用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置

摘要

本发明公开了一种用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，包括设备主体上表面与锁紧帽的法兰固连，锁紧帽的轴心空腔Ⅱ中设置有锁紧块；锁紧帽向上与液压缸的缸体螺纹连接，液压缸的缸体内腔中设置有锁紧活塞，锁紧活塞的上部凸台伸出液压缸的缸体底盖轴心孔；设备主体朝向锁紧帽设置有台阶孔，该台阶孔中设置有弹簧，弹簧上端与锁紧块顶接；设备主体下表面与外接设备的端盖固定连接，设备主体朝向端盖设置有主孔，该主孔中设置有主活塞；沿锁紧活塞、锁紧块及设备主体的中心通径共同穿有顶杆，顶杆的下端与主活塞螺纹连接。本发明的装置，结构紧凑，工作可靠。

权利要求

1.一种用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，其特征在于：包括设备主体(7)，设备主体(7)上表面与锁紧帽(5)的法兰固定连接，在锁紧帽(5)的轴心设置有空腔Ⅱ(25)，空腔Ⅱ(25)通过锁紧帽(5)中的泄压孔(17)与外界连通，在空腔Ⅱ(25)中设置有锁紧块(19)；

锁紧帽(5)向上与液压缸(3)的缸体螺纹连接，液压缸(3)的缸体底盖沿轴向设置有一个液压孔Ⅰ(2)，液压缸(3)的缸体内腔中设置有锁紧活塞(20)，锁紧活塞(20)与缸体底盖之间的空间称为锁紧液压腔(21)，锁紧活塞(20)与锁紧帽(5)之间的空间称为空腔Ⅰ(24)；锁紧活塞(20)的上部凸台伸出液压缸(3)的缸体底盖轴心孔；

设备主体(7)朝向锁紧帽(5)设置有台阶孔，该台阶孔中设置有弹簧(16)，弹簧(16)上端通过垫片(18)与锁紧块(19)顶接；

设备主体(7)下表面与外接设备的端盖(11)固定连接，设备主体(7)朝向端盖(11)设置有主孔，该主孔中设置有主活塞(14)，主活塞(14)下部的空间称为主液压腔Ⅰ(13)，主活塞(14)上部的空间称为主液压腔Ⅱ(23)，主液压腔Ⅱ(23)通过设备主体(7)中的液压孔Ⅲ(15)对外连通，液压腔Ⅰ(13)通过端盖(11)中的液压孔Ⅱ(12)对外连通；

沿锁紧活塞(20)、锁紧块(19)、垫片(18)、弹簧(16)及设备主体(7)的中心通径共同穿有顶杆(1)，顶杆(1)的下端与主活塞(14)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，其特征在于：所述的空腔Ⅱ(25)为圆锥形结构，上窄下宽。

3.根据权利要求1所述的用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，其特征在于：所述的锁紧块(19)呈分瓣式沿圆周分布于顶杆(1)的周围，每个锁紧块(19)的内圆表面设置有多组棘齿(26)。

4.根据权利要求1所述的用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，其特征在于：所述的锁紧活塞(20)与液压缸(3)的缸体内壁之间设置有密封Ⅰ(4)，顶杆(1)与设备主体(7)的接触面设置有密封Ⅱ(8)，主活塞(14)与液压腔Ⅰ(13)内壁之间设置有密封Ⅲ(9)，设备主体(7)下表面与端盖(11)上表面之间设置有密封Ⅳ(10)，锁紧活塞(20)的上部凸台与液压缸(3)的缸体底盖之间设置有密封Ⅴ(22)。

说明书

用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置

技术领域

[0001] 本发明属于海洋石油天然气钻采装备技术领域，涉及一种用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置。

背景技术

[0002] 海洋水下油气钻采设备主要包含水下采油树、水下井口、油管/套管悬挂器、集输管汇、隔水管、防喷器及各类液压连接器等，是海洋油气勘探、开发的重要工具。由于深海环境工况恶劣，设备需要承受多重腐蚀和作用力，且设备操作需要间接通过水下机器人(ROV)完成，因而开发成本高、设备失效风险大，要求钻采设备具有高可靠性和稳定性。特别是用于锁定连接的带有驱动活塞或机械驱动套的设备，如液压连接器、油管悬挂器等，要求在其锁紧工作状态设置合适的二次锁紧装置，以防因液压失效或外力作用发生设备意外解锁脱离，造成生产安全事故。

[0003] 水下油气钻采设备中常用的二次锁紧装置结构包括弹簧+剪切销结构、机械自锁型面结构等，但这些结构都存在一些局限或缺点，如弹簧+剪切销结构需要每次锁紧/解锁操作后都更换剪切销，不适用于水下集中作业的多井油气田；机械自锁型面结构虽然结构简单，但受表面加工精度、装配精度等因素影响大，易造成锁紧失效。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，解决了现有二次锁紧装置重复使用不便、效率低下，以及对加工装配精度要求高的问题。

[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，包括设备主体，设备主体上表面与锁紧帽的法兰固定连接，在锁紧帽的轴心设置有空腔Ⅱ，空腔Ⅱ通过锁紧帽中的泄压孔与外界连通，在空腔Ⅱ中设置有锁紧块；

[0006] 锁紧帽向上与液压缸的缸体螺纹连接，液压缸的缸体底盖沿轴向设置有一个液压孔Ⅰ，液压缸的缸体内腔中设置有锁紧活塞，锁紧活塞与缸体底盖之间的空间称为锁紧液压腔，锁紧活塞与锁紧帽之间的空间称为空腔Ⅰ；锁紧活塞的上部凸台伸出液压缸的缸体底盖轴心孔；

[0007] 设备主体朝向锁紧帽设置有台阶孔，该台阶孔中设置有弹簧，弹簧上端通过垫片与锁紧块顶接；

[0008] 设备主体下表面与外接设备的端盖固定连接，设备主体朝向端盖设置有主孔，该主孔中设置有主活塞，主活塞下部的空间称为主液压腔Ⅰ，主活塞上部的空间称为主液压腔Ⅱ，主液压腔Ⅱ通过设备主体中的液压孔Ⅲ对外连通，液压腔Ⅰ通过端盖中的液压孔Ⅱ对外连通；

[0009] 沿锁紧活塞、锁紧块、垫片、弹簧及设备主体的中心通径共同穿有顶杆，顶杆的下端与主活塞螺纹连接。

[0010] 本发明的用于水下油气钻采设备的二次锁紧装置，其特征或在于：

[0011] 空腔Ⅱ为圆锥形结构，上窄下宽。

[0012] 锁紧块呈分瓣式沿圆周分布于顶杆的周围，每个锁紧块的内圆表面设置有多组棘齿。

[0013] 锁紧活塞与液压缸的缸体内壁之间设置有密封Ⅰ，顶杆与设备主体的接触面设置有密封Ⅱ，主活塞与液压腔Ⅰ内壁之间设置有密封Ⅲ，设备主体下表面与端盖上表面之间设置有密封Ⅳ，锁紧活塞的上部凸台与液压缸的缸体底盖之间设置有密封Ⅴ。

[0014] 本发明的有益效果是，包括以下几个方面：

[0015] 1)该二次锁紧装置主要用于水下油气钻采设备中带有驱动活塞或机械驱动套的锁定连接设备，如液压连接器、油管悬挂器等。通过设置该装置，可为水下设备安全提供双重保障，有效防止水下设备因液压失效或外力作用发生意外解锁脱离，造成生产安全事故，满足水下油气钻采设备的高可靠性和稳定性要求。

[0016] 2)该二次锁紧装置可随着主活塞受力增大而自增强，且当锁紧活塞的控制液压失效后，仍能保证锁紧作用，是一种失效安全型设计结构。

[0017] 3)该二次锁紧装置结构紧凑、液压操作、可反复使用，采用失效安全型设计和自增强结构，可有效保证水下油气钻采设备驱动组件的位置锁定，满足设备性能的高可靠性要求。

附图说明

[0018] 图1为本发明二次锁紧装置在解锁状态的剖视图；

[0019] 图2为本发明二次锁紧装置在锁紧状态的剖视图；

[0020] 图3为图1中的A-A截面示意图；

[0021] 图4为本发明二次锁紧装置在锁紧状态下的锁紧块棘齿放大图。

[0022] 图中，1.顶杆；2.液压孔Ⅰ；3.液压缸；4.密封Ⅰ；5.锁紧帽；6.螺栓；7.设备主体；8.密封Ⅱ；9.密封Ⅲ；10.密封Ⅳ；11.端盖；12.液压孔Ⅱ；13.主液压腔Ⅰ；14.主活塞；15.液压孔Ⅲ；16.弹簧；17.泄压孔；18.垫片；19.锁紧块；20.锁紧活塞；21.锁紧液压腔；22.密封Ⅴ；23.主液压腔Ⅱ；24.空腔Ⅰ；25.空腔Ⅱ；26.棘齿。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0024] 参照图1、图2，本发明的结构是，包括设备主体7，设备主体7上表面与锁紧帽5的法兰通过多个螺栓6固定连接，在锁紧帽5的轴心设置有空腔Ⅱ25，空腔Ⅱ25为圆锥形结构，上窄下宽，空腔Ⅱ25通过锁紧帽5中的泄压孔17与外界连通，在空腔Ⅱ25中设置有锁紧块19；

[0025] 锁紧帽5向上与液压缸3的缸体螺纹连接，液压缸3的缸体底盖沿轴向设置有一个液压孔Ⅰ2，液压缸3的缸体内腔中设置有锁紧活塞20，锁紧活塞20与缸体底盖之间的空间称为锁紧液压腔21，锁紧活塞20与锁紧帽5之间的空间称为空腔Ⅰ24；锁紧活塞20的上部凸台伸出液压缸3的缸体底盖轴心孔，锁紧活塞20与液压缸3的缸体内壁之间设置有密封Ⅰ4，锁紧活塞20的上部凸台与液压缸3的缸体底盖之间设置有密封Ⅴ22；

[0026] 设备主体7朝向锁紧帽5设置有台阶孔，该台阶孔中设置有弹簧16，弹簧16上端通过垫片18与锁紧块19顶接，弹簧16起到对锁紧块19的支撑作用；

[0027] 设备主体7下表面与外接设备的端盖11固定连接，设备主体7朝向端盖11设置有主孔，该主孔中设置有主活塞14，主活塞14下部的空间称为主液压腔Ⅰ13，主活塞14上部的空间称为主液压腔Ⅱ23，主液压腔Ⅱ23通过设备主体7中的液压孔Ⅲ15对外连通，液压腔Ⅰ13通过端盖11中的液压孔Ⅱ12对外连通，主活塞14与液压腔Ⅰ13内壁之间设置有密封Ⅲ9，设备主体7下表面与端盖11上表面之间设置有密封Ⅳ10；

[0028] 沿锁紧活塞20、锁紧块19、垫片18、弹簧16及设备主体7的中心通径共同穿有顶杆1，顶杆1的下端与主活塞14螺纹连接，顶杆1与设备主体7的接触面设置有密封Ⅱ8；

[0029] 参照图3、图4，锁紧块19呈分瓣式沿圆周分布于顶杆1的周围，每个锁紧块19的内圆表面设置有多组棘齿26。

[0030] 上述的液压孔包括液压孔Ⅰ2、液压孔Ⅱ12、液压孔Ⅲ15和泄压孔17；腔体包括主液压腔Ⅰ13、锁紧液压腔21、主液压腔Ⅱ23、空腔Ⅰ24、空腔Ⅱ25；密封件包括密封Ⅰ4、密封Ⅱ8、密封Ⅲ9、密封Ⅳ10、密封Ⅴ22。

[0031] 密封Ⅴ22和密封Ⅰ4将锁紧液压腔21封闭，液压油通过液压孔Ⅰ2注入，以推动锁紧活塞20下行；锁紧活塞20底部与锁紧块19接触，接触面为锥斜面；分瓣式的锁紧块19共四块，圆周分布于锁紧帽5的空腔Ⅱ25内(如图3实施例)，锁紧块19内径上带有多组棘齿26(如图4实施例)；密封Ⅱ8与密封Ⅲ9将主液压腔Ⅱ23封闭，推动主活塞14下行的控制液由液压孔Ⅲ15注入；密封Ⅳ10与密封Ⅲ9将主液压腔Ⅰ13封闭，推动主活塞14上行的控制液由液压孔Ⅱ12注入。

[0032] 锁紧液压腔21与液压孔Ⅰ2连通，空腔Ⅱ25与泄压孔17连通，主液压腔Ⅱ23与液压孔Ⅲ15连通，主液压腔Ⅰ13与液压孔Ⅱ12连通。

[0033] 主活塞14可以是独立的活塞，或是与其它零部件连接，以共同实现驱动功能。

[0034] 液压缸3与锁紧帽5之间采用螺纹连接，锁紧帽5与设备主体7之间采用螺栓6连接，也可采用其它等效的连接方式，且连接紧固件位置和数量可变。

[0035] 锁紧块19的驱动方式为液压解锁+弹簧锁定形式，或为其它等效的驱动形式。

[0036] 锁紧帽5的空腔Ⅱ25为圆锥形结构，上窄下宽；锁紧块19结构与之对应相反，且为分瓣式结构，内径上带有多组棘齿26；锁紧活塞20顶部有伸出的空心杆，底部与锁紧块19接触面为锥斜面；顶杆1为变径杆状结构，顶部带有限位帽，底部圆周带有螺纹。

[0037] 锁紧块19的分瓣数量可以为四个或其它数量；锁紧块19内径上的棘齿26结构可以设计为任意一种可实现啮合制动功能的型式；锁紧活塞20底部与锁紧块19接触的锥斜面可设计为任意可实现功能的角度；顶杆1的限位帽可以设计为与顶杆1一体式或分体式结构，底部螺纹也可更换为其它可行的连接方式。

[0038] 本发明装置的工作原理是：

[0039] 当需要解锁主活塞14的运动时，顶杆1和主活塞14的初始状态如图1所示，其余组件的初始工作状态如图2所示。在该状态下，打开泄压孔17，以排出或补偿空腔Ⅱ25因内部组件体积变化而产生的压力；控制液通过液压孔Ⅰ2注入到锁紧液压腔21内，推动锁紧活塞20由初始工作位置(如图2所示)下行，并最终与锁紧帽5顶端端面接触，在锁紧活塞20推力作用下，四个锁紧块19、垫片18随之一同下移，弹簧受力压缩，且受锁紧活塞20与锁紧块19接触锥斜面水平分力作用，四个锁紧块19沿径向向外扩张，锁紧块19的棘齿26与顶杆1外径脱离，此时，顶杆1连同与其螺纹连接的主活塞14可上下移动，二次锁紧装置处于完全解锁状态。通过液压孔Ⅲ15向主液压腔Ⅱ23内注入控制液，打开液压孔Ⅱ12，主活塞14受力与顶杆1一同下行，最终与端盖11接触，到达目标工作位置(如图2所示)。如果主活塞14上还连接其它组件，如液压连接器锁块或油管悬挂器驱动套等，此时可实现连接或锁定功能。

[0040] 当需要锁定主活塞14的运动时，顶杆1和主活塞14的初始状态如图2所示，其余组件的初始工作状态如图1所示。在该状态下，打开泄压孔17，锁紧液压腔21内的控制液通过液压孔Ⅰ2泄放，在弹簧16向上的推力作用下，垫片18、四个锁紧块19一同上移，推动锁紧活塞20由初始工作位置(如图1所示)上行，并最终与液压缸3内腔顶面接触；在弹簧16推力和锁紧帽5内腔圆锥面挤压双重作用下，四个锁紧块19沿径向向内收缩，锁紧块19的棘齿26与顶杆1外径啮合(如图4所示)，此时，顶杆1连同与其螺纹连接的主活塞14无法上下移动，二次锁紧装置处于完全锁定状态。主活塞14上连接的其它组件，如液压连接器锁块或油管悬挂器驱动套等，此时位置也被锁定，实现本发明的二次锁紧装置的设计功能。

[0041] 本发明的二次锁紧装置，结构紧凑、体积重量小，安装维护方便；采用液压解锁+弹簧锁定的失效安全型设计和自增强结构，性能安全可靠；一次安装可反复使用，无需更换零配件，工作效率高，满足海洋油气钻采设备的使用要求。