CN110067902B - 海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，应用于深水油气管道的水下连接。该快速接头装置依据对接器、轴推基体和液压轴推器依次实施水下轴向定位作业和水下对接作业，并通过密封器和锁紧定位器实施水下密封连接作业，实现快速接头装置与水下管道的快速对接和密封；液压轴推器提供驱动力，轴推基体依据轴推定位机构实现对接器的轴向定位并作为对接器轴向推进的支撑点，对接器依据其环腔与水下管道间的柱面滑道而接于水下管道管端处；锁紧定位器依据进油管汇提供的动力及锁紧定位机构和锁紧锚定机构完成对接器在水下管道管端的轴向固定连接，密封器依据进油管汇提供的动力和密封锚定机构完成水下管道与对接器的金属密封。

Description

海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置

技术领域

本发明涉及一种水下油气管道的接头装置，特别是涉及一种海洋深水油气管道连接时用的轴推式液压驱动快速接头装置。

背景技术

海洋工程水下生产系统中，海洋深水油气管道是非常重要的油气输送设备，水下生产系统海洋深水油气管道连接技术是铺设水下管道工程施工作业中至关重要的环节，并广泛应用于深水油田、边际油田以及水下管道维修等工程实践中。

目前国内水下管道工程施工作业中，海洋深水油气管道连接时用的连接器及其快速接头通常由国外公司设计完成，软硬件甚至施工作业工具也是采购或租用国外公司的设备，水下快速接头以挪威UNITECH Subsea、美国FMC Technologies和Oceaneering以及英国VIPER Subsea等公司的产品具有代表性。UNITECH Subsea公司生产Alpha型的水下快速接头，水下作业中ROV机械手抓住提升用的手柄并将水下接头的移动端插入其固定端，而后公接头和母接头完成对齐，最后通过ROV机械手旋转扭矩工具并将公接头和母接头连成一体，其缺点为螺纹配合过程中易发生错扣以及螺纹损坏的情况，使得该接头的可靠性较低，使用寿命有限。FMC Technologies公司生产弹簧夹头型的水下快速接头，该接头移动端和固定端间的锁紧机构采用弹簧夹头连接的方式，并通过螺纹传动来控制夹头与其外侧夹套间的轴向滑移，当移动端斜面凸台的后端面与固定端的前端面重合时，完成锁紧作业，其缺点为接头结构复杂，需要将传动轴的旋转运动转化成弹簧夹头的轴向运动，且不允许弹簧夹头产生螺旋运动。Oceaneering公司和VIPER Subsea公司生产V—lock型的水下快速接头，该接头的外部设计有较长的防护罩，使得接头的移动端可以顺利滑入其固定端，且在接头移动端与固定端对接的过程中，中心套筒、导向柱体以及滑移导向键可以起到轴向和周向定位的作用，并通过ROV机械手驱动锁紧机构锁紧，其缺点为接头结构复杂，需要将传动轴的旋转运动转化成锁紧轴的旋转运动或轴向运动，而且需要将锁紧轴的轴向和旋转运动都限定在一定的范围内。

发明内容

为了有效解决海洋深水油气管道的快速连接问题并克服现有水下管道快速接头装置存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适合海洋深水油气管道连接时用的轴推式液压驱动快速接头装置。该快速接头装置采用金属密封和非金属密封相结合的方式，并依据对接器、轴推基体和液压轴推器依次实施水下轴向定位作业和水下对接作业，同时通过密封器和锁紧定位器实施水下对接作业之后的水下密封连接作业，由此实现快速接头装置与水下管道之间的快速对接和密封。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，主要由对接器、密封器、锁紧定位器、轴推基体和液压轴推器几部分组成。该快速接头装置的对接器、密封器、锁紧定位器和轴推基体的主体部件材质均选用超级双向不锈钢，液压轴推器各轴推液压缸的缸筒外表面涂覆玻璃钢，对接器、密封器、锁紧定位器和轴推基体分别同轴心布置，且密封器和锁紧定位器依次置于对接器的环腔内，对接器和轴推基体沿轴向由外至内排列并通过液压轴推器的各轴推液压缸连为一体。

对接器依据液压轴推器提供的动力及其环腔与水下管道间的柱面滑道实施水下对接作业并接于水下管道的管端处，同时通过对接体与水下连接装置相连，它包括对接体、对接盘、对接支座、进油管汇和回油管汇。

对接体采用长筒体并作为对接器的基体，对接体的环腔内壁采用变截面回转体，且对接体的环腔内壁内侧端分别容纳有密封器和锁紧定位器，同时对接体的环腔内壁外侧端与水下管道的外环面之间精密配合而构成柱面滑道。对接体的外环面沿轴向由外至内依次设有锥形卡箍头、锥形卡环、双层锚定孔和单层输油孔，对接体的锥形卡箍头截面采用直角梯形，且对接体锥形卡箍头与水下连接装置相配套；对接体的锥形卡环截面由双直角梯形组合而成，对接体锥形卡环的环底面所在柱面的直径等于锥形卡箍头的外环面所在柱面的直径；双层锚定孔位于对接体的内侧且分层排列，双层锚定孔内外两层上的锚定孔沿周向均布并分别配置内锚定体和外锚定体；对接体的单层输油孔位于双层锚定孔的层间位置，单层输油孔采用两个规格相同且车制有内螺纹的柱形通孔，单层输油孔的两柱形通孔分别与进油管汇和回油管汇相连，由此实现通液压油和回液压油，并分别为密封器和锁紧定位器提供动力。

对接盘采用圆盘体，对接盘沿径向由内而外依次布置有锥形卡槽孔、减阻孔和对接支座，对接盘的外缘焊接有沿周向均布的三组对接支座，对接盘的中央部位设有锥形卡槽孔，且对接盘的锥形卡槽孔与对接体的锥形卡环相配合，对接盘的锥形卡槽孔四周沿周向均匀设置减阻孔，对接盘各减阻孔的横截面呈扇形。

水下对接作业中，依据轴推基体的轴推定位机构完成对接器与水下管道的轴向定位，且对接体的轴线与水下管道的轴线相重合，而后各轴推液压缸缸筒的通油管路进行通液压油并提供轴向推进的动力，同时依据轴推基体提供的轴向推进支撑点，对接器分别沿着锁紧卡块与水下管道间的柱面滑道以及对接体与水下管道间的柱面滑道进行轴向推进，由此完成对接器与水下管道之间的自动对接。

密封器依据进油管汇提供的动力和密封锚定机构而实现水下对接作业之后水下管道与对接器间的金属密封以及密封器与对接器间的非金属密封和轴向固定连接，它包括密封柱塞、外锚定体、密封压环、双六角形密封环和外八角形密封圈。

密封器的密封锚定机构由密封柱塞和外锚定体组成，密封柱塞采用短变径管体，密封柱塞沿径向由内而外依次设有柱形卡槽和柱形卡环，密封柱塞的柱形卡槽与锁紧柱塞相配合，同时密封柱塞的柱形卡环与对接体相配合。密封柱塞柱形卡槽的槽底面所在柱面与水下管道的外环面且密封柱塞柱形卡环的环顶面和环底面所在柱面同时与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成三柱面移动副。密封柱塞柱形卡环的环顶面沿轴向由外至内依次设有外锚定盲孔和环形凹沟，密封柱塞的外锚定盲孔与外锚定体的锚定销相配合，且密封柱塞的环形凹沟内配置外八角形密封圈，由此实现密封柱塞与对接体之间的非金属密封。

密封压环采用短直管体，密封压环的环腔内壁与水下管道的外环面同时密封压环的外环面与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成双柱面移动副，由此通过进油管汇完成通液压油并提供动力，依次经密封柱塞并由密封压环挤压双六角形密封环产生径向变形，而在对接器与水下管道之间形成金属密封。

双六角形密封环采用两个相同规格和结构的密封环且对称布置于密封压环的两侧，双六角形密封环的各密封环截面呈六边形，双六角形密封环的外表层材质与水下管道的材质相同，且双六角形密封环的内部设置有均匀分布的金属丝。

锁紧定位器采用分体式管体，并依据进油管汇提供的动力以及锁紧定位机构和锁紧锚定机构而实现水下对接作业之后对接器和锁紧定位器在水下管道管端处的轴向固定连接以及锁紧定位器与对接器间的非金属密封，它包括定位锁紧体、锁紧卡块、锁紧柱塞、内锚定体、内八角形密封圈和○形密封圈。

锁紧定位器的锁紧定位机构由定位锁紧体和锁紧卡块组成，锁紧卡块采用厚壁管体，锁紧卡块的外侧端面与锁紧柱塞的内侧端面之间紧密贴合，锁紧卡块的环腔内壁加工成锥状卡环面，且锁紧卡块的锥状卡环面与定位锁紧体的锥状锁紧面相配合，锁紧卡块的外环面钻有内锚定盲孔并与内锚定体的锚定销相配合，锁紧卡块的外环面与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成单柱面移动副，同时锁紧卡块的环腔内壁与水下管道的外环面之间采用间隙配合而构成柱面滑道。由此，通过进油管汇完成通液压油并提供动力，依次经锁紧柱塞并由锁紧卡块的锥状卡环面挤压定位锁紧体的锥状锁紧面产生变形，最后通过定位锁紧体的锯齿形锁芯完成对接器与水下管道之间的轴向固定连接。

锁紧定位器的锁紧锚定机构由锁紧柱塞和内锚定体组成，锁紧柱塞采用长变径管体，锁紧柱塞的外环面设有柱形导向环并与对接体相配合，锁紧柱塞柱形导向环的环顶面和环底面均铣有环形凹沟并分别配置内八角形密封圈和○形密封圈，由此实现锁紧柱塞与对接体以及锁紧柱塞与密封柱塞之间的非金属密封，锁紧柱塞柱形导向环的环顶面所在柱面与对接体的环腔内壁、锁紧柱塞柱形导向环的环底面所在柱面与密封柱塞柱形卡槽的槽顶面所在柱面同时锁紧柱塞的环腔内壁与水下管道的外环面之间精密配合而构成三柱面移动副。

锁紧定位器的内锚定体和密封器的外锚定体的型号和构造相同且均由锚定销、锚定弹簧和锚定螺钉组成。锚定销采用阶梯轴，锚定销的两侧端分别设有定位杆和滑移杆，锚定销的滑移杆采用半球面，由此内锚定体锚定销滑移杆的半球面与锁紧卡块的外环面之间形成滑移高副，同时外锚定体锚定销滑移杆的半球面与密封柱塞柱形卡环的环顶面之间形成滑移高副；锚定销的定位杆由柱体和锥体组合而成，且其定位杆的截面变化处形成轴肩并实现锚定弹簧沿径向内侧端的定位，内锚定体锚定销的外环面同时与对接体双层锚定孔的内层上的锚定孔和锁紧卡块的内锚定盲孔之间形成柱面移动副，外锚定体锚定销的外环面同时与对接体双层锚定孔的外层上的锚定孔和密封柱塞的外锚定盲孔之间形成柱面移动副。锚定螺钉通过螺纹连接实现内锚定体和外锚定体在对接体双层锚定孔内的轴向固定，且锚定螺钉沿径向的内侧端设有定位凸台，锚定螺钉的定位凸台采用柱体，且锚定螺钉定位凸台的截面变化处形成轴肩并实现锚定弹簧沿径向外侧端的定位，由此内锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入锁紧卡块的内锚定盲孔，实现锁紧卡块与对接体之间的锁紧，同时外锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入密封柱塞的外锚定盲孔，实现密封柱塞与对接体之间的锁紧。

内八角形密封圈和外八角形密封圈的截面呈类“八角形”，○形密封圈的截面呈圆形，且内八角形密封圈、外八角形密封圈和○形密封圈的材质均选用耐油和耐酸碱的氟橡胶。

水下密封连接作业中，依据锁紧定位机构以及锁紧柱塞、对接体和水下管道间的三柱面移动副，并通过进油管汇完成通液压油而提供动力，依次经锁紧柱塞并由锁紧卡块的锥状卡环面挤压定位锁紧体的锥状锁紧面产生变形，而后通过定位锁紧体的锯齿形锁芯完成对接器与水下管道之间的轴向固定连接，同时依据锁紧锚定机构，内锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入锁紧卡块的内锚定盲孔，从而实现锁紧卡块与对接体之间的锁紧以及锁紧定位器的轴向固定连接；接着，依据密封柱塞、对接体和水下管道间的三柱面移动副，并通过进油管汇完成通液压油而提供动力，依次经密封柱塞并由密封压环挤压双六角形密封环产生径向变形，而在对接器与水下管道之间形成金属密封，同时依据密封锚定机构，外锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入密封柱塞的外锚定盲孔，最后实现密封柱塞与对接体之间的锁紧以及密封器的轴向固定连接。

轴推基体依据轴推定位机构实现水下轴向定位作业时对接器的轴向定位，并作为水下对接作业时对接器轴向推进的支撑点，它包括轴推套筒、轴推锁紧体、轴推卡块、轴推支座和轴推卡瓦。

轴推基体的轴推定位机构由轴推锁紧体和轴推卡块组成，轴推基体的轴推锁紧体和锁紧定位器的定位锁紧体的规格和结构相同，轴推锁紧体和定位锁紧体的环腔内壁均采用锯齿形锁芯，且轴推锁紧体和定位锁紧体的外环面沿轴向依次设有锥状锁紧面和法兰盘，锥状锁紧面采用圆锥面，轴推锁紧体通过法兰盘和螺钉连接而接于轴推套筒的环腔内，同时定位锁紧体通过法兰盘和螺钉连接而接于对接体的内侧端。

轴推卡块通过法兰盘和双头螺柱而固定于轴推套筒的内侧端，轴推卡块的环腔内壁外侧端加工成锥状卡环面，且轴推卡块的锥状卡环面与轴推锁紧体的锥状锁紧面相配合，轴推卡块的外环面与轴推套筒的环腔内壁之间精密配合而构成单柱面移动副，同时轴推卡块的环腔内壁与水下管道的外环面之间采用间隙配合而构成柱面滑道。由此，通过旋紧双头螺柱，经由轴推卡块的锥状卡环面挤压轴推锁紧体的锥状锁紧面产生变形，并通过轴推锁紧体的锯齿形锁芯完成轴推基体和对接器与水下管道之间的轴向定位。

轴推套筒沿轴向由外至内依次设有圆盒体、连接筒和圆盘体，轴推套筒圆盒体的环腔内壁直径大于对接体的外环面直径，且轴推套筒圆盒体的外侧端沿周向均匀焊接有卡瓦柱，轴推套筒的各卡瓦柱上分别配置轴推卡瓦；轴推套筒的连接筒将其圆盒体和圆盘体连为一体，且轴推套筒连接筒的外径等于对接体的外环面直径；轴推套筒的圆盘体上钻有沿周向均布的减阻孔，且轴推套筒圆盘体上各减阻孔的横截面呈圆形。轴推卡瓦采用剖分式卡瓦构造，且轴推卡瓦通过螺钉连接而将各轴推液压缸卡紧于轴推套筒上。

轴推基体的轴推支座和对接器的对接支座的型号和规格相同，轴推基体的轴推支座共三组并沿圆周方向均匀焊接于轴推套筒圆盘体的外环面上，轴推支座沿径向朝外放置，而对接器的对接支座则沿轴向水平放置。各组轴推支座和对接支座均含有两个平行放置的分支座，每个分支座由矩形钢板和半圆形钢板组合而成。各组轴推支座通过轴推销体与轴推液压缸的缸筒相连，各组对接支座通过对接销体与轴推液压缸的活塞杆相连，从而将对接器、轴推基体和液压轴推器连为一体，轴推销体和对接销体的轴端车制有螺纹盲孔并配置六角头螺钉进行固定。

液压轴推器用来提供水下对接作业时对接器与水下管道自动对接的驱动力，液压轴推器采用沿对接器圆周方向均匀布置的三个独立的轴推液压缸，且各轴推液压缸沿轴向水平放置。所有独立的轴推液压缸均采用柱塞式液压缸，并通过其缸筒两侧通油管路的通液压油和回油管路的回液压油而实现活塞杆的双向驱动，由此完成对接器自动对接时的轴向推进。

水下轴向定位作业中，通过施工船上的吊机和水下机器人，轴推基体与水下管道的管侧端进行水下对中，直至轴推基体的中心线与水下管道的轴线相重合，而后依据轴推卡块与水下管道间的柱面滑道，轴推基体进行轴向滑移且其内侧端与水下管道预制柱面截面变化处形成的轴肩贴合在一起，从而实现轴推基体的轴向定位；接着，依据轴推定位机构并旋紧轴推卡块上的各双头螺柱，经由轴推卡块的锥状卡环面挤压轴推锁紧体的锥状锁紧面产生变形，最后通过轴推锁紧体的锯齿形锁芯完成轴推基体和对接器与水下管道之间的轴向定位。

本发明所能达到的技术效果是，该快速接头装置采用金属密封和非金属密封相结合的方式，并依据对接器、轴推基体和液压轴推器依次实施水下轴向定位作业和水下对接作业，同时通过密封器和锁紧定位器实施水下密封连接作业，由此实现快速接头装置与水下管道间的快速对接和密封；液压轴推器用来提供对接器与水下管道自动对接的驱动力，轴推基体依据轴推定位机构实现对接器的轴向定位并作为对接器轴向推进的支撑点，对接器依据其环腔与水下管道间的柱面滑道接于水下管道的管端处，同时通过对接体与水下连接装置相连；锁紧定位器依据进油管汇提供的动力以及锁紧定位机构和锁紧锚定机构而实现对接器在水下管道管端处的轴向固定连接以及锁紧定位器与对接器之间的非金属密封，密封器依据进油管汇提供的动力和密封锚定机构而实现水下管道与对接器之间的金属密封以及密封器与对接器之间的非金属密封和轴向固定连接。

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海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的典型结构简图。

图2是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置中的对接器的结构简图。

图3是图2的右视图。

图4是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置中的密封器的结构简图。

图5是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置中的锁紧定位器的结构简图。

图6是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置中的轴推基体和液压轴推器的结构简图。

图7是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下轴向定位作业流程简图。

图8是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下对接作业流程简图。

图9是海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下密封连接作业流程简图。

图中1－对接器，2－密封器，3－锁紧定位器，4－液压轴推器，5－轴推基体，6－水下管道，7－对接盘，8－对接支座，9－对接体，10－进油管汇，11－回油管汇，12－双六角形密封环，13－密封柱塞，14－外锚定体，15－外八角形密封圈，16－密封压环，17－○形密封圈，18－锁紧柱塞，19－内八角形密封圈，20－内锚定体，21－定位锁紧体，22－锁紧卡块，23－对接销体，24－活塞杆，25－缸筒，26－轴推卡瓦，27－轴推销体，28－轴推支座，29－轴推卡块，30－轴推锁紧体，31－轴推套筒。

具体实施方式

在图1中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置由对接器1、密封器2、锁紧定位器3、液压轴推器4和轴推基体5组成，该快速接头装置采用金属密封和非金属密封相结合的方式，并依据对接器1、液压轴推器4和轴推基体5依次实施水下轴向定位作业和水下对接作业，同时通过密封器2和锁紧定位器3实施水下对接作业之后的水下密封连接作业，由此实现快速接头装置与水下管道6之间的快速对接和密封。

在图1中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的对接器1、密封器2、锁紧定位器3和轴推基体5分别同轴心布置，且密封器2和锁紧定位器3依次置于对接器1的环腔内，同时对接器1和轴推基体5沿轴向由外至内排列并通过液压轴推器4的各轴推液压缸连为一体。

在图1中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置组装前，对接器1和轴推基体5主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，液压轴推器4各轴推液压缸的缸筒外表面涂覆玻璃钢，密封器2的密封柱塞以及锁紧定位器3的锁紧柱塞和锁紧卡块置入对接器1的对接体环腔，应灵活移动且无阻滞，轴推基体5的轴推卡块置入其轴推套筒的环腔，应正常滑动且无阻滞，并保持对接器1的对接体内壁的清洁，最后检查密封器2的双六角形密封环和外八角形密封圈以及锁紧定位器3的○形密封圈和内八角形密封圈有无损伤，检查各销体和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置组装时，轴推基体5的轴推卡块和轴推锁紧体分别通过螺纹连接而接于其轴推套筒上，同时轴推基体5通过轴推支座和轴推卡瓦与液压轴推器4各轴推液压缸的缸筒相连，对接器1通过对接盘及其上的对接支座与轴推液压缸的活塞杆相连，从而将对接器1、液压轴推器4和轴推基体5连为一体。密封器2的双六角形密封环、密封压环和密封柱塞以及锁紧定位器3的锁紧柱塞和锁紧卡块依次置入对接器1的对接体环腔内，并通过锁紧定位器3的定位锁紧体实现轴向定位，最后对接器1经进油管汇和回油管汇且液压轴推器4由各轴推液压缸缸筒上的通油管路和回油管路分别与液压油供给系统相连。

在图1中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置中的对接器1与轴推基体5的规格与水下管道6的管径保持一致。

在图2和图3中，对接器1中的对接体9环腔内壁直径随水下管道6的管径进行调整，对接体9的锥形卡箍头与水下连接装置相配套，进油管汇10和回油管汇11中的液压油流压设计需要考虑密封器2形成金属密封时密封柱塞所传递的最大推力以及锁紧定位器3定位锁紧体锁紧水下管道6时锁紧柱塞所传递的最大推力等因素。

在图2和图3中，对接器1依据液压轴推器4提供的动力以及对接体9的环腔与水下管道6之间的柱面滑道实施水下对接作业，同时对接器1接于水下管道6的管端处，对接体9的环腔内壁内侧端分别容纳有密封器2和锁紧定位器3，对接体9的双层锚定孔内分别配置外锚定体和内锚定体，且对接体9的单层输油孔分别与进油管汇10和回油管汇11相连，对接盘7的外缘焊接有沿周向均布的三组对接支座8。

在图4中，密封器2中的密封柱塞13和密封压环16的环腔内壁直径随水下管道6的管径进行调整，双六角形密封环12的选型需要考虑水下管道6的管径以及水下管道6所输送油气介质的最大流压等因素，外八角形密封圈15的选型需要考虑密封柱塞13柱形卡环的环顶面所在柱面的直径以及进油管汇10和回油管汇11所供给液压油的最大流压等因素，外锚定体14的锚定销依据密封器2形成金属密封时密封柱塞13所传递的最大推力进行设计。

在图4中，密封器2依据进油管汇10提供的动力和密封锚定机构而实现水下管道6与对接器1之间的金属密封以及密封器2与对接器1之间的非金属密封和轴向固定连接，密封器2的密封锚定机构由密封柱塞13和外锚定体14组成，密封柱塞13与水下管道6以及密封柱塞13与对接体9之间构成三柱面移动副，外锚定体14的锚定弹簧伸长并推动锚定销进行轴向滑移后插入密封柱塞13的外锚定盲孔，由此实现密封柱塞13与对接体9之间的锁紧，密封柱塞13的环形凹沟内配置外八角形密封圈15，密封压环16与水下管道6以及密封压环16和对接体9之间构成双柱面移动副，且经密封柱塞13并由密封压环16挤压双六角形密封环12产生径向变形而形成金属密封。

在图5中，锁紧定位器3中的锁紧柱塞18、定位锁紧体21和锁紧卡块22的环腔内壁直径随水下管道6的管径进行调整，○形密封圈17的选型需要考虑锁紧柱塞18柱形导向环的环底面所在柱面的直径以及进油管汇10和回油管汇11所供给液压油的最大流压等因素，内八角形密封圈19的选型需要考虑锁紧柱塞18柱形导向环的环顶面所在柱面的直径以及进油管汇10和回油管汇11所供给液压油的最大流压等因素，内锚定体20的锚定销依据定位锁紧体21锁紧水下管道6时锁紧柱塞18所传递的最大推力进行设计，定位锁紧体21的锯齿形锁芯依据密封器2形成金属密封时密封柱塞13所传递的最大推力进行设计，锁紧卡块22的锥状卡环面与定位锁紧体21的锥状锁紧面相配合且需要满足自锁性能。

在图5中，锁紧定位器3包括锁紧定位机构和锁紧锚定机构，锁紧定位机构由定位锁紧体21和锁紧卡块22组成，且锁紧锚定机构由锁紧柱塞18和内锚定体20组成，通过进油管汇10完成通液压油并提供动力，依次经锁紧柱塞18并由锁紧卡块22的锥状卡环面挤压定位锁紧体21的锥状锁紧面产生变形，而后通过定位锁紧体21的锯齿形锁芯完成对接器1与水下管道6之间的轴向固定连接，锁紧柱塞18柱形导向环的环顶面和环底面均铣有环形凹沟并分别配置内八角形密封圈19和○形密封圈17，由此实现锁紧柱塞18与对接体9以及锁紧柱塞18与密封柱塞13之间的非金属密封，锁紧柱塞18与对接体9、密封柱塞13和水下管道6之间构成三柱面移动副，内锚定体20的锚定弹簧伸长并推动锚定销进行轴向滑移后插入锁紧卡块22的内锚定盲孔，由此实现锁紧卡块22与对接体9之间的锁紧。

在图6中，轴推基体5中的轴推卡块29和轴推锁紧体30的环腔内壁直径随水下管道6的管径进行调整，轴推套筒31的规格与对接体9的规格保持一致，轴推锁紧体30的锯齿形锁芯需要依据水下对接作业过程中对接器1、密封器2和锁紧定位器3与水下管道6之间最大摩擦力的合力进行设计，轴推卡块29的锥状卡环面与轴推锁紧体30的锥状锁紧面相配合且需要满足自锁性能。

在图6中，液压轴推器4采用三个型号相同的轴推液压缸，液压轴推器4各轴推液压缸的最大推程依据对接体9的轴向长度及其轴向推进位移进行设计，液压轴推器4各轴推液压缸的最大推力需要克服水下对接作业过程中对接器1、密封器2和锁紧定位器3与水下管道6之间最大摩擦力的合力。

在图6中，轴推基体5作为对接器1轴向推进的支撑点，轴推基体5的轴推定位机构由轴推卡块29和轴推锁紧体30组成，通过旋紧双头螺柱，经由轴推卡块29的锥状卡环面挤压轴推锁紧体30的锥状锁紧面产生变形，并通过轴推锁紧体30的锯齿形锁芯完成轴推基体5和对接器1与水下管道6之间的轴向定位，轴推套筒31的圆盒体和圆盘体分别配置轴推卡瓦26和轴推支座28，轴推支座28通过轴推销体27与轴推液压缸的缸筒25相连，对接支座8通过对接销体23与轴推液压缸的活塞杆24相连，同时轴推卡瓦26通过螺钉将各轴推液压缸卡紧于轴推套筒31上。

在图7中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下对接作业之前实施水下轴向定位作业，且其水下轴向定位作业流程为，首先水下管道6完成切割和预制作业，并在水下管道6的管侧端打磨出预制柱面，而后通过海面施工船上的吊机和水下机器人的相互协作，轴推基体5与水下管道6的管侧端进行水下对中，直至轴推基体5的中心线与水下管道6的轴线相重合；然后，依据轴推卡块29与水下管道6之间的柱面滑道，轴推基体5沿着水下管道6的预制柱面进行轴向滑移，直至轴推基体5的内侧端与水下管道6预制柱面截面变化处形成的轴肩贴合在一起，并由此实现轴推基体5的轴向定位；接着，依据轴推基体5的轴推定位机构，并利用水下机器人旋紧轴推卡块29上的各双头螺柱，经由轴推卡块29的锥状卡环面挤压轴推锁紧体30的锥状锁紧面产生变形，最后通过轴推锁紧体30的锯齿形锁芯完成轴推基体5和对接器1与水下管道6之间的轴向定位。

在图8中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下对接作业流程为，依据轴推基体5的轴推定位机构完成对接器1与水下管道6之间的轴向定位，此时对接体9的轴线与水下管道6预制柱面的轴线保持重合；然后，液压轴推器4各轴推液压缸缸筒25的通油管路进行通液压油并提供轴向推进的动力，同时依据轴推基体5作为轴向推进时的支撑点，对接器1分别沿着锁紧卡块22与水下管道6之间的柱面滑道以及对接体9与水下管道6之间的柱面滑道进行轴向推进，直至对接体9环腔内壁截面变化处形成的轴肩与水下管道6的外侧端面贴合为止，由此完成对接器1与水下管道6之间的自动对接。

在图9中，海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置的水下对接作业之后实施水下密封连接作业，且其水下密封连接作业流程为，依据锁紧定位器3的锁紧定位机构以及锁紧柱塞18、对接体9和水下管道6之间的三柱面移动副，并通过进油管汇10完成通液压油而提供动力，依次经锁紧柱塞18并由锁紧卡块22的锥状卡环面挤压定位锁紧体21的锥状锁紧面产生变形，而后通过定位锁紧体21的锯齿形锁芯完成对接器1与水下管道6之间的轴向固定连接，同时依据锁紧定位器3的锁紧锚定机构，内锚定体20的锚定弹簧伸长并推动锚定销进行轴向滑移后插入锁紧卡块22的内锚定盲孔，从而实现锁紧卡块22与对接体9之间的锁紧以及锁紧定位器3的轴向固定连接；接着，依据密封柱塞13、对接体9和水下管道6之间的三柱面移动副，并通过进油管汇10完成通液压油而提供动力，依次经密封柱塞13并由密封压环16挤压双六角形密封环12产生径向变形，而在对接器1与水下管道6之间形成金属密封，同时依据密封器2的密封锚定机构，外锚定体14的锚定弹簧伸长并推动锚定销进行轴向滑移后插入密封柱塞13的外锚定盲孔，而后实现密封柱塞13与对接体9之间的锁紧以及密封器2的轴向固定连接；最后，利用水下机器人拔出各轴推销体27，并拆卸液压轴推器4的各轴推液压缸以及对接盘7。

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)

1.一种海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，对接器、密封器、锁紧定位器和轴推基体分别同轴心布置，对接器和轴推基体沿轴向由外至内排列并通过液压轴推器的各轴推液压缸连为一体；该快速接头装置依据对接器、轴推基体和液压轴推器依次实施水下轴向定位作业和水下对接作业，并通过密封器和锁紧定位器实施水下对接作业之后的水下密封连接作业，由此实现快速接头装置与水下管道之间的快速对接和密封；对接体采用长筒体，对接体的环腔内壁采用变截面回转体，对接盘采用圆盘体；锁紧定位机构由定位锁紧体和锁紧卡块组成，锁紧卡块的环腔内壁加工成锥状卡环面，且锁紧卡块的锥状卡环面与定位锁紧体的锥状锁紧面相配合；轴推卡瓦采用剖分式卡瓦构造，轴推支座沿径向朝外放置，各组轴推支座通过轴推销体与轴推液压缸的缸筒相连，各组对接支座通过对接销体与轴推液压缸的活塞杆相连，从而将对接器、轴推基体和液压轴推器连为一体；液压轴推器采用沿对接器圆周方向均匀布置的轴推液压缸，其特征在于：

一对接器；所述对接器包括对接体、对接盘、对接支座、进油管汇和回油管汇，对接体的环腔内壁内侧端分别容纳有密封器和锁紧定位器；对接体的外环面沿轴向由外至内依次设有锥形卡箍头、锥形卡环、双层锚定孔和单层输油孔，双层锚定孔分层排列且其内外两层上的锚定孔分别配置内锚定体和外锚定体，单层输油孔采用两个规格相同且车制有内螺纹的柱形通孔，单层输油孔的两柱形通孔分别与进油管汇和回油管汇相连，对接盘沿径向由内而外依次布置有锥形卡槽孔、减阻孔和对接支座；

一密封器；所述密封器包括密封柱塞、外锚定体、密封压环、双六角形密封环和外八角形密封圈，其密封锚定机构由密封柱塞和外锚定体组成；密封柱塞采用短变径管体，密封柱塞沿径向由内而外依次设有柱形卡槽和柱形卡环，其柱形卡环的环顶面沿轴向由外至内依次设有外锚定盲孔和环形凹沟，密封柱塞的环形凹沟内配置外八角形密封圈；密封压环采用短直管体，双六角形密封环采用两个相同规格和结构的密封环且对称布置于密封压环的两侧；

一锁紧定位器；所述锁紧定位器包括定位锁紧体、锁紧卡块、锁紧柱塞、内锚定体、内八角形密封圈和○形密封圈，其锁紧锚定机构由锁紧柱塞和内锚定体组成；锁紧卡块采用厚壁管体，锁紧卡块的外环面钻有内锚定盲孔并与内锚定体的锚定销相配合；锁紧柱塞采用长变径管体且其外环面设有柱形导向环，锁紧柱塞柱形导向环的环顶面和环底面均铣有环形凹沟并分别配置内八角形密封圈和○形密封圈；内锚定体和外锚定体均由锚定销、锚定弹簧和锚定螺钉组成，锚定销的两侧端分别设有定位杆和滑移杆，锚定销的滑移杆采用半球面且定位杆由柱体和锥体组合而成，锚定螺钉的定位凸台采用柱体，内八角形密封圈和外八角形密封圈的截面呈类“八角形”；

一轴推基体；所述轴推基体包括轴推套筒、轴推锁紧体、轴推卡块、轴推支座和轴推卡瓦，其轴推定位机构由轴推锁紧体和轴推卡块组成；轴推锁紧体和锁紧定位器的定位锁紧体的环腔内壁均采用锯齿形锁芯，且轴推锁紧体和定位锁紧体的外环面沿轴向依次设有锥状锁紧面和法兰盘，轴推卡块的环腔内壁外侧端加工成锥状卡环面；轴推套筒沿轴向由外至内依次设有圆盒体、连接筒和圆盘体，轴推套筒圆盒体的外侧端沿周向均匀焊接有卡瓦柱，轴推套筒的圆盘体上钻有沿周向均布的减阻孔；对接支座沿轴向水平放置，各组轴推支座和对接支座均含有两个平行放置的分支座；

一液压轴推器；所述液压轴推器的各轴推液压缸通过缸筒两侧通油管路的通液压油和回油管路的回液压油实现活塞杆的双向驱动。

2.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置采用金属密封和非金属密封相结合的方式，其密封器和锁紧定位器依次置于对接器的环腔内。

3.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述对接器接于水下管道的管端处，对接体作为对接器的基体，对接体的环腔内壁外侧端与水下管道的外环面之间精密配合而构成柱面滑道；对接体的锥形卡箍头截面采用直角梯形，对接体的锥形卡环截面由双直角梯形组合而成，对接体锥形卡环的环底面所在柱面的直径等于锥形卡箍头的外环面所在柱面的直径，双层锚定孔位于对接体的内侧且其内外两层上的锚定孔沿周向均布，对接体的单层输油孔位于双层锚定孔的层间位置并通过进油管汇和回油管汇而实现通液压油和回液压油，由此为密封器和锁紧定位器提供动力；

所述对接器的对接盘外缘焊接有沿周向均布的三组对接支座，对接盘的中央部位设有锥形卡槽孔，且对接盘的锥形卡槽孔与对接体的锥形卡环相配合，对接盘的锥形卡槽孔四周沿周向均匀设置减阻孔，对接盘各减阻孔的横截面呈扇形。

4.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述密封器中密封柱塞的柱形卡槽与锁紧柱塞相配合，同时密封柱塞的柱形卡环与对接体相配合；密封柱塞柱形卡槽的槽底面所在柱面与水下管道的外环面且密封柱塞柱形卡环的环顶面和环底面所在柱面同时与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成三柱面移动副；密封柱塞的外锚定盲孔与外锚定体的锚定销相配合，且密封柱塞环形凹沟内的外八角形密封圈实现密封柱塞与对接体之间的非金属密封；

所述密封器中密封压环的环腔内壁与水下管道的外环面同时密封压环的外环面与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成双柱面移动副，双六角形密封环的各密封环截面呈六边形，由此通过进油管汇完成通液压油并提供动力，依次经密封柱塞并由密封压环挤压双六角形密封环产生径向变形，而在对接器与水下管道之间形成金属密封。

5.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述锁紧定位器采用分体式管体，锁紧卡块的外侧端面与锁紧柱塞的内侧端面之间紧密贴合，锁紧卡块的外环面与对接体的环腔内壁之间精密配合而构成单柱面移动副，同时锁紧卡块的环腔内壁与水下管道的外环面之间采用间隙配合而构成柱面滑道；由此通过进油管汇完成通液压油并提供动力，依次经锁紧柱塞并由锁紧卡块的锥状卡环面挤压定位锁紧体的锥状锁紧面产生变形，最后通过定位锁紧体的锯齿形锁芯完成对接器与水下管道间的轴向固定连接。

6.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述锁紧定位器中锁紧柱塞的柱形导向环与对接体相配合，锁紧柱塞柱形导向环环形凹沟的内八角形密封圈和○形密封圈分别实现锁紧柱塞与对接体以及锁紧柱塞与密封柱塞之间的非金属密封，锁紧柱塞柱形导向环的环顶面所在柱面与对接体的环腔内壁、锁紧柱塞柱形导向环的环底面所在柱面与密封柱塞柱形卡槽的槽顶面所在柱面同时锁紧柱塞的环腔内壁与水下管道的外环面之间精密配合而构成三柱面移动副。

7.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述锁紧定位器的内锚定体和密封器的外锚定体的型号和构造相同，内锚定体和外锚定体的锚定销采用阶梯轴，内锚定体锚定销滑移杆的半球面与锁紧卡块的外环面之间形成滑移高副，同时外锚定体锚定销滑移杆的半球面与密封柱塞柱形卡环的环顶面之间形成滑移高副；锚定销定位杆的截面变化处形成轴肩并实现锚定弹簧沿径向内侧端的定位，内锚定体锚定销的外环面同时与对接体双层锚定孔的内层上的锚定孔和锁紧卡块的内锚定盲孔之间形成柱面移动副，外锚定体锚定销的外环面同时与对接体双层锚定孔的外层上的锚定孔和密封柱塞的外锚定盲孔之间形成柱面移动副；锚定螺钉通过螺纹连接实现内锚定体和外锚定体在对接体双层锚定孔内的轴向固定，锚定螺钉沿径向的内侧端设有定位凸台，且锚定螺钉定位凸台的截面变化处形成轴肩并实现锚定弹簧沿径向外侧端的定位，由此内锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入锁紧卡块的内锚定盲孔，实现锁紧卡块与对接体之间的锁紧，同时外锚定体的锚定弹簧伸长并推动锚定销轴向滑移后插入密封柱塞的外锚定盲孔，实现密封柱塞与对接体之间的锁紧。

8.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述轴推基体作为水下对接作业时对接器轴向推进的支撑点，轴推基体的轴推锁紧体和锁紧定位器的定位锁紧体的规格和结构相同，轴推锁紧体和定位锁紧体的锥状锁紧面采用圆锥面，轴推锁紧体通过法兰盘和螺钉连接而接于轴推套筒的环腔内，同时定位锁紧体通过法兰盘和螺钉连接而接于对接体的内侧端；

所述轴推基体的轴推卡块通过法兰盘和双头螺柱而固定于轴推套筒的内侧端，轴推卡块的锥状卡环面与轴推锁紧体的锥状锁紧面相配合，轴推卡块的外环面与轴推套筒的环腔内壁之间精密配合而构成单柱面移动副，同时轴推卡块的环腔内壁与水下管道的外环面之间采用间隙配合而构成柱面滑道；由此通过旋紧双头螺柱，经由轴推卡块的锥状卡环面挤压轴推锁紧体的锥状锁紧面产生变形，并通过轴推锁紧体的锯齿形锁芯完成轴推基体和对接器与水下管道之间的轴向定位。

9.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述轴推基体中轴推套筒的连接筒将其圆盒体和圆盘体连为一体，轴推套筒连接筒的外径等于对接体的外环面直径，而轴推套筒圆盒体的环腔内壁直径大于对接体的外环面直径，轴推套筒圆盘体上各减阻孔的横截面呈圆形；轴推套筒的各卡瓦柱上分别配置轴推卡瓦，且轴推卡瓦通过螺钉连接而将各轴推液压缸卡紧于轴推套筒上；

所述轴推基体的轴推支座和对接器的对接支座的型号和规格相同，轴推基体的轴推支座共三组并沿圆周方向均匀焊接于轴推套筒圆盘体的外环面上，各组轴推支座和对接支座中的每个分支座均由矩形钢板和半圆形钢板组合而成。

10.根据权利要求1所述的海洋深水油气管道轴推式液压驱动快速接头装置，其特征在于：所述液压轴推器用来提供水下对接作业时对接器与水下管道自动对接的驱动力，液压轴推器采用三个独立的轴推液压缸，各轴推液压缸沿轴向水平放置。

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