CN102084168A - 具有同轴堆叠的主副环形弹性体柔性元件的双头柔性管接头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双头柔性管接头(26)，该双头柔性管接头具有：从外部壳体(50)的相对端延伸出的第一延伸管(51)和第二延伸管(52)，以及用于将第一延伸管(51)和第二延伸管(52)安装至外部壳体(50)的环形弹性体的第一和第二主柔性元件(71、74)。内部壳体(80)设置在外部壳体(50)中，并且环形弹性体的第一和第二副柔性元件(81、82)设置在内部壳体(80)中并将第一延伸管(51)和第二延伸管(52)安装至内部壳体(80)。第一延伸管(51)和第二延伸管(52)上的张力将第一主柔性元件(71)和第二主柔性元件(74)中的每一个以及第一副柔性元件(81)和第二副柔性元件(82)中的每一个置于压缩中。第一副柔性元件(81)和第二副柔性元件(82)抑制第一延伸管(51)和第二延伸管(52)内的流体压力，以使得第一主柔性元件(71)和第二主柔性元件(72)不承受延伸管(51、52)内的流体压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种双头柔性管接头，该双头柔性管接头具有：从共同壳体的相对端延伸出的第一延伸管和第二延伸管；至少第一环形弹性体柔性元件，该至少第一环形弹性体柔性元件用于将第一延伸管安装至壳体；以及第二环形弹性体柔性元件，该第二环形弹性体柔性元件用于将第二延伸管安装至壳体。
背景技术
具有将一延长部安装至壳体的环形弹性体柔性元件的柔性接头用于减小在浮式海上设备与从浮式海上设备悬垂下来的立管和链条束之间由运动引起的应力。典型地，柔性元件包括由金属或其它硬材料与多层弹性材料层交替构成的球形垫片。这样的柔性元件能够提供大约±15度或更大的自由角位移，同时承受与柔性元件的尺寸成比例的轴向张力。典型地，柔性元件的尺寸已被选择以用于处理立管或链条束上的期望负载，并且柔性元件已经以各种尺寸制造并储存，以用于处理各种标准尺寸的立管或链条束。
立管用于将生产流体从海底向上传输到浮式海上船的甲板，并且用于将生产流体从船上传输至一条或多条输出管线。由立管施加在柔性元件上的负载通常包括：立管中的张力；立管的角位移和旋转；生产流体中的内部压力；以及来自生产流体的升高温度。因而，生产流体的内部压力和来自生产流体的升高温度可能使对用于立管的柔性元件的选择比对用于链条束的柔性元件的选择更难。
对于不同的应用，柔性管接头在共同的壳体内结合有多于一个柔性元件。例如，用于立管的双头柔性管接头具有：在壳体中的第一柔性元件，该第一柔性元件用于将第一延伸管安装至壳体；以及在壳体中的第二柔性元件，该第二柔性元件用于将第二延伸管安装至壳体。两根延伸管从共同的壳体沿相反的方向延伸。在这种方式中，双头柔性管接头与具有单个柔性元件的单头柔性管接头所能承受的角位移相比可承受双倍角位移。该角位移在双头柔性管接头中的两个柔性元件之间分担，但是两个柔性元件中的每一个承载立管的相同的全部张力。这样的双头柔性管接头的实例可在下述文献中找到：在Herbert等人的公布于1972年8月1日的美国专利3,680,895；Herbert等人的公布于1978年1月17日的美国专利4,068,864(参见图4)；以及Whightsil，Sr等人的公布于1992年7月28日的美国专利5,133,578。
柔性管接头在共同的壳体中结合有多于一个柔性元件，以使得两个柔性元件承受相同的角位移，而这两个柔性元件中的仅一个承载柔性管接头上的拉伸负载。这样的布置可减小生产流体在每个柔性元件上的压力，并且提供主要和后备的密封机构，以用于抑制(contain)管接头内的加压生产流体。然而，这些构思中的柔性元件为了适当的功能需要进行预压缩；事实上减少了柔性元件的使用寿命。因而，这些设计使得两个柔性元件既用于承载管上的轴向负载又用于抑制压力的使用低效率。这样的柔性管接头的实例可在下述文献中找到：Schwemmer的公布于1980年1月15日的美国专利4,183,556；Ohrt的公布于1978年1月17日的美国专利4,068,868；Peppel等人的公布于1988年11月15日的美国专利4,784,410；以及Peppel等人的公布于1991年1月15日的美国专利4,984,827。
在共同的壳体中具有两个柔性元件并且在两个柔性元件上具有不同水平的轴向预压缩的管接头在Lamy等人的公布于1983年11月23日的美国专利4,416,473中公开。两个柔性元件布置在共同的旋转中心的相对侧上。管接头具有形成球面支承件的套环和凸缘，从而在轴向压缩下允许角位移但是阻止相对运动(Larny，第5栏第2-8行)。一个具有较大直径的柔性元件承受轴向拉伸负载。另一个具有较小的直径的柔性元件设计用于确保仅仅密封管内的流体(Larny，第5栏第16-34行)期望的轴向预应力通过向上较紧地拉伸螺栓以闭合圆柱形开口的间隙而被施加至具有较小直径的柔性元件。(Lamy，第6栏第30-46行)
发明内容
为了处理柔性管接头内的高流体压力，期望柔性管接头包括：至少一个用于处理管接头上的轴向负载的主弹性体柔性元件；以及至少一个特别设计用于抑制柔性管接头内的流体压力并消除主柔性元件上的流体压力的副弹性体柔性元件。通过消除主柔性元件上的流体压力，可减小主柔性元件的尺寸，以及可延长主柔性元件的寿命。
根据第一方面，本发明提供了一种双头柔性管接头。双头柔性管接头包括：外部壳体；从外部壳体的第一端延伸出的第一延伸管；从外部壳体的第二端延伸出的第二延伸管；设置在外部壳体内并将第一延伸管安装至外部壳体内的环形弹性体的第一主柔性元件；以及设置在外部壳体中并将第二延伸管安装至外部壳体的环形弹性体的第二主柔性元件。双头柔性管接头还包括：布置在外部壳体内的内部壳体；布置在内部壳体中并将第一延伸管安装至内部壳体的环形弹性体的第一副柔性元件；以及设置在内部壳体中并将第二延伸管安装至内部壳体的环形弹性体的第二副柔性元件。第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中。此外，第一副柔性元件和第二副柔性元件安装至内部壳体，用于抑制第一延伸管和第二延伸管内的流体压力，以使得第一主柔性元件和第二主柔性元件不承受第一延伸管和第二延伸管内的流体压力。
根据另一方面，本发明提供了一种双头柔性管接头。双头柔性管接头包括：具有第一端和第二端的外部壳体；从外部壳体的第一端延伸出的第一延伸管，该第一延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；环形弹性体的第一主柔性元件，该第一主柔性元件设置在外部壳体内并且将第一延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；从外部壳体的第二端延伸出的第二延伸管，该第二延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；以及环形弹性体的第二主柔性元件，该第二主柔性元件布置在外部壳体内并将第二延伸管的外部凸缘安装至外部壳体。双头柔性管接头还包括设置在外部壳体内的内部壳体。第一延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内，并且第二延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内。双头柔性管接头还包括：环形弹性体的第一副柔性元件，该第一副柔性元件布置在内部壳体内并将第一延伸部的内部凸缘安装至内部壳体；以及环形弹性体的第二副柔性元件，该第二副柔性元件设置在内部壳体内并将第二延伸管的内部凸缘安装至内部壳体。第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中。此外，第一副柔性元件和第二副柔性元件安装至内部壳体，用于抑制第一延伸管和第二延伸管内的流体压力，以使得第一主柔性元件和第二主柔性元件不承受第一延伸管和第二延伸管内的流体压力。
根据再一方面，本发明提供了一种双头柔性管接头。双头柔性管接头包括：具有第一端和第二端的外部壳体；从外部壳体的第一端延伸出的第一延伸管，该第一延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；环形弹性体的第一主柔性元件，该第一主柔性元件设置在外部壳体内并且将第一延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；从外部壳体的第二端延伸出的第二延伸管，该第二延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；以及环形弹性体的第二主柔性元件，该第二主柔性元件布置在外部壳体内并将第二延伸管的外部凸缘安装至外部壳体。该双头柔性管接头还包括设置在外部壳体内的内部壳体。第一延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内，并且第二延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内。双头柔性管接头还包括：环形弹性体的第一副柔性元件，该第一副柔性元件设置在内部壳体内并将第一延伸部的内部凸缘安装至内部壳体；以及环形弹性体的第二副柔性元件，该第二副柔性元件设置在内部壳体内并将第二延伸管的内部凸缘安装至内部壳体。第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中。另外，第一主柔性元件和第二主柔性元件以及第一副柔性元件和第二副柔性元件以同轴的方式堆叠并且共享共同的旋转中心。第一主柔性元件和第二主柔性元件从共同的旋转中心以共同的第一半径设置，第一副柔性元件和第二副柔性元件从共同的旋转中心以共同的第二半径设置，并且第二半径小于第一半径。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的其它特征和优点，附图中：
图1是张力腿平台(TLP)的示意图，该张力腿平台包括呈悬链线构型的采油立管和输出立管；
图2是用于图1的立管中的双头柔性管接头的主视图；
图3是图2所示的双头柔性管接头的前半部分的等轴测视图；
图4是双头柔性管接头沿图2中的线4-4的横向剖视图；
图5是图2所示的双头柔性管接头的后半部分的等轴测视图；
图6示出了用于柔性管接头的延伸管的轴线之间的角位移的情况的图2的双头柔性管接头的球窝接头；
图7示出了用于柔性管接头的延伸管上的轴向张力的情况的图2的双头柔性管接头的球窝接头；
图8示出了用于柔性管接头的延伸管的轴线之间的角位移与延伸管上的轴向张力相结合的情况的图2的双头柔性管接头的球窝接头；
图9是用作图2的双头柔性管接头的球窝接头中的隔热罩的替代结构；
图10示出了将图9所示的隔热罩的部件组装在一起的步骤；以及
图11示出了用于图9的隔热罩中的弹簧的俯视图。
虽然发明可容许各种变形和替代形式，但是本发明的具体实施例已经在附图中示出并将进行详细描述。然而，应理解的是，这并不用于将本发明限制为所示的特定形式，相反地，本发明将涵盖落入所附权利要求书所限定的本发明范围内的所有变形、等同物和替代物。
具体实施方式
参照图1，图1示出了漂浮在水面11上的总体标记为10的海上钻井和生产船。浮式船特别是一种张力腿平台(TLP)，该张力腿平台借助于链条束13、14和基础板15、16固定至海床12。尽管在图1中不可见，有一组从TLP平台10的四个角部中的每一个悬垂到四个基础板15、16中的相应一个的链条束。此外，TLP平台10的四个较低角部中的每一个通过相应的横向锚缆17、18进行固定，这些锚缆用于使平台横向运动并且抵抗横向暴风负载。
为了将钻井流体和钻柱从TLP传送到海床12中的井孔19，以及为了在已经完成钻井时从井中移走碳氢化合物，采油立管(总体标记为20)从井孔19向上延伸到TLP10。该立管20包括很多由双头柔性管接头22连接的刚性管段21。
也在图1中示出的是，输出立管(总体标记为24)呈悬链线构型从TLP10的腿悬垂下来并且触及海床12。输出立管24例如是一种从TLP10到岸上设备(未示出)的管线，或者是一种从TLP10到用于装载浮式生产储油和卸油船(FPSO)的浮标系统的管线。输出立管24类似于采油立管20是因为它包括许多由双头柔性管接头26连接的刚性管段25。在立管24的顶部处的单头柔性管接头27安装在带侧入口槽的容器34中，该容器附接至TLP10的腿。
用于立管的柔性接头以各种尺寸制造和储存，以用于处理各种标准尺寸的立管。然而，发生下述情况：期望增加用于给定壳体尺寸的双头柔性接头的负载承受能力或者使用寿命。例如，存在一种在水面11以下深度日益增加的海床中以及在海床12以下日益增加的深度处钻出海上井的趋势。水面以下深度日益增加的海床中的海上井需要较长的立管，该较长的立管使得柔性管接头在暴风期间承受源于深水涌流和浮式海上平台的位移的增大的轴向、角位移和扭转负载。在海床以下日益增加的深度处的海上井以增加的温度和压力生产出生产流体。
在柔性管接头传送高温生产流体时，过度的峰值负载尤其麻烦。例如，传统的柔性管接头中的弹性体在承受超过大约180°F(82℃)的温度时退化。在正常负载下，在高温下操作将以或多或少可预测的方式缩短柔性管接头的使用寿命。在过度峰值负载情况下，在高温下操作可快速导致对更换柔性管接头中的柔性元件的需要。
对于高温生产流体的连续处理，可保护传统的弹性体柔性元件免受生产流体的热，以使得柔性元件不承受超过180°F(82℃)的温度。例如，在Moses等人的公布于2008年3月11日的美国专利7,341,283中描述了一种包括适当的隔热罩的高温柔性管接头。方便的是将用于单头柔性管接头23和27的这种高温柔性管接头安装至图1的TLP10。然而，图1中的双头柔性管接头22和26在处理高温生产流体时承担另外的任务。一项任务是期望双头柔性管接头22和26尺寸和重量较小。另一项任务是向双头柔性管接头上的峰值轴向压缩负载提供阻力。
期望双头柔性管接头重量较小是因为立管中的双头柔性管接头的重量增加了立管的顶部处的轴向张力负载。较小的尺寸和重量还趋于降低制造、运输以及安装双头柔性管接头的成本。
期望双头柔性管接头抵抗峰值轴向压缩负载。在立管20、24的顶部处的单头柔性管接头23、34不太可能承受峰值轴向压缩负载，因为它们通常承受来自立管重量的轴向张力。然而，立管底部附近的双头柔性管接头承受大体上减小的轴向张力，这可能更容易被在暴风期间来自深水涌流和浮式海上平台位移的压缩力克服。
为了处理双头柔性管接头内的高流体压力，期望柔性管接头包括副弹性体柔性元件，该副弹性体柔性元件特别设计用于抑制柔性管接头内的生产流体压力。通过抑制柔性管接头内的生产流体压力，副柔性元件可消除主柔性元件上的生产流体压力，该主柔性元件传送柔性管接头上的大部分轴向负载、角位移负载和扭转负载。通过消除主柔性元件上的生产流体压力，可减小主柔性元件的尺寸，以及可延长它们的寿命。然而，主柔性元件尺寸的减小不应要求明显增大柔性接头的总尺寸以容纳副弹性体柔性元件。此外，期望设置不承受来自柔性管接头上的轴向压缩负载的轴向压缩的副柔性元件。
图2更详细地示出了优选的双头柔性管接头26。柔性管接头26具有：圆柱形外部壳体50；从外部壳体50的上端延伸出的上部延伸管51；以及从外部壳体50的下端延伸出的下部延伸管52。
外部壳体50包括通过螺栓55紧固在一起的上半部53和下半部54。如在图3中更清楚地示出的，螺栓55的头部设置在六个上部窗口56、57、58等中，所述上部窗口沿外部壳体50的上半部53的外部周边切割出并且围绕外部壳体的圆周间隔开。上部窗口56、57、58中的每一个接收四个螺栓55。外部壳体的下半部54的外部周边也具有六个下部窗口65、66、67等，所述下部窗口沿外部壳体50的下半部54的外部周边切割出并且围绕外部壳体的外部圆周间隔开。上部窗口56、57、58和下部窗口65、66、67等允许海水循环，以用于当高温生产流体通过柔性管接头在延伸管51、52之间传送时从柔性管接头26去除热。
如图4所示，上部主环形弹性体柔性元件71将上部延伸管51安装至外部壳体的上半部53。特别地，上部主柔性接头71的弹性体结合至上部负载环72，并且上部主柔性接头71的弹性体结合至上部延伸管51的外部凸缘73。上部负载环72坐落于外部壳体50的上半部53中。以类似的方式，下部主环形弹性体柔性接头74将下部延伸管52安装至外部壳体50的下半部54。特别地，下部主柔性接头74的弹性体结合至下部负载环75，并且下部主柔性接头74的弹性体结合至下部延伸管52的外部凸缘76。下部负载环75坐落于外部壳体50的下半部54中。
上部主柔性元件71和下部主柔性元件74以同轴的方式环绕柔性管接头26的中心纵轴线77堆叠。上部主柔性元件71和下部主柔性元件74还共享共同的旋转中心78，并且从旋转中心以相同的半径R1布置。上部主柔性元件71和下部主柔性元件74还具有类似的形状和组成，以使得由上部延伸管51和下部延伸管52作用在柔性管接头26上的轴向张力负载、角位移负载和扭转负载在主柔性元件71、74之间分担。从上部延伸管51和下部延伸管52作用在柔性管接头26上的负载导致上部主柔性元件71中的变形或应变，并且导致下部主柔性元件74中的变形或应变，以使得在上部主柔性元件72中所导致的变形或应变基本上与在下部主柔性元件74中所导致的变形或应变相同。
为了增强用于给定外部壳体尺寸的双头柔性管接头26的负载承受能力或使用寿命，许多副环形弹性体柔性元件81、82被包括在外部壳体50中。主柔性元件71、74处理柔性管接头上的轴向张力负载、角位移负载和扭转负载，而副柔性元件81、82抑制柔性管接头内的生产流体压力。特别地，主柔性元件71、74确保管接头上轴向张力负载和角位移负载并不导致对于副柔性元件81、82来说过度的轴向位移或角位移。副柔性元件消除了主柔性元件上的生产流体压力。
图4示出了一种包括上部副柔性元件81和下部副柔性元件82的优选构造。副柔性元件81和82以同轴的方式绕管接头26的中心纵轴线77堆叠。副柔性元件81和82还与主柔性元件71和74共享共同的旋转中心78，并且从旋转中心以共同的半径R2布置。副柔性元件81和82的共同半径R2小于主柔性元件81和82的共同半径R1。此外，副柔性元件81和82安装至内部壳体80以及上部延伸管51和下部延伸管52，从而使副柔性元件抑制延伸管内的生产流体压力，以使得主柔性元件71、74不承受生产流体压力。
如图4所示，上部副柔性元件81将上部延伸管51安装至内部壳体80的上半部83，并且下部副柔性元件82将下部延伸管52安装至内部壳体的下半部84。特别地，上部副柔性元件81的弹性体结合至内部壳体80的上半部83，而且上部副柔性元件81的弹性体结合至上部延伸管51的内部凸缘85。特别地，下部副柔性元件82的弹性体结合至内部壳体80的下半部84，而且下部副柔性元件82的弹性体结合下部延伸管52的内部凸缘86。
内部壳体80设置在外部壳体50内。环形排列的一系列螺栓88、89将内部壳体80的上半部83紧固至内部壳体的下半部84。弹性O形环91被夹紧在内部壳体80的上半部83与内部壳体的下半部84之间，以抑制内部壳体内的生产流体压力。
主柔性元件71、74和延伸管51、52的外部凸缘73、76被构造成封闭在外部壳体50内，以使得施加给上部延伸管51和下部延伸管52上的张力将主柔性元件置于压缩中。以类似的方式，副柔性元件81、82和延伸管51、52的内部凸缘85、86被构造成封闭在内部壳体80内，以使得施加给上部延伸管51和下部延伸管52的张力将副柔性元件81、82置于压缩中。这是期望的，因为在正常情况下，当双头柔性管接头26用于立管中时，张力施加给上部延伸管51和下部延伸管52，并且主弹性体柔性元件71、74和副弹性体柔性元件81、82可经受比张力更大水平的压缩。然而，期望的是，柔性管接头50在非正常情况下经得起施加给上部延伸管51和下部延伸管52的高水平的轴向压缩力。
为了使柔性管接头26在非正常情况下经得起高水平的轴向压缩力，球窝接头100绕着共同的旋转中心78设置，并且安装在上部延伸管51的内部凸缘85与下部延伸管52的内部凸缘86之间。球窝接头100包括插入到上部延伸管51中的上部段101和插入到下部延伸管52的下部段102。
隔热罩103绕着共同的旋转中心78布置在球窝接头100的上部段101与下部段102之间。隔热罩103呈现具有轴向圆柱形孔和轴向外部圆柱形表面的球体形式。隔热罩103的外部圆柱形表面配合在球窝接头100的上部段101中的圆柱形凹槽内。隔热罩103自身包括上部段104和下部段105。
如下面参照图6、7、8进一步描述的，球窝接头100和隔热罩103被构造成允许上部段101、104相对于下部段102、105有一些轴向位移以及允许上部段101、104相对于下部段102、105有角位移和旋转，与此同时阻挡来自延伸管51、52内的热生产流体的热向副柔性元件81、82的流动。此外，为了辅助主柔性元件71、74和副柔性元件81、82的冷却，上部延伸管51的外部凸缘73设置有环形排列的一系列轴向孔106、107，以允许海水通过外部壳体中的上部窗口56、57、58等以及通过上部主柔性元件71中的系列孔106、107进行对流循环。以类似的方式，下部延伸管52的外部凸缘76设置有环形排列的系列轴向孔108、109，以允许通过下部主柔性元件74中的一系列孔108、109以及通过外部壳体50中的下部窗口65、66、67等进行对流循环。
在使用中，当通过立管或通过海底管线传送生产流体时，生产流体沿着中心轴线77在延伸管51、52之间流动并且流动通过球窝接头100以及通过隔热罩103。
为了构造柔性管接头26，两个主柔性元件71、74中的每一个以及两个副柔性元件81、82中的每一个单独模制。每个柔性元件71、74、81、84包括由金属或者其它硬材料与弹性体材料层交替构成的球形垫片。加固和弹性体材料的交替层被夹在模具中并承受热量和压力，以形成一体模制组件。例如，在McGregor的公布于1987年11月24日的美国专利4,708,758的图5中以及第5栏第47行至第6栏第2行中可找到模制过程的细节。
因为主柔性元件71、74通过海水的循环而被冷却，并且不承受生产流体压力，它们可由传统的弹性体模制而成，该弹性体比如是包括40％到45％的炭黑和/或硅填料的硫化丁腈橡胶(NBR)。另一方面，副柔性元件81、82可由更耐热的弹性体复合材料模制而成，该更耐热的弹性体复合材料具有较低的弹性模量，这是因为副柔性元件通过海水的循环而冷却得不太好并且不需要向柔性管接头上的轴向张力、角位移或者扭转负载提供大的阻力。例如，副柔性元件81、82可由包括5-10％的炭黑和/或硅填料的硫化丁腈橡胶(NBR)模制而成，或者副柔性元件81、82可由更耐热的弹性体模制而成，该更耐热的弹性体比如是过氧化固化(peroxide-cured)的氢化丁腈橡胶(HNBR)。
上部主柔性元件71的模制生产出上部主柔性元件组件，该上部主柔性元件组件包括上部主柔性元件71、上部负载环72和包括外部凸缘73的上部延伸管51。下部主柔性元件74的模制生产出下部主柔性元件组件，该下部主柔性元件组件包括下部主柔性元件74、下部负载环75以及包括外部凸缘76的下部延伸管52。相同的模具可用于模制上部主柔性元件71和下部主柔性元件74。
上部副柔性元件81的模制生产出上部副柔性元件组件，该上部副柔性元件组件包括上部副柔性元件81、内部壳体80的上半部83以及上部延伸管51的内部凸缘85。在上部副柔性元件81被模制时，内部凸缘85尚未组装到上部延伸管51上。下部副柔性元件82的模制生产出下部副柔性元件组件，该下部副柔性元件组件包括下部副柔性元件82、内部壳体80的下半部84以及下部延伸管52的内部凸缘86。在下部副柔性元件82被模制时，内部凸缘86尚未组装到下部延伸管52上。相同的模具可用于模制上部副柔性元件81和下部副柔性元件82。
在柔性元件已被模制之后，通过将内部凸缘85插到上部延伸管51(该部件此时保持上下倒置)上以及在内部延伸管51内形成用于将内部凸缘85焊接至上部延伸管的环形焊缝110来将上部主柔性元件组件联接至上部副柔性元件组件。以类似的方式，通过将内部凸缘86插到下部延伸管52上以及在下部延伸管52内形成用于将内部凸缘86焊接至下部延伸管的环形焊缝111来将下部主柔性元件组件联接至下部副柔性元件组件。
隔热罩103的上部段104被插入球窝接头100的上部段110(该部件此时保持上下倒置)中，以及在内部段101内形成环形焊缝112以将隔热罩103的上部段104焊接至球窝接头100的上部段。然后，球窝接头100的上部段101被插入上部延伸管51中(该部件此时保持上下倒置)，以及在上部延伸管51内形成环形焊缝113以将球窝接头的上部段101焊接至上部延伸管51。然后，隔热罩103的下部段105被组装到隔热罩103的上部段103中。以类似的方式，球窝接头100的下部段102被插入下部延伸管52中，以及在下部延伸管52内形成环形焊缝114以将球窝接头100的下部段102焊接至下部延伸管52。
然后，O形环91被放置在内部壳体80(该部件此时保持上下倒置)的上部段83上，以及球窝接头100的下部段102被组装到球窝接头100的上部段101上，以使得隔热罩103被封闭在该球窝接头100的上部段101和下部段102之间，并且下部柔性接头组件被组装在上部柔性接头组件，以闭合内部壳体83和闭合外部壳体50。然后，螺栓88、89等被插入穿过外部壳体50中的下部窗口65、66、67等，并且被拧紧以便将内部壳体50的下半部84固定至内部壳体的上半部83。然后，螺栓61、62等被插入穿过外部壳体中的上部窗口56、57、58等，并且被拧紧以便将外部壳体50的上半部53固定至外部壳体的下半部54。
图6示出了球窝接头100，该球窝接头容许延伸管之间的最大角位移高达大约15度。
图7示出了球窝接头100，该球窝接头在延伸管之间的零角位移的情况下容许最大级别的轴向张力。这种情况下，存在球窝接头100的上部段101相对于下部段102的轴向位移，以使得上部段101远离下部段102移置。该相对轴向位移在上部段101和下部段102的相应配合球形表面115和116之间产生小间隙。然而，存在隔热罩100的下部段105相对于球窝接头的上部段101的类似的相对轴向位移，以使得在隔热罩的下部段105下端处和隔热罩的下部段105处的相应配合球形表面117和118之间紧密接触。特别地，隔热罩的下部段105具有外部圆柱形表面120，该外部圆柱形表面与球窝接头的上部段101的配合的内部圆柱形表面119具有宽松的间隙配合。所以，在重力作用下，隔热罩100的下部段105相对于球窝接头100的上部段101轴向运动，直到下部段105的下部圆柱形表面118倚靠在球窝接头的下部段102的配合的圆柱形表面118上。
图8示出了球窝接头100，该球窝接头容许延伸管之间的最大角位移以及轴向位移。球窝接头100的上部段101与隔热罩的下部段105之间的宽松的间隙配合允许下部段105绕着上部段101旋转，与此同时相对于上部段101轴向运动以便与球窝接头的下部段102保持紧密接触。
从图4和6中显而易见的是，隔热罩103的上部段104和下部段105可由金属合金构造而成，以便增强球窝接头100的上部段101和下部段102彼此接合的能力，从而抵抗延伸管上的轴向压缩力。例如，外部壳体50、延伸管51、52、延伸管凸缘73、76、85、86、内部壳体80、球窝接头100和隔热罩104全部可由比如ASTM A 707高强度低碳钢的低碳钢制成。为了以额外成本额外地抵制热，隔热罩103、或者隔热罩103和球窝接头100、或者隔热罩103、球窝接头100和内部凸缘85、86，可由低导热率的金属合金制成，该金属合金比如为镍铬铁合金。优选的镍铬铁合金是Inconel牌的合金，其包含最少72％的镍和钴、14-17％的铬和6-10％的铁，比如76％镍、17％铬和7％铁。
通过稍微缩短隔热罩103的上部段104和下部段105的轴向长度，延伸管51、52上的任何轴向压缩负载将完全由球窝接头100承受，并且延伸管51、52上的轴向压缩负载完全不由隔热罩103承受。在这种情况下，可能制成由具有较低导热率和较低强度的材料构成的隔热罩103。例如，隔热罩103可由陶瓷或陶瓷复合材料、或者聚合体或聚合体复合材料制成。例如，优选的聚合体复合材料是具有由30％任意取向的切碎的玻璃纤维(randomly-oriented chopped glass fiber)的聚醚醚酮(PEEK)。例如，该PEEK材料的等级为450GL30，其由HillhouseInternational，Thornton Cleveleys，Lancashier，FY5 4QD England的Victrex plc生产。
除了重力之外，球窝接头100和隔热罩103的组件可设置有用于在改变延伸管上的轴向张力时保持隔热罩103的下部段105与球窝接头的下部段102接合的方式。因此，在柔性管接头用于水平海底管线时或者在柔性管接头上下倒置安装时可保持该接合。一种提供这种方式的方法是使隔热罩103的下部段105永久磁化，以使得其磁性地吸附到球窝接头100的下部段102。另一种提供这种方式的方法是在组件中包括适当的弹簧。
为了使隔热罩103的下部段105永久磁化以使得其磁性地吸附到球窝接头100的下部段102，隔热罩的下部段102由能够在生产流体的温度下保持永久磁性的材料制成，而且球窝接头的下部段102由在生产流体的温度下具有铁磁性的材料制成。例如，隔热罩104的下部段102由永磁性钢或者铝镍钴(ALNICO)合金制成，并且球窝接头100的下部段102由ASTM A707高强度低碳钢制成。例如，永磁性钢是主要由铁构成并且具有0.15-0.3％的碳的淬火碳钢，或者是主要由铁构成并且具有30-40％的钴、5-9％的钨以及1.5-3％的铬的淬火钴钢。例如，铝镍钴合金是铝镍钴合金11，其具有7％的铝，24％的钴，3％铜，30％的铁，14％的镍，1.5％的硅以及0.3％的钛。例如在图7中所示的组件中，隔热罩104的下部段102通过在图7中在环面120中放置电磁线圈并且用电流脉冲调制电磁线圈而被磁化。
图9、10和11示出了用于由比如用玻璃纤维加固的聚醚醚酮(PEEK)的聚合体制成的隔热罩130中的弹簧133。弹簧133具有外部直径和内部直径，该外部直径稍微小于隔热罩的下部段132的外部直径，该内部直径与下部段132顶部的内部直径相匹配。因此，弹簧133装配在下部段132的顶部上介于隔热罩130的上部段131与下部段132之间。弹簧133可具有各种可能的形状中任一种，比如螺旋形或者具有多个突出片的圆柱形。
如图10和11所示，弹簧123具有环绕其圆周的多个向上突出的片。当隔热罩的上部段131和下部段132被强力合在一起时，弹簧123呈现平板构型。
根据上述内容，已经描述了一种双头柔性接头，该双头柔性接头具有：从外部壳体的相对端延伸出的第一延伸管和第二延伸管，和将第一延伸管和第二延伸管安装至外部壳体的环形弹性体的第一主柔性元件和环形弹性体的第二主柔性元件。内部壳体设置在外部壳体中，并且环形弹性体的第一副柔性元件和第二副柔性元件设置在内部壳体中，并将第一延伸管和第二延伸管安装至内部壳体。第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中。第一副柔性元件和第二副柔性元件抑制第一延伸管和第二延伸管内的流体压力，以使得第一主柔性元件和第二主柔性元件不经受第一延伸管和第二延伸管内的流体压力。所以，主柔性元件特别设计用于承载柔性管接头上的角位移以及大部分轴向负载和扭转负载。而副柔性元件设计用于也承载角位移，但是特别用于承载流体压力负载，这导致了双头柔性管接头更加紧凑且重量轻。
Claims (20)
1.一种双头柔性管接头，所述双头柔性管接头包括：
外部壳体；
从壳体的第一端延伸出的第一延伸管；
从壳体的第二端延伸出的第二延伸管；
环形弹性体的第一主柔性元件，所述第一主柔性元件设置在壳体中并将第一延伸管安装至壳体；
环形弹性体的第二主柔性元件，所述第二主柔性元件设置在壳体中并将第二延伸管安装至壳体；
设置在外部壳体内的内部壳体；
环形弹性体的第一副柔性元件，所述第一副柔性元件设置在内部壳体中并将第一延伸管安装至内部壳体；以及
环形弹性体的第二副柔性元件，所述第二副柔性元件设置在内部壳体中并将第二延伸管安装至内部壳体；
其中，第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中；以及
其中，第一副柔性元件和第二副柔性元件安装至内部壳体，用于抑制第一延伸管和第二延伸管内的流体压力，以使得第一主柔性元件和第二主柔性元件不承受第一延伸管和第二延伸管内的流体压力。
2.如权利要求1所述的双头柔性管接头，其中，第一主柔性元件和第二主柔性元件以及第一副柔性元件和第二副柔性元件以同轴的方式堆叠，并共享共同的旋转中心，第一主柔性元件和第二主柔性元件从该共同的旋转中心以共同的第一半径设置，第一副柔性元件和第二副柔性元件从共同的旋转中心以共同的第二半径设置，并且第二半径小于第一半径。
3.如权利要求1所述的双头柔性管接头，还包括球窝接头，所述球窝接头设置在外部壳体内并且设置在内部壳体内，将第一延伸管连接至第二延伸管，并且阻止第一延伸管和第二延伸管上的轴向压缩产生第一主柔性元件和第二主柔性元件上的张力以及产生第一副柔性元件和第二副柔性元件上的张力。
4.如权利要求3所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且双头柔性管接头包括设置在球窝接头内的隔热罩，所述隔热罩具有：与球窝接头的第一段的内部圆柱形表面相配合的外部圆柱形表面；以及与球窝接头的第二段相配合的外部球形表面。
5.如权利要求3所述的双头柔性管接头，其中球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段以及安装至第二延伸管的第二段，并且双头柔性管接头还包括：设置在球窝接头内的隔热罩；以及弹簧，所述弹簧安装用于推压隔热罩的至少一部分远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，以接合球窝接头的第二段。
6.如权利要求3所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段以及安装至第二延伸管的第二段，并且双头柔性管接头还包括设置在球窝接头内的隔热罩，并且隔热罩的至少一部分安装至球窝接头的第一段以便远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，以及隔热罩的所述部分被磁化，以吸引球窝接头的第二段并与球窝接头的第二段接合。
7.如权利要求1所述的双头柔性管接头，其中，外部壳体具有外部圆周以及在外部圆周中的一系列开口，第一主柔性元件被安装至第一延伸管的凸缘，并且第一延伸管的凸缘具有绕第一延伸管的第一系列孔，第二主柔性元件被安装至第二延伸管的凸缘，并且第二延伸管的凸缘具有绕第二延伸管的第二系列孔，以使得水能够通过外部壳体的外部圆周中的开口以及通过第一系列孔和通过第二系列孔循环，以用于第一主柔性元件和第二主柔性元件的冷却。
8.一种双头柔性管接头，所述双头柔性管接头包括：
外部壳体，所述外部壳体具有第一端和第二端；
第一延伸管，所述第一延伸管从外部壳体的第一端延伸出，所述第一延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；
环形弹性体的第一主柔性元件，所述第一主柔性元件设置在外部壳体内并将第一延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；
第二延伸管，所述第二延伸管从外部壳体的第二端延伸出，所述第二延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；
环形弹性体的第二主柔性元件，所述第二主柔性元件设置在外部壳体内并将第二延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；
内部壳体，所述内部壳体设置在外部壳体内，第一延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内，并且第二延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内；
环形弹性体的第一副柔性元件，所述第一副柔性元件设置在内部壳体内并将第一延伸管的内部凸缘安装至内部壳体；以及
环形弹性体的第二副柔性元件，所述第二副柔性元件设置在内部壳体内并将第二延伸管的内部凸缘安装至内部壳体；
其中，第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中；以及
其中，第一副柔性元件和第二副柔性元件被安装至内部壳体，用于抑制第一延伸管和第二延伸管内的流体压力，以使得第一主柔性元件和第二主柔性元件不经受第一延伸管和第二延伸管内的流体压力。
9.如权利要求8所述的双头柔性管接头，其中，第一主柔性元件和第二主柔性元件以及第一副柔性元件和第二副柔性元件以同轴的方式堆叠并且共享共同的旋转中心，第一主柔性元件和第二主柔性元件从共同的旋转中心以共同的第一半径设置，第一副柔性元件和第二副柔性元件从共同的旋转中心以共同的第二半径设置，并且第二半径小于第一半径。
10.如权利要求8所述的双头柔性管接头，还包括设置在外部壳体内并且设置在内部壳体内的球窝接头，所述球窝接头将第一延伸管联接至第二延伸管，并且阻止第一延伸管和第二延伸管上的轴向压缩产生第一主柔性元件和第二主柔性元件上的张力以及产生第一副柔性元件和第二副柔性元件上的张力。
11.如权利要求10所述的双头柔性管接头，其中球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括设置在球窝接头内的隔热罩，所述隔热罩具有：与球窝连接的第一段的内部圆柱形表面相配合的外部圆周表面；和与球窝接头的第二段相配合的外部球形表面。
12.如权利要求10所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括：设置在球窝接头内的隔热罩；以及弹簧，所述弹簧安装用于推动隔热罩的至少一部分远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，以接合球窝接头的第二段。
13.如权利要求10所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括设置在球窝接头内的隔热罩，并且隔热罩的至少一部分安装至球窝接头的第一段以便远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，并且隔热罩的所述部分被磁化，以吸引球窝接头的第二段并与球窝接头的第二段接合。
14.如权利要求8所述的双头柔性管接头，其中，外部壳体具有外部圆周以及在外部圆周中的一系列开口，第一延伸管的外部凸缘具有绕第一延伸管的第一系列孔，第二延伸管的外部凸缘具有绕第二延伸管的第二系列孔，以使得水能够通过外部壳体的外部圆周中的开口以及通过第一系列孔和通过第二系列孔循环，以用于第一主柔性元件和第二主柔性元件的冷却。
15.一种双头柔性管接头，所述双头柔性管接头包括：
外部壳体，所述外部壳体具有第一端和第二端；
第一延伸管，所述第一延伸管从外部壳体的第一端延伸出，所述第一延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；
环形弹性体的第一主柔性元件，所述第一主柔性元件设置在外部壳体内并将第一延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；
第二延伸管，所述第二延伸管从外部壳体的第二端延伸出，所述第二延伸管具有位于外部壳体内的内部凸缘和位于外部壳体内的外部凸缘；
环形弹性体的第二主柔性元件，所述第二主柔性元件设置在外部壳体内并将第二延伸管的外部凸缘安装至外部壳体；
内部壳体，所述内部壳体设置在外部壳体内，第一延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内，并且第二延伸管的内部凸缘设置在内部壳体内；
环形弹性体的第一副柔性元件，所述第一副柔性元件设置在内部壳体内并将第一延伸管的内部凸缘安装至内部壳体；以及
环形弹性体的第二副柔性元件，所述第二副柔性元件设置在内部壳体内并将第二延伸管的内部凸缘安装至内部壳体；
其中，第一延伸管和第二延伸管上的张力将第一主柔性元件和第二主柔性元件中的每一个以及第一副柔性元件和第二副柔性元件中的每一个置于压缩中；以及
其中，第一主柔性元件和第二主柔性元件以及第一副柔性元件和第二副柔性元件以同轴的方式堆叠并共享共同的旋转中心，第一主柔性元件和第二主柔性元件从共同的旋转中心以共同的第一半径设置，第一副柔性元件和第二副柔性元件以共同的旋转中心以共同的第二半径设置，并且第二半径小于第一半径。
16.如权利要求15所述的双头柔性管接头，还包括设置在外部壳体内并且设置在内部壳体内的球窝接头，所述球窝接头将第一延伸管联接至第二延伸管，并且阻止第一延伸管和第二延伸管上的轴向压缩产生第一主柔性元件和第二主柔性元件上的张力以及产生第一副柔性元件和第二副柔性元件上的张力。
17.如权利要求16所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括设置在球窝接头内的隔热罩，所述隔热罩具有：与球窝的第一段的内部圆柱形表面相配合的外部圆柱形表面；以及与球窝接头的第二段相配合的外部球形表面。
18.如权利要求16所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括：设置在球窝接头内的隔热罩；以及弹簧，所述弹簧安装用于推动隔热罩的至少一部分远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，以接合球窝接头的第二段。
19.如权利要求16所述的双头柔性管接头，其中，球窝接头包括安装至第一延伸管的第一段和安装至第二延伸管的第二段，并且所述双头柔性管接头还包括设置在球窝接头内的隔热罩，隔热罩的至少一部分安装至球窝接头的第一段以便远离球窝接头的第一段并朝着球窝接头的第二段运动，并且隔热罩的所述部分被磁化，以吸引球窝接头的第二段并与球窝接头的第二段接合。
20.如权利要求15所述的双头柔性管接头，其中，外部壳体具有外部圆周以及外部圆周中的一系列开口，第一延伸管的外部凸缘具有绕第一延伸管的第一系列孔，第二延伸管的外部凸缘具有绕第二延伸管的第二系列孔，以使得水能够通过外部壳体的外部圆周中的开口以及通过第一系列孔和通过第二系列孔循环，以用于第一主柔性元件和第二主柔性元件的冷却。
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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 |