CN108869912B - 水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，应用于水下管道的快速连接。该连接装置采用轴对称构造和液缸传动机构，并依据卡翅式卡紧捕捉器、外推对接器、滑移调心器和外推基体，实施水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业；卡紧捕捉器和外推对接器分别依据液压侧推器和液压轴推器完成连接装置与水下管道间的水下对中定位与连接，外推对接器与滑移调心器间构成球面副而实现连接装置与水下管道的可调心作用，并依据球面副和球形垫片自动调整两段水下管道间的偏心，同时滑移调心器依据其与外推基体间柱面移动副的轴向导引作用而实现轴向滑移，外推基体依据双层式基盘而将卡紧捕捉器、液压轴推器和液压侧推器连为一体。

Description

水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置

技术领域

本发明涉及一种水下生产系统油气输送管道连接时用的装置，特别是涉及一种采用卡翅式对中定位和可调心技术的两段水下油气输送管道的连接装置。

背景技术

水下生产系统中，油气输送管道担负着海底油气井采出液以及分离处理后合格油气等介质的输送，水下油气输送管道连接技术涉及到铺设海管施工作业的重要环节，并广泛应用于深水油气田开发、边际油田开发和海底管道修复作业等工程实践中。

水下油气输送管道连接器依据其工作原理可概括为：螺栓法兰式海管连接器、卡箍式海管连接器和卡爪式海管连接器。其中，螺栓法兰式海管连接器采用旋转环法兰和焊颈法兰，通常应用于陆上油气输送管道的连接，该海管连接器需要安装工具与油气输送管道法兰接头之间具有较高精度的对中性，并且油气输送管道连接作业的施工过程中需要配套专门的作业机具，安装工时较长而无法达到快速连接的目的。卡箍式海管连接器是在水下油气输送管道的两侧各设置一个轴承式法兰，并在各轴承式法兰内分别设有一个连接环，采用该海管连接器结构简单、拆装方便且总体尺寸小，然而其缺点是难以实现水下油气输送管道的自动连接，并且其安装精度也较低。卡爪式海管连接器以Cameron、FMCCorporation、Oil States等国外公司的产品比较具有代表性，该海管连接器的特点是水下油气输送管道连接作业施工过程简单且连接可靠，极大缩短了连接工时，然而其缺点是水下管道连接器的生产技术一直掌握在国外专业公司手中，且目前卡爪式海管连接技术仍需进一步完善。此外，国内的水下油气输送管道技术及其连接装置尚处于研发阶段，还不具备独自完成深海作业的能力。

发明内容

为了有效解决水下油气输送管道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采用卡翅式对中定位和可调心技术的两段水下油气输送管道的连接装置。该连接装置采用轴对称构造和液缸传动机构，并依据卡翅式卡紧捕捉器的对中定位、外推对接器和滑移调心器间球面副的可调心作用以及外推基体的轴向导引作用，实施水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程，最终完成两段油气输送管道的水下连接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，该连接装置主要由卡紧捕捉器、外推对接器、滑移调心器、外推基体、液压轴推器和液压侧推器组成。该连接装置整体设计为轴对称构造，卡紧捕捉器、外推对接器、滑移调心器和外推基体的主体部件材质均选用超级双向不锈钢，且通体涂覆玻璃钢，外推对接器、滑移调心器和外推基体沿轴向由外至内依次同轴心布置，两套卡紧捕捉器与液压侧推器配合同时两套外推对接器与液压轴推器配合后沿周向均布于外推基体的外环面。

油气输送管道的管端沿轴向依次加工有预制柱面、预制环锥面和预制环梯面。

外推对接器的透镜密封圈和外六角形密封圈沿径向由里而外布置并通过挤压变形而组成双重金属密封，滑移调心器的中六角形密封圈、○形密封圈、梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈沿轴向由外至内布置并通过挤压变形而组成多重金属和非金属密封。透镜密封圈两侧的初始密封环面为沿轴向对称放置的半球面，且透镜密封圈的半球面与对接筒和对接球罩环形沟槽底面的密封接触部位为沿轴向对称布置的环形密封带。梯形密封圈的截面呈等腰梯形，矩形密封圈的截面呈矩形，外六角形密封圈、中六角形密封圈和内六角形密封圈的截面呈六边形，而○形密封圈的截面则呈圆形，中六角形密封圈采用双层金属密封圈，而外六角形密封圈和内六角形密封圈则采用单层金属密封圈，同时梯形密封圈和矩形密封圈的内部设置均匀分布的金属丝，○形密封圈的材质选用耐油耐酸碱胶料。

卡紧捕捉器采用卡翅式管体，并依据液压侧推器提供的推进动力完成连接装置与油气输送管道间的快速对中定位，它包括前卡套、后卡套和捕捉管。

前卡套和后卡套采用沿轴向对称布置的厚壁筒体，且前卡套和后卡套依据其剖分式构造而分别套于油气输送管道的前部和后部。前卡套和后卡套剖分面的两侧均设有等间距分组排列的锥形凸台，各组锥形凸台的中央部位钻有卡紧螺孔，并通过卡紧螺柱实现前卡套和后卡套与油气输送管道间的固定连接。

前卡套和后卡套所构成的环腔内壁分别设置柱状卡环和梯形卡环，且前卡套和后卡套的柱状卡环沿轴向对称布置于其梯形卡环的两侧，前卡套和后卡套柱状卡环所在柱面的直径等于油气输送管道的外径，前卡套和后卡套梯形卡环的剖面呈等腰梯形，并与油气输送管道上的预制环梯面相配合。

前卡套和后卡套外环面的中部各设置一个捕捉管，捕捉管沿径向对称布置，且捕捉管采用长管体，捕捉管由水平布置和倾斜布置的两管体组成，其整体呈现类斜L形，捕捉管中水平布置管体的内侧端设有梯形接头而与外推基体连成一体。捕捉管中倾斜布置管体的外侧端切有椭圆形坡口，并通过圆周焊的方式分别固定于前卡套和后卡套的外环面，捕捉管中水平布置和倾斜布置的两管体通过环形接箍进行连接，且捕捉管两管体连接处的环面上切有两个相互平行的销轴连接面，两销轴连接面的中间部位铣有矩形槽孔，捕捉管的矩形槽孔内配置液压侧推器中侧推液缸的活塞杆并通过卡紧销轴进行连接。

外推对接器采用厚壁壳体，并依据液压轴推器提供的推进动力完成整套连接装置与油气输送管道间的连接，同时外推对接器与滑移调心器间构成球面副而实现整套连接装置与两段油气输送管道的可调心作用，它包括对接筒、对接球罩、对接支座、透镜密封圈和外六角形密封圈。外推对接器采用透镜密封圈和外六角形密封圈组成的双重金属密封技术实现整套连接装置与油气输送管道间的密封。

对接筒由柱形短筒体和法兰盘组成，对接筒的柱形短筒体外环面直径等于对接球罩柱形筒体的外环面直径，对接筒的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置对接槽、滑移柱面和环形沟槽，对接筒的对接槽和环形沟槽的剖面均呈直角梯形，且对接筒的对接槽与油气输送管道上的预制环锥面相配合，对接筒的法兰盘内侧端面上铣有环形凹槽，对接筒环形凹槽的剖面呈等腰梯形。

对接球罩由柱形筒体和半球形壳体组合而成，且对接球罩柱形筒体的外侧端和其半球形壳体的内侧端分别设有法兰盘，对接球罩外侧法兰盘的外侧端面上铣有与对接筒相同形状的环形凹槽，且对接筒的环形凹槽和对接球罩的环形凹槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置外六角形密封圈，同时对接筒的法兰盘和对接球罩外侧的法兰盘之间通过对接螺栓进行连接。对接球罩的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置环形沟槽、滑移柱面和内球面，对接筒的环形沟槽和对接球罩的环形沟槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置透镜密封圈，对接筒的滑移柱面和对接球罩的滑移柱面同时与油气输送管道上的预制柱面之间精密配合而构成柱面移动副，对接球罩的半球形壳体的外环面采用外球面，对接球罩的内球面和外球面所在的圆球面同球心布置且该球心位于外推对接器的轴线上。

对接支座沿周向均匀焊接于对接球罩内侧法兰盘的外环面，且对接支座的数量和位置与卡紧捕捉器的捕捉管相同。对接支座采用矩形钢块，且每个对接支座沿径向的外侧端加工有矩形槽孔，对接支座的矩形槽孔内配置对接销轴而与液压轴推器轴推液缸的活塞杆相铰接。

滑移调心器采用厚壁筒体，它与外推对接器间构成球面副并结合球形垫片自动调整两段油气输送管道间的偏心，同时滑移调心器与外推基体间构成柱面移动副而实现外推对接器的轴向滑移，它包括调心球座、滑移筒、衬环、衬套、压盖、梯形密封圈、矩形密封圈、中六角形密封圈、内六角形密封圈和○形密封圈。滑移调心器采用中六角形密封圈和○形密封圈组成的三重金属和非金属密封技术实现外推对接器和滑移调心器间的密封，并依据梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈组成的三重金属密封技术实现滑移调心器与外推基体间的密封。

调心球座由半球形筒体和法兰盘组成，调心球座的环腔内壁直径等于对接筒的滑移柱面和对接球罩的滑移柱面所在圆柱面的直径，调心球座的半球形筒体的外环面采用圆球面，调心球座的圆球面与对接球罩的内球面均进行精细研磨处理，且调心球座的圆球面与对接球罩的内球面始终保持同球心而构成球面副，调心球座的圆球面与对接球罩的内球面的结合带轴向长度大于调心球座圆球面所在球面半径的四分之一。调心球座的圆球面沿轴向设有分层布置的环形凹沟，共三层，各层环形凹沟均沿其所在的调心球座圆球面呈仰角式放置，且各层环形凹沟剖面的中心线所在锥面的锥顶与调心球座的圆球面和对接球罩内外球面的球心相重合，调心球座位于外侧两层环形凹沟的剖面相同且均采用外宽里窄的类梯形，其内依次配置中六角形密封圈，而位于最内侧环形凹沟的剖面则采用矩形，其内配置○形密封圈。

调心球座的法兰盘和对接球罩内侧的法兰盘之间通过调心螺栓进行连接，且两法兰盘的外缘均钻有相同规格的调心螺孔，调心球座调心螺孔的外侧端和对接球罩调心螺孔的内侧端均设有锥状调节孔，各调心螺栓的两侧均配置球形垫片，并分别置入调心球座调心螺孔的内侧端和对接球罩调心螺孔外侧端的锪平凹槽内，而实现滑移调心器和外推对接器间的连接。

滑移筒由柱形长筒体和法兰盘组成，滑移筒的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置衬环、衬套和压盖，滑移筒的柱形长筒体与调心球座的法兰盘连为一体，且滑移筒的柱形长筒体环腔内壁的轴向长度大于衬环、梯形密封圈和衬套的轴向长度之和，滑移筒的法兰盘内侧端面上铣有环形凹槽，滑移筒环形凹槽的剖面呈等腰梯形。

衬环和衬套采用管体，衬环的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置滑移柱面和锥状沟槽，衬套的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置锥状沟槽、滑移柱面和柱状沟槽，衬环的锥状沟槽和衬套的锥状沟槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置梯形密封圈，衬环的滑移柱面与衬套的滑移柱面所在柱面的直径等于调心球座的环腔内壁直径，且衬套的柱状沟槽内配置矩形密封圈。

压盖采用短管体和法兰盘，压盖的短管体外环面沿轴向依次设置滑移凹槽和环形凹沟，压盖滑移凹槽的槽底面与衬套柱状沟槽的槽壁之间精密配合而构成柱面移动副，且压盖的环形凹沟内填充润滑脂，同时压盖的外环面与滑移筒的环腔内壁之间精密配合而构成柱面移动副。压盖法兰盘的外侧端面上铣有与滑移筒相同形状的环形凹槽，且压盖的环形凹槽和滑移筒的环形凹槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置内六角形密封圈，同时滑移筒的法兰盘和压盖的法兰盘之间通过滑移螺栓进行连接。

外推基体与滑移调心器之间构成柱面移动副而实现轴向导引作用，并结合双层式基盘而将卡紧捕捉器、液压轴推器和液压侧推器连为一体，它包括外推基盘、外推基管、中基支座和外基支座。

外推基管采用变截面长管体，其环腔内壁的直径等于油气输送管道的内径，且外推基管的外环面由外环柱面和内环柱面组成，外推基管的内环柱面为外推基盘的支撑面，同时外推基管的外环柱面为滑移调心器的滑移面，外推基管的外环柱面与衬环和衬套的滑移柱面以及压盖的环腔内壁之间同时精密配合而构成滑移方向相同的三个柱面移动副。

外推基盘采用剖分双层式基盘，它由基管、外基盘和内基盘组成，外推基盘的基管采用厚壁筒体，且外推基盘的基管依据其剖分式构造而分别套于外推基管的前部和后部，外推基盘的基管剖分面的两侧均设有等间距分组排列的锥形凸台，各组锥形凸台的中央部位钻有外推螺孔，并通过外推螺柱实现外推基盘与外推基管间的固定连接。外推基盘的外基盘和内基盘同轴心布置且厚度相等，外推基盘的外基盘上设置中基支座，而外推基盘的内基盘上则设有外基支座，中基支座和外基支座的位置和数量相同且均与卡紧捕捉器的捕捉管一一对应。

中基支座沿径向呈辐射状依次布置卡座和支托，中基支座的卡座采用剖分式卡瓦并通过中基螺栓将轴推液缸的缸筒支撑于外推基盘的外基盘上。外基支座采用条形钢块且沿径向呈辐射状依次设置方孔卡槽和支托，外基支座方孔卡槽的中心线与中基支座卡座的轴线相重合，且外基支座的方孔卡槽内配置内基销轴而与轴推液缸的缸筒进行铰接。中基支座的支托和外基支座的支托的结构相同，且均采用矩形钢块，中基支座和外基支座的支托沿径向的外侧端加工有矩形槽孔，中基支座的矩形槽孔内配置中基销轴而与侧推液缸的缸筒进行铰接，同时外基支座的矩形槽孔内配置外基销轴而与捕捉管的梯形接头进行铰接。

该连接装置的液缸传动机构采用四杆演化机构，它由外推基盘外环面的中基支座和外基支座组成机架，捕捉管构成摇杆，侧推液缸的缸筒构成传动机构中的液压动力筒且侧推液缸的活塞杆构成传动机构中的连杆，同时液缸传动机构的动力由液压侧推器经侧推液缸提供。液缸传动机构中，捕捉管通过外基销轴与外基支座相连而构成转动副，侧推液缸的缸筒通过中基销轴与中基支座相连而构成转动副，侧推液缸的活塞杆通过卡紧销轴与捕捉管相连而构成转动副，侧推液缸的缸筒与其活塞杆之间精密配合而构成柱面移动副。

该连接装置包含两套独立的液缸动力系统，即液压轴推器和液压侧推器，提供推进动力而实现油气输送管道的快速连接。液压侧推器通过中基支座实现卡紧捕捉器和外推基体间的连接，并完成捕捉管的张开与合拢，液压侧推器采用两个独立的侧推液缸，且两个侧推液缸分别倾斜布置于卡紧捕捉器的内侧；而液压轴推器则通过对接支座和外基支座实现外推对接器和外推基体间的连接，并完成滑移调心器的轴向移动，液压轴推器采用沿外推基体周向均布的两个独立轴推液缸，各轴推液缸水平布置。

侧推液缸和轴推液缸的液压油均通过多路换向阀统一分配以实现液压侧推器的自动同步侧向推进和液压轴推器的自动同步轴向推进，同时侧推液缸和轴推液缸均采用活塞式油缸，并通过其两端进油管路的通油和出油管路的回油实现双向推进运动。

本发明所能达到的技术效果是，该连接装置采用轴对称构造和液缸传动机构，并依据卡翅式卡紧捕捉器的对中定位、外推对接器和滑移调心器间球面副的可调心作用以及外推基体的轴向导引作用，实施水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程，最终完成两段油气输送管道的水下连接；卡紧捕捉器依据液压侧推器提供的推进动力完成连接装置与油气输送管道间的快速对中定位，外推对接器依据液压轴推器提供的推进动力完成整套连接装置与油气输送管道间的连接，同时依据其与滑移调心器间球面副实现整套连接装置与两段油气输送管道的可调心作用；滑移调心器采用厚壁筒体，与外推对接器间构成球面副并结合球形垫片自动调整两段油气输送管道间的偏心，同时滑移调心器与外推基体间构成柱面移动副而实现外推对接器的轴向滑移；外推基体依据其与滑移调心器之间的柱面移动副而实现轴向导引作用，并结合双层式基盘而将卡紧捕捉器、液压轴推器和液压侧推器连为一体。

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水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置的典型结构简图。

图2是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置中卡紧捕捉器和液压侧推器的结构简图。

图3是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置中外推对接器的结构简图。

图4是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置中滑移调心器的结构简图。

图5是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置中外推基体和液压轴推器的结构简图。

图6是图5的左视图。

图7是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置中液缸传动机构的简图。

图8是水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置的水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程简图。

图中1－油气输送管道，2－外推对接器，3－卡紧捕捉器，4－液压轴推器，5－滑移调心器，6－液压侧推器，7－外推基体，8－前卡套，9－后卡套，10－捕捉管，11－卡紧销轴，12－侧推液缸，13－对接筒，14－外六角形密封圈，15－透镜密封圈，16－对接球罩，17－对接支座，18－对接销轴，19－中六角形密封圈，20－○形密封圈，21－调心球座，22－衬环，23－梯形密封圈，24－衬套，25－矩形密封圈，26－滑移筒，27－内六角形密封圈，28－压盖，29－外推基管，30－轴推液缸，31－中基销轴，32－中基支座，33－外基销轴，34－外基支座，35－内基销轴，36－外推基盘，37－柱状卡环，38－梯形卡环，39－对接槽，40－对接筒的滑移柱面，41－对接筒的环形沟槽，42－对接球罩的环形沟槽，43－对接球罩的滑移柱面，44－内球面，45－对接筒的环形凹槽，46－对接球罩的环形凹槽，47－圆球面，48－衬环的滑移柱面，49－衬环的锥状沟槽，50－衬套的锥状沟槽，51－衬套的滑移柱面，52－柱状沟槽，53－滑移筒的环形凹槽，54－压盖的环形凹槽，55－外环柱面，56－内环柱面，57－基管，58－内基盘，59－外基盘，60－方孔卡槽，61－卡座，62－中基支座的支托，63－外基支座的支托。

具体实施方式

在图1中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置主要由外推对接器2、卡紧捕捉器3、液压轴推器4、滑移调心器5、液压侧推器6和外推基体7组成，该连接装置采用轴对称构造和液缸传动机构，并依据卡翅式卡紧捕捉器3的对中定位、外推对接器2和滑移调心器5间球面副的可调心作用、外推基体7的轴向导引作用以及液压轴推器4和液压侧推器6提供的推进动力，实施水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程，最终完成两段油气输送管道1的水下连接。

在图1中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置的外推对接器2、滑移调心器5和外推基体7沿轴向由外至内依次同轴心布置，两套卡紧捕捉器3和液压侧推器6配合同时两套外推对接器2和液压轴推器4配合后沿周向均布于外推基体7的外环面，油气输送管道1的管端沿轴向依次加工有预制柱面、预制环锥面和预制环梯面。

在图1中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置组装前，外推对接器2、卡紧捕捉器3、滑移调心器5和外推基体7主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，滑移调心器5的调心球座置入外推对接器2的对接球罩中应灵活转动且无阻滞，外推基体7的外推基管置入滑移调心器5中应正常滑动且无阻滞，并保持外推对接器2和滑移调心器5内壁的清洁，最后检查外推对接器2的外六角形密封圈和透镜密封圈以及滑移调心器5的中六角形密封圈、○形密封圈、梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈有无损伤，检查各销轴和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置组装时，外推基体7的外推基盘通过外推螺柱接于外推基体7外推基管的外环面，滑移调心器5套于外推基体7外推基管的外环面，并通过调心螺栓与外推对接器2相连，液压轴推器4的轴推液缸经外推基体7的中基支座由外推基体7的外基支座和外推对接器2的对接支座而将外推对接器2、滑移调心器5和外推基体7连成一体，液压侧推器6的侧推液缸经外推基体7的中基支座同时卡紧捕捉器3的捕捉管通过外推基体7的外基支座相连接而构成连接装置的液缸传动机构。

在图1中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置的规格与油气输送管道1的管径和两管段之间的轴向间距保持一致，该连接装置采用外推对接器2的透镜密封圈和外六角形密封圈组成双重金属密封，完成整套连接装置与油气输送管道1间的密封，并依据滑移调心器5的中六角形密封圈和○形密封圈组成三重金属和非金属密封，完成外推对接器2和滑移调心器5间的密封，同时通过滑移调心器5的梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈组成三重金属密封，完成滑移调心器5与外推基体7的外推基管间的密封。

在图2中，卡紧捕捉器3的前卡套8和后卡套9的环腔内壁直径与油气输送管道1的外径相一致，捕捉管10的管径和管壁依据油气输送管道1两管段偏心后所引起的径向偏斜力进行设计，捕捉管10中卡紧销轴11至前卡套8和后卡套9的轴向长度依据连接装置与油气输送管道1管段间的轴向间距以及外推基体7中基支座的径向尺寸进行设计，液压侧推器6中侧推液缸12推程的设计需要综合考虑油气输送管道1的外径和捕捉管10中卡紧销轴11至前卡套8和后卡套9的轴向长度等因素。

在图2中，卡紧捕捉器3的前卡套8和后卡套9的柱状卡环37与油气输送管道1的外环面相配合，且前卡套8和后卡套9的梯形卡环38与油气输送管道1上的预制环梯面相配合，液压侧推器6的侧推液缸12通过卡紧销轴11接于捕捉管10的矩形槽孔，当连接装置实施水下连接作业时，捕捉管10依据侧推液缸12提供的推进动力完成合拢，并通过各卡紧螺柱实现前卡套8和后卡套9与油气输送管道1间的固定连接。当连接装置实施水下回收作业时，旋松各卡紧螺柱，捕捉管10依据侧推液缸12提供的推进动力而张开，前卡套8和后卡套9分别脱离油气输送管道1。

在图3中，外推对接器2的对接筒13内壁直径与油气输送管道1的外径相一致，外六角形密封圈14和透镜密封圈15的规格与油气输送管道1的外径相一致，且外六角形密封圈14的规格需要综合考虑油气输送管道1周围海水的物性和压力等因素后进行选型，透镜密封圈15的规格需要综合考虑油气输送管道1中所输送油气介质物性和最大输送压力等因素后进行选型，对接螺栓的强度设计需要考虑对接筒13和对接球罩16夹紧外六角形密封圈14和透镜密封圈15形成双重金属密封所需的最大夹紧力等因素。

在图3中，对接筒13的对接槽39与油气输送管道1上的预制环锥面相配合，对接筒13的环形沟槽41和对接球罩16的环形沟槽42沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置透镜密封圈15，对接筒13的环形凹槽45和对接球罩16的环形凹槽46沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置外六角形密封圈14，对接支座17通过对接销轴18与液压轴推器4的轴推液缸相连，依据液压轴推器4的轴推液缸提供的推进动力，外推对接器2沿着对接筒13的滑移柱面40和对接球罩16的滑移柱面43与油气输送管道1预制柱面间的柱面移动副进行轴向滑移，从而完成整套连接装置与油气输送管道1间的水下连接，对接球罩16与滑移调心器5间构成球面副实现整套连接装置与两段油气输送管道1的可调心作用。通过拧紧各对接螺栓，对接筒13和对接球罩16同时夹紧外六角形密封圈14和透镜密封圈15并产生径向变形而形成双重金属密封。

在图4中，滑移调心器5内壁的轴向长度需大于液压轴推器4轴推液缸的推程，中六角形密封圈19、○形密封圈20、梯形密封圈23、矩形密封圈25和内六角形密封圈27的规格与油气输送管道1的外径相一致，且○形密封圈20和内六角形密封圈27的规格需要综合考虑油气输送管道1周围海水的物性和压力等因素后进行选型，中六角形密封圈19、梯形密封圈23和矩形密封圈25的规格需要综合考虑油气输送管道1中所输送油气介质物性和最大输送压力等因素后进行选型，调心螺栓的强度设计需要考虑对接球罩16和调心球座21夹紧中六角形密封圈19和○形密封圈20形成三重金属和非金属密封所需的最大夹紧力等因素，而滑移螺栓的强度设计需要考虑滑移筒26和压盖28夹紧内六角形密封圈27、压盖28压紧矩形密封圈25以及衬环22和衬套24夹紧梯形密封圈23形成三重金属密封所需的最大轴向力等因素。

在图4中，调心球座21的圆球面47与对接球罩16的内球面44始终保持同球心而构成球面副，衬环22的锥状沟槽49和衬套24的锥状沟槽50沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置梯形密封圈23，衬套24的柱状沟槽52内配置矩形密封圈25，滑移筒26的环形凹槽53和压盖28的环形凹槽54沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置内六角形密封圈27。通过调整各调心螺栓的球形垫片，并依靠对接球罩16和调心球座21间的侧向力及其球面副，两段油气输送管道1在水下自动调整偏心，同时依据衬环22、衬套24和压盖28与外推基体7外推基管间的三个柱面移动副，实现外推对接器2的轴向滑移。通过拧紧各调心螺栓，对接球罩16和调心球座21夹紧中六角形密封圈19和○形密封圈20并产生径向变形，而形成三重金属和非金属密封。通过拧紧各滑移螺栓，滑移筒26和压盖28夹紧内六角形密封圈27并产生径向变形，且压盖28压紧矩形密封圈25并产生径向变形，同时衬环22和衬套24夹紧梯形密封圈23并产生径向变形，从而最终形成三重金属密封。

在图5和图6中，外推基体7的规格与油气输送管道1的外径相一致，外推基管29的轴向长度随油气输送管道1两管段间的轴向间距进行调整，液压轴推器4中轴推液缸30的推程需要考虑水下吊装作业后对接筒13外侧端与油气输送管道1管端之间的轴向间距等因素。

在图5和图6中，液压轴推器4的轴推液缸30通过中基支座32的卡座61和中基螺栓而支撑于外推基盘36的外基盘59上，且轴推液缸30通过内基销轴35接于外基支座34的方孔卡槽60，液压侧推器6的侧推液缸12通过中基销轴31接于中基支座32的支托62的矩形槽孔，同时捕捉管10通过外基销轴33接于外基支座34的支托63的矩形槽孔，外推基盘36通过外推螺柱接于外推基管29的外环面，且外推基盘36的基管57依据其剖分式构造而分别套于外推基管29的内环柱面56的前部和后部，外推基盘36的内基盘58上设有外基支座34，外推基管29的外环柱面55与衬环22的滑移柱面48和衬套24的滑移柱面51以及压盖28的环腔内壁之间同时精密配合而构成滑移方向相同的三个柱面移动副，外推基体7依据衬环22、衬套24和压盖28与外推基管29间的三个柱面移动副而实现轴向导引作用，同时外推基体7依据双层式基盘而将卡紧捕捉器3、液压轴推器4和液压侧推器6连为一体。

在图7中，水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置包含一个液缸传动机构，该液缸传动机构采用四杆演化机构，且液缸传动机构的机架为中基支座32和外基支座34，摇杆为捕捉管10，液压动力筒为侧推液缸12的缸筒，而连杆则为侧推液缸12的活塞杆。液压侧推器6的动力经侧推液缸12的活塞杆传递至捕捉管10，并通过捕捉管10的合拢与张开，完成前卡套8和后卡套9与油气输送管道1间的连接和解脱。

在图8中，两套相同构造和规格的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置通过外推基管29连接成一个整体，分别与油气输送管道1的两管段在水下进行连接，并实施水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业。

在图8中，水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程中，启动液压侧推器6，液压油通过多路换向阀统一分配并经中基支座32上侧推液缸12的进油管路进行通油，推进动力经液缸传动机构中侧推液缸12的活塞杆传递至捕捉管10，而后捕捉管10完成合拢，前卡套8和后卡套9的梯形卡环卡入油气输送管道1的预制环梯面，利用水下机器人拧紧各卡紧螺柱而完成卡紧捕捉器3与油气输送管道1间的固定连接，从而实现连接装置与油气输送管道1间的水下快速对中定位。

在图8中，水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程中，启动液压轴推器4，液压油通过多路换向阀统一分配并经对接支座17和外基支座34之间轴推液缸30的进油管路进行通油，推进动力经轴推液缸30的活塞杆传递至对接球罩16，依据外推基体7的轴向导引作用，滑移调心器5伴随外推对接器2一起沿着对接筒13和对接球罩16与油气输送管道1间的柱面移动副进行轴向滑移，从而完成整套连接装置与油气输送管道1间的水下连接；然后，利用水下机器人拧紧各对接螺栓，对接筒13和对接球罩16同时夹紧外六角形密封圈14和透镜密封圈15并产生径向变形而形成双重金属密封，完成整套连接装置与油气输送管道1间的密封；接着，利用水下机器人旋松各卡紧螺柱，并再次启动液压侧推器6，液压油经侧推液缸12的出油管路进行回油，捕捉管10依据侧推液缸12提供的动力而张开，完成前卡套8和后卡套9与油气输送管道1间的解脱；最后，利用水下机器人依次拔出各对接销轴18并旋松各外推螺柱，从而拆卸下卡紧捕捉器3、液压轴推器4、液压侧推器6以及外推基体7的中基支座32、外基支座34和外推基盘36。

在图8中，水下自对中轴向外推连接油气输送管道作业流程中，利用水下机器人调整各调心螺栓的球形垫片，并依靠对接球罩16和调心球座21间的侧向力及其球面副，两段油气输送管道1在水下自动调整偏心距离e；然后，利用水下机器人拧紧各调心螺栓，对接球罩16和调心球座21夹紧中六角形密封圈19和○形密封圈20并产生径向变形，而形成三重金属和非金属密封，完成外推对接器2和滑移调心器5间的密封；最后，利用水下机器人拧紧各滑移螺栓，滑移筒26和压盖28夹紧内六角形密封圈27并产生径向变形，且压盖28压紧矩形密封圈25并产生径向变形，同时衬环22和衬套24夹紧梯形密封圈23并产生径向变形，从而最终形成三重金属密封，完成滑移调心器5与外推基管29间的密封。

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)

1.一种水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其外推对接器、滑移调心器和外推基体沿轴向由外至内依次同轴心布置，两套卡紧捕捉器与液压侧推器配合同时两套外推对接器与液压轴推器配合后沿周向均布于外推基体的外环面，该连接装置整体设计为轴对称构造，其液缸传动机构采用四杆演化机构，完成两段油气输送管道的水下连接，其特征在于：

一卡紧捕捉器；所述卡紧捕捉器采用卡翅式管体，其前卡套和后卡套采用沿轴向对称布置的厚壁筒体，前卡套和后卡套所构成的环腔内壁分别设置柱状卡环和梯形卡环，前卡套和后卡套外环面的中部各设置一个捕捉管，捕捉管采用长管体，捕捉管由水平布置和倾斜布置的两管体组成，捕捉管整体呈现类斜L形；

一外推对接器；所述外推对接器采用厚壁壳体，对接筒的环形凹槽和对接球罩的环形凹槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔配置外六角形密封圈，对接筒的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置对接槽、滑移柱面和环形沟槽，对接球罩的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置环形沟槽、滑移柱面和内球面，对接筒的环形沟槽和对接球罩的环形沟槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔配置透镜密封圈，对接支座沿周向均匀焊接于对接球罩内侧法兰盘的外环面；

一滑移调心器；所述滑移调心器采用厚壁筒体，调心球座由半球形筒体和法兰盘组成，其半球形筒体的外环面采用圆球面，调心球座的圆球面与对接球罩的内球面始终保持同球心而构成球面副，调心球座的圆球面沿轴向设有分层布置的环形凹沟，位于外侧两层的环形凹沟内依次配置中六角形密封圈，而位于最内侧的环形凹沟内配置○形密封圈，调心球座的法兰盘和对接球罩内侧的法兰盘之间通过调心螺栓进行连接，各调心螺栓的两侧均配置球形垫片；滑移筒的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置衬环、衬套和压盖，滑移筒的柱形长筒体与调心球座的法兰盘连为一体，衬环和衬套采用管体，衬环的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置滑移柱面和锥状沟槽，衬套的环腔内壁沿轴向由外至内依次设置锥状沟槽、滑移柱面和柱状沟槽，衬环的锥状沟槽和衬套的锥状沟槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置梯形密封圈，衬套的柱状沟槽内配置矩形密封圈，压盖的环形凹槽和滑移筒的环形凹槽沿轴向对称布置所形成的环形空腔内配置内六角形密封圈，同时滑移筒的法兰盘和压盖的法兰盘之间通过滑移螺栓进行连接；

一外推基体；所述外推基体与滑移调心器之间构成柱面移动副而实现轴向导引作用，外推基管采用变截面长管体，外推基管的外环面由外环柱面和内环柱面组成；外推基盘采用剖分双层式基盘，它由基管、外基盘和内基盘组成，外推基盘的外基盘上设置中基支座，而外推基盘的内基盘上则设有外基支座；中基支座沿径向呈辐射状依次布置卡座和支托，外基支座采用条形钢块且沿径向呈辐射状依次设置方孔卡槽和支托；

一液压侧推器和液压轴推器；所述液压侧推器通过中基支座实现卡紧捕捉器和外推基体间的连接，它采用两个独立的侧推液缸；所述液压轴推器通过对接支座和外基支座实现外推对接器和外推基体间的连接，它采用沿外推基体周向均布的两个独立轴推液缸。

2.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置所连接的油气输送管道的管端沿轴向依次加工有预制柱面、预制环锥面和预制环梯面；

所述外推对接器的透镜密封圈和外六角形密封圈沿径向由里而外布置并通过挤压变形而组成双重金属密封，滑移调心器的中六角形密封圈、○形密封圈、梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈沿轴向由外至内布置并通过挤压变形而组成多重金属和非金属密封；透镜密封圈的半球面与对接筒和对接球罩的环形沟槽底面的密封接触部位为沿轴向对称布置的环形密封带，梯形密封圈的截面呈等腰梯形，矩形密封圈的截面呈矩形，外六角形密封圈、中六角形密封圈和内六角形密封圈的截面呈六边形，○形密封圈的截面则呈圆形，中六角形密封圈采用双层金属密封圈，而外六角形密封圈和内六角形密封圈则采用单层金属密封圈。

3.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述卡紧捕捉器依据液压侧推器提供的推进动力完成连接装置与油气输送管道间的快速对中定位，卡紧捕捉器的前卡套和后卡套依据其剖分式构造而分别套于油气输送管道的前部和后部，前卡套和后卡套的柱状卡环沿轴向对称布置于其梯形卡环的两侧，前卡套和后卡套梯形卡环的剖面呈等腰梯形，并与油气输送管道上的预制环梯面相配合；

所述捕捉管沿径向对称布置，捕捉管中水平布置管体的内侧端设有梯形接头而与外推基体连成一体，其倾斜布置管体的外侧端切有椭圆形坡口，捕捉管中水平布置和倾斜布置的两管体通过环形接箍相连接，且捕捉管两管体连接处的环面上切有两个相互平行的销轴连接面，两销轴连接面的中间部位铣有矩形槽孔，捕捉管的矩形槽孔内配置侧推液缸的活塞杆。

4.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述外推对接器与滑移调心器间构成球面副而实现整套连接装置与两段油气输送管道的可调心作用，对接筒由柱形短筒体和法兰盘组成，对接筒的柱形短筒体外环面直径等于对接球罩柱形筒体的外环面直径，对接筒的对接槽和环形沟槽的剖面均呈直角梯形，且对接筒的对接槽与油气输送管道上的预制环锥面相配合，对接筒的法兰盘内侧端面上铣有环形凹槽；

所述外推对接器的对接球罩由柱形筒体和半球形壳体组合而成，且对接球罩柱形筒体的外侧端和其半球形壳体的内侧端分别设有法兰盘，对接球罩外侧法兰盘的外侧端面上铣有与对接筒相同形状的环形凹槽；对接筒的滑移柱面和对接球罩的滑移柱面同时与油气输送管道上的预制柱面之间精密配合而构成柱面移动副，对接球罩的半球形壳体的外环面采用外球面，对接球罩的内球面和外球面所在的圆球面同球心布置且该球心位于外推对接器的轴线上；

所述对接支座的数量和位置与卡紧捕捉器中捕捉管相同，对接支座采用矩形钢块，且每个对接支座沿径向的外侧端加工有矩形槽孔，对接支座的矩形槽孔内配置对接销轴。

5.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述滑移调心器采用中六角形密封圈和○形密封圈组成的三重金属和非金属密封技术实现外推对接器和滑移调心器间的密封，并依据梯形密封圈、矩形密封圈和内六角形密封圈组成的三重金属密封技术实现滑移调心器与外推基体间的密封；

所述调心球座的环腔内壁直径等于对接筒的滑移柱面和对接球罩的滑移柱面所在圆柱面的直径，调心球座的圆球面与对接球罩的内球面的结合带轴向长度大于调心球座圆球面所在球面半径的四分之一；调心球座的各层环形凹沟均沿其所在的调心球座圆球面呈仰角式放置，且各层环形凹沟剖面的中心线所在锥面的锥顶与调心球座的圆球面和对接球罩内外球面的球心相重合，调心球座位于外侧两层环形凹沟的剖面相同且均采用外宽里窄的类梯形，而位于最内侧环形凹沟的剖面则采用矩形；调心球座的法兰盘和对接球罩内侧的法兰盘的外缘均钻有相同规格的调心螺孔，调心球座调心螺孔的外侧端和对接球罩调心螺孔的内侧端均设有锥状调节孔。

6.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述滑移调心器的滑移筒由柱形长筒体和法兰盘组成，滑移筒的柱形长筒体环腔内壁的轴向长度大于衬环、梯形密封圈和衬套的轴向长度之和，滑移筒的法兰盘内侧端面上铣有环形凹槽，衬环的滑移柱面与衬套的滑移柱面所在柱面的直径等于调心球座的环腔内壁直径；

所述滑移调心器的压盖采用短管体和法兰盘，压盖的短管体外环面沿轴向依次设置滑移凹槽和环形凹沟，压盖滑移凹槽的槽底面与衬套柱状沟槽的槽壁之间精密配合而构成柱面移动副，且压盖的外环面与滑移筒的环腔内壁之间精密配合而构成柱面移动副，压盖法兰盘的外侧端面上铣有与滑移筒相同形状的环形凹槽。

7.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述外推基体依据双层式基盘将卡紧捕捉器、液压轴推器和液压侧推器连为一体，外推基管环腔内壁的直径等于油气输送管道的内径，外推基管的内环柱面为外推基盘的支撑面，且其外环柱面为滑移调心器的滑移面，外推基管的外环柱面与衬环和衬套的滑移柱面以及压盖的环腔内壁之间同时精密配合而构成滑移方向相同的三个柱面移动副。

8.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述外推基盘的基管采用厚壁筒体，且外推基盘的基管依据其剖分式构造而分别套于外推基管的前部和后部，外推基盘的基管剖分面的两侧均设有等间距分组排列的锥形凸台，外推基盘的外基盘和内基盘同轴心布置且厚度相等，中基支座和外基支座的位置和数量相同且均与捕捉管一一对应；

所述中基支座的卡座采用剖分式卡瓦并通过中基螺栓将轴推液缸的缸筒支撑于外推基盘的外基盘上，外基支座方孔卡槽的中心线与中基支座卡座的轴线相重合，且外基支座的方孔卡槽内配置内基销轴；中基支座的支托和外基支座的支托均采用矩形钢块且沿径向的外侧端加工有矩形槽孔，中基支座的矩形槽孔内配置中基销轴而与侧推液缸的缸筒进行铰接，同时外基支座的矩形槽孔内配置外基销轴而与捕捉管的梯形接头进行铰接。

9.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置的液缸传动机构由外推基盘外环面的中基支座和外基支座组成机架，捕捉管构成摇杆，侧推液缸的缸筒构成传动机构中的液压动力筒且侧推液缸的活塞杆构成传动机构中的连杆，同时液缸传动机构的动力由液压侧推器经侧推液缸提供；液缸传动机构中，捕捉管通过外基销轴与外基支座相连而构成转动副，侧推液缸的缸筒通过中基销轴与中基支座相连而构成转动副，侧推液缸的活塞杆通过卡紧销轴与捕捉管相连而构成转动副，侧推液缸的缸筒与其活塞杆之间精密配合而构成柱面移动副。

10.根据权利要求1所述的水下油气输送管道卡翅式可调心连接装置，其特征在于：所述液压侧推器完成捕捉管的张开与合拢，液压侧推器的两个侧推液缸分别倾斜布置于卡紧捕捉器的内侧，液压轴推器完成滑移调心器的轴向移动，液压轴推器的各轴推液缸水平布置；侧推液缸和轴推液缸的液压油均通过多路换向阀统一分配以实现液压侧推器的自动同步侧向推进和液压轴推器的自动同步轴向推进。

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