CN113550716A - 一种适用于水下设备安装的导向柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于水下设备安装的导向柱，解锁机构用于导向柱的解锁，固定机构用于导向柱的固定；通过向锁紧机构施加轴向力可将导向柱解锁；支撑环与外筒通过吊环螺钉连接，用于保证顶头柱运动时的同轴度；外筒的侧壁设置了四个拱形孔，拱形孔底面设计为斜面；固定机构中弹簧插销伸出端弹簧插销的伸出端下表面设计为斜面，受到应力会挤压弹簧缩回，上表面为梯形面；外筒外壁面设置了四个导向块与底座配合提供定位。本发明下放时利用重力外筒顶回弹簧插销，当完全下放到底座后，弹簧插销插入拱形孔锁定导向柱；向解锁头施加轴向力从而使顶头柱向下运动顶回弹簧插销解锁导向柱，锁定与解锁的功能使导向柱在工作过程中更具稳定性，提高工程质量。

Description

一种适用于水下设备安装的导向柱

技术领域

本发明涉及一种导向柱，尤其涉及一种适用于水下设备安装的导向柱。

背景技术

石油和天然气作为不可再生资源，随着人类大量的消耗，陆地上有限的石油和天然气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和开发已经成为世界各工业国关注的重点和焦点。我国海洋油气开发能力经过几十年的努力虽然有了质的飞跃，但与发达国家相比，海洋油气的勘查与开采能力还是相对不足。目前，我国近海原油探明率不足20％，天然气探明率不足10％，且70％的油气储量位于深水海域。渤海、东海、南海北部三大石油勘探区，石油资源勘探正式进入起步期，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、水下管汇、SCM和立管等等。但是由于海底工作环境的特殊性，例如洋流、海底的能见度、海水振动等等，给水下装备的下放带来了极大的问题。针对下放安装，人类进行了大量的思考和设计，例如在生产设备上设计导向机构、水下机器人辅助安装等等，但单一的导向机构不足以将生产设备正确安装，必须设置多个导向，且不合理和水下搁置的导向机构会影响后续安装工作的进行，等等原因给生产设施的安装带来了极大的难题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种适用于水下设备安装的导向柱，该导向柱在水下可由ROV机械手安装和拆卸，操作简单，只需施加轴向力便可实现锁定和解锁；使用后可由ROV回收不影响后续工作的进行，有效提高了安装的效率；该导向柱固定牢固，提高了工程的可靠性。

本发明的目的是这样实现的：包括解锁机构和固定机构，解锁机构包括导向头、解锁头、推块、顶头柱、外筒，导向头与外筒通过锁定螺栓连接构成导向柱外壳，在导向头内壁等间距设置有导轨，导轨的下端面为斜面，解锁头、推块、顶头柱外表面分别设置有与导轨配合的竖直滑槽，在解锁头的下端、推块的上端设置有相互配合的锯齿特征，在顶头柱与外筒之间还设置有支撑环，顶头柱的下端设置有凹槽，凹槽中设置有长螺栓，长螺栓的头部伸出至外筒的轴向孔且伸出端与大螺母连接，顶头柱的端部还通过吊环螺钉连接有弹簧压板，长螺栓的螺帽端被弹簧压板轴向短程约束，长螺栓的螺杆上套有矩形弹簧，矩形弹簧的两端分别由弹簧压板和内筒下端固定；固定机构包括底座、与底座连接的底座定位套筒、等间距设置在底座套筒周向上的弹簧插销机构，底座定位套筒内表面等间距设置有滑槽，外筒壁的外表面的周向上设置有导向块，滑槽的数量与导向块的数量相等，在外筒壁的外表面的周向上还设置有与弹簧插销机构数量相等的拱形孔。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述拱形孔、弹簧插销机构、滑槽、导向块均有四个。

2.拱形孔底面设计为斜面；弹簧插销机构包括设置在底座定位套筒内的定位套筒、设置在定位套筒内的弹簧、弹簧插销、设置在定位套筒端部的端盖，弹簧插销的伸出端下表面为与拱形孔底面的下面配合的斜面、上表面为梯形面。

3.四个竖直滑槽的导向面为弧面。

4.导向柱底座预置于深海并固定，导向柱可通过吊车吊装，并依靠ROV机械手调整角度插入预先安装好底座；导向柱下放时，通过重力使外筒侧壁和弹簧插销面配合挤回弹簧插销，导向柱底端面接触底座底面后弹簧插销插入外筒侧壁拱形孔完成锁定；导向柱解锁时，通过ROV机械手向导向柱解锁头施加轴向力，使解锁头和推块利用滑槽沿着导向头的导轨推动顶头柱向下运动，当推块的滑槽脱离导向头导轨时，运动产生的径向力会使推块旋转，从而使推块的锯齿特征进入解锁头中使推块不能回缩，顶头柱使弹簧插销部分收缩，此时回收导向柱，弹簧插销的剩余伸出端底斜面会和外筒侧壁的拱形孔底斜面配合，在轴向力带动下回缩实现解锁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的导向柱在水下可由ROV机械手安装和拆卸，操作简单，只需施加轴向力便可实现锁定和解锁；使用后可由ROV回收不影响后续工作的进行，有效提高了安装的效率；该导向柱固定牢固，提高了工程的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种适用于水下设备安装的导向柱下放示意图。

图2为本发明一种适用于水下设备安装的导向柱的解锁机构剖视图。

图3为本发明一种适用于水下设备安装的导向柱的固定机构剖视图。

图4明一种适用于水下设备安装的导向柱的解锁机构解锁示意图。

图5a、图5b均为本发明一种适用于水下设备安装的导向柱固定结构锁定示意图。

图6a、图6b均为本发明一种适用于水下设备安装的导向柱的固定机构解锁示意图。

图中主要标号说明：1导向头、2解锁头、3推块、4锁定螺钉、5顶头柱、6支撑环、7吊耳螺钉、8外筒、9螺钉、10定位套筒、11弹簧、12弹簧压板、13长螺栓、14矩形弹簧、15底座定位套筒、16大螺母、17底座、18长螺栓固定盖、18弹簧插销、19端盖、18长螺栓固定盖、1’导向块、2’拱形孔、3’滑槽。

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。

本发明提供一种适用于水下设备安装的导向柱，所述的导向柱包括解锁机构和固定机构，其中解锁机构包括一个导向头、一个解锁头、一个推块、一个顶头柱、一个外筒、一个支撑环、一个端盖、一个矩形弹簧、一个大螺母、一个筒盖、二个吊环螺钉、若干螺钉，固定机构包括一个固定底座、四个插销、四个定位套筒、四个弹簧、四个端盖、若干螺钉。导向柱下放后插入固定底座，外筒外壁面的四个导向块可与底座顶面处的四个定位槽配合提供定位；下放时可通过外筒底部倒角与弹簧插销的上斜面接触从而顶回弹簧插销；下放完成时，弹簧插销伸出插入外筒侧壁的拱形孔。解锁机构用于导向柱的解锁，固定机构用于导向柱的固定；通过向锁紧机构施加轴向力可将导向柱解锁；支撑环与外筒通过吊环螺钉连接，用于保证顶头柱运动时的同轴度；外筒的侧壁设置了四个拱形通孔，拱形通孔底面设计为斜面；固定机构中的弹簧插销伸出端下表面横截面为斜面，上表面横截面为梯形面，固定和解锁时可被配合的斜面挤压回定位套筒；外筒的外壁面设置了四个导向块可与底座配合提供定位。该导向柱下放时利用重力外筒顶回弹簧插销，当完全下放到底座后，弹簧插销插入拱形孔锁定导向柱；向解锁头施加轴向力从而使顶头柱向下运动顶回弹簧插销解锁导向柱，锁定与解锁的功能使导向柱在工作过程中更具稳定性，提高了工程的质量。

导向头的顶部为球形用于导向，可利用外部设备插入导向头的轴孔向解锁头施加轴向力，轴向力使顶头柱顶回弹簧插销，从而完成对导向柱的解锁。导向头内壁设置有四个导轨，导轨底面为45度斜面，导轨可于解锁头和推块的竖直滑槽中滑行；解锁头的周面有四个间隔90度竖直滑槽以及周面下部滑槽的间隔设计有锯齿特征；推块的周面有四个间隔90度竖直滑槽以及周面上部的滑槽间隔设计可与解锁头的锯齿啮合的锯齿特征。轴向力施加于解锁头时，解锁头、顶头柱、推块沿着导向头的导轨向下运动，当推块的滑槽脱离导轨时，运动产生的径向力会使推块旋转，从而使推块的锯齿特征阻断解锁头的滑槽中卡住解锁头实现解锁。支撑环与外筒通过用于吊装的吊环螺钉连接，可保证顶头柱运动时的同轴度，防止弯曲变形。外筒的侧壁设置了四个拱形孔，拱形孔的底面设计为斜面，与弹簧插销的底面角度相同。弹簧插销的伸出端下表面设计为斜面，受到应力会挤压弹簧缩回，上表面设计为梯形面。底座的四个滑槽导向面为弧面，可提高对导向柱外筒的导向块的导向。

如图1、图2、图3、图4、图5a-b、图6a-b所示，本发明提供了一种适用于水下设备安装的导向柱，其中锁紧机构导向柱下放后插入固定底座，外筒外壁面8的四个呈90°的导向块1’可与底座17的四个滑槽3’配合提供定位；外筒8可利用底部倒角与弹簧插销19上斜面接触顶回从而弹簧插销19；导向柱下放完成时，弹簧插销19伸出插入外筒8侧壁的四个拱形孔完成锁定。导向头1的顶部为球面用于导向，可借助外部设备插入导向头1的轴孔向解锁头施加轴向力，轴向力使顶头柱5顶回弹簧插销19完成对导向柱的解锁。导向头1内壁设置有四个导轨，导轨底面为45度斜面，导轨可于解锁头2和推块3的竖直滑槽中滑行；解锁头2周面有四个间隔45度竖直滑槽以及周面下部滑槽的间隔设计有锯齿特征；；推块3的四个滑槽间隔处设计有锯齿特征，锯齿角度为45度，可与解锁头2的锯齿啮合。轴向力施加于解锁头2时，使解锁头2、和推块3利用滑槽沿着导向头1的导轨推动顶头柱5向下运动，当推块3的滑槽脱离导向头1导轨时，运动产生的径向力会使推块3旋转，迫使推块3的锯齿特征进入解锁头2的滑槽中卡住推块3实现解锁。支撑环6与外筒8通过用于吊装的吊环螺钉7连接，支撑环6可保证顶头柱5运动时的同轴度，防止弯曲变形。外筒8的侧壁设置了四个拱形孔2’，拱形孔2’的底面设计为斜面，与弹簧插销19的底面角度相同，回收导向柱时向上施加轴向力斜面可顶回弹簧插销19。弹簧插销19的伸出端下表面设计为斜面，上表面设计为梯形面；底座17的四个滑槽3’导向面为弧面，可提高对导向柱外筒8导向块的导向。

本发明一种适用于水下设备安装的导向柱：导向头1下部套入外筒8的上部构成导向柱外壳，二者轴向通过锁定螺钉4定位，其他导向柱零部件安装于外壳内；推块3的上端锯齿特征和解锁头下端锯齿特征配合连接，另一端嵌入顶头柱5轴向凹槽内；支撑环6的内径套入顶头柱5长轴处，通过吊耳螺钉7定位；定位套筒、弹簧11、弹簧插销19、端盖20构成弹簧插销机构，弹簧插销机构安装于底座定位套筒15中；底座定位套筒15和底座17通过焊接连接；顶头柱5底面开有凹槽，长螺栓13的螺栓头部置于凹槽中，弹簧压板12与长螺栓固定盖20焊接，长螺栓固定盖18通过螺钉9与顶头柱5连接，长螺栓13螺帽处被弹簧压板1轴向短程约束；长螺栓13螺杆处套有矩形弹簧14，头部伸出外筒8的轴向孔，伸出端与大螺母16螺纹连接。

本发明一种适用于水下设备安装的导向柱的工作原理及优点：

1.导向柱底座预置于深海并固定，导向柱可通过吊车吊装，并依靠ROV机械手调整角度插入预先安装好底座17中；如图4、图5a、图5b、图6a、图6b所示，导向柱下放时，可直接通过重力使外筒8侧壁和弹簧插销面配合挤回弹簧插销，导向柱底端面接触底座底面后弹簧插销插入外筒8侧壁拱形孔2’完成锁定；导向柱解锁时，通过ROV机械手向导向柱解锁头2施加轴向力，使解锁头2、和推块3利用滑槽沿着导向头1的导轨推动顶头柱5向下运动，当推块3的滑槽脱离导向头1导轨时，运动产生的径向力会使推块3旋转，从而使推块3的锯齿特征进入解锁头2的滑槽轨道中使推块3不能回缩，从而使弹簧插销19部分收缩，此时回收导向柱，弹簧插销19的剩余伸出端底斜面会和外筒8侧壁的拱形孔2’底斜面配合，在轴向力带动下回缩实现解锁。

2.适用于水下设备安装的导向柱具有固定与解锁功能，可有效减少工作中时产生振动的危害，以及减少了后续工作的阻碍性，提高了设备安装的稳定性。

3.适用于水下设备安装的导向柱的导向高度设置长度为3.5米长，在顶头柱5长轴处套入支撑环6可有效降低解锁过程中导致的弯曲变形，增加了其刚性。

4.适用于水下设备安装的导向柱的导向头1设置为球面，可和被导向设备的导向结构更容易形成配合，提高了工程的效率。

5.适用于水下设备安装的导向柱的底座定位套筒15的滑槽3’导向面为弧面，可使导向柱下放时更容易进入底座定位套筒15。

6.适用于水下设备安装的导向柱可在顶部施加轴向力进行解锁，减轻了ROV机械手的操作难度，可有效减低整个施工时间，降低了工程的损耗。

7.适用于水下设备安装的导向柱为纯机械结构，使其整个结构的稳定性得到提升，大大提高了其可靠性。

综上，本发明提供一种适用于水下设备安装的导向柱，所述的导向柱包括解锁机构和固定机构，其中解锁机构包括一个导向头、一个解锁头、一个推块、一个顶头柱、一个外筒、一个支撑环、一个矩形弹簧、一个长螺栓、一个大螺母、二个吊环螺钉、若干螺钉，固定机构包括一个固定底座、四个插销、四个定位套筒、四个弹簧、四个端盖、若干螺钉。其改进之处在于：解锁机构用于导向柱的解锁，固定机构用于导向柱的固定；通过向锁紧机构施加轴向力可将导向柱解锁；支撑环与外筒通过吊环螺钉连接，用于保证顶头柱运动时的同轴度；外筒的侧壁设置了四个拱形孔，拱形孔底面设计为斜面；固定机构中的弹簧插销伸出端弹簧插销的伸出端下表面设计为斜面，受到应力会挤压弹簧缩回，上表面设计为梯形面；外筒的外壁面设置了四个导向块可与底座配合提供定位。该导向柱下放时利用重力外筒顶回弹簧插销，当完全下放到底座后，弹簧插销插入拱形孔锁定导向柱；向解锁头施加轴向力从而使顶头柱向下运动顶回弹簧插销解锁导向柱，锁定与解锁的功能使导向柱在工作过程中更具稳定性，提高了工程的质量。

Claims (5)

1.一种适用于水下设备安装的导向柱，其特征在于：包括解锁机构和固定机构，解锁机构包括导向头、解锁头、推块、顶头柱、外筒，导向头与外筒通过锁定螺栓连接构成导向柱外壳，在导向头内壁等间距设置有导轨，导轨的下端面为斜面，解锁头、推块、顶头柱外表面分别设置有与导轨配合的竖直滑槽，在解锁头的下端、推块的上端设置有相互配合的锯齿特征，在顶头柱与外筒之间还设置有支撑环，顶头柱的下端设置有凹槽，凹槽中设置有长螺栓，长螺栓的头部伸出至外筒的轴向孔且伸出端与大螺母连接，顶头柱的端部还通过吊环螺钉连接有弹簧压板，长螺栓的螺帽端被弹簧压板轴向短程约束，长螺栓的螺杆上套有矩形弹簧，矩形弹簧的两端分别由弹簧压板和内筒下端固定；固定机构包括底座、与底座连接的底座定位套筒、等间距设置在底座套筒周向上的弹簧插销机构，底座定位套筒内表面等间距设置有滑槽，外筒壁的外表面的周向上设置有导向块，滑槽的数量与导向块的数量相等，在外筒壁的外表面的周向上还设置有与弹簧插销机构数量相等的拱形孔。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水下设备安装的导向柱，其特征在于：所述拱形孔、弹簧插销机构、滑槽、导向块均有四个。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于水下设备安装的导向柱，其特征在于：拱形孔底面设计为斜面；弹簧插销机构包括设置在底座定位套筒内的定位套筒、设置在定位套筒内的弹簧、弹簧插销、设置在定位套筒端部的端盖，弹簧插销的伸出端下表面为与拱形孔底面的下面配合的斜面、上表面为梯形面。

4.根据权利要求3所述的一种适用于水下设备安装的导向柱，其特征在于：四个竖直滑槽的导向面为弧面。

5.根据权利要求1或4所述的一种适用于水下设备安装的导向柱，其特征在于：导向柱底座预置于深海并固定，导向柱可通过吊车吊装，并依靠ROV机械手调整角度插入预先安装好底座；导向柱下放时，通过重力使外筒侧壁和弹簧插销面配合挤回弹簧插销，导向柱底端面接触底座底面后弹簧插销插入外筒侧壁拱形孔完成锁定；导向柱解锁时，通过ROV机械手向导向柱解锁头施加轴向力，使解锁头和推块利用滑槽沿着导向头的导轨推动顶头柱向下运动，当推块的滑槽脱离导向头导轨时，运动产生的径向力会使推块旋转，从而使推块的锯齿特征进入解锁头中使推块不能回缩，顶头柱使弹簧插销部分收缩，此时回收导向柱，弹簧插销的剩余伸出端底斜面会和外筒侧壁的拱形孔底斜面配合，在轴向力带动下回缩实现解锁。

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