CN105953007A - 无人船金属复合密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人船金属复合密封装置，包括：无人船套爪激活管道接头，包括一个焊接到第一管道的末端部分的母衬套，以及一个焊接到第二管道的末端部分的公衬套，每个衬套有用于流体在第一管道和第二管道间流动的绕延伸轴的中央孔；无人船复合金属密封环，挤压设置在所述衬套之间；套爪激活机构，具有多个摆动抓手和套爪环，将所述衬套夹住；液压缸，安装到母衬套上，用于相对母衬套沿着管道和衬套的中央纵向轴移动套爪环。本发明的金属符合密封方式，将软金属覆盖在较硬金属上，能够在实际工作过程中实现金属之间的有效密封，从而大大提高管道的修复效果和效率。

Description

无人船金属复合密封装置
技术领域
本发明涉及一种无人船用配件，尤其是一种无人船金属复合密封装置。
背景技术
随着无人船技术的飞速发展，远程对高压海底管道进行远程装配和分解成为可能，海底管道中，金属对弹性体密封应当作为临时措施采用直到一个损坏的衬套可以被替换，目前的管道修复技术受限于金属复合密封的技术发展。海洋油气资源开采是未来各国争相研究的热点。管道连接技术是水下生产系统中一项广泛应用的重要技术。各种形式的管道连接器也在实际的工程中得到应用。其中卡爪式连接器作为一种快速连接方式日益受到重视。深水高压密封是连接器的核心问题。目前很多技术对深水环境下法兰密封的影响因素做了深入分析,并提出了多种大尺寸管道用透镜垫圈的设计方法，结合连接器实际的工作情况以确定金属密封与O型圈密封相结合的复合式密封方案。然而这些方案在实际工作过程中难以实现金属之间的有效密封，从而大大影响管道的修复效果和效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人船金属复合密封装置，包括：无人船套爪激活管道接头，管道接头提供了在第一管道和第二管道间可拆卸、包含流体压力的连接，管道接头包括一个焊接到第一管道的末端部分的母衬套，以及一个焊接到第二管道的末端部分的公衬套，衬套均关于中心延伸轴径向对称，并且每个衬套有用于流体在第一管道和第二管道间流动的绕延伸轴的中央孔；无人船复合金属密封环，挤压设置在所述衬套之间；套爪激活机构，具有多个摆动抓手和套爪环，将衬套夹住；液压缸，安装到母衬套上，用于相对母衬套沿着管道和衬套的中央纵向轴移动套爪环。
优选的，抓手摆动从而与公衬套配合。
优选的，液压气缸施加一个大致恒定的纵向力在套爪环上，使套爪环向右移动，该纵向力作用在套爪环锥状的内表面上并与套爪抓手的倾斜外表面配合，推动套爪抓手径向向里作用在衬套上，每个套爪抓手包括一对倾斜的内表面，分别与母衬套和公衬套的锥形外表面配合。
优选的，液压缸驱动套爪环相对于母衬套纵向向左移动，使得套爪抓手摆动到打开位置，公衬套相对于母衬套纵向向右移动，使公衬套与母衬套断开。
优选的，公衬套与母衬套分开时，加入弹性或热塑性的O形圈辅助复合金属密封环与母衬套配合，复合金属密封环可以多次设置或重设置压力密封。
优选的，套爪激活机制包括螺旋的压缩弹簧，在配合的状态下施加纵向力迫使套爪环保持衬套。
优选的，还包括一个可去除的执行工具，竖立地滑动到管道，从而打开套爪抓手将衬套分离或再配合。
优选的，执行工具水平向右移动，从而执行工具的液压激发轴与对应的套爪激发机构的插孔配合，执行工具的液压缸被增压引起第一和第二液压活塞轴从液压缸向外进一步延伸，液压激发轴的外抓手从第一和第三活塞轴径向向外扩展，外抓手锁入对应的第一和第二插孔，活塞轴的末端压着对应的套爪激活机构的第三和第四插孔，第一和第二插孔通过第三和第四活塞轴连接到套爪环的第一板里，第三和第四插孔潜入固定到母轴套的第二板内。
优选的，复合金属密封环为环形物，关于延伸轴径向对称，通过压力激活并通过密封环相对的径向末端部分的两个独立的斜面间的压缩来运作。
优选的，金属密封环是压力激活密封型和每个末端的两个斜面间的压缩密封型混合的密封类型，所述金属密封环设计成容纳10,000psi，15,000psi或20,000psi以上的压力。
优选的，复合金属密封环包括相对硬的金属核心和至少一个相对软金属的环状区域，相对硬的金属核心被相对软金属的环状区域嵌入和覆盖，相对软金属的环状区域提供对应的平行隔开的环形密封表面，环形密封表面的锥度方向相反。
本发明的金属符合密封方式，将软金属覆盖在较硬金属上，能够在实际工作过程中实现金属之间的有效密封，从而大大提高管道的修复效果和效率。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1是根据本发明实施例的无人船复合金属密封的套爪激励管道接头的纵向横截面图；
图2是图1中套爪激励管道接头改动后的纵向横截面图，其中容易从套爪激励管道接头处取走液压缸。
图3是图1中无人船复合金属密封的放大截面图；
图4显示图3中无人船复合金属密封的一个改动实施例，允许用弹性O形圈共同密封轻微损坏的轮轴表面；
图5是图3中密封的硬金属核心在密封制作过程中粗加工后的横截面视图；
图6是显示在密封的硬金属核心外沉积相对较软金属覆盖层的钨电极惰性气体保护焊(GTAW)过程的直观图；
图7是显示根据本发明实施例可选配置的正视图，部分是截面图，采用一个夹具的延长内爪，允许在沉积密封的硬金属核心上的两个环状区域的堆焊层时，在沉积完成其中一个环状区域后不松开夹具；
图8是在最后加工复合金属密封前的硬金属核心上相对软金属的覆盖层的横截面视图。
具体实施方式
参见附图1，显示了用10代表的无人船套爪激活管道接头的纵向横截面图。管道接头10提供了在第一管道11和第二管道12间可拆卸、包含流体压力的连接。接头10有一个焊接到第一管道11的末端部分的母衬套13，以及一个焊接到第二管道12的末端部分的公衬套14。衬套13、14每个都关于中心延伸轴径向对称，并且每个衬套有用于流体(未显示)在第一管道11和第二管道12间流动的绕延伸轴的中央孔。
为了在管道11和12间制作一个压力密封，与本发明一致的一个无人船复合金属密封环15挤在衬套13和14之间。衬套13、14依次被一个带有多个摆动抓手16、17和套爪环18的套爪激活机构夹在一起。液压缸19、20被安装到母衬套13上，用于相对母衬套13沿着管道11、12和衬套13、14的中央纵向轴移动套爪环18。
图1显示了在密闭位置的套爪环，其中抓手16、17摆动从而与公衬套14配合。液压气缸19施加一个大致恒定的纵向力在套爪环上，使套爪环在图1中向右移动。这个纵向力作用在套爪环锥状的内表面21上并与套爪抓手16、17的倾斜外表面配合，推动套爪抓手16、17径向向里作用在衬套13、14上。每个套爪抓手16、17有一对倾斜的内表面，分别与母衬套13和公衬套14的锥形外表面22、23配合。因此，套爪抓手16、17施加的径向向里的力使得公衬套14施加纵向力在母衬套13上。然后公衬套14作用在母衬套13上的纵向力挤压复合金属密封环15分别与母衬套13和公衬套14的内倾斜表面24、25配合。
液压缸19、20可以被激励来驱动套爪环18相对于母衬套13纵向向左移动，使得套爪抓手16、17摆动到打开位置，允许公衬套14相对于母衬套13纵向向右移动，使公衬套与母衬套断开。在这个情形下，在公衬套14与母衬套分开时，一个弹性或热塑性的O形圈26，帮助复合金属密封圈与母衬套配合。同一公衬套14，或另一个管道的不同的公衬套，可以以后与母衬套13再配合，并在液压缸19相对于母衬套13向左移动套爪环18的激励下，与母衬套压成密封状态。以这种方式，复合金属密封环15可以多次设置或重设置压力密封。
图1显示的套爪激励机构，允许远程对高压海底管道进行远程装配和分解。图2显示了对图1的套爪激励机构的修改，来允许液压缸在管道连接形成后被移走。图2中与图1相似的零件用相似但加撇的数字来表示。图2中修改过的套爪激活机构10’，包括螺旋的压缩弹簧101、102，在配合的状态下施加纵向力迫使套爪环18’保持衬套13’、14’。
为了打开套爪抓手16’、17’用于衬套13’、14’的分离或再配合，一个可去除的执行工具103竖立地滑动到管道11’上图2中所示位置。然后执行工具103在图2中水平向右移动，从而执行工具的液压激发轴104、105与对应的套爪激发机构10’的插孔106、107配合。然后执行工具的液压缸108、109被增压引起液压活塞轴110、111从液压缸向外进一步延伸。这使得液压激发轴104、105的外抓手112、113从活塞轴110、117径向向外扩展，从而抓手112、113锁入对应的插孔106、107，然后活塞轴的末端压着对应的套爪激活机构10’的插孔114、115。插孔106、107在一个通过轴117、118连接到套爪环18’的板116里，插孔114、115在固定到母轴套13’的板119里。因此，活塞轴110、111从液压缸108、109的向外相对运动引起运行工具103的本体在图2向左运动。这将板116相对母轴套13’向左拉动，并将套爪环18’相对母轴套13’向左移动。这依次压缩压缩弹簧101、102并摆动套爪抓手16’、17’向它们打开的位置摆动。
一旦轴套13’、14’被断开及再次配合，作用在活塞108、109上的液压可以反过来将套爪抓手16’、17’回到它们关闭的位置。然后运行工具103可以从套爪促动机构10’水平向左、从管道11’竖直移动被移走。
图3是一个图1引入的复合金属密封环15的放大横截面视图。复合金属密封环15是一个关于延伸轴31径向对称的环形物。例如，为密封3.006英寸内径管道间的连接，复合金属密封环15有内径为3.09英寸，外径为3.941英寸，径向宽度为1.6英寸。一个类似的密封结构可以用来密封内径为约2英寸到至少36英寸的管道间的连接。对于大直径管道，密封的径向尺寸当然与管道直径成比例增加，但相同的径向厚度和长度尺寸可以用于更大的管道直径。
复合金属密封环15是压力激活的，它通过密封环相对的径向末端部分的两个独立的斜面间的压缩来运作。因此，密封环15是密封类型AX(压力激活)和BX类型(每个末端的两个斜面间的压缩密封)混合的密封类型。密封环15设计成容纳高达10,000psi的压力，尽管可以设计成更高压力的，例如，15,000psi,20,000psi,或更高。
与本发明相一致，复合金属密封环15有相对硬的金属核心34和至少一个相对软金属的环状区域。在图3的环中，有两个如此的环状区域35、36。相对硬的金属核被相对软金属35、36嵌入和覆盖。相对软金属覆盖层35、36提供对应的平行隔开的环形密封表面32、33，其锥度方向相反。软覆盖金属可以流动到所有轴套密封表面可能存在的不连续处并形成密封。另外，软覆盖金属将不划伤或磕碰衬套的密封表面。
硬金属核心34确保在金属密封环15和轴套密封表面间有相对高的接触应力。密封里的高压缩应力增强了密封承受外压力的能力，而且内压力进一步强化密封。通过覆盖在高强度核心上，保持了密封的高强度容量，并呈现了一个在轴套表面变形前变形的软外表面。因此，硬金属核心34确保了密封环可以在制作和打开金属密封很多次后使用。
如图3所示，软金属覆盖层35、36被配置和确定尺寸来引起密封环和衬套界面间的应力集中使得软金属覆盖层有受控制的变形进入衬套表面。软金属覆盖层35、36在径向方向的厚度与硬金属核心34在径向方向的厚度量级相同。特别的，软金属覆盖层35、36在径向方向上的厚度至少是1/8英寸。
复合金属环15与两个配对的轴套(图1中13、14)装配时的径向干涉优选比用相对硬材料制成的标准金属密封的径向干涉多大约0.005英寸。例如，对有与图3中复合金属密封15相似尺寸的标准金属密封，标准金属密封一般有一个与配对衬套大约0.005英寸的径向干涉。一个附加的0.005英寸的径向干涉确保，在衬套间和密封的相对软金属覆盖层上施加的接触压力达到相对软金属覆盖层材料的弹性应力极限，并引起软金属覆盖层的一些塑性变形和流动。作为示例，附加的0.005英寸的径向干涉将引起弹性应力极限为20,000至约80,000psi的材料产生所需程度的塑性形变。这种对覆盖层材料的厚度和几何尺寸的控制确保了密封材料能够流入可能在衬套表面存在并且否则阻止合适的金属对金属密封形成的缺陷。
在图4中显示的是一个复合金属密封15’，它是图3的复合金属密封15的修改。图4中特征与图3中特征相似的用相似但带撇的参考数字标识。在图4的密封15’中，提供长方形状槽37、38给软金属层35’、36’来保持各自的弹性O形圈(未显示)。每个软金属层35’、36’里对应的每个长方形槽37、38有与软金属覆盖层刻入的密封表面垂直的壁面。因此，每个长方形槽37、38有锥形的壁面，其中一个是相对延伸轴31’径向方向的底切。通过在槽37、38使用各自的弹性O圈(未显示)，将可能在有损坏至图3中的复合金属密封15无法形成合适压力密封的密封表面的衬套间形成压力密封。但是，在图3中的金属密封15能够形成适当的压力密封时不推荐用图4中带着弹性O形圈的密封15’，因为合适的金属对金属压力密封比金属对弹性体压力密封更可靠。对海底管道连接，如金属对弹性体密封应当作为临时措施采用直到一个损坏的衬套可以被替换，或作为对金属对弹性体压力密封的失效进行合适处理的偶然措施。
一个制作复合金属密封环15的优选方法包括一个焊接覆盖层的过程。这个焊接过程以产生两者间整体连接的方法将相对软金属覆盖层35、36沉积到相对硬金属核34上。换句话说，复合金属密封环15作为一个整体的金属片作用，尽管在复合金属密封环的不同区域金属的性质是不同的。焊接过程也会稍微改变硬金属核心的性质和尺度。因此，在焊接过程时，相对硬金属核心是粗加工的并有比它所需最终尺寸大的尺寸。任何由焊接过程引起的硬金属核心尺寸变化在最终机加工步骤中被消除。
图5是图3密封的硬金属核心在初始粗加工操作后的横截面视图。一个高屈服强度17-4PH不锈钢的中空圆柱状工件在机床上车削来得到图5中显示的粗加工核心41。对上面给出的3.006英寸的密封，该粗加工核心41的内径为2.840英寸，外径为4.250英寸，纵向尺寸为1.842英寸。另外，核心的每个纵向末端部分加工出一个30度锥度42、43，从直径3.133英寸沿着纵向方向向里延伸0.433英寸。
焊接覆盖层的过程显示在图6里。粗加工核心41固定在一个安装在车床或管道焊接机器的车头箱上的三爪卡盘44上，被旋转驱动46缓慢自动的旋转。多层相对软、相对脆并防腐蚀的316型不锈钢，被从316型不锈钢焊条48和一个气体钨电极弧焊接单元的金属电弧47，沉积到粗加工核心的一个末端部分。沉积软金属在核心41的一端后，核心被翻过来并且再一次安装到三爪卡盘44上在核心的另一末端上沉积相对软的覆盖层，产生一个整体的复合金属结构50，如图8所示。
为消除焊接操作中将核心翻转并再次固定它到三爪卡盘的需要，可以在卡盘44使用延伸的内爪61、62，如图7所示。在这种情况下，一个硬金属核41’可以在两个末端从顶部焊接，在位置63、64从大箭头所指示的方向。
如图8中所示，由焊接操作产生的复合结构50有两个相对软金属覆盖材料焊接到相对硬材料核心41上的环51、52。然后这个复合接头在机床上切削作为最后的加工操作产生图3的复合金属密封环15或图4中显示的复合金属密封环15’。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (11)

1.一种无人船金属复合密封装置，其特征在于包括：
无人船套爪激活管道接头(10)，所述管道接头(10)提供了在第一管道(11)和第二管道(12)间可拆卸、包含流体压力的连接，所述管道接头(10)包括一个焊接到第一管道(11)的末端部分的母衬套(13)，以及一个焊接到第二管道(12)的末端部分的公衬套(14)，所述衬套(13、14)均关于中心延伸轴径向对称，并且每个衬套有用于流体在第一管道(11)和第二管道(12)间流动的绕延伸轴的中央孔；
无人船复合金属密封环(15)，挤压设置在所述衬套(13，14)之间；
套爪激活机构，具有多个摆动抓手(16、17)和套爪环(18)，将所述衬套(13、14)夹住；
液压缸(19、20)，安装到母衬套(13)上，用于相对母衬套(13)沿着管道(11、12)和衬套(13、14)的中央纵向轴移动套爪环(18)。
2.根据权利要求1所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述抓手(16、17)摆动从而与公衬套(14)配合。
3.根据权利要求1所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述液压气缸(19，20)施加一个大致恒定的纵向力在套爪环(18)上，使套爪环(18)向右移动，该纵向力作用在套爪环(18)锥状的内表面(21)上并与套爪抓手(16、17)的倾斜外表面配合，推动套爪抓手(16、17)径向向里作用在衬套(13、14)上，每个套爪抓手(16、17)包括一对倾斜的内表面，分别与母衬套(13)和公衬套(14)的锥形外表面(22、23)配合。
4.根据权利要求1所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述液压缸(19、20)驱动套爪环(18)相对于母衬套(13)纵向向左移动，使得套爪抓手(16、17)摆动到打开位置，公衬套(14)相对于母衬套(13)纵向向右移动，使公衬套(14)与母衬套(13)断开。
5.根据权利要求3所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述公衬套(14)与母衬套(13)分开时，加入弹性或热塑性的O形圈(26)辅助复合金属密封环(15)与母衬套(13)配合，复合金属密封环(15)可以多次设置或重设置压力密封。
6.根据权利要求1所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述套爪激活机制(10)包括螺旋的压缩弹簧(101、102)，在配合的状态下施加纵向力迫使套爪环(18)保持衬套(13、14)。
7.根据权利要求1所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：还包括一个可去除的执行工具(103)，竖立地滑动到管道，从而打开套爪抓手(16、17)将衬套(13、14)分离或再配合。
8.根据权利要求7所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述执行工具(103)水平向右移动，从而执行工具的液压激发轴(104、105)与对应的套爪激发机构(10)的插孔(106、107)配合，执行工具的液压缸(108、109)被增压引起第一和第二液压活塞轴(110、111)从液压缸向外进一步延伸，液压激发轴(104、105)的外抓手(112、113)从第一和第三活塞轴(110、117)径向向外扩展，外抓手(112、113)锁入对应的第一和第二插孔(106、107)，活塞轴的末端压着对应的套爪激活机构(10)的第三和第四插孔(114、115)，第一和第二插孔(106、107)通过第三和第四活塞轴(117、118)连接到套爪环的第一板(116)里，第三和第四插孔(114、115)潜入固定到母轴套(13)的第二板(119)内。
9.根据权利要求5所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述复合金属密封环(15)为环形物，关于延伸轴(31)径向对称，通过压力激活并通过密封环相对的径向末端部分的两个独立的斜面间的压缩来运作。
10.根据权利要求9所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述金属密封环(15)是压力激活密封型和每个末端的两个斜面间的压缩密封型混合的密封类型，所述金属密封环(15)设计成容纳10,000psi，15,000psi或20,000 psi以上的压力。
11.根据权利要求5，9-10任意一个权利要求所述的一种无人船金属复合密封装置，其特征在于：所述复合金属密封环(15)包括相对硬的金属核心(34)和至少一个相对软金属的环状区域(35、36)，所述相对硬的金属核心(34)被相对软金属的环状区域(35、36)嵌入和覆盖，相对软金属的环状区域(35、36)提供对应的平行隔开的环形密封表面(32、33)，所述环形密封表面的锥度方向相反。
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