CN102384335B - 海底漏油管线实时封堵装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：包括中心杆、导向轮机构、胀紧机构、导柱、夹具基体、液压缸、液压马达、丝杆，中心杆上安装中间块和顶部液压缸，中心杆通过中间块分别连接导柱和第一液压缸，导向轮机构有两个均套在中心杆上，胀紧机构安装在中心杆上并位于两个导向轮机构中间，导柱安装在夹具基体上，夹具基体上还安装两个丝杆，其中第一丝杆上安装第二液压缸，两个丝杆分别安装液压马达。本发明为水下无人操作，可以在水下1500米的高压环境下对正在泄漏的海底石油管线实施实时封堵。

Description

海底漏油管线实时封堵装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于管道封堵维修作业的自动化设备。

背景技术

进入21世纪，随着陆地及近海油气资源逐渐减少甚至枯竭，为满足日益增长的能源需求，世界先进国家都将油气资源开发的重点投向了深海。地球上油气资源总储量的约70％孕藏于海洋。海洋平均深度3730m，海深3000m-6000m的海域占海洋总面积的73.83％。2002年世界石油大会对海洋勘探开发水深的划分，400m以内为常规水深，400～1500m为深水，1500m以上为超深水。目前已探明的世界海洋石油储量的80％以上在水深500m以下，这表明浩瀚的深水海域储藏的大量油气资源有待探明与开发。

目前，海底管道是海上油气开发、生产、运输的主要工具，在海上油气田中起着至关重要的作用，被誉为“海上油气田的生命线”。海底管道是否能够安全可靠地运输油、气，是海上油、气田能否进行正常生产的重要保证。但是，由于海洋环境的复杂性，海底管道在长期服役的过程中，难免会因潮流、地震、材料缺陷、腐蚀、锚泊等因素而被破坏，导致管道泄漏甚至失效。管道一旦泄漏不仅会给油田企业带来巨大的经济损失而且还会使海洋环境受到污染，危及海上作业人员的人身安全，给社会带来极大的负面影响。可见，研究水下封堵技术有着重要的现实意义。

2010年4月20日晚，英国石油公司租赁的“深水地平线”海上石油钻井平台在路易斯安那州威尼斯附近的墨西哥湾海域发生爆炸并着火，燃烧约36小时后沉入大海。平台底部油井以每天约5000桶的速度漏油。墨西哥湾漏油事件更进一步证明了研究水下封堵技术的紧迫性。我国海上油气勘探和开发已进入高速发展阶段，管道的铺设量越来越大，目前总长度已超过3000公里。经过墨西哥湾漏油事件的教训，管道的安全性已引起人们的高度重视，对管道的检测和维修也提出了更高的要求。

海底管线维修是一项复杂而庞大的工程，最初依靠潜水员入水检查并实施作业.从20世纪70年代开始，英、美等国开始发展各种水下管线维修装置，目前已趋向成熟.与国外相比，我国在技术、设备方面还有不小差距，我国还没有能够实施水下管线维修作业的设备和装置，水下管线维修工作几乎全部委托给国外的工程公司进行，维修费用昂贵。因此，研究拥有自主知识产权的水下石油管道泄漏在线封堵技术，研制深水石油管道智能封堵器是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供可以在水下1500米的高压环境下对正在泄漏的海底石油管线实施实时封堵的海底漏油管线实时封堵装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：包括中心杆、导向轮机构、胀紧机构、导柱、夹具基体、液压缸、液压马达、丝杆，中心杆上安装中间块和顶部液压缸，中心杆通过中间块分别连接导柱和第一液压缸，导向轮机构有两个均套在中心杆上，胀紧机构安装在中心杆上并位于两个导向轮机构中间，导柱安装在夹具基体上，夹具基体上还安装两个丝杆，其中第一丝杆上安装第二液压缸，两个丝杆分别安装液压马达。

本发明还可以包括：

1、所述的导向轮机构包括支撑腿、导向轮、支架，支架连接中心杆，导向轮通过支撑腿连接支架，支撑腿上安装弹簧。

2、所述的导向轮机构包括至少4组由支撑腿、导向轮、支架组成的机构。

3、所述的胀紧机构包括锥套、胀紧套、拉块、拉杆、弹性橡胶圈、凸轮、凸轮座，胀紧套与锥套相连，凸轮通过凸轮座安装在锥套上，拉块、拉杆、弹性橡胶圈依次相连，拉块安装在胀紧套上，弹性橡胶圈连接中心杆。

4、所述的胀紧机构包括至少3组凸轮、凸轮座做成的机构。

5、所述的凸轮上安装扭簧。

6、所述的拉块、拉杆、弹性橡胶圈所组成的机构有6-12组。

本发明的优势在于：本发明为水下无人操作，可以在水下1500米的高压环境下对正在泄漏的海底石油管线实施实时封堵。

附图说明

图1为本发明的海底漏油管线实时封堵装置全剖视图；

图2为海底漏油管线实时封堵装置俯视图；

图3为海底漏油管线实时封堵装置左视图；

图4为海底漏油管线实时封堵装置定位夹紧过程俯视图；

图5为海底漏油管线实时封堵装置上升过程主视图；

图6为海底漏油管线实时封堵装置封堵完成主视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本装置包括齿轮、齿条、齿条端液压缸、夹紧液压缸、夹具基体、卡爪(一)、卡爪(二)、锁紧装置等组成的夹紧机构；丝杠(一)、丝杠(二)、导柱、套筒(一)、套筒(二)、中间块、侧液压缸(一)、侧液压缸(二)、顶部液压缸等组成的升降机构；锥套、胀紧套、凸轮、扭簧(一)、中心杆等组成的胀紧机构。

首先，由于采取空心伞状结构设计，即在胀紧套的端面上开有八个对称的矩形孔，工作时，随着中心杆的移动，八个拉块成伞状张开，油从八个拉块的间隙中流入胀紧机构再从八个对称的矩形孔中流出胀紧机构，胀紧机构的锥套上开有四个槽，这样有利于锥套的楔形端自由胀紧。两组导向轮机构起导向作用，支撑腿上装有弹簧，这样可以使导向轮在管道的凸凹处实现自由伸缩，从而保证导向轮在管道中平稳地移动。当移动到封堵位置时，中心杆反向移动，伞状结构收缩，八个拉块的矩形凸台镶嵌到胀紧套的八个对称的矩形孔中，从此油停止通过封堵器。在油压的推动以及中心杆的收缩作用下，整个胀紧机构反向移动。经过锥套和胀紧套的自由胀紧以及锥套上的凸轮的自锁，整个封堵装置实现完全封堵。

其次，升降机构采用圆形导柱和丝杠传动，与传统的燕尾导轨或矩形导轨等相比结构简单、工作稳定。工作时，液压马达带动丝杠转动，从而实现侧液压缸(一)和侧液压缸(二)的升降。当侧液压缸(一)上升至指定高度时，侧液压缸(二)的活塞端伸进中间块的凹槽里，凹槽里的板(一)通过扭簧(二)的作用将侧液压缸(二)的活塞端锁住，此时，侧液压缸(一)、侧液压缸(二)、连杆(一)、连杆(二)呈“十”字状布局，顶部液压缸工作，通过推动中心杆将胀紧机构推入管道。

最后，该封堵装置的夹紧机构的卡爪和夹具基体中装入了四个夹紧液压缸，这样可以产生更大的夹紧力，有利于在高压下对漏油管线实现彻底封堵。工作时，齿条端液压缸工作，通过齿轮齿条的啮合实现卡爪的自由张合。当卡爪抱紧管道时，锁紧装置中的卡爪端液压缸工作，推动楔块插入锁紧装置的挡块中实现卡爪的锁紧。然后，四个夹紧液压缸开始工作，使夹紧机构彻底地夹紧管道。

本海底漏油管线实时封堵装置实施封堵要依次经历四个阶段：定位夹紧、上升运动，下降运动、实施封堵。

(1)定位夹紧：如图四所示，工作初始时，先将整个装置慢慢靠近管道，此时，卡爪(一)2和卡爪(二)6处于张开状态，卡爪(一)2与夹具基体10之间通过长轴14联接，长轴14和卡爪(一)2之间通过平键联接，长轴14上装有齿轮13，齿轮13与齿条12啮合，齿条12的往复运动由齿条端液压缸11驱动，通过齿轮13的正反向转动可实现长轴14的正反向转动，进而使卡爪(一)2闭合和张开。卡爪(一)2上装有挡块4、夹紧液压缸1、丝杠(二)3，夹紧液压缸1镶嵌在卡爪(一)2的内槽中，另一根丝杠(一)9对称布置在夹具基体10中。卡爪(二)6上装有挡块4、挡板7、楔块5、卡爪端液压缸8、夹紧液压缸1，同样第二个夹紧液压缸1也镶嵌在卡爪(二)6的内槽中，卡爪(二)6的驱动方式与卡爪(一)2相同。夹紧液压缸1共有四个，沿管道中心均匀分布，另外两个夹紧液压缸1分别镶嵌在夹具基体10的两个内槽中。在此夹紧机构中，挡块4，楔块5，挡板7，卡爪端液压缸8组成锁紧装置。当准确定位后，齿条端液压缸11推动齿条12工作，通过齿轮13和齿条12的啮合传动，两卡爪开始夹紧管道。当完全夹紧时，锁紧装置中的卡爪端液压缸8开始工作，推动楔块5插入锁紧装置的挡块4中，使两卡爪锁紧管道。然后，四个夹紧液压缸1开始夹紧管道，最后通过锁紧装置的锁紧和四个夹紧液压缸的夹紧使整个夹紧机构彻底地固定在管道上。四个夹紧液压缸1的活塞杆端加工有齿刃，这样增加与管道的接触，便于更好地夹紧管道。

(2)上升运动：如图五所示，初始状态时，整个封堵装置的胀紧机构位于管道的右侧，此时管道中充满向上喷涌的油液。整个胀紧机构安装在中心杆19上，中心杆19与顶部液压缸22的活塞杆端相联接，顶部液压缸22通过螺栓联接安装在中间块21上，当整个胀紧机构上升至管道上方指定高度时，顶部液压缸22为整个胀紧机构的下降运动提供动力。中间块21的左端通过连杆(二)20、连杆(一)18与导柱16相连，连杆(一)18与导柱16通过滑套17联接，连杆(二)20与中间块21左端通过销轴联接。连杆(一)18为空心结构，与连杆(二)20组成套筒式结构，类似液压缸，可实现轴向长度的自由伸缩，导柱16共有两根，沿管道中心对称布置，另一根导柱16与中间块21左端的联接与此相同。中间块21的右端与侧液压缸(一)25的活塞杆端相连，侧液压缸(一)25通过板(五)23、板(四)24固定在丝杠(一)9上，丝杠(一)9通过套筒联轴器26与液压马达27联接，通过丝杠(一)9的旋转运动可以实现整个胀紧机构的上升运动。侧液压缸(二)15通过板(二)28、板(三)29固定在丝杠(二)3上，丝杠(二)3也是通过套筒联轴器26与液压马达27联接的。当整个夹紧机构彻底地夹紧管道时，液压马达27开始工作，液压马达27带动丝杠(一)9、丝杠(二)3转动，通过螺旋传动从而实现侧液压缸(一)25和侧液压缸(二)15以及整个胀紧机构的上升运动，为了实现整个胀紧机构下一步的左移运动，整个胀紧机构需上升至管道上方指定的高度。

(3)下降运动：如图三所示，当整个胀紧机构上升至管道上方指定高度时，侧液压缸(一)25、侧液压缸(二)15处于同一水平面，此时，侧液压缸(二)15的活塞端缓缓伸进中间块21左端的凹槽里，凹槽里的两块对称布置的板(一)30通过销轴、扭簧(二)31与中间块21联接，两块对称布置的板(一)30通过扭簧的作用将侧液压缸(二)15活塞端的挡板锁住。然后，侧液压缸(二)15的活塞杆开始收缩，将中间块21向左拉动，侧液压缸(一)25的活塞杆开始伸长，将中间块21也向左推动，随着中间块21的左移，图五中连杆(一)18和连杆(二)20组成套筒式结构也开始收缩。当中间块移动到管道的中心位置时，侧液压缸(一)25与侧液压缸(二)15停止工作，此时，侧液压缸(一)25、侧液压缸(二)15、以及两组由连杆(一)18、连杆(二)20组成的套筒式伸缩结构呈“十”字状布局。然后，如图一所示，顶部液压缸22开始工作，通过推动中心杆19将胀紧机构推入管道。两组导向轮机构起导向作用，通过螺纹联接安装在中心杆19上，导向轮33与支撑腿32通过销轴联接，支撑腿32与支架36通过圆柱销35联接，圆柱销35可以在支架36的滑槽中自由移动从而使支撑腿32与支架36组成套筒式滑动机构，支撑腿32上装有弹簧34，这样可以使导向轮33在管道的凸凹处实现自由伸缩，从而保证导向轮33在管道中平稳地移动。整个胀紧机构下降时，八个拉块38成伞状张开，油从八个拉块的间隙中流入胀紧机构再从胀紧套37的八个对称的矩形孔中流出胀紧机构。拉块38与拉杆39也组成套筒式滑动机构，其联接方式与支撑腿32与支架36的联接方式相同，八个拉杆39通过钢环串联在拉杆座40的凹槽里，拉杆座40通过两个弹性橡胶圈41固定在中心杆19上。

(4)实施封堵：如图六所示，当移动到封堵位置时，顶部液压缸22的活塞杆开始收缩，此时，中心杆19开始向上移动，伞状结构收缩，八个拉块38的矩形凸台镶嵌到胀紧套37的八个对称的矩形孔中，从此油停止通过封堵器。在油压的推动以及顶部液压缸22的拉力下，整个胀紧机构向上移动。此时由于锥套46上的凸轮42反向转动时的自锁作用，从而阻碍了整个胀紧机构向上移动。凸轮42、扭簧(一)44、凸轮座45之间通过圆柱销43联接，胀紧机构的锥套46上开有四个槽，这样有利于锥套46的锥面端自由膨胀，随着胀紧套37向上移动插入锥套46，整个胀紧机构越胀越紧，最终实现完全封堵。

本海底漏油管线实时封堵装置主要在水深1500m以上范围内对不同材质的管道进行封堵。下面以φ880的管道为例。工作状态图如图4、图5、图3、图1、图6所示。

实施封堵要依次经历定位夹紧、上升运动，下降运动、实施封堵四个阶段。工作初始时，卡爪(一)2和卡爪(二)6处于张开状态，随着齿条端液压缸11推动齿条12工作，通过齿轮13和齿条12的啮合传动，两卡爪开始夹紧管道。当完全夹紧时，锁紧装置中的卡爪端液压缸8开始工作，推动楔块5插入锁紧装置的挡块4中实现卡爪的锁紧。然后，四个夹紧液压缸1开始工作，使夹紧机构彻底地夹紧管道。此时，液压马达27通电，液压马达27带动丝杠(一)9转动，从而实现侧液压缸(一)25和侧液压缸(二)15的上升运动。当侧液压缸(一)25上升至指定高度时，侧液压缸(二)15的活塞端伸进中间块21的凹槽里，凹槽里的板(一)30通过扭簧(二)31的作用将侧液压缸(二)15的活塞端锁住，此时，侧液压缸(一)25、侧液压缸(二)15、连杆(一)18、连杆(二)20呈“十”字状布局，顶部液压缸22工作，通过推动中心杆19将胀紧机构推入管道。随着中心杆19的移动，八个拉块38成伞状张开，油从八个拉块的间隙中流入胀紧机构再从八个对称的矩形孔中流出胀紧机构，胀紧机构的锥套46上开有四个槽，这样有利于锥套的楔形端自由胀紧。两组导向轮机构起导向作用，支撑腿32上装有弹簧34，这样可以使导向轮33在管道的凸凹处实现自由伸缩，从而保证导向轮33在管道中平稳地移动。当移动到封堵位置时，中心杆19反向移动，伞状结构收缩，八个拉块38的矩形凸台镶嵌到胀紧套37的八个对称的矩形孔中，从此油停止通过封堵器。在油压的推动以及中心杆19的收缩作用下，整个胀紧机构反向移动。经过锥套46和胀紧套37的自由胀紧以及锥套上的凸轮42的自锁，整个封堵装置实现完全封堵。

Claims (7)

1.海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：包括中心杆、导向轮机构、胀紧机构、导柱、夹具基体、液压缸、液压马达、丝杠，中心杆上安装中间块和顶部液压缸，中心杆通过中间块分别连接导柱和第一液压缸，导向轮机构有两个均套在中心杆上，胀紧机构安装在中心杆上并位于两个导向轮机构中间，导柱安装在夹具基体上，夹具基体上还安装两个丝杠，其中第一丝杠上安装第二液压缸，两个丝杠分别安装液压马达。

2.根据权利要求1所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的导向轮机构包括支撑腿、导向轮、支架，支架连接中心杆，导向轮通过支撑腿连接支架，支撑腿上安装弹簧。

3.根据权利要求2所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的导向轮机构包括至少4组由支撑腿、导向轮、支架组成的机构。

4.根据权利要求1所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的胀紧机构包括锥套、胀紧套、拉块、拉杆、弹性橡胶圈、凸轮、凸轮座，胀紧套与锥套相连，凸轮通过凸轮座安装在锥套上，拉块、拉杆、弹性橡胶圈依次相连，拉块安装在胀紧套上，弹性橡胶圈连接中心杆。

5.根据权利要求4所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的胀紧机构包括至少3组凸轮、凸轮座做成的机构。

6.根据权利要求4或5所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的凸轮上安装扭簧。

7.根据权利要求4所述的海底漏油管线实时封堵装置，其特征是：所述的拉块、拉杆、弹性橡胶圈所组成的机构有6-12组。

Images