本發(fā)明涉及海洋平臺及油氣管道領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種新型水下管型結(jié)構(gòu)或管道機械連接器。

背景技術(shù)：

水下管道機械連接器是進行水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。作為水下管道的可靠快速連接，其不僅可以減少經(jīng)濟成本，又能對海洋環(huán)境起到良好的保護作用。目前常規(guī)的水下管道連接方法有：焊接、液壓式連接和機械式連接，其中機械式連接又有螺栓法蘭式連接、卡爪式連接、卡箍式連接等方式。

然而，這些連接方式某種程度上，都存在著安裝不便、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。如：卡爪式連接器，其安裝可靠性高，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且所需安裝工具復(fù)雜?？ü渴竭B接器其螺紋連接性能的衰退會影響到其連接的性能，且在水深大于1000m基本上不適用。綜上知，需要開發(fā)和研究用于水下管道的快速、可靠的機械連接器產(chǎn)品。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，實現(xiàn)水下管道快速機械式連接、操作方便，提供一種結(jié)構(gòu)簡單的適用于12英寸到48英寸的海洋平臺管型結(jié)構(gòu)及油氣管道的新型水下管道機械連接器，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，連接可靠，可滿足管道深水作業(yè)的需求，不會對海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，能大幅度提升海底管道作業(yè)的效率，提高海底管道的可靠連接時間，降低海洋石油開發(fā)成本。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種新型水下管道機械連接器，包括內(nèi)外套接的管形銷和管形套，所述管形銷和管形套均設(shè)置為中空圓筒形狀；

所述管形銷外表面自上而下依次設(shè)置為上圓柱面、外齒段、下卸載槽和下定位安裝槽，所述上圓柱面頂部設(shè)置有上凸緣，所述下卸載槽和下定位安裝槽之間沿圓周開設(shè)有軸向的下連接槽，所述下定位安裝槽上端設(shè)置有與下連接槽相連通的下泄油孔；

所述管形套內(nèi)表面自上而下依次設(shè)置有上卸載槽、內(nèi)齒段和下圓柱面，所述上卸載槽頂端沿圓周開設(shè)有軸向的上連接槽，所述下圓柱面底部設(shè)置有下凸緣，所述管形套上端外表面沿圓周設(shè)置有上定位安裝槽，所述上定位安裝槽下端開設(shè)有與上連接槽相連通的上泄油孔，所述管形套中部設(shè)置有與其內(nèi)部相連通的徑向的進油孔。

所述外齒段和內(nèi)齒段相嚙合，所述外齒段設(shè)置為環(huán)形圓臺狀，外齒段的上部外徑小于其下部外徑。

所述外齒段和內(nèi)齒段均由沿軸向分布的圓環(huán)形錐面齒構(gòu)成，所述外齒段和內(nèi)齒段中每個齒底面均設(shè)置為圓錐面，且每個齒均帶有錐角；所述外齒段的最下齒和內(nèi)齒段的最上齒均大于其它齒的齒廓，所述外齒段的齒高大于內(nèi)齒段的齒高。

所述管形套和管形銷均設(shè)置為軸對稱結(jié)構(gòu)，所述管形套和管形銷均由鋼材加工制成。

所述上連接槽和上凸緣相互插接，所述上連接槽的軸向深度大于上凸緣的軸向高度，所述上凸緣內(nèi)側(cè)下端的倒圓角半徑大于上連接槽內(nèi)圓下端的倒圓角半徑，所述上凸緣外表面下部沿圓周開設(shè)有凹槽，上凸緣的上部分寬度等于上連接槽的寬度，其下部分寬度小于上連接槽的寬度。

所述下連接槽和下凸緣相互插接，所述下連接槽的軸向深度大于下凸緣的軸向高度，所述下凸緣外側(cè)上端的倒圓角半徑大于下連接槽外圓上端的倒圓角半徑，所述下凸緣內(nèi)表面上部沿圓周開設(shè)有凹槽，下凸緣的下部分寬度等于下連接槽的寬度，其上部分寬度小于下連接槽的寬度。

所述管形銷外表面沿其軸向開設(shè)有通油槽，且所述通油槽位于其外齒段，所述通油槽、進油孔、上泄油孔和下泄油孔在軸向的位置在同一條直線上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

(1)本發(fā)明中上卸載槽和下卸載槽的作用是，使安裝完成后的參與應(yīng)力傳入卸載槽，而不至于集中于齒上，使齒發(fā)生變形甚至是折斷，管形套和管形銷在完成安裝后可形成可靠的金屬密封；

(2)本發(fā)明中管形套的最上齒和管形銷的最下齒比其他齒的齒廓都大，外齒段的齒高大于內(nèi)齒段的齒高，使得管形套的齒頂與管形銷的齒底存在間隙，管形銷的齒頂和管形套的齒底存在間隙，這樣可以避免管形套和管形銷在安裝過程中因所需彈性變形力過大，保證了安裝完成后的接觸強度；

(3)本發(fā)明中管形套和管形銷中每個齒底面均設(shè)置為一定斜度的圓錐面，且每個齒均帶有一定的錐角，這樣在連接完成后有效的形成自鎖，并提高連接的接觸強度和接觸靜密封能力；

(4)本發(fā)明中管形套和管形銷都設(shè)有凸緣和凹槽，用于彼此配合連接，凸緣端部寬度略大于凹槽寬度，上凸緣和上連接槽之間、下凸緣和下連接槽之間都是非全接觸，這樣可以有效減少連接過程中的加載力，并在連接器的凸緣和連接槽之間形成高強度的金屬密封；

(5)本發(fā)明中設(shè)置通油槽的目的是為了是液壓油的充油速度更快；管形套表面有進油孔，主要用于在連接過程中在套和管形銷形成的密閉空間中注入高壓液壓油，使管形銷表面材料發(fā)生彈性變形而收縮，因而專用安裝工具加載，完成連接器的安裝；管形銷上有泄油孔，用于安裝完畢高壓液壓油的卸載與回收；

(6)本發(fā)明中管形套的最上齒與管形銷的上圓柱面形成密閉接觸，管形銷的最下齒與管形套的下圓柱面形成密閉接觸，這樣保證了管形套和管形銷在兩接觸端之間，形成了密閉的齒面空間；管形套和管形銷都有相應(yīng)的定位安裝槽，用于配合安裝工具的安裝；

(7)本發(fā)明可以為管道提供連接可靠、安裝快速、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單的機械連接方式；連接器的連接功能和密封功能均由管形套和管形銷實現(xiàn)；在連接完成后，進行水下作業(yè)時，連接器所受的軸向載荷和徑向載荷等外界載荷，均可由齒槽部分承受；合理的選擇連接器設(shè)計的齒傾角，可以減小連接器軸向加載的外載荷，同時減小的徑向彈性變形量；在連接完成后，管形套的下凸緣與管形銷下凹槽接觸形成足夠大的接觸力，使得連接器表層金屬發(fā)生彈塑性變形，填充接觸表面的泄露通道，形成可靠的接觸密封。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的完成連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的管形銷的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明連接誒器的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的安裝前的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；

圖5為本發(fā)明安裝完成的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明完成連接的上凸緣處連接示意圖；

圖7為本發(fā)明的實施圖。

附圖標記:1管形銷；2管形套；3上定位安裝槽；4下定位安裝槽；5上泄油孔；6進油孔；7下泄油孔；8上連接槽；9下連接槽；10上卸載槽；11下卸載槽；12上凸緣；13下凸緣；14上圓柱面；15下圓柱面；16外齒段；17內(nèi)齒段；18通油槽；19上管道；20下管道；21焊接端；22安裝工具。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

如圖1至圖7所示，本發(fā)明的新型水下管道機械連接器，包括用于連接管道的管形銷1和管形套2，所述管形銷1和管形套2內(nèi)外套接設(shè)置，且均設(shè)置為中空圓筒形狀，所述管形套2和管形銷1均設(shè)置為軸對稱結(jié)構(gòu)。所述管形套2和管形銷1均由鋼材加工制成，最好選擇高強度鋼材制造。

所述管形銷1外表面自上而下依次設(shè)置為上圓柱面14、外齒段16、下卸載槽11和下定位安裝槽4，所述上圓柱面14頂部設(shè)置有圓環(huán)形的上凸緣12，所述下卸載槽11和下定位安裝槽4之間沿圓周開設(shè)有軸向的下連接槽9，所述下定位安裝槽4上端設(shè)置有與下連接槽9相連通的下泄油孔7。

所述管形套2內(nèi)表面自上而下依次設(shè)置有上卸載槽10、內(nèi)齒段17和下圓柱面14，所述上卸載槽10頂端沿圓周開設(shè)有軸向的上連接槽8，所述下圓柱面15底部設(shè)置有下凸緣13，所述管形套2上端外表面沿圓周設(shè)置有上定位安裝槽3，所述上定位安裝槽3下端開設(shè)有與上連接槽8相連通的上泄油孔5，所述管形套2中部設(shè)置有與其內(nèi)部相連通的徑向的進油孔6。所述管形銷1外表面沿其軸向開設(shè)有通油槽18，且所述通油槽18位于其外齒段16，所述通油槽18、進油孔6、上泄油孔5和下泄油孔7在軸向的位置在同一條直線上。

所述外齒段16和內(nèi)齒段17相嚙合，所述外齒段16設(shè)置為環(huán)形圓臺狀，外齒段16的上部外徑小于其下部外徑。所述外齒段16和內(nèi)齒段17均由沿軸向分布的圓環(huán)形錐面齒構(gòu)成，并非是螺線型，所述外齒段16和內(nèi)齒段17中每個齒底面均設(shè)置為一定斜度的圓錐面，且每個齒均帶有一定的錐角。所述外齒段16的最下齒和內(nèi)齒段17的最上齒均大于其它齒的齒廓，所述外齒段16的齒高大于內(nèi)齒段17的齒高。管形套2的齒數(shù)和管形銷1的槽數(shù)目相同。

所述上連接槽8和上凸緣12相互插接，所述上連接槽8的軸向深度大于上凸緣12的軸向高度，所述上凸緣12內(nèi)側(cè)下端的倒圓角半徑大于上連接槽8內(nèi)圓下端的倒圓角半徑，所述上凸緣12外表面下部沿圓周開設(shè)有凹槽，上凸緣12的上部分寬度等于上連接槽8的寬度，其下部分寬度小于上連接槽8的寬度，使得上凸緣12和上連接槽8之間存在一定間隙。

所述下連接槽9和下凸緣13相互插接，所述下連接槽9的軸向深度大于下凸緣13的軸向高度，所述下凸緣13外側(cè)上端的倒圓角半徑大于下連接槽9外圓上端的倒圓角半徑，所述下凸緣13內(nèi)表面上部沿圓周開設(shè)有凹槽，下凸緣13的下部分寬度等于下連接槽9的寬度，其上部分寬度小于下連接槽9的寬度，使得下凸緣13和下連接槽9之間存在一定間隙。

該連接器的安裝需要特定的安裝工具來完成，其安裝過程及原理如下：在管形套2和管形銷1在連接之前，管形套2頂部與上管道19的焊接端21進行摩擦焊接，管形銷1底部與下管道20的焊接端21進行摩擦焊接。在管形套2和管形銷1完成對中，利用特定安裝工具22進行夾緊固定，保證管形銷1的位置固定不動，管形套2可以軸向移動。在進油孔6加入高壓液壓油，利用加載液壓缸加載完成本發(fā)明的安裝。

管形套2朝著管形銷1的方向運動，直至齒形接觸形成運動干涉，形成初始安裝狀態(tài)，圖4中ⅰ、ⅱ、ⅲ均為連接初始狀態(tài)的齒形結(jié)構(gòu)的局部放大圖。通過進油孔6注入環(huán)境友好的液體高壓油，管形套2的最上齒與管形銷1的上圓柱面14形成密閉接觸，管形銷1的最下齒與管形套2的下圓柱面15形成密閉接觸，這樣保證了管形套2和管形銷1在兩接觸端之間，形成了密閉的齒面空間。管形套2齒表面因油壓力彈性變形而產(chǎn)生膨脹，管形銷1齒表面因油壓力彈性變形而產(chǎn)生收縮。

為了保證管形套2和管形銷1在彈性變形過程中不發(fā)生塑變，對連接器材料需要能保證有高的彈性極限。材料表面彈性變形到一定程度，近而利用特定的安裝工具，利用管形套2的上定位安裝槽3，將管形套2夾緊，保證徑向剛度，對管形套2進行軸向加載，使管形套2向管形銷1運動。在運動的過程中，高壓液壓油同時會從兩端流出。

當(dāng)管形套2的齒和管形銷1的槽互補時，安裝完成。安裝后的管形套2和管形銷1的齒面接觸結(jié)構(gòu)，如圖5中的ⅳ局部放大圖所示。管形套2的齒頂與管形銷1的齒底存在間隙，管形銷1的齒頂和管形套2的齒底存在間隙。在連接完成后，管形套2的下凸緣13和管形銷1的下連接槽9、管形套2的上連接槽8和管形銷1的上凸緣12連接效果如圖5中ⅴ、ⅵ局部放大圖所示。上凸緣12和上連接槽8、下凸緣13和下連接槽9并非是全接觸，這樣可以有效減少連接過程中的加載力，并在連接器凸緣和連接槽之間形成高強度的金屬密封。安裝完成后管形套2和管形銷1之間還存在一定空間。

同樣可以在安裝完成的連接器中注入高壓液壓油，是連接表面產(chǎn)生收縮，再利用安裝工具反向加載，可以完成連接器的拆卸。

本連接器可以用于海洋石油tlp平臺張力鋼索的連接。tlp張力鋼索是空心鋼管，直徑從610mm到1200mm不等，壁厚為20～35mm。長度為60～90m不等。在tlp平臺中，通過機械連接起來的張力鋼索總長超過1500m。在實際中，由于tlp平臺具有周期性的橫蕩、縱蕩等，因此對于機械連接器的要求具有很高的疲勞強度和拉伸強度，良好的密封性能和快速連接、易于更換等要求。本發(fā)明的連接器具有結(jié)構(gòu)可靠適合快速拆裝、具有自緊特性、結(jié)構(gòu)簡單可靠、非整體式、安裝拆卸方便等特點。其拆裝工具應(yīng)滿足拆裝方便、便于攜帶、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，可以有效的實現(xiàn)tlp張力鋼索的機械連接。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的功能及工作過程進行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。