CN107420668A - 一种极深海底输油气管自锁连接装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极深海底输油气管自锁连接装置，包括自锁卡爪、连接环、驱动环和套筒及外毂座，所述自锁卡爪活动安装于跨接海管A和跨接海管B的连接部外侧，所述跨接海管A和跨接海管B分别设有法兰A和法兰B，所述法兰A右端面的凹止口A和法兰B左端面的凸止口B相互拼接且内部设有连接环，所述连接环外设有橡胶密封件，所述凸止口B设置有定位销，所述自锁卡爪外部活动安装有驱动环，所述驱动环活动安装在套筒及外毂座内，同时还介绍了该装置的安装方法。本发明结构简单、紧凑，密封可靠，操作简单，能够承受海底管道在位的轴向力和弯矩，满足各类海区、水深的作业以及深海极端环境的要求，还具有连接作业时间短、维护成本低等优点。

Description

一种极深海底输油气管自锁连接装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种深海管路连接装置，尤其是一种极深海底输油气管自锁连接装置设计形式及其安装方法。

背景技术

目前，已工业化用于水下连接器的有以下五种技术方案产品：1)螺栓法兰连接器：螺栓法兰连接器是由旋转环法兰和对焊颈法兰组成，其主要特点是：带有螺栓孔的旋转法兰外圈可以转动；在两配合法兰间开有凹槽，通过压缩金属密封件，实现密封；经济成本较低。

2)卡箍连接器：卡箍连接器是由上下管接头法兰和带螺栓螺母的卡箍组成。夹紧连接需要的螺栓螺母数较少，一般只需要2～4个。连接轴线在每个管道的末端，其上放置两个被螺栓连接的半圆形的夹子，当紧固螺栓时，夹子的凹槽使螺栓张紧时产生的正交力转化为管道的轴向力，从而使管道合拢。其特点是：快速连接；结构轻易：对准精度高；相对于螺栓螺母连接器费用偏高，基本只应用于无潜连接。

3)Morgrip机械连接器：Morgrip机械连接器是由无焊缝、整体性的机械法兰构成。待回接的管道间分别布置轴承式法兰，在管接头内侧安装一整套带弹簧的球轴承，密封圈镶嵌在其中。通过双头螺栓压紧，推动球轴承顶到法兰外壁，所获得的机械夹紧力压缩凹槽内的密封圈压靠在法兰外壁上，实现密封。Morgrip机械连接器比螺栓法兰连接器价格高，但它安装方便，节省工期。

4)夹具连接器：夹具连接器是基于对2分段钳拧在一起围绕两个中心，此连接器包括一个两片分段夹具的设计。其特点适合大口径，低压力横向连接的应用，易形成标准化系列化，但超深水拆装作业受限。

5)卡爪连接器：卡爪式法兰连接器是用一组置于被连接管道末端轮毂圆周上的夹头连接管道，其筒夹绕枢轴移动，卡爪锁在毂的边缘。作用在毂上的筒夹力还供给金属环密封能量，将轴向力施加到毂面上。机器人液压卡爪式法兰连接器也常用于海底生产系统的最终连接及管道维修。

在深海领域国外水下连接器的主产公司，包括FMC、Cameron、GE、Aker Solution和Oil States等，其深水连接器可以分为以下几类：垂直机械套筒式连接器、水平机械套筒式连接器、垂直液压套筒式连接器、水平液压套筒式连接器、垂直卡箍式连接器和水平卡箍式连接器。目前国外海管连接其跨接模块一般采用法兰连接和套筒连接形式，其系统复杂，结构笨重，安装过程比较费时，有时需要特殊的工具与装备。国内海底管道安装和修复作业使用的连接器，只适用于浅海环境。超深水海底工程作业技术对我国来说属于全新的挑战，技术难点的突破和工业化的应用都需要投入大量的人力物力财力和时间，因此，超深水领域重大工程技术基本被国外大公司所垄断，装备价格昂贵，不仅在经济效益上产生诸多问题，同时制约了我国海洋工程领域的发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、密封性好、组装方便的极深海底输油气管自锁连接装置及其安装方法。

本发明的技术方案为：一种极深海底输油气管自锁连接装置，包括自锁卡爪、连接环、驱动环和套筒及外毂座，其特征在于：所述自锁卡爪活动安装于跨接海管A和跨接海管B的连接部外侧，所述跨接海管A和跨接海管B分别设有法兰A和法兰B，所述跨接海管A和跨接海管B的连接部由法兰A右端面的凹止口A和法兰B左端面的凹止口B相互活动嵌套而成，所述凹止口A和凹止口B之间设置有连接环且连接环外设置有橡胶密封件，所述凹止口B设置有若干个用于压紧橡胶密封件的定位销，所述自锁卡爪外部活动安装有驱动环，所述驱动环活动安装在套筒及外毂座内，所述套筒及外毂座端面设置有若干个与驱动环活动连接的紧固螺栓，所述法兰B的右端面固定在套筒及外毂座内。

所述凹止口A和凸止口B通过凸环和凹槽的配合实现紧密接触。

所述自锁卡爪内设有与凹止口A和凸止口B的拼接结构截面形状一致的梯形凹槽。

所述自锁卡爪沿轴向设置有从左端面一直延伸至右端面的多条透气通道。

所述驱动环内部截面呈梯形，所述自锁卡爪外部与驱动环配合处的截面呈W形，在自锁连接装置锁紧时，驱动环内部右侧与自锁卡爪外部与驱动环配合处的右半部分紧密接触，自锁连接装置松开时，驱动环内部右侧与自锁卡爪外部与驱动环配合处的左半部分活动接触。

所述连接环外部通过凹槽套设有橡胶密封件，所述定位销端部嵌入到连接环外部的凹槽内并与橡胶密封件呈弹性接触。

所述连接环外部的凹槽的截面为梯形，所述定位销倾斜设置在凸止口B内，所述定位销端部的倾斜度与连接环外部的凹槽斜面坡度一致。

一种极深海底输油气管自锁连接装置的安装方法，包括如下步骤：

1）在跨接海管B的法兰B右端面固定在套筒及外毂座内；

2）在跨接海管B的凸止口B内嵌入有连接环和橡胶密封件；

3）将跨接海管B的法兰B外套设有自锁卡爪；

4）在自锁卡爪、套筒及外毂座之间嵌入驱动环；

5) 使紧固螺栓贯穿套筒及外毂座且端部固定在驱动环上；

6）通过液压缸驱动松开自锁卡爪，将跨接海管A的法兰A右端面的凹止口A伸入自锁卡爪内并与跨接海管B的法兰B左端面的的凸止口B嵌套安装；

7）通过液压缸驱动锁紧自锁卡爪，实现跨接海管A和跨接海管B的密封安装。

本发明的有益效果为：本发明所提供的极深海底管道连接器，基本结构简单、紧凑，连接方便，密封可靠，操作简单，能够承受海底管道在位的轴向力和弯矩，满足各类海区、水深的作业以及深海极端环境的要求，还具有连接作业时间短、维护成本低等优点。

附图说明

图1为本发明自锁连接装置的截面图；

图2为本发明应用于深水海底输油气管道桥接模块干路的示意图；

图3为本发明应用于深水海底输油气管道桥接模块旁路的示意图；

图中，1-跨接海管A，2-跨接海管B，3-连接环，4-凹止口A，5-凸止口B，6-定位销，7-橡胶密封件，8-自锁卡爪，9-驱动环，10-套筒及外毂座，11-紧固螺栓，12-自锁连接装置，13-工况参数输出端，14-海底支撑座，15-耐高压多层保温抗腐三通，16-耐高压多层保温抗腐主管，17-传感器接入端，18-旁路截流控制器，19-高压互通管路管件，20-卡爪自锁紧限位块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所提供的极深海底输油气管自锁连接装置，包括自锁卡爪8、连接环3、驱动环9和套筒及外毂座10，其特征在于：所述自锁卡爪8活动安装于跨接海管A1和跨接海管B2的连接部外侧，所述跨接海管A1和跨接海管B2分别设有法兰A和法兰B，所述跨接海管A1和跨接海管B2的连接部由法兰A右端面的凹止口A4和法兰B左端面的凸止口B5相互活动嵌套而成，在本实施例中，所述凹止口A4的凹槽和凸止口B5的凸环相互配合而实现紧密接触；

所述凹止口A4和凸止口B5之间设置有连接环3且连接环3外部的凹槽内套设有橡胶密封件7，所述凸止口B5设置有若干个定位销6，所述定位销6端部嵌入到连接环3外部的凹槽内并与橡胶密封件7呈弹性接触；所述自锁卡爪8外部活动安装有驱动环9，所述驱动环9活动安装在套筒及外毂座10内，所述套筒及外毂座10端面设置有4个与驱动环9活动定位连接的紧固螺栓11，所述法兰B的右端面通过螺栓固定在套筒及外毂座10内。

作为本发明的进一步方案，所述自锁卡爪8内设有与凹止口A4和凸止口B5的拼接结构截面形状一致的梯形凹槽，所述自锁卡爪8自梯形凹槽向右依次分为右锁紧段、右松开段和右敞口段，所述自锁卡爪8自梯形凹槽向左依次分为左锁紧段和左敞口段，自锁连接装置锁紧时，左锁紧段和右锁紧段平贴法兰A和法兰B的外侧面，自锁连接装置松开时，右松开段平贴法兰B的外侧面，并且所述自锁卡爪8沿轴向设置有从左端面一直延伸至右端面的多条透气通道，由于自锁卡爪8活动时所进行的是旋转式运动，上述结构设计能确保自锁连接装置锁紧和松开动作的稳定性且减轻阻力。

作为本发明的进一步方案，所述驱动环9内部截面呈梯形，所述自锁卡爪8外部与驱动环9配合处的截面呈W形，在自锁连接装置锁紧后，驱动环9内部右侧与自锁卡爪8外部与驱动环9配合处的右半部分紧密接触，自锁连接装置松开后，驱动环9内部右侧与自锁卡爪8外部与驱动环9配合处的左半部分活动接触。

作为本发明的进一步方案，所述连接环3外部的凹槽的截面为梯形，所述定位销6倾斜设置在凸止口B5内，所述定位销6端部的倾斜度与连接环3外部的凹槽斜面坡度一致，从而在自锁连接装置锁紧后，保持稳定、良好的接触状态。

本发明所提供的极深海底输油气管自锁连接装置的安装方法，包括如下步骤：

1）在跨接海管B2的法兰B右端面固定在套筒及外毂座10内；

2）在跨接海管B2的凸止口B5内嵌入有连接环3和橡胶密封件7；

3）将跨接海管B2的法兰B外套设有自锁卡爪8；

4）在自锁卡爪8、套筒及外毂座10之间嵌入驱动环9；

5) 使紧固螺栓11贯穿套筒及外毂座10且端部固定在驱动环9上；

6）通过液压缸驱动松开自锁卡爪8，将跨接海管A1的法兰A右端面的凹止口A4伸入自锁卡爪8内并与跨接海管B2的法兰B左端面的的凸止口B5嵌套安装；

7）通过液压缸驱动锁紧自锁卡爪8，实现跨接海管A1和跨接海管B2的密封安装。

具体实施时，水下作业前，在陆上完成各个组件的基础装配，海底输油气管道桥接模块与海底输油气管道对接前均由水下运载工具置于1500m水深等级海底，驱动环9在ROV安装工具上液压缸的驱动下向左运动，从而推动自锁卡爪8向内收拢，进而迫使环状凹止口A4与环状凸止口B5卡紧并压紧环状橡胶密封件7，环状橡胶密封件7采用高强度氟橡胶，最大应变力能达到237.7MPa，远高于介质压力数倍，通过环状凹止口A4与环状凸止口B5形成的锥面夹紧，表面形成局部弹塑性变形来形成密封，保证较高的密封可靠性，定位销6锥形向心布置进一步限位并锁定海管与轮毂的偏离量控制在较小范围，完成连接器与海管的对接安装后安装工具与连接器分开并收回水面，由此完成跨接海管A1的深水海底精准对接。

如图2所示，自锁连接装置12通过专门安装机具与海底输油气管路进行水下连接，由水下机器人(ROV)辅助完成连接作业，工况参数输出端13提供接入压力、流量监控输出，海底支撑座14与海基固定桩水下螺栓连接固定，由水下机器人(ROV)辅助完成连接作业，耐高压多层保温抗腐三通15提供旁路与支路连接，传感器接入端17提供对干线压力、温度与监控输出以及小口径块接端，在海管连接测试期间作为压降检测高压密封性功能端，耐高压多层保温抗腐主管16连接自锁连接装置12、耐高压多层保温抗腐三通15并提供工况参数输出端13、传感器接入端17接入口，整体组成桥接模块干路。

如图3所示，自锁连接装置12通过专门安装机具与海底输油气管路进行水下连接，由水下机器人(ROV)辅助完成连接作业，自锁连接装置12与海管自锁紧后由卡爪自锁紧限位块20限位并作为局部支撑，传感器接入端17提供接入压力、温度、流量监控输出以及小口径快捷端，在海管连接测试期间作为压降检测高压密封性功能端，旁路截流控制器18通过远程智能控制能够调节个旁路支路的流量与模块变流互通，高压互通管路管件19连接将各功能件串成一体整体组成桥接模块旁路。

本发明通过吸收国外先进技术加以自主研发创新，打破国外公司的技术垄断和技术封锁。巨涛的本次发明在技术上是先期针对1500mm深水、压力5000psi、12英寸以下管道连接器的应用设计、密封的安装和选型设计，利用有限元来模拟和验证设计方案的可行性和合理性。本发明专用的安装机具进行水下连接，并通过水下机器人(ROV)辅助完成连接作业，来实现安装机具可重复多次使用，且同一型号安装机具可满足多套同一规格连接器安装要求，创新理念上做到结构紧凑、密封可靠、操作简单、维护成本低等优点，因而能满足深海极端环境的要求。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种极深海底输油气管自锁连接装置，包括自锁卡爪、连接环、驱动环和套筒及外毂座，其特征在于：所述自锁卡爪活动安装于跨接海管A和跨接海管B的连接部外侧，所述跨接海管A和跨接海管B分别设有法兰A和法兰B，所述跨接海管A和跨接海管B的连接部由法兰A右端面的凹止口A和法兰B左端面的凸止口B相互活动嵌套而成，所述凹止口A和凸止口B之间设置有连接环且连接环外设置有橡胶密封件，所述凸止口B设置有若干个用于压紧橡胶密封件的定位销，所述自锁卡爪外部活动安装有驱动环，所述驱动环活动安装在套筒及外毂座内，所述套筒及外毂座端面设置有若干个与驱动环活动连接的紧固螺栓，所述法兰B的右端面固定在套筒及外毂座内。

2.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述凹止口A和凸止口B通过凸环和凹槽的配合实现紧密接触。

3.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述自锁卡爪内设有与凹止口A和凸止口B的拼接结构截面形状一致的梯形凹槽。

4.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述自锁卡爪沿轴向设置有从左端面一直延伸至右端面的多条透气通道。

5.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述驱动环内部截面呈梯形，所述自锁卡爪外部与驱动环配合处的截面呈W形。

6.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述连接环外部通过凹槽套设有橡胶密封件，所述定位销端部嵌入到连接环外部的凹槽内并与橡胶密封件呈弹性接触。

7.根据权利要求6所述的极深海底输油气管自锁连接装置，其特征在于：所述连接环外部的凹槽的截面为梯形，所述定位销倾斜设置在凸止口B内，所述定位销端部的倾斜度与连接环外部的凹槽斜面坡度一致。

8.根据权利要求1所述的极深海底输油气管自锁连接装置的安装方法，其特征在于，

包括如下步骤：

1）在跨接海管B的法兰B右端面固定在套筒及外毂座内；

2）在跨接海管B的凸止口B内嵌入有连接环和橡胶密封件；

3）将跨接海管B的法兰B外套设有自锁卡爪；

4）在自锁卡爪、套筒及外毂座之间嵌入驱动环；

5) 使紧固螺栓贯穿套筒及外毂座且端部固定在驱动环上；

6）通过液压缸驱动松开自锁卡爪，将跨接海管A的法兰A右端面的凹止口A伸入自锁卡爪内并与跨接海管B的法兰B左端面的的凸止口B嵌套安装；

7）通过液压缸驱动锁紧自锁卡爪，实现跨接海管A和跨接海管B的密封安装。