專利名稱：用于連接管的裝置,該管包含承受來自預(yù)加載工具的軸壓的軸壓表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種連接管的裝置，特別是關(guān)于遠程操作和機械化施工。
背景技術(shù)：
特別是在石油生產(chǎn)中，在海濱和水下均要進行很多重大和費力的鋪設(shè)管道的操作。通常，由潛水員進行水下管道作業(yè)；然而，工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到需要將管道鋪設(shè)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(yè)。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(huán)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(shè)過程中和鋪設(shè)之后由對管路的拉伸和彎曲產(chǎn)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(yù)加載的方法，其中，在管接頭處施加的載荷大于由密封件、管道內(nèi)的液體或氣體壓力以及環(huán)境壓力所形成的壓縮能量的合成。
當(dāng)連接管時，重要的是控制預(yù)應(yīng)力的等級。如果預(yù)應(yīng)力太低，在受到較高的內(nèi)部管壓時，接頭可能裂開和泄漏。如果該預(yù)應(yīng)力設(shè)置得太高，管接頭可能會過載。
傳統(tǒng)的管接頭形成為栓結(jié)法蘭的形式，其中多個螺栓分布在法蘭的周圍，并且通過密封件保持密封連接。根據(jù)要承受的載荷將螺栓擰緊在所需的水平。當(dāng)螺栓擰緊扭矩增加時，在螺母旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦力會變得相當(dāng)大。
由于此原因，在某種程度上，對大法蘭使用液壓千斤頂系統(tǒng)，以便通過在每一法蘭螺栓上放置空心千斤頂并施加特定壓力，來對一些管接頭元件進行預(yù)加載。螺母旋入法蘭。卸下該千斤頂，載荷傳遞到該螺栓。由于允許控制施加到法蘭上的載荷，該方法是優(yōu)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，通過在螺栓放好并擰緊之前，通過液壓千斤頂，以逐點的方式將預(yù)應(yīng)力載荷施加到管法蘭上。該預(yù)加載方法的缺點是易于軸向彈性變形的管的長度很短。此外，該逐點施加載荷將導(dǎo)致沿螺栓孔區(qū)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，并難于使用遠程控制工具來進行作業(yè)。此外，在螺栓周圍需要用于預(yù)加載工具的間隙，使得螺栓需要位于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(huán)和夾鉗。該軸環(huán)焊接到管端。該夾鉗是較大的連接裝置，設(shè)置在該軸環(huán)上，以使軸環(huán)連接，以便使其密封。預(yù)應(yīng)力通過位于與該管的縱軸垂直的一個或兩個較大的螺栓，沿徑向?qū)A鉗元件拉到一起而施加。在夾鉗和軸環(huán)之間的滑動表面確保該管端壓在一起。該系統(tǒng)便于使用遠程操作工具，但是其零件相對較笨重和昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改正現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
根據(jù)本發(fā)明，通過下述和所附權(quán)利要求書的特征，來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
根據(jù)本發(fā)明的管接頭構(gòu)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(dǎo)向，并提供緊密連接。
b)管的一端具有一外螺紋部，優(yōu)選是位于法蘭后方的旋轉(zhuǎn)螺紋軸環(huán)的形狀，并優(yōu)選是設(shè)置成在預(yù)加載工具的作用下抵接于該法蘭。
c)相對的管端具有法蘭。
d)在該相對的管端的法蘭后設(shè)有一螺母。該螺母的后部具有接觸的內(nèi)表面，其形成為當(dāng)該螺母跨過該法蘭時，該螺母的后邊緣的內(nèi)部凸緣與該法蘭的徑向后表面接觸。優(yōu)選在該螺母的相對端形成外法蘭，并優(yōu)選設(shè)置成在該預(yù)加載工具的作用下抵接于該法蘭。該螺母的螺紋尺寸相應(yīng)于該相鄰管端的外螺紋。該螺紋直徑大于該管端的法蘭。
e)每一管端設(shè)置成允許通過夾緊該管的周圍并施加軸向運動，使預(yù)加載工具壓縮該管端。這優(yōu)選是包括在一個或兩個管端上的同心壓力表面，其設(shè)置在緊鄰于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制成一用于預(yù)加載工具的接觸面。
a)、b)、c)和e)要素可以使用適宜的技術(shù)直接以管材料形成，或者，它們也可以形成為單獨的連接件，并可使用適宜的原有技術(shù)連接到管的端部。
本發(fā)明包括在連接區(qū)域和該連接區(qū)域的外部、緊鄰于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，并且該通過組合的夾緊和連接工具將螺母連接拉緊。
預(yù)加載工具包括設(shè)計成夾緊各個管的兩個移動端部件，以及設(shè)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(huán)的后部使管端彼此擠壓。
原有的公知的鎖閉裝置集成到該端部件上，使得當(dāng)工具包圍該管接頭時，保持該預(yù)加載工具合攏。在釋放該鎖固時，該工具可以被打開并從徑向離開該管。
優(yōu)選地，該預(yù)加載工具包括優(yōu)選配有液壓驅(qū)動裝置的擰螺母器，以及嵌齒輪，當(dāng)工具位于該管接頭的周圍時，與在管接頭的螺母或螺紋軸環(huán)上的外齒嚙合。
該預(yù)加載工具連接到原有的液壓系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括泵、儲液箱、操作閥及壓力控制裝置等。
當(dāng)連接兩個要被安裝的管時，使用適宜的操作設(shè)備將兩相對管端放在一起。該預(yù)加載工具放置在該管接頭并閉合。然后，工具的端部件被拉在一起，以便壓向一個管端的壓力表面，并還在螺母法蘭或螺紋軸環(huán)的后部施加壓力。然后，為所討論管的類型所指定的載荷施加到位于兩個壓力表面之間的密封件及管部件。
該預(yù)加載區(qū)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(yù)加載階段中，密封件的附加壓縮。
3)在預(yù)加載階段中，預(yù)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(huán))的彈性壓縮。
在螺母延伸的情況下，軸環(huán)旋入到鎖緊螺母，直到該軸環(huán)的前端與該相應(yīng)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(nèi)部承載面和該相應(yīng)的管的法蘭的徑向表面接觸。
優(yōu)選地，通過使連接或集成在預(yù)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。然后，該預(yù)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，使得在釋放之后，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，在采取該工作載荷時，該螺母連接的延伸不能超過4)在預(yù)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)在管端的位于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(zhì)和尺寸必須與密封件的彈性非常匹配。
此外還有，優(yōu)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(dān)工作載荷之前，該螺母連接已經(jīng)被預(yù)加載和拉伸。
在使用預(yù)加載的螺母時，該接頭的拉伸通過外螺紋部分的壓縮來產(chǎn)生。由于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(yù)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(chǎn)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后，該預(yù)加載工具被開啟，并從該連接撤回。
在海底作業(yè)的情況下，典型地，預(yù)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(shè)設(shè)備上，從起重滑車垂下，被安裝在液壓操作杠桿臂或類似物上。


下面將描述附圖中示出的優(yōu)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(yù)加載工具(該圖中僅顯示了該預(yù)加載工具的一半)；圖3顯示了環(huán)繞管接頭閉合的預(yù)加載工具；圖4顯示了在預(yù)加載和連接之前，帶有預(yù)加載工具的管接頭的縱截面(未示出擰螺母器)；圖5顯示了帶有處于縮回位置的預(yù)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(yù)加載工具的橫截面；圖7顯示了預(yù)加載工具的擰螺母器的縱截面；圖8顯示了預(yù)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(yù)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(yù)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包括后部7，其帶有相應(yīng)于法蘭3的內(nèi)部承載表面9。螺母5設(shè)置有外法蘭10。在螺母5的內(nèi)部設(shè)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(huán)15，該外螺紋17相應(yīng)于該螺母5的螺紋部13。該螺紋軸環(huán)的后部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(yù)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(guān)的液壓氣缸37、活塞39及密封件(未示出)的兩個或多個桿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(yōu)選地，該部件零件33、33’設(shè)置有相應(yīng)于壓力表面23的可替換的夾緊輪廓43、43’。
由桿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)，該裝置能夠借助例如液壓力，主要通過相對于管1、1’的徑向運動，使預(yù)加載工具開啟和關(guān)閉。
在圍繞管1、1’的閉合位置，該預(yù)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(yōu)選地，該預(yù)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(qū)動裝置47，如液壓馬達，以及相應(yīng)于螺紋軸環(huán)15上的齒21的嵌齒輪49。
該預(yù)加載工具25的液壓氣缸37連接到帶有相關(guān)泵、儲液箱、閥及控制裝置的液壓系統(tǒng)(未示出)。
可通過預(yù)加載工具25的遠程操作來進行管的連接。當(dāng)通過使用合適的裝置將兩個管放置成其相應(yīng)的端1、1’彼此足夠靠近，并且預(yù)加載工具被導(dǎo)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(yù)加載工具25圍繞該端部1、1’閉合。端部件27抵在外法蘭10上并且端部件31抵在端部1’上，使得通過操作該液壓系統(tǒng)(未示出)的控制裝置帶動液壓氣缸37沿正確的方向以根據(jù)所連接的接頭尺寸調(diào)整好的壓力，使該擠壓表面23與該夾緊輪廓43、43’結(jié)合。
當(dāng)端部1、1’、密封件2以及螺母5受到相應(yīng)于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(huán)15受到指定的扭矩。
螺紋軸環(huán)15優(yōu)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(huán)15的相應(yīng)的齒21接觸，通過擰螺母器45的驅(qū)動裝置47以特定扭矩驅(qū)動。
當(dāng)螺紋軸環(huán)15被緊固后，釋放預(yù)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(huán)15。該預(yù)加載工具24開啟，從完成的管接頭退出，并準備下一次連接。
權(quán)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)，其特征在于，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)，并設(shè)計成能夠承受來自預(yù)加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關(guān)于該管的外周面均勻分布或逐點分布。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該螺母(5)具有法蘭(10)，其設(shè)計成能夠承受來自該預(yù)加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關(guān)于該螺母(5)的外周面均勻分布或逐點分布，并且方向朝向該管法蘭(3)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，螺紋軸環(huán)(15)的后部(19)設(shè)計成能夠承受來自該預(yù)加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關(guān)于該軸環(huán)(15)的外周面均勻分布或逐點分布，并且方向朝向該管法蘭(3’)。
4.如上述一個或多個權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，該螺紋軸環(huán)(15)的后部(19)具有一帶齒的外周面。
5.如上述一個或多個權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，該螺母(5)的后部(7)具有一帶齒的外周面。
6.一種壓縮管接頭的裝置，包括設(shè)計成能夠承受軸向壓力的兩個同心壓力表面(23)，其特征在于，預(yù)加載工具(25)包括連接到兩個或多個桿(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(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，預(yù)加載工具(25)包括一擰螺母器(45)。
8.如權(quán)利要求6和7所述的裝置，其特征在于，該擰螺母器(45)配有嵌齒輪(49)，該嵌齒輪(49)設(shè)置成使螺紋軸環(huán)(15)旋轉(zhuǎn)，該螺紋軸環(huán)(15)具有后部(19)的帶齒的外周面。
9.如權(quán)利要求6和7所述的裝置，其特征在于，該擰螺母器(45)配有嵌齒輪(49)，該嵌齒輪(49)設(shè)置成使螺母(5)旋轉(zhuǎn)，該螺母(5)具有后部(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(shè)計成能夠承受來自預(yù)加載工具(25)的軸向壓力，該壓力關(guān)于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(yù)加載工具(25)包括連接到兩個或多個桿(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(yōu)先權(quán)日2002年8月19日
發(fā)明者約翰·S.·賈爾斯, 斯蒂芬·W.·沃利 申請人:海運指揮顧問有限公司