一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构的制作方法

本发明涉及一种柔性接头阴阳球支撑结构，尤其涉及一种新型深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，适用于长时间、高内压载荷下深水立管或隔水管用柔性接头的使用工况。

背景技术：

1、在海洋水下能源勘探与开采系统中，立管系统作为水上平台和水下设备的连接通道，是平台和海底设备之间介质传输的“咽喉”，是深水立管生产系统的关键组成部分。深水立管柔性接头是连接立管系统与浮式平台的关键部件，它可以降低立管上的剪力和弯矩，缓解因洋流运动导致的立管系统与浮动平台的应力，本身还可承受较大的拉压载荷，可极大地改善海上石油工业装备的性能。

2、对于深水立管柔性接头的制造与供应，美国的oil states industries(osi)公司和lord公司一直处于领先地位。osi公司柔性接头能够提供自由摆动角度±20°，承受超过10000psi(69mpa)的内压的深水立管柔性接头产品。lord公司研制的立管柔性接头工作压强69mpa，最大摆角±10°，20年使用寿命。

3、随着我国海洋油气勘探与开采逐步迈向2km～3km的深水领域，海浪、海风等外载荷使深水立管柔性接头处于更大摆角、更长时间的恶劣工况下，我国客户对深水立管柔性接头研发提出了更高的技术要求：最大承压69mpa，最大摆角±25°、使用寿命30年。因此，对柔性接头阴阳球窝支撑的动密封及抗磨损性能提出了更高要求。

4、现有结构中，柔性接头球窝支撑阴球体与阳球体之间普遍为硬接触(如图1)，存在阴阳球的接触力无法控制、摩擦力太大导致阴阳球面磨损严重，导致柔性接头的使用寿命不超过20年。为进一步满足柔性接头长寿命(30年)的要求，需要进行新型的海洋立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构设计。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种新型深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，既保证了阴阳球之间的密封，又可使阴阳球之间的预压力及摩擦力可控，使柔性接头具有更长的使用寿命。

2、本发明解决技术的方案是：

3、一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，包括上连接管、下连接管、上弹性元件、下弹性元件、上阴球体、下阴球体、上阳球体、下阳球体、预压弹簧、定位盘、导向杆；

4、上连接管一端与上输油管相连，另一端与上弹性元件用螺栓连接，上弹性元件粘接在上阴球体外侧，上连接管、上阴球体、上弹性元件形成上摆动组件；下连接管一端与下输油管相连，另一端与下弹性元件用螺栓连接，下弹性元件粘接在下阴球体外侧，下连接管、下阴球体、下弹性元件形成下摆动组件；上摆动组件与上连接壳体固连，下摆动组件与下连接壳体固连；下阳球体颈部插入上阳球体内，二者组成的整体结构安装在上阴球体和下阴球体之间；上连接壳体和下连接壳体之间安装定位盘，上连接壳体、下连接壳体、定位盘通过螺栓固定；

5、下阳球体下部设计有台阶，在下阳球体台阶和上阳球体之间设置导向杆，导向杆上套有预压弹簧；

6、在上阴球体、上阳球体之间设置双道密封结构i，在下阴球体、下阳球体之间设置双道密封结构ii，双道密封结构i和双道密封结构ii组成相同，均包括第一道密封结构和第二道密封结构，其中第一道密封结构采用"j+o”型组合密封圈实现，"j+o”型组合密封圈包括j型密封圈和第一o型密封圈，第一o型密封圈嵌入j型密封圈的凹槽中；第二道密封结构由第二o型密封圈实现。

7、优选的，“j”型密封圈采用增强型聚四氟乙烯密封材料。

8、优选的，第一o型密封圈及第二o型密封圈均采用邵氏硬度为60～80的橡胶材料。

9、优选的，预压弹簧自由长度l0及弹簧倔强系数k的选取按照下列公式求得：

10、δl＝l0-l

11、2f≥k×δl≥f

12、式中：δl为预压弹簧压缩量；l为弹簧压缩后长度；f为双道密封结构i和双道密封结构ii的最小预压力。

13、优选的，所述f通过有限元分析获取。

14、优选的，定位盘中孔内径与下阳球体颈部外径轴孔配合。

15、优选的，下阳球体下部台阶上设置有螺纹孔，上阳球体上设置有光孔，导向杆下端加工有外螺纹，导向杆下端通过外螺纹固定在下阳球体下部台阶的螺纹孔中，上端插入上阳球体光孔中。

16、本发明与现有技术相比的有益效果是：

17、(1)本发明在阴、阳球体之间采用预压弹簧提供近似恒定的弹性支撑力，使阴、阳球体始终处于预压状态，既确保了阴阳球之间接触力可控，又使阴、阳球体之间的密封圈始终处于压紧状态，使柔性接头具有更长的使用寿命。

18、(2)本发明在阴、阳球体之间采用"j+o”及“o”型组合密封圈进行双道密封，确保了密封可靠。

技术特征：

1.一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：包括上连接管(10)、下连接管(11)、上弹性元件(12)、下弹性元件(13)、上阴球体(1)、下阴球体(6)、上阳球体(2)、下阳球体(5)、预压弹簧(4)、定位盘(8)、导向杆(9)；

2.根据权利要求1所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：“j”型密封圈(15)采用增强型聚四氟乙烯密封材料。

3.根据权利要求1所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：第一o型密封圈及第二o型密封圈均采用邵氏硬度为60～80的橡胶材料。

4.根据权利要求1所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：预压弹簧自由长度l0及弹簧倔强系数k的选取按照下列公式求得：

5.根据权利要求4所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：所述f通过有限元分析获取。

6.根据权利要求1所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：定位盘(8)中孔内径与下阳球体(5)颈部外径轴孔配合。

7.根据权利要求1所述的一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，其特征在于：下阳球体(5)下部台阶上设置有螺纹孔，上阳球体(2)上设置有光孔，导向杆(9)下端加工有外螺纹，导向杆(9)下端通过外螺纹固定在下阳球体(5)下部台阶的螺纹孔中，上端插入上阳球体(2)光孔中。

技术总结
本发明涉及一种深水立管柔性接头低磨损及动密封阴阳球支撑结构，在下阳球体和上阳球体之间设置导向杆，导向杆上套有预压弹簧；在上阴球体、上阳球体之间设置双道密封结构I，在下阴球体、下阳球体之间设置双道密封结构II，双道密封结构I和双道密封结构II组成相同，第一道密封结构采用"J+O”型组合密封圈实现，第二道密封结构由O型密封圈实现。本发明在上、下阴、阳球体之间采用预压弹簧，使上、下两组阴、阳球体始终处于预压状态，既保证了阴阳球之间的密封，又可使阴阳球之间的预压力及摩擦力可控，使柔性接头具有更长的使用寿命。

技术研发人员：尤军峰,李耿,刘鎏,徐国栋,赵鉴超,裴少帅,白效慧
受保护的技术使用者：西安航天动力技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14