一种水下设备快速连接装置的制作方法

本实用新型涉及天然气原油管道维护、抢修、改造技术领域，特别涉及一种水下设备快速连接装置。

背景技术：

我国海洋油气资源丰富。目前，在我国各海域布置有大量的海洋钻井平台进行油气开采，由海洋中开采出来的油气资源通过海底管道输送至海上储油设备和陆地终端。目前我国海底管道总里程超过3000公里。作为连接海洋钻井平台与海上储油设备和陆地终端的主动脉，海底管道的安全和通畅是保证海洋油气顺利开采的关键保证。但是由于外力损坏、海水腐蚀、材料缺陷等诸多因素的影响，海底管道会发生损坏，这就需要对海底管道进行抢修。同时，很多海底管道服役时间较长，需要进行维护。

在海底管道维护、抢修过程中，需要对海底管道进行开孔和封堵作业，主要操作流程包括：在海底管道上安装机械三通，通过拧紧法兰螺栓，将开孔机底部的法兰与机械三通连接，从而将开孔机与机械三通连接并进行开孔作业。开孔作业结束后，将开孔机拆除，再通过拧紧法兰螺栓将封堵器底部的法兰与机械三通连接，从而将封堵器与机械三通连接进行封堵作业。目前，上述各水下设备的连接完全依靠潜水员人工作业。

在实现本实用新型的过程中，本设计人发现现有技术中至少存在以下问题：上述完全依靠潜水员人工作业的水下设备连接方法效率较低，并且当海底管道位于深海时，潜水人员无法进行水下作业。

技术实现要素：

基于以上所述，本实用新型实施例提供一种水下设备快速连接装置，在不需要人工水下作业的前提下，实现开孔机、封堵器等水下设备与机械三通的连接。

具体而言，包括以下的技术方案：

本实用新型实施例提供了一种水下设备快速连接装置，包括：

底座；

设置在所述底座的下表面上的连接法兰；

设置在所述底座的上表面上的密封法兰、卡臂组件和传动组件；

以及液压马达；

所述密封法兰和所述连接法兰同轴；

所述卡臂组件包括围绕所述密封法兰设置的第一主动卡臂、第二主动卡臂和被动卡臂；所述第一主动卡臂的第一端与所述传动组件连接，所述第二主动卡臂的第一端与所述传动组件连接，所述第一主动卡臂的第二端和所述第二主动卡臂的第二端分别通过销轴与所述被动卡臂的两端连接；

所述传动组件用于在所述液压马达的驱动下带动所述第一主动卡臂的第一端和所述第二主动卡臂的第一端彼此靠近或者彼此远离；

所述第一主动卡臂、第二主动卡臂以及被动卡臂均具有内凹的圆弧形表面，在所述圆弧形表面上沿圆周方向设置有凹槽；

当所述第一主动卡臂的第一端和所述第二主动卡臂的第一端处于彼此靠近的状态时，所述第一主动卡臂的凹槽、所述第二主动卡臂的凹槽以及所述被动卡臂的凹槽可围合形成用于抱紧所述密封法兰以及水下设备的法兰的空间。

进一步地，所述第一主动卡臂的凹槽、所述第二主动卡臂的凹槽以及所述被动卡臂的凹槽的上表面和下表面均为锥面，且所述第一主动卡臂的凹槽、所述第二主动卡臂的凹槽以及所述被动卡臂的凹槽的上表面和下表面之间距离由外向内逐渐减小。

进一步地，所述传动组件包括：丝杆、第一螺母和第二螺母；

所述丝杆的一端与所述液压马达的输出轴连接，所述丝杆表面沿所述丝杆的长度方向设置有螺旋方向相反的第一螺纹区域和第二螺纹区域；

所述第一螺母和第二螺母分别对应设置在所述丝杆的第一螺纹区域和第二螺纹区域；且所述第一螺母和第二螺母的内螺纹分别与所述丝杆的第一螺纹区域和第二螺纹区域的外螺纹相配合。

所述第一主动卡臂的第一端通过销轴与所述第一螺母连接，所述第二主动卡臂的第一端通过销轴与所述第二螺母连接。

进一步地，所述丝杆的第一螺纹区域和第二螺纹区域的外螺纹均为矩形螺纹，且螺旋升角小于当量摩擦角。

进一步地，所述底座的上表面设置有两块支撑板，两块所述支撑板上均设置有通孔，所述丝杆的两端分别穿过两块所述支撑板上的通孔，并且，所述丝杆可在所述通孔内转动。

进一步地，两块所述支撑板的通孔内均设置有轴承或者铜套。

进一步地，所述丝杆的两端呈台阶状。

进一步地，所述底座的上表面设置有两条彼此平行的导向槽；

用于将所述被动卡臂的两端与所述第一主动卡臂和所述第二主动卡臂连接的销轴分别位于每条所述导向槽内。

进一步地，所述导向槽的长度方向与所述丝杆的轴向方向垂直。

进一步地，所述丝杆与所述液压马达的输出轴通过联轴器连接。

进一步地，所述丝杆远离所述液压马达的一端设置有行程标尺组件。

进一步地，所述底座的上表面还设置有三块限位块，每块所述限位块分别用于在所述第一主动卡臂的第一端和所述第二主动卡臂的第一端处于彼此远离的状态时，对所述第一主动卡臂、所述第二主动卡臂和所述被动卡臂的运动进行限位。

进一步地，所述连接法兰上设置有螺栓孔。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果是：

本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置中，在底座的上、下表面分别设置密封法兰和连接法兰，其中，连接法兰用于和机械三通(或者海底管道上其他的阀门)连接，密封法兰用于和水下开孔机及封堵器的底部的法兰连接。在底座的上表面上围绕密封法兰设置包括第一主动卡臂、第二主动卡臂和被动卡臂的卡臂组件，并且第一主动卡臂的第一端与传动组件连接，第二主动卡臂的第一端也与传动组件连接，而第一主动卡臂的第二端和第二主动卡臂的第二端分别通过销轴与被动卡臂的两端连接，也即第一主动卡臂的第二端和第二主动卡臂的第二端与被动卡臂之间可以发生相对转动。当第一主动卡臂的第一端和第二主动卡臂的第一端在液压马达的驱动下彼此靠近时，由第一主动卡臂的凹槽、第二主动卡臂的凹槽以及被动卡臂的凹槽围合形成的空间将密封法兰以及水下设备的法兰包覆在其中并抱紧，在不需要螺栓的情况下实现密封法兰和水下设备的法兰的连接，从而实现开孔机、封堵器与机械三通的连接。当需要拆卸开孔机、封堵器时，通过液压马达驱动传动组件控制第一主动卡臂的第一端和第二主动卡臂的第一端彼此远离，使卡臂组件打开从而将开孔机、封堵器拆卸下来。

由于可在地面对液压马达进行远程控制，因此，利用本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置能够在不需要人工水下作业的情况下，实现开孔机、封堵器等水下设备与机械三通的连接，提高水下设备的连接速度，大大缩短施工周期，降低潜水作业的施工难度。

本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置特别适合于深海(水深大于300米)海底管道的维抢修作业。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种水下设备快速连接装置的主视结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种水下设备快速连接装置的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种水下设备快速连接装置的使用方式示意图。

图中附图标记分别表示：

1-液压马达；

21-丝杆；

22A-第一螺母；22B-第二螺母；

23-联轴器；

24-行程标尺组件；

31A-第一主动卡臂；31B-第二主动卡臂；

311-锥面；

32-被动卡臂；

4-底座；

41-支撑板；

42-拆装孔；

43-导向槽；

44-限位块；

5-密封法兰；

6-连接法兰；

7-水下设备的法兰。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本实用新型实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

本实用新型实施例提供了一种水下设备快速连接装置，参见图1、并结合图2和图3，该水下设备快速连接装置包括：

底座4；设置在底座4的下表面上的连接法兰6；设置在底座4的上表面上的密封法兰5、卡臂组件和传动组件；以及液压马达1。

密封法兰5和连接法兰6同轴。

卡臂组件包括围绕密封法兰5设置的第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B和被动卡臂32；第一主动卡臂31A的第一端与传动组件连接，第二主动卡臂31B的第一端与传动组件连接，第一主动卡臂31A的第二端和第二主动卡臂31B的第二端分别通过销轴与被动卡臂32的两端连接。

传动组件用于在液压马达1的驱动下带动第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此靠近或者彼此远离。

第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B以及被动卡臂32均具有内凹的圆弧形表面，在圆弧形表面上沿圆周方向设置有凹槽。

当第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端处于彼此靠近的状态时，第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽可围合形成用于抱紧密封法兰5以及水下设备的法兰的空间。

本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置中，位于底座4的下表面的连接法兰6用于和机械三通(或者海底管道上其他的阀门)连接，密封法兰5用于和水下开孔机及封堵器的底部的法兰(即水下设备的法兰7)连接。

密封法兰5和水下设备的法兰7具体通过以下方式连接：在底座4的上表面上围绕密封法兰5设置包括第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B和被动卡臂32的卡臂组件，并且第一主动卡臂31A的第一端与传动组件连接，第二主动卡臂31B的第一端也与传动组件连接，而第一主动卡臂31A的第二端和第二主动卡臂31B的第二端分别通过销轴与被动卡臂32的两端连接，也即第一主动卡臂31A的第二端和第二主动卡臂31B的第二端与被动卡臂32之间可以发生相对转动。在液压马达1的驱动下，传动组件带动第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此靠近或者彼此远离，被动卡臂32在两个主动卡臂的带动下也发生运动，从而实现卡臂组件整体的打开或者抱紧。同时，第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B以及被动卡臂32均具有内凹的圆弧形表面，并在圆弧形表面上沿圆周方向设置有凹槽。使用时。将水下设备的法兰7与密封法兰5对齐，启动液压马达1，使传动组件带动第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此靠近，水下设备的法兰7和密封法兰5的边缘卡入第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽内，被第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B以及被动卡臂32抱紧，从而实现开孔机、封堵器与机械三通的连接，当需要拆卸开孔机、封堵器时，通过液压马达驱动传动组件控制第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此远离，使卡臂组件打开从而将开孔机、封堵器拆卸下来。

综上，本实用新型实施例提供的水下设备快速设备快速连接装置在不需要螺栓的情况下即可实现开孔机、封堵器与机械三通的连接。由于可在地面对液压马达进行远程控制，因此，利用本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置能够在不需要人工水下作业的情况下，实现开孔机、封堵器等水下设备与机械三通的连接，省去水下拆装螺栓的过程，提高水下设备的连接速度，大大缩短海底管道维抢修施工周期，降低潜水作业的施工难度，尤其适合于深海(水深大于300米)海底管道的维抢修作业。

参见图3，本领域技术人员可以理解的是，当卡臂组件将水下设备的法兰7和密封法兰5抱紧时，水下设备的法兰7的下表面与密封法兰5的上表面相互接触，为相互配合的密封面。密封面可以按照ASME(American Society of Mechanical Engineers，美国机械工程师协会)标准设计，采用标准钢环密封。水下设备的法兰7的上表面与第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽内的上表面紧密接触，而密封法兰5的下表面与第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽内的下表面紧密接触，从而将水下设备的法兰7和密封法兰5抱紧。

本实用新型实施例中，第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B以及被动卡臂32的内凹的圆弧面对应的圆心角可以均为120°。

在此，需要说明的是，将第一主动卡臂31A与传动组件和被动卡臂32连接的两端分别定义为第一端、第二端，以及将第一卡臂31B与传动组件和被动卡臂32连接的两端分别定义为第一端、第二端是为了使本实用新型实施例的技术方案更加清楚、简洁。

进一步地，参见图3，本实用新型实施例中，第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽的上表面和下表面均为锥面(即图3中311所示的锥面)，且第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽的上表面和下表面之间距离由外向内逐渐减小。

相应地，水下设备的法兰7和密封法兰5与上述凹槽接触的表面也设计为锥面，即加工大倒角，并且，水下设备的法兰7和密封法兰5的锥面与上述凹槽的锥面的锥度相配合，从而在锥面的配合下使水下设备的法兰7向密封法兰5产生轴向移动，依靠卡臂组件的卡入量产生轴向力以达到预紧密封的效果。

在本实用新型实施例的一种实现方式中，第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽的上表面和下表面的锥度小于相互接触材料的摩擦角，以达到自锁效果。具体来说，第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽的上表面的锥度小于第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B和被动卡臂32与水下设备的法兰7之间的摩擦角；第一主动卡臂31A的凹槽、第二主动卡臂31B的凹槽以及被动卡臂32的凹槽的下表面的锥度小于第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B和被动卡臂32与密封法兰5之间的摩擦角。

进一步地，参见图1和图2，本实用新型实施例一种具体的实现方式中，传动组件包括：丝杆21、第一螺母22A和第二螺母22B。

丝杆21的一端与液压马达1的输出轴连接，丝杆21表面沿丝杆21的长度方向设置有螺旋方向相反的第一螺纹区域和第二螺纹区域。

第一螺母22A和第二螺母22B分别对应设置在丝杆21的第一螺纹区域和第二螺纹区域；且第一螺母22A和第二螺母22B的内螺纹分别与丝杆21的第一螺纹区域和第二螺纹区域的外螺纹相配合。

并且，第一主动卡臂31A的第一端通过销轴与第一螺母22A连接，即第一主动卡臂31A与第一螺母22A之间可以相对转动，第二主动卡臂31B的第一端通过销轴与第二螺母22B连接，即第二主动卡臂31B与第二螺母22B之间可以相对转动。

在该实现方式中，丝杠21在液压马达1的驱动下转动，使第一螺母22A和第二螺母22B发生移动。由于第一螺母22A和第二螺母22B对应的螺纹螺旋方向相反，因此，第一螺母22A和第二螺母22B的移动方向也相反，当液压马达1驱动丝杆21沿不同方向转动时，第一螺母22A和第二螺母22B彼此相互靠近或者彼此相互远离。从而带动第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此靠近或者彼此远离，进而实现卡臂组件的抱紧或者打开。

作为优选，被动卡臂32的两端的连线方向与丝杆21的轴线的方向平行，从而使被动卡臂32在两个主动卡臂的带动沿着与丝杠21的轴线方向垂直的方向进行移动。

本实用新型实施例中，丝杆21的第一螺纹区域和第二螺纹区域的外螺纹均为矩形螺纹，矩形螺纹传动效率高，同步性好。并且螺旋升角小于当量摩擦角，具有自锁功能。

本实用新型实施例中，丝杆21可以为一根杆件，由杆件的中心向两端分别加工螺旋方向相反的螺纹，丝杆21也可以由两根带有螺旋方向相反的螺纹的杆件焊接连接得到。

进一步地，参见图1和图2，本实用新型实施例中，底座4的上表面设置有两块支撑板41，两块支撑板41上均设置有通孔，丝杆21的两端分别穿过两块支撑板41上的通孔，并且，丝杆21可在通孔内转动，通过上述两块支撑板41对丝杆21进行支撑。为了便于丝杆21的转动，两块支撑板41的通孔内均设置有轴承或者铜套。

本实用新型实施例中，丝杆21的两端设计成台阶状，以防止丝杆21沿其轴向方向发生移动而造成误差。

进一步地，参见图1至图3，在底座4的上表面上还设置有两条彼此平行的导向槽43。用于将被动卡臂32的两端与第一主动卡臂31A和第二主动卡臂31B连接的销轴分别位于每条导向槽43内，通过导向槽43控制被动卡臂32的移动方向，保证卡臂组件按照预定的路径进行打开和抱紧动作。当被动卡臂32的两端的连线方向与丝杆21的轴线的方向平行时，导向槽43的长度方向与丝杆21的轴向方向垂直，从而控制被动卡臂32沿垂直于丝杆21的轴线方向移动。

进一步地，参见图1，本实用新型实施例中，丝杆21与液压马达1的输出轴通过联轴器23连接。

进一步地，参见图1，本实用新型实施例中，第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端可以采用以下方式与第一螺母22A和第二螺母22B连接：在第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端分别设置U形槽，第一螺母22A和第二螺母22B分别设置在上述U形槽内，第一螺母22A和第二螺母22B的上下两端分别通过销轴与U形槽的上下两个侧表面连接。为了便于拆卸位于第一螺母22A和第二螺母22B的下端的销轴，可以在底座4上对应的位置处开设两个通孔作为拆装孔42，例如，拆装孔42可以设置在与丝杆21中部附近对应的位置处。

进一步地，参见图1和图2，本实用新型实施例中，在丝杆21远离液压马达1的一端设置有行程标尺组件24。行程标尺组件24具体包括：固定在丝杆21远离液压马达1的一端的细丝杆，套在细丝杆上的螺母，焊接在螺母上的由长条形钢制零件形成的标尺杆，以及用于固定丝杆21远离液压马达1的一端的支撑板41上的套筒。套筒上加工有导向槽，且在导向槽处沿着导向槽的长度方向加工有标尺示数。上述细丝杆的轴向方向、导向槽的长度方向均与丝杆21的轴向方向平行，标尺杆的长度方向与丝杆21的轴向方向垂直，并且标尺杆位于导向槽内。当丝杆21转动时，带动细丝杆转动，螺母会沿着细丝杆轴向方向运动，进而带动标尺杆沿细丝杆的轴向方向发生运动。可以通过观察标尺杆的具体位置判断是否抱紧。

通过观察行程标尺组件来控制卡臂组件的打开程度，防止两个主动卡臂无限制打开而损坏传动组件。

当液压马达1转速较快时，仅依靠观察行程标尺组件不能准确控制卡臂组件的打开程度，为了防止这种情况的发生，本实用新型实施例中，可以在底座4的上表面设置三块限位块44，每块限位块44分别用于在第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端处于彼此远离的状态时，对第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B和被动卡臂32的运动进行限位，从而防止卡臂组件过度打开。

如图1所示，当底座4为长方形时，三块限位块44可以分别位于在底座4的三条边上。

进一步地，本实用新型实施例中，位于底座4的下表面的连接法兰6用于与机械三通(或其他球阀、闸板阀)连接，具体地，连接法兰6可以通过螺栓与机械三通连接，密封形式采用水线金属缠绕垫密封。连接法兰6的具体形式可以根据实际情况进行设计加工，优选按照ASME法兰标准设计，本领域技术人员能够理解的是，在连接法兰6上需要预留足够的空间用于安装螺栓，即在连接法兰6上设置螺栓孔。

进一步地，本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置中，底座4可以设计为长方形形状，也可根据实际工况削减重量，设计成其他形状，例如圆形。但要保证足够的厚度，防止平面变形量过大。在布置液压马达1、传动组件的丝杆21、第一螺母22A和第二螺母22B时，应保证液压马达1的输出轴的轴线、丝杆21的轴线、第一螺母22A的轴线、第二螺母22B的轴线重合，以防止零部件受损。

本实用新型实施例中，液压马达1优选低速液压马达，低速液压马达扭矩较大，可以提供较大的抱紧力，有利于将水下设备的法兰7和密封法兰5的密封连接。并且，采用低速液压马达便于控制卡臂组件的打开与抱紧。

密封法兰5、连接法兰6可以通过焊接的方式固定在底座4的上下表面。支撑板41可以通过焊接或者螺纹连接的方式固定在底座4的上表面上。

丝杆21需要有足够的耐磨性和强度，所以丝杆21的材料优选40Cr调质处理；第一螺母22A、第二螺母22B选用材质比较软的锡青铜，作为替换件；第一主动卡臂31A、第二主动卡臂31B、被动卡臂32材质选用普通锻件16Mn。

为了便于对本实用新型实施例的技术方案的理解，下面对本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置的工作过程做简要说明。

当需要对海底管道进行维抢修作业时，首先在陆地(或者海洋钻井平台上)通过螺栓将底座4的下表面的连接法兰6与机械三通连接，将本实用新型实施例提供的水下设备快速连接装置与机械三通一起下入水下，并将机械三通安装在海底管道上。之后，将开孔机下入水下，将开孔机底部的法兰与密封法兰5对正，在陆地启动液压马达1并调整液压马达1转动方向控制第一螺母22A和第二螺母22B彼此靠近，带动第一主动卡臂31A的第一端和第二主动卡臂31B的第一端彼此靠近，实现卡臂组件的抱紧，从而使开孔机的底部的法兰与密封法兰5密封连接，进而实现开孔机与机械三通的连接。之后，进行开孔作业。开孔作业结束后，启动液压马达1，调整液压马达1转动方向控制第一螺母22A和第二螺母22B彼此远离，实现卡臂组件的打开，将开孔机拆卸下来。重复上述步骤，完成封堵器与机械三通连接与拆卸。

综上，本实用新型实施例提供了一种可以在不需要人工水下作业的情况下，实现开孔机、封堵器等水下设备与机械三通的连接的水下设备快速连接装置，省去水下拆装螺栓的过程，提高水下设备的连接速度，大大缩短海底管道维抢修施工周期，降低潜水作业的施工难度，尤其适合于深海海底管道的维抢修作业。同时，本实用新型实施例中设计了两处能够自锁的结构，一处是传动组件中丝杆螺母副的自锁，另一处是卡臂组件与水下设备的法兰和密封法兰的自锁。基于这两处自锁设计，一旦密封连接完成并且达到施工要求，即可断开外界的液压源，不需要持续提供动力，确保作业的安全性。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本实用新型的技术方案，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。