喷射压力下沿着其长度在不同点处的位移。 

本发明的管连接器所具有的优点是，从每个构件上与凸起/槽相对的表面除去和/或增加材料调节构件的位移响应，同时能在端部处对任何特定的压力达到较高的位移。因此可以更好的平衡槽/凸起的中部和端部之间的位移，因而能在较低的压力下松开连接器，并因此避免过压。因此系统避免了使用齿的可变径向叠加，而由于在末端处增加的齿接合增加了强度能力。同时得到了改进的临时密封而产生更光滑的构造和打开，因而减少了磨损，对打开能使用较低粘性和更环境友好的喷射流体，并简化了制造构件期间的机加工和检验要求，从而降低了成本。 

优选地，至少一个凹槽或凸起是由相应构件的相应表面中向内和向外形成锥形的分段形成。尤其是，公接头构件的内表面的第一分段跨过装在公接头构件上的槽/凸起的根端延伸，该第一分段向外并随之朝后向内形成锥形，以便形成一基本上是V形的通道，该通道凹入内管状表面，上述V形通道围绕公接头构件的整个圆周延伸。第一分段的向外形成锥形部分的锥角优选地为7.1°，该第一分段的向外锥形部分的锥角更有利地比其向内锥形部分的锥角浅，后者的锥角优选地为8.85°。 

第一分段的向外锥形部分的锥角优选地比公接头构件由凸起/槽的顶部所形成的外部截圆锥形表面的锥角陡峭，而该截圆锥锥角优选地大体上为4°。 

在优选实施例中，公接头构件的内表面包括第二分段，该第二分段接近公接头构件的端头，其中内表面的半径减小，以便增加公接头构件的管状壁的厚度，所述第二分段优选地由内表面的半径陡峭地锥形减小形成，第二分段后面是圆筒形部分，所述圆筒形部分朝端头方向延伸，同时在减小的半径内表面上形成平坦部分。 

母接头构件的外表面优选地具有第一向内锥形部分和第二向外锥形部分，所述第一向内锥形部分从根部朝端头方向延伸，而第二向外锥形部分从第一部分的端部朝端头方向延伸，上述第一部分的锥角比上述第二部分的锥角陡峭，它们优选地大体上分别为7°和2.8°，上述第二部分显著地比上述第一部分长。第二部分的径向范围优选地比第一部分的径向范围大，这样第二部分收尾在比第一部分的开头更大的半径处。母接头构件的外表面还有利地包括第三圆筒形部分，该第三圆筒形部分从第二部分的朝端头方向的端部延伸跨过在母接头构件的内表面上形成的凸起/槽的端头末端。 

第二分段的锥角优选地比承载在母接头构件上的凸起顶部/顶部的锥角小，所述顶部优选地具有锥角为大体上4°。 

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在参照附图说明作为例子给出的本发明的实施例。 

图1是穿过现有技术的管连接器的轴剖视图，示出各构件处于它们最初套接在一起的位置。 

图2是类似于图1的剖视图，但示出现有技术连接器具有完全接合在一起的构件。 

图3是与图2对应的剖视图，示出本发明的管连接器具有其完全接合在一起的构件。 

图4a是形成本发明的连接器的一部分的母接头构件的一部分的放大剖视图。 

图4b是形成本发明的连接器的一部分的公接头构件的一部分的放大剖视图。 

图5示出各种不同的曲线图，所述曲线图图示齿隙上的改进作为与现有技术的对照。 

具体实施方式

首先参见图1和2，图1和2示出了现有技术管连接器，该管连接器包括管状公接头构件（pin member）1和管状母接头构件（box member）2，所述管状公接头构件1和管状母接头构件2连接到或者例如通过焊接连接到两个管的端部上。公接头构件1和母接头构件2被设计成套接在一起，而公接头构件1的外表面3和母接头构件2的内表面4二者一般都是截圆锥形，并装备有互补式若干凸起5和槽6，所述凸起5和槽6在表面的端部中间沿着表面的长度轴向间隔开。各凸起和槽相对地定尺寸，以便当公接头构件和母接头构件完全接合在一起时，对应的一个凸起相互接合在槽中，以便将两个构件轴向上锁紧在一起。公接头构件1在本文中被描述为具有若干凸起5，而母接头构件2被描述为具有若干槽6，但应该理解，这些说明能颠倒过来。 

构件的接合在两个阶段中进行。起初，把公母接头件装配在一起，直至在凸起5的脊面7和槽6之间的表面8之间产生接触。此后，在轴向上施加力以完成构件的接合。在第一阶段结束时，一个凸起可能还必须在它到达其接合于其中的对应的槽之前，越过多个例如三个或四个槽。在这种安排情况下，为了防止凸起与不是同它对应的槽的不当心的接合，亦即，在构件完全套接在一起之前，可以将对应的成对凸起和槽沿着表面3，4的长度装备有不同的轴向范围和间距。然后将凸起5和槽6例如如GB 2113335中所述安排，以便在套接构件3，4期间于中间位置处，在两构件形成最初接触之后，至少一部分沿着表面1的长度和表面3，4的叠加部分的端部中间间隔开的凸起5的脊面7与槽之间的表面8对准，以防止凸起和槽在表面的叠加部分的任何相当大的长度上的过早相互接合。 

为防止凸起和槽中间相互接合，间隔开的环形凸起和槽的安排以及轴向定尺寸能通过许多不同的方法得到，例如，如GB 2113335中所述。 

在构件已套接在一起到达它们的起始位置之后，它们可以通过简单地施加轴向力到构件上达到完全接合。然而，通过在表面的叠加部分之间施加高压的液压流体，可以帮助接合，且还可以将构件分开。该高压流体在叠加的表面上施加径向加载，而使母接头构件扩张和/或使公接头构件收缩以在凸起和槽之间产生间隙，以便能接合和分开。加压的流体还起润滑凸起表面5的脊面7和槽6之间表面8的作用，以便有助于这些表面在彼此之间的滑动。 

如各附图中所示，母接头构件2装备有径向管道9，该径向管道9用于连接到高压液压流体源上，以便能将高压流体引入叠加的构件之间。导管9从母接头构件向内通入母接头构件的截圆锥形表面4装备有凸起或槽的区域中。为了便于加压的流体沿着构件的整个叠加长度的贯穿，设置轴向延伸的槽10，11，所述槽10，11一个在公接头构件1中，而另一个在母接头构件2中，它们分别与凸起和槽相交，而导管9通入母接头构件内的槽11中。 

为了保证构件的截圆锥形表面3，4的端部处密封和防止高压液压流体在构件分开期间从构件之间的任何不当心的溢出，可以在截圆锥形表面3、4的端部处或端部附近设置密封机构，且密封机构与径向上限制构件自由端的机构结合设置。如所示，密封和径向上限制机构包括一环形径向上延伸的凸出部或凸起12，13，该凸起12，13设在每个构件的自由端处，并容纳在另一个构件的截圆锥形表面的内端处的对应槽14，15中，且如所示，密封件在侧向上贴着另一个构件的槽的表面部分16a和16b，17a和17b，为此表面部分16a，16b，17a，17b装备有合适的锥形。实际上，当构件完全接合在一起时，每个凸出部12，13都在其对应的槽14，15中处于完全干涉配合。表面部分16a和17a沿着构件的表面延伸，以便在构件完全接合之前凸出部12，13形成与这些表面的密封接触，并且实际上，在构件的装配期间，在它们的起初套接位置中，于截圆锥形表面的叠加部分的端处提供密封。将槽14，15的底部同构件的外部连接起来的导管18，19设置成能在连接器的装配期间将液压流体放出，以保证流体不截留在构件之间，并因此防止完全接合。凸出部和槽之间的密封可供选择地可以用各种各样不同的方法实现，例如，如GB 2138089中所述。 

如图1和图2中清楚示出的，在现有技术系统中，每个构件的壁厚都朝各个连接器的自由端方向向内线性成锥形，以便在自由端处最薄。因此，为了防止材料的过压，将在径向上被限制的每个构件的每个自由端的区域中，至少端部凸起和槽的完全接合处径向叠加的范围减少，以便减少为分开构件所需的液压流体的压力。如所示，径向叠加的减少通过减少在公接头构件装备有凸起的至少一部分表面的末端部分中凸起的径向范围，和减少母接头构件装备有槽的至少一部分表面的相对端部分中槽的径向深度来得到。 

现在参见图3-4b，示出了本发明的连接器，其中与图1和图2的现有技术系统相同的所有部件都用相同的标号表示，且除非另有说明，否则应理解为用与上述现有技术系统相同的方式操作。 

可以看出，与现有技术系统相比，管状公接头构件1的内表面21的外形和管状母接头构件2的外表面31的外形在凸起5和槽6的区域中已从现有技术的圆筒形表面改变，因此每个构件1，2的壁厚不再像现有技术系统中那样朝向各个连接器的自由端方向向内连续地成锥形。在公接头构件1的情况下，材料已在凸起5的两端处从内表面21中除去，而在母接头构件2的情况下，材料已被加到接近连接器的自由端的外表面并从另一端被除去。 

图4b更详细地示出本发明的公接头构件1的外形，而作为对照，在图4b中用虚线A表示现有技术连接器的圆筒形内表面。在公接头构件的根端1a（远离端头1b）处开始，内表面21一般是圆筒形，但在两个分段处偏离常规圆筒形外形，第一分段22与槽6/凸起5的根端叠加，而第二分段23与槽6/凸起5的端头末端叠加。 

第一分段22由向外形成锥形的截圆锥形分段22a形成，该截圆锥形分段22a连接向内形成锥形的截圆锥形分段22b，两个分段在内部外形中形成V形凹部，该V形凹部围绕整个圆周延伸，向内锥形分段以与向外锥形分段开始相同的半径结束。然而，可以看出，向外锥形分段22a的锥角比向内锥形分段22b的锥角浅—在所示实施例中，向外锥形分段具有锥角为13.90°，而向内锥形分段具有锥角为17.15°，并使公接头构件1的内表面21的半径增加约3.6%。整个第一分段22具有约为公接头构件工作长度38%的纵向延伸。 

第一分段22如此设置，以使从向外锥形分段到向内锥形部分的过渡基本上与凸起5/槽6的根端对准，因此在第一分段22的区域中壁厚在槽/凸起的根端处最小。 

第二分段23由短的向外成锥形截圆锥形分段23a形成，该截圆锥形分段23a具有倾斜角为20.8°，并连接到圆筒形分段23b上，向外锥形分段23a将内部外形的半径增加了约0.62%。圆筒形分段23b朝公接头构件1的端头1b方向延伸，叠加凸起/槽的端头末端，并收尾在向内锥形截圆锥形分段23c处，该截圆锥形分段使内部外形返回到原始半径。在所示的实施例中，圆筒形分段的纵向范围约为公接头构件1的操作长度的18%。 

现在参见图4a，更详细地示出了本发明的母接头构件2的外形，在图4a中用虚线B表示现有技术母接头构件2的圆筒形外表面。从母接头构件2的根端2a（远离端头2b）开始，外表面31在槽/凸起5的起点朝向根部开始，径向上向内形成锥形之前，按照常规的圆筒形外形，以便减少母接头构件2在第一截圆锥形分段32中朝向凸起/槽5的根端的壁厚。在优选实施例中，第一截圆锥形分段32具有锥角为7.02°，沿着母接头构件2的操作长度，也就是说母接头构件2与公接头构件1叠加的长度的约18%延伸，并导致母接头构件2的外表面的半径减少约2.4%。 

第一向内锥形截圆锥形分段32连接到第二向外锥形截圆锥形分段33上，从第一分段32到第二分段33的过渡部分限定母接头构件2的外表面31的半径最小，该最小半径在纵向上刚好位于在母接头构件2的内表面上所形成的凸起/槽5的起始点的前面。第二分段33的锥角小于第一分段32的锥角，并且也小于由母接头构件2的内表面上所形成的凸起/槽5的齿顶所限定的表面的锥角，因此母接头构件2的壁厚朝母接头构件2的端头方向减小。在所示的实施例中，齿顶限定锥角约为4°，而第二截圆锥形分段33具有锥角基本上是2.8°。 

向外锥形第二分段33持续朝向母接头构件2的端头2b，在根部2a的外表面和常规外形（B）的半径外部延伸，与常规设计相比，以便实施在凸起/槽5的端头末端的区域中母接头构件的环形壁的径向加厚。第三圆筒形分段34从第二分段的尖端出发，在第四向内锥形截圆锥形分段35中放弃形成锥形之前，跨过凸起/槽的端头延伸到一半径等于根部半径处，并因此持续到第五圆筒形分段36中母接头构件的端头作为根部半径，也就是说按照常规的外形。在所示的实施例中，第二分段沿着母接头构件2的操作长度的约60%延伸，第三圆筒形分段沿着操作长度的约4.8%延伸，第四分段和第五分段分别沿着母接头构件的操作长度的约8.45%和9%延伸。在凸起/槽的端头末端的区域中，外部半径比根部半径增加约0.73%，而第四向内锥形截圆锥形分段35具有锥度约为根端半径的9.1%。 

本发明的母接头构件2和公接头构件1的连接和松开与上述图1-3的现有技术系统用完全相同的方式进行。然而，在本发明中，由向内锥形分段所形成的壁厚减少和在母接头构件中凸起的端头末端处所形成的加厚改变了连接器的厚度外形，以使在端部处喷射压力下所产生的相对位移更接近在中等跨度（沿着齿的半途）处的位移。结果，在端部处松开压力减小，使连接器能在较低压力下松开，消除了过压的危险，而同时避免了如现有技术中所公开的对齿顶形成锥形的要求及与其有关的缺点。 

图5示出本发明对齿啮合的影响。图5(a)表明，在公母接头构件1，2的较厚端部处除去材料能实现在齿端处更高的总位移。这意味着不再需要在齿顶形成锥形（图5(b)），因为在装配/拆卸期间的间隙现在是允许的（图5(c)）。 

Claims (16)

1.一种管连接器，包括管状公接头构件（1）和管状母接头构件（2），所述公接头构件（1）具有基本上截圆锥形的外周面（3），而母接头构件（2）具有基本上截圆锥形的内周面（4），该截圆锥形的内周面（4）与公接头构件（1）的截圆锥形外周面（3）相对应且当构件（1，2）完全接合在一起时叠加公接头构件（1）的截圆锥形外周面（3），构件（1，2）在上述周面（3，4）上设有若干可相互接合的环形凸起（5）和槽（6），该凸起（5）和槽（6）用于当构件完全接合在一起时将它们轴向上锁紧在一起，凸起（5）和槽（6）沿着周面（3，4）间隔开，用于当构件（1，2）完全接合在一起时在构件（1，2）的周面（3，4）的叠加部分之间供应加压的液压流体以使母接头构件（2）扩张和/或使公接头构件（1）收缩而使凸起（5）与对应的槽（6）脱离接合并让构件分开的机构（9，10，11），和用于径向约束连接器的构件（1，2）的其中一个的自由端的机构，其特征在于，为了平衡至少一个构件（1，2）在喷射压力下沿着其长度在不同点处的位移，公接头构件（1）的内管状表面（21）和母接头构件（2）的外管状表面（31）中的至少一个在每个构件的与凸起（5）或槽（6）相对的管状表面上包括凹槽（22，23，32，33）和突出物/径向增大的分段（34，35）的至少其中之一，该凹槽和突出物/径向增大的分段（34，35）沿着该至少一个构件（1，2）的长度减少和/或增加管状壁的厚度，其中在公接头构件（1）的情况下，在凸起（5）的两端处的内管状表面（21）上提供凹槽（22，23），而在母接头构件（2）的情况下，在接近母接头构件（2）的自由端的外管状表面（31）上形成突出物（34，35）和在与自由端相反的槽（6）的端部处的外管状表面（31）上形成凹槽（32，33）。

2.按照权利要求1所述的管连接器，其中该凹槽（22，23，32，33）和突出物（34，35）的至少其中之一在相应构件（1，2）的相应表面中通过向内和向外锥形分段（22a，22b，23a, 23c, 32-35）形成。

3.按照权利要求2所述的管连接器，其中跨过承载在公接头构件上的槽/凸起的根端延伸的公接头构件（1）的内管状表面（21）的第一分段（22），该第一分段（22）向外形成锥形（22a）和然后朝后向内形成锥形（22b），以便形成基本上是V形的凹入内管状表面（21）中的通道，所述通道围绕公接头构件（1）的整个圆周延伸。

4.按照权利要求3所述的管连接器，其中第一分段（22）的向外锥形部分（22a）的锥角比第一分段（22）的向内锥形部分（22b）的锥角小。

5.按照权利要求4所述的管连接器，其中第一分段（22）的向外锥形部分（22a）的锥角为7.1°，而第一分段（22）的向内锥形部分（22b）的锥角为8.85°。

6.按照权利要求3-5其中之一所述的管连接器，其中第一分段（22）的向外锥形部分（22a）的锥角比由凸起/槽（5，6）的顶部所形成的公接头构件（1）的截圆锥形的外周面（3）的圆锥角陡峭。

7.按照权利要求6所述的管连接器，其中公接头构件（1）的截圆锥形的外周面（3）的圆锥角大体上为4°。

8.按照权利要求3-5或7其中之一所述的管连接器，其中公接头构件（1）的内管状表面（21）包括第二分段（23），该第二分段（23）靠近公接头构件（1）的端头（1b），其中将内管状表面（21）的半径增加以减小公接头构件（1）的管状壁的厚度。

9.按照权利要求8所述的管连接器，其中上述第二分段（23）由增加内管状表面（21）的半径的陡峭地向外锥形部分（23a）和接着的朝端头（1b）方向延伸的圆筒形部分（23b）形成，而在增加的半径处在内管状表面（21）上形成平坦部分。

10.按照权利要求1-5其中之一、7或9所述的管连接器，其中母接头构件（2）的外管状表面（31）具有第一向内锥形部分（32）和第二向外锥形部分（33），上述第一向内锥形部分（32）从根部（2a）沿着向端头方向延伸，而第二向外锥形部分（33）从第一向内锥形部分（32）的端头末端朝端头（2b）延伸，上述第一向内锥形部分（32）的锥角比上述第二向外锥形部分（33）的锥角陡峭。

11.按照权利要求10所述的管连接器，其中第一向内锥形部分（32）的锥角大体上为7°，而第二向外锥形部分（33）的锥角大体上为2.8°。

12.按照权利要求11所述的管连接器，其中上述第二向外锥形部分（33）显著地比上述第一向内锥形部分（32）长。

13.按照权利要求11所述的管连接器，其中第二向外锥形部分（33）的径向范围大于第一向内锥形部分（32）的径向范围，从而第二向外锥形部分（33）收尾在比第一向内锥形部分（32）的根端更大的半径处。

14.按照权利要求11所述的管连接器，其中母接头构件（2）的外管状表面（31）还包括第三圆筒形部分（34），该第三圆筒形部分（34）从第二向外锥形部分（33）的端头方向末端延伸跨过在母接头构件（2）的内周面（4）上形成的凸起/槽（5，6）的端头末端。

15.按照权利要求14所述的管连接器，其中第二向外锥形部分（33）的锥角小于承载在母接头构件（2）上的凸起（5，6）的顶部的锥角。

16.按照权利要求15所述的管连接器，其中承载在母接头构件（2）上的凸起（5，6）的顶部具有锥角大体上为4°。