WO2023087374A1 - 一种耐高温的海洋立管柔性接头 - Google Patents

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尤军峰
赵鉴超
唐春昱
王攀
赵媛媛
裴少帅
赵康
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Abstract

本发明公开一种耐高温的海洋立管柔性接头，能够满足摆角、高温液体输送等使用要求，且可靠性高。该柔性接头采用了两组接头组件上下对称布置的结构形式，在接头受轴向拉、压载荷时，均能够保证弹性元件处于受压状态，提高了接头的轴向承载能力，并提高了接头的使用寿命；在不增加接头外径的前提下，有效提高了接头允许的最大摆角，使接头可以在更为恶劣的海上工况下使用。

Description

一种耐高温的海洋立管柔性接头 技术领域
本发明涉及一种柔性接头，具体涉及一种耐高温的海洋立管柔性接头。
背景技术
在海洋水下资源勘探与开采系统中，立管系统作为水上平台和水下设备的连接通道，是水下生产系统的关键组成部分，深水立管柔性接头是连接立管系统与浮式平台的关键部件。
CN104483117B公开的《一种水下挠性装置的疲劳试验方法及装置》与CN207557006 U公开的《一种水下挠性接头弯、载组合试验装置》均为宝鸡石油机械有限公司申请的海洋立管柔性接头试验装置专利，其基于现有最常见的海洋立管柔性接头结构进行了试验设备与试验方法的设计，能够满足接头的样机试验、出厂检测等性能测试要求。
英国Dunlop公司的GB2190970A“Flexible joint”专利介绍了一种流体管道使用的柔性接头，其主要结构部件包括叠层橡胶接头，球面接头及波纹管结构。叠层橡胶接头主要提供回位力矩及阻尼，使连接管可以在一定范围内相对摆动，并在载荷消失后回位；球面接头防止叠层橡胶接头承受额外拉力，避免橡胶接头损坏，提高使用寿命及可靠性，并提供一定的密封功能；波纹管将内、外工作介质隔开，避免外界环境腐蚀接头造成工作失效。之后的海洋立管柔性接头结构多采用类似设计。
美国oil state公司的US7341283B2“High Temperature Flexible Pipe Joint”专利介绍了一种耐高温的海洋立管柔性接头，采用低热导率材料将高温液体与叠层橡胶接头隔开，同时采用高温性能更好的橡胶材料，并在接头周围采用波纹管及液体进行充分的散热。但该设计摆动角度较小，散热结构复杂，维护困难，不利于长时间使用。
在现有海洋立管柔性接头的结构中，普遍存在摆动角度小、散热结构复杂、加工工艺复杂、成本高等一系列问题。为了拓宽海洋立管柔性接头的使用范围，满足大摆角、高温液体输送等使用要求，需要进行新型的海洋立管柔性接头结构设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种耐高温的海洋立管柔性接头，能够满足摆角、高温液体输送等使用要求，且可靠性高。
所述的耐高温的海洋立管柔性接头，包括壳体和在所述壳体内部上下对称设置的两个接头组件；
所述接头组件包括：活动体、弹性元件、支撑球头和波纹管；所述活动体外侧通过所述弹性元件与所述壳体相连，内侧与所述支撑球头配合形成球关节；所述活动体与所述弹性元件的摆心一致；
两个所述接头组件的支撑球头之间形成移动副，能沿轴向相对移动设定距离；
位于两个所述活动体之间的支撑球头的外部通过所述波纹管密封；
所述接头组件与所述壳体之间形成移动副，防止二者发生相对翻转。
作为本发明的一种优选方式，两个所述接头组件支撑球头之间移动副方向上安装弹簧，所述弹簧处于预压状态，使所述支撑球头与所述活动体之间顶紧。
作为本发明的一种优选方式，所述壳体上分布有散热孔，使其形成开放式散热结构。
作为本发明的一种优选方式，所述弹性元件为采用增强件与橡胶层沿径向依次进行层叠而成，其最内侧和最外侧均为橡胶层；所述弹性元件的两端面设置耐腐蚀包覆层。
作为本发明的一种优选方式，所述壳体包括：上连接法兰、下连接法兰和中板；所述上连接法兰和所述下连接法兰同轴相对，分别与所述中板固接。
作为本发明的一种优选方式，所述上连接法兰和下连接法兰圆周面上开设有两个以上散热孔。
作为本发明的一种优选方式，所述活动体包括连接管、绝热层和金属内衬；
所述连接管一端为半球形壳体结构，用于和支撑球头配合形成球关节；所述绝热层和金属内衬从内向外依次设置在所述连接管半球形壳体结构的内表面。
作为本发明的一种优选方式，所述波纹管内部填充不可压缩、高沸点液体。
作为本发明的一种优选方式，令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球头，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头；
所述上支撑球头与下支撑球头均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构；所述上支撑球头的柱形结构同轴伸入下支撑球头的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头与下支撑球头间通过柱形面配合形成移动副。
作为本发明的一种优选方式，令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球体，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头；
所述上支撑球头与下支撑球头均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构；所述上支撑球头的柱形结构同轴伸入下支撑球头的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头与下支撑球头间通过柱形面配合形成移动副；
所述弹簧套装在所述上支撑球头柱形结构位于下支撑球头外的部分，所述弹簧的一端与所述上支撑球头球头端面抵触相连，另一端与所述下支撑球头柱形结构端面抵触相连。
作为本发明的一种优选方式，令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球头，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头；
所述上支撑球头与下支撑球头均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构；所述上支撑球头的柱形结构同轴伸入下支撑球头的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头与下支撑球头间通过柱形面配合形成移动副；
所述中板通过中心孔套装在所述下支撑球头柱形结构外部，与下支撑球头间通过柱面配合形成移动副。
作为本发明的一种优选方式，所述活动体与所述支撑球头配合间设置有密封件。
有益效果：
(1)本发明的柔性接头采用了两组接头组件上下对称布置的结构形式，在接头受轴向拉、压载荷时，均能够保证弹性元件处于受压状态，提高了接头的轴向承载能力，并提高了接头的使用寿命；在不增加接头外径的前提下，有效提高了接头允许的最大摆角，使接头可以在更为恶劣的海上工况下使用。
(2)本发明的柔性接头采用绝热层进行隔热，通过低导热率材料降低热量传播速度；同时采用开放式结构进行散热，充分利用海水对流换热对接头进行降温；采用的新型防热、散热技术，使接头最高工作温度大幅提高；
(3)本发明采用预压弹簧对球接头部分进行预紧，上、下支撑球头间可互相移动，而预压弹簧可以使上、下支撑球头始终向两侧顶紧，保证球面间密封件的可靠压缩，在不同载荷状态下均能保证密封可靠。
附图说明
图1为本发明的柔性接头的整体结构示意图；
图2为本发明的柔性接头的剖示图；
图3为上接头组件结构示意图；
图4为上/下支撑球头部分配合示意图；
图5为上/下波纹管安装示意图；
图6为弹性元件结构示意图。
其中：1-上连接管，2-上连接法兰，3-上弹性元件，4-上绝热层，5-上金属内衬，6-中板，7-连接螺栓，8-下连接法兰，9-下金属内衬，10-下绝热层，11-下弹性元件，12-下连接管， 13-密封件，14-上支撑球头，15-弹簧，16-上波纹管，17-下波纹管，18-下支撑球头，19-密封结构，20-波纹管内部空腔，21-增强件，22-橡胶层，23-包覆层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种大摆角、耐高温、可靠性高的海洋立管柔性接头。
如图1和图2所示，该海洋立管接头包括壳体和同轴对称设置的两个接头组件，令两个接头组件分别为上接头组件和下接头组件，上接头组件和下接头组件通过中板6同轴对接，使上接头组件和下接头组件的中心通孔连通，形成液体输送通道。
如图3所示，壳体包括：上连接法兰2、下连接法兰8和中板6；上连接法兰2和下连接法兰8同轴相对，设置在中板6上下两侧，上连接法兰2和下连接法兰8通过连接螺栓7与中板6固接为一体，组成该柔性接头的壳体。上连接法兰2和下连接法兰8圆周面上沿轴向均匀间隔开设有多个散热孔，使该柔性结构形成开放式散热结构。
上接头组件包括：上连接管1、上弹性元件3、上绝热层4、上金属内衬5、上支撑球头14和上波纹管16。
下接头组件包括：下连接管12、下弹性元件11、下绝热层10、下金属内衬9、下支撑球头18和下波纹管17。
下面以上接头组件为例，具体描述接头组件中各部件的连接关系。
如图2和图3所述，上连接管1一端具有轴肩，另一端为半球形壳体结构；其半球形壳体结构所在端伸入上连接法兰2内部(上连接管1半球形壳体结构开口向下)。上绝热层4和上金属内衬5从内向外依次采用粘接、焊接等方式固定敷设在上连接管1半球形壳体结构的内表面；且上绝热层4和上金属内衬5均向上连接管1的柱形段延伸设定长度。上连接管1、上绝热层4和上金属内衬5固接后形成上活动体。上活动体外侧通过上弹性元件3与上连接法兰2相连，内侧与上支撑球头14配合形成球关节，且球面间采用密封件13密封。具体的：
上连接法兰2与上连接管1半球形壳体结构相对的部分为球面结构，上活动体外球面与上连接法兰2球面结构之间为环形上弹性元件3，上弹性元件3外侧与上连接法兰2内侧固接，内侧与上活动体外侧面固接。上支撑球头14位于上活动体的半球形壳体结构内部，与半球形壳体结构内表面的上金属内衬5通过球面配合，且配合面上设置有密封件13。
下连接管12、下绝热层10和下金属内衬9采用上述同样的连接方式形成下活动体。下 活动体外侧通过下弹性元件11与下连接法兰8相连，内侧与下支撑球头18配合形成球关节，且球面间采用密封件13密封。
其中上活动体与上弹性元件3的摆心保持一致，下活动体与下弹性元件11的摆心保持一致。
如图4所示，上支撑球头14与下支撑球头18均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构，上支撑球头14的柱形结构同轴伸入下支撑球头18的空心柱形结构内部，由此上支撑球头14与下支撑球头18间通过柱形面配合形成移动副(即两者能够沿轴向相对移动)。上支撑球头14与下支撑球头18所形成的移动副存在限位(由上支撑球头14与下支撑球头18柱形结构的尺寸保证)，使其对接后的总长不能短于设定长度。弹簧15套装在上支撑球头14柱形结构位于下支撑球头18外的部分，即弹簧15的一端与上支撑球头14球头端面抵触相连，另一端与下支撑球头18柱形结构端面抵触相连；弹簧15处于预压状态，给弹簧15两侧的上支撑球头14与下支撑球头18提供张开力，使上/下支撑球头与上/下活动体间的密封件13处于压紧状态。
中板6通过中心孔套装在下支撑球头18柱形结构外部，与下支撑球头18间通过柱面配合形成移动副。下支撑球头18与中板6之间形成移动副，防止二者发生相对翻转。由于中板6会承受一部分转动力矩，为增大中板6与下支撑球头18之间的接触面积，将中板6中心向外延伸设定长度使其中部具有空心柱形结构。
如图5所示，上支撑球头14柱形结构处弹簧15的外部同轴套装上波纹管16(即上连接管1半球形壳体结构下端面与中板6上端面之间套装上波纹管16)，下支撑球头18外部同轴套装下波纹管17(即下连接管12半球形壳体结构上端面与中板6下端面之间套装下波纹管17)；其中上波纹管16下端与至中板6固接，上端与上连接管1固接；下波纹管17上端与中板6固接，下端与下连接管12固接。波纹管与各部件连接处均设置有密封结构19，密封结构19包括但不限于密封胶、密封圈、迷宫密封等。由此实现上连接管1半球形壳体结构和下连接管12半球形壳体结构之间部件的密封。波纹管内部空腔20内填充不可压缩、高沸点液体，如乙二醇等，起保护金属构件，传递热量的作用。
该立管接头受到外力矩作用时，上连接管1与下连接管12间发生相对摆动，由于上下两个接头组件为串联结构，上弹性元件3与下弹性元件11将摆角平分，并提供弹性力矩使上连接管1与下连接管12回位。上/下支撑球头与上/下活动体之间也会发生相对摆动，由于上弹性元件3与上支撑球头14的摆心、下弹性元件11与下支撑球头18的摆心分别重合，支撑球头不会对摆动产生额外影响(除摩擦力外)。另外，在弹簧15弹簧力作用下，上/下支撑球头与上/下活动体之间的球面密封件13始终保持压紧状态，保证密封结构工作正常。
在立管接头受轴向力作用时，若轴向力为拉力，则依靠上/下弹性元件的受压给予支撑，同时弹簧15保证上/下支撑球头与上/下活动体的球面压紧；若轴向力为压力，则通过上/下支撑球头移动副的限位避免上/下弹性元件处于受拉状态，提高使用寿命。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，对弹性元件(上弹性元件3和下弹性元件11的统称)的结构形式进行进一步限定。
上弹性元件3和下弹性元件11结构相同，以上弹性元件3为例。如图6所示，上弹性元件3采用叠层橡胶的方式设计，依次通过增强件21与橡胶层22沿径向进行层叠，且保证最内侧和最外侧均为橡胶层22，上弹性元件3通过径向两侧的橡胶层22分别与上连接管1和上连接法兰2固接。上弹性元件3的两端面增加橡胶包覆层23。增强件21与橡胶层22间隔布置，增强件21用于提供轴向强度，使弹性元件能够承受更高轴向载荷且不易失稳；橡胶层22用于提供弹性力矩，使弹性元件能够通过转动抵抗外力矩并顺利复位。两侧的橡胶包覆层23对叠层橡胶部分起到保护作用，避免功能区域的老化与海水腐蚀。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (12)

  1. 一种耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：包括壳体和在所述壳体内部上下对称设置的两个接头组件；
    所述接头组件包括：活动体、弹性元件、支撑球头和波纹管；所述活动体外侧通过所述弹性元件与所述壳体相连，内侧与所述支撑球头配合形成球关节；所述活动体与所述弹性元件的摆心一致；
    两个所述接头组件的支撑球头之间形成移动副，能沿轴向相对移动设定距离；
    位于两个所述活动体之间的支撑球头的外部通过所述波纹管密封；
    所述接头组件与所述壳体之间形成移动副，防止二者发生相对翻转。
  2. 如权利要求1所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：两个所述接头组件支撑球头之间移动副方向上安装弹簧(15)，所述弹簧(15)处于预压状态，使所述支撑球头与所述活动体之间顶紧。
  3. 如权利要求1所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述壳体上分布有散热孔，使其形成开放式散热结构。
  4. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述弹性元件为采用增强件(21)与橡胶层(22)沿径向依次进行层叠而成，其最内侧和最外侧均为橡胶层(22)；所述弹性元件的两端面设置耐腐蚀包覆层(23)。
  5. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述壳体包括：上连接法兰(2)、下连接法兰(8)和中板(6)；所述上连接法兰(2)和所述下连接法兰(8)同轴相对，分别与所述中板(6)固接。
  6. 如权利要求5所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述上连接法兰(2)和下连接法兰(8)圆周面上开设有两个以上散热孔。
  7. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述活动体包括连接管、绝热层和金属内衬；
    所述连接管一端为半球形壳体结构，用于和支撑球头配合形成球关节；所述绝热层和金属内衬从内向外依次设置在所述连接管半球形壳体结构的内表面。
  8. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述波纹管内部填充不可压缩、高沸点液体。
  9. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球头(14)，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头(18)；
    所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱 形结构；所述上支撑球头(14)的柱形结构同轴伸入下支撑球头(18)的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)间通过柱形面配合形成移动副。
  10. 如权利要求2所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球体(14)，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头(18)；
    所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构；所述上支撑球头(14)的柱形结构同轴伸入下支撑球头(18)的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)间通过柱形面配合形成移动副；
    所述弹簧(15)套装在所述上支撑球头(14)柱形结构位于下支撑球头(18)外的部分，所述弹簧(15)的一端与所述上支撑球头球头(14)端面抵触相连，另一端与所述下支撑球头(18)柱形结构端面抵触相连。
  11. 如权利要求5所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：令两个接头组件中，位于上方的接头组件中的支撑球头为上支撑球头(14)，位于下方的接头组件中的支撑球头为下支撑球头(18)；
    所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)均具有半球形的球头和与球头相连的空心柱形结构；所述上支撑球头(14)的柱形结构同轴伸入下支撑球头(18)的空心柱形结构内部，使所述上支撑球头(14)与下支撑球头(18)间通过柱形面配合形成移动副；
    所述中板(6)通过中心孔套装在所述下支撑球头(18)柱形结构外部，与下支撑球头(18)间通过柱面配合形成移动副。
  12. 如权利要求1或2或3所述的耐高温的海洋立管柔性接头，其特征在于：所述活动体与所述支撑球头配合间设置有密封件。
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