CN110067893B - 一种双壁波纹管式深海管道连接器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双壁波纹管式深海管道连接器，包括连接器壳体、在壳体内的中空金属双壁波纹管结构、环形气腔、连接波纹管结构与气腔的高压三通阀组成。所述的双壁波纹管结构由外壁与内壁组成：外壁的轴向截面形状为波浪形状褶皱，褶皱的环形凹部和环形凸部沿轴向交替排列，内壁面为柱面，并沿轴向设置有多条周向环形凹槽，凹槽内放置橡胶密封圈。所述双壁波纹管结构内外壁之间形成内腔，在内腔里，沿轴向安装有弓形支撑环。本发明在安放就位后，利用波纹管腔内外的压力差，挤压波纹管结构径向膨胀，实现连接与密封。因此连接过程无需额外动力源，且抗海流冲击、机械振动能力强。

Description

一种双壁波纹管式深海管道连接器
技术领域
本发明涉及一种海底管道连接器，尤其涉及一种双壁波纹管式深海管道连接器，属于海底管道连接器领域。
背景技术
目前管道的连接方法主要有：焊接、螺栓法兰连接、卡箍连接、卡爪连接等。
现存技术缺点：
绝大部分深海管道连接器需水下机器人(ROV)辅助操作额外的安装机具，才能实现连接与密封，而连接机具结构复杂、笨重，ROV操作繁琐，因此耗时长；在使用过程中，因深海复杂环境载荷作用，连接装置承受振动、冲击、温度变化等因素，导致结构疲劳甚至瞬时密封失效；因操作复杂，目前多数连接器在深海海底管道连接方面的适用性差。
目前尚无针对以上问题的最优解决方案。其中，“一种新型海底管道连接器”(发明专利 201610115655.2)，是一种结构紧凑、性能可靠的连接装置，但连接过程中仍需“卡压式机械连接器的连接工具”(发明专利201310276554.X)作为配套连接机具，并需结合ROV操作才能实现深海管道的连接，操作复杂。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种双壁波纹管式深海管道连接器，无需额外的连接机具及高压液压驱动装置，仅借助深海海水高压即可实现深海海底管道的迅速可靠连接、密封及拆卸。
本发明的目的是这样实现的：包括连接器壳体、中空的双壁波纹管，所述连接器壳体内的中间位置设置有两个独立的环形气腔，每个环形气腔内设置高压三通阀，连接器壳体是以中间对基准的对称式结构，双壁波纹管有两个且对称设置在连接器壳体内，双壁波纹管由内壁和外壁组成，外壁的轴向截面形状为波浪形褶皱，波浪形褶皱的环形凹部和环形凸部沿轴向交替排列，内壁为柱面且沿轴向等间距设置有周向环形凹槽，周向环形凹槽内设置有与待连接管道接触的橡胶密封环。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述双壁波纹管结构内外壁之间构成内腔，在内腔里沿轴向安装有弓形支撑环，且双壁波纹管一端的内外壁端面焊接封闭、另一端的开口端的内外壁端均焊接在气腔及连接器壳体内侧。
2.波浪形褶皱的环形凹部称为外壁小径、环形凸部称为外壁大径，弓形支撑环的外表面与外壁小径连接、内表面与内壁内表面连接。
3.橡胶密封环具有楔形侧面，并与周向环形凹槽侧壁配合。
4.双壁波纹管的内壁与待连接管道接触的外表面上设置有环形锚定齿。
5.所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及连接器壳体的外部环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：仅借助深海环境的海水高压作为驱动力即可实现可靠的连接与密封，无需额外动力源，因此可靠性高；
仅需通过ROV控制阀门开关即可实现快速连接与拆卸，过程简单便捷，解决了深海连接器安装和拆卸操作繁琐困难的问题；
因特殊的双壁波纹管结构，使连接器具备很强的抵抗海流冲击、管线振动及大幅度温度变化的能力，环境适应性高。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明在预备安装状态的局部结构示意图。
图3a和图3b分别为弓形支撑环的主视方向和侧视方向结构示意图。
图4为弓形支撑环连接前与连接后变形对比的示意图。
图5为本发明在安装完毕状态的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明的连接器为对称结构，两侧对称的设有连接器壳体、在壳体内设置有中空金属双壁波纹管结构、环形气腔、连接波纹管结构与气腔的高压三通阀。所述的双壁波纹管结构由外壁与内壁组成：外壁的轴向截面形状为波浪形褶皱，褶皱的环形凹部和环形凸部沿轴向交替排列，折皱凹部称为外壁小径，折皱凸部称为外壁大径；内壁面为柱面，并沿轴向设置有多条周向环形凹槽，凹槽内放置橡胶密封圈。所述双壁波纹管结构内外壁之间为内腔，在内腔里，沿轴向安装有多个弓形支撑环。所述的环形气腔对称的焊接在壳体内，每个气腔中安装有一个所述高压三通阀。
对称两侧的环形气腔互不相通；对称两侧的内腔互不相通；对称两侧的高压三通阀互不相通；双壁波纹管结构一端的内外壁端面焊接封闭，另一端的开口端的内外壁端均焊接在气腔及连接器壳体内侧，使所述内腔为封闭腔，但可通过所述三通阀的开闭，与气腔和壳体外部的环境相通；双壁波纹管结构内壁与管道接触的外表面上，设计有多道环形锚定齿，具有管道轴向锚定功能，可防止连接后管道的轴向移动；所述的橡胶密封环具有楔形侧面，并与所述的环形凹槽侧壁配合；所述的弓形支撑环可在其弹性范围内随波纹管结构外壁小径的变形而缩小半径(如图4所示)；弓形支撑环面上的弓形空隙允许液压油沿轴向流过支撑环；弓形支撑环径向外表面与所述的外壁小径外表面固定连接，弓形支撑环的径向内表面与所述的内壁的内表面固定连接；所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及壳体外部的环境。功能为四位三通阀门，作用是连通所述的任意两个通道和同时关闭所有通道；
所述的高压三通阀采用电控、液控或机械操控方式，阀门型号及公称压力的选用由连接器使用水深决定，控制方式由使用的ROV功能决定。
在工作过程中，所述内腔充满高压液压油，所述气腔内充满惰性气体或同时部分的充入高压液压油。液压油及气体压力由水深及所需预紧力通过预先计算确定。
以图2所示具有四对橡胶密封环11、用于连接6英寸无缝海底管道1为例进行说明。
本例中，连接位置水深约3000米，根据现场ROV类型，优选的采用公称压力60MPa的机械式高压三通阀3。连接前，海底管道连接处已经预处理完毕。连接器自身的各个零部件均已安装就位。
1、连接器入水前的准备过程：在所述连接器入水前，对连接器对称两侧分别进行如下准备工作，如图2所示：(1)人工操作高压三通阀将内腔6与连接器外部相通，按预先计算结果向内腔注预定压力的高压液压油；(2)人工操作高压三通阀将气腔2与连接器外部相通，按照所需波纹管压缩量注入预定压力的惰性气体或注入液压油用于调整气腔体积，气体与液压油的比例需精确计算，以便确保惰性气体在连接时产生预定的体积压缩量。使用惰性气体的目的在于精确预计气体压缩后的体积及预防结构内部腐蚀；(3)最后，操作高压三通阀关闭所有通道。
2、连接器入水后的准备过程：如图2所示，将连接器吊放入水直至3000m水深，并通过ROV操作，将两侧被连接管道均插入连接器内并就位，此时双壁波纹管的内壁4外侧的锚定齿12与海底管道外表面之间存在很小的间隙。因高压液压油压缩比极小，且三通阀关闭使内腔处于封闭状态，因此在入水后的下放过程中波纹管部分几乎不发生变形。
3、连接器的连接过程：通过ROV机械臂操作高压三通阀，使内腔与气腔连通，此时因外界海水压力(本例中约30MPa)远高于内腔中液压油压力(本例中约0.2MPa)，而惰性气体压缩比很大，所以在外界海水压力推动下，惰性气体体积急剧压缩，液压油通过三通阀通道流入气腔，从而内腔体积减小，使双壁波纹管结构发生轴向压缩，波纹管段轴向长度缩短，迫使各个环形凹槽8的侧壁间夹角减小，挤压橡胶密封环两侧，橡胶密封环被挤压变形，与管道外表面接触，实现连接器的非金属密封功能。
随着波纹管结构的轴向压缩，波纹管的外壁大径10增大，并与连接器壳体7的内壁接触，此时外壁大径径向位移被壳体限制，保证了波纹管结构不会发生轴向屈曲失稳。在外壁大径增大的同时，波纹管的外壁小径9缩小，压迫弓形支撑环5。弓形支撑环的结构如图3a和图 3b所示，其特点是可随外壁小径产生径向收缩(如图4所示)的同时，环的径向厚度不变。其功能是把波纹管外壁的变形和力传递给波纹管内壁。弓形支撑环的径向外表面15与外壁小径固定连接，弓形支撑环径向内表面14与内壁固定连接，这样就防止了外壁小径相对内壁发生径向坍缩，同时并可将外壁小径的变形传递给内壁。
如图3a和3b所示贯通弓形支撑环两侧面13的各个弓形空隙16保证了液压油在变形过程中仍可顺利穿过弓形环，因此不会影响液压油的轴向流动。
基于上述弓形环的功能，波纹管内壁将随支撑环一起径向压缩并产生弹塑性变形，与管道表面贴合，使内壁的锚定齿与管道紧密嵌合。该过程增强了密封性能的同时，实现了连接器的锚定功能，可有效防止被连接管道在使用中意外轴向位移导致密封失效。此时连接完成，连接器状态如图5所示。
4、连接器的拆卸过程：通过ROV操作三通阀，使波纹管内腔与连接器外界海水相通，此时处于如图5的轴向压缩状态的双壁波纹管结构在自身弹力的作用下伸长，使内腔吸入海水，连接器结构自动恢复到如图2的预备安装状态，从而实现了连接器的快速拆卸功能。
综上，本发明提供一种双壁波纹管式深海管道连接器，包括连接器壳体、在壳体内的中空金属双壁波纹管结构、环形气腔、连接波纹管结构与气腔的高压三通阀组成。所述的双壁波纹管结构由外壁与内壁组成：外壁的轴向截面形状为波浪形状褶皱，褶皱的环形凹部和环形凸部沿轴向交替排列，内壁面为柱面，并沿轴向设置有多条周向环形凹槽，凹槽内放置橡胶密封圈。所述双壁波纹管结构内外壁之间形成内腔，在内腔里，沿轴向安装有弓形支撑环。本发明在安放就位后，利用波纹管腔内外的压力差，挤压波纹管结构径向膨胀，实现连接与密封。因此连接过程无需额外动力源，且抗海流冲击、机械振动能力强。

Claims (10)

1.一种双壁波纹管式深海管道连接器，包括连接器壳体、中空的双壁波纹管，其特征在于：所述连接器壳体内的中间位置设置有两个独立的环形气腔，每个环形气腔内设置高压三通阀，连接器壳体是以中间对基准的对称式结构，双壁波纹管有两个且对称设置在连接器壳体内，双壁波纹管由内壁和外壁组成，外壁的轴向截面形状为波浪形褶皱，波浪形褶皱的环形凹部和环形凸部沿轴向交替排列，内壁为柱面且沿轴向等间距设置有周向环形凹槽，周向环形凹槽内设置有与待连接管道接触的橡胶密封环。
2.根据权利要求1所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：所述双壁波纹管结构内外壁之间构成内腔，在内腔里沿轴向安装有弓形支撑环，且双壁波纹管一端的内外壁端面焊接封闭、另一端的开口端的内外壁端均焊接在气腔及连接器壳体内侧。
3.根据权利要求2所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：波浪形褶皱的环形凹部称为外壁小径、环形凸部称为外壁大径，弓形支撑环的外表面与外壁小径连接、内表面与内壁内表面连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：橡胶密封环具有楔形侧面，并与周向环形凹槽侧壁配合。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：双壁波纹管的内壁与待连接管道接触的外表面上设置有环形锚定齿。
6.根据权利要求4所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：双壁波纹管的内壁与待连接管道接触的外表面上设置有环形锚定齿。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及连接器壳体的外部环境。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及连接器壳体的外部环境。
9.根据权利要求4所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及连接器壳体的外部环境。
10.根据权利要求5所述的一种双壁波纹管式深海管道连接器，其特征在于：所述的高压三通阀的三个通道分别连接同侧的气腔、同侧的内腔以及连接器壳体的外部环境。
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