一種深水鉆井三級密封球形接頭的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種深水鉆井三級密封球形接頭,它主要由球芯、防沙罩、密封系統、電磁控制系統、自動壓差調節系統組成。球芯中心設有通孔，其底部為喇叭形開口；所述防沙罩為錐形與環形組合防沙罩，由四塊錐形薄板通過雙頭螺栓拼裝而成；所述密封系統由球芯、第三級球面組合密封、第三級密封件、第三級組合密封、第二級密封件、第二級球面組合密封、第二級組合密封、第一級組合密封、第一級密封件、第一級球面組合密封、外殼組成；電磁控制系統由第一電磁球閥，第二電磁球閥，第三電磁球閥，第四電磁球閥，第五電磁球閥組成；自動壓差調節系統由一級增壓缸和二級增壓缸組成；本發明密封性能好；操作方便，安全性高；適用于深水和超深水鉆井。
【專利說明】
一種深水鉆井三級密封球形接頭
技術領域
[0001]本發明涉及一種深水鉆井三級密封球形接頭，既多級球面密封的萬向旋轉接頭，尤其涉及適用于海洋石油深水鉆井裝置中的球形接頭，屬于機械工程裝置技術領域。
【背景技術】
[0002]在海洋石油深水鉆井裝置中，球形接頭是一種介于隔水管和防噴器之間的連接裝置。其上部連接隔水管，下部固定在防噴器上。裝置外部工作環境為海水，內部工作環境為高壓的鉆井液，因此對球形接頭的密封性要求較高。當隔水管與鉆井船受到海洋洋流、風浪的作用時，連接接頭會繞軸線呈O?360°周向旋轉和繞球心呈-10°?10°徑向偏轉，為實現這一功能，需要一種密封性能好，既能實現周向旋轉，同時又能實現徑向偏轉的連接裝置，球形接頭便是實現該功能的最佳選擇。
[0003]國外對適用于深水的球形接頭的研究大都是對其力學方面的研究，如美國T.J.Kozik等人對球形接頭受到的復雜的應力進行了詳細分析，但對其詳細結構卻沒有涉及。國內目前對球形接頭的研究基本上僅停留于淺海鉆井，并且大都采用單級密封，滿足不了深水鉆井對球形接頭及其密封技術的需求，現存的深水鉆井接頭普遍采用撓性接頭，然而這種接頭由于撓性體的局限性，使得其轉動角度小，且容易產生疲勞破壞。本發明特意針對目前缺乏高性能的深水球形接頭這一技術難題研究了一種適用于深水鉆井的三級密封球形接頭。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服目前的深水鉆井球形接頭的存在技術難題，提供一種適用于深水鉆井的三級密封球形接頭，適用于3000米水深、密封性能好、安全性高、轉動角度大、多級密封的球形接頭。
[0005]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0006]本發明一種深水鉆井三級密封球形接頭，主要由球芯、防沙罩、密封系統、電磁控制系統、自動壓差調節系統組成。所述球芯中心設有通孔，其底部為喇叭形開口，軸頸處焊接有支撐環，支撐環上設有8個螺釘孔，能實現繞球接頭的軸線呈0°?360°周向旋轉，繞球心呈-10°?10°徑向偏轉。
[0007]所述防沙罩為錐形與環形組合防沙罩，由四塊錐形薄板通過雙頭螺栓拼裝而成，其主體為錐形，頂端水平焊接環形薄板，底端豎直焊接環形薄板。整個防沙罩通過8個螺釘固定在支撐環上，防止防沙罩在球芯的軸頸處上下移動和轉動。該防沙罩既可防止雜物從豎直方向掉進裝置開口處，又可防止雜物在洋流作用下從水平方向進入裝置開口處，錐形防沙罩還可使堆積在防沙罩上的雜物在重力作用下自動掉落到裝置之外，采用筋板式拼裝方式既能使安裝方便，又能承受安裝過程中防沙罩克服海水阻力受到的力矩
[0008]所述密封系統由球芯、第三級球面組合密封、第三級密封件、第三級組合密封、第二級球面組合密封、第二級密封件、第二級組合密封、第一級球面組合密封、第一級密封件、第一級組合密封、外殼組成。第三級密封件為剖分結構，其小端面外徑處設有臺階，臺階內安裝第三級組合密封，第三級密封件的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第三級球面組合密封；第二級密封件為整體式結構，其大端面外徑處設有臺階，第二級密封件的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第二級球面組合密封;第一級密封件為整體式結構，其小端面外徑處設有臺階；第一級密封件的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第一級球面組合密封。每一級密封件的球面都與球芯的球面配合密封，同時，每一級球面組合密封都與球芯的球面配合密封，防止液體從球面泄漏；另外，外殼內表面兩端分別具有一個臺階，臺階上具有“背靠背”的兩凹槽，凹槽內分別安裝第二級組合密封和第一級組合密封，防止液體從外殼內表面泄漏，以上兩種形式的密封共同組成裝置的密封系統。
[0009]所述電磁控制系統由第一電磁球閥，第二電磁球閥，第三電磁球閥，第四電磁球閥，第五電磁球閥組成。第一電磁球閥為常開式電磁球閥，并聯于一級增壓缸的小端;第二電磁球閥為常閉式電磁球閥，串聯于一級增壓缸的大端，第三電磁球閥為常開式電磁球閥，與高壓密封腔底部的法蘭串聯，第五電磁球閥為常閉式電磁球閥，串聯于一級增壓缸的大端，然后再與常開式的第四電磁球閥并聯。在安裝過程中，電磁閥斷電，常開式電磁球閥均打開，常閉式電磁球閥均關閉，實現安裝過程中自動向密封腔內注水，同時使兩增壓缸的活塞在海水的壓力作用下保持在大端，保證增壓過程活塞有足夠的行程。安裝完畢后，電磁球閥通電，此時常開式電磁球閥均關閉，常閉式電磁球閥均開啟，形成兩個密封腔。
[0010]所述自動壓差調節系統由一級增壓缸和二級增壓缸組成。一級增壓缸大端與第二電磁球閥串聯，其小端與第一電磁球閥并聯。二級增壓缸大端與第五電磁球閥串聯之后再與第四電磁球閥并聯:并聯后二級增壓缸大端一側與低壓密封腔通過法蘭接通，其小端與高壓密封腔通過法蘭接通。當電磁球閥通電后，常閉式電磁球閥均打開，常開式電磁球閥均關閉，一級增壓缸自動實現一級增壓，調節低壓密封腔與海水之間的壓差，二級增壓缸自動實現二級增壓，調節高壓密封腔與低壓密封腔之間的壓差和高壓密封腔與裝置內的鉆井液之間的壓差。此外，當第一級密封件失效時，鉆井液進入高壓密封腔，使高壓密封腔壓力迅速增加，二級增壓缸的活塞在壓力作用下向大端移動，為低壓密封腔增壓，自動減小此時兩密封腔之間的壓差，起到自動壓差調節作用。
[0011]本發明的優點是:具有轉動角度大，密封性能好;操作方便，安全性高;適用于深水和超深水鉆井。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明一種深水鉆井三級密封球形接頭的結構示意圖；
[0013]圖2為本發明的電磁控制系統示意圖；
[0014]圖3為本發明的定位環示意圖；
[0015]圖4為本發明的第三級密封示意圖。
[0016]圖中:1.球芯，2.支撐環，3.防沙罩，4.上端蓋，5.第三級球面組合密封，6.第三級密封件，7.第三級組合密封，8.第一電磁球閥，9.一級增壓缸，10.第二電磁球閥，11.外殼，12.低壓密封腔，13.定位環，14.第二級密封件，15.第二級球面組合密封，16.第二級組合密封，17.第三電磁球閥，18.高壓密封腔，19.第一級組合密封，20.第一級密封件，21.第一級球面組合密封，22.下端蓋，23.二級增壓缸，24.第四電磁球閥，25.第五電磁球閥。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明做進一步說明:
[0018]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發明一種深水鉆井三級密封球形接頭，主要由球芯1、防沙罩3、密封系統、電磁控制系統、自動壓差調節系統組成。所述球芯I中心設有通孔，其底部為喇叭形開口，軸頸處焊接有支撐環，支撐環上設有8個螺釘孔，能實現繞球接頭的軸線呈0°?360°周向旋轉，繞球心呈-10°?10°徑向偏轉。
[0019]所述防沙罩3為錐形與環形組合防沙罩，由四塊錐形薄板通過雙頭螺栓拼裝而成，其主體為錐形，頂端水平焊接環形薄板，底端豎直焊接環形薄板;整個防沙罩3通過8個螺釘固定在支撐環2上，防止防沙罩3在球芯I的軸頸處上下移動和轉動。該防沙罩3既可防止雜物從豎直方向掉進裝置開口處，又可防止雜物在洋流作用下從水平方向進入裝置開口處，錐形防沙罩還可使堆積在防沙罩3上的雜物在重力作用下自動掉落到裝置之外;采用筋板式拼裝方式既能使安裝方便，又能承受安裝過程中防沙罩3克服海水阻力受到的力矩
[0020]所述密封系統由球芯1、第三級球面組合密封5、第三級密封件6、第三級組合密封
7、第二級密封件14、第二級球面組合密封15、第二級組合密封16、第一級組合密封19、第一級密封件20、第一級球面組合密封21、外殼11組成。第三級密封件6為剖分結構，其小端面外徑處設有臺階，臺階內安裝第三級組合密封7，第三級密封件6的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第三級球面組合密封5;第二級密封件14為整體式結構，其大端面外徑處設有臺階，第二級密封件14的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第二級球面組合密封15;第一級密封件20為整體式結構，其小端面外徑處設有臺階;第一級密封件20的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第一級球面組合密封21。每一級密封件的球面都與球芯的球面配合密封，同時，每一級球面組合密封都與球芯的球面配合密封，防止液體從球面泄漏;另外，外殼11內表面兩端分別具有一個臺階，臺階上具有“背靠背”的兩凹槽，凹槽內分別安裝第二級組合密封16和第一級組合密封19，防止液體從外殼11的內表面泄漏，以上兩種形式的密封共同組成裝置的密封系統。
[0021]所述電磁控制系統由第一電磁球閥8，第二電磁球閥1，第三電磁球閥17，第四電磁球閥24，第五電磁球閥25組成。第一電磁球閥8為常開式電磁球閥，并聯于一級增壓缸9的小端;第二電磁球閥10為常閉式電磁球閥，串聯于一級增壓缸9的大端，第三電磁球閥17為常開式電磁球閥，與高壓密封腔18底部的法蘭串聯，第五電磁球閥25為常閉式電磁球閥，串聯于二級增壓缸23的大端，然后再與常開式的第四電磁球閥24并聯。在安裝過程中，電磁閥斷電，常開式電磁球閥均打開，常閉式電磁球閥均關閉，實現安裝過程中自動向密封腔內注水，同時使兩增壓缸的活塞在海水的壓力作用下保持在大端，保證增壓過程活塞有足夠的行程。安裝完畢后，電磁球閥通電，此時常開式電磁球閥均關閉，常閉式電磁球閥均開啟，形成兩個密封腔。
[0022]所述自動壓差調節系統由一級增壓缸9和二級增壓缸23組成。一級增壓缸9大端與第二電磁球閥10串聯，其小端與第一電磁球閥8并聯。二級增壓缸23大端與第五電磁球閥25串聯之后再與第四電磁球閥24并聯，并聯后二級增壓缸23大端一側與低壓密封腔12通過法蘭接通，其小端與高壓密封腔18通過法蘭接通。當電磁球閥通電后，常閉式電磁球閥均打開，常開式電磁球閥均關閉，一級增壓缸9自動實現一級增壓，調節低壓密封腔12與海水之間的壓差，二級增壓缸23自動實現二級增壓，調節高壓密封腔18與低壓密封腔12之間的壓差和高壓密封腔18與裝置內的鉆井液之間的壓差。此外，當第一級密封件20失效時，鉆井液進入高壓密封腔18，使高壓密封腔18壓力迅速增加，二級增壓缸23的活塞在壓力作用下向大端移動，為低壓密封腔12增壓，自動減小此時兩密封腔之間的壓差，起到自動壓差調節作用。
[0023]球芯I上具有支撐環2，用以支撐固定防沙罩3，防止防沙罩3在球芯I的軸頸處發生上下移動或轉動；防沙罩3采用錐形和環形組合防沙罩，既可防止雜物從豎直方向掉進裝置開口處，又可防止雜物在洋流作用下從水平方向進入裝置開口處，錐形防沙罩還可使堆積在防沙罩3上的雜物在重力作用下自動掉落到裝置之外，采用筋板式拼裝方式既能使安裝方便，又能承受安裝過程中防沙罩3克服海水阻力受到的力矩;上端蓋4和第三級密封件6都采用剖分結構，便于安裝和測量;密封系統包括兩種密封形式，其中第三級密封件6、第三級組合密封7、定位環13、第二級密封件14、第二級組合密封16、外殼11、第一級密封件20、第一級組合密封19為第一種密封形式，主要防止液體沿著外殼內表面泄漏，第三級密封件6、第三級球面組合密封5、第二級密封件14、第二級球面組合密封15、第一級密封件20、第一級球面組合密封21、球芯I為第二種密封形式，主要防止液體沿著球面泄漏，這兩種形式的密封共同組成裝置的密封系統；電磁控制系統實現在安裝過程中海水自動充入裝置和保證一級增壓缸9、二級增壓缸23的活塞處于大端底部，保證增壓缸能夠正常工作，同時實現安裝完畢后將兩個密封腔自動隔開，在增壓缸的作用下自動形成低壓密封腔12和高壓密封腔18;自動壓差調節系統由一級增壓缸9和二級增壓缸23組成，一級增壓缸9自動實現一級增壓，調節低壓密封腔12與海水之間的壓差，二級增壓缸23自動實現二級增壓，調節高壓密封腔18與低壓密封腔12之間的壓差和高壓密封腔18與裝置內的鉆井液之間的壓差。此外，當第一級密封件20失效時，鉆井液進入高壓密封腔18，使高壓密封腔18壓力迅速增加，二級增壓缸23的活塞在壓力作用下向大端移動，為低壓密封腔12增壓，自動減小此時兩密封腔之間的壓差，起到自動壓差調節作用。
【主權項】
1.一種深水鉆井三級密封球形接頭，主要由球芯(I)、防沙罩(3)、密封系統、電磁控制系統、自動壓差調節系統組成，其特征在于:所述球芯(I)中心設有通孔，其底部為喇叭形開口，軸頸處焊接有支撐環;所述防沙罩(3)為錐形與環形組合防沙罩，由四塊錐形薄板通過雙頭螺栓拼裝而成，其主體為錐形，頂端水平焊接環形薄板，底端豎直焊接環形薄板;所述密封系統由球芯(I)、第三級球面組合密封(5)、第三級密封件(6)、第三級組合密封(7)、第二級密封件(14)、第二級球面組合密封(15)、第二級組合密封(16)、第一級組合密封(19)、第一級密封件(20)、第一級球面組合密封(21)、外殼(11)組成;所述電磁控制系統由第一電磁球閥(8)，第二電磁球閥(1)，第三電磁球閥(17)，第四電磁球閥(24)，第五電磁球閥(2 5)組成;第一電磁球閥(28)為常開式電磁球閥，并聯于一級增壓缸(9)的小端;第二電磁球閥(10)為常閉式電磁球閥，串聯于一級增壓缸(9)的大端;第三電磁球閥(17)為常開式電磁球閥，與高壓密封腔(18)底部的法蘭串聯;第五電磁球閥(25)為常閉式電磁球閥，串聯于二級增壓缸(23)的大端，然后再與常開式的第四電磁球閥(24)并聯;所述自動壓差調節系統由一級增壓缸(9)和二級增壓缸(23)組成;一級增壓缸(9)大端與第二電磁球閥(10)串聯，其小端與第一電磁球閥(8)并聯;二級增壓缸(23)大端與第五電磁球閥(25)串聯之后再與第四電磁球閥(24)并聯，并聯后二級增壓缸(23)大端一側與低壓密封腔(12)通過法蘭接通，其小端與高壓密封腔(18)通過法蘭接通。2.根據權利要求1所述的一種深水鉆井三級密封球形接頭，其特征在于:第三級密封件(6)為剖分結構，其小端面外徑處設有臺階，臺階內安裝第三級組合密封(7)，第三級密封件(6)的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第三級球面組合密封(5);第二級密封件(I4)為整體式結構，其大端面外徑處設有臺階，第二級密封件(14)的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第二級球面組合密封(15);第一級密封件(20)為整體式結構，其小端面外徑處設有臺階;第一級密封件(20)的球面內設有凹槽，凹槽內安裝第一級球面組合密封(21);外殼(11)內表面兩端分別具有一個臺階，臺階上具有“背靠背”的兩凹槽，凹槽內分別安裝第二級組合密封(I6)和第一級組合密封(19)，防止液體從外殼(11)的內表面泄漏。3.根據權利要求1所述的一種深水鉆井三級密封球形接頭，其特征在于:當電磁球閥通電后，常閉式電磁球閥均打開，常開式電磁球閥均關閉；一級增壓缸(9)自動實現一級增壓，調節低壓密封腔(12)與海水之間的壓差;二級增壓缸(23)自動實現二級增壓，調節高壓密封腔(18)與低壓密封腔之間的壓差和高壓密封腔(18)與裝置內的鉆井液之間的壓差。
【文檔編號】E21B33/037GK106089143SQ201610436789
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】侯勇俊, 唐遷, 方潘, 王鈺文, 杜長成
【申請人】西南石油大學