流体旋转连接器

发明领域本发明涉及一种高压流体连接器。

此类连接器例如在将油或天然气从海底钻井装置转移到运输船上时是需要的。

各连接器可以是承载来自海底抽取点的提升管的浮筒的一部分，一艘油船连接到该抽取点以装载油或气。另外该连接器可以固定到运输船的甲板上。也可以说，该连接器的一部分是在船上，而其另一部分是在浮筒中。

对在强风、高波浪或强力水流中便于船和提升管的相对运动这种用途来说，连接器的各部件之间的相对运动是很重要的。

一种相对转动能力尤其有利，并且该连接器可以在各管道之间形成一种旋转接合。当然在保证各相应流体管道的端部正确而准确的对准并保证在密封管道接合时避免泄漏方面，这一种旋转接合存在一些困难。

发明背景。

在美国专利US 4828292中介绍了一种已知的流动连接器，该连接器包括两个同心的空心圆柱形部件，这两个同心的空心圆柱形部件可彼此相对地转动并具有协同操作的对准的环形沟槽，以在由该两个部件的内壁所确定的连接器内形成圆环形的通路。将进口管和出口管焊接到内部和外部圆柱形部件上，后者用于与圆环形通路连接。这样，即使在两个部件转动运动时，进口管和出口管总是通过该环形通路连通。各环形圈密封机构被结合在各通路的每一侧上并可以被一种阻挡层流体加压。

然而，这种已知的设计难于制造成具有足够精确的公差并且费用大，尤其是在高压下和在油气生产设备是在的恶劣环境下这些焊好的接合部常常容易失效，并且一旦制造好它就是一种永久的结构，亦即甚至对于例行维护和修理来说它也不能很容易地连接和断开。此外，这些密封机构受到高度磨损并易于失效。

发明的公开内容因此，本发明提供一种用于连接运载高压流体的管道的装置、该装置包括一个中央芯件和一个外部构件，该中央芯件具有许多个在其中形成的流体通路，该外部构件围绕中央芯件并相对于该中央芯件活动，外部构件包括许多区段，每个区段都具有一个流体流动管道，与中央芯件中一个相应的流体通路连通，同时有用于密封的密封装置防止在外部构件中的管道和中央芯件中的通路之间的接合处生产流体的泄漏，该密封装置包括一个中间构件，该中间构件通过至少一个静密封机构连接到芯件上并通过至少一个动态密封机构压住相对活动的表面进行密封。

最好是按照在专利申请人共同待批同时注册的英国专利申请号9522326.9名为“密封装置”中所介绍的发明来制造密封装置。

可以将许多个区段堆叠在中央芯件上并以这样一种方式连接，这种方式允许各区段之间作某种相对运动。它们可以通过施加一个压缩力到该堆叠上如通过一个压紧螺母来保持处于相对并置。该力通过定位在中央芯件附近的各区段的凸肩部分取得。

一种按照本发明的装置比已知的连接器装置更可靠和更灵活，并且它的组件结构使各种尺寸的连接器比较容易定制。与单件结构相比，这种组件结构还更容易满足在该领域中所要求的严格的工程公差。

使用一些轴向孔作为中央芯件中的流体管道也是一个优点，尤其是在专利申请人共同待批和共同注册的英国专利申请号9522325.1名为“流体流动连接器”中介绍的装置。

可以包括一个用于连接器密封装置的监测系统，尤其是如在专利申请人待批英国专利申请9522340.0名为“用于高压流体流动连接器的监测系统”中所述的。

为了更好地理解本发明并显示如何可以实施本发明，现在将参照附图进行说明。

附图的简要说明图1以局部剖面图和以局部正视图形式示出按照本发明的一个实施例的一种流体连接器装置。

图2以局部剖面图和以局部正视图形式示出按照本发明的一个第二实施例的一种流体连接器装置。

图3是图1的流体连接器一个区段的横断面图。

图4是图3的区段一部分的放大图，它更详细地示出用于该区段的密封装置。

图5是按照本发明的一种流体连接器的一个第三实施例的横断面图。

图6是图5的流体连接器的一个区段的放大图。

附图的详细说明图1例示一种高压流体连接器。在该图的左面一半示出一个横断面图。在该横断面图中，采用方向相反的断面线来表示可彼此相对地转动的连接器各部件。因此一个凸状件1用一种从左向右上升的断面线表示，而一个凹状件2用一种从左向右下降的断面线表示。凸状件1基本保持固定，例如固定在一储存或运输船上，通过连接器将油或气泵送到该船中。

凸状芯件1具有一些轴向孔31，这些轴向孔31连接芯件1中的径向通路32，其中每个径向通路32与凹状件2中的流体管道33连接。这些流体管道33与凸状件1中径向通路32的接合处形成一个环形沟槽3。这样这两个构件1和2之间的相对转动不影响二者之间的流体连接。

流体管道和通路的这种接合处利用在每个接合处的上面和下面的与环形沟槽共轴的过压双密封装置密封。这些密封装置总的以37表示，并且参照图4更详细地说明，而且在专利申请人共同待批并同时注册的英国专利申请号9522326.9名为“密封装置”中也加以说明。

这种密封装置包括一些呈双对唇形密封机构形式的密封圈，每个唇形密封机构都具有一个U形横截面并且被施加到该U形的开口侧上的一种高压阻挡层流体起动。将该阻挡层流体以较高的压力供给到管道中流体的压力上，并对密封机构提供一种润滑作用，以便于构件1和2的相对转动，同时对密封构件具有最小磨损并对密封机构的破坏最小。

这种密封装置被设置在每个环形沟槽3的上面和下面的外部构件2的每个区段55中。

在该叠区段55的顶部和底部处分别设置一个环境密封机构34、35，它们密封这组区段，并对着大气密封它们的运载流体的管道。每个环境密封机构都包括一对间隔开的U形密封机构，这对U形密封机构通过压力差以一种与每个环形沟槽的上面和下面的动态唇形密封机构同样的方式起动。

在图1所示的实施例中，该芯件1包括一个附加的延长部分38，该延长部分38沿纵向延伸到凹状件2的外面，并具有一个较小的直径。这以与有关第一凹形件2所述相同的方式与一个第二凹形件39连接。也就是说，设置了密封装置37及环境密封机构34、35。这一种较窄直径的芯件延伸部分对特别高压力的流体流动是有用的。

芯件1中的一个中央轴向孔40安装电线41(见图1)和/或用于连接器和管线的其它支承线及电源。

图2示出一种图1中装置的替代装置，此处装置是一样的，只是凸状件1取一个外部芯件43和一个内部芯件42的形式，该内部芯件42共轴式装配到外部芯件43中。所有其它的元件用同样的标号表示。

这个实施例在装置的制造中具有许多优点，因为同心式芯件可以单独制造并在机加工后组装，所以导致降低了制造成本、更精确的公差，并能制造较大直径的流体连接器，否则这是不可能的。此外，每个芯件可以用一种不同的材料制造，这种材料可以根据在特定区段中被运输的流体来挑选。例如一种特别有腐蚀性的生产流体可以要求在一种强耐腐蚀的材料制的管道中运输，这种材料如果用于整个芯件可能价格过高。然而，这个实施例只是一部分芯件必须使用这种昂贵的材料。

内部芯件42具有轴向孔31a，其直径要比外部芯件中的轴向孔的直径小。这些孔31a成对地与径向通路32a流体连通。将每组轴向孔安排成一圈。

这种装置改善了连接器同时和独立地运载许多不同流体的能力，因为它提供在中央芯件中设置大量孔的可能性。另外可以更容易制造各种不同直径的孔用于不同的流体流动。较小直径的孔一般用于较高压力的流体管道。

图3例示图1的连接器的一个区段55，同时示出流体管道之间的接合。这些管道被如此接合，以致各部件能在接合处作相对转动，并且为便于参考，那些彼此相对运动的部件用方向相反的断面线表示。在图3所示的一个特定实施例中，一个芯旋转件1用从左向右上升的断面线表示，该旋转件1是一个固定的凸状件，而连接件2用从左向右下降的断面线表示，该连接件2是一个凹状件，该凹状件可围绕构件1转动。在凸状件1中的轴向孔(在图1中示出)通过各径向通路(在图1中示出)连接到环形沟槽3上，该环形沟槽3形成凸状件1和凹状件2的接合处。这些环形沟槽3与凹状件2中的通路(在图1中示出)连接，以便可以转移流体如油或气，例如从一个油管线提升管转移到一艘运输船如一艘油船上。

在图3所示的实施例中，可彼此相对地活动的表面用方向相反的断面线的接合处表示。因此可以看出，凸状件1的表面4和6分别相对于凹状件2的表面5和7运动。为了使构件1和2能相对地转动，在这些相对活动的表面之间必须有一个小的间隙，而这种间隙为生产流体提供一个潜在的从管道尤其是从环形沟槽3中泄漏的流体泄漏路径。

因此，安装一个密封装置以密封这个小的间隙。尤其是将一对具有U形横截面的一次唇形密封机构8、9安装在环形沟槽3的上面和下面相应的沟道10、11中。这些一次密封机构被一种阻挡层流体加压，该阻挡层流体通过凹状件2中的一个供给沟道44供给。该供给沟道分岔以提供阻挡层流体进入每个沟槽10、11中来给一次密封机构8、9加压。该阻挡层流体在一个压力下通过沟道44供给，该压力稍高于环形沟道3中生产流体的压力，因此每个U形密封圈8、9的臂被强压到相应的相对活动的表面上并将生产流体保持在沟道3内。

一般生产流体如气或油的压力可以约为500巴，而阻挡层流体最好是处于约520巴的压力下。这些数值只是作为例子给出，并且决不打算限定在该压力上，该压力可以在按照本发明的一种密封装置中使用，它将由该技术的专业人员按照设备的特定情况和要求挑选。

为了改善密封效率，每个伴随的表面(4/5或6/7)中至少有一个涂覆一种硬质平滑的涂层如碳化钨。一般更容易将这种涂层设置在一个特别平的表面上，因此在所示的实施例中该涂层是在表面5和7上。密封圈8、9的材料最好是一种塑料，由此提供一种比较软的构件来压住碳化钨的硬质平滑表面密封，以提供一种有效的密封。

实际上，由于沟道44中和沟槽10、11中的阻挡层流体是处于一个比生产流体更高的压力下，密封是压住该生产流体进行的，因此任何净流量将是从阻挡层流体沟道进入生产流体管道。因此实际上该阻挡层流体有效地润滑密封圈8、9，并且便于滑动表面之间的相对运动。将会遇到阻挡层流体的极少量的净流体损耗，但与许多百万加仑产品相比，这是微不足道的，该产品通常是穿过接合处流经管道，并且当然优先沿相反方向泄漏，如果一次密封不是一种过压密封的话，这种泄漏就会发生。

用于接合的一种二次密封机构以二次密封圈12和13的形式设置，密封圈12和13分别位于表面4和6的沟道14和15中。

这些二次沟道14和15与一次沟道10和11间隔开，并且还装有一种阻挡层流体，该流体在压力下通过安放在凹状件2内的供给沟道16。用于二次密封机构12和13的阻挡层流体形成一部分分开的供给回路到用于一次密封机构8和9的流体，因此沟道16不与沟道14连接。然而用于二次密封圈12和13的阻挡层流体在与用于一次密封圈8和9的阻挡层流体相同的压力下供给。因此将相同的阻挡层流体压力供给到二次密封圈12和13之中每一个的两侧，而且在正常的使用条件下(亦即当一次密封圈完整无缺时)该二次密封圈不被起动。

在所示的实施例中，分别在可相对转动的表面6，7和4，5之间设置一个轴承。该轴承可以是一个滑动轴承，如在图1中17处所示，或者可换用一个滚柱轴承。

在图3的实施例中，还示出许多静密封机构。设置这些静密封机构以将各种部件或元件锁紧在一起，并且这些静密封机构可以包括一些U形横断面的密封机构，如用18或具有垫片20的O形圈密封件19所表示的。

O形圈密封件19中的垫片防止通过被密封的表面之间的间隙挤压该密封件，否则在高压下挤压容易发生。

在一个密封表面元件21内的沟槽中设置一些U形静密封机构18，以将它固定到凹状件2的主体上。还安装了螺栓22以将这些元件固定在一起。螺栓的头部位于连接件25的一个凹槽24中，该连接件25用来将凹状件2的这个区段紧固到邻近的相同区段上。该连接件25通过由O形圈19和垫片20形成的静密封机构进一步附接到凹状件上。

一次和二次密封圈沟道在一个中间构件26中形成，利用键27和静密封机构28将该中间构件26固定到凸状件1上。

一个定距环围绕凸状件1。图3的装置以一叠组件重复，如图1和2中所示。每个组件都可以运载不同种类的流体或沿不同方向的流体。定距环29具有凸肩，该凸肩邻接中间构件26的相邻的拐角，以便取得将堆叠的区段或组件固定在一起的压缩力。

图4是单个区段用的密封装置的放大图，相同的部件用相同的标号表示。

此外，图4清楚地示出在图1的叠合组件的底部或顶部处的环境密封机构34和35。这些环境密封机构包括一对间隔开的U形密封圈，这些U形密封圈分别在设备的顶部和底部处密封可相对转动的表面与外部环境隔开，该外部环境基本上在大气压下。

这些环境密封机构还包括一对具有大体上是U形横截面的密封机构，并且它们被安放在可相对转动的表面之一内的间隔开的沟槽中。将一种阻挡层流体在压力下供给到这些密封机构中每一个的开口侧，并且一般是该阻挡层流体在与用于一次和二次接合密封的阻挡层流体相同的压力下供给。各环境密封机构以与动态密封机构相同的方式工作，但这时它们是对大气压密封，因此外部密封机构34是有效地操作的一次密封机构。这里阻挡层流体的压力将显著高于环境压力(当这是大气压时)，并且这为这种应用提供了一种很有效的密封。尽管如此，设置一种二次密封机构35具有大体上相同的设计，并且将二次阻挡层流体供给到这个二次密封机构上。由于施加到密封机构34的开口侧上的压力与施加到密封机构35的开口侧上的压力相同，所以在一次密封机构失效前或者如果一次密封不失效，这个二次密封机构将也是不可操作的。

当一次密封机构失效时，将有一个供阻挡层流体从该一次密封机构逸出到大气中的泄漏路径，而且穿过一次密封机构的压降造成一个穿过二次密封机构35的压力差并起动该二次密封机构。

在正常情况下，这种环境密封机构是一种防止产品从生产流体管道泄漏的最高水平。在需要环境密封机构之前，该一次和二次密封机构二者在堆叠的顶部或底部处的区段或组件中必须失效。尽管如此，当然非常重要的是一种生产流体如石油不泄漏到环境中。

图5示出一个下面的大直径凸状连接器56，该连接器56具有一个堆叠在顶部上的上面的小直径连接器57，每个连接器都具有一个空心的中央部分59。

这些凸状连接器(56、57)中每一个都具有用于流体运输的纵向孔，这些孔与协同操作的凹状件中相应的径向通路、环形沟槽和管道连接，如上面参看图1和3所述。下面连接器56的各孔和通路在图5中未示出。上面连接器57的孔31与管子58连接，该管子58安放在下面连接器56的空心的中央部分59中。在孔31和管子58的接合处安装了密封机构60，这些密封机构可以是各种已知结构中的任何一种。

上面连接器57也具有一个空心的中央部分61。上面和下面的连接器56，57每个都具有一个实心的芯件围绕它们的空心的中心，并穿过该中心钻有纵向孔用于输送流体。

上面和下面的凸状连接器每个都具有分开的协同操作的凹状连接器。在图5中，下面的凹状连接器未示出，但上面的凹状连接器用62表示。

在凸状部件和凹状部件之间的运载阻挡层流体的管道的接合处以与用于图1和3的实施例所述的系统类似的方式密封，并且也在专利申请人共同待批和同时注册的专利申请号9522326.9名为“密封装置”中说明。然而，在图5中，采用一种不同部件装置，并且在图6中以较大的比例示出，图6是穿过一个流体管道接合处的一部分的横截面。

现在将参看图5和6详细说明在这个接合处各部件的装置。

在图5的实施例中，环形沟槽3是在凹状件2和键形件63之间形成，利用螺栓64将该键形件63栓接到凸状件57的芯上。这使得凸状件57制造更为简单，并且在这些更小的单个部件中对流体管道所要求的公差更容易达到。

上面和下面的每个环形沟槽都是一种双密封装置，每个双密封装置在相应沟槽中都包括一次密封圈8，9和二次密封圈12、13。这些密封圈是具有U形横截面的唇形密封机构。它们被安装成具有背对流体路径的开口臂，该流体路径由环形沟槽3限定。在这个实施例中，与上述实施例的装置相反，这是沿径向向内的连接器，在上述实施例中各臂沿径向面向外(但仍然远离流体路径)。

这些密封圈密封生产流体，阻止沟槽3下面的相对活动表面4、5与沟槽3上面的相对活动表面6和7之间的间隙中的泄漏。因此将它们叫做动态密封机构。它们由通过沟道44施加到开口侧上的加压阻挡层流体起动，以产生一个压力差。

设置滚柱轴承65以帮助表面4和5之间与表面6和7之间的相对运动。滑动轴承或滚针轴承66帮助面对的垂直面之间的运动。

静密封机构28包括O形圈19和垫片20，它们也用于如图所示的连接器中，但这些是在具有一种彼此固定的关系的各表面之间使用。另外这些静密封机构可以包括U形唇形密封机构，这些唇形密封机构被通过钻好的连通沟道供给的阻挡层流体加压。

环境密封机构34、35安装在连接器每个部分的上面和下面。