CN103988009A - 膨胀接头 - Google Patents

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Abstract

使用膨胀接头来适应热膨胀对地上管路引起的长度变化。管道被附连于套管的环包围。管道的一端附连于管路的管，套管的一端附连于管路的另一个管。当管路线性地膨胀或收缩时，管道和环和套管能够相对于彼此沿轴向移动。环和管道之间的密封件确保接头不透流体。

Description

膨胀接头
相关申请的交叉引用
本申请要求：2011年8月22日提交的美国临时专利申请No. 61/525,987；2011年9月29日提交的美国临时专利申请No. 61/540,676；以及2012年1月19日提交的美国临时专利申请No. 61/588,429的优先权，所有这些临时专利申请都通过引用而被并入。
技术领域
本发明涉及在经受热引起的膨胀和收缩的长管路中使用的膨胀接头。
背景技术
在诸如石油提取的行业中使用的管路可较长，并且暴露于交替的加热和冷却循环。这对于地上管路而言尤其需要关心，该地上管路比地下管路经历更大的温度变化。加热和冷却可为管路所暴露的每天和每个季节的大周围温度变化的结果，并且由泵送通过管路的流体中包含的热所引起。流体本身可为热的，或者可被泵送动作加热。流体和管路之间的摩擦也可有助于加热和膨胀。
如众所周知的，许多材料，尤其是金属，诸如经常用来构建管路的钢，响应于加热和冷却而膨胀和收缩。材料的线性膨胀系数是在数量上描述诸如管元件的细长物体响应于加热和冷却将有怎样的行为的特性。线性膨胀系数的单位(由英国度量单位规定)是膨胀英寸每英寸管每华氏度温度变化。因而清楚的是，管路的膨胀或收缩将直接与温度变化和管路的长度两者成比例。
对于经受更小的周围或内部温度变化的长管路，有利的是沿着管路的长度间隔地提供膨胀接头，以适应热引起的长度变化，以及防止否则会对管路发生的损坏。例如，当经受由响应于温度升高而膨胀引起的压缩时，管路可变弯曲，或者，当经受由管路响应于温度降低而收缩引起的张力负载时，接头可失效。
发明内容
本发明涉及用于连接管元件的膨胀接头。在一个实施例中，膨胀接头包括管道，该管道具有外表面和相对地设置的第一端和第二端。套管具有相对地设置的第一端和第二端，套管定位成包围管道的至少一部分。该部分包括管道的第二端。环与套管分开，并且能够可移除地附连于其第一端，包围管道，并且具有面向管道的外表面的内表面。联接件定位在环和套管的第一端之间。联接件将环可移除地附连于套管。密封件安装在环的内表面上，并且密封地接合管道的外表面。环和套管能够相对于管道沿轴向移动。
在特定的示例实施例中，管道的第一端具有朝外表面，朝外表面中具有周向凹槽。联接件可具有两端连结而包围管道的多个弓形节段。在该示例中，节段中的各个具有以间隔开的关系定位的第一和第二沿径向内突的键，并且环具有朝外表面，该朝外表面中具有周向凹槽。套管具有定位在其第一端处的朝外表面，该朝外表面中具有周向凹槽。第一键接合环中的周向凹槽，第二键接合套管中的周向凹槽。
在又一个示例实施例中，套管具有定位在其第二端处的朝外表面，该朝外表面中具有周向凹槽。
在特定实施例中，密封件包括定位在环的内表面中的至少一个朝内周向凹槽，其中，密封元件定位在至少一个凹槽内。例如，密封元件可包括O形环。另外，抗挤压环定位在至少一个凹槽内。在另一个示例中，密封件包括定位在环的内表面中的多个朝内周向凹槽，以及多个密封元件，各个密封元件定位在凹槽中的相应一个内。在该示例中，密封元件可包括O形环。另外，多个抗挤压环可各自定位在凹槽的相应一个内。
在另一个示例实施例中，膨胀接头可包括定位在环的内表面中的至少一个朝内周向凹槽，以及定位在至少一个凹槽内的至少一个轴承元件。另外，膨胀接头还可包括定位在环的内表面中的至少一个朝内周向凹槽，以及定位在至少一个凹槽内的至少一个擦拭器元件。
在另一个示例实施例中，密封件包括从环的内表面沿径向向内突起的台肩。包装材料包围管道，并且在环的内表面和管道的外表面之间定位在台肩附近。环箍附连于环，并且包围管道。环箍定位在包装材料附近，并且包装材料被捕捉在环箍和台肩之间。在该示例中，环箍能够沿轴向相对于环移动，用于使包装材料压缩抵靠台肩。为了实现环箍运动，膨胀接头包括多个可调节紧固件。各个紧固件在环箍和环之间延伸，其中，上紧紧固件使环箍朝环移动，用于压缩包装材料。
膨胀接头的示例实施例可进一步包括多个弹簧。弹簧中的每一个安装在紧固件中的一个上，并且接合环箍，用于使环箍朝环偏置，从而压缩包装材料。
在另一个示例实施例中，膨胀接头进一步包括定位在管道的第一端处的入口节段。入口节段具有锥形内表面。锥形内表面可选自下者组成的组：笔直渐缩和S形渐缩，该S形渐缩具有标记凹的内表面和凸的内表面之间的过渡部的拐点。在该示例实施例中，入口节段可与管道的第一端分开，并且可移除地附连于其。入口节段具有相对地设置的第一端和第二端。第二联接件可定位在管道的第一端和入口节段的第一端之间，第二联接件将入口节段可移除地附连于管道。经由示例，第二联接件具有两端连结而包围管道的多个弓形节段。节段中的各个具有以间隔开的关系定位的第一和第二沿径向内突的键。管道的第一端具有朝外表面，该朝外表面中具有周向凹槽。入口节段的第一端具有朝外表面，该朝外表面中具有周向凹槽。第一键接合管道中的周向凹槽，第二键接合入口节段中的周向凹槽。
在另一个示例实施例中，膨胀接头包括从管道的外表面向外突起的第一凸出部，以及从环的外表面向外突起的第二凸出部。杆附连于凸出部中的一个，并且延伸通过凸出部中的另一个中的开口。杆导引管道和环之间的相对运动，并且是该相对运动的指示器。在特定示例中，杆附连于第一凸出部。杆可包括从其沿径向向外延伸的突起。突起能够与第二凸出部接合，以限制管道和环之间的相对运动。促动器可定位在第一凸出部和第二凸出部之间。促动器对凸出部施加力，以使环和管道相对于彼此移动。例如，促动器可包括液压促动器。
在用于连接管元件的膨胀接头的另一个示例实施例中，膨胀接头包括管道，该管道具有外表面和相对地设置的第一端和第二端。套管定位成包围管道的至少一部分。套管具有面向管道的外表面的内表面。套管和管道能够相对于彼此沿长度可滑动地移动。密封件定位在管道的外表面和套管的内表面之间。第一表面从管道的外表面沿横向突起，第一表面定位在管道的第一端和密封件之间。第二表面从套管的内表面沿横向朝管道突起，并且能够与第一表面接合，以在第一表面和第二表面彼此接触时，限制管道和套管之间的相对滑动运动。在特定的示例实施例中，套管具有小于管道的长度的长度。另外，管道的第二端可从套管沿轴向向外突起。
附图说明
图1是示例膨胀接头的局部截面立体图；
图2是示例机械联接件的分解立体图；
图3是图1的膨胀接头的一部分的截面图；
图4是膨胀接头的示例实施例的一部分的截面图；
图5是示例膨胀接头实施例的立体图；
图6是管路中的示例膨胀接头的局部截面图；
图7是示例膨胀接头实施例的局部截面图；
图8是示例膨胀接头实施例的局部截面立体图；
图9、9A、9B和9C是可用于膨胀接头的示例入口节段的局部截面图；
图10是示例膨胀接头实施例的局部截面立体图；
图11是图10的膨胀接头的一部分的截面图；
图12是图10的正在组装的膨胀接头的局部截面立体图；
图13是管路中的示例膨胀接头的局部截面图；以及
图14是示例膨胀接头实施例的立体图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的示例膨胀接头10。膨胀接头10包括管道12，管道12具有外表面14，以及相对地设置的第一端16和第二端18。将耐磨衬套15定位在管道12内可为有利的。衬套15可包括例如硬化钢，或者具有碳化铬镀层，或者包括耐磨陶瓷。由于衬套15提供牺牲表面(阻止管道12磨损)，故进一步有利的是能够从管道中容易地移除衬套15，以允许迅速更换用完的衬套。为了促进移除能力，衬套15可具有栓接于管道12的端部16的凸缘17。
套管20包围管道12的包括第二端18的至少一部分。套管20具有相对地设置的相应的第一端22和第二端24。环26附连于套管20。环26与套管20分开，并且可移除地附连于套管的第一端22，在该示例中，使用分段式机械联接件28来实现环和套管的附连。图2显示联接件28的分解图，联接件28包括弓形节段30，弓形节段30具有处于间隔开的关系的成对的键32。当节段30两端栓接，包围环26并且将环26连结于套管20时，垫圈密封件34定位在键32之间。如图1中显示的，键32接合环26的外表面中的周向凹槽36，以及套管20的第一端22的外表面中的凹槽38。键32和凹槽36和38之间的接合在环26和套管20之间提供机械确切接合，并且垫圈34确保接头处的密封不透流体。其它类型的机械联接件，例如定位在环26和套管20上的对接栓接凸缘，也是可行的。
环26包围管道12，并且定位在管道的第一端16和第二端18之间。环26具有面向管道12的外表面14的内表面40。密封件42安装在环26的内表面40上，密封件42密封地接合管道12的外表面14。环26和套管20能够相对于管道12沿轴向可滑动地移动，轴向方向由双头箭头44显示。管道12的外表面14光滑，并且有利于在密封件42和管道12之间形成不透流体的密封。光滑表面还允许管道12和环26(以及套管20)彼此沿轴向滑动，同时保持密封。
在该示例中，如图3中显示的，密封件42包括定位在环26的内表面40中的多个周向凹槽46。凹槽46中的一个或更多个接收密封元件48，诸如O形环。其它类型的密封元件，诸如四方形环和工程唇形密封件也是可行的。除了密封元件，抗挤压环50也可在各个密封元件48附近定位在凹槽46内。抗挤压环50在密封元件48的低压侧上安装在凹槽46内，并且帮助阻止密封元件挤压到环26和管道12之间的间隙中。密封元件和抗挤压环可由顺从性材料制成，诸如EPDM、腈和其它天然和合成橡胶化合物，以及其它聚合物，诸如PTFE、尼龙、聚亚安酯和PEEK。有利的是使用弹性体形成抗挤压环，以使它们可适应由热效应引起的管道12的直径的显著变化。
进一步有利的是将其它功能元件定位在凹槽46中。例如，可将一个或更多个擦拭器元件52(包括例如由诸如PTFE的塑料形成的四方形环)置于凹槽46中的一个或更多个中。擦拭器元件用来对管道12的外表面14清除外来物质，否则该外来物质可损坏密封元件48。这在膨胀接头携带了磨蚀浆料时尤其有用，磨蚀浆料可设法进入管道12和环26附连于其的套管20之间的间隙中，并且从而污染管道外表面14。另外，轴承元件54，例如，由诸如PTFE或纤维加强复合物(由石墨形成)形成的环，也可定位在凹槽46内，以在两个构件之间的相对运动期间支承和导引环26和管道12。
在图3中显示的示例实施例中，台肩58定位在密封件42附近，并且从环26的内表面40向内朝管道12的外表面14突起。使台肩58与环26的内表面40集成，并且使其成为隆起的带凹槽表面60的一部分是实际的，隆起的带凹槽表面60接收密封元件48、擦拭器52、轴承54以及环26和管道12之间的其它对接部构件。台肩58容许另一个密封件62为环26的部分。密封件62可单独用作环26和管道12之间的主要密封件，或者，其可被认为是密封件42的备用密封件。密封件62由定位成包围管道12的包装材料64形成，包装材料定位在台肩58附近，以及环26的内表面40的一部分和管道12的外表面14之间。包装材料64可由例如有或没有PTFE填料的编织石墨形成。最初压缩包装材料64，以实现不透流体的密封。为了针对包装磨损和压力变化确保不透流体的密封，可进一步压缩包装材料。提供压缩环箍66来用于该功能。压缩环箍66在包装材料64附近附连于环26，并且包围管道12。环箍66具有角横截面，其中，角的一个支腿68定位在管道12的外表面14和环26的内表面40之间，以便接触包装材料64。压缩环箍66的其它支腿70从支腿68沿径向向外延伸。环箍66能够沿轴向朝向和远离包装材料64移动，以便调节包装压缩引起的鼓胀，并且因而实现密封。压缩环箍66的运动由多个可调紧固件实现，诸如螺纹螺柱和螺母72，该多个可调紧固件穿过支腿70，并且以螺纹的方式与环26的端部接合。螺柱和螺母72围绕环箍66沿周向分布，优选非常紧密地等距隔开。这容许通过上紧螺母72对包装施加均匀压缩。注意，可将额外的擦拭器元件52和/或轴承元件54安装在环箍66的支腿68中，以将环26支承在其与管道12的表面14的移动对接部上。例如，当密封件42开始泄漏时，具有可压缩的备用密封件(诸如密封件62)的优点是明显的。不像密封件62，密封件42不可调，并且必须修理。但是，如果密封件62开始泄漏，则其可如上面描述的进一步被压缩，从而停止任何泄漏，以及为更换密封件42争取时间。
如图4中显示的，使用弹簧元件74来使环箍66偏置成与包装材料64接合是有利的。弹簧元件定位在可调紧固件上，在该示例中，该可调紧固件包括将环箍66连接于环26的螺纹轴76。弹簧元件74定位在压缩螺母78和环箍支腿70之间。在该构造中，上紧螺母78使弹簧元件74压缩抵靠环箍66，从而使环箍压缩抵靠包装材料64，并且还在包装材料64退化，以及环箍66朝环26移动时，使压缩保持处于大致恒定的压缩力。使用偏置弹簧元件74减少定期上紧螺母78的潜在需要。图5显示与环26接合的弹簧偏置式环箍66的立体图。
图6显示安装在管路中的示例膨胀接头10。管路的一部分的第一管元件80连接于管道12的第一端16，而第二管元件82连接于套管20的第二端24。管道12的第二端18同轴地接收在环26和套管20内。管道12与环26的密封件42和62滑动密封接合，并且与套管20伸缩接合。在该示例中，环26与套管20的附连由机械管联接件28实现(在图2中详细显示并且在上面描述)。类似地实现管元件80和82的附连，但还可由栓接凸缘接头完成。如图6中显示的，管道12的第一端16具有朝外表面84，朝外表面84中具有周向凹槽86。类似地，套管20的第二端24具有朝外表面88，朝外表面88中具有周向凹槽90。另一个联接件28(具有带有键32的节段30)接合管道12的第一端16中的凹槽86，以及第一管元件80的端部中的凹槽92。第二管元件82类似地附连于套管20的第二端24。照这样，联接件28将套管20机械地锁定于环26，将第一管元件80机械地锁定于管道12，并且将第二管元件82机械地锁定于套管20，其中，键和凹槽的对接提供机械确切接合。如图6中进一步显示的，环垫圈34围绕环26和套管20之间、管道12和管元件80之间，以及套管20和管元件82之间的各个对接部沿周向延伸。节段30抵靠环26、套管20和管元件80和82上的朝外面向密封表面压缩环垫圈34，以在各个联接件28处提供不透流体的连接。使用机械联接件来将管道12连结于管元件80，将环26连结于套管20，以及将套管20连结于管元件82提供额外的优点：允许膨胀接头10围绕其纵向轴线旋转，而不拆开接头。仅必要的是松开紧固件，使节段30保持处于端对端关系，从而解除联接件28的夹持力。接着，可相对于管元件80和82旋转膨胀接头10，并且重新上紧紧固件，以将膨胀接头固定于管元件。面对在磨蚀浆料泵送通过接头时所遇到的磨蚀磨损，使膨胀接头旋转的能力对于延长接头的寿命是有用的。磨蚀磨损不是均匀地分布在膨胀接头的内表面上面，而是趋向于集中在最下部表面上。这是因为磨蚀物质趋向于停留在流动流内，并且集中在膨胀接头的最下部表面附近。如果膨胀接头10围绕其纵向轴线定期旋转，则其使磨蚀颗粒在流内不均匀地分布所引起的磨损在膨胀接头的内表面上面更均匀地分布。当在管道12内存在衬套(如图1中显示的)时，接头的旋转对于延长接头寿命也是有效的。
管道12和环26和套管20之间的相对轴向运动由管元件(包括管路)的热导致的膨胀和收缩引起。对于大多数材料，加热管路将使其与其长度和温度升高成比例地延长。这将使环26以及附连套管20移动向管道12的第一端16，以及使管道12的第二端18较深地移动到套管20中。相反地，温度降低将使环26和附连套管20移动远离管道12的第一端16，以及使管道12的第二端18移动脱离与套管20的较深接合。
备选地，可通过对接在管元件和膨胀接头的端部处沿径向向外延伸的凸缘来实现管元件80和82和膨胀接头1之间的连接，使用螺纹紧固件将凸缘栓接在一起。焊接也是用于连接的选择，但机械联接方法(即，分段联接件和带凸缘的联接件)具有易于安装和移除的优点，这在构建管路和以后在管路磨损时更换膨胀接头时可为有用的。
存在通过膨胀接头10的优选流向，其从管道端部16到管道端部18。该优选流向避免中断流，在流在管道12的端部18上面沿相反方向传送时会发生该中断流，这对流的横截面积造成急剧变化，并且可引起紊流，以及使其相关联的磨损速率增加。当具有高颗粒含量的浆料(诸如含油沥青砂或矿尾料)输送通过管网时，使用优选流向减少管道12的磨蚀磨损。
可使用图6容易地显现膨胀接头10的运行。例如，周围温度升高使管元件(诸如80和82)沿着管路增加长度。因此，随着分别连接于管道12和套管20的管的长度越来越长，膨胀接头10经历压缩力。在管道12的端部16处和套管20的端部24处对膨胀接头10施加压缩力。这使管道12和环26和套管20以相反的方向沿轴向朝彼此移动，因为对该运动的显著约束是密封件42和62(固定于环26)和管道12的外表面14之间的摩擦，该摩擦不可抵抗施加的轴向力。类似地，随着周围温度降低，管路冷却，并且管元件收缩，从而对膨胀接头10施加张力。沿轴向收缩的管路沿相反的方向拉动管道12和套管20，并且再一次，对轴向运动的显著约束是密封件42和62和管道12的外表面14之间的对接部处的摩擦，该摩擦被克服，以容许相对运动。在实际应用中，对于钢管路，钢的线性膨胀系数导致每100英尺管路在每100℉温度变化下长度改变¾英寸。取决于周围温度摆动范围和膨胀接头之间的管路的长度，膨胀接头10可必须适应高达大约40英寸的移位。
虽然针对广泛的轴向移位范围来设计膨胀接头10是可能的，但有时发现经济的是：制造具有相同轴向移位范围的膨胀接头，并且当计算预计与单个膨胀接头可适应的相比，特定装置将需要更多移位时，将它们串联地布置在复合膨胀接头中。可认识到的是，与使用相同类型的单个膨胀接头相比，串联布置的两个膨胀接头的布置使潜在轴向移位的长度加倍。能够端对端用来针对特定应用修整膨胀容量的膨胀接头的数量不限于两个，而是预见到实际限制将允许在设计方面有较大的多用性。
在膨胀接头10上采用外部可见的指示器/止动器来指示管道12和套管20之间的接合程度是有利的。在图7中显示的示例中，指示器/止动器96包括从管道12的外表面14向外突起的第一凸出部98，以及从环26的朝外表面向外突起的第二凸出部100。杆102可附连于凸出部98和100中的任一个，以及穿过另一个凸出部中的孔。例如可用长度规来校准杆，并且杆可用来测量管道12和环26和套管20之间的相对运动和位置。当膨胀接头10安装在管路中时，可使用指示器/止动器96来首先相对于套管20定位管道12，以使在膨胀和收缩两方面存在足以适应预期管路长度变化的移位长度。为了实现指示器/止动器96的止动功能，杆102可具有沿径向向外延伸的突起，以接合其所穿过的凸出部，以及限制套管20、环26和管道12之间的相对运动。在显示的示例中，突起包括旋拧于杆102的端部的螺母104，但是，还构想到其它形式的突起可被使用，并且能够可调节地定位在沿着杆的任何点处，以设定管道12和环26之间的运动停止点。当然可使用多个指示器/止动器96作为止动器，以分配膨胀或收缩引起的载荷，并且可使用多个突起，例如在凸出部的任一侧上的一个，以允许实现对接头的膨胀和收缩两者的限制。当串联使用多个膨胀接头10来迫使所有膨胀接头运行以适应管路运动时，使用指示器/止动器96是有利的。可想到的是，与串联中的其它膨胀接头相比，一个膨胀接头可在其管道和环之间具有较低的摩擦力。如果不是对于指示器/止动器96，该一个膨胀接头可因此接纳所有运动，这对于管路收缩而言可导致在管道12和套管20之间的脱离。
预计密封件42和62和管道12的外表面14之间的、抵抗管道12和环和套管26和20之间的轴向运动的摩擦力将较大，因为密封件和表面14之间的、确保对抗膨胀接头10内的内部压力的流体密封性所需的径向预载荷高。因此，有利的是使用暂时定位在凸出部98和100之间的动力促动器(例如液压促动器105)来对管道和环施加轴向定向力，以组装和拆开膨胀接头10，以及在管道12和套管20之间建立期望程度的接合。
如上面提到的，有利的是使膨胀接头围绕其纵向轴线定期旋转，以使传送通过接头的浆料中的磨蚀颗粒分布不均所引起的磨蚀磨损更均匀地分布。磨蚀颗粒往往停留和集中在膨胀接头的最下部表面附近，并且从而导致沿着这些接头的下部部分的磨损速率比沿着上表面的加速。但是，还观察到，通往膨胀接头的入口比接头的其它部分遭受更高的局部磨蚀速率。为了进一步延长膨胀接头的寿命，以及为了有利于修理受损部件，有利的是用独立的可移除构件形成膨胀接头的入口部分。在图8中显示这种膨胀接头104的示例实施例。膨胀接头104包括通过机械联接件28联接于管道12的入口节段106。联接件28包括节段30，节段30两端栓接在一起，从而包围入口节段106的端部和管道12。在该示例膨胀接头中，入口节段106和管道12两者在它们相应的端部处具有周向凹槽84和108，周向凹槽84和108接收联接件节段30上的键32，如图8中显示的。键32和凹槽84和108之间的接合在联接件28和其连结的构件之间提供机械确切接合。被捕捉在联接件节段30、入口节段106和管道12的端部之间的垫圈34确保入口节段和管道之间的接头不透流体。其它类型的机械联接件，例如定位在入口节段106和管道12上的对接栓接凸缘，对于在入口节段和管道之间实现允许从管道中容易地移除入口节段的连接也是可行的。
图9、9A、9B和9C提供示例入口节段106的详细截面图。为了减少管元件(未显示)和管道12(也参见图8)之间的流过渡部中的紊流，定位在管元件和管道之间的入口节段106的内表面110可为渐缩的。渐缩部可为笔直锥形渐缩部111，如图9中描绘的。备选地，如图9A中显示的，内表面110可具有“S”形，其在入口节段的端部之间具有拐点112，拐点112标记凹的表面部分114和凸的表面部分116之间的过渡部。另外，在入口节段106的各个端部附近的内表面110可相对于平行于入口节段的纵向轴线的基准线118进行角定向。大约3°的定向角120是有利的，其中，角像10°那样高或2°度那样低是实际的。
通过将膨胀接头104的入口部分制成独立构件106，简化了膨胀接头的维护和修理。例如，为了延长接头寿命，入口节段106可独自围绕其纵向轴线旋转，以整平磨蚀磨损。旋转周期基于维修时间和维修条件，诸如磨蚀物质的流率和浓度。这比使整个膨胀接头104旋转更简单。此外，当入口节段106的旋转将不再足以提供一段可接受厚度时，仅必要的是更换入口节段106，而非整个膨胀接头104。通过使用机械联接件28(参见图2和图8)进一步有利于更换，机械联接件28允许简单地栓接和松开联接件节段，以容许更换入口节段106。
通过使用如图9B中显示的定位在入口节段106内的抗磨蚀衬套115可进一步经济地改进维护和修理。衬套115可包括例如硬质钢，或者具有碳化铬镀层，或者包括抗磨蚀陶瓷。由于衬套115提供牺牲表面(防止入口节段106磨损)，故进一步有利的是，能够从入口节段容易地移除衬套115，以允许迅速更换用完的衬套。为了提高移除能力，衬套115可具有栓接于入口节段的端部的凸缘117。如同入口节段内表面110一样，衬套115的内表面119可在形状上设置成减少紊流。衬套内表面119可具有图9B中描绘的笔直锥形渐缩部121，或者如图9C中显示的，衬套115的内表面119可具有“S”形，其在入口节段的端部之间具有标记凹的表面部分114和凸的表面部分116之间的过渡部的拐点112。
图10是另一个示例膨胀接头122的局部截面立体图，另一个示例膨胀接头122用于将管路中的管元件连接于彼此，同时适应热对管路引起的轴向膨胀和收缩。膨胀接头122包括管道124。管道124具有外表面126，密封件128安装在外表面126上。在该示例中，密封件128包括定位在管道124的外表面126中的多个周向凹槽130。
如图11中显示的，凹槽130中的一个或更多个接收密封元件132，诸如O形环。其它类型的密封元件也是可行的，诸如方形环和工程唇形密封件。除了密封元件之外，抗挤压环134也可在各个密封元件132附近定位在凹槽130内。抗挤压环134在密封元件132的低压侧上安装在凹槽130内，并且帮助阻止密封元件挤压到管道124和管道124连结于其的套管136(在下面描述)之间的间隙中。密封元件和抗挤压环可由顺从性材料制成，诸如EPDM、腈和其它天然和合成橡胶化合物，以及其它聚合物，诸如PTFE、尼龙、聚亚安酯和PEEK。
如图10中显示的，前述套管136包围管道124的一部分。套管136具有外表面138和朝内内表面140。朝内内表面140是光滑的，并且在大小上设置成接合密封件128。在该示例中，密封元件132被捕捉在它们的相应凹槽130内，并且压缩在管道124的外表面126和套管136的内表面140之间，以在套管和管道之间实现不透流体的密封。套管136的光滑内表面140有利于不透流体的密封，并且允许套管136和管道124相对于彼此沿轴向滑动。进一步有利的是将其它功能元件定位在凹槽130中。例如，如图11中显示的，可将一个或更多个擦拭器元件142(包括例如由诸如PTFE的塑料形成的方形环)置于凹槽130中的一个或更多个中。擦拭器元件用来对管道124的外表面126清除外来物质，否则该外来物质可损坏密封元件132。这在膨胀接头携带了磨蚀浆料时尤其有用，该磨蚀浆料可设法进入管道124和套管136之间的间隙中，并且从而污染管道外表面126。另外，轴承元件144，例如，由诸如PTFE的塑料或纤维加强复合物(由石墨形成)形成的环，也可定位在凹槽130内，以在两个构件之间的相对运动期间支承和导引管道124和套管136。
再次参照图10，表面146定位在套管136的一个端部148处。表面146从套管136的内表面140沿横向朝管道124突起。另一个表面150从管道124的外表面126沿横向向外突起，表面150定位在密封件128和管道124的端部152之间，套管136上的表面146能够与管道124上的表面150接合，并且当接触时，表面用作限制管道和套管之间的相对轴向滑动运动的止动器。使表面150与管道124的外表面126集成，以及使表面150成为带凹槽的隆起表面154(包括密封件128)的一部分是实际的。此外实际的是，使套管136上的表面146由多个弯曲节段156形成，以形成附连于套管136的端部148的凸缘157，使用紧固件158将多个弯曲节段156栓接于套管136。这些套管结构有利于组装膨胀接头122，如图12中显示的。通过首先将密封元件132、抗挤压环134、擦拭器元件142和轴承元件144定位在管道124的外表面126中的凹槽130中来制备管道124。可使密封元件、擦拭器和轴承润滑，并且从套管136的端部148，将管道124的端部151同轴地插入到套管136中。端部148处的套管136内侧上的斜面160使得将管道插入到套管中为可能的。斜面160用作导引管道124的引入件，并且使压缩密封元件132、擦拭器元件142和轴承元件144开始。还可使套管136的内表面140润滑，以有利于管道和套管之间的滑动运动。注意，套管136上的表面146(参见图10)尚未安装成容许套管传送经过限定管道124上的表面150的隆起凹槽表面154。因为需要相当大的力将管道124插入到套管136中，以使密封元件接合套管的光滑内表面140，所以有利的是将凸出部162附连于管道和套管的相应的外表面126和138，以及使螺纹杆164在凸出部之间穿过。通过将螺母166上紧在杆164上，可能的是迫使管道124均匀地进入套管136，以使管道124不堵塞和损坏密封元件，该密封元件在管道和套管之间处于相当大的压缩。一旦套管136的端部148经过管道124上的表面150，就可将节段156栓接于套管136的端部148，以形成凸缘157，从而提供表面146(参见图10)。可移除螺纹杆164，并且完成膨胀接头122的组装，如图10中显示的。
图13显示安装在管路中的示例膨胀接头122。管路的一部分的第一管元件168连接于管道124的端部152，并且第二管元件170连接于套管136的端部153。在该示例中，膨胀接头122与管元件168和170的连接由机械管联接件28实现(也参见图2)，机械管联接件28包括独立节段30，独立节段30栓接在一起，从而包围管元件的端部和膨胀接头。管道端部152和套管端部153以及管元件168和170的端部具有周向凹槽172，周向凹槽172接收从节段30延伸的沿径向向内突起的键32。相应的节段30的键32接合管元件168和170两者和膨胀接头构件(管道124和套管136)中的凹槽172，并且以端对端关系机械地锁定它们，其中，键和凹槽的对接提供机械确切接合。垫圈34围绕管元件和膨胀接头之间的各个对接部沿周向延伸，并且被节段压缩抵靠管元件和膨胀接头上的密封表面，以提供不透流体的连接。备选地，通过将沿径向向外延伸的凸缘对接在管元件的端部和膨胀接头处来实现管元件168和170和膨胀接头122之间的连接，凸缘栓接在一起。焊接也是用于连接的选择，但机械联接方法(即，分段和带凸缘的联接件)具有易于安装和移除的优点，这在构建管路和以后在管路磨损时更换膨胀接头时可为有用的。
在图13中示出使套管136比管道124更短的优点，因为这容许管道124的端部151延伸到下游管元件170中。注意，存在通过膨胀接头122的优选流向，其从管道端部152到管道端部151。管道124设计有膛孔174，膛孔174具有从端部152到端部151的渐进内部渐缩，以容许其插入到套管136和管元件170中，同时还避免中断流，中断流可引起紊流。当具有高颗粒含量的浆料(诸如含油沥青砂或矿尾料)输送通过管网时，该设计减少管道124的磨蚀磨损。将管道端部151插入到下游管元件170中阻止流动浆料接触套管136的光滑内表面140，从而保护该表面免受通过膨胀接头的流引起的磨蚀。
使用图13可容易地显现膨胀接头122的运行。例如，周围温度升高使管元件的长度沿着管路增加。因此，膨胀接头122经历压缩力，因为连接在接头的各个端部处的管的长度变得更长。在管道124的端部152和套管136的端部153处对膨胀接头122施加压缩力。这使套管和管道沿相反的方向沿轴向朝彼此移动，因为对该运动的显著约束是在密封元件132(以及固定在管道124上的其它构件)和套管136的内表面140之间的摩擦，该摩擦不可抵抗施加的轴向力。类似地，随着周围温度降低，管路冷却和收缩，从而在膨胀接头122上放置张力。沿轴向收缩的管路沿相反的方向拉动管道和套管，并且再次，对抗轴向运动的显著约束仅仅是密封元件132(以及固定在管道124上的其它构件)和套管136的内表面140之间的对接部处的摩擦，该摩擦被克服，以容许相对运动。在实际应用中，对于钢管路，钢的线性膨胀系数导致每100英尺管路在每100℉温度变化下长度改变¾英寸。取决于周围温度摆动范围和膨胀接头之间的管路的长度，膨胀接头122可必须适应高达大约40英寸的移位。
虽然针对广泛的轴向移位范围来设计膨胀接头122是可能的，但有时发现经济的是：制造具有相同轴向移位范围的膨胀接头，并且当计算预计与单个膨胀接头可适应的相比，特定装置将需要更多移位时，将它们串联地布置。
如图14中显示的，在膨胀接头122上采用外部可见的指示器/止动器194来指示管道124和套管136之间的接合程度是有利的。在该示例中，指示器/止动器194包括附连于管道124的外表面126的第一凸出部196，以及附连于套管136的外表面138的第二凸出部198。杆200可附连于凸出部中的任一个，在该示例中，附连于管道124上的凸出部196，并且穿过套管136上的另一个凸出部198中的孔202。例如可用长度规来校准杆200，并且杆200可用来测量管道124和套管136之间的相对运动和位置。当膨胀接头122安装在管路中时，可使用指示器/止动器194来首先相对于管道定位套管，以使在膨胀和收缩两方面存在足以适应预期管路长度偏移的移位长度。为了实现指示器/止动器194的止动功能，杆200可具有沿径向向外延伸的突起204，以接合凸出部198，以及限制套管和管道之间的相对运动。在该示例中，突起是栓接于杆200的端部的衬垫，但是，还构想到其它形式的突起可被使用，并且能够可调节地定位在沿着杆200的任何点处，以设定套管和管道之间的运动停止点。当然可使用多个指示器/止动器194作为止动器，以分配膨胀或收缩引起的载荷，并且可使用多个突起，例如在凸出部198的任一侧上的一个，以允许实现对接头的膨胀和收缩两者的限制。当串联使用多个膨胀接头122来迫使所有膨胀接头运行以适应管路运动时，使用指示器/止动器194是有利的。可想到的是，与串联中的其它膨胀接头相比，一个膨胀接头可在其管道和套管之间具有更低的摩擦力。如果不是对于指示器/止动器194，该一个膨胀接头可因此承受所有运动，这对于管路收缩而言可导致在管道和套管之间的脱离。

Claims (45)

1.一种用于连接管元件的膨胀接头，所述膨胀接头包括：
管道，其具有外表面和相对地设置的第一端和第二端；
套管，其具有相对地设置的第一端和第二端，所述套管定位成包围所述管道的至少一部分，所述部分包括所述管道的所述第二端；
环，其与所述套管分开，并且能够可移除地附连于所述套管的所述第一端，所述环包围所述管道，并且具有面向所述管道的所述外表面的内表面；
定位在所述环和所述套管的所述第一端之间的联接件，所述联接件将所述环可移除地附连于所述套管；
密封件，其安装在所述环的所述内表面上，并且密封地接合所述管道的所述外表面，所述环和所述套管能够相对于所述管道沿轴向可滑动地移动。
2.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，所述管道的所述第一端具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽。
3.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于：
所述联接件，其具有两端连结而包围所述管道的多个弓形节段，所述节段中的各个具有以间隔开的关系定位的第一沿径向内突的键和第二沿径向内突的键；
所述环具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽；
所述套管具有定位在其所述第一端处的朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽，所述第一键接合所述环中的所述周向凹槽，所述第二键接合所述套管中的所述周向凹槽。
4.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，所述套管具有定位在其所述第二端处的朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽。
5.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封件包括：
定位在所述环的内表面中的至少一个朝内周向凹槽；
定位在所述至少一个凹槽内的密封元件。
6.根据权利要求5所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封元件包括O形环。
7.根据权利要求5所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述至少一个凹槽内的抗挤压环。
8.根据权利要求7所述的膨胀接头，其特征在于，所述抗挤压环由弹性体形成。
9.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封件包括：
定位在所述环的内表面中的多个朝内周向凹槽；
各自定位在所述凹槽中的相应一个内的多个密封元件。
10.根据权利要求9所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封元件包括O形环。
11.根据权利要求9所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括各自定位在所述凹槽中的相应一个内的多个抗挤压环。
12.根据权利要求11所述的膨胀接头，其特征在于，所述抗挤压环由弹性体形成。
13.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括：
定位在所述环的内表面中的至少一个朝内周向凹槽；
定位在所述至少一个凹槽内的至少一个轴承元件。
14.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括：
定位在所述环的内表面中的至少一个朝向周向凹槽；
定位在所述至少一个凹槽内的至少一个擦拭器元件。
15.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封件包括：
从所述环的所述内表面沿径向向内突起的台肩；
包装材料，其包围所述管道，并且在所述环的所述内表面和所述管道的所述外表面之间定位在所述台肩附近；
环箍，其附连于所述环，并且包围所述管道，所述环箍定位在所述包装材料附近，所述包装材料被捕捉在所述环箍和所述台肩之间。
16.根据权利要求15所述的膨胀接头，其特征在于，所述环箍能够相对于所述环沿轴向移动，用于使所述包装材料压缩抵靠所述台肩。
17.根据权利要求16所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括：
多个可调节紧固件，各个所述紧固件在所述环箍和所述环之间延伸；并且
其中，上紧所述紧固件使所述环箍朝所述环移动，用于压缩所述包装材料。
18.根据权利要求17所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括多个弹簧，所述弹簧中的每一个安装在所述紧固件中的一个上，并且接合所述环箍，用于使所述环箍朝所述环偏置。
19.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述管道的所述第一端处的入口节段。
20.根据权利要求19所述的膨胀接头，其特征在于，所述入口节段具有内表面，所述内表面具有选自下者组成的组的形状：笔直锥形渐缩和S形，所述S形具有标记凹的内表面部分和凸的内表面部分之间的过渡部的拐点。
21.根据权利要求19所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述入口节段内的衬套。
22.根据权利要求21所述的膨胀接头，其特征在于，所述衬套包括从其端部向外延伸的凸缘，所述凸缘栓接于所述入口节段的端部，用于将所述衬套可移除地附连于其。
23.根据权利要求21所述的膨胀接头，其特征在于，所述衬套具有内表面，所述内表面具有选自下者组成的组的形状：笔直锥形渐缩和S形，所述S形具有标记凹的内表面部分和凸的内表面部分之间的过渡部的拐点。
24.根据权利要求19所述的膨胀接头，其特征在于，所述入口节段与所述管道的所述第一端分开，并且可移除地附连于其，所述入口节段具有相对地设置的第一端和第二端。
25.根据权利要求24所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述管道的所述第一端和所述入口节段的所述端部中的一个之间的第二联接件，所述第二联接件将所述入口节段可移除地附连于所述管道。
26.根据权利要求25所述的膨胀接头，其特征在于：
所述第二联接件具有两端连结而包围所述管道的多个弓形节段，所述节段中的各个具有以间隔开的关系定位的第一沿径向内突的键和第二沿径向内突的键；
所述管道的所述第一端具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽；
所述入口节段的所述第一端具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽，所述第一键接合所述管道中的所述周向凹槽，所述第二键接合所述入口节段中的所述周向凹槽。
27.根据权利要求1所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括：
从所述管道的所述外表面向外突起的第一凸出部；
从所述环的外表面向外突起的第二凸出部；
杆，其附连于所述凸出部中的一个，并且延伸通过所述凸出部中的另一个中的开口，所述杆导引所述管道和所述环之间的相对运动，并且为所述相对运动的指示器。
28.根据权利要求27所述的膨胀接头，其特征在于，所述杆附连于所述第一凸出部。
29.根据权利要求27所述的膨胀接头，其特征在于，所述杆包括从其沿径向向外延伸的突起，所述突起能够与所述第二凸出部接合，以限制所述管道和所述环之间的相对运动。
30.根据权利要求27所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述第一凸出部和所述第二凸出部之间的促动器，所述促动器用于对所述凸出部施加力，以及使所述环和所述管道相对于彼此移动。
31.根据权利要求30所述的膨胀接头，其特征在于，所述促动器包括液压促动器。
32.一种用于连接管元件的膨胀接头，所述膨胀接头包括：
管道，其具有外表面和相对地设置的第一端和第二端；
定位成包围所述管道的至少一部分的套管，所述套管具有面向所述管道的所述外表面的内表面，所述套管和所述管道能够相对于彼此沿长度可滑动地移动；
定位在所述管道的所述外表面和所述套管的所述内表面之间的密封件；
从所述管道的所述外表面沿横向突起的第一表面，所述第一表面定位在所述管道的所述第一端和所述密封件之间；
第二表面，其从套管的所述内表面沿横向朝所述管道突起，并且能够与所述第一表面接合，以在所述第一和第二表面彼此接触时，限制所述管道和所述套管之间的相对滑动运动。
33.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，所述套管具有小于所述管道的长度的长度。
34.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，所述管道的所述第二端从所述套管沿轴向向外突起。
35.根据权利要求34所述的膨胀接头，其特征在于，所述管道的所述第一端具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽。
36.根据权利要求35所述的膨胀接头，其特征在于，所述套管在所述管道的所述第一端远侧的端部具有朝外表面，所述朝外表面中具有周向凹槽。
37.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，所述第二表面包括附连于所述套管的面向所述管道的所述第一端的端部的凸缘。
38.根据权利要求37所述的膨胀接头，其特征在于，所述凸缘由多个节段形成。
39.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封件包括：
定位在其所述第一端和所述第二端之间的所述管道的所述外表面中的至少一个朝外周向凹槽；
定位在所述至少一个凹槽内的O形环。
40.根据权利要求39所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括定位在所述至少一个凹槽内的抗挤压环。
41.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，所述密封件包括：
定位在其所述第一端和所述第二端之间的所述管道的所述外表面中的多个朝外周向凹槽；
各自定位在所述凹槽中的相应一个内的多个O形环。
42.根据权利要求41所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括各自定位在所述凹槽中的相应一个内的多个抗挤压环。
43.根据权利要求32所述的膨胀接头，其特征在于，进一步包括：
从所述管道的所述外表面向外突起的第一凸出部；
从所述套管的外表面向外突起的第二凸出部；
杆，其附连于所述凸出部中的一个，并且延伸通过所述凸出部中的另一个中的开口，所述杆导引所述管道和所述套管之间的相对运动，并且是所述相对运动的指示器。
44.根据权利要求43所述的膨胀接头，其特征在于，所述杆附连于所述第一凸出部。
45.根据权利要求44所述的膨胀接头，其特征在于，所述杆包括从其沿径向向外延伸的突起，所述突起能够与所述第二凸出部接合，以限制所述管道和所述套管之间的相对运动。
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