一种海洋复合柔性管用预压自紧接头的制作方法

本发明涉及海洋复合柔性管接头技术领域,具体涉及一种应用于石油或水高压输送的新型海洋纤维增强复合柔性管用接头，用于增强复合柔性管的端部连接。

背景技术：

在海洋工程热塑性复合增强柔性管接头领域，对于柔性增强复合管道来说，由于其材料的进步和制备工艺的提升，该类管道的使用口径和使用水深逐渐加大，应用条件也更为恶劣和复杂，相应地对接头的设计也提出了更高的要求。

早期，小口径的增强复合管的连接机理是将管道和接头结构热熔粘结，但是这种方式在强度和密封性上有甚多不足；随后出现的接头形式大部分是采用机械压紧的方式连接；目前在浅水领域应用最多的是夹紧式接头，通过内外套头夹紧中间的管道层限制其位移形成连接，可以通过冷温、轴向压入等多种方式连接，该结构形式可以很好地应用于小口径的浅水管道，但不适用于大口径、高压力、高振动条件下管道。

在实际应用中接头主要受到来自管道的轴向拉力、弯曲和扭转作用，以及海水的外压和内部流体的内压，此外对于机械压紧接头，还存在着初始装配预应力。当前复合管接头存在的问题在于：一、承载强度问题：热熔接头的强度很低，而当前的机械压紧接头在复杂的荷载条件下亦容易发生强度破坏；二、密封性能问题：传统的密封方式单一，密封可靠性不高；三、预应力的保持问题：当前的机械压紧接头通过预应力保证管道的限位，但往往在实际环境下，尤其是结构发生疲劳变形或者蠕变后预应力丢失，以致管道承载能力下降，密封性能也往往会随之下降；四、接头装卸问题：当前的大多数接头是一次性接头，往往在装配完成后无法更换零部件，需要整件更换；五、管道层破坏问题：复合管道的特点在于轴向强度大，而径向的强度小，而传统接头结构在管道层上易产生应力集中问题，使管道结构发生破坏；六、传统的接头对于温度变化造成的影响是难以预测的，容易发生热应力失效，因此适用温度范围一般不大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中所述接头承载强度差、预应力难以保持、拆装不方便等缺陷，提出一种海洋复合柔性管用预压自紧接头。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海洋复合柔性管用预压自紧接头，包括外套环、楔形环、锁紧环、斧型轴和内压环；所述外套环套设在楔形环外侧，且在外套环和楔形环之间设置有密封件，所述密封件为橡胶密封圈或其他密封材料，所述外套环的前端为锥形，外套环的后端与锁紧环螺纹连接，所述螺纹选用符合国际标准的高精度密封螺纹形式，否则，需要在螺纹上填涂密封胶或是油封；锁紧环设置在外套环与斧型轴之间；所述斧型轴一端与楔形环相接触，另一端连接有法兰盘，法兰盘与斧型轴等截面焊接连接，通过螺栓与另一个接头的法兰盘连接，由此铺设管道；所述内压环设置在接头最内层，内压环与斧型轴内壁固定连接，且与楔形环之间存在容纳柔性管端部的空隙，与楔形环挤压形成夹紧力限制管道位移。

进一步的，所述外套环由钢制材料制作，外套环前端开口内径大于柔性管二次增厚段外径，其后端开口内径略大于斧形轴最大外径，外套环后端内壁上设置有内螺纹，外套环前端内壁上还设置有弧形凹槽，所述弧形凹槽内设置有弹性体。

进一步的，所述弹性体由高强度橡胶材料构成，其后端包括一臌胀部，所述臌胀部嵌入弧形凹槽内，以防止滑脱，在实际装配完成后，弹性体发生一定的预变形，其实际为一个后端加粗的密封垫，位于外套环前端和柔性管道二次增厚段外壁之间，被挤压至一定的变形量，形成此处的密封，同时避免柔性管管道直接触碰外套环在此处的金属结构，起到缓冲作用，还用于抵消一定的管道弯曲应力，起到过渡的效果。

进一步的，所述内压环中部的厚度大于其两端的厚度，内压环的后端与斧型轴内壁的连接方式为过盈连接或螺纹连接，内压环前端承接柔性管道内壁，与楔形环挤压形成夹紧力限制管道位移。

进一步的，所述内压环前端外表面设置有喷砂层或滚花，将内压环前端外表面经过喷砂处理或者滚花处理以增加与柔性管道内壁之间的摩擦，提高夹紧效果。

进一步的，所述楔形环由4-6块楔形体组成，所述楔形体后端的厚度大于其前端的厚度，且相邻楔形体之间紧密贴合，形成一个完整的楔形环。

进一步的，所述楔形环的后端包括一平段部，所述平段部与外套环之间存在空隙。

进一步的，所述楔形环内表面上设置有增大摩擦的滚花或喷砂层，其外表面相对光滑。

进一步的，所述锁紧环的外表面设置有外螺纹，与外套环内螺纹相配合，锁紧环内径略大于斧型轴的轴外径，以便套入。

进一步的，所述内压环外壁上、楔形环前端外锥面上、锁紧环内壁上以及法兰盘上均设置有密封槽，所述密封槽为截面为梯形或者半圆形的环形凹槽，可以放置o型密封圈，o型密封圈直径大于环形凹槽的最大深度，其所在接触面贴合时，o型密封圈被挤压变形形成过盈配合，增加接头密封性，提高密封效果。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所提出的海洋复合管预压自紧接头，主要承载结构外套环等由高强度不锈钢材料制成，其结构特点保证了接头具有较高的承载性能和耐疲劳性能，能应用于深海，高温，高压的使用环境；整个接头为一体结构，不依赖于同管道表面粘合，可以容纳接头结构和复合管之间的一些相对运动，且具有自紧的工作机理，在轴向拉力、内压、外压、弯矩作用下都能够增大内部预紧，增大对管道的限制力，保证结构和管道位置的稳定；其结构设计有针对性地解决了在荷载或组合荷载下接头结构作用于管道层的应力集中现象，提升了接头内部管道的耐疲劳性能；接头的密封性设计有效依附于结构的自紧机理，具有密封圈密封和面-面接触的双重密封结构，在更大的外荷载作用下，接触力增大保证密封性能的提升；内部预应力、及管道的压紧程度能够随时通过压入斧型轴再旋进旋出锁紧环调整，不影响管道和内部结构的整体性能，也方便接头的装卸；在温度荷载下其结构也是可靠的，由于压紧结构的自紧机理，接头对温度变化的适应性极佳，由升温造成的结构微小变形和相对位移也在可承受范围内。

具体使用时，为配合接头的结构特点，技术上允许管道在末端有一个厚度变化，可在柔性管管道末端增强层加工二次增厚段以增加管道强度和刚度，增强层也可以根据要求调整优化纤维方向，以适合末端装配的结构需要。同时在管道与接头过渡区域设计弹性体，能有效减小应力集中和磨损的问题，从而较好地解决了在受到复杂荷载和大荷载作用时此区域容易变形和失效的问题；内压环在关键的中部区域增厚，同时利用结构的特点将内压环的应力传递到斧型轴区域，降低了此处的应力强度，同时能随时更换已经老化，疲劳或腐蚀的加固环；并且接头装卸流程简单，能重复使用，可随时将组件进行拆卸清洗和检查更换。

附图说明

图1为本发明实施例所述接头结构示意图；

图2为图1中所述接头结构爆炸示意图；

图3为图1中所述接头剖面示意图；

图4为图3中接头与柔性管连接部分结构示意图；

图5为本发明实施例柔性管端部剖面示意图；

图6为本发明实施例楔形环结构示意图；

图7为本发明实施例所述斧形轴与内压环和法兰盘的连接示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

一种海洋复合柔性管用预压自紧接头，参考图1和图2，包括用于夹紧限制柔性管1位移的外套环2、楔形环3和内压环4，以及用于产生预应力并保持预应力的斧型轴5和锁紧环6；如图3所示，所述外套环2套设在楔形环3外侧，且在外套环2和楔形环3之间设置有密封件31，所述密封件31为橡胶密封圈或其他密封材料，所述外套环2的前端为锥形，外套环的后端与锁紧环6螺纹连接，所述螺纹61选用符合国际标准的高精度密封螺纹形式，否则，需要在螺纹上填涂密封胶或是油封，锁紧环6设置在外套环2与斧型轴5之间；所述斧型轴5的扛肩51端与楔形环3相接触，另一端连接有法兰盘7，法兰盘7与斧型轴5等截面焊接连接，通过螺栓与另一个接头的法兰盘连接，由此铺设管道；所述内压环4设置在接头最内层，内压环4与斧型轴5内壁固定连接，且与楔形环3之间存在容纳柔性管1端部的空隙，与楔形环3挤压形成夹紧力限制管道位移。

为了配合接头的结构，参考图5，在柔性管1端部外侧壁设置有外套层形成二次增厚段11，通过增强层二次增厚段11加强接头与柔性管1连接区域刚度，为了避免集中应力的影响，在柔性管二次增厚段11末端削去了柔性管内衬层末端的一小段长度，参考图5中12所示位置；推动楔形环3沿着锥形外套环2内壁的横向移动与内压环4产生挤压力压紧管道来限制其位移，通过楔形环3和内压环4插入时产生的初始过盈预紧力使得楔形环3的粗糙内表面充分与柔性管1二次增厚段外表面11接触、内压环4与管道内壁充分接触，柔性管道受到轴向拉力、内压和外压或者发生弯曲趋势时都能带动楔形环3沿着外套环2锥形内壁移动，从而使楔形环3内壁更加压紧柔性管1，产生更大的压紧力，从而使整个接头形成自紧。

如图1和图3所示，所述外套环2其整体形状类似于一个折边锥形圆筒，由钢制材料制作，圆筒前端开口内径大于柔性管二次增厚段11外径，其后端开口内径略大于斧形轴5轴向外径，安装方便。在外套环2后端内壁上设置有内螺纹，从图3和图4中可以看出，其长度略长于锁紧环6外螺纹长度，外套环2前端内壁上还设置有弧形凹槽21，用以嵌入弹性体8；所述外套环2锥形段22厚度略大于其平段23的厚度，锥形段22内壁光滑处理，加工时打磨平滑减小摩擦，也可以填涂润滑剂。

其中，所述弹性体8高强度橡胶材料构成，其后端包括一臌胀部，所述臌胀部嵌入弧形凹槽内，以防止滑脱，在实际装配完成后，弹性体8发生一定的预变形，实际为一个后端加粗的密封垫，位于外套环2前端和柔性管1二次增厚段11外壁之间，橡胶弹性体8的初始内径小于二次增厚段11管道外径，其厚度大于外套环2前端口通径与此处柔性管1的外径之差。安装时，臌胀部被挤压至一定的变形量，形成此处的密封，同时避免柔性管1管道直接触碰外套环2在此处的金属结构，起到缓冲作用，弹性体8后端的臌胀部嵌入弧形凹槽中，以防止滑脱，在实际装配完成后，弹性体发生一定的预变形。

本实施例中，如图6所示，所述楔形环由4-6块楔形体32组成，本实施例优选4块，所述楔形体32后端的厚度大于其前端的厚度，且相邻楔形体32之间紧密贴合，形成一个完整的楔形环3。每个楔形体32锥角角度33略大于柔性管1外表面与外套环2前端锥形段22内壁的夹角，以增加夹紧效果，楔形环3内表面上设置滚花或喷砂层，以增加与柔性管1的摩擦，而其外表面做光滑处理，楔形环3前端锥形段外表面上等间距设置有3个密封槽34，在安装时放入密封圈，通过接触面挤压达到完整密封。楔形环3的后端包括一平段部34，所述平段部34与外套环之间存在空隙35，且楔形环3的末端与斧型轴5前端保持水平。

另外，如图7所示，所述内压环4中部的厚度大于其两端的厚度，其前端到中部显著增厚段之间有一个小幅的增厚，这样在内压环4插入管道时，能逐渐产生一个微小过盈。内压环4的中部和后部与斧形轴5紧密连接，也可以采用冷温过盈或螺纹连接，内压环4前端承接柔性管道内壁，与楔形环3挤压形成夹紧力限制管道位移。其中部增厚设计有效减少了应力集中，增加了此危险处的结构强度；本实施例中，在内压环前端外表面设置有喷砂层或滚花，将内压环前端外表面经过处理以增加与柔性管道内壁之间的摩擦，提高夹紧效果。内压环前端和后端外壁上分别设置有两处密封槽34，同样，密封槽为截面为梯形或者半圆形，可以放置o型密封圈，且o型密封圈直径大于环形凹槽的最大深度，其所在接触面贴合时，o型密封圈被挤压变形形成过盈配合，增加接头密封性，提高使用效果。

与内压环4相配合的，在斧形轴5前端内壁上设有一凹陷部52，用以卡住内压环4，斧形轴5末端与法兰盘等截面焊接连接，锁紧环6前端面与斧形轴扛肩51保持一致，两者接触面光滑处理，所述锁紧环6的外表面设置有外螺纹，与外套环内螺纹相配合，锁紧环6的内径略大于斧型轴5的轴外径，以便套入，且在锁紧环6的内壁上设置有三个密封槽34，以增加密封性。

本实施例中的其他结构的一些阐述，比如密封圈，除了采用为变径圆环（其厚度大于密封槽高度，宽度略小于密封槽宽度），也可以注射密封胶体；在楔形环外表面与外套环内表面之间涂有润滑剂，在外套环与锁紧环螺纹连接处设置螺纹密封剂，其中，法兰盘和与斧型轴焊接结构按照ansi标准选用。本实施例中所有金属部件均采用高强度钢材，并在其棱角处打磨成圆角避免应力集中，金属表面经过防腐处理，螺纹采用比钢材强度更大的材料。

具体在安装时，首先固定外套环，将内压环固定于斧型轴内部，再推动斧型轴使其前端紧贴楔形环和柔性管二次增厚段末端，使外套环、楔形环、柔性管二次增厚段、内压环相应接触面之间产生一定的初始过盈，保持外套环位置不变和斧型轴的推力不变，旋入锁紧环直至其前端与斧型轴扛肩紧贴，释放推力，整个接头内部完成整体过盈；内压环的外壁设置喷砂层，楔形环内壁经过滚花等特殊处理以增大摩擦力，法兰盘与斧型轴焊接连接，斧型轴与楔形环后端在安装时形成一定过盈，通过锁紧环与外套环后端的螺纹连接可以锁定内部结构的过盈预应力保证楔形体的压紧效果，也可以通过改变锁紧环的旋入程度调整管道被压紧的程度。

当柔性管相对接头发生微小移动时，由于摩擦力带动楔形环受外套环内壁的限制，从而使压紧力更大，达到自紧的效果，材料长期疲劳性能发生变化使管道压紧力降低时，可以在检查和维修时，调整锁紧环位置来弥补预应力丢失。

在本方案所述接头结构中，预紧力的存在有三个作用：一、保证楔形环和内压环限制管道位移的摩擦力不会丢失；二、保证各部件接触面之间的过盈接触不会消失从而使柔性管管道与接头之间的密封不会失效；三、保证部件在整体结构作用下的稳定，不会因为外荷载的作用而发生较大或时间较长的振动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。