CN109098669A - 石油开采用柔性石墨热应力补偿器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器，包括管道法兰，两个管道法兰之间连接有柔性石墨密封套，柔性石墨密封套的外侧表面设有多个金属燕尾键，金属燕尾键上均套接有内金属条，内金属条的外侧表面上设有燕尾块，燕尾块上滑动套接有外金属条，内金属条上设有第一侧燕尾块，外金属条上设有第二侧燕尾块。本发明中利用柔性石墨密封套的弹性，因此能适应管道内轴向及径向的变形，柔性石墨密封套、内金属条和外金属条之间均通过燕尾结构滑动连接，不仅能对柔性石墨密封套起到支撑作用，而且当管道变形时，内金属条和外金属条能做出相应的滑动，所以本发明中补偿器均能够吸收管道轴向及径向的变形。
Description
技术领域
本发明涉及热应力补偿器技术领域，具体为一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器。
背景技术
在石油开采中，稠油热注热采工作井口处最明显的特征就是温差大。具体来说，从-27℃到300℃都是有可能的，这种极大温差的环境下，显而易见的是环境条件极为恶劣，且压力高，在井口处就不可避免的会发生各种井口顶端部分水泥与套管的不理想连接。这一不理想状态的存在，就会对实际的工程施工留下安全隐患。例如套管会在强热作用下发生受热膨胀，且在相应的热应力下被拉伸变形。套管的这一系列变化就会导致套管内油气的泄漏、井下窜层和套管固井受损等不良状况的发生。如果没有及时有效的控制好，甚至还会继续导致采油树的上涨，稠油阀门与集油管线在连接处的焊口接缝处断掉，这就很大程度上的影响到了稠油热注热采生产效率和安全，严重时还会发生更加恶劣的重大安全事故。
为了减少管道的热应力，一般在管道之间安设补偿器，或者利用管道本身的弯曲以自动补偿。在管道的配置中，应优先考虑利用管道弯曲的自然补偿作用，这种利用管道自身长度变化的自行补偿是最好的办法，当自然补偿不能满足要求时，可设置补偿器。具体有：
1、填料补偿器：填料式补偿器又称套管式补偿器，它可以分为铸铁和钢制两种。填料补偿器的工作原理是当管道热胀冷缩时，大小套筒作相对移动以吸收其膨胀长度。填料与套筒之间因为摩擦产生反推力，其大小与管道内压力成正比，而与管道的变形量无关。安装时，填料式补偿器的大小套简两端各有一个支点，一个固定，一个滑动。这种补偿器的优点是占地面积小，安装简单，流体阻力小，壁厚耐腐蚀，有较大的补偿能力。其缺点是造价较高，制作较为困难，容易漏水、漏气，它适用于温差大、内压力低以及介质不易泄漏的管道，常压煤气管道中常采用。
2、管道的自动补偿：它是利用管道敷设上的自然弯曲来吸收管道的热伸长变形，常见的有L形或Z形。L形与Z形补偿器(又称自然补偿器)可以利用管道中的弯头构成，且便于安装。在管道施工中，应充分利用这两种补偿器做热膨胀的补偿，然后再考虑采用其它种类的补偿器。自动补偿的优点是可以节省补偿器，缺点是管道变形时产生横向位移。
3、鼓形金属补偿器：鼓型补偿器安装简单，流体阻力小，但补偿能力小，强度较弱，一般用于直径大，低压而又怕泄漏的介质，在高炉煤气输送中常用。鼓型补偿器优点是制作较容易，投资较省；缺点是抗腐蚀性不好。
4、网垫式补偿器，它通过多个网垫拼接安装在工作位置，来实现对径向和轴向上的变形补偿，但在实际工作时，因为其结构的特殊性，加工精度高，生产难度大，制造成本高，同时因为网垫生产质量无法有效保证完全复合设计图中的设计要求，造成补偿器整体结构的不稳定，造成补偿器使用失效。为此我们提出一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器，包括管道法兰，所述管道法兰的数量设有两个，分别安装在两侧管道的外端，两个所述管道法兰之间固定连接有柔性石墨密封套，所述柔性石墨密封套的外侧表面上平行设有多个金属燕尾键，所述金属燕尾键上均滑动套接有内金属条，所述内金属条的外侧表面上固定设有燕尾块，所述燕尾块上滑动套接有外金属条，所述内金属条上远离外金属条的一端固定设有第一侧燕尾块，所述外金属条上远离内金属条的一端固定设有第二侧燕尾块，所述第一侧燕尾块和第二侧燕尾块分别滑动卡接在左右两侧管道法兰的内端面上。
优选的，所述管道法兰的内侧端面上固定设有内法兰固定片，所述内法兰固定片通过螺栓固定连接内法兰，所述内法兰位于柔性石墨密封套的两侧，所述内法兰和柔性石墨密封套为一体成型结构，其由碳化纤维用模具压制而成。
优选的，所述金属燕尾键的数量设有多个，且该多个金属燕尾键以柔性石墨密封套的中心轴线为中心轴，均匀分布在柔性石墨密封套的外侧表面上，所述金属燕尾键平行于柔性石墨密封套的中心转轴，该金属燕尾键通过螺栓固定连接柔性石墨密封套。
优选的，所述内金属条与金属燕尾键的数量相同，该内金属条的内端面内凹设有内燕尾槽，所述金属燕尾键滑动位于内燕尾槽内，所述内金属条为弧形板状结构，且多个所述内金属条构成中空圆柱型结构。
优选的，所述外金属条与内金属条的数量相同，所述外金属条的内端面内凹设有外燕尾槽，所述燕尾块滑动位于外燕尾槽内，所述外金属条为弧形板状结构，且多个所述外金属条构成中空圆柱型结构。
优选的，所述管道法兰的内侧端面上中心对称设有多个法兰燕尾槽，所述法兰燕尾槽的数量与外金属条和内金属条的数量均相同，所述内金属条外侧的第一侧燕尾块和外金属条外侧的第二燕尾块分别滑动卡接在其同侧的法兰燕尾槽内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中利用柔性石墨密封套的弹性，因此能适应管道内轴向及径向的变形，柔性石墨密封套、内金属条和外金属条之间均通过燕尾结构滑动连接，不仅能对柔性石墨密封套起到支撑作用，而且当管道变形时，内金属条和外金属条能做出相应的滑动，因此能吸收管道的变形。当管道输送完成后，随着温度恢复到常温，补偿器在柔性石墨密封套的回弹作用下，内金属条和外金属条也被拉动回原来位置；
2、内金属条与柔性石墨密封套通过燕尾结构滑动连接，内金属条呈圆周式分布在柔性石墨密封套外侧，其可沿着柔性石墨密封套轴线方向来回滑动；而且外金属条与内金属条之间同样通过燕尾结构滑动连接，当柔性石墨密封套膨胀或收缩时，外金属条可沿着柔性石墨密封套轴线方向来回滑动；
3、外金属条与内金属条的一侧的端面均通过燕尾结构与管道法兰滑动连接，当柔性石墨密封套膨胀或收缩时，该外金属条与内金属条还可以沿着垂直于柔性石墨密封套轴线的方向移动，所以当管道内部产生应力使管道发生轴向和径向的变形时，本发明中补偿器均能够吸收管道轴向及径向的变形。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明结构主视图；
图3为本发明图2中A-A处剖视图；
图4为本发明图2中B-B处剖视图；
图5为本发明图4中C处放大图；
图6为本发明中管道法兰结构示意图；
图7为本发明中柔性石墨密封套结构示意图；
图8为本发明中内金属条结构示意图；
图9为本发明中外金属条结构示意图。
图中：1管道法兰、101法兰燕尾槽、102内法兰固定片、2柔性石墨密封套、201金属燕尾键、202内法兰、3内金属条、301内燕尾槽、302第一侧燕尾块、303燕尾块、4外金属条、401外燕尾槽、402第二侧燕尾块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器，包括管道法兰1，管道法兰1的数量设有两个，分别安装在两侧管道的外端，两个管道法兰1之间固定连接有柔性石墨密封套2，管道法兰1的内侧端面上固定设有内法兰固定片102，内法兰固定片102通过螺栓固定连接内法兰202，内法兰202位于柔性石墨密封套2的两侧，内法兰202与柔性石墨密封套2为一体式结构，其由碳化纤维用模具压制而成，它具有优良的热传导性，耐磨及化学稳定性能，所以柔性石墨密封套2具有自润滑性好、回弹系数高以及耐腐蚀等特性，使其能够适应于热水、高温、高压蒸汽、热交换液、氮气、有机溶剂、碳氢化合物、低温液体等介质，柔性石墨密封套2的两侧通过螺栓与管道法兰1固定连接，螺栓预紧力压紧柔性石墨密封套2，从而起到两个管道法兰1之间密封的作用，本发明中利用柔性石墨密封套2的弹性，因此能适应管道内轴向及径向的变形。
请参阅图1-图5，柔性石墨密封套2的外侧表面上平行设有多个金属燕尾键201，金属燕尾键201的数量设有多个，且该多个金属燕尾键201以柔性石墨密封套2的中心轴线为中心轴，均匀分布在柔性石墨密封套2的外侧表面上，金属燕尾键201平行于柔性石墨密封套2的中心转轴，该金属燕尾键201通过螺栓固定连接柔性石墨密封套2。
请参阅图1-图5和图8，金属燕尾键201上均滑动套接有内金属条3，内金属条3与金属燕尾键201的数量相同，该内金属条3的内端面内凹设有内燕尾槽301，金属燕尾键201滑动位于内燕尾槽301内，内金属条3为弧形板状结构，且多个内金属条3构成中空圆柱型结构，管道内因为压力的改变而使柔性石墨密封套2膨胀或收缩时，内金属条3与柔性石墨密封套2通过燕尾结构滑动连接，内金属条3呈圆周式分布在柔性石墨密封套2外侧，其可沿着柔性石墨密封套2轴线方向来回滑动。
请参阅图1-图5和图8-图9，内金属条3的外侧表面上固定设有燕尾块303，燕尾块303上滑动套接有外金属条4，外金属条4与内金属条3的数量相同，外金属条4的内端面内凹设有外燕尾槽401，燕尾块303滑动位于外燕尾槽401内，外金属条4为弧形板状结构，且多个外金属条4构成中空圆柱型结构，外金属条4与内金属条3之间同样通过燕尾结构滑动连接，当柔性石墨密封套2膨胀或收缩时，外金属条4可沿着柔性石墨密封套2轴线方向来回滑动。
请参阅图1-图6和图8-图9，内金属条3上远离外金属条4的一端固定设有第一侧燕尾块302，外金属条4上远离内金属条3的一端固定设有第二侧燕尾块402，第一侧燕尾块302和第二侧燕尾块402分别滑动卡接在左右两侧管道法兰1的内端面上，外金属条4与内金属条3的一侧的端面均通过燕尾结构与管道法兰1滑动连接，当柔性石墨密封套2膨胀或收缩时，该外金属条4与内金属条3还可以沿着垂直于柔性石墨密封套2轴线的方向移动，所以当管道内部产生应力使管道发生轴向和径向的变形时，本发明中补偿器均能够吸收管道轴向及径向的变形，其中外金属条4与内金属条3均采用型号为TP100H的金属材质，使其应用于热应力补偿器中能够进行微量的伸缩，从而达到减少或者保护管道不被损坏的目的。
请参阅图1-图6，管道法兰1的内侧端面上中心对称设有多个法兰燕尾槽101，法兰燕尾槽101的数量与外金属条4和内金属条3的数量均相同，内金属条3外侧的第一侧燕尾块302和外金属条4外侧的第二燕尾块403分别滑动卡接在其同侧的法兰燕尾槽101内，从而保证在需要径向补偿时，柔性石墨密封套2的变形带动外金属条4和内金属条3沿径向移动，因为第一侧燕尾块302和第二燕尾块403均其同侧的法兰燕尾槽101配合，所以补偿器可以沿径向方向进行补偿，吸收径向的变形力。
请参阅图3，柔性石墨密封套2、内金属条3和外金属条4之间均通过燕尾结构滑动连接，不仅能对柔性石墨密封套2起到支撑作用，而且当管道变形时，内金属条3和外金属条4能做出相应的滑动，因此能吸收管道的变形。当管道输送完成后，随着温度恢复到常温，补偿器在柔性石墨密封套2的回弹作用下，内金属条3和外金属条4也被拉动回原来位置。
工作原理：本发明中利用柔性石墨密封套2的弹性，因此能适应管道内轴向及径向的变形，柔性石墨密封套2、内金属条3和外金属条4之间均通过燕尾结构滑动连接，不仅能对柔性石墨密封套2起到支撑作用，而且当管道变形时，内金属条3和外金属条4能做出相应的滑动，因此能吸收管道的变形。当管道输送完成后，随着温度恢复到常温，补偿器在柔性石墨密封套2的回弹作用下，内金属条3和外金属条4也被拉动回原来位置；其中内金属条3与柔性石墨密封套2通过燕尾结构滑动连接，内金属条3呈圆周式分布在柔性石墨密封套2外侧，其可沿着柔性石墨密封套2轴线方向来回滑动；而且外金属条4与内金属条3之间同样通过燕尾结构滑动连接，当柔性石墨密封套2膨胀或收缩时，外金属条4可沿着柔性石墨密封套2轴线方向来回滑动；外金属条4与内金属条3的一侧的端面均通过燕尾结构与管道法兰1滑动连接，当柔性石墨密封套2膨胀或收缩时，该外金属条4与内金属条3还可以沿着垂直于柔性石墨密封套2轴线的方向移动，所以当管道内部产生应力使管道发生轴向和径向的变形时，本发明中补偿器均能够吸收管道轴向及径向的变形。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种石油开采用柔性石墨热应力补偿器，包括管道法兰(1)，所述管道法兰(1)的数量设有两个，分别安装在两侧管道的外端，其特征在于：两个所述管道法兰(1)之间固定连接有柔性石墨密封套(2)，所述柔性石墨密封套(2)的外侧表面上平行设有多个金属燕尾键(201)，所述金属燕尾键(201)上均滑动套接有内金属条(3)，所述内金属条(3)的外侧表面上固定设有燕尾块(303)，所述燕尾块(303)上滑动套接有外金属条(4)，所述内金属条(3)上远离外金属条(4)的一端固定设有第一侧燕尾块(302)，所述外金属条(4)上远离内金属条(3)的一端固定设有第二侧燕尾块(402)，所述第一侧燕尾块(302)和第二侧燕尾块(402)分别滑动卡接在左右两侧管道法兰(1)的内端面上。
2.根据权利要求1所述的石油开采用柔性石墨热应力补偿器，其特征在于：所述管道法兰(1)的内侧端面上固定设有内法兰固定片(102)，所述内法兰固定片(102)通过螺栓固定连接内法兰(202)，所述内法兰(202)位于柔性石墨密封套(2)的两侧，所述内法兰(202)和柔性石墨密封套(2)为一体成型结构，其由碳化纤维用模具压制而成。
3.根据权利要求1所述的石油开采用柔性石墨热应力补偿器，其特征在于：所述金属燕尾键(201)的数量设有多个，且该多个金属燕尾键(201)以柔性石墨密封套(2)的中心轴线为中心轴，均匀分布在柔性石墨密封套(2)的外侧表面上，所述金属燕尾键(201)平行于柔性石墨密封套(2)的中心转轴，该金属燕尾键(201)通过螺栓固定连接柔性石墨密封套(2)。
4.根据权利要求1所述的石油开采用柔性石墨热应力补偿器，其特征在于：所述内金属条(3)与金属燕尾键(201)的数量相同，该内金属条(3)的内端面内凹设有内燕尾槽(301)，所述金属燕尾键(201)滑动位于内燕尾槽(301)内，所述内金属条(3)为弧形板状结构，且多个所述内金属条(3)构成中空圆柱型结构。
5.根据权利要求1所述的石油开采用柔性石墨热应力补偿器，其特征在于：所述外金属条(4)与内金属条(3)的数量相同，所述外金属条(4)的内端面内凹设有外燕尾槽(401)，所述燕尾块(303)滑动位于外燕尾槽(401)内，所述外金属条(4)为弧形板状结构，且多个所述外金属条(4)构成中空圆柱型结构。
6.根据权利要求1所述的石油开采用柔性石墨热应力补偿器，其特征在于：所述管道法兰(1)的内侧端面上中心对称设有多个法兰燕尾槽(101)，所述法兰燕尾槽(101)的数量与外金属条(4)和内金属条(3)的数量均相同，所述内金属条(3)外侧的第一侧燕尾块(302)和外金属条(4)外侧的第二燕尾块(403)分别滑动卡接在其同侧的法兰燕尾槽(101)内。
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