本发明涉及一种海洋工程领域连接海底管道时用的对中装置，特别是涉及一种海底管道水下连接作业中的管段轴向对中装置。
背景技术：
深水油气田的水下连接技术中使用rov(remotelyoperatedvehicle)，并需要研发专门的水下连接器，水下连接器通常既能用于垂直连接，也可以用作水平连接，所不同的是连接作业过程中所使用的施工作业机具和难易程度以及作业成本。
深水油气田开发中，垂直连接技术和水平连接技术的施工作业过程最大区别在于对中装置及其对中方法，垂直连接作业的对中包括粗对中和精对中两种。其中，粗对中的方法为，施工作业机具的上方设有对中喇叭口，且对中喇叭口内布置圆环，连接作业中将圆环套入施工作业机具下毂座的对中机构。精对中的方法为，施工作业机具的上毂座和下毂座依据止口结构的配合而保持同轴心的状态，并通过密封圈实现连接部位的密封。水平连接作业的导向对中包括rovcon对中技术、stabcon对中技术和ucon对中技术，rovcon对中技术采用部分吊绳作为导向绳进行对中，导向绳的一端悬挂于施工作业机具毂座的两侧，而导向绳的另一端则利用rov逐步收紧，从而使水下连接器接近毂座并实现对中。stabcon对中技术是设计专门的导向锥筒作为垂直导向机构，水下连接器首先依据导向锥筒完成垂直导向并对接至施工作业机具毂座的垂直接收器上，而后依靠rov完成水下连接器的水平推进，而最终达到对中的目的。ucon对中技术由fmc公司设计，它与stabcon对中技术类似，设计专门的导引槽而使水下连接器完成垂直导向，并对接至施工作业机具毂座的定位器上，而后依靠液压缸完成水下连接器的水平推进并对中。
目前，国外已有多家公司具备了水下连接器的设计和制造技术，而且产品呈现多样化。由于我国深水油气的开发起步较晚，水下连接海底管道技术及其对中装置尚处于研发阶段，还不具备独自完成深海作业的能力。
技术实现要素：
为了有效解决海底管道的水下快速连接问题并克服国内现有海底管道水下对中技术及其作业方案存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种海底管道水下连接作业时用的管段轴向对中装置。该管段轴向对中装置采用全对称构造，并依据海管卡紧器的快速卡紧、管段对中器的对中定位、管段支撑器的轴向支撑、升降限位器的双向限位以及液缸顶升器和液缸周推器提供的推进动力，实现海底管道两管段之间的轴向对中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种海底管道连接作业管段轴向对中装置，该管段轴向对中装置主要由海管卡紧器、管段对中器、管段支撑器、升降限位器、液缸顶升器和液缸周推器组成。该管段轴向对中装置整体设计为左右全对称构造，其海管卡紧器、管段对中器、管段支撑器和升降限位器的主体部件材质均选用超级双向不锈钢，海管卡紧器、管段支撑器、升降限位器、液缸顶升器和液缸周推器均采用分体式结构并沿轴向依次对称布置于管段对中器的两侧，而管段对中器则采用单体式结构，海管卡紧器和管段支撑器依次放置于管段对中器的上方和下方，升降限位器则置入管段对中器的对中筒内。
海管卡紧器采用截面呈r形的卧式壳体，并依据液缸周推器提供的推进动力完成前卡体和后卡体与海底管道间的水下快速卡紧，它包括前卡体、后卡体、卡紧支托、加强座、卡锁块和卡锁体。
前卡体和后卡体分别套于海底管道的前部和后部，前卡体采用半剖式筒体，而后卡体则采用半剖式筒体和矩形钢板相结合的构造，后卡体矩形钢板的下端依次设置矩形连接板和l形角槽，且前卡体和后卡体的半剖式筒体对称布置并整合成一个完整的厚壁筒体。
前卡体和后卡体的顶部设置对称分布的两组卡紧销套，前卡体的每组卡紧销套沿轴向等间距排列两个分卡紧销套，而后卡体的每组卡紧销套沿轴向等间距排列三个分卡紧销套，且前卡体和后卡体的分卡紧销套之间交错布置并配置卡紧销轴，从而将前卡体和后卡体铰接在一起。前卡体和后卡体半剖式筒体的上部和下部设置对称分布的两组圆台，前卡体和后卡体半剖式筒体上部的每组圆台沿轴向等间距排列三个锥形圆台，前卡体半剖式筒体下部的每组圆台沿轴向等间距排列两个锥形圆台，而后卡体半剖式筒体下部的每组圆台沿轴向等间距排列两个柱状圆台，每个锥形圆台和柱状圆台的中央部位设有长孔眼并配置卡紧螺柱，从而实现前卡体和后卡体与海底管道之间的连接。
后卡体与加强座的结合部位自上而下依次设有卡紧圆孔和条形卡槽，后卡体卡紧圆孔的位置和规格与后卡体的柱状圆台相同，同时后卡体的条形卡槽实现加强座的定位。
前卡体半剖式筒体的下部设有沿轴向对称布置的两个卡锁块，卡锁块由方形钢块加工而成，卡锁块的中央部位钻有变截面的圆形锁道，同时每个卡锁块的圆形锁道内均配有一个卡锁体，圆形锁道的环腔内壁进行精细加工，且圆形锁道的两侧通过螺纹连接而分别嵌入卡锁体的卡锁板。后卡体半剖式筒体的下部设有与卡锁块相配合的u形锁槽，后卡体u形锁槽的两侧锁槽面上铣有楔形坡口，同时u形锁槽的中央部位钻有等截面的圆形锁孔。
卡锁体实现前卡体和后卡体的水下快速锁紧，它由对称布置的两个卡锁芯和卡锁板以及一个卡锁簧组成。卡锁板的中央部位钻有圆形锁眼，卡锁芯采用阶梯轴结构，其材质选用35crmo，它包含卡锁销和卡锁肩两部分，卡锁芯中的卡锁销分别与后卡体u形锁槽的圆形锁孔和卡锁板的圆形锁眼之间精密配合而构成移动副，同时卡锁销的端面上铣有与后卡体u形锁槽相对应的楔形坡口。卡锁芯中的卡锁肩与卡锁块的圆形锁道之间精密配合而构成移动副，同时卡锁肩内侧的截面变化处形成轴肩并定位贯穿其内的卡锁簧，由此依据卡锁簧的伸缩运动实现卡锁体的自动锁紧功能。
加强座由矩形钢板加工而成，其下端依次设有与后卡体相匹配的矩形连接板和l形角槽，且加强座和后卡体的l形角槽对称布置而形成u形沟槽，加强座和后卡体的矩形连接板均设有等间距排列的圆形孔眼并配置对中螺柱，从而实现海管卡紧器与管段对中器之间的连接。加强座与后卡体的结合部位自上而下依次设有卡紧螺孔和条形卡块，加强座的条形卡块与后卡体的条形卡槽相配合，加强座的卡紧螺孔与后卡体卡紧圆孔的位置相同并配置加强螺柱，从而实现加强座与后卡体之间的连接。
卡紧支托分为三组并沿轴向等间距排列于前卡体和后卡体的顶部，且三组卡紧支托与两组卡紧销套之间交错布置，海管卡紧器两侧卡紧支托的端面分别与前卡体和后卡体以及加强座的两侧端面保持平齐。每组卡紧支托设有两个结构和规格相同的分卡紧支托，每个分卡紧支托由方形钢块和梯形钢块组合而成，且分卡紧支托的方形钢块沿垂向布置，同时分卡紧支托的梯形钢块倾斜放置并采用圆周焊的方式分别固定于前卡体和后卡体的上部，由此每组卡紧支托沿轴向呈扁u形。此外，分卡紧支托的方形钢块顶部设有矩形凹槽并配置周推销轴，从而实现卡紧支托与液缸周推器液压缸之间的铰接。
管段对中器依据对中基体的基准定位作用并结合对中筒和支撑筒间的移动副实现海底管道两管段的水下对中定位，它包括对中基体、对中筒和对中支托。
对中基体采用卧式条形钢板，并依据水平基准面和柱形基准台实现基准定位作用，对中基体的上端面设置为水平基准面，并分别配置对称分布的后卡体和加强座，从而保证管段对中器上方的两套海管卡紧器处于同轴心对中状态。对中基体的前后两侧端面上钻有与加强座和后卡体的矩形连接板相配合的圆形孔眼，且对中基体的两侧面分别与加强座和后卡体的矩形连接板侧端面保持平齐，对中基体的长度大于两倍海管卡紧器的轴向长度与海底管道两管段的轴向间距之和。
对中基体的下端面沿长度方向设有对称布置的两个柱形基准台，对中基体的柱形基准台上各配置一个对中筒，从而保证管段对中器下方的两套管段支撑器处于沿垂向平行状态，对中基体的柱形基准台直径和对中筒顶端法兰盘的外径均等于对中基体的宽度。
对中筒采用立式厚壁筒体并与管段支撑器的支撑筒相配合，其顶端设置法兰盘且其底端车制有密封管螺纹，同时对中筒的筒壁下部设有上下两层对中孔，每层对中孔沿周向均布四个对中圆孔眼，各层间对中圆孔眼的位置相同，且对中筒的对中圆孔眼均与升降限位器的限位销相配合。
对中支托沿周向均布于对中基体柱形基准台的外环面上，每个对中基体的柱形基准台上配置四对对中支托，且对中支托沿轴向的高度等于对中基体柱形基准台的台高。
管段支撑器依据液缸顶升器提供的推进动力并结合支撑筒提供的升降滑道实现海底管道两管段的水下支撑，它包括支撑筒、防沉板和支撑支托。
防沉板采用柱形钢板，并与海底泥面直接接触，用于防止整套对中装置沿垂向下沉。防沉板的下端面与对中基体上端的水平基准面保持平行，防沉板的上端面设有与对中基体的柱形基准台相同规格的圆柱形凸台，防沉板的圆柱形凸台上各配置一个支撑筒，防沉板的圆柱形凸台直径和支撑筒底端法兰盘的外径均等于对中基体的宽度。
支撑筒采用立式厚壁筒体，其底端设置法兰盘，且支撑筒的筒壁上部和下部各设有一层限位孔，每层限位孔沿周向均布四个限位圆孔眼，支撑筒的限位圆孔眼与对中筒的对中圆孔眼的孔径相同，支撑筒上层限位孔的各限位圆孔眼与升降限位器的限位销配合时即为液缸顶升器升程最大位移的终止点，同时支撑筒下层限位孔的各限位圆孔眼与升降限位器的限位销配合时即为液缸顶升器降程最大位移的终止点。
支撑筒的环腔内壁与对中筒的外环面之间精密配合而构成移动副，且支撑筒的环腔内壁位于上下两层限位孔之间的部位铣有拱形沟槽，从而为升降限位器提供沿轴向双向运动的升降滑道，同时支撑筒的拱形沟槽两侧端与限位孔的结合部位铣有拱形坡口。
支撑支托与对中支托的结构和数量相同，支撑支托沿周向均布于防沉板圆柱形凸台的外环面上，每对支撑支托和对应位置处的对中支托配置一套液缸顶升器的液压缸，支撑支托沿轴向的高度和防沉板圆柱形凸台的台高均等于对中支托的高度。每对支撑支托和对中支托含有两个分支托，每个分支托采用矩形钢块，支撑支托通过支撑销轴与液缸顶升器的液压缸缸筒相连接，而对中支托则通过对中销轴与液缸顶升器的液压缸活塞杆相连接。
升降限位器依据上下两层限位销实现管段支撑器轴向支撑过程中的双向限位，它包括限位本体、限位销和限位弹簧。
限位本体采用变截面的环体，限位本体的底部设置环肩，限位本体的环肩通过螺纹连接实现升降限位器在对中筒环腔内壁中的固定连接，同时限位本体环肩的下端面与对中筒的下端面保持平齐。限位本体环肩上部的环体设有上下两层升降孔，每层升降孔沿周向均布四个升降圆孔眼，限位本体的升降圆孔眼与对中筒的对中圆孔眼的位置相对应，且限位本体升降孔的孔底部设置变截面凸台，限位本体变截面凸台的截面变化处实现限位弹簧内侧端的轴向定位。
限位销采用阶梯轴结构，其材质选用35crmo，限位销的外侧端面采用圆拱面并与支撑筒的拱形沟槽之间精密配合而构成沿支撑筒轴向的移动副。限位销圆拱面的一侧端铣有与支撑筒限位孔相对应的拱形坡口，且上层限位销的拱形坡口与支撑筒上层限位孔的拱形坡口相配合，同时下层限位销的拱形坡口与支撑筒下层限位孔的拱形坡口相配合。限位销的销体与限位本体的升降圆孔眼之间采用间隙配合，且限位销的销体同时与对中筒的对中圆孔眼和支撑筒的限位圆孔眼之间精密配合而构成沿对中筒和支撑筒径向的移动副。限位销的内侧端设置与限位本体升降孔相对应的变截面凸台，限位销变截面凸台的截面变化处实现限位弹簧外侧端的轴向定位。
依据限位弹簧的伸缩运动，当上层限位销插入支撑筒的上层限位孔内时，液缸顶升器达到最大升程，而当下层限位销插入支撑筒的下层限位孔内时，液缸顶升器达到最大降程，由此实现升降限位器的自动双向限位功能。
该管段轴向对中装置包含两套独立的液缸式推进系统，即液缸顶升器和液缸周推器，用来提供推进动力，实现海底管道管段的快速轴向对中。液缸顶升器通过对中支托与支撑支托实现管段对中器和管段支撑器之间的连接，并完成管段支撑器轴向支撑过程中的升降推进，液缸顶升器采用沿支撑筒周向均布的四个独立液压缸，各液压缸沿垂向放置。液缸周推器通过卡紧支托实现前卡体和后卡体之间的张开与合拢，并完成海管卡紧器水下快速卡紧过程中的水平推进，液缸周推器采用沿前卡体和后卡体轴向等间距排列的三个独立液压缸，且各液压缸沿水平方向布置。
所有独立液压缸的液压油均通过多路换向阀统一分配以实现液缸顶升器的自动同步升降推进和液缸周推器的自动同步水平推进功能，同时液压缸均采用活塞式液压油缸，通过其两端进液压油管路的通油和出液压油管路的回油实现双向推进运动。液缸顶升器的液压缸通过对中销轴和支撑销轴分别与管段对中器和管段支撑器进行铰接，而液缸周推器的液压缸则通过周推销轴与海管卡紧器锚定在一起，卡紧销轴、对中销轴和支撑销轴的轴端加工有盲端螺孔并配置六角头螺钉进行固定，而周推销轴的轴端则配有开口销加以固定。
本发明所能达到的技术效果是，该管段轴向对中装置采用全对称构造，并依据海管卡紧器的快速卡紧、管段对中器的对中定位、管段支撑器的轴向支撑、升降限位器的双向限位以及液缸顶升器和液缸周推器提供的推进动力，实现海底管道两管段之间的轴向对中；海管卡紧器采用截面呈r形的卧式壳体，并依据液缸周推器提供的推进动力完成前卡体和后卡体与海底管道间的水下快速卡紧，管段对中器依据对中基体的基准定位作用并结合对中筒和支撑筒间的移动副完成海底管道两管段的水下对中定位，管段支撑器依据液缸顶升器提供的推进动力并结合支撑筒提供的升降滑道完成海底管道两管段的轴向支撑，升降限位器依据上下两层限位销实现管段支撑器轴向支撑过程中的双向限位。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
图1是根据本发明所提出的一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中典型管段轴向对中装置的结构简图。
图2是图1的左视图。
图3是一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中海管卡紧器和液缸周推器的结构简图。
图4是图3的左视图。
图5是一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中管段对中器的结构简图。
图6是一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中管段支撑器和液缸顶升器的结构简图。
图7是图6的a—a剖视图。
图8是一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中升降限位器的结构简图。
图9是图8的俯视图。
图10是一种海底管道连接作业管段轴向对中装置中水下连接管段轴向对中作业的流程简图。
图中1－海管卡紧器，2－液缸周推器，3－海底管道，4－管段对中器，5－液缸顶升器，6－升降限位器，7－管段支撑器，8－前卡体，9－后卡体，10－卡紧销轴，11－周推销轴，12－卡紧支托，13－卡锁体，14－卡锁块，15－加强座，16－对中基体，17－对中支托，18－对中筒，19－对中销轴，20－液压缸活塞杆，21－液压缸缸筒，22－支撑筒，23－支撑销轴，24－支撑支托，25－防沉板，26－限位销，27－限位本体，28－限位弹簧。
具体实施方式
在图1和图2中，海底管道连接作业管段轴向对中装置主要由海管卡紧器1、液缸周推器2、管段对中器4、液缸顶升器5、升降限位器6和管段支撑器7组成，其整体设计为左右全对称构造，海管卡紧器1、液缸周推器2、液缸顶升器5、升降限位器6和管段支撑器7沿轴向依次对称布置于管段对中器4的两侧，两套海管卡紧器1分别卡紧于海底管道3两管段的外环面，且海管卡紧器1放置于管段对中器4的上方，管段支撑器7放置于管段对中器4的下方，而升降限位器6则置入管段对中器4的对中筒内。
在图1和图2中，海底管道连接作业管段轴向对中装置组装前，海管卡紧器1、管段对中器4和管段支撑器7主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，海管卡紧器1卡锁体的卡锁销置入其卡锁块的圆形锁孔内，应该灵活移动且无阻滞，且升降限位器6的限位销置入管段对中器4的对中孔和管段支撑器7的限位孔内，均应该灵活移动且无阻滞，管段对中器4的对中筒应沿管段支撑器7的支撑筒正常滑动且无阻滞，且升降限位器6的限位销应沿管段支撑器7的升降滑道正常滑动且无阻滞，并保持海管卡紧器1内壁的清洁，最后检查海管卡紧器1的卡锁销以及升降限位器6的限位销有无损伤，检查各销轴和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。
在图1和图2中，海底管道连接作业管段轴向对中装置组装时，海管卡紧器1前卡体和后卡体的两组卡紧销套分别配置卡紧销轴，而将前卡体和后卡体铰接在一起，而后液缸周推器2的液压缸通过卡紧支托与海管卡紧器1相连接，接着管段对中器4对中基体上端的水平基准面分别配置海管卡紧器1的后卡体和加强座，同时管段对中器4对中基体下端的柱形基准台配置管段对中器4的对中筒，并通过对中螺柱而将海管卡紧器1和管段对中器4连成一体，然后升降限位器6限位本体底部的环肩通过螺纹连接实现升降限位器6在管段对中器4对中筒环腔内壁中的定位，最后液缸顶升器5的液压缸通过对中支托和支撑支托而实现管段对中器4和管段支撑器7之间的连接。
在图1和图2中，整套海底管道连接作业管段轴向对中装置的规格依据海底管道3的管径进行选取。
在图3和图4中，两套海管卡紧器1之间的距离依据海底管道3两管段之间的轴向间距进行调整，海管卡紧器1中前卡体8和后卡体9的环腔内壁直径与海底管道3的管径相一致，液缸周推器2各液压缸推程的设计需要综合考虑卡紧支托12的几何尺寸和海底管道3的管径等因素。
在图3和图4中，前卡体8的两组卡紧销套通过卡紧销轴10与后卡体9的两组卡紧销套分别铰接在一起，卡紧支托12分为三组并沿轴向等间距排列于前卡体8和后卡体9的顶部，每组卡紧支托12分卡紧支托的矩形凹槽内配置周推销轴11，从而将液缸周推器2的各液压缸与前卡体8和后卡体9分别连接在一起，海管卡紧器1通过后卡体9和加强座15而接于管段对中器4对中基体的水平基准面上。
在图3和图4中，海管卡紧器1的前卡体8和后卡体9依据液缸周推器2的水平推进而完成张开与合拢操作，且卡锁体13中卡锁芯的卡锁销依据卡锁体13的卡锁簧而顺利插入卡锁块14的圆形锁孔内，由此完成前卡体8和后卡体9的水下快速锁紧，同时前卡体8和后卡体9通过卡紧螺柱而快速卡紧于海底管道3的两管段上。
在图5中，管段对中器4的对中基体16宽度依据海底管道3的管径进行调整，而对中基体16的长度则需大于两倍海管卡紧器1的轴向长度与海底管道3两管段的轴向间距之和，对中基体16的设计需要综合考虑海底管道3两管段的中心发生小幅偏心而产生的最大附加作用力等因素，对中筒18的轴向长度与海底管道3至海底泥面之间的垂向距离保持一致。
在图5中，对中基体16的柱形基准台上分别配置一个对中筒18，并通过对中螺柱与海管卡紧器1相连接，对中筒18的外环面与管段支撑器7支撑筒的环腔内壁相配合，同时对中筒18的对中孔与升降限位器6的限位销之间精密配合，管段对中器4通过对中支托17与液缸顶升器5的液压缸相连接。
在图6和图7中，管段支撑器7中支撑筒22的轴向长度与海底管道3至海底泥面之间的垂向距离保持一致，防沉板25的几何尺寸需要综合考虑海底管道3两管段端部的重力与整套管段轴向对中装置的重力之和等因素，液缸顶升器5各液压缸的升程和降程设计需要综合考虑海底管道3至海底泥面之间的垂向距离等因素，液缸顶升器5各液压缸提供的推进动力大小依据海底管道3两管段端部的重力与海管卡紧器1、液缸周推器2、管段对中器4和升降限位器6的重力之和进行设计。
在图6和图7中，支撑筒22的上层限位孔与升降限位器6的上层限位销相配合，实现液缸顶升器5最大升程的限位，同时支撑筒22的下层限位孔与升降限位器6的下层限位销相配合，实现液缸顶升器5最大降程的限位。液缸顶升器5的液压缸活塞杆20通过对中销轴19和对中支托17与管段对中器4的对中基体16相连接，液缸顶升器5的液压缸缸筒21则通过支撑销轴23和支撑支托24与管段支撑器7的防沉板25连成一体。
在图6和图7中，依据液缸顶升器5各液压缸的升降推进，管段支撑器7的防沉板25伴随其支撑筒22一起沿垂向滑移，直至防沉板25的下端面与海底泥面直接接触为止。
在图8和图9中，升降限位器6中限位销26的规格与对中筒18的对中孔和支撑筒22的限位孔保持一致，限位本体27的规格与对中筒18的环腔内壁相一致。
在图8和图9中，限位销26的圆拱面与支撑筒22的拱形沟槽之间形成升降滑道，依据限位本体27升降孔内限位弹簧28的伸缩运动，上层限位销26插入支撑筒22的上层限位孔内而达到液缸顶升器5的最大升程，同时下层限位销26插入支撑筒22的下层限位孔内而达到液缸顶升器5的最大降程，由此实现升降限位器的自动双向限位功能。
在图10中，水下连接管段轴向对中作业流程中，依据各组卡紧支托12上液缸周推器2液压缸的水平推进，海底管道3两侧的前卡体8和后卡体9依次实施合拢，同时依靠卡锁体13中卡锁簧的伸缩运动，卡锁体13中卡锁芯的卡锁销插入卡锁块14的圆形锁孔内，而后通过卡紧螺柱将前卡体8和后卡体9分别卡紧于海底管道3两管段的外环面上，由此完成海管卡紧器1的水下快速卡紧。
在图10中，水下连接管段轴向对中作业流程中，依据对中支托17和支撑支托24之间液缸顶升器5液压缸的升降推进，并结合限位销26圆拱面与支撑筒22拱形沟槽之间的升降滑道以及支撑筒22环腔内壁与对中筒18外环面之间的移动副，防沉板25伴随支撑筒22沿垂向滑移，而后依据限位本体27升降孔内限位弹簧28的伸缩运动，上层限位销26插入支撑筒22的上层限位孔内而达到液缸顶升器5的最大升程，防沉板25座于海底泥面，由此完成海底管道3两管段的轴向支撑和对中定位。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。