CN110671072B - 深水卧式连接器压力帽 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水卧式连接器压力帽，其中包括密封机构、拉近机构、进给机构，本发明提出了弹簧和填料双重锁紧机构，双重锁紧包括弹簧锁紧和填料抱紧锁紧，解决了压力帽在水下的自锁问题；提出了双层密封机构，在二者之间形成的密封腔内加压，规避掉了管道内加压空间大的问题，可轻松完成水下密封测试；设计了拉近液压缸，在将内层拉近到位后不撤回，继续为内层提供拉力，形成固定约束；外层以内层为基座进行推进，使卡块到位，锁紧下法兰；采用纯机械结构，提高了卧式压力帽水下长期工作的可靠性；优化了配重及导向位置，解决了卧式压力帽安装过程中的倾覆问题；提出了机具一体化设计方案，提高了水下安装效率。

Description

深水卧式连接器压力帽

技术领域

本发明涉及一种密封防松结构，尤其涉及一种深水卧式连接器压力帽。

背景技术

人类自进入工业社会以来，对以石油为代表能源的需求就在不断地增加。然而石油作为一种不可再生资源，随着不断地消耗，陆地上有限的石油资源已不能满足人类日益增长的需求。因此海洋油气资源的勘探开发已经成为世界各工业国关注的重点和焦点。

海洋油气资源的勘探开发主要采用水下生产系统，水下生产系统主要包括：海底油井、采油树、连接器、跨接管、管汇和立管等部分。水下生产系统建设有这样一个过程：在钻井、测井和所有一切的试验工作完成之后，油井井口必须在钻井平台离开时暂时暴露一段时间，通常，在海底划定一块油田地区，要钻许多的油井，等所有的油井完工之后才会与其它生产设施连接在一起。在钻井平台离开到和其它生产设施连接的这段时间，油井井口暴露在外，可能发生的损害包括：海水浸泡产生的腐蚀；落到海底井口并在各种表面留下疤痕的物体；或落在井口或以其它方式撞击井口的物体造成的损害，如船锚等。这些损害可能导致井口密封完整性的丧失，从而使井口无法使用。钻一口海底油井可能要花费几百万美元，因此当井址被弃置或暂时停用时，应保护井口。国内文献中将专门保护井口的装备称为压力帽。目前海底油井大多与采油树相连，采油树可以保护海底井口，但是采油树出口处法兰通过连接器与其它设备相连，在采油树安装调试完成之后到连接器安装之前的这段时间，采油树出口法兰也暴露在外，同样面临损害的风险，出口法兰失效将影响整个采油树的石油输出。因此采油树出口法兰同样需要保护。类似于以上包含连接接口，接口后期有密封要求，且会暴露在外一段时间的情况下，都需要压力帽提供保护。

压力帽工作时间通常是临时性的，需要方便安装和拆卸，对于浅水油井由潜水员很容易就可以完成，随着石油勘探工作所涉及的海洋深度由500m、1000m到3000m不断加深，其对海洋石油装备质量和技术的要求也会越来越高。中国潜水员模拟潜水记录493米，真实潜水记录313.5米，国外潜水记录不超过600米，潜水员下潜工作深度已经无法满足海洋石油开发的深度要求。因此由水下ROV操作安装和拆卸的深水压力帽是海洋石油开发所必需的。目前国内的深水压力帽全部依靠进口，国内相关研究也只在样机阶段，并没有相关的设备应用到实际生产中。

研究开发深水卧式连接器压力帽，是为了保护海底油井井口不被刮伤、腐蚀，从而保证其与其它设备的连接密封性；防止海水进入油井或采油树，防止内部结构和表面被海水腐蚀；防止油井内高压油气溢出，甚至井喷，造成资源浪费，污染环境，毒害海洋生物；为了实现深水压力帽的国产化，缩小与国外科技公司在水下工程装备与技术领域的差距，降低对国外先进设备的依赖，促进我国深水能源开发装备的发展。

国外许多从事深水作业装备的企业都具有开发深水压力帽的技术，并且有相关的产品，其中也包含一些并不知名的小公司。国内之所以没有一台压力帽设备应用到实际深水生产过程中，是因为国内了解到该课题的时间较晚，从事相关研究的人员较少，且仅做到样机就结束了。深水卧式连接器压力帽的研究，力求设计并制造出一台能实际应用于工程项目的压力帽设备，打破国内在该领域国产设备零封的尴尬局面。研究和学习国外企业深水作业先进技术，为深水能源开发装备逐步国产化迈进一步。

发明内容

本发明的主要目的在于填补现有技术的空白，而提供一种深水卧式连接器压力帽，从而保护深水卧式连接器,克服了水下安装困难，操作空间有限等问题；提出了弹簧和填料双重锁紧机构，双重锁紧包括弹簧锁紧和填料抱紧锁紧，解决了压力帽在水下的自锁问题；提出了双层密封机构，在二者之间形成的密封腔内加压，规避掉了管道内加压空间大的问题，可轻松完成水下密封测试；设计了拉近液压缸，在将内层拉近到位后不撤回，继续为内层提供拉力，形成固定约束；外层以内层为基座进行推进，使卡块到位，锁紧下法兰；采用纯机械结构，提高了卧式压力帽水下长期工作的可靠性；优化了配重及导向位置，解决了卧式压力帽安装过程中的倾覆问题；提出了机具一体化设计方案，提高了水下安装效率。

本发明的目的是这样实现的：包括密封机构、拉近机构和进给机构，所述拉近机构包括设置在连接器上的支撑板、横跨在连接器上的前导向板和后导向板、通过拉头与支撑板连接的液压缸、与后导向板下端连接的后导向板连接板、与前导向板下部分连接的连接罩、与连接罩连接的两个连接半圆板、设置在两个连接半圆板之间的进给螺栓、与后导向板连接板右端面固定连接的进给支架、与后导向板连接板左端面连接的进给螺母、与进给支架端部固连的驱动环、与连接罩连接的推动板、与推动板中间位置固连的密封芯轴、与推动板固连的臂筒、通过定位螺钉设置在臂筒上的四个卡块、设置在进给螺栓左端部的V型填料密封机构、与V型填料密封机构固连的ROV扳手底座、设置在ROV扳手底座中的ROV扳，液压缸设置在前导向板和后导向板上，进给螺母设置在进给螺栓上，推动板位于驱动环内，密封芯轴位于臂筒内，在连接罩与后导向板连接板之间还设置有弹簧，在V型填料密封机构与连接罩之间设置有起到支撑作用的连接柱。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述V型填料密封机构包括依次套在进给螺栓的光轴尾端上的支撑环，V型弹性填料、压环、填料压板，V型弹性填料在压环和支撑环的预紧压力下产生弹性形变，对径向产生挤压。

2.后导向板连接板上设置有配重。

3.进给螺栓上设置有环形凹槽，两个连接半圆板与环形凹槽配合。

4.所述弹簧和连接柱分别有4个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服了水下安装困难，操作空间有限等问题；提出了弹簧和填料双重锁紧机构，双重锁紧包括弹簧锁紧和填料抱紧锁紧，解决了压力帽在水下的自锁问题；提出了双层密封机构，在二者之间形成的密封腔内加压，规避掉了管道内加压空间大的问题，可轻松完成水下密封测试；设计了拉近液压缸，在将内层拉近到位后不撤回，继续为内层提供拉力，形成固定约束；外层以内层为基座进行推进，使卡块到位，锁紧下法兰；采用纯机械结构，提高了卧式压力帽水下长期工作的可靠性；优化了配重及导向位置，解决了卧式压力帽安装过程中的倾覆问题；提出了机具一体化设计方案，提高了水下安装效率。

附图说明

图1为本发明深水卧式连接器压力帽密封机构分解示意图。

图2为本发明深水卧式连接器压力帽拉近机构分解示意图。

图3为本发明深水卧式连接器压力帽进给机构分解示意图。

图4为本发明深水卧式连接器压力帽剖视图。

图5为本发明深水卧式连接器压力帽安装流程图。

图6为本发明深水卧式连接器压力帽V型填料密封防松图。

图中主要标号说明：

1卡块、2壁筒、3定位螺钉、4密封芯轴、4‘密封圈槽、5密封圈、6拉头、7支撑板、8连接器、9液压缸、10前导向板、11、12、13螺栓组、14连接半圆板、15进给螺栓、16吊耳螺钉、17连接罩、18螺钉、19螺钉、20推动板、21驱动环、22螺钉、23、24、25螺栓组、26弹簧、27进给支架、28连接柱、29配重板、30双头螺柱、31配重板、32螺钉、33吊耳螺钉、34、35、36螺栓组、37后导向板连接板、38后导向板、39进给螺母、40、41、42螺栓组、43V型填料密封机构、44ROV底座、45ROV扳手、46压板、47压环、48V型填料密封、49支撑环。

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。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明深水卧式连接器压力帽，包括密封机构，密封机构主要由四个卡块1，一个壁筒2，一个密封芯轴4，二个密封圈5和四个定位螺钉3组成；包括拉近机构，拉近机构主要由一个前导向板10，一个拉头6，一个支撑板7，一个连接罩17，一个推动板20、二个连接半圆板14和一个液压缸9组成；还包括进给机构，进给机构主要由一个后导向板38，一个驱动环21、一个ROV扳手底座44，一个ROV扳手45，一个进给螺栓15，一个进给螺母39，一个填料压板48，一个压环47，一个V型填料密封48，一个支撑环49，四个弹簧26，八个吊耳螺钉33，四个连接柱28和后导向板连接板37组成。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的密封机构中四个卡块1呈90度嵌在壁筒2侧壁孔中，由轴向螺钉3定位，密封芯轴4轴上开有两槽4‘，用来安装密封圈5；拉近机构中液压缸9的安装定位由导向板10、38和支撑板7实现，驱动环21侧壁上开有销孔，用来轴向定位；进给机构中进给螺栓15轴端为一小于轴径的长方体，长方体与ROV扳手45配合传递扭矩，四个弹簧26依靠吊耳螺钉16分别和后导向板连接板37，连接罩17连接。拉近机构使整个压力帽向连接器8方向移动，当12点方向卡块因重力下落卡入连接器8环形凹槽中停止；进给机构通过进给机构推动驱动环21使其余三个卡块1卡入环形凹槽后停止，压力帽完成与连接器8的锁紧。密封机构中壁筒2上有定位螺钉3，对卡块1起到限位作用；卡块1由外部驱动环21推动，到位后锁紧下法兰，防止压力帽由于振动、洋流等原因从下法兰上脱落。密封机构中内部密封芯轴4设有双层密封圈5，密封沟槽4’设置在轴芯的密封面上，沟槽中心线与密封面垂直，沟槽两侧壁与密封面成锐角，沟槽底部为圆弧形状，沟槽槽底处与槽口处为圆角结构。沟槽两侧壁与密封面成锐角能够有效避免橡胶圈在安装和更换过程中的窜动，也能防止橡胶圈在多次试压中发生“打卷”现象，两锐角侧壁也能在一定程度上起到防突挡圈的作用。一方面降低泄露失效概率，另一方面形成打压测试空腔，由于管道内部空间体积比较大，且无法测量，双层密封圈形成的空腔体积比较小，可以同时测试两道密封圈各自的密封强度。密封芯轴4开有直接通往法兰内腔的油路，通过该油路可以测量两道密封圈共同的密封强度。拉近和拆卸依靠液压缸9活塞双向运动完成，缸体嵌在导向槽中，耳轴与拉头通过螺纹连接，拉头卡在支撑板7中。进给依靠ROV扳手45完成。ROV扳手45向进给螺栓15传递扭矩，进给螺栓15工作时只发生圆周转动，不发生轴向移动，其与外部螺母39螺纹传动，从而螺母推动驱动环21进给。驱动环套在壁筒外面，圆周面开有长槽，壁筒圆柱面开有螺纹孔，螺钉可通过长槽旋入螺纹孔，对驱动环轴向移动起到限位作用。二块导向板10、38为压力帽安装工作提供固定支撑，同时该板两侧滑槽和机架滑道配合，为水平推进起导向作用。导向板10、38还起到配重作用，由于压力帽内部下端质量较大，整个重心右移，拉近时会产生倾覆可能，在后导向板连接板上加配重29、31，将重心向左移动至两导向板10、38之间位置，降低其倾覆可能性。在进给机构中进给螺栓15光轴尾端上依次套有支撑环49，V型弹性填料48、压环47、填

料压板46。其中V型弹性填料48在压环47和支撑环49的预紧压力下产生弹性形变，对径向产生了挤压的作用，从而增大了进给螺栓15的摩擦力，实现了防松的目的。在进给机构中四根弹簧26两端由吊耳螺钉16、33连接后导向板连接板37和连接罩17，其中进给螺栓15一端开有环形凹槽由二块连接半圆板14配合凹槽连接导向板10，进给螺母39固定于后导向板连接板37，弹簧26的弹力使螺栓15和螺母29轴向相互挤压，从而增强了螺纹自锁的可靠性。当需要拆卸压力帽时，需先启动进给装置，将ROV扳手45反转，再启动液压缸9，带动整个压力帽脱离连接器8，由于法兰与卡块1的轴向接触面设置为角度面，所以能依靠轴向力强行将卡块1拉出，改接触面角度应设计为该材料摩擦系数对应的自锁角度以上。

本发明深水卧式连接器压力帽安装时：壁筒2通过定位螺钉3连接四个卡块1，轴方向左端面通过螺钉19与推动板20右端面连接，密封芯轴4通过螺钉18与推动板20连接，密封圈5安装在密封圈槽4‘中。推动板20左端面通过螺钉与连接罩17连接，连接罩17有中孔，进给螺栓15轴端伸入连接罩17中孔，进给螺栓15的环形凹槽可与两个连接半圆板14配合，连接半圆板14通过螺栓组11、12、13与连接罩17左端面连接可限制进给螺栓的轴向移动，连接罩14左端面上部与前导向板10连接。前导向板10和后导向板38以及连接器8支架为液压缸9提供定位安装，液压缸9耳轴端部为螺纹与拉头6连接，拉头6嵌在支撑板7中，支撑板7固定在连接器8架子上。驱动环21套在壁筒2上，圆周面开有长槽，壁筒2圆柱面开有螺纹孔，螺钉可通过长槽旋入螺纹孔，对驱动环轴向移动起到限位作用。驱动环21左端面与进给支架27通过螺钉32连接，进给支架27与后导向板连接板37焊接，后导向板连接板37通过螺栓组40、41、42与后导向板连接，配重29、31通过双头螺柱30安装在后导向板连接板37右端面，进给螺母39通过螺栓组34、35、36连接在后导向板连接板左端面。连接柱28左端螺纹连接V型填料密封机构43并支撑ROV，穿过后导向板连接板37右端螺纹连接连接罩17，对整个压力帽起到支撑作用。进给螺栓15左端头部连接ROV扳手45，依次穿过ROV扳手底座44，V型填料密封机构43，进给螺母42，连接半圆板14，连接罩17。四根弹簧26左端通过吊耳螺钉33连接后导向板连接板37右端面，右端通过吊耳螺钉16连接连接罩17。

本发明深水卧式连接器压力帽的工作原理及优点：

1、如图5所示，首先压力帽下放，导向板10、38的导向槽会和连接器8架子的导向柱接触并支撑压力帽。液压缸9下放安装，待液压缸9安装好后，启动液压缸9拉近压力帽，待密封芯轴4进入连接器8口内密封连接器后拉近结束。拉近完成后，位于12点方向的卡块1会因重力作用落入连接器8环形凹槽中。下放ROV扳手45，启动ROV扳手45，ROV扳手45传递扭矩给进给螺栓15，进给螺栓15转动使进给螺母39进给，在进给螺母39的推动下，驱动环21挤压其余三个卡块1进入凹槽，此时压力帽完成安装。

2、提出了弹簧和填料双重锁紧机构，解决了压力帽在水下的自锁问题。在卧式压力帽安装完成之后，在洋流冲击、油管振动的干扰下，驱动环21可能会回缩，导致压力帽密封失效。双重锁紧都是防止驱动环21回缩的作用，双重锁紧包括弹簧锁紧和填料抱紧锁紧。弹簧锁紧是指：如图6所示，在进给机构中四根弹簧8两端由吊耳螺钉16、33连接导向板10、37，其中进给螺栓15一端开有环形凹槽由二块连接半圆板14配合凹槽连接前导向板10，进给螺母39固定于后导向板33，弹簧的弹力使螺栓15和螺母轴向相互挤压，从而增强了螺纹自锁的可靠性。填料抱紧锁紧是指：在进给螺栓15周围设置空腔，在空腔中放置摩擦系数较大材质密封填料，用压板46和螺钉挤压密封填料，使其和进给螺栓15抱紧，螺栓15需要克服抱紧的摩擦力才能被转动，这部分预紧力就是用来降低振动、洋流冲击等干扰对螺栓15自锁的影响。

3、提出了双层密封结构，解决了水下密封测试问题。卧式压力帽通常只用与密封海水，设计水深500m，密封压力5MPa，在特殊情况下(例如采油树密封井口失效时)还要用于密封油井油液不溢出，油井密封压力等级一般在5000-15000psi不等，一般油井越深设计压力会越大。油井密封设计压力为5000psi等同于34.5MPa，压力测试仅测试油压密封即可，水下石油管道内腔并不是一个固定体积的空间，或者固定体积非常大，直接在油管内加压通常较为困难，并不能清楚地测量出卧式压力帽的密封压力。本作品提出了双层密封结构，在二者之间形成的密封腔内加压，规避掉了管道内加压空间大的问题，可轻松完成水下密封测试。

4、提出了拉近工具参与安装的方案，解决了卧式压力帽水下安装时的固定约束问题。卧式压力帽在水下安装过程中，内层和外层有轴向相对运动，理论上内层为固定约束，外层推进，但在水下无法由悬浮状态的ROV提供推力固定内层，当螺栓转动时不能确定是哪部分结构发生了轴向位移。本作品设计了拉近液压缸9，在将内层拉近到位后不撤回，继续为内层提供拉力，形成固定约束；外层以内层为基座进行推进，使卡块1到位，锁紧下法兰。

5、采用纯机械结构，提高了卧式压力帽水下长期工作的可靠性。机械结构在水下失效原因通常是腐蚀、较大的外载荷冲击等，其突发概率较低；液压和电控失效原因就有很多，比如腐蚀、冲击载荷、密封、动力源失效，电子元器件失效等，其失效概率相比纯机械结构要高出2-3个数量级。本作品研制的卧式压力帽工作时仅有纯机械机构，在安装过程中用到的液压设备属于辅助安装设备，不参与水下服役工作过程。

6、优化了配重及导向位置，解决了卧式压力帽安装过程中的倾覆问题。压力帽倾覆会导致下端壁筒撞上下法兰，造成压力帽无法安装。压力帽质量较大的几个零件装配后基本都在压力帽内部下端，即与卧式连接器下法兰连接的部分，当施加推力使其推进安装时，由于导轨上的摩擦力作用，推力需要大于最大静摩擦力才能使其移动，该力作用点和静摩擦作用点形成了一个以摩擦点为原点的转动力矩，压力帽的重心位置和摩擦点形成另一个力矩，两个力矩综合作用决定了压力帽是否倾覆。首先，增加配重将压力帽重心左移，使重力产生的力矩作为抑制倾覆的力矩；其次，抬高导向架高度，缩短倾覆力矩的力臂，降低倾覆力矩，保证在拉近过程中压力帽不会产生倾覆。

7、提出了机具一体化设计方案，提高了水下安装效率。安装工具移动端通过螺纹传动与固定端连接，安装工具固定端通过螺钉与压力帽密封主体连接，在水下利用拉近工具和扭矩扳手实现整个安装和拆卸过程。从压力帽下放到位至安装完成的整个过程不超过5分钟，减少水下作业时间。

综上，本发明提供一种深水卧式连接器压力帽，其中包括密封机构，密封机构主要由四个卡块，一个壁筒，一个密封芯轴，二个密封圈和四个定位螺钉组成；包括拉近机构，拉近机构主要由一个前导向板，一个拉头，一个支撑板，一个连接罩，一个推动板、二个连接半圆板和一个液压缸组成；还包括进给机构，进给机构主要由一个后导向板，一个驱动环、一个ROV扳手底座，一个ROV扳手，一个进给螺栓，一个进给螺母，一个填料压板，一个压环，一个V型填料密封，一个支撑环，四个弹簧，八个吊耳螺钉，四个连接柱和后导向板连接板组成；其改进之处是：提出了弹簧和填料双重锁紧机构，双重锁紧包括弹簧锁紧和填料抱紧锁紧，解决了压力帽在水下的自锁问题；提出了双层密封机构，在二者之间形成的密封腔内加压，规避掉了管道内加压空间大的问题，可轻松完成水下密封测试；设计了拉近液压缸，在将内层拉近到位后不撤回，继续为内层提供拉力，形成固定约束；外层以内层为基座进行推进，使卡块到位，锁紧下法兰；采用纯机械结构，提高了卧式压力帽水下长期工作的可靠性；优化了配重及导向位置，解决了卧式压力帽安装过程中的倾覆问题；提出了机具一体化设计方案，提高了水下安装效率。

Claims (9)

1.深水卧式连接器压力帽，其特征在于：包括设置在连接器上的支撑板、横跨在连接器上的前导向板和后导向板、通过拉头与支撑板连接的液压缸、与后导向板下端连接的后导向板连接板、与前导向板下部分连接的连接罩、与连接罩连接的两个连接半圆板、设置在两个连接半圆板之间的进给螺栓、与后导向板连接板右端面固定连接的进给支架、与后导向板连接板左端面连接的进给螺母、与进给支架端部固连的驱动环、与连接罩连接的推动板、与推动板中间位置固连的密封芯轴、与推动板固连的壁筒、通过定位螺钉设置在壁筒上的四个卡块、设置在进给螺栓左端部的V型填料密封机构、与V型填料密封机构固连的ROV扳手底座、设置在ROV扳手底座中的ROV扳手，液压缸设置在前导向板和后导向板上，进给螺母设置在进给螺栓上，推动板位于驱动环内，密封芯轴位于壁筒内，在连接罩与后导向板连接板之间还设置有弹簧，在V型填料密封机构与连接罩之间设置有起到支撑作用的连接柱；其中，密封机构主要由卡块、壁筒、密封芯轴、定位螺钉组成；拉近机构主要由前导向板、拉头、支撑板、连接罩、推动板、连接半圆板和液压缸组成；进给机构主要由后导向板、驱动环、ROV扳手底座、ROV扳手、进给螺栓、进给螺母、V型填料密封机构、弹簧、连接柱和后导向板连接板组成。

2.根据权利要求1所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：所述V型填料密封机构包括依次套在进给螺栓的光轴尾端上的支撑环，V型弹性填料、压环、填料压板，V型弹性填料在压环和支撑环的预紧压力下产生弹性形变，对径向产生挤压。

3.根据权利要求1或2所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：后导向板连接板上设置有配重。

4.根据权利要求1或2所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：进给螺栓上设置有环形凹槽，两个连接半圆板与环形凹槽配合。

5.根据权利要求3所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：进给螺栓上设置有环形凹槽，两个连接半圆板与环形凹槽配合。

6.根据权利要求1或2所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：所述弹簧和连接柱分别有4个。

7.根据权利要求3所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：所述弹簧和连接柱分别有4个。

8.根据权利要求4所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：所述弹簧和连接柱分别有4个。

9.根据权利要求5所述的深水卧式连接器压力帽，其特征在于：所述弹簧和连接柱分别有4个。

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