CN106051304A - 无人船用压力平衡海底开孔设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人船用压力平衡海底开孔设备，包括：第一T形接头，第二T形接头，齿轮箱，马达，杆，第一容纳舱，第一液压管，第二液压软管或液压管，第二容纳舱以及与齿轮箱的内部连通的液压管。使用该无人船用压力平衡海底开孔设备，无需人员参与，全部自动化完成开孔机操作。

Description

无人船用压力平衡海底开孔设备

技术领域

本发明涉及一种无人船用配件，尤其是一种无人船用压力平衡海底开孔设备。

背景技术

自20世纪70年代以来，随着油气长输气管道的建设，管输技术不断发展，目前开孔机在海底和陆上均可使用，设计工作水深为120米，海底管道开孔机主要由液压动力系统，远程控制与显示系统，传动系统，压力平衡系统，挂挡系统以及吊装与托架组成。目前很多工作需要潜水员完成，或者通过水上显示控制面板完成，人工费用高，危险性高。随着无人船技术的发展，可以进一步改进技术将全压力开孔机与无人船结合，做到海上作业无需人员参与，全部自动化完成开孔机操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人船用压力平衡海底开孔设备，包括：第一T形接头，在管道保持运行和压力时，通过紧固件固定到管道外部的，第一T形接头包括第一法兰，通过螺栓连接的安装接头；第二T形接头，在管道保持运行和压力时，通过紧固件固定到管道外部损坏区域的相对侧，第一T形接头和阀门固定在第二T形接头上，水下开孔设备连接到阀门，水下开孔设备包括基础零件，延伸的管状外罩，以及伸缩运行的镗杆，在管状外罩的末端连接第二法兰，通过第二法兰，管状外罩被可去除的固定到阀门的顶部；齿轮箱，位于管状外罩的上末端；马达，与旋转开孔机器内的镗杆连接；杆，在管状外罩上共轴延伸并可伸缩；第一容纳舱，固定到管状外罩的外侧，通过托架支撑；第一液压管，将第一容纳舱的较低部分与管状外罩相连；第二液压软管或液压管，将容纳舱的上半部分与管状外罩的内部连接；第二容纳舱，通过管状外罩的外部固定支座；液压管，与齿轮箱的内部连通。

优选的，安装接头上是夹层型阀门。

优选的，水下开孔设备直接连接到阀门或者安装一个开孔设备接头框架，开孔设备接头框架被定位于阀门和第二法兰之间，以提供固定到镗杆较低末端的切割器或定心钻的空间。

优选的，安装一个从阀门插入件来关闭接头的闭锁塞，或者接收一个从管道切割下来的切片。

优选的，马达通过采用压缩液压机液体操作，相应的液压软管从马达延伸到压缩液压机液体的源。

优选的，还具有带有液压软管连接的液压控制系统以及从控制端延伸至液压驱动马达的液压管道，用于提供液压驱动马达运行的液压能，从而提供所需的水下开孔设备运行的旋转能量。

优选的，水下开孔设备的下半部分内，镗杆伸缩延伸和旋转超过水下开孔设备的较低末端的，位于第二法兰下方，镗杆较低端有一个驱动环，用于驱动圆孔切割锯，在镗杆被旋转和轴向向下推动时，在管道上切割出孔，管状外罩里具有驱动管以及用于控制镗杆的轴向推动的进给螺杆系统。

优选的，水下开孔设备的上半部分与齿轮箱配合，马达轴的蜗轮与从动齿轮配合，转动结构产生旋转能量施加到镗杆，还包括使镗杆轴向推进的给进螺杆。

优选的，在管状外罩的内部和外部间连通螺纹开口。

优选的，第一容纳舱包括一个上末端闭合的内部以及位于闭合的上末端里的螺纹开口，接头螺纹安装到螺纹开口里并提供与液压管下末端的连接，第一容纳舱的下末端具有内螺纹，可以安装外螺纹塞，连接到外螺纹塞的一部分是弹性囊状物下末端。

优选的，第二容纳舱的上末端通过接头和液压管以及接头连接到齿轮箱的内部，第二容纳舱具有囊状物，其较低通道保持打开不被阻止，从而与开孔机器周围的海水直接流通，海水可以自由流动穿过通道从而囊状物的内部处于海水的静压力下。

通过该压力平衡海上开孔设备在无人机上的应用，本发明取得如下有益效果：无需人员参与，全部自动化完成开孔机操作。

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是管道的等轴测的图解视图，管道在海底并且有一个需要去除的损坏段，图1显示了固定到管道外部损坏区域相对两侧的鞍座，以及安装在鞍座上的夹层阀结构。其中的一个鞍座上安装了一个采用本发明的水下开孔机器。带压开孔机器仅是示意，显示它被应用的环境；

图2是一个海底开孔机器的正视图，包括一个系统来将机器管状外罩的内压与管道里面的压力平衡，并将齿轮箱的内压与周围海水的静压平衡；

图3是一个容纳舱的放大截面图，一个柔性的囊状物将容纳舱的内部分成两部分，两部分的容积根据柔性囊状物的位置可变。图3的容纳舱是本发明采用的类型的代表。一个容纳舱在系统中用来将海底开孔机器管状外壳内的压力与被开孔管道的内压平衡，另一个容纳舱用来平衡开孔机器的外部的压力与机器齿轮箱内部的压力，也就是，在海底应用中平衡齿轮箱内部的压力与齿轮箱外的静压力；

图4是一个开孔机器下半部分的横截面视图，显示了连接到一个阀结构的末端部分，该部分由此连接到允许开孔机器被用来在管道壁上开孔的管道。图4显示了一个从开孔机器管状外罩的下末端伸缩的延伸出来的镗杆。进一步的，图4显示了一个通道，用来提供管道内部在它被一个带有含柔性囊状物包含容器的环状切割工具穿透后的交流；

图5是开孔机器的上半部分的横截面视图，显示了齿轮箱，通过它旋转运动从一个电机轴传到一个使镗杆旋转和轴向前进的进给螺杆。进一步的，图5显示了一个在齿轮箱内部平衡润滑油交流的通道，和一个平衡齿轮箱内外部静压力的容纳舱。

具体实施方式

首先参考图1，图1显示一个无人船用海底开孔设备所应用的环境。管道由附图标记10表示，管道位于海洋里一个可观的深度。为了说明的目的，管道假设成有一个能由多种原因引起的损坏区域12。例如，比如船锚是可以损坏管道，或者损坏区域12可能是铺设管道过程中发生的褶痕或者鼓胀。管道10运行中一个通常的过程是通过管检器在管道中穿过保持内壁的洁净。当管道壁上发生锯齿状缺口、凹陷或鼓胀，会影响管道管检器的通道。无论如何，损坏区域12只是一个例子用来解释为什么在海底管道的运行和维护中需要水下开孔设备。另一个例子是带压开孔来加入一个分支连接到管道。

固定到管道10外面的是一个，在管道保持运行和压力时，通过紧固件固定到管道外部的第一T形接头14。T形接头14包括一个法兰16，通过螺栓连接在上面安装接头18，接头18上是阀门20，一般采用夹层类型阀门。

第二T形接头24以类似的方式，固定到管道10上损坏区域12的相对侧，接头和阀门28固定在第二T形接头上。连接到阀门28的是一般用附图标记30表示的水下开孔设备。开孔设备30包括，基础零件以及一个延伸的管状外罩32，还包括一个伸缩运行的镗杆，在外罩的下面末端有一个法兰34，通过法兰34管状外罩32被可去除的固定到阀28的顶部。

开孔设备被显示为直接连接到阀门28，依赖于阀门28的类型，但在大多数安装中一个开孔设备接头框架被定位于阀门28和开孔设备法兰34之间。这个位置接头框架的功能是提供固定到镗杆较低末端的切割器或定心钻的空间，作为例子，或者安装一个从阀门插入来关闭接头26的闭锁塞，或者接收一个从管道10切割下来的切片。接头框架没有在阀门28和法兰34之间，对管道开孔领域的专业人员是公知的。

在管状外罩32的上末端是齿轮箱36，连到它的是旋转开孔机器内镗杆的马达38。马达38典型地通过采用压缩液压机液体操作，相应的液压软管(未显示)一般从马达38延伸到压缩液压机液体的源(未显示)。在管状外罩32上共轴延伸并可伸缩的是杆40。

固定到管状外罩32的外面的是第一容纳舱42，通过托架44A和44B支撑。第一液压管46将容纳舱42的较低部分与管状外罩32相连。第二液压软管或液压管48将容纳舱42的上半部分与管状外罩32的内部连接起来。

第二容纳舱50通过管状外罩32的外部固定支座52A和52B，一个液压管54与齿轮箱36的内部以特定方式连通。

图1的布置方式，使得水下开孔机器30被用来穿过接头24在管道10上开孔后，阀门28关闭，将开孔机器移走并安装到阀门20上，并重复过程。然后阀门20可以被关闭并移走开孔机器。堵塞装置连接到阀门20和28，在T形接头14和24间的管道10部分关闭。如果有必要在修复时保持流体穿过管道流动，从接头18和26延伸出用于安装旁路管道(未显示)的阀门56和58之间安装一个旁路管道。因而管道10包括损坏区域12的一段可以通过切割掉损坏区域12被去掉并在它的位置焊上一段新管道。修复完成之后，堵塞装置可以被移走。关闭T形接头14和24的系统允许接头18及26和阀门20及28被去除掉，从而完成对管道10损坏部分的修复，在很多英尺的海底且不关闭穿过管道的流体流动。

在安装分支管道到管道的例子中，将采用一个类似的过程。在用水下开孔机器30穿过接头24在管道10开孔后，阀门28可以关闭并移走开孔机器。然后可以安装分支连接。

图2更详细的显示一个水下开孔机器30的外观，需理解的是包含本发明原理的开孔机器的实际外观可以很大的变化。

图2显示了一个带有液压软管连接62A和62B的液压控制系统60，和从控制端62延伸至液压驱动马达38的液压管道64，它们都被用来提供液压驱动马达38运行的液压能，从而提供所需的水下开孔设备运行的旋转能量。在开孔过程中，驱动马达38转动一个齿轮来转动一个镗杆的旋转和轴向运动。进给马达39转动使镗杆轴向推动而无旋转的进给螺柱。仪表66显示为液压控制系统使用其中一部分来促动马达。需理解这些系统只是显示来说明一个水下开孔机器的典型实施例，实际采用的液压系统可以可观的变动，并且不与本发明的实质特征直接相连。

参考图4，显示了水下开孔设备30的下半部分的内部布局。伸缩延伸和旋转超过水下开孔机器的较低末端的，即，在较低法兰34下的，是一个镗杆68，其较低端有一个驱动环70。由驱动环70驱动圆孔切割锯，在镗杆被旋转和轴向向下推动时，在管道上切割出孔。内部环状外罩32里是驱动管，以及在开孔机中典型应用的类型用于控制镗杆68的轴向推动的进给螺杆系统。

图4主要显示的是，提供一个内密封72，将镗杆68的外部与管状外罩32的内部隔离开以防止流体沿着镗杆外部流动进入管状外罩的内部。图4显示的另一个重要特征是提供与管状外罩下面的末端76连通的通道74。当在管道壁面上形成开口，通道74与管道的内部连通。也就是，从管道内部的压力，不管是气体还是液体，沿着通道74流动到在管状外罩32的外壁面上形成螺纹开口77。还显示了用塞子80封闭住的第二圆形开口78。

如图2所示，通道74通过螺纹开口76与液压管46连通。接头82螺旋拧入螺纹开口76并且与液压管46相连。用接头84将液压管46的上末端连接到容纳舱42的下末端。于是通道74提供与容纳舱42箱渗透的管道的内压力的交流。

现在参考图5，显示了水下开孔机器的上半部分的横截面图，特别显示了齿轮箱36，齿轮箱里的机构的作用是，用有蜗轮88的马达轴86的蜗轮与从动齿轮90配合，转动结构产生旋转能量施加到镗杆和使镗杆轴向推进的给进螺杆。

图5显示了在管状外罩32的内部和外部间连通的螺纹开口92。图2显示了被螺旋拧入螺纹开口92，将液压管48的上末端与管状外罩32的内部连通起来的接头94。

如图5中所示，管状外罩32的内部通过96A、96B和96C代表的密封与齿轮箱36的内部隔离。这些密封是将水下开孔机器的这些两个主要零件的内部密封分割的典型密封安排，实际密封布置方式可以改变。

如图5中所示，在齿轮箱36里形成的是一个与齿轮箱的内部相通的螺纹开口98。螺纹开口98上安装接头100如图2所示，接头100将液压管54的上末端与螺纹开口连接上，也就把液压管54与齿轮箱36的内部连接起来。在液压管54的下末端，接头102提供了与第二容纳舱50内部的连接。

现在参考图3，显示了第一容纳舱42的横截面图。容纳舱42有一个关闭在它上末端106的内部104，在关闭末端里有一个螺纹开口108。一个接头110螺纹安装到开口108里并提供与液压管48下末端的连接方法，如图2所示。容纳舱42的下末端有内螺纹112，可以安装外螺纹塞114。连接到塞114的一部分是一个弹性囊状物116下末端。

塞114有一个穿过的开口118，开口的下末端部分有内螺纹120，可以安装接头84如图2所示。因此，对比图2和3，可以看到囊状物116的内部122关闭与液压管46的连通，依次的如参考图4所示，在管道被一个圆形的锯穿透后，与管道的内部关闭连通，通道74提供与管道的连通。容纳舱42囊状物116外的内部区域，由数字124指示，如图2所示，与管状外罩32的上面内部处于关闭连通状态，通过液压管48和接头以及通过螺纹开口92，如图5所示。

由于囊状物116柔性的优点，在囊状物的内部间的相对容积区域122和囊状物外的容积区域124可以改变，外部区域124保持所有时间被润滑液体(油)充满时，在所有时间管状舱32的内部提供镗杆机构运行所需的润滑液体。当镗杆48下末端上的圆形锯穿透一个管道时，压力与囊状物116的内部交流，并且由于囊状物的柔性，相等的压力施加到容积区域124里的液压流体从而施加到管状外罩32的内部，所以外罩里面的压力与管道里面的压力相等。由于密封物72相对的两面的压力相等，如图4所示，基本上消除了从管道流体泄漏进入管状外罩32内部的可能性，进一步的，通过施加在镗杆里的压力平衡，施加来限制镗杆68轴向向下运动的液压力也被平衡，使得镗杆结构的运行实质上少费力了。

第二容纳舱50如图1和2中所示有一个与图3相同或基本相同的横截面区域，但容纳舱50的应用方式不一样。第二容纳舱50的上末端通过接头102(见图2)和液压管54以及接头100连接到齿轮箱36的内部。容纳舱50有一个像图3中囊状物116的囊状物。容纳舱42和容纳舱50的唯一区别是容纳舱50不需要接头连接到低末端的螺纹开口上。可替代的，较低通道保持打开不被阻止，从而与开孔机器周围的海水直接流通。海水可以自由流动穿过通道118从而囊状物116的内部122处于海水的静压力。如果需要，一个过滤元件可以放在开口118上对进出的水过滤而不削弱平衡容纳舱外部和囊状物内部压力所需海水的流动。容纳舱和囊状物外部的润滑液体通过液压管54(图2)进入齿轮箱36的内部。这意味着齿轮箱36内部的静压力与开孔机器被应用周围的水的静压相等。使得齿轮箱没有被周围海水高压压塌的可能，进一步去除了齿轮装置内密封泄漏的可能性。

用如图3中囊状物116的囊状物是一个可应用于本发明的压力平衡器的一种，但也可以用其它类型的压力平衡器，如可在气缸内活动的活塞。术语“压力平衡器”和“流体隔绝平衡器”包括任何从一个切换到另一个传输压力而不传输液体或气体的装置。

因此，本发明提供了一个独特的海底开孔设备，可以提供被开孔机操纵的圆形锯穿透的管道里的压力，与开孔机器管状外罩内的压力的平衡，并且开孔机器齿轮箱的内压与开孔机器被应用处的环境海水的静压也相平衡。进一步的，这些好处的实现是：没有促动机构，也不需要任何电或机械能，任何的控制阀和操作员的对机器的任何操作就得到一个水下开孔机器内临界压力的完全平衡。

如前所述，采用那个本发明原理的水下开孔机器的实际外观可以与所说明的有很大的变化，容纳舱的特定配置和里面囊状物的配置可以在保持发明原理时作出改变。一般的，容纳舱42有远大于容纳舱50的尺寸。容纳舱42尺寸满足，当镗杆被推进到它最下边的位置时，在囊状物外区域124里容纳5-10加仑的润滑液体，而容纳舱50需要最小的容积变化，一般只是所有在齿轮箱36里包围的空气的压缩导致的，从而容纳舱50可以是约1加仑的尺寸。如果管状外罩32的直径变化或者镗杆的行程长度变化，将需要更大或更小的容纳舱42的尺寸。

容纳舱42和50安装到管状外罩32外部的具体机制可以变动。一般用皮带装置来保持容纳舱在外部，但是也可以用其他方法来将容纳舱固定到管状外罩上。

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 (10)

1.一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于包括：

第一T形接头(14)，在管道(10)保持运行和压力时，通过紧固件固定到管道(10)外部的，所述第一T形接头(14)包括第一法兰(16)，通过螺栓连接的安装接头(18)；

第二T形接头(24)，在管道(10)保持运行和压力时，通过紧固件固定到管道(10)外部损坏区域(12)的相对侧，所述第一T形接头(14)和阀门(28)固定在第二T形接头上，水下开孔设备(30)连接到阀门(28)，所述水下开孔设备(30)包括基础零件，延伸的管状外罩(32)，以及伸缩运行的镗杆，在所述管状外罩(32)的末端连接第二法兰(34)，通过第二法兰(34)管状外罩(32)被可去除的固定到阀门(28)的顶部；

齿轮箱(36)，位于管状外罩(32)的上末端；

马达(38)，与旋转开孔机器内的镗杆连接；

杆(40)，在管状外罩(32)上共轴延伸并可伸缩；

第一容纳舱(42)，固定到管状外罩(32)的外侧，通过托架(44A，44B)支撑；

第一液压管(46)，将所述第一容纳舱(42)的较低部分与管状外罩(32)相连；

第二液压软管或液压管(48)，将容纳舱(42)的上半部分与管状外罩(32)的内部连接；

第二容纳舱(50)，通过管状外罩(32)的外部固定支座(52A，52B)；

液压管(54)，与所述齿轮箱(36)的内部连通。

2.根据权利要求1所述的无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述安装接头(18)上是夹层型阀门(20)。

3.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述水下开孔设备(30)直接连接到阀门(28)或者安装一个开孔设备接头框架，所述开孔设备接头框架被定位于阀门(28)和第二法兰(34)之间，以提供固定到镗杆较低末端的切割器或定心钻的空间。

4.根据权利要求3所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：安装一个从阀门插入件来关闭接头(26)的闭锁塞，或者接收一个从管道(10)切割下来的切片。

5.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述马达(38)通过采用压缩液压机液体操作，相应的液压软管从所述马达(38)延伸到压缩液压机液体的源。

6.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：还具有带有液压软管连接(62A，62B)的液压控制系统(60)以及从控制端(62)延伸至液压驱动马达(38)的液压管道(64)，用于提供液压驱动马达(38)运行的液压能，从而提供所需的水下开孔设备(30)运行的旋转能量。

7.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述水下开孔设备(30)的下半部分内，镗杆(68)伸缩延伸和旋转超过水下开孔设备(30)的较低末端的，位于第二法兰(34)下方，所述镗杆(68)较低端有一个驱动环(70)，用于驱动圆孔切割锯，在镗杆被旋转和轴向向下推动时，在管道上切割出孔，所述管状外罩(32)里具有驱动管以及用于控制镗杆(68)的轴向推动的进给螺杆系统。

8.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述水下开孔设备(30)的上半部分与齿轮箱(36)配合，马达轴(86)的蜗轮(88)与从动齿轮(90)配合，转动结构产生旋转能量施加到镗杆(68)，还包括使镗杆(68)轴向推进的给进螺杆。

9.根据权利要求8所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：在所述管状外罩(32)的内部和外部间连通螺纹开口(92)。

10.根据权利要求1所述的一种无人船用压力平衡海底开孔设备，其特征在于：所述第一容纳舱(42)包括一个上末端(106)闭合的内部(104)以及位于闭合的上末端(106)里的螺纹开口(108)，接头(110)螺纹安装到螺纹开口(108)里并提供与液压管(48)下末端的连接，所述第一容纳舱(42)的下末端具有内螺纹(112)，可以安装外螺纹塞(114)，连接到所述外螺纹塞(114)的一部分是弹性囊状物(116)下末端。