专利名称：液压辅助紧固件的制作方法
技术领域：
本发明涉及液压辅助紧固件和液压张紧(tensioning)装置。这种紧固件包括螺母或垫圈，张紧装置包括张紧环，特别是适于阀门等的张紧环。
背景技术：
采用液压操作元件来施加螺栓张力的紧固件的使用已经广为流行。在美国专利US 5,730,569(Bucknell)(＝国际申请PCT/AU93/00477＝国际公开WO 94/07042)中找到能够这样的实例。这种紧固件用于以这样的方式安装，允许它们的周期性地拆卸，以便保养或维护它们所固定的设备。它们很少用于永久安装的情形。与其它永久固定的方法相比，阻碍后者的因素是初期成本高以及液压密封材料随着时间而性能退化，在高温下尤其如此。
美国专利US 5,730,569公开了一种简单而生产成本低的液压紧固件。然而，后者依靠密封整体性的维护来保持其所安装的螺栓的拉伸层。因为上述原因，在海底管线的建造中不使用液压辅助紧固件，用于固定管线法兰接头的管道也不使用它。这种操作的成本很高，因为它们需要完整的潜水支持船、船员、以及潜水员。
随着深度增加，对于从业人员和设备的风险以及成本都会明显增加。因为对于近海石油和天然气勘探而言，较浅水域已经枯竭，钻井和开采都移到深水，这些因素明显决定了寿命。远程操作运载工具(Remote Operated Vehicles(ROVs))用于在严格限制潜水员时间的深度进行复杂的拧紧操作。这些运载工具在灵巧性方面的有局限性，当遇到缺乏可见性或移动性受限制的的情况时，甚至更加难以可靠地传送满意的结果。水流和其它局部环境条件也能影响操作，并且造成操作费用的超支。
发明内容
本发明的目的是提供液压辅助紧固件和液压张紧装置，其操作不用液压密封件，而直接张紧其所安装的螺栓或元件；或相对现有技术的装置，至少提供有用的替换物。
本发明的进一步的目的是提供这样的紧固件和装置，其不需要锁紧环来保证产生的拉伸负载，其不受密封材料性能退化的影响，其可与充填介质一同使用，该填充介质在严酷的条件下不会退化。
根据本发明的液压辅助紧固件，包括主体，其具有配合连接器元件的中心孔和向外敞开到端面的环形凹槽，环形止推元件，其安装到该环形凹槽并且密封该环形凹槽，环形空腔，其由凹槽和止推元件限定，和充填介质，其在压力作用下注射到空腔中，其相对推理兼移动主体以张紧连接器元件，其设在空腔中以保持连接器元件的张力。
优选地，连接器元件是螺栓或双头螺栓。
优选地，主体是拧到螺栓或双头螺栓上的螺母，止推元件是具有普通孔的垫圈。
优选地，凹槽向内延伸到孔，空腔由凹槽、止推元件和连接器元件限定。
优选地，止推元件是结合有环形法兰的活塞环，环形法兰在主体周边延伸并且密封主体周边。
优选地，主体和/或止推元件结合有整体的偏转和/或密封边，用以密封空腔。
优选地，充填介质是黏性糊状物，其固化成固体，包括自凝混合物的悬浮固体或表现为液体介质的微粒固体。
优选地，充填介质是一种如石墨的固体，其通过介质交换器注射到空腔中。
优选地，充填介质是粒状性质的微粒固体，诸如铅珠、铜珠或钢珠。
在本发明的可替换形式中，液压张紧装置包括连接器主体，其具有配合连接器元件的多个孔，并具有向外敞开到端面的配对凹槽，多个止推元件，其密封所述凹槽，多个空腔，其由凹槽和止推元件限定，至少一个分配通道，其与所述空腔互相连通，和充填介质，其在压力作用下经过一个或多个分配通道注射到空腔中，其相对于止推元件移动连接器主体以张紧连接器元件，其设在所述空腔中以保持连接器元件的张力。
优选地，所述孔是向内收敛并且容纳螺母圆锥体，螺母圆锥体将连接器主体锁紧到连接器元件上。
优选地，所述凹槽向内延伸到所述孔，所述空腔由凹槽、止推元件和连接器元件限定。
优选地，在相邻的孔之间设有附加的凹槽。
优选地，连接器主体和止推元件是适用于管线、阀门和类似设备的法兰接头的环形盘。
优选地，连接器主体和止推元件是正方形、矩形、六边形、多边形、圆形、椭圆形或任何其它形状。
为了充分理解本发明，现在参照附图描述本发明的优选实施例，其中图1是液压辅助紧固件的平面图；图2是图1的紧固件的正面局部剖视图；图3是紧固法兰接头的液压张紧组件的示意图；图4是图3的组件的分解图；图5是图4的局部放大图；图6是表示液压充填装置的正面剖视图；图7是表示图6替代方案的正面剖视图；图8和9是图7的局部放大图。
具体实施例方式
图1和2示出了与螺栓20啮合的液压紧固件10。紧固件10具有带螺孔12的主体11，螺孔12配合螺栓20的螺纹21。主体11具有六个平面13，以供张紧工具的抓紧。主体11的外轮廓可各种各样，以适应可获得的不同类型的张紧工具。
在主体11中形成环形凹槽14，环形凹槽14向外敞开到端面15、向内到主体11的孔12。主体11的下部具有围绕环形凹槽14的圆周裙边16。环形垫圈的形式的止推元件17安装到环形凹槽14中，并且具有弯曲的上表面18。
环形空腔30由主体11的环形凹槽14、止推垫圈17和螺栓20的外螺纹来限定。喷嘴40具有单向阀41，并且拧入主体11的圆周裙边16，通过通道31连接到环形空腔30。
喷嘴40能够连接到诸如微粒固体的充填介质50的供应源，充填介质50在压力作用下通过喷嘴40注射到环形空腔30中，以膨胀环形空腔30的工作体积。连接器主体11沿与止推垫圈17相反的方向移动，从而施加张力给螺栓20。当所需的张力已经施加到螺栓20时，充填介质50的供应源与喷嘴40脱离，通过单向阀41防止倒流。
充填介质50也可以是固化成固体的黏性糊状物、自凝混合物的悬浮固体、和特性象流体的微粒固体。如果充填介质源结合有介质交换器，也可以使用固体注射介质，诸如石墨。诸如铅珠、铜珠或钢珠这样的粒状性质的微粒固体也可用作充填材料。充填介质50设定和形成固体块，其防止主体11相对于止推垫圈17的移动，从而防止由液压紧固件10施加到螺栓20上的张力的减小。通过利用上述任何充填介质，在止推垫圈17和主体11的环形凹槽14的相邻接触壁之间不再需要密封。因此，避免了由于密封件性能降低而导致的施加到螺栓20的张紧力的减小。
图2-6示出了第二种液压张紧装置110，其用于在法兰接头处的连接相应管子P1和P2的管法兰PF1和PF2。为了易于制造，液压张紧装置110具有由上部和下部环形盘111、112形成的环形的装置主体。上部盘111具有多个向下收敛的孔113，通过它容纳延伸到管法兰PF1上面的螺栓120。每个圆锥孔113成形为容纳三叉螺母圆锥体(trifurcated nut cone)122，该三叉螺母圆锥体与螺栓120的螺纹121相啮合。通过弹簧夹子123防止圆锥体122从圆锥孔113上脱离。下部盘112具有大于孔113的直径的孔，通过它与上部盘111形成容纳止推垫圈117的环形凹槽114，使得上部盘111和下部盘112、止推垫圈117和螺栓120形成环形空腔130，以容纳充填介质150。
围绕螺栓120的每个环形空腔130通过在上部盘111和下部盘112周围延伸的分配通道151互相连通。通过将连接器主体制造成两个盘，分配通道151能够被机械加工，并且上部盘111和下部盘112能够通过多个连接螺栓119锁定在一起。
如图6所示，利用拧入到连接着分配通道151的通道131中的介质交换器160，在高压作用下注射充填介质150。通道131包括止逆阀141，其工作方式与图1和2中喷嘴40中的止逆阀41相同。介质交换器160具有主体161，主体161经过液压管线163连接液压油162的源。液压油162在压力作用下强制进入介质交换器160，使得隔离活塞164在介质交换器160的主体161中移动，从而造成从介质交换器160排出介质150。这增加环形空腔130的有效容积，且盘111和112相对于止推垫圈117移动，以将螺栓120张紧到所需的程度。
当螺栓120达到要求的张力时，介质交换器160与通道131脱开，止逆阀141防止充填介质150从装置110中释放。如上所述，充填介质150设定成防止盘111和112相对于止推垫圈117移动，从而防止施加到螺栓120的张力减小。
显而易见，对于本领域的技术人员而言，制造液压张紧装置110的普通方法相当简单并且便宜，因为没有复杂的机械操作，也不需要加工。连接器主体的上部盘111和下部盘112通过螺栓119连接在一起来封闭分配通道151，所以不需要复杂的钻孔操作。每个三叉螺母122插入它的锥孔113中，并且用弹簧夹子123限制住，弹簧夹子123为螺母122组件提供了保持力和关闭力(retaining and closing forces)。
为了安装，液压张紧装置110安装在从管法兰PF1上突出的螺栓120上，如图4所示。将液压张紧装置110推到在螺栓120上的动作使得锥形螺母122啮合在(ratchet over)螺栓的螺纹上，无需将螺母旋拧到位。
如上所述，充填介质150经过分配通道151流到每个环形空腔130，迫使止推垫圈117反作用于相邻的管法兰PF1。这产生平均和同步地分配到每个螺栓120上的拉伸力。单向阀141自动地工作，在组件中保持全压力的的情况下拆除压力泵设备。在采用糊状物作为充填介质的情况下，充填介质会快速固化，防止了泄漏以及因此造成的在螺栓120上的拉伸负载的损失。当采用微粒固体作为充填介质时，因为它已经是高密度，它将无限地保持拉伸负载。
图7示了本发明的第三实施例，其中利用介质交换器260，采用了与图3-7所述相同的方式，在标准形式的液压螺母210中填充充填介质250。在这种情况下，无需保持充填介质的压力，因为所产生的力通过锁紧环216得到保持，其中锁紧环216拧入螺母211并且与活塞217配合，活塞217与螺母211协同形成环形空腔230。当这种类型的液压螺母需要在以后完整地拆除时，使用的充填介质则是液体性质，以便帮助重新增压，从而松开锁紧环216。
由于所使用的充填介质的性质，张紧装置110的紧固件10、210仅需要基本的密封能力。如图8和9所示，当粘性材料用作充填介质时，为了增强密封能力，元件的前边缘(leading edges)和滑动配合可以改变。
充填介质50、150、250的使用，特别是诸如石墨的固体注射介质和诸如钢珠的粒状性质的微粒固体的使用，使得本发明的液压张紧紧固件和液压张紧装置可在高温应用中使用。在这些情况下，采用图7-9具有锁紧环216的液压螺母是理想的，以保持要求的负载。拆除紧固件210需要注入充填介质250来松开锁紧环216和释放压力，以便使得装置210从螺栓220上拧松。
应该认识到，上面的描述仅通过图示的实例给出，对本领域的普通技术人员来说是显而易见的，所有其它变型和变化被认为落入在此阐述的本发明的宽泛范围和界限内。在本申请的整个说明书和权利要求书中，词“包括(comprise)”和这个词的变型，诸如“comprises”和“comprising”不排除其它的附加元件整体或步骤。
权利要求
1.一种液压辅助紧固件，包括主体，其具有用以啮合连接器元件的中心孔和向外敞开到端面的环形凹槽，环形止推元件，其安装到环形凹槽中并且密封该环形凹槽，环形空腔，其由所述凹槽和所述止推元件限定，和充填介质，其在压力作用下注射到空腔中，其相对于止推元件移动主体以张紧连接器元件，其设在空腔中以保持连接器元件的张力。
2.如权利要求1所述的紧固件，其中所述连接器元件是螺栓或双头螺栓。
3.如权利要求2所述的紧固件，其中所述主体是拧到螺栓或双头螺栓上的螺母，止推元件是具有普通孔的垫圈。
4.如权利要求1所述的紧固件，其中所述凹槽向内延伸到所述孔，所述空腔由凹槽、止推元件和连接器元件限定。
5.如权利要求1所述的紧固件，其中所述止推元件是结合有环形法兰的活塞环，环形法兰在主体周边延伸并且密封主体周边。
6.如权利要求1所述的紧固件，其中所述主体和/或止推元件结合有整体的偏转和/或密封边，用以密封所述空腔。
7.如权利要求1所述的紧固件，其中充填介质是黏性糊状物，其固化成固体，该固体包括自凝混合物的悬浮固体或表现为流体介质的微粒固体。
8.如权利要求1所述的紧固件，其中充填介质是通过利用介质交换器注射到空腔中的如石墨的固体。
9.如权利要求1所述的紧固件，其中充填介质是粒状性质的微粒固体，诸如铅珠、铜珠或钢珠。
10.一种液压张紧装置，包括连接器主体，其具有配合连接器元件的多个孔，并具有向外敞开到端面的配对凹槽，多个止推元件，其密封所述凹槽，多个空腔，其由所述凹槽和所述止推元件限定，至少一个分配通道，其与所述空腔互相连通，和充填介质，其在压力作用下经过一个或多个分配通道注射到所述空腔中，其相对于所述止推元件移动连接器主体以张紧连接器元件，其设在空腔中以保持连接器元件的张力。
11.如权利要求10所述的液压张紧装置，其中所述孔是向内收敛并且容纳螺母圆锥体，所述螺母圆锥体将连接器主体锁紧到连接器元件。
12.如权利要求10所述的液压张紧装置，其中所述凹槽向内延伸到所述孔，所述空腔由凹槽、止推元件和连接器元件限定。
13.如权利要求10所述的液压张紧装置，其中在相邻的孔之间具有附加的凹槽。
14.如权利要求10所述的液压张紧装置，其中连接器主体和止推元件是环形盘，所述环形盘适用于管线、阀门和类似设备的法兰接头。
15.如权利要求10所述的液压张紧装置，其中连接器主体和止推元件为正方形、矩形、六边形、多边形、圆形、椭圆形或任何其它形状。
全文摘要
液压辅助紧固件(10)包括主体(11)，主体(11)具有配合连接器元件(20)的中心孔(12)和向外敞开到端面(15)的环形凹槽(14)。环形止推元件(17)安装到凹槽(14)中并且密封凹槽(14)。充填介质(50)在压力作用下注射到由凹槽(14)和元件(17)限定的环形空腔(30)中，并且相对于元件(17)移动主体(11)以张紧元件(20)。介质(50)设在空腔(30)中以保持元件(20)的张紧。元件(20)可以是螺栓或双头螺栓，主体(11)可以是螺母，元件(17)可以是平面垫圈。介质(50)可以是可固化的黏性糊状物、自凝混合物的悬浮固体或表现为流体的微粒固体。合适的材料包括石墨、铅珠、铜珠或钢珠。
文档编号F16L23/00GK1922406SQ200580006004
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者J·W·巴克内尔 申请人:J·W·巴克内尔