CN107606361B - 卡爪式液压驱动海底管道连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卡爪式液压驱动海底管道连接装置，应用于海底管道管段间的快速连接。该海底管道连接装置采用透镜密封环的金属密封技术，并依据卡爪式连接器、花键槽式滑移器和圆轨式对接器及两套独立的液压驱动系统，实施水下液驱对接作业和密封连接作业；连接器采用卡爪式长管体，液压推进系统驱动滑移器沿花键式主滑道和花键式辅滑道轴向推进，并通过卡爪套完成连接器与对接器间的快速卡紧；对接器采用圆轨式厚壁筒体并依靠定位器进行轴向定位，液压对接系统驱动对接器沿圆轨式滑道轴向推进，滑移器采用花键槽式回转体并由滑移罩推动各卡爪绕卡销转动，同时结合透镜密封环完成对接套与连接管及对接套与海底管道间的固定连接与密封。

Description

卡爪式液压驱动海底管道连接装置

技术领域

本发明涉及一种水下生产系统海底管道的连接装置，特别是涉及一种海底管道管段之间连接时用的卡爪式液压驱动快速连接装置。

背景技术

海洋工程水下生产系统中，海底油气输送管道是非常重要的运输设备，需要不断扩大海底管道的铺设规模，以满足海底油气井采出液外输的需求。水下生产系统海底管道连接技术是铺设海底管道工程施工作业至关重要的环节，并广泛应用于深水油田、边际油田以及水下海底管道维修等工程实践中。

深水海底管道连接器依据其工作原理可概括为：法兰式管道连接器、卡箍式管道连接器和卡爪式管道连接器。其中，法兰式管道连接器通常用于陆上油气输送管道的连接，应用于水下生产系统时，需要连接机具的安装工具与海底管道法兰接头之间具有较高精度的对中性，并且海底管道连接作业的施工过程中需要配套专门的作业机具，同时该管道连接器需要高同步性的液压系统提供动力，安装工时较长而无法达到快速连接的目的。卡箍式管道连接器的特点是结构简单、拆装方便且总体尺寸小，然而其缺点是难以实现水下海底管道的自动连接，并且其安装精度也较低。卡爪式管道连接器由于其结构上不采用螺栓法兰连接而被称之为“非标准法兰”，其自身具有一定的对准功能，卡爪式管道连接技术以Cameron、FMC Corporation、Oil States等国外公司的产品比较具有代表性，卡爪式管道连接器的特点是水下海底管道连接作业动作简单且连接可靠，极大缩短了连接工时，然而其缺点是生产技术一直掌握在国外专业公司手中，且目前卡爪式管道连接技术发展仍不完善。此外，国内的深水海底管道连接技术尚处于研发阶段，还不具备独自完成深海作业的能力。

发明内容

为了有效解决海底管道管段之间的快速连接问题并克服现有水下管道连接技术及其连接器存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适合海底管道管段之间快速连接时用的卡爪式液压驱动连接装置。该海底管道连接装置采用透镜密封环的金属密封技术，并依据卡爪式连接器、花键槽式滑移器和圆轨式对接器以及两套独立的液压驱动系统，实施水下液驱对接作业和密封连接作业，实现海底管道管段之间的快速连接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种卡爪式液压驱动海底管道连接装置，主要由连接器、滑移器、液压推进系统、液压对接系统、定位器和对接器几部分组成。该海底管道连接装置的连接器、滑移器、定位器和对接器的主体部件材质均选用超级双向不锈钢，连接器、滑移器、定位器和对接器分别同轴心布置，滑移器通过液压推进系统的各推进液压缸与连接器相连接并实现轴向定位，对接器通过液压对接系统的各对接液压缸与定位器相连接并实现轴向定位，且定位器经定位杆与连接器连为一体。

该海底管道连接装置采用透镜密封环构成的金属密封技术，透镜密封环两侧的密封面为沿轴向对称布置的球面，两侧密封面所在球面的球心均位于透镜密封环的轴线上，透镜密封环与对接套和连接管密封接触部位的初始状态为相互平行且同轴心布置的环形封闭线圈，依靠对接套和连接管所传递的夹紧力，透镜密封环沿轴向和径向产生塑性变形且密封接触部位的状态变为同轴心布置的环形密封带。

连接器采用卡爪式长管体，并为滑移器提供轴向推进的花键式主滑道，且通过卡爪套完成连接器与对接器间的快速卡紧，它包括连接管、连接支座、卡爪支托和卡爪。连接支座沿圆周方向均匀布置于连接管左侧管体的外环面上，且连接支座沿径向朝外放置。

连接管由管体加工而成且两侧管体细而中间管体粗，其环腔内壁的直径大于海底管道的内径，连接管右侧管体的右侧设置柱形卡环，且连接管右侧端面上铣有环形沟槽，连接管环形沟槽的横截面呈直角梯形，连接管环形沟槽的沟槽底面为连接管和透镜密封环的密封接触部位。同时，连接管环形沟槽的内外沟槽面上分别设置内卡翅和外卡翅，内卡翅的厚度和轴向长度均小于外卡翅的厚度和轴向长度，且内卡翅和外卡翅的外环面上均切有锥状坡口，内卡翅锥状坡口所在锥面的锥度小于外卡翅锥状坡口所在锥面的锥度。

连接管的中间管体设有六个键齿周向均布的渐开线花键，作为滑移器轴向推进的花键式主滑道，连接管的渐开线花键沿轴向布置且与连接管的轴线保持平行，渐开线花键两侧面的键廓采用对称分布的渐开线，同时渐开线花键的上表面采用圆拱面并位于同一圆柱面上。此外，连接管中间管体的轴向长度大于滑移盘的厚度、滑移罩左侧腔壁的厚度以及推进液压缸的推程之和。

卡爪支托沿圆周方向均匀焊接于连接管右侧管体的外环面上，各组卡爪支托均沿径向朝外放置。各组卡爪支托含有两个平行放置的分支托，每个分支托均采用规格尺寸和形状相同的直角梯形钢板，且各分支托直角梯形钢板的直角边所在端面与连接管柱形卡环的截面变化处所在端面保持平齐。各组卡爪支托与卡销之间采用间隙配合同时卡爪与卡销之间采用过盈配合而构成转动副，并实现卡爪与卡爪支托间的连接，卡销的轴端车制有螺纹盲孔并配置六角头螺钉进行固定。

各组卡爪支托分别配置一个卡爪并沿周向均布而形成一个卡爪套，卡爪由拱形块加工而成，卡爪的左右两侧切面相互平行，同时卡爪外环面的左侧设置倒锥状卡爪面而其外环面的右侧则设有锥状卡爪面，且卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度大于卡爪锥状卡爪面所在锥面的锥度。卡爪的环腔内壁从左至右沿轴向依次设有锥状凹槽和环形沟槽，卡爪锥状凹槽所在锥面的锥度小于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度，卡爪环形沟槽的左侧沟槽面和右侧沟槽面所在锥面分别与对接套柱形卡箍的左侧锥状卡环面和右侧锥状卡环面相配合。

滑移器采用花键槽式回转体，依据滑移罩和滑移盘与连接管和定位杆间的移动副而由滑移罩推动各卡爪绕卡销转动，它包括滑移罩、滑移盘和滑移支托。滑移支托沿圆周方向均匀布置于滑移盘的左侧端面上，每组滑移支托均沿轴向水平放置。滑移罩采用厚壁筒体，其环腔内壁从左至右依次设置柱状罩壳、倒锥状罩壳和锥状罩壳，且滑移罩柱状罩壳所在圆柱面的直径大于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面大端圆面的直径，滑移罩倒锥状罩壳所在锥面的锥度等于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度，同时滑移罩锥状罩壳所在锥面的锥度等于卡爪锥状卡爪面所在锥面的锥度。

滑移罩的左侧腔壁上设有与滑移罩同轴心布置的柱形凸台，滑移罩柱形凸台的中央部位铣有六个沿圆周方向均匀布置的渐开线花键槽，各渐开线花键槽沿轴向布置，且各渐开线花键槽两侧键槽面的键槽轮廓采用渐开线，同时各渐开线花键槽的键槽顶面均采用圆拱面并位于同一圆柱面上，且滑移罩各渐开线花键槽的键槽顶面所在圆柱面的直径大于连接管渐开线花键的上表面所在圆柱面的直径，此外滑移罩各渐开线花键槽的四周车制有沿圆周方向均匀布置的螺柱盲孔。

滑移盘采用圆盘体，滑移盘的中央部位铣有与滑移罩相同规格大小和位置的渐开线花键槽，连接管渐开线花键的两侧面和上表面分别与滑移罩各渐开线花键槽的两侧键槽面和键槽顶面以及滑移盘各渐开线花键槽的两侧键槽面和键槽顶面之间精密配合而构成移动副。滑移盘各渐开线花键槽的四周钻有与滑移罩螺柱盲孔相同规格大小和位置的螺柱孔，并通过滑移螺柱将滑移罩接于滑移盘的右侧端面上。

滑移盘的外缘铣有三个周向均布的花键孔，各花键孔加工有六个周向均布的矩形花键槽，各矩形花键槽沿轴向布置且均与滑移盘的轴线平行，同时各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面均采用平面且相互间垂直布置。滑移盘上的花键孔和渐开线花键槽之间的部位铣有六个周向均布的减阻孔，每两个减阻孔间隔放置一组滑移支托，各减阻孔的内侧环面和外侧环面均采用圆拱面，而各减阻孔的两侧端面均采用平面且其两侧端面所在的平面均通过滑移盘的轴线，同时滑移盘上的渐开线花键槽和减阻孔由内而外分层交错排列，而滑移盘上的滑移支托和花键孔则由内而外呈辐射状排列。

定位器用来实现对接器的轴向定位并为滑移器提供轴向推进的花键式辅滑道，且作为对接器沿对接套与海底管道管端间圆轨式滑道轴向推进的支撑点，它包括定位盘、定位杆和定位支托。定位盘采用圆盘体并与滑移盘同轴心布置，定位盘的中央部位钻有圆形滑道，该圆形滑道的环腔内壁与滑移罩的外环面之间精密配合而构成移动副，且定位盘外环面的直径等于滑移盘外环面的直径；定位盘的外缘钻有三个与滑移盘花键孔同轴心布置的定位孔，同时定位盘上的定位支托和定位孔由内而外呈辐射状排列。

定位杆采用长杆体并包含螺纹接头和杆体两部分，两个同样规格的螺纹接头对称布置于杆体的两侧端，螺纹接头的两端车制螺纹且其中部设置轴肩，定位杆的杆体两侧端车制有螺纹盲孔并分别与两螺纹接头相配合而组合成一个完整的定位杆，由此通过三个同样规格的定位杆并配置定位螺母而将连接支座与定位盘和定位支托连成一体，定位杆左侧螺纹接头的轴肩实现定位杆在连接支座上的固定，同时定位杆右侧螺纹接头的轴肩实现定位盘在定位杆上的定位。

定位杆的杆体设有六个键齿周向均布的矩形花键，作为滑移器轴向推进的花键式辅滑道，定位杆矩形花键的两侧面和上表面分别与滑移盘各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面以及导引板各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面之间精密配合而构成移动副。

定位支托沿圆周方向均匀布置于定位盘的右侧端面上，滑移支托和定位支托的位置和数量分别与推进液压缸和对接液压缸相同。每组滑移支托和定位支托均含有两个平行放置的分支托，每个分支托均采用矩形钢板，且滑移支托与液压推进系统推进液压缸的缸筒和滑移销轴配合，而定位支托与液压对接系统对接液压缸的缸筒和定位销轴配合。

对接器采用圆轨式厚壁筒体，并依据透镜密封环的金属密封技术而完成对接套和连接管以及对接套与海底管道管端之间的固定连接与密封，它包括对接套、对接支座和透镜密封环。对接套由筒体加工而成且左侧筒体粗而右侧筒体细，对接套右侧筒体的外环面直径等于连接管两侧管体的外径同时大于海底管道的外径。对接套左侧筒体的左侧设置柱形卡箍，对接套柱形卡箍的环腔内壁切有锥状坡口，且柱形卡箍锥状坡口所在锥面的锥度等于连接管外卡翅锥状坡口所在锥面的锥度；同时对接套柱形卡箍的外环面两侧设有锥状卡环面，且柱形卡箍左侧锥状卡环面所在锥面的锥度大于柱形卡箍右侧锥状卡环面所在锥面的锥度。对接套环腔内壁的直径大于连接管环腔内壁的直径，对接套的环腔内壁与海底管道管端的外环面之间精密配合而形成圆轨式滑道。

对接套的环腔内壁从左至右沿轴向依次铣有环形凹槽和环形沟槽，对接套环形凹槽内配置连接管的外卡翅，且对接套环形凹槽和环形沟槽截面变化处形成的轴肩实现连接管外卡翅的轴向定位。对接套环形沟槽的横截面呈直角梯形，对接套环形沟槽的沟槽底面为对接套和透镜密封环的密封接触部位，对接套环形沟槽的内外沟槽面所在的圆柱面与连接管环形沟槽的内外沟槽面所在的圆柱面分别保持重合，同时对接套的环形沟槽与连接管的环形沟槽沿轴向对称布置且所形成的对称锥面环腔内配置透镜密封环。

对接支座沿圆周方向均匀布置于对接套中部的外环面上，对接支座和连接支座沿轴向的位置和数量相同，每个对接支座和连接支座均采用矩形钢块和等腰梯形钢块相组合的构造，每个对接支座和连接支座的矩形钢块沿径向布置，而其等腰梯形钢块的中心对称面与水平面间呈45°角，由此沿轴向相同位置处的对接支座和连接支座整体呈现类“牛角”的形状。每个对接支座的矩形钢块外侧沿轴向设置矩形沟槽，对接支座的矩形沟槽配置液压对接系统对接液压缸的活塞杆和对接销轴；而每个连接支座的矩形钢块外侧沿轴向设置圆形孔眼，连接支座的圆形孔眼与定位杆相配；同时每个连接支座的矩形钢块内侧沿轴向设置矩形孔眼，连接支座的矩形孔眼内配置液压推进系统推进液压缸的活塞杆和连接销轴。

该海底管道连接装置包含两套独立的液压驱动系统，即液压推进系统和液压对接系统，用来提供连接器和对接器自动对接和快速卡紧的驱动力。液压推进系统采用沿连接管圆周方向均匀布置的三个独立推进液压缸，并通过连接支座和滑移支托将连接器和滑移器连为一体，从而完成滑移器的轴向推进；液压对接系统采用沿对接套圆周方向均匀布置的三个独立对接液压缸，并通过定位支托和对接支座将定位器和对接器连为一体，从而完成对接器的轴向推进，液压推进系统的各推进液压缸和液压对接系统的各对接液压缸均沿轴向水平布置。

所有独立推进液压缸和对接液压缸的液压油均通过多路换向阀统一供给和分配，分别实现液压推进系统和液压对接系统的自动同步轴向推进。所有独立的推进液压缸和对接液压缸均采用柱塞式液压油缸，并通过两端进油管路的通油和回油管路的回油而实现双向驱动，液压推进系统推进液压缸的缸筒通过滑移销轴与滑移器进行铰接，推进液压缸的活塞杆通过连接销轴与连接器进行锚定，而液压对接系统对接液压缸的缸筒则通过定位销轴与定位器进行铰接，对接液压缸的活塞杆通过对接销轴与对接器锚定在一起，滑移销轴、连接销轴、定位销轴和对接销轴的轴端均车制有螺纹盲孔并配置六角头螺钉进行固定。同时推进液压缸缸筒的两侧分别设置两个同样规格且平行放置的导引板，而实现液压推进系统与定位器之间的连接并辅助推进液压缸轴向推动滑移器。导引板由矩形钢板加工而成，导引板的一端钻有圆形孔眼并与推进液压缸的缸筒之间采用过盈配合，而导引板的另一端则铣有与滑移盘上花键孔相同规格大小和位置的矩形花键槽。

水下液驱对接作业中，对接器依靠液压对接系统提供的驱动力而沿对接套与海底管道管端之间的圆轨式滑道轴向推进，直至透镜密封环两侧的密封面与对接套和连接管密封接触部位进入初始接触状态为止。

水下液驱密封连接作业中，滑移器依靠液压推进系统提供的驱动力以及滑移罩和滑移盘与连接管和定位杆之间的移动副而沿连接管上的花键式主滑道和定位杆上的花键式辅滑道轴向推进，而后滑移罩推动各卡爪绕卡销转动并完成连接器与对接器间的快速卡紧，同时依靠对接套和连接管所传递的夹紧力，透镜密封环沿轴向和径向产生塑性变形而形成金属密封，由此最终完成连接器和对接器以及对接器与海底管道管端之间的固定连接与密封。

本发明所能达到的技术效果是，该海底管道连接装置采用透镜密封环的金属密封技术，并依据卡爪式连接器、花键槽式滑移器和圆轨式对接器以及两套独立的液压驱动系统，实施水下液驱对接作业和密封连接作业，实现海底管道管段之间的快速连接；连接器采用卡爪式长管体，并为滑移器提供轴向推进的花键式主滑道，且通过卡爪套完成连接器与对接器间的快速卡紧；滑移器采用花键槽式回转体，依据滑移罩和滑移盘与连接管和定位杆间的移动副而由滑移罩推动各卡爪绕卡销转动；定位器用来实现对接器的轴向定位并为滑移器提供轴向推进的花键式辅滑道，且作为对接器沿对接套与海底管道管端间圆轨式滑道轴向推进的支撑点；对接器采用圆轨式厚壁筒体，并依据透镜密封环的金属密封技术而完成对接套和连接管以及对接套与海底管道管端之间的固定连接与密封；液压推进系统和液压对接系统用来提供连接器和对接器自动对接和快速卡紧的驱动力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的卡爪式液压驱动海底管道连接装置的典型结构简图。

图2是图1的A—A剖视图。

图3是卡爪式液压驱动海底管道连接装置中连接器的结构简图。

图4是图3的B—B剖视图。

图5是卡爪式液压驱动海底管道连接装置中液压推进系统和滑移器的结构简图。

图6是图5的左视图。

图7是卡爪式液压驱动海底管道连接装置中定位器和液压对接系统的结构简图。

图8是卡爪式液压驱动海底管道连接装置中对接器的结构简图。

图9是卡爪式液压驱动海底管道连接装置的水下液驱对接作业流程简图。

图10是卡爪式液压驱动海底管道连接装置的水下液驱密封连接作业流程简图。

图中1－连接器，2－液压推进系统，3－滑移器，4－定位器，5－液压对接系统，6－对接器，7－海底管道，8－连接支座，9－连接管，10－卡爪，11－卡爪支托，12－卡销，13－连接销轴，14－导引板，15－推进液压缸，16－滑移销轴，17－滑移支托，18－滑移盘，19－滑移罩，20－定位杆，21－定位支托，22－定位销轴，23－定位盘，24－对接液压缸，25－对接销轴，26－透镜密封环，27－对接套，28－对接支座。

具体实施方式

在图1和图2中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置由连接器1、液压推进系统2、滑移器3、定位器4、液压对接系统5和对接器6组成。连接器1、滑移器3、定位器4和对接器6分别同轴心布置，连接器1的连接管、滑移器3的滑移罩以及定位器4的定位盘由内而外依次分层排列。该海底管道连接装置采用透镜密封环的金属密封技术，并依据卡爪式连接器1、花键槽式滑移器3和圆轨式对接器6以及独立的液压推进系统2和液压对接系统5，实施水下液驱对接作业和密封连接作业，实现海底管道7管段之间的快速连接。

在图1和图2中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置组装前，连接器1、滑移器3、定位器4和对接器6主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，连接器1的连接管置入滑移器3的滑移罩和滑移盘以及滑移器3的滑移罩置入定位器4的定位盘，应灵活移动且无阻滞，液压推进系统2的导引板和滑移器3的滑移盘应沿定位器4的定位杆正常滑动且无阻滞，连接器1的各卡爪应绕连接器1的卡销灵活转动且无阻滞，并保持滑移器3的滑移罩内壁和连接器1的连接管环形沟槽的清洁，最后检查对接器6的透镜密封环有无损伤，检查各销轴、卡销和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1和图2中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置组装时，滑移器3通过液压推进系统2的各推进液压缸接于连接器1连接管的各渐开线花键上并实现轴向定位，接着定位器4各定位杆的杆体依次贯穿滑移器3的滑移盘和液压推进系统2的导引板，并通过定位器4定位杆左侧的螺纹接头而固定于连接器1的连接管上，同时定位器4的定位盘和定位支托通过定位器4定位杆右侧的螺纹接头而与连接器1连为一体并套于滑移器3滑移罩的外环面上，对接器6通过液压对接系统5的各对接液压缸与定位器4进行连接并实现轴向定位。

在图1和图2中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置采用对接器6透镜密封环构成的金属密封技术实现连接器1与对接器6以及对接器6与海底管道7管端间的密封，连接器1与对接器6的规格与海底管道7的管径保持一致。

在图3和图4中，连接器1中连接管9的内径依据海底管道7的管径进行调整，卡爪10的强度依据连接管9和对接器6对接套所传递的最大夹紧力进行设计，连接管9环形沟槽的规格与对接器6透镜密封环的型号保持一致，连接管9的花键式主滑道的轴向长度设计需要考虑液压推进系统2的最大推程。

在图3和图4中，连接器1的各卡爪10通过配置各卡爪支托11和卡销12而构成多个转动副，并且在连接管9右侧管体的外环面上均匀布置而形成一个卡爪套，并完成连接器1与对接器6之间的快速卡紧，连接管9的中间管体设置渐开线花键而形成滑移器3轴向推进的花键式主滑道，连接管9的左侧管体上周向均布三个连接支座8，连接支座8的中部与液压推进系统2相连同时连接支座8的外侧与定位器4相连。

在图5和图6中，滑移器3中滑移盘18和滑移罩19的渐开线花键槽依据连接管9的渐开线花键进行设计，滑移罩19环腔内壁的柱状罩壳、倒锥状罩壳和锥状罩壳依据卡爪10外环面的倒锥状卡爪面和锥状卡爪面进行设计。液压推进系统2中推进液压缸15的型号选取需要考虑连接管9和对接器6对接套所传递的最大夹紧力，滑移罩19环腔内壁的柱状罩壳和倒锥状罩壳的轴向长度之和需要大于推进液压缸15的最大推程。

在图5和图6中，液压推进系统2的推进液压缸15通过连接销轴13接于连接支座8并通过滑移销轴16和滑移支托17接于滑移盘18的左侧端面，从而将连接器1和滑移器3连成一体，推进液压缸15通过导引板14与定位器4相连接，同时导引板14辅助推进液压缸15推动滑移盘18和滑移罩19进行轴向滑移，滑移罩19通过滑移螺柱而接于滑移盘18的右侧端面，滑移盘18和滑移罩19的渐开线花键槽均与连接管9的渐开线花键之间形成移动副，同时滑移罩19通过推进液压缸15驱动而推动卡爪套中的各卡爪10绕卡销12转动。

在图7中，定位器4中定位杆20杆体上的矩形花键需要与滑移盘18上花键孔的矩形花键槽和导引板14上的矩形花键槽同时进行配合，定位盘23圆形滑道的环腔内壁直径与滑移罩19的外环面直径保持一致，而定位盘23外环面的直径则与滑移器3中滑移盘18外环面的直径保持一致，液压对接系统5中对接液压缸24的型号选取需要考虑对接器6对接套与海底管道7管端之间的最大摩擦力。

在图7中，定位器4的定位杆20通过左侧的螺纹接头接于连接支座8同时定位器4的定位杆20通过右侧的螺纹接头与定位盘23相连，从而将连接器1和定位器4连成一体，且对接液压缸24通过定位支托21和定位销轴22接于定位盘23的右侧端面，同时对接液压缸24通过对接销轴25与对接器6相连，从而将定位器4和对接器6连成一体。定位杆20杆体上设置矩形花键而形成滑移器3轴向推进的花键式辅滑道，滑移盘18和导引板14的矩形花键槽均与定位杆20的矩形花键之间形成移动副。

在图8中，对接器6中对接套27的内径依据海底管道7的管径进行调整，对接套27环形凹槽的规格与连接管9外卡翅的规格保持一致，而对接套27环形沟槽的规格则与透镜密封环26的型号保持一致，对接套27右侧筒体的外环面直径与连接管9两侧管体的外径相对应，对接套27柱形卡箍的强度依据连接管9和对接套27所传递的最大夹紧力进行设计，对接套27与海底管道7之间圆轨式滑道的轴向长度设计需要考虑对接液压缸24的最大推程。

在图8中，对接套27与海底管道7的管端之间形成圆轨式滑道，对接套27的外环面上周向均布三个对接支座28，对接支座28的外侧与液压对接系统5相连接，对接器6由对接液压缸24驱动而沿圆轨式滑道轴向推进，并依据透镜密封环26的金属密封技术实现对接套27与连接管9以及对接套27与海底管道7间的固定连接。

在图9中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置的水下液驱对接作业流程为，连接器1与对接器6和海底管道7对中后，多路换向阀为液压对接系统5统一供给和分配液压油，对接液压缸24的进油管路进行通油，对接液压缸24的活塞杆提供驱动力并通过定位支托21和定位销轴22以及对接销轴25和对接支座28而传递至对接套27上，结合对接套27与海底管道7管端之间的圆轨式滑道，对接液压缸24带动透镜密封环26和对接套27沿着圆轨式滑道一起轴向推进，直至透镜密封环26两侧的密封面与连接管9环形沟槽的沟槽底面和对接套27环形沟槽的沟槽底面同时进入初始接触状态为止，最后对接液压缸24的进油管路停止通油并维持现有液压油的油压，以保持连接器1和对接器6之间处于对接状态。

在图10中，卡爪式液压驱动海底管道连接装置的水下液驱密封连接作业流程为，多路换向阀为液压推进系统2统一供给和分配液压油，推进液压缸15的进油管路进行通油，推进液压缸15的缸筒提供驱动力并通过连接支座8和连接销轴13以及滑移销轴16和滑移支托17而传递至导引板14、滑移盘18和滑移罩19上，结合滑移盘18和滑移罩19与连接管9之间的移动副以及导引板14和滑移盘18与定位杆20之间的移动副，推进液压缸15带动导引板14、滑移盘18和滑移罩19沿着连接管9上的花键式主滑道和定位杆20上的花键式辅滑道一起轴向推进，而后滑移罩19推动各卡爪支托11上的卡爪10绕卡销12转动，并完成连接器1和对接器6之间的快速卡紧，接着继续轴向推进滑移罩19并推动各卡爪10，依靠连接管9和对接套27所传递的夹紧力，透镜密封环26沿轴向和径向产生塑性变形而形成金属密封，最终完成连接器1和对接器6以及对接器6与海底管道7管端之间的固定连接与密封。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种卡爪式液压驱动海底管道连接装置，连接器、滑移器、定位器和对接器分别同轴心布置，滑移器通过液压推进系统与连接器相连接，对接器通过液压对接系统与定位器相连接，定位器经定位杆与连接器连为一体；该海底管道连接装置采用透镜密封环，并依据卡爪式连接器、花键槽式滑移器和圆轨式对接器及两套独立的液压驱动系统，实施水下液驱对接作业和密封连接作业，实现海底管道管段间的快速连接，其特征在于：

一连接器；所述连接器采用卡爪式长管体，其连接支座沿圆周方向均匀布置于连接管左侧管体的外环面上；连接管由管体加工而成且两侧管体细而中间管体粗，其右侧管体的右侧设置柱形卡环，且其右侧端面上铣有环形沟槽，连接管环形沟槽的内外沟槽面上分别设置内卡翅和外卡翅，且内卡翅和外卡翅的外环面上均切有锥状坡口，连接管的中间管体设有六个键齿周向均布的渐开线花键，作为滑移器轴向推进的花键式主滑道，渐开线花键两侧面的键廓采用对称分布的渐开线；卡爪支托沿圆周方向均匀焊接于连接管右侧管体的外环面上，各组卡爪支托分别配置一个卡爪并沿周向均布而形成一个卡爪套，卡爪由拱形块加工而成，卡爪外环面的左侧设置倒锥状卡爪面而其外环面的右侧则设有锥状卡爪面，卡爪的环腔内壁从左至右沿轴向依次设有锥状凹槽和环形沟槽；

一滑移器；所述滑移器采用花键槽式回转体，其滑移支托沿圆周方向均匀布置于滑移盘的左侧端面上，滑移罩采用厚壁筒体，其环腔内壁从左至右依次设置柱状罩壳、倒锥状罩壳和锥状罩壳，其左侧腔壁上设有与滑移罩同轴心布置的柱形凸台，滑移罩柱形凸台的中央部位铣有六个沿圆周方向均匀布置的渐开线花键槽，各渐开线花键槽两侧键槽面的键槽轮廓采用渐开线；滑移盘采用圆盘体，滑移盘的中央部位铣有与滑移罩相同规格大小和位置的渐开线花键槽，滑移盘的外缘铣有三个周向均布的花键孔，各花键孔加工有六个周向均布的矩形花键槽，滑移盘上的花键孔和渐开线花键槽之间的部位铣有六个周向均布的减阻孔；

一定位器；所述定位器的定位盘采用圆盘体并与滑移盘同轴心布置，其中央部位钻有圆形滑道，定位盘的外缘钻有三个与滑移盘花键孔同轴心布置的定位孔；定位杆采用长杆体，两个同样规格的螺纹接头对称布置于杆体的两侧端，三个同样规格的定位杆并配置定位螺母而将连接支座与定位盘和定位支托连成一体，定位杆的杆体设有六个键齿周向均布的矩形花键，作为滑移器轴向推进的花键式辅滑道，定位支托沿圆周均匀布置于定位盘的右侧端面上；

一对接器；所述对接器采用圆轨式厚壁筒体，其对接套由筒体加工而成且左侧筒体粗而右侧筒体细，对接套左侧筒体的左侧设置柱形卡箍，对接套柱形卡箍的环腔内壁切有锥状坡口，同时对接套柱形卡箍的外环面两侧设有锥状卡环面，对接套的环腔内壁与海底管道管端的外环面之间精密配合而形成圆轨式滑道；对接套的环腔内壁从左至右沿轴向依次铣有环形凹槽和环形沟槽，对接套环形沟槽的横截面呈直角梯形，对接套的环形沟槽与连接管的环形沟槽沿轴向对称布置且所形成的对称锥面环腔内配置透镜密封环，透镜密封环两侧的密封面为沿轴向对称布置的球面；对接支座沿圆周方向均匀布置于对接套中部的外环面上，沿轴向相同位置处的对接支座和连接支座整体呈现类“牛角”的形状；

一液压推进系统和液压对接系统；所述液压推进系统采用沿连接管圆周方向均匀布置的三个独立推进液压缸，并通过连接支座和滑移支托将连接器和滑移器连为一体，从而完成滑移器的轴向推进；液压对接系统采用沿对接套圆周方向均匀布置的三个独立对接液压缸，并通过定位支托和对接支座将定位器和对接器连为一体，从而完成对接器的轴向推进；推进液压缸缸筒的两侧分别设置两个同样规格且平行放置的导引板，导引板由矩形钢板加工而成。

2.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述卡爪式液压驱动海底管道连接装置中的透镜密封环两侧密封面所在球面的球心均位于透镜密封环的轴线上，透镜密封环与对接套和连接管密封接触部位的初始状态为相互平行且同轴心布置的环形封闭线圈，依靠对接套和连接管所传递的夹紧力，透镜密封环沿轴向和径向产生塑性变形且密封接触部位的状态变为同轴心布置的环形密封带。

3.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述连接器为滑移器提供轴向推进的花键式主滑道，且通过卡爪套完成连接器与对接器间的快速卡紧，连接支座沿径向朝外放置；

所述连接管的环腔内壁直径大于海底管道的内径，连接管环形沟槽的横截面呈直角梯形，连接管环形沟槽的沟槽底面为连接管和透镜密封环的密封接触部位；

所述连接管的内卡翅厚度和轴向长度均小于外卡翅的厚度和轴向长度，且内卡翅锥状坡口所在锥面的锥度小于外卡翅锥状坡口所在锥面的锥度；

所述连接管的渐开线花键沿轴向布置且与连接管的轴线保持平行，渐开线花键的上表面采用圆拱面并位于同一圆柱面上。

4.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述连接器的各组卡爪支托均沿径向朝外放置，各组卡爪支托含有两个平行放置的分支托，每个分支托均采用规格尺寸和形状相同的直角梯形钢板，且各分支托直角梯形钢板的直角边所在端面与连接管柱形卡环的截面变化处所在端面保持平齐；

所述连接器的各组卡爪支托与卡销之间采用间隙配合同时卡爪与卡销之间采用过盈配合而构成转动副，并实现卡爪与卡爪支托间的连接；

所述连接器中卡爪的左右两侧切面相互平行，卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度大于卡爪锥状卡爪面所在锥面的锥度；卡爪锥状凹槽所在锥面的锥度小于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度，卡爪环形沟槽的左侧沟槽面和右侧沟槽面所在锥面分别与对接套柱形卡箍的左侧锥状卡环面和右侧锥状卡环面相配合。

5.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述滑移器依据滑移罩和滑移盘与连接管和定位杆间的移动副而由滑移罩推动各卡爪绕卡销转动，每组滑移支托均沿轴向水平放置；

所述滑移器的滑移罩柱状罩壳所在圆柱面的直径大于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面大端圆面的直径，滑移罩倒锥状罩壳所在锥面的锥度等于卡爪倒锥状卡爪面所在锥面的锥度，同时滑移罩锥状罩壳所在锥面的锥度等于卡爪锥状卡爪面所在锥面的锥度；

所述滑移器中滑移罩的各渐开线花键槽沿轴向布置，同时各渐开线花键槽的键槽顶面均采用圆拱面并位于同一圆柱面上，且滑移罩各渐开线花键槽的键槽顶面所在圆柱面的直径大于连接管渐开线花键的上表面所在圆柱面的直径。

6.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述连接器中连接管渐开线花键的两侧面和上表面分别与滑移罩各渐开线花键槽的两侧键槽面和键槽顶面以及滑移盘各渐开线花键槽的两侧键槽面和键槽顶面之间精密配合而构成移动副；

所述滑移器中滑移盘的各矩形花键槽沿轴向布置且均与滑移盘的轴线平行，同时各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面均采用平面且相互间垂直布置；

所述滑移器的滑移盘上每两个减阻孔间隔放置一组滑移支托，各减阻孔的内侧环面和外侧环面均采用圆拱面，而各减阻孔的两侧端面均采用平面且其两侧端面所在的平面均通过滑移盘的轴线，同时滑移盘上的渐开线花键槽和减阻孔由内而外分层交错排列，而滑移盘上的滑移支托和花键孔则由内而外呈辐射状排列。

7.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述定位器用来实现对接器的轴向定位并为滑移器提供轴向推进的花键式辅滑道，定位盘中央部位的圆形滑道的环腔内壁与滑移罩的外环面之间精密配合而构成移动副，且定位盘外环面的直径等于滑移盘外环面的直径，定位盘上的定位支托和定位孔由内而外呈辐射状排列；

所述定位器的定位杆包含螺纹接头和杆体两部分，螺纹接头的两端车制螺纹且其中部设置轴肩，定位杆的杆体两侧端车制有螺纹盲孔并分别与两螺纹接头相配合而组合成一个完整的定位杆，定位杆矩形花键的两侧面和上表面分别与滑移盘各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面以及导引板各矩形花键槽的两侧键槽面和键槽顶面之间精密配合而构成移动副；

所述滑移支托和定位支托的位置和数量分别与推进液压缸和对接液压缸相同，每组滑移支托和定位支托均含有两个平行放置的分支托，且每个分支托均采用矩形钢板。

8.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述对接器依据透镜密封环完成对接套和连接管以及对接套与海底管道管端之间的固定连接与密封，对接套右侧筒体的外环面直径等于连接管两侧管体的外径同时大于海底管道的外径，对接套左侧筒体的柱形卡箍锥状坡口所在锥面的锥度等于连接管外卡翅锥状坡口所在锥面的锥度，且对接套柱形卡箍左侧锥状卡环面所在锥面的锥度大于柱形卡箍右侧锥状卡环面所在锥面的锥度，对接套环腔内壁的直径大于连接管环腔内壁的直径；

所述对接器的对接套环形凹槽内配置连接管的外卡翅，且对接套环形凹槽和环形沟槽截面变化处形成的轴肩实现连接管外卡翅的轴向定位；对接套环形沟槽的沟槽底面为对接套和透镜密封环的密封接触部位，对接套环形沟槽的内外沟槽面所在的圆柱面与连接管环形沟槽的内外沟槽面所在的圆柱面分别保持重合。

9.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述对接支座和连接支座沿轴向的位置和数量相同，每个对接支座和连接支座均采用矩形钢块和等腰梯形钢块相组合的构造，每个对接支座和连接支座的矩形钢块沿径向布置，而其等腰梯形钢块的中心对称面与水平面间呈45°角；每个对接支座的矩形钢块外侧沿轴向设置矩形沟槽，而每个连接支座的矩形钢块外侧沿轴向设置圆形孔眼且其内侧沿轴向设置矩形孔眼。

10.根据权利要求1所述的卡爪式液压驱动海底管道连接装置，其特征在于：所述卡爪式液压驱动海底管道连接装置包含两套独立的液压驱动系统，即液压推进系统和液压对接系统，用来提供连接器和对接器自动对接和快速卡紧的驱动力；

所述液压推进系统的各推进液压缸和液压对接系统的各对接液压缸均沿轴向水平布置，所有独立推进液压缸和对接液压缸的液压油均通过多路换向阀统一供给和分配，分别实现液压推进系统和液压对接系统的自动同步轴向推进；所有独立的推进液压缸和对接液压缸均采用柱塞式液压油缸，并通过两端进油管路的通油和回油管路的回油而实现双向驱动；

所述推进液压缸缸筒两侧的导引板实现液压推进系统与定位器之间的连接并辅助推进液压缸轴向推动滑移器，导引板的一端钻有圆形孔眼并与推进液压缸的缸筒之间采用过盈配合，而导引板的另一端则铣有与滑移盘上花键孔相同规格大小和位置的矩形花键槽。