CN114718474A - 一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，包括多个前后依次串联的限弯器关节，相邻两个限弯器关节之间具有缓冲装置，所述缓冲装置的缓冲介质为弹性件。缓冲装置可以采用弹簧、弹性胶圈或者是多个周向分布的弹性件。本发明提出的缓冲装置可在柔顺性管缆的弯曲半径未达到限弯器的锁合半径阶段时，减少瞬间碰撞并保证限弯器及柔顺性管缆曲率平缓的过渡，不会由于曲率突变造成限弯器失效破坏。同时，缓冲装置结构具有缓冲减振的作用，无论是弯曲变形时还是复位时，都会发生平缓的过渡，不会因为复杂的海况造成柔顺性管缆和限弯器的疲劳破坏。

Description

一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构

技术领域

本发明涉及海洋机械技术领域，具体而言是一种限弯器，尤其涉及一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构。

背景技术

目前，我国海洋油气资源储量丰富，且大多数分布于南海等深水海域。而柔顺性管缆是深海油气开采的关键装备之一。桩基附近的柔顺性管缆在安装以及在位运行的过程中，会承受自重、海流、桩基、海床等因素的共同作用，由于柔顺性管缆的弯曲刚度较小，柔顺性管缆和固定端连接处很可能发生弯曲破坏，柔顺性管缆及其限弯器装置安装示意图如图1所示。一旦柔顺性管缆发生破坏，会造成很大的经济损失。为了防止柔顺性管缆发生破坏，需要采用限弯器对柔顺性管缆进行弯曲保护。限弯器既可以通过增加柔顺性管缆的局部刚度，有效地防止柔顺性管缆在应用时发生过度弯曲，还可以抑制柔顺性管缆在应用过程中的曲率持续增大，提高柔顺性管缆的使用寿命。

目前国内外的学术研究对传统的柔顺性管缆限弯器设计优化往往比较保守，仅仅在结构尺寸上做有限的修整。传统的限弯器都是由一系列相同形状及尺寸的圆筒形子结构组合而成，如图2所示，结构形式仍然庞大而且笨重，对海洋柔顺性管缆形成额外的负载，并且相应的生产安装费用得不到有效的缩减。限弯器相邻的两个子结构间都有适当的几何间隙余量，当子结构间通过相对运动锁合之后，限弯器达到锁紧状态，此时限弯器的弯曲半径即为锁合半径。

限弯器弯曲保护原理具体参考图3进行说明，图3(a)中OC段表示若柔顺性管缆无限弯器作用时，柔顺性管缆曲率会随着外部载荷的增加不断增大，当实际曲率超过柔顺性管缆的失效曲率时，柔顺性管缆发生弯曲破坏。图3(b)中OA段表示当柔顺性管缆受到外部载荷作用时开始发生弯曲变形，曲率增加，当外部载荷达到一定程度时，限弯器子结构间相互锁紧(A点)，整体达到锁紧状态，此时的限弯器变成一个弹性整体，柔顺性管缆当前的弯曲半径等于限弯器的锁合半径。当外部载荷持续增大时，限弯器开始对柔顺性管缆的弯曲变形起到限制的作用(AB段)，此时的外部载荷将由柔顺性管缆和限弯器共同承受，为柔顺性管缆附加额外的弯曲刚度，减缓柔顺性管缆继续弯曲变形程度。此时的柔顺性管缆虽然曲率仍然增大，但是由于限弯器的作用，有效地限制了柔顺性管缆的曲率，保证其小于极限曲率，进而保证柔顺性管缆不会发生弯曲破坏。但是现有的限弯器在未达到锁紧状态时，限弯器对柔性管揽几乎没有任何作用，柔顺性管缆自身承受全部的外部载荷，其曲率随外部载荷的增大而增大，当达到锁合半径瞬间，此时的限弯器子结构之间会造成瞬间冲击而导致限弯器发生失效破坏，从而造成柔顺性管缆断裂或损坏，对整个水下采油系统造成不可估量的损失。

由于柔顺性管缆对于限弯器的需求量之大，对现有的限弯器进行优化成为了不可忽视的研究问题。要在保证弯曲保护能力的同时，缩小限弯器的尺寸，降低限弯器结构的成本；而且，当柔顺性管缆的弯曲半径达到限弯器的锁合半径时，能够减小限弯器子结构间的瞬间冲击接触，有效缓冲限弯器子结构间的直接碰撞，延长限弯器的服役寿命才是正确的选择。因此，设计一种轻量化、工作性能好且使用寿命长的柔顺性管缆限弯器已成为我国海洋发展的迫切需求了。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构。

本发明采用的技术手段如下：

一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，包括多个前后依次串联的限弯器关节，相邻两个限弯器关节之间具有缓冲装置，所述缓冲装置的缓冲介质为弹性件。

优选地，所述限弯器关节包括前段、中间段和后段，所述后段的内壁的前部具有前段装配槽，位于后侧的所述限弯器关节的前段装配在位于前侧的所述限弯器关节的所述前段装配槽内，并与所述前段装配槽活动连接，所述后段的内壁的后部具有防止所述前段脱离的防脱部，所述中间段的外壁具有防脱部装配槽，位于后侧的所述限弯器关节的防脱部装配在位于后侧的所述限弯器关节的所述防脱部装配槽内。

优选地，所述前段的外壁具有第一弧形凸起，且所述第一弧形凸起的前端与所述前段的端部外沿通过圆弧平滑连接，所述防脱部装配槽为圆弧凹槽，所述第一弧形凸起的后端与所述圆弧凹槽的前端平滑连接，所述后段的外壁具有第二弧形凸起，所述第二弧形凸起的前端与所述圆弧凹槽的后端平滑连接；所述前段装配槽为与所述第一弧形凸起相适配的弧形槽，所述防脱部的内壁具有第三弧形凸起，所述第三弧形凸起的前端与所述弧形槽的后端平滑连接，所述第三弧形凸起的后端与所述第二弧形凸起的后端通过圆弧平滑连接。

缓冲装置可以采用多种方案，比如：

方案一：所述缓冲装置包括分别加工在所述后段的前端面和后端面的前端弹簧容纳槽和后端弹簧容纳槽，以及弹簧；所述弹性件为所述弹簧；所述弹簧的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后端弹簧容纳槽内，所述弹簧的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述前端弹簧容纳槽内。

方案二：所述缓冲装置包括弹性胶圈和卡箍，所述弹性件为所述弹性胶圈，所述后段的前后两端分别加工有前端限位凸起和后端限位凸起，所述弹性胶圈的前端通过卡箍安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后端限位凸起的前侧，所述弹性胶圈的后端通过卡箍安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述前端限位凸起的后侧。

优选地，所述缓冲装置还包括弹性垫圈，所述弹性垫圈安装在位于前侧的所述限弯器关节的前段装配槽与位于后侧的所述限弯器关节的前段之间。

方案三：所述缓冲装置包括前涨套、后涨套和多个围绕所述限弯器关节的轴线均匀分布的弹性体；所述弹性件为所述弹性体，所述前涨套将所述弹性体的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后段的后端，所述后涨套将所述弹性体的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述后段的前端。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

保持在原有工作强度基础上减轻重量，增加限弯器弯曲半径的可控性和抗瞬间冲击的能力，且应力分布均匀，从而提高结构安全系数和服役寿命。

1、本发明优化后的柔顺性管缆限弯器结构由于更加平滑，接触面积更大，所以在承受外荷载时结构内部应力分布更加均匀，有效地避免由于尖角处应力集中而造成破坏，提高了柔顺性管缆限弯器结构的使用寿命。

2、限弯器在达到锁合半径时，相临两个限弯器关节不可避免的会发生碰撞，因此采用缓冲装置进行缓冲，减少碰撞时的作用力。

3、本发明提出的缓冲装置可在柔顺性管缆的弯曲半径未达到限弯器的锁合半径阶段时，减少瞬间碰撞并保证限弯器及柔顺性管缆曲率平缓的过渡，不会由于曲率突变造成限弯器失效破坏。同时，缓冲装置结构具有缓冲减振的作用，无论是弯曲变形时还是复位时，都会发生平缓的过渡，不会因为复杂的海况造成柔顺性管缆和限弯器的疲劳破坏。

4、本发明优化后的柔顺性管缆限弯器结构比传统的柔顺性管缆限弯器结构减小16％的质量。在水下采油系统高投入和柔顺性管缆限弯器需求量如此大的前提下，显著地节约了水下采油系统的投入成本。

5、本发明提出弹性件都是基本的机械标准件，对于日后限弯器零件的维护更换更为简单。通过卡槽、卡箍和涨套等装置来拆装零件能够保证限弯器在结构简单的情况下实现良好的限弯功能。

基于上述理由本发明可在限弯器等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中柔顺性管缆及其限弯器装置安装示意图。

图2为背景技术中现有限弯器结构示意图。

图3为背景技术中限弯器原理图。

图4为本发明具体实施方式中限弯器关节示意图。

图5为本发明实施例1中一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构结构示意图。

图6为本发明实施例2中一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构结构示意图。

图7为本发明实施例3中一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构结构示意图。

图8为本发明实施例3中一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构剖视图。

图9为图8中A部放大图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图4所示，一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，包括多个前后依次串联的限弯器关节1，相邻两个限弯器关节1之间具有缓冲装置，所述缓冲装置的缓冲介质为弹性件。

所述限弯器关节1包括前段11、中间段12和后段13，所述后段的内壁的前部具有前段装配槽14，位于后侧的所述限弯器关节1的前段11装配在位于前侧的所述限弯器关节1的所述前段装配槽14内，并与所述前段装配槽14活动连接，所述后段13的内壁的后部具有防止所述前段11脱离的防脱部15，所述中间段12的外壁具有防脱部装配槽16，位于后侧的所述限弯器关节1的防脱部15装配在位于后侧的所述限弯器关节1的所述防脱部装配槽16内。

所述前段11的外壁具有第一弧形凸起111，为向外的凸起，且所述第一弧形凸起的前端与所述前段11的端部外沿通过圆弧平滑连接，所述防脱部装配槽16为圆弧凹槽161，所述第一弧形凸起111的后端与所述圆弧凹槽161的前端平滑连接，所述后段13的外壁具有第二弧形凸起131，为向外的凸起，所述第二弧形凸起131的前端与所述圆弧凹槽161的后端平滑连接；所述前段装配槽14为与所述第一弧形凸起111相适配的弧形槽141，所述防脱部15的内壁具有第三弧形凸起151，凸起朝向轴线方向，为向内的凸起，所述第三弧形凸起151的前端与所述弧形槽141的后端平滑连接，所述第三弧形凸起151的后端与所述第二弧形凸起131的后端通过圆弧平滑连接。

实施例1

如图4和5所示，所述缓冲装置包括分别加工在所述后段13的前端面和后端面的前端弹簧容纳槽2和后端弹簧容纳槽3，以及弹簧4；所述弹性件为所述弹簧4；所述弹簧4的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节1的所述后端弹簧容纳槽3内，所述弹簧4的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节1的所述前端弹簧容纳槽2内。弹簧4经过防锈处理。弹簧4可以在柔顺性管缆的弯曲半径未达到限弯器的锁合半径这一阶段，减弱由于曲率突变造成的瞬间冲击。

实施例2

如图4和6所示，所述缓冲装置包括弹性胶圈5和卡箍6，所述弹性件为所述弹性胶圈5，所述后段13的前后两端分别加工有前端限位凸起7和后端限位凸起8，所述弹性胶圈5的前端通过卡箍6安装在位于前侧的所述限弯器关节1的所述后端限位凸起8的前侧，所述弹性胶圈5的后端通过卡箍6安装在位于后侧的所述限弯器关节1的所述前端限位凸起7的后侧。

所述缓冲装置还包括弹性垫圈9，所述弹性垫圈9安装在位于前侧的所述限弯器关节1的前段装配槽14与位于后侧的所述限弯器关节1的前段之间。

弹性胶圈5通过卡箍6固定在限弯器中，当柔顺性管缆发生弯曲变形时带动限弯器弯曲变形，由于弹性胶圈5的张拉作用，会使限弯器及柔顺性管缆的曲率发生平缓的过渡，避免引起曲率的突变。在两个限弯器关节1连接处添加弹性垫圈9，防止复位时造成瞬间碰撞，起到缓冲减振的作用。

实施例3

如图4,7～9所示，所述缓冲装置包括前涨套10、后涨套11和多个围绕所述限弯器关节1的轴线均匀分布的弹性体12；所述弹性件为所述弹性体12(可为具有弹性的橡胶制备)，所述前涨套10将所述弹性体12的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节1的所述后段13的后端，所述后涨套11将所述弹性体12的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节1的所述后段13的前端。

限弯器关节之间通过环绕四周均匀分布的多个呈离散式的弹性件相连，当柔顺性管缆发生弯曲变形时，带动限弯器弯曲变形，使一侧弹性件受拉张紧，另一侧弹性件放松。以减小弯曲过程中作用在柔顺性管缆上的载荷，减小当达到限弯器锁合半径时的瞬间冲击，从而达到保护限弯器，提高使用寿命的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，包括多个前后依次串联的限弯器关节，其特征在于，相邻两个限弯器关节之间具有缓冲装置，所述缓冲装置的缓冲介质为弹性件。

2.根据权利要求1所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，所述限弯器关节包括前段、中间段和后段，所述后段的内壁的前部具有前段装配槽，位于后侧的所述限弯器关节的前段装配在位于前侧的所述限弯器关节的所述前段装配槽内，并与所述前段装配槽活动连接，所述后段的内壁的后部具有防止所述前段脱离的防脱部，所述中间段的外壁具有防脱部装配槽，位于后侧的所述限弯器关节的防脱部装配在位于后侧的所述限弯器关节的所述防脱部装配槽内。

3.根据权利要求2所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，所述前段的外壁具有第一弧形凸起，且所述第一弧形凸起的前端与所述前段的端部外沿通过圆弧平滑连接，所述防脱部装配槽为圆弧凹槽，所述第一弧形凸起的后端与所述圆弧凹槽的前端平滑连接，所述后段的外壁具有第二弧形凸起，所述第二弧形凸起的前端与所述圆弧凹槽的后端平滑连接；所述前段装配槽为与所述第一弧形凸起相适配的弧形槽，所述防脱部的内壁具有第三弧形凸起，所述第三弧形凸起的前端与所述弧形槽的后端平滑连接，所述第三弧形凸起的后端与所述第二弧形凸起的后端通过圆弧平滑连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，缓冲装置包括分别加工在所述后段的前端面和后端面的前端弹簧容纳槽和后端弹簧容纳槽，以及弹簧；所述弹性件为所述弹簧；所述弹簧的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后端弹簧容纳槽内，所述弹簧的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述前端弹簧容纳槽内。

5.根据权利要求2或3所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，所述缓冲装置包括弹性胶圈和卡箍，所述弹性件为所述弹性胶圈，所述后段的前后两端分别加工有前端限位凸起和后端限位凸起，所述弹性胶圈的前端通过卡箍安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后端限位凸起的前侧，所述弹性胶圈的后端通过卡箍安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述前端限位凸起的后侧。

6.根据权利要求5所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，所述缓冲装置还包括弹性垫圈，所述弹性垫圈安装在位于前侧的所述限弯器关节的前段装配槽与位于后侧的所述限弯器关节的前段之间。

7.根据权利要求2或3所述的一种柔顺性管缆半离散半连续缓冲型限弯器结构，其特征在于，所述缓冲装置包括前涨套、后涨套和多个围绕所述限弯器关节的轴线均匀分布的弹性体；所述弹性件为所述弹性体，所述前涨套将所述弹性体的前端安装在位于前侧的所述限弯器关节的所述后段的后端，所述后涨套将所述弹性体的后端安装在位于后侧的所述限弯器关节的所述后段的前端。

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