用於連接管的裝置,該管包含承受來自預加載工具的軸壓的軸壓表面的製作方法
2023-05-28 19:17:41 1
專利名稱：用於連接管的裝置,該管包含承受來自預加載工具的軸壓的軸壓表面的製作方法
技術領域：
本發明關於一種連接管的裝置，特別是關於遠程操作和機械化施工。
背景技術：
特別是在石油生產中，在海濱和水下均要進行很多重大和費力的鋪設管道的操作。通常，由潛水員進行水下管道作業；然而，工業已經發展到需要將管道鋪設在潛水員所不能到達的深度的地方。因此，需要通過遠程操作機器人來進行該作業。由機器人連接的管接頭通常較昂貴。
在管道的陸地連接的情況下，較容易獲得管接頭，但是過程仍很費力。
任意管接頭的基本元件是—管配件，以承受和分配由周圍環境引起的壓縮力，例如深水中的水壓和/或覆蓋材料的重量以及在鋪設過程中和鋪設之後由對管路的拉伸和彎曲產生的軸向載荷；—連接件，將管配件連接在一起；—密封件，保持密封連接；—對管接頭進行預加載的方法，其中，在管接頭處施加的載荷大於由密封件、管道內的液體或氣體壓力以及環境壓力所形成的壓縮能量的合成。
當連接管時，重要的是控制預應力的等級。如果預應力太低，在受到較高的內部管壓時，接頭可能裂開和洩漏。如果該預應力設置得太高，管接頭可能會過載。
傳統的管接頭形成為栓結法蘭的形式，其中多個螺栓分布在法蘭的周圍，並且通過密封件保持密封連接。根據要承受的載荷將螺栓擰緊在所需的水平。當螺栓擰緊扭矩增加時，在螺母旋轉過程中的摩擦力會變得相當大。
由於此原因，在某種程度上，對大法蘭使用液壓千斤頂系統，以便通過在每一法蘭螺栓上放置空心千斤頂並施加特定壓力，來對一些管接頭元件進行預加載。螺母旋入法蘭。卸下該千斤頂，載荷傳遞到該螺栓。由於允許控制施加到法蘭上的載荷，該方法是優選的。
從美國專利公開4,150,477號中可以了解一種方法，在該方法中，通過在螺栓放好並擰緊之前，通過液壓千斤頂，以逐點的方式將預應力載荷施加到管法蘭上。該預加載方法的缺點是易於軸向彈性變形的管的長度很短。此外，該逐點施加載荷將導致沿螺栓孔區域的圓周的不均勻變形。
大多法蘭連接類型的最大缺點是其包括多個零件，並難於使用遠程控制工具來進行作業。此外，在螺栓周圍需要用於預加載工具的間隙，使得螺栓需要位於與管相距一定距離的位置。因此，法蘭必須相對較厚，以便吸收法蘭的彎曲力。
連接管的其他方法是使用軸環和夾鉗。該軸環焊接到管端。該夾鉗是較大的連接裝置，設置在該軸環上，以使軸環連接，以便使其密封。預應力通過位於與該管的縱軸垂直的一個或兩個較大的螺栓，沿徑向將夾鉗元件拉到一起而施加。在夾鉗和軸環之間的滑動表面確保該管端壓在一起。該系統便於使用遠程操作工具，但是其零件相對較笨重和昂貴。
發明內容
本發明的目的在於改正現有技術的缺點。
根據本發明，通過下述和所附權利要求書的特徵，來實現本發明的目的。
根據本發明的管接頭構造成包括如下主要要素a)每一管端包括配合和密封表面，其確保在連接操作中的管端的導向，並提供緊密連接。
b)管的一端具有一外螺紋部，優選是位於法蘭後方的旋轉螺紋軸環的形狀，並優選是設置成在預加載工具的作用下抵接於該法蘭。
c)相對的管端具有法蘭。
d)在該相對的管端的法蘭後設有一螺母。該螺母的後部具有接觸的內表面，其形成為當該螺母跨過該法蘭時，該螺母的後邊緣的內部凸緣與該法蘭的徑向後表面接觸。優選在該螺母的相對端形成外法蘭，並優選設置成在該預加載工具的作用下抵接於該法蘭。該螺母的螺紋尺寸相應於該相鄰管端的外螺紋。該螺紋直徑大於該管端的法蘭。
e)每一管端設置成允許通過夾緊該管的周圍並施加軸向運動，使預加載工具壓縮該管端。這優選是包括在一個或兩個管端上的同心壓力表面，其設置在緊鄰於該管接頭零件和正靠著該管的外周面。這些壓力表面的形狀製成一用於預加載工具的接觸面。
a)、b)、c)和e)要素可以使用適宜的技術直接以管材料形成，或者，它們也可以形成為單獨的連接件，並可使用適宜的原有技術連接到管的端部。
本發明包括在連接區域和該連接區域的外部、緊鄰於管的外周面施加軸向負載，使得中間的密封件和管端受到彈性變形。該管通過螺母連接而連接，其吸收一部分施加的變形力。該管端和密封件被壓縮，並且該通過組合的夾緊和連接工具將螺母連接拉緊。
預加載工具包括設計成夾緊各個管的兩個移動端部件，以及設計成將每一端部件軸向地壓向管的壓力表面的致動器，由此，該螺母法蘭或該螺紋軸環的後部使管端彼此擠壓。
原有的公知的鎖閉裝置集成到該端部件上，使得當工具包圍該管接頭時，保持該預加載工具合攏。在釋放該鎖固時，該工具可以被打開並從徑向離開該管。
優選地，該預加載工具包括優選配有液壓驅動裝置的擰螺母器，以及嵌齒輪，當工具位於該管接頭的周圍時，與在管接頭的螺母或螺紋軸環上的外齒嚙合。
該預加載工具連接到原有的液壓系統中，該系統包括泵、儲液箱、操作閥及壓力控制裝置等。
當連接兩個要被安裝的管時，使用適宜的操作設備將兩相對管端放在一起。該預加載工具放置在該管接頭並閉合。然後，工具的端部件被拉在一起，以便壓向一個管端的壓力表面，並還在螺母法蘭或螺紋軸環的後部施加壓力。然後，為所討論管的類型所指定的載荷施加到位於兩個壓力表面之間的密封件及管部件。
該預加載區域的彈性壓縮包括1)在名義工作載荷下的密封件的特定彈性壓縮。
2)在預加載階段中，密封件的附加壓縮。
3)在預加載階段中，預加載工具的壓力表面之間的管端的壓縮。
此外，施加螺母的彈性延伸，或者外螺紋(集成在管端或在軸環)的彈性壓縮。
在螺母延伸的情況下，軸環旋入到鎖緊螺母，直到該軸環的前端與該相應的管的法蘭的徑向表面接觸。在使用該可替換的外螺紋部分的壓縮時，螺母旋到該外螺紋上，直到該螺母的內部承載面和該相應的管的法蘭的徑向表面接觸。
優選地，通過使連接或集成在預加載工具上的擰螺母器啟動，使連接到達特定扭矩，來機械地完成該螺母和外螺紋的連接。然後，該預加載工具被釋放，以便將該載荷部分地傳遞到螺母。在釋放時，在密封件和管端的彈性變形被減小。
該螺母連接的剛性必須與該密封件的彈性相匹配，使得在釋放之後，該密封件的壓縮保持在為名義工作載荷(參考前面的部分中的1)所指定的壓縮。
為了使密封件保持在其名義工作載荷的指定壓縮，在採取該工作載荷時，該螺母連接的延伸不能超過4)在預加載階段中施加到密封件的附加彈性壓縮(＝前述第2點)，加上5)在管端的位於螺母連接的工作表面和管法蘭之間的部分的彈性壓縮。
還有螺母材料的品質和尺寸必須與密封件的彈性非常匹配。
此外還有，優選是在連接之前拉伸該螺母和/或壓縮該螺紋部，這就意味著在承擔工作載荷之前，該螺母連接已經被預加載和拉伸。
在使用預加載的螺母時，該接頭的拉伸通過外螺紋部分的壓縮來產生。由於與該管法蘭相距較短的距離，接頭的整個延伸相對較小。
在使用預加載的外螺紋部分時，該接頭的拉伸主要通過拉伸該螺母而產生。與該外螺紋部分相比，該螺母相對較長，因此，接頭具有較大的延伸。
在工作載荷傳遞到螺母連接之後，該預加載工具被開啟，並從該連接撤回。
在海底作業的情況下，典型地，預加載工具安裝在ROV(RemotelyOperated Vehicle遠程操作工具)上。在海濱，其可以集成到管鋪設設備上，從起重滑車垂下，被安裝在液壓操作槓桿臂或類似物上。
下面將描述附圖中示出的優選實施例的一個非限定性的例子，其中圖1顯示了連接的管接頭；圖2顯示了要被連接的管接頭，在該接頭附近放置有預加載工具(該圖中僅顯示了該預加載工具的一半)；圖3顯示了環繞管接頭閉合的預加載工具；圖4顯示了在預加載和連接之前，帶有預加載工具的管接頭的縱截面(未示出擰螺母器)；圖5顯示了帶有處於縮回位置的預加載工具的連接好了的管接頭的縱截面(未示出擰螺母器)；圖6顯示了管接頭和預加載工具的橫截面；圖7顯示了預加載工具的擰螺母器的縱截面；圖8顯示了預加載工具的擰螺母器的橫截面；圖9顯示了帶有部分從接頭退出的預加載工具的管接頭的縱截面；和圖10顯示了帶有部分從管接頭退出的預加載工具的管的橫截面。
具體實施例方式
在圖中，附圖標記1、1』表示兩個管的端部。密封件2放置在兩個管端1、1』之間適宜的凹槽中。一個端部1配有法蘭3和螺母5。螺母5包括後部7，其帶有相應於法蘭3的內部承載表面9。螺母5設置有外法蘭10。在螺母5的內部設置有螺紋部13。
另一端部1』配有法蘭3』、以及帶有外螺紋17的螺紋軸環15，該外螺紋17相應於該螺母5的螺紋部13。該螺紋軸環的後部19具有外齒21。
該端部1、1』配有同心的、主要為徑向的壓力表面23。
預加載工具25包括第一端部件27。其由兩個部件零件29、29』組成。該第二端部件31由兩個部件零件33、33』組成。帶有相關的液壓氣缸37、活塞39及密封件(未示出)的兩個或多個杆35連接該部件零件29、33及29』、33』。該氣缸安裝有可拆卸的密封壓蓋41和密封件(未示出)。
優選地，該部件零件33、33』設置有相應於壓力表面23的可替換的夾緊輪廓43、43』。
由杆35分別連接的該部件零件29、33及29』、33』分別連接到一裝置(未示出)，該裝置能夠藉助例如液壓力，主要通過相對於管1、1』的徑向運動，使預加載工具開啟和關閉。
在圍繞管1、1』的閉合位置，該預加載工具25可通過使用合適的鎖閉裝置(未示出)來保持閉合。
優選地，該預加載工具25包括一個或多個擰螺母器45，該擰螺母器45配有驅動裝置47，如液壓馬達，以及相應於螺紋軸環15上的齒21的嵌齒輪49。
該預加載工具25的液壓氣缸37連接到帶有相關泵、儲液箱、閥及控制裝置的液壓系統(未示出)。
可通過預加載工具25的遠程操作來進行管的連接。當通過使用合適的裝置將兩個管放置成其相應的端1、1』彼此足夠靠近，並且預加載工具被導向到端部1、1』時，通過部件零件29、29』、33、33』沿徑向朝向端部1、1』移動，該預加載工具25圍繞該端部1、1』閉合。端部件27抵在外法蘭10上並且端部件31抵在端部1』上，使得通過操作該液壓系統(未示出)的控制裝置帶動液壓氣缸37沿正確的方向以根據所連接的接頭尺寸調整好的壓力，使該擠壓表面23與該夾緊輪廓43、43』結合。
當端部1、1』、密封件2以及螺母5受到相應於管接頭尺寸指定的載荷時，端部1、1』被夾持在一起，而螺紋軸環15受到指定的扭矩。
螺紋軸環15優選是通過擰螺母器45擰緊。這可通過嵌齒輪49進行，該嵌齒輪與螺紋軸環15的相應的齒21接觸，通過擰螺母器45的驅動裝置47以特定扭矩驅動。
當螺紋軸環15被緊固後，釋放預加載工具25的壓力，以便將該載荷傳遞到螺母5以及螺紋軸環15。該預加載工具24開啟，從完成的管接頭退出，並準備下一次連接。
權利要求
1.一種連接管的裝置，包括一密封件(2)、法蘭(3、3』)、螺紋部(17)和螺母(5)，其特徵在於，該管的端部(1、1』)配有與該管(1、1』)的外周面緊鄰的同心壓力表面(23)，並設計成能夠承受來自預加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關於該管的外周面均勻分布或逐點分布。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，該螺母(5)具有法蘭(10)，其設計成能夠承受來自該預加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關於該螺母(5)的外周面均勻分布或逐點分布，並且方向朝向該管法蘭(3)。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，螺紋軸環(15)的後部(19)設計成能夠承受來自該預加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關於該軸環(15)的外周面均勻分布或逐點分布，並且方向朝向該管法蘭(3』)。
4.如上述一個或多個權利要求所述的裝置，其特徵在於，該螺紋軸環(15)的後部(19)具有一帶齒的外周面。
5.如上述一個或多個權利要求所述的裝置，其特徵在於，該螺母(5)的後部(7)具有一帶齒的外周面。
6.一種壓縮管接頭的裝置，包括設計成能夠承受軸向壓力的兩個同心壓力表面(23)，其特徵在於，預加載工具(25)包括連接到兩個或多個杆(35)上的兩個端部件(27、31)，每一桿(35)配有一液壓氣缸(37)。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，預加載工具(25)包括一擰螺母器(45)。
8.如權利要求6和7所述的裝置，其特徵在於，該擰螺母器(45)配有嵌齒輪(49)，該嵌齒輪(49)設置成使螺紋軸環(15)旋轉，該螺紋軸環(15)具有後部(19)的帶齒的外周面。
9.如權利要求6和7所述的裝置，其特徵在於，該擰螺母器(45)配有嵌齒輪(49)，該嵌齒輪(49)設置成使螺母(5)旋轉，該螺母(5)具有後部(7)的帶齒的外周面。
全文摘要
一種連接管的裝置，包括一密封件(2)、法蘭(3、3』)、螺紋部(15)和螺母(5)，其中，該管的端部(1、1』)配有與該管(1、1』)的外周面緊鄰的同心壓力表面(23)，其設計成能夠承受來自預加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關於該管的外周面均勻分布或逐點分布。一種壓縮管接頭的裝置，其中預加載工具(25)包括連接到兩個或多個杆(35)上的兩個端部件(27、31)，每一桿(35)配有一液壓氣缸(37)。
文檔編號B25B27/16GK1682059SQ03822085
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月18日 優先權日2002年8月19日
發明者約翰·S.·賈爾斯, 史蒂芬·W.·沃利 申請人:海運指揮顧問有限公司