CN1833809A

CN1833809A - 高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置

Info

Publication number: CN1833809A
Application number: CN 200610073162
Authority: CN
Inventors: 焦向东; 房晓明; 陈家庆; 周灿丰; 张卫义; 张宝生; 章怡圣; 马洪新
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Beijing Institute of Petrochemical Technology; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; Beijing Institute of Petrochemical Technology; Offshore Oil Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2006-09-20

Abstract

本发明公开了一种高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，它包括有：一筒体齿形法兰，其一端固接在高压干式焊接试验舱的舱体上，另一端设置有齿；一封头齿形法兰，其一端固接在高压干式焊接试验舱的封盖上，另一端设置有齿；一卡箍圈，其中部设置有容置槽；筒体齿形法兰和封头齿形法兰有齿的端面通过该卡箍圈对接，且筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿容置于卡箍圈的容置槽中；筒体齿形法兰的有齿端面设置有一密封沟槽，该密封沟槽中设置有“U”形密封圈。本发明能够满足大直径试验舱要求，克服了两个半环梯形断面卡箍开快锁紧装置在大直径下锁紧不可靠的缺点；同时也克服了径向伸缩环块式快开锁紧装置在变形过大的情况下难以收回的不足。

Description

高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置

技术领域

本发明涉及中高压、大直径压力容器的快开锁紧装置，特别是涉及高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置。

背景技术

目前，对水下管道干式焊接修补主要可以分为围桶式、高压式和常压式三种，其中高压干式焊接水下高压干式焊接维修技术由美国于1954年率先提出，1966年开始用于生产，在北海海域已有300m以下深水域的成功焊接修补作业记录。除了水下生命保障、水面与水下通讯联络等配套系统外，水下干式高压焊接维修技术的核心问题首先在于水下干式高压焊接工艺，因为环境气体压力、环境气体成分、焊接修补对象材料特性等因素的变化，都会使得焊接电弧特性、冶金特性及焊接工艺特性受到不同程度的影响，因而在每次水下焊接修补作业之前都需要对焊接工艺参数进行研究，为此就需要建立相应的高压干式焊接工艺研究试验装置，试验装置的主体就是高压焊接试验舱。

干式高压焊接工艺研究试验装置必须能够满足以下要求：(1)能够模拟压力相对应于具体水深的气体环境，即能够实现可靠的高压气体密封；(2)能够迅速地启闭以更换焊接工艺试件；(3)能够在各种压力级别下可靠安全地工作；等等。

因工程背景特殊以及技术难度等问题，世界范围内已经建立的高压干式焊接工艺研究试验装置屈指可数，仅有Simweld、Hyperweld 250 Simulator等。Simweld由挪威国家石油公司(Stat Oil)、挪威Sintef在挪威科技大学(NTNU)建立，其快开锁紧装置为两个半环卡箍锁紧方式，接触配合断面为梯形，且最大焊接试件的直径仅300mm；Hyperweld 250 Simulator由英国Cranfield大学海洋技术中心研制，代表着目前世界高压干式焊接工艺研究的最高水平，但其快开锁紧装置为径向伸缩环块锁紧方式，装置内径为1.1m。

上述高压干式焊接工艺研究试验装置的快开锁紧装置结构复杂，而且也无法满足更大直径焊接试件的要求。为此有必要进一步研制开发新型的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于中高压、大直径压力容器的快开锁紧装置，特别是高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置。

为实现上述目的，本发明采取技术方案：一种高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，它包括有：一筒体齿形法兰，其直径与高压干式焊接试验舱的直径相同，该筒体齿形法兰的一端固接在高压干式焊接试验舱的舱体上，另一端设置有齿；一封头齿形法兰，其直径与所述筒体齿形法兰的直径相同，该封头齿形法兰的一端固接在高压干式焊接试验舱的封盖上，另一端设置有与筒体齿形法兰相同的齿；一卡箍圈，其中部设置有容置槽，其一端面设置有对应所述筒体齿形法兰以及封头齿形法兰的齿的齿槽；筒体齿形法兰和封头齿形法兰有齿的端面通过该卡箍圈对接，且筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿容置于卡箍圈的容置槽中；所述筒体齿形法兰的有齿端面设置有一密封沟槽，该密封沟槽中设置有“U”形密封圈，该筒体齿形法兰对应所述“U”形密封圈还设置有进气管路。

实际操作的时候，所述卡箍圈外圆柱面的底部设置有两个托轮，该托轮固定在高压干式焊接试验舱的外部支架上；所述卡箍圈外圆柱面还设置有两个驱动油缸，该驱动油缸的一端连接在卡箍圈外圆柱面，另一端连接在高压干式焊接试验舱的外部支架上。另外，所述卡箍圈的齿槽设置在相对封头齿形法兰的端面。

上述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置中，所述筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿环向尺寸在150～200mm之间。具体来说，所述高压干式焊接试验舱的内径为1600mm，所述筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿以及卡箍圈的齿槽数量为12个，卡箍圈的齿宽和齿槽对应的角度为14.5°和15.5°；所述筒体齿形法兰、封头齿形法兰以及卡箍圈的齿的轴向长度为80mm，高度为25mm。此外，所述筒体齿形法兰、封头齿形法兰以及卡箍圈的各过渡部位为圆弧过渡，过渡圆角半径为8mm。

上述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置中，所述高压干式焊接试验舱的舱体上设置有一卡箍圈旋转定位装置。

上述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置中，所述卡箍圈和封头齿形法兰的接触齿面为斜齿面。

本发明由于采取以上设计，其具有以下优点：

1、本发明能够满足大直径试验舱要求，克服了两个半环梯形断面卡箍开快锁紧装置在大直径下锁紧不可靠的缺点。

2、本发明克服了径向伸缩环块式快开锁紧装置在变形过大的情况下难以收回的不足。

3、本发明中，卡箍圈外圆柱面底部设置的两个托轮，充分确保卡箍圈的中心轴线与试验舱舱体中心轴线对中，而且，卡箍圈旋转定位装置的设置，更保证了卡箍圈在旋转时，卡箍圈的齿槽与筒体齿形法兰或封头齿形法兰的齿的对中问题。

4、本发明中，各过渡部位结构尺寸均设计成圆弧过渡，有效的避免了产生较大的应力集中现象，使本发明更加安全可靠。

5、本发明中，卡箍圈和封头齿形法兰的接触齿面还可以采用斜齿面，这样使得卡箍圈旋转时强迫封头齿形法兰与筒体齿形法兰之间的端面贴合以预先压紧“U”形密封圈。

附图说明

图1为本发明安装在高压干式焊接试验舱的结构示意图

图2为图1的右视图

图3为本发明中筒体齿形法兰的结构示意图

图4为本发明中卡箍圈的结构示意图

图5为图1的局部放大示意图

具体实施方式

如图1～图5所示，为本发明所提供的一种高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，它包括有：

一筒体齿形法兰1，其直径与高压干式焊接试验舱2的直径相同，该筒体齿形法兰1的一端固接在高压干式焊接试验舱的舱体21上，另一端设置有齿11；

一封头齿形法兰3，其直径与筒体齿形法兰1的直径相同，该封头齿形法兰3的一端固接在高压干式焊接试验舱的封盖22上，另一端设置有与筒体齿形法兰相同的齿31：

一卡箍圈4，其中部设置有容置槽41，其一端面设置有对应筒体齿形法兰以及封头齿形法兰的齿的齿槽42；筒体齿形法兰和封头齿形法兰有齿11、31的端面通过该卡箍圈4对接，且筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿11、31容置于卡箍圈4的容置槽41中；

筒体齿形法兰1的有齿端面设置有一密封沟槽12，该密封沟槽12中设置有“U”形密封圈5，筒体齿形法兰1对应“U”形密封圈5还设置有进气管路13。

本实施例中，为了确保卡箍圈4的中心轴线与试验舱舱体21中心轴线对中，特别在卡箍圈外圆柱面的底部设置有两个托轮6，该托轮6可以固定在高压干式焊接试验舱的外部支架10上；另外，卡箍圈4外圆柱面还设置有两个驱动油缸7，该驱动油缸7可以为双作用往复液压油缸，其一端连接在卡箍圈4外圆柱面，另一端连接在高压干式焊接试验舱的外部支架10上，驱动油缸7用于驱动卡箍圈4旋转。为了保证卡箍圈4旋转时，卡箍圈4的齿槽42与筒体齿形法兰1或封头齿形法兰3的齿11、31的对中问题，还特别在高压干式焊接试验舱的舱体1上设置有一卡箍圈旋转定位装置14。

本发明中，卡箍圈4可以采用整体圆环形锻件，也可以采用两个半环锻件固联的方式以方便组装。本实施例中，卡箍圈在相对封头齿形法兰3的一端面开有齿槽42而在相对筒体齿形法兰1的一侧无齿，卡箍圈上的齿槽42也必须和封头齿形法兰3上的齿形相对应，以使得封头齿形法兰上的齿31能够顺利地从卡箍圈上的齿槽42内进出。

在筒体齿形法兰1、封头齿形法兰3以及卡箍圈4直径不变的情况下，所开的齿数越多，齿根弦长就越短，开闭快开结构时卡箍圈4旋转的角度就越小，即完成快开结构开闭所需时间就越短；同时齿数越多，设备结构就越趋于轴对称，应力变化越趋于平缓；但齿数较多会增大加工量和制造难度，降低每个齿的刚度，影响对轴向力的承受能力。因此，齿形法兰的啮合齿数必须综合考虑，一般取每个齿的环向尺寸在150～200mm之间比较合适。对于内径为1600mm的高压干式焊接试验舱而言，可以选用12个齿沿齿形法兰1、3或卡箍圈4内圆周均布的结构，卡箍圈4的齿宽与齿槽对应的角度分别为14.5°和15.5°，这样可使得每个齿齿顶处的环向尺寸为202.458mm、齿槽处的环向尺寸为216.421mm。

另外，高压干式焊接试验舱充气状态下整个快开封头上会承受巨大的轴向力，该轴向力通过封头齿形法兰3、卡箍圈4、筒体齿形法兰1上的齿形接触啮合来承担。计算表明，当高压焊接试验舱内径为1600mm时，即使只有0.005MPa(0.05个大气压)的残余压力，作用在快开封头上的轴向力也达1吨(相应地，在1MPa或10个大气压力下的轴向力高达200吨，而在4MPa或40个大气压力下的轴向力则高达800吨)，因此对于接触啮合齿形的强度和可靠性一定要予以高度重视。本实施例中，两个齿形法兰1、3和卡箍圈4上三处齿形的轴向长度为80mm、高度为25mm，这样既保证了内压作用下齿面的挤压强度，又能承受齿的剪切强度，齿的高度较小可以使得齿受到的弯矩作用较小。此外，从应力分布的角度来看，筒体齿形法兰1、封头齿形法兰3和卡箍圈4上的齿根部分较为薄弱，该部分的结构尺寸是影响应力峰值尤其是尤其对高峰应力的一个重要因素；为避免产生较大的应力集中现象，将各过渡部位结构尺寸应设计成圆弧过渡，过渡圆角半径可以为8mm。

上述实施例中的“U”形密封圈5位于筒体齿形法兰1上的密封沟槽12之中，在试验舱充气升压之前，需要利用外界气源供气将“U”形密封圈5压紧贴于封头齿形法兰3的轴向端面上，以实现可靠的端面密封。在整个焊接工艺试验研究过程中，“U”形密封圈5的工艺压力一直应该维持在高于试验舱内模拟水下环境气氛压力1-2个大气压的水平。选择橡胶挤压型密封圈作为“U”形密封圈5时应考虑胶料的材料性能，如抗拉强度、耐磨性能、永久变形、硬度、耐热性、耐介质性和渗透性等，推荐使用硅橡胶密封材料。

另外，作为本发明的进一步改进，可以采用斜齿啮合密封结构，即卡箍圈4和封头齿形法兰3的接触齿面上采用斜齿面，这样使得卡箍圈4旋转时强迫封头齿形法兰3与筒体齿形法兰1之间的端面贴合以预先压紧“U”形密封圈5。接触齿形斜面既可以通过整体铣削、研磨加工而成，也可以通过在平齿面上加装左右斜块来达到同样的效果，这样还可以避免卡箍圈4与封头齿形法兰3接触齿面不必要的磨损修补。根据以往经验，与卡箍圈4齿形相固联的斜块可以选用40Cr，与封头齿形法兰3齿形相固联的斜块可以选用45#钢。

本发明在使用的时候，首先驱动两个驱动油缸7带动卡箍圈4旋转，并使卡箍圈4的齿槽42对正封头齿形法兰3的齿31，对正时候可以通过行程开关来控制定位；然后将高压干式焊接试验舱的封盖22开启，使封头齿形法兰的齿31从卡箍圈的齿槽42中退出，封盖22开启后，便可以实现对高压干式焊接试验舱内焊接工艺试件的放入或取出。关闭试验舱的时候，首先使封盖22带动封头齿形法兰的齿31进入卡箍圈的齿槽42中，并使封头齿形法兰的齿31与筒体齿形法兰的齿11紧贴，且封头齿形法兰的齿31与筒体齿形法兰的齿11位于卡箍圈的容置槽41中，然后驱动两个驱动油缸7带动卡箍圈4旋转复位，最后，通过筒体齿形法兰1上的进气管路13，并利用外界气源对“U”形密封圈5进行供气，使“U”形密封圈5压紧贴于封头齿形法兰3的轴向端面上，以实现可靠的端面密封。在整个焊接工艺试验研究过程中，“U”形密封圈5的工艺压力一直应该维持在高于试验舱内模拟水下环境气氛压力1-2个大气压的水平。

Claims

1、一种高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于，它包括有：

一筒体齿形法兰，其直径与高压干式焊接试验舱的直径相同，该筒体齿形法兰的一端固接在高压干式焊接试验舱的舱体上，另一端设置有齿；

一封头齿形法兰，其直径与所述筒体齿形法兰的直径相同，该封头齿形法兰的一端固接在高压干式焊接试验舱的封盖上，另一端设置有与筒体齿形法兰相同的齿；

一卡箍圈，其中部设置有容置槽，其一端面设置有对应所述筒体齿形法兰以及封头齿形法兰的齿的齿槽；筒体齿形法兰和封头齿形法兰有齿的端面通过该卡箍圈对接，且筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿容置于卡箍圈的容置槽中；

所述筒体齿形法兰的有齿端面设置有一密封沟槽，该密封沟槽中设置有“U”形密封圈，该筒体齿形法兰对应所述“U”形密封圈还设置有进气管路。

2、根据权利要求1所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述卡箍圈外圆柱面的底部设置有两个托轮，该托轮固定在高压干式焊接试验舱的外部支架上；所述卡箍圈外圆柱面还设置有两个驱动油缸，该驱动油缸的一端连接在卡箍圈外圆柱面，另一端连接在高压干式焊接试验舱的外部支架上。

3、根据权利要求1所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述卡箍圈的齿槽设置在相对封头齿形法兰的端面。

4、根据权利要求2所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述卡箍圈的齿槽设置在相对封头齿形法兰的端面。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿环向尺寸在150～200mm之间。

6、根据权利要求5所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述高压干式焊接试验舱的内径为1600mm，所述筒体齿形法兰和封头齿形法兰的齿以及卡箍圈的齿槽数量为12个，卡箍圈的齿宽和齿槽对应的角度为14.5°和15.5°；所述筒体齿形法兰、封头齿形法兰以及卡箍圈的齿的轴向长度为80mm，高度为25mm。

7、根据权利要求1或2或3或4或6所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述筒体齿形法兰、封头齿形法兰以及卡箍圈的各过渡部位为圆弧过渡，过渡圆角半径为8mm。

8、根据权利要求5所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述筒体齿形法兰、封头齿形法兰以及卡箍圈的各过渡部位为圆弧过渡，过渡圆角半径为8mm。

9、根据权利要求1或2或3或4或6或8所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述高压干式焊接试验舱的舱体上设置有一卡箍圈旋转定位装置。

10、根据权利要求3或4所述的高压干式焊接试验舱的快开锁紧装置，其特征在于：所述卡箍圈和封头齿形法兰的接触齿面为斜齿面。