CN113090830A - 一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置及其使用方法，包括左管体和右管体；左管体端部成形有管接头一，右管体端部成形有管接头二；管接头一和管接头二的外侧面均逐渐凸起成锥环状；所述管接头一和管接头二的外侧均成形有螺纹且螺纹方向相反；管接头一螺纹连接有卡紧环一，管接头二螺纹连接有卡紧环二；卡紧环一和卡紧环二之间安装有密封件一，螺栓穿过卡紧环一、密封件一和卡紧环二与螺母连接固定；所述管接头一和管接头二之间自内向外依次安装于密封件二、密封件三和组合密封件。本发明能承受大变形的装置及降低冲击的变形的装置组成，实现了大冲击下大变形下的高密封性能与低集中应力，从而提高装置的使用寿命与安全系数。

Description

一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置及其使用 方法

技术领域

本发明属于机械领域，尤其涉及一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置及其使用方法。

背景技术

深海采矿系统是开采海底矿产资源必不可少的装备，其中扬矿管由管体和管接头组成，通过管接头连接扬矿管，其长度达数千米。扬矿管接口受到了因重力引起的薄壁压缩变形、高压扬矿泵周期往复运动，深海内潮流或者波浪造成的周期冲击力及其引起的弯曲变形。其变形位移复杂多变且波动。现有的管接头在大载荷及其冲击下的大变形下极易失效，使用寿命低，难以满足深海复杂工况的需要。本发明提供连接深海扬矿管的耐冲击连接装置与使用方法，能够降低在冲击下的变形及在变形下的管接头密封性能及集中应力，提高装置的安全系数与使用寿命，降低深海输矿系统的成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置及其使用方法，本发明能承受大变形的装置及降低冲击的变形的装置组成，实现了大冲击下大变形下的高密封性能与低集中应力，从而提高装置的使用寿命与安全系数。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，包括左管体和右管体；左管体端部成形有管接头一，右管体端部成形有管接头二；管接头一和管接头二的外侧面均逐渐凸起成锥环状；所述管接头一和管接头二的外侧均成形有螺纹且螺纹方向相反；管接头一螺纹连接有卡紧环一，管接头二螺纹连接有卡紧环二；卡紧环一和卡紧环二之间安装有密封件一，螺栓穿过卡紧环一、密封件一和卡紧环二与螺母连接固定；所述管接头一和管接头二之间自内向外依次安装于密封件二、密封件三和组合密封件；所述组合密封件包括固定在管接头一上的密封件五和固定在管接头二上的密封件四；密封件五和密封件四紧密接触。

进一步的改进，所述密封件二为圆环状的密封圈。

进一步的改进，所述密封件一为T形密封环件，密封件三为环形圆柱密封件。

进一步的改进，所述管接头一和管接头二均分别成形有与密封件一和密封件三配合的矩形环槽和椭圆弧形环槽，矩形环槽外侧为第一环形端部，矩形环槽和椭圆弧形环槽之间为第二环形端部，椭圆弧形环槽内侧为第三环形端部；。

进一步的改进，所述第三环形端部的厚度为管接头一和管接头二端面厚度的四分之一；椭圆弧形环槽的厚度为管接头一和管接头二端面厚度的五分之一；第二环形端部的厚度为管接头一和管接头二端面厚度的四份之一；矩形环槽的后度为管接头一和管接头二端面厚度的五分之一。

进一步的改进，所述卡紧环一和卡紧环二截面均为L状；卡紧环一和卡紧环二的长度与管接头一和管接头二的长度比为：.。

进一步的改进，所述管接头一和管接头二分别通过变槽宽与间距的T形螺纹与卡紧环一和卡紧环二螺纹连接。

进一步的改进，所述螺栓的螺帽与管接头一之间安装有垫圈一，螺母与管接头二之间安装有垫圈二；垫圈一和垫圈二由玻璃纤维，橡胶，环形高锰钢的弹簧组成。

进一步的改进，所述垫圈一和垫圈二的制作方法包括如下步骤：

步骤一、将成型的环形高锰钢的弹簧表层缠绕/涂敷两层玻璃纤维，所述玻璃纤维的耐高温点高于橡胶的软化温度，

步骤二、将涂敷了玻璃纤维的环形高锰钢的弹簧置入软化的圆柱形橡胶中，在预设温度T保持经过预设时间t,确保橡胶的性能及其与弹簧的连接；

步骤三、在橡胶与环形高锰钢的弹簧已成型一体的垫圈中末端增加一层橡胶纤维。

进一步的改进，所述橡胶纤维厚度为0.2mm；预设温度T为200℃，预设时间t为30分钟。

一种上述用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

在管接头一和管接头二的外侧分别螺纹连接有卡紧环一、卡紧环二；然后在管接头一和管接头二之间安装密封件二、密封件三和组合密封件；所述组合密封件包括固定在管接头一上的密封件五和固定在管接头二上的密封件四；将卡紧环一、卡紧环二之间安装密封件一，然后将螺栓穿过卡紧环一、密封件一和卡紧环二与螺母连接固定。

本发明优点：

本发明通过新型的能承受大变形的装置及降低冲击的变形的装置组成，实现了大冲击下大变形下的高密封性能与低集中应力，从而提高装置的使用寿命与安全系数。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明收到冲击时的结构示意图；

图3为管接头的剖面结构示意图；

图4为卡紧环的结构示意图；

图5为密封件一的结构式示意图。

其中，1管接头一，2卡紧环一，3螺栓的螺帽，4为垫圈一，5为密封件一，6为垫圈二，7螺栓的的螺杆，8卡紧环二，9管接头二，10为密封件二，11为密封件三，12为密封件四，13为密封件五，14矩形环槽，15椭圆弧形环槽，16第一环形端部，17第二环形端部，18第三环形端部，19区域一，20区域二，21区域三，22区域四，23区域五，24密封区域。

具体实施方式

实施例

如图1-5所示一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其主要由管接头，卡紧环，螺栓，垫圈一，密封件一，垫圈二，密封件二，密封件三，密封件四，密封件五组成。本发明通过新型的能承受大变形的装置及降低冲击的变形的装置组成，实现了大冲击下大变形下的高密封性能与低集中应力，从而提高装置的使用寿命与安全系数。

在深海恶劣工况导致的冲击下，不对连接处装置的弯曲中心产生法向作用力，使得法向作用力不经过旋转中心，形成切向作用力，形成连接处螺纹拧紧的预紧力，提高连接可靠性，降低冲击下的弯曲变形。

连接处的质心，连接装置的旋转中心，连接装置的冲击点件的距离变化可通过调节各处密封件，螺栓在不同测得长度与质量，拧紧变形实现。安装完成后，调节以上零件，使得在不同方向的冲击力不会经过旋转中心，从而降低冲击下的振动。

整个连接装置如图1所示。其中1与9为管接头一、二，2与8为卡紧环一、二，3与7分别为螺栓连接的螺帽与螺杆，4为垫圈一，5为密封件一，6为垫圈二，10为密封件二，11为密封件三，12为密封件四，13为密封件五。

管接头1与9分别为：将要连接的1根扬矿管末端的右侧(扬矿深海中的扬矿管下端)与另外1根扬矿管的左侧(扬矿深海中的扬矿管上端)。1与2，8与9之间通过变槽宽与间距的T形螺纹连接，其中，1与2间的T形螺纹连接旋向与8与9间的T形螺纹连接旋向相反，确保扬矿连接处在深海各个方向的冲击下紧密连接，且使得冲击力成为螺纹连接的预紧力，避免了在之前螺纹连接在冲击中逐渐松动，造成密封失效的情况。卡紧环2与8通过8个螺栓连接，8个螺栓在杨矿管的截面圆中均匀分布，其中螺栓连接由螺杆3，螺帽6组成。螺杆与卡紧环1通过4(垫圈一)，螺帽与卡紧环9通过6(垫圈二)连接接触，垫圈一由玻璃纤维，橡胶，环形高锰钢的弹簧组成，其形成工艺如下，(1)将成型的环形弹簧表层缠绕/涂敷2层玻璃纤维，通常玻璃纤维的耐高温点高于橡胶的软化温度，可选择耐高温点高于橡胶的软化温度的玻璃纤维。(2)将涂敷了玻璃纤维的弹簧置入软化的圆柱形橡胶中，在一定温度T保持经过一段时间t,其中保温温度T与保温时间t应通过试验确定，确保橡胶的性能及其与弹簧的连接，通常为保温温度为200°，时间为30分钟。(3)在橡胶与弹簧已成型一体的垫圈中末端增加一层橡胶纤维，其厚度约为0.2mm。这样的结构确保了，由于在冲击中，弹簧会发送往复变形，由于玻璃纤维具有润滑左右，降低了弹簧变形中弹簧与橡胶摩擦，特殊结构垫圈与螺栓，卡紧环的摩擦，且隔绝了海水中腐蚀性矿物质对弹簧，连接性能的负面影响。卡紧环2与8之间通过5(T形密封环件)连接接触。管接头1与9之间通过10(为密封件二)，11(为密封件三)，12(为密封件四)，13(为密封件五)连接接触。其中10(密封件二)为圆环状的密封圈，厚度为10mm，其外侧为内凹圆弧状，其外侧与11(为密封件三)接触，11为环形圆柱密封件，其外侧为平面，其中平面长度约为其截面圆半径。此截面与12(为密封件四)，13(为密封件五)连接接触，12与13分别嵌入管接头1与9中，12与13为环形的截面为T形的密封件，其上端与5(为密封件一)连接接触。其中管接头1与9件的密封件的预压缩量为2－3mm。以上的结构布置与设计，在预紧力及冲击力下，提高各密封件产生允许范围内最大变形的能力，且在反复交变冲击中，设计了不同结构的密封件，提高了密封件间的预应力，提高了密封能力。如在冲击下，深海扬矿管连接处发生了弯曲变形，弯曲的内侧为压缩变形，内内侧的密封件接触应力增加，不超过密封件的最大变形量，密封性能增加，弯曲的外侧为拉伸变形，其外侧的密封件间的接触应力降低。但是密封件5，10，11，12，13在其弯曲过程中形成了不同的轴向与径向的拉伸、压缩区域，形成接触应力增加层，接触应力降低层，密封区域24的详细过程如下：

(1)在管接口发生弯曲变形，环形的T形密封件12，13在弯曲的外侧发生向外侧的运动，增加区域三的变形，其变形不仅能够弥补由于弯曲外侧拉伸变形造成的接触应力降低，还提高了密封件12，13与管结构的接触应力，密封件12，13与密封间5的接触应力，形成应力增加区域二，区域一在弯曲拉伸变形下，接触应力降低，其内部抵抗能力降低，形成了接触应力降低区域一，由于密封件为圆环形件，8个螺栓占用密封件5的体积非常小，密封件在区域二20，区域三21的变形材料可流动到区域一19，提高区域一的接触应力，提高了密封能力，与此同时，其余区域的压缩变形量可流动到区域一，增加了其它区域的变形能力及最大变形量。区域四22的接触应力降低，但是由于密封件11与特殊结构管接头之间是球形接触，虽然在弯曲外侧的拉伸变形降低了接触应力，由于其接触面积相对较大，也在预压缩下的变形体积较大，其弯曲拉伸变形对其接触应力相对减少，但是接触面积大且球形弯曲接触有利于阻碍了液体的流动，提高了密封性能。且其变形量会向内外侧流动，区域三形成了接触应力增大区域，更多的变形量将向区域五流动，尽管弯曲拉伸变形，但是区域五23是弯曲拉伸变形量是整个弯曲拉伸区域最小的，降低了区域五的应力，但是区域五流动更多变形量增加了该区域的变形量，提高了接触应力，形成接触应力增大区域，提高了增大了此区域的密封性能。

在弯曲内侧，均为压缩区域，增加了其变形，密封性能增加，设计了不同结构的密封件及其组合，使得过的变形量向两端流动，增加了变形量均匀分布能力，提高了其最大变形能力。保证了密封性能。

扬矿管接口处的结构如图3所示。其末端斜面与竖直方向角度为10－15°，降低其在冲击载荷造成的弯曲变形使得两个管接头接触处的接触应力，增大密封件的体积，提高密封件的变形区域。1处长度约为扬矿管末端厚度的1/6，其与密封件10接触，2处为圆弧区域，其余密封件11接触，其两端的长度约为扬矿管末端厚度的1/3，3处长度约为扬矿管末端厚度的1/6，4处的长度约为扬矿管末端厚度的1/6，其凹槽深度为扬矿管末端厚度的1/5，5处的水平长度约为整根扬矿管长度的1/80，5处斜面与水平约为9－12°，顺时针方向，确保去弯曲变形量不大区弯曲管结构的最大间隙。增加其与特殊结构卡环的厚度，从而增加其强度。不同区域面接触均采用内凹圆弧过渡，其半径为0.2mm。

卡紧环，其结构如图4所示.卡紧环外端25处长度与杨矿管厚度比值为1：1，卡紧环外端的拐角26处为圆弧过渡，其圆弧半径为3mm，卡紧环外周27为斜面，斜面与水平约为4－6°，顺时针方向，其长度约为杨矿管接口区域长度的5/8，卡紧环的连接凸环内侧面28处位置与竖直方向约为30°，逆时针方向，其长度约为杨矿管的厚度比值约为1：2，其螺栓直径为10－8mm，27与28处通过内凹圆弧过渡，其圆弧过渡半径为1mm，卡紧环的内环面30处长度与扬矿管接口内端面29厚度的(图3)比值为1.2：1。通过确定以上位置，从而确定5处参数.

图5为连接装置的密封件一的结构示意图，为环形的，截面为T的特殊密封件。密封件一一侧端部最厚处31的厚度约为密封件一中部35处最小长度的1/4，另一侧最薄处32处的厚度约为35处长度的1/5，密封件一另一侧端部最厚处33厚度约为5处长度的1/4，密封件一一侧端部最薄处34处的厚度约为35处长度的1/5，31与34之间的内部圆弧为椭圆状，32与33之间的内部圆弧为椭圆状，主要用于安装预紧后，其造成的非对称预紧增加其密封性能，及其最大的允许变形能力。35处的最小长度(径向)与图4卡紧环35处的长度与杨矿管厚度1/6之和比值的1：1.05，增大零件5(图1中)与特殊结构卡紧环之间的距离，使其预变形量充满整个接触区域.形成大小不一样的接触压应力区域，提高在冲击变形时的密封性能.密封件(轴向)31，32，35处的长度比值为1：1：1.2，其中35处的长度为12－15mm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，包括左管体和右管体；左管体端部成形有管接头一(1)，右管体端部成形有管接头二(9)；管接头一(1)和管接头二(9)的外侧面均逐渐凸起成锥环状；所述管接头一(1)和管接头二(9)的外侧均成形有螺纹且螺纹方向相反；管接头一(1)螺纹连接有卡紧环一(2)，管接头二(9)螺纹连接有卡紧环二(8)；卡紧环一(2)和卡紧环二(8)之间安装有密封件一(5)，螺栓穿过卡紧环一(2)、密封件一(5)和卡紧环二(8)与螺母连接固定；所述管接头一(1)和管接头二(9)之间自内向外依次安装于密封件二(10)、密封件三(11)和组合密封件；所述组合密封件包括固定在管接头一(1)上的密封件五(13)和固定在管接头二(9)上的密封件四(12)；密封件五(13)和密封件四(12)紧密接触。

2.如权利要求1所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述密封件二(10)为圆环状的密封圈。

3.如权利要求1所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述密封件一(5)为T形密封环件，密封件三(11)为环形圆柱密封件。

4.如权利要求3所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述管接头一(1)和管接头二(9)均分别成形有与密封件一(5)和密封件三(11)配合的矩形环槽(14)和椭圆弧形环槽(15)，矩形环槽(14)外侧为第一环形端部(16)，矩形环槽(14)和椭圆弧形环槽(15)之间为第二环形端部(17)，椭圆弧形环槽(15)内侧为第三环形端部(18)。

5.如权利要求4所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述第三环形端部(18)的厚度为管接头一(1)和管接头二(9)端面厚度的四分之一；椭圆弧形环槽(15)的厚度为管接头一(1)和管接头二(9)端面厚度的五分之一；第二环形端部(17)的厚度为管接头一(1)和管接头二(9)端面厚度的四份之一；矩形环槽(14)的后度为管接头一(1)和管接头二(9)端面厚度的五分之一；所述卡紧环一(2)和卡紧环二(8)截面均为L状；卡紧环一(2)和卡紧环二(8)的长度与管接头一(1)和管接头二(9)的长度比为1：1.05。

6.如权利要求1所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述管接头一(1)和管接头二(9)分别通过变槽宽与间距的T形螺纹与卡紧环一(2)和卡紧环二(8)螺纹连接。

7.如权利要求1所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述螺栓的螺帽与管接头一(1)之间安装有垫圈一(4)，螺母与管接头二(9)之间安装有垫圈二(6)；垫圈一(4)和垫圈二(6)由玻璃纤维，橡胶，环形高锰钢的弹簧组成。

8.如权利要求7所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述垫圈一(4)和垫圈二(6)的制作方法包括如下步骤：

步骤一、将成型的环形高锰钢的弹簧表层缠绕/涂敷两层玻璃纤维，所述玻璃纤维的耐高温点高于橡胶的软化温度，

步骤二、将涂敷了玻璃纤维的环形高锰钢的弹簧置入软化的圆柱形橡胶中，在预设温度T保持经过预设时间t,确保橡胶的性能及其与弹簧的连接；

步骤三、在橡胶与环形高锰钢的弹簧已成型一体的垫圈中末端增加一层橡胶纤维。

9.如权利要求8所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置，其特征在于，所述橡胶纤维厚度为0.2mm；预设温度T为200℃，预设时间t为30分钟。

10.一种如权利要求1所述的用于连接深海扬矿管的耐冲击密封连接装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

在管接头一(1)和管接头二(9)的外侧分别螺纹连接有卡紧环一(2)、卡紧环二(8)；然后在管接头一(1)和管接头二(9)之间安装密封件二(10)、密封件三(11)和组合密封件；所述组合密封件包括固定在管接头一(1)上的密封件五(13)和固定在管接头二(9)上的密封件四(12)；将卡紧环一(2)、卡紧环二(8)之间安装密封件一(5)，然后将螺栓穿过卡紧环一(2)、密封件一(5)和卡紧环二(8)与螺母连接固定。

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