锁紧设备、立管支撑装置以及立管的安装连接方法与流程

本发明涉及海洋工程，特别涉及一种锁紧设备、立管支撑装置以及立管的安装连接方法。

背景技术：

1、浮式生产储卸油装置(floating production storage and offloading，简称fpso)是集生产、储油、卸油于一体的海上油气水生产处理设施，一般与水下生产设施组成一套完整的生产处理系统，是海上特别是深水区域油气开发的主要装备。水下生产设施与fpso之间的油气、动力、信号传输通过立管(包含刚性立管和柔性立管、脐带缆等)实现。其中，立管支撑作为立管在fpso上的悬挂支撑点，在承担立管所受到的重力、浪流载荷的同时，还要能够保证管缆的可靠牢固连接并且不发生疲劳破坏，属于保障fpso海上油气安全生产的关键设备。

2、同时，fpso一旦部署后通常要连续工作几十年，这几十年内fpso无法进坞维修保养，也就意味着立管支撑以及所属零部件设备也要有足够的使用寿命和可靠性，否则一旦损坏就无法连接或者解脱立管，大大影响fpso的油气生产。

3、因为立管支撑系统受到的载荷大，设备可靠性要求极高，现有的立管支撑装置在立管安装或者解脱的时候，尚不能实现在fpso甲板上遥控自动作业，需要潜水员以及水下机器人(remote operated vehicle，简称rov)的辅助。由于fpso通常部署在外海，可供潜水作业的窗口期短，同时fpso周边的缆线、设备复杂，潜水员水下作业环境恶劣并且工作量大，容易发生安全事故，影响海上油气生产的正常运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无需潜水员以及水下机器人，能够自动作业的锁紧设备、立管支撑装置以及立管的安装连接方法，以解决现有技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种锁紧设备，包括：

3、固定筒，其内部中空，且内周设有第一内螺纹；

4、锁紧杆，其穿设于所述固定筒内；所述锁紧杆的轴线与所述固定筒同轴，其两端分别为驱动端和锁紧端，所述锁紧杆的外周设有与所述第一内螺纹适配的第一外螺纹，而使所述锁紧杆能够相对于所述固定筒转动；所述第一内螺纹和所述第一外螺纹构成第一螺旋副，且所述第一螺旋副能够自锁；

5、驱动机构，其设置于所述固定筒靠近所述驱动端的端部，并与所述驱动端连接而驱动所述锁紧杆转动，使所述锁紧端向外伸出所述固定筒或缩回所述固定筒内。

6、在其中一实施方式中，所述第一螺旋副的螺纹升角λ和当量摩擦角关系满足：λ≤ρ’，其中，λ＝arctan(s/(πd2))，ρ’＝arctan(f/cos(α/2)),f是第一螺旋副的摩擦系数，α是螺纹牙型角，s为导程，d为所述第一外螺纹的中径；

7、所述锁紧杆的工作行程l1、所述第一螺旋副的导程s1以及所述锁紧杆的旋转角度φ1之间的关系如下：l1＝φ1×s1/360；

8、所述第一螺旋副的螺纹牙型为梯形螺纹、锯齿形螺纹或者矩形螺纹。

9、在其中一实施方式中，所述驱动机构包括：

10、壳体，其内部中空；所述壳体的轴线与所述固定筒的轴线平行；

11、驱动轴，其穿设于所述壳体内，且两端均伸出所述壳体；所述驱动轴的轴线平行于所述壳体的轴线，所述驱动轴与所述锁紧杆的驱动端连接；

12、驱动件，其与所述驱动轴连接；

13、其中，所述驱动件能够通过液压差而做往复运动，进而驱动所述驱动轴转动，并带动所述锁紧杆转动而沿轴向移动。

14、在其中一实施方式中，所述驱动件包括活塞环，所述活塞环设置于所述壳体和所述驱动轴之间，且所述活塞环能够通过液压差而沿所述驱动轴的轴向往复运动；

15、所述壳体的内周设有第二内螺纹，所述驱动轴的外周设有第三外螺纹；所述活塞环的外周设有与所述第二内螺纹适配的第二外螺纹，内周设有与所述第三外螺纹适配的第三内螺纹，所述第二内螺纹和所述第二外螺纹构成第二螺旋副，所述第三内螺纹和所述第三外螺纹构成第三螺旋副，所述第二螺旋副与所述第三螺旋副的旋转方向相反；

16、所述第二螺旋副与所述第三螺旋副均不能自锁。

17、在其中一实施方式中，所述活塞环的外周与所述壳体之间设有第一密封圈，所述活塞环的内周与所述驱动轴之间设有第二密封圈，所述第一密封圈和所述第二密封圈分列于所述活塞环的轴向两端，以将所述活塞环两侧的所述壳体的空间划分为独立的两个腔体，两所述腔体内通入具有压力差的液压油。

18、在其中一实施方式中，所述壳体远离所述固定筒端部的内周设有一容置槽，所述容置槽的开口朝向所述壳体的轴线；

19、所述驱动轴呈中间粗两端细的结构，其包括中间段、分列于中间段两端的第一连接段和第二连接段，所述中间段的外径大于所述第一连接段的外径，所述中间段的外径大于所述第二连接段的外径，所述第二连接段靠近所述锁紧杆，所述第一连接段的外周环设有外连接螺纹，所述外连接螺纹上螺接有一锁紧螺母；

20、所述驱动轴和所述壳体之间设有一轴承，所述轴承位于所述容置槽内，且所述轴承位于所述锁紧螺母和所述中间段之间。

21、在其中一实施方式中，所述壳体靠近所述固定筒的端部设有一凸伸部，所述凸伸部背离所述固定筒，所述凸伸部的外周螺接有一调整螺母，所述调整螺母与所述活塞环靠近固定筒的端部抵接，所述轴承和所述中间段之间设有调整垫片。

22、在其中一实施方式中，所述驱动轴的旋转角度φ大于等于所述锁紧杆所需的旋转角度，所述活塞环的行程l2大于等于(s2+s3)l1/s1，其中，s1、s2和s3分别为所述第一螺旋副、所述第二螺旋副和所述第三螺旋副的导程。

23、在其中一实施方式中，所述驱动轴的中部向外凸伸有一齿轮；

24、所述驱动件包括设置于所述齿轮下方的缸筒和设置于所述缸筒内的活塞杆，所述缸筒和所述活塞杆的轴线均与所述驱动轴的轴线垂直，所述缸筒的中部开设有对应所述齿轮的一啮合口，所述活塞杆的中部设有与所述齿轮啮合的齿条，所述齿条通过所述啮合口与所述齿轮啮合。

25、在其中一实施方式中，所述活塞杆的两端均设有密封环，以将所述缸筒两端的空间划分为独立的两个腔体；

26、所述缸筒的轴线位于所述齿轮的轴向长度的中心面上；

27、所述缸筒的轴线与所述壳体的轴线不相交。

28、在其中一实施方式中，所述活塞杆的长度l3及行程l4均不小于φ1z/360，其中，φ1为所述锁紧杆的旋转角度，z为所述齿轮的齿数，所述缸筒的总长度l5大于等于所述活塞杆的长度l3及其行程l4之和。

29、在其中一实施方式中，所述驱动轴包括同轴设置的齿轮轴和花键轴，所述花键轴设置于所述齿轮轴朝向所述锁紧杆的端部，所述齿轮设置于所述齿轮轴上，所述花键轴与所述锁紧杆连接；

30、所述活塞杆的两端均设有调节螺钉和调节垫片，所述调节垫片位于所述调节螺钉和所述活塞杆之间。

31、在其中一实施方式中，所述壳体包括筒体以及分列于所述筒体两端的法兰，所述法兰与所述筒体可拆卸连接；

32、所述驱动轴的两端均设有限位轴肩，两所述限位轴肩与两所述法兰一一对应，且各所述限位轴肩均位于所述筒体内并抵接于对应的法兰的内周而限制所述驱动轴沿轴向的滑动；

33、所述驱动轴的两端分别穿过对应的法兰。

34、在其中一实施方式中，所述驱动轴朝向锁紧杆的端部上套设有外花键，所述锁紧杆的驱动端设有内花键孔，所述外花键与所述内花键孔适配，且所述外花键伸入所述内花键孔内；所述外花键与所述内花键孔沿轴向的滑动行程大于所述锁紧杆的工作行程。

35、在其中一实施方式中，所述锁紧设备还包括用于检测所述锁紧杆位置的位置监测传感器，所述位置监测传感器与控制站电性连接，以将所述锁紧杆的位置信号传递至所述控制站。

36、在其中一实施方式中，所述锁紧设备还包括手动驱动杆；

37、所述驱动轴设有一贯穿其轴向的通孔，所述锁紧杆的驱动端开设有一开口朝向所述驱动轴的卡槽，所述手动驱动杆穿过所述通孔并伸至所述卡槽内，并与所述锁紧杆连接固定，且所述手动驱动杆远离所述锁紧杆的端部伸出所述壳体；

38、所述锁紧设备还包括一锁紧螺钉；所述壳体远离所述固定筒的一端设有一凸台，所述手动驱动杆穿过所述凸台，所述锁紧螺钉的轴线垂直于所述手动驱动杆的轴线，所述锁紧螺钉能够穿过所述凸台抵接所述手动驱动杆而锁紧手动驱动杆。

39、在其中一实施方式中，所述锁紧设备还包括控制阀组，所述控制阀组固定于所述壳体的外侧，所述控制阀组包括并列设置的两液压锁，两所述液压锁与所述壳体内的两腔体一一对应设置；各所述液压锁包括并联设置的溢流阀和液控单向阀；

40、所述控制阀组还包括一截止阀，所述截止阀设置于所述液压锁和两所述腔体之间，能够使两所述腔体隔离或连通。

41、本发明还提供一种立管支撑装置，包括支撑件以及沿周向均匀布置于所述支撑件外周的多个锁紧设备，所述支撑件呈筒状，所述锁紧设备采用如上所述的锁紧设备。

42、在其中一实施方式中，多个所述锁紧设备并联连接，并通过液压管路连接于甲板上的遥控监测系统及液压泵站；

43、所述立管支撑装置还包括一个换向阀，用于切换进入所述锁紧设备内的液压油的流动方向；

44、所述立管支撑装置还包括一减压阀，用于调整进入所述锁紧设备的液压油压力。

45、在其中一实施方式中，所述立管支撑装置还包括限位机构；所述支撑件的上部和下部均设有所述限位机构；

46、各所述限位机构包括均匀布置于所述支撑件外周的多个限位件，多个所述限位件位于同一平面内；

47、各所述限位件均包括限位块和驱动所述限位块移动的液压动力件，所述限位块倾斜设置，并与水平面之间的夹角呈锐角；

48、多个所述限位块共同抵接立管悬挂头。

49、本发明还提供一种立管的安装连接方法，所述安装连接方法采用如上所述的立管支撑装置，所述安装连接方法包括以下步骤：

50、从fpso上下放一牵引索，使所述牵引索穿过所述支撑件；

51、提供一立管悬挂头，并将所述立管悬挂头的一端与立管的端部连接，将所述立管悬挂头与所述牵引索的牵引端连接；其中，所述立管悬挂头的外径小于所述支撑件的内径；

52、通过所述牵引索将所述立管悬挂头由下至上的伸入所述支撑件内，并使立管悬挂头悬挂于所述支撑件内；

53、驱动所述锁紧设备的锁紧杆伸出并抵接所述立管悬挂头，锁紧所述立管悬挂头；

54、将所述立管悬挂头与船侧管线连接，实现所述立管与船侧管线的连接。

55、在其中一实施方式中，所述使立管悬挂头悬挂于所述支撑件内的步骤包括：

56、驱动位于所述支撑件上的限位件伸出而止挡所述立管悬挂头上的凸伸部，使所述立管悬挂头无法下滑，实现所述立管悬挂头的悬挂。

57、由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

58、本发明中的锁紧设备通过驱动机构的驱动而使锁紧杆相对于固定筒伸出或缩回，实现锁紧和解锁功能。该锁紧设备无需潜水员下潜作业，也不需要水下机器人执行水下操作，操作人员在甲板上即可完成锁紧作业，大大降低了工人作业强度以及恶劣天气对作业的影响，提高了作业安全性和作业效率。且锁紧设备通过固定筒和锁紧杆之间的摩擦力即可提供可靠的锁紧功能，利用固定筒和锁紧杆的机械锁紧功能，并且一步到位的锁紧，无需人工干预，大大提高了便利性。

59、立管支撑装置通过并联设置的多个锁紧设备的配合而实现对立管悬挂头的锁紧或解锁，进而实现对立管的锁紧或解锁。

60、本发明中的立管的安装连接方法采用立管支撑装置，而使得锁紧作业在甲板上即可完成作业，大大降低了工人作业强度以及恶劣天气对作业的影响，提高了作业安全性和作业效率。且整个安装连接方法仅最后的连接立管悬挂头和船侧管线时需要下水进行连接操作，且操作无需负重，只需要进行连接即可，操作难度低。