一種海洋複合柔性管用預壓自緊接頭的製作方法

2023-06-11 22:06:31

本發明涉及海洋複合柔性管接頭技術領域,具體涉及一種應用於石油或水高壓輸送的新型海洋纖維增強複合柔性管用接頭，用於增強複合柔性管的端部連接。

背景技術：

在海洋工程熱塑性複合增強柔性管接頭領域，對於柔性增強複合管道來說，由於其材料的進步和製備工藝的提升，該類管道的使用口徑和使用水深逐漸加大，應用條件也更為惡劣和複雜，相應地對接頭的設計也提出了更高的要求。

早期，小口徑的增強複合管的連接機理是將管道和接頭結構熱熔粘結，但是這種方式在強度和密封性上有甚多不足；隨後出現的接頭形式大部分是採用機械壓緊的方式連接；目前在淺水領域應用最多的是夾緊式接頭，通過內外套頭夾緊中間的管道層限制其位移形成連接，可以通過冷溫、軸向壓入等多種方式連接，該結構形式可以很好地應用於小口徑的淺水管道，但不適用於大口徑、高壓力、高振動條件下管道。

在實際應用中接頭主要受到來自管道的軸向拉力、彎曲和扭轉作用，以及海水的外壓和內部流體的內壓，此外對於機械壓緊接頭，還存在著初始裝配預應力。當前複合管接頭存在的問題在於：一、承載強度問題：熱熔接頭的強度很低，而當前的機械壓緊接頭在複雜的荷載條件下亦容易發生強度破壞；二、密封性能問題：傳統的密封方式單一，密封可靠性不高；三、預應力的保持問題：當前的機械壓緊接頭通過預應力保證管道的限位，但往往在實際環境下，尤其是結構發生疲勞變形或者蠕變後預應力丟失，以致管道承載能力下降，密封性能也往往會隨之下降；四、接頭裝卸問題：當前的大多數接頭是一次性接頭，往往在裝配完成後無法更換零部件，需要整件更換；五、管道層破壞問題：複合管道的特點在於軸向強度大，而徑向的強度小，而傳統接頭結構在管道層上易產生應力集中問題，使管道結構發生破壞；六、傳統的接頭對於溫度變化造成的影響是難以預測的，容易發生熱應力失效，因此適用溫度範圍一般不大。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於針對現有技術中所述接頭承載強度差、預應力難以保持、拆裝不方便等缺陷，提出一種海洋複合柔性管用預壓自緊接頭。

本發明是採用以下的技術方案實現的：一種海洋複合柔性管用預壓自緊接頭，包括外套環、楔形環、鎖緊環、斧型軸和內壓環；所述外套環套設在楔形環外側，且在外套環和楔形環之間設置有密封件，所述密封件為橡膠密封圈或其他密封材料，所述外套環的前端為錐形，外套環的後端與鎖緊環螺紋連接，所述螺紋選用符合國際標準的高精度密封螺紋形式，否則，需要在螺紋上填塗密封膠或是油封；鎖緊環設置在外套環與斧型軸之間；所述斧型軸一端與楔形環相接觸，另一端連接有法蘭盤，法蘭盤與斧型軸等截面焊接連接，通過螺栓與另一個接頭的法蘭盤連接，由此鋪設管道；所述內壓環設置在接頭最內層，內壓環與斧型軸內壁固定連接，且與楔形環之間存在容納柔性管端部的空隙，與楔形環擠壓形成夾緊力限制管道位移。

進一步的，所述外套環由鋼製材料製作，外套環前端開口內徑大於柔性管二次增厚段外徑，其後端開口內徑略大於斧形軸最大外徑，外套環後端內壁上設置有內螺紋，外套環前端內壁上還設置有弧形凹槽，所述弧形凹槽內設置有彈性體。

進一步的，所述彈性體由高強度橡膠材料構成，其後端包括一臌脹部，所述臌脹部嵌入弧形凹槽內，以防止滑脫，在實際裝配完成後，彈性體發生一定的預變形，其實際為一個後端加粗的密封墊，位於外套環前端和柔性管道二次增厚段外壁之間，被擠壓至一定的變形量，形成此處的密封，同時避免柔性管管道直接觸碰外套環在此處的金屬結構，起到緩衝作用，還用於抵消一定的管道彎曲應力，起到過渡的效果。

進一步的，所述內壓環中部的厚度大於其兩端的厚度，內壓環的後端與斧型軸內壁的連接方式為過盈連接或螺紋連接，內壓環前端承接柔性管道內壁，與楔形環擠壓形成夾緊力限制管道位移。

進一步的，所述內壓環前端外表面設置有噴砂層或滾花，將內壓環前端外表面經過噴砂處理或者滾花處理以增加與柔性管道內壁之間的摩擦，提高夾緊效果。

進一步的，所述楔形環由4-6塊楔形體組成，所述楔形體後端的厚度大於其前端的厚度，且相鄰楔形體之間緊密貼合，形成一個完整的楔形環。

進一步的，所述楔形環的後端包括一平段部，所述平段部與外套環之間存在空隙。

進一步的，所述楔形環內表面上設置有增大摩擦的滾花或噴砂層，其外表面相對光滑。

進一步的，所述鎖緊環的外表面設置有外螺紋，與外套環內螺紋相配合，鎖緊環內徑略大於斧型軸的軸外徑，以便套入。

進一步的，所述內壓環外壁上、楔形環前端外錐面上、鎖緊環內壁上以及法蘭盤上均設置有密封槽，所述密封槽為截面為梯形或者半圓形的環形凹槽，可以放置o型密封圈，o型密封圈直徑大於環形凹槽的最大深度，其所在接觸面貼合時，o型密封圈被擠壓變形形成過盈配合，增加接頭密封性，提高密封效果。

與現有技術相比，本發明的優點和積極效果在於：

本方案所提出的海洋複合管預壓自緊接頭，主要承載結構外套環等由高強度不鏽鋼材料製成，其結構特點保證了接頭具有較高的承載性能和耐疲勞性能，能應用於深海，高溫，高壓的使用環境；整個接頭為一體結構，不依賴於同管道表面粘合，可以容納接頭結構和複合管之間的一些相對運動，且具有自緊的工作機理，在軸向拉力、內壓、外壓、彎矩作用下都能夠增大內部預緊，增大對管道的限制力，保證結構和管道位置的穩定；其結構設計有針對性地解決了在荷載或組合荷載下接頭結構作用於管道層的應力集中現象，提升了接頭內部管道的耐疲勞性能；接頭的密封性設計有效依附於結構的自緊機理，具有密封圈密封和面-面接觸的雙重密封結構，在更大的外荷載作用下，接觸力增大保證密封性能的提升；內部預應力、及管道的壓緊程度能夠隨時通過壓入斧型軸再旋進旋出鎖緊環調整，不影響管道和內部結構的整體性能，也方便接頭的裝卸；在溫度荷載下其結構也是可靠的，由於壓緊結構的自緊機理，接頭對溫度變化的適應性極佳，由升溫造成的結構微小變形和相對位移也在可承受範圍內。

具體使用時，為配合接頭的結構特點，技術上允許管道在末端有一個厚度變化，可在柔性管管道末端增強層加工二次增厚段以增加管道強度和剛度，增強層也可以根據要求調整優化纖維方向，以適合末端裝配的結構需要。同時在管道與接頭過渡區域設計彈性體，能有效減小應力集中和磨損的問題，從而較好地解決了在受到複雜荷載和大荷載作用時此區域容易變形和失效的問題；內壓環在關鍵的中部區域增厚，同時利用結構的特點將內壓環的應力傳遞到斧型軸區域，降低了此處的應力強度，同時能隨時更換已經老化，疲勞或腐蝕的加固環；並且接頭裝卸流程簡單，能重複使用，可隨時將組件進行拆卸清洗和檢查更換。

附圖說明

圖1為本發明實施例所述接頭結構示意圖；

圖2為圖1中所述接頭結構爆炸示意圖；

圖3為圖1中所述接頭剖面示意圖；

圖4為圖3中接頭與柔性管連接部分結構示意圖；

圖5為本發明實施例柔性管端部剖面示意圖；

圖6為本發明實施例楔形環結構示意圖；

圖7為本發明實施例所述斧形軸與內壓環和法蘭盤的連接示意圖。

具體實施方式

為了能夠更加清楚地理解本發明的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。

一種海洋複合柔性管用預壓自緊接頭，參考圖1和圖2，包括用於夾緊限制柔性管1位移的外套環2、楔形環3和內壓環4，以及用於產生預應力並保持預應力的斧型軸5和鎖緊環6；如圖3所示，所述外套環2套設在楔形環3外側，且在外套環2和楔形環3之間設置有密封件31，所述密封件31為橡膠密封圈或其他密封材料，所述外套環2的前端為錐形，外套環的後端與鎖緊環6螺紋連接，所述螺紋61選用符合國際標準的高精度密封螺紋形式，否則，需要在螺紋上填塗密封膠或是油封，鎖緊環6設置在外套環2與斧型軸5之間；所述斧型軸5的扛肩51端與楔形環3相接觸，另一端連接有法蘭盤7，法蘭盤7與斧型軸5等截面焊接連接，通過螺栓與另一個接頭的法蘭盤連接，由此鋪設管道；所述內壓環4設置在接頭最內層，內壓環4與斧型軸5內壁固定連接，且與楔形環3之間存在容納柔性管1端部的空隙，與楔形環3擠壓形成夾緊力限制管道位移。

為了配合接頭的結構，參考圖5，在柔性管1端部外側壁設置有外套層形成二次增厚段11，通過增強層二次增厚段11加強接頭與柔性管1連接區域剛度，為了避免集中應力的影響，在柔性管二次增厚段11末端削去了柔性管內襯層末端的一小段長度，參考圖5中12所示位置；推動楔形環3沿著錐形外套環2內壁的橫向移動與內壓環4產生擠壓力壓緊管道來限制其位移，通過楔形環3和內壓環4插入時產生的初始過盈預緊力使得楔形環3的粗糙內表面充分與柔性管1二次增厚段外表面11接觸、內壓環4與管道內壁充分接觸，柔性管道受到軸向拉力、內壓和外壓或者發生彎曲趨勢時都能帶動楔形環3沿著外套環2錐形內壁移動，從而使楔形環3內壁更加壓緊柔性管1，產生更大的壓緊力，從而使整個接頭形成自緊。

如圖1和圖3所示，所述外套環2其整體形狀類似於一個折邊錐形圓筒，由鋼製材料製作，圓筒前端開口內徑大於柔性管二次增厚段11外徑，其後端開口內徑略大於斧形軸5軸向外徑，安裝方便。在外套環2後端內壁上設置有內螺紋，從圖3和圖4中可以看出，其長度略長於鎖緊環6外螺紋長度，外套環2前端內壁上還設置有弧形凹槽21，用以嵌入彈性體8；所述外套環2錐形段22厚度略大於其平段23的厚度，錐形段22內壁光滑處理，加工時打磨平滑減小摩擦，也可以填塗潤滑劑。

其中，所述彈性體8高強度橡膠材料構成，其後端包括一臌脹部，所述臌脹部嵌入弧形凹槽內，以防止滑脫，在實際裝配完成後，彈性體8發生一定的預變形，實際為一個後端加粗的密封墊，位於外套環2前端和柔性管1二次增厚段11外壁之間，橡膠彈性體8的初始內徑小於二次增厚段11管道外徑，其厚度大於外套環2前埠通徑與此處柔性管1的外徑之差。安裝時，臌脹部被擠壓至一定的變形量，形成此處的密封，同時避免柔性管1管道直接觸碰外套環2在此處的金屬結構，起到緩衝作用，彈性體8後端的臌脹部嵌入弧形凹槽中，以防止滑脫，在實際裝配完成後，彈性體發生一定的預變形。

本實施例中，如圖6所示，所述楔形環由4-6塊楔形體32組成，本實施例優選4塊，所述楔形體32後端的厚度大於其前端的厚度，且相鄰楔形體32之間緊密貼合，形成一個完整的楔形環3。每個楔形體32錐角角度33略大於柔性管1外表面與外套環2前端錐形段22內壁的夾角，以增加夾緊效果，楔形環3內表面上設置滾花或噴砂層，以增加與柔性管1的摩擦，而其外表面做光滑處理，楔形環3前端錐形段外表面上等間距設置有3個密封槽34，在安裝時放入密封圈，通過接觸面擠壓達到完整密封。楔形環3的後端包括一平段部34，所述平段部34與外套環之間存在空隙35，且楔形環3的末端與斧型軸5前端保持水平。

另外，如圖7所示，所述內壓環4中部的厚度大於其兩端的厚度，其前端到中部顯著增厚段之間有一個小幅的增厚，這樣在內壓環4插入管道時，能逐漸產生一個微小過盈。內壓環4的中部和後部與斧形軸5緊密連接，也可以採用冷溫過盈或螺紋連接，內壓環4前端承接柔性管道內壁，與楔形環3擠壓形成夾緊力限制管道位移。其中部增厚設計有效減少了應力集中，增加了此危險處的結構強度；本實施例中，在內壓環前端外表面設置有噴砂層或滾花，將內壓環前端外表面經過處理以增加與柔性管道內壁之間的摩擦，提高夾緊效果。內壓環前端和後端外壁上分別設置有兩處密封槽34，同樣，密封槽為截面為梯形或者半圓形，可以放置o型密封圈，且o型密封圈直徑大於環形凹槽的最大深度，其所在接觸面貼合時，o型密封圈被擠壓變形形成過盈配合，增加接頭密封性，提高使用效果。

與內壓環4相配合的，在斧形軸5前端內壁上設有一凹陷部52，用以卡住內壓環4，斧形軸5末端與法蘭盤等截面焊接連接，鎖緊環6前端面與斧形軸扛肩51保持一致，兩者接觸面光滑處理，所述鎖緊環6的外表面設置有外螺紋，與外套環內螺紋相配合，鎖緊環6的內徑略大於斧型軸5的軸外徑，以便套入，且在鎖緊環6的內壁上設置有三個密封槽34，以增加密封性。

本實施例中的其他結構的一些闡述，比如密封圈，除了採用為變徑圓環（其厚度大於密封槽高度，寬度略小於密封槽寬度），也可以注射密封膠體；在楔形環外表面與外套環內表面之間塗有潤滑劑，在外套環與鎖緊環螺紋連接處設置螺紋密封劑，其中，法蘭盤和與斧型軸焊接結構按照ansi標準選用。本實施例中所有金屬部件均採用高強度鋼材，並在其稜角處打磨成圓角避免應力集中，金屬表面經過防腐處理，螺紋採用比鋼材強度更大的材料。

具體在安裝時，首先固定外套環，將內壓環固定於斧型軸內部，再推動斧型軸使其前端緊貼楔形環和柔性管二次增厚段末端，使外套環、楔形環、柔性管二次增厚段、內壓環相應接觸面之間產生一定的初始過盈，保持外套環位置不變和斧型軸的推力不變，旋入鎖緊環直至其前端與斧型軸扛肩緊貼，釋放推力，整個接頭內部完成整體過盈；內壓環的外壁設置噴砂層，楔形環內壁經過滾花等特殊處理以增大摩擦力，法蘭盤與斧型軸焊接連接，斧型軸與楔形環後端在安裝時形成一定過盈，通過鎖緊環與外套環後端的螺紋連接可以鎖定內部結構的過盈預應力保證楔形體的壓緊效果，也可以通過改變鎖緊環的旋入程度調整管道被壓緊的程度。

當柔性管相對接頭發生微小移動時，由於摩擦力帶動楔形環受外套環內壁的限制，從而使壓緊力更大，達到自緊的效果，材料長期疲勞性能發生變化使管道壓緊力降低時，可以在檢查和維修時，調整鎖緊環位置來彌補預應力丟失。

在本方案所述接頭結構中，預緊力的存在有三個作用：一、保證楔形環和內壓環限制管道位移的摩擦力不會丟失；二、保證各部件接觸面之間的過盈接觸不會消失從而使柔性管管道與接頭之間的密封不會失效；三、保證部件在整體結構作用下的穩定，不會因為外荷載的作用而發生較大或時間較長的振動。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應用於其它領域，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。