一种具有保压和密封功能的立管试验自动阀门

技术领域

本发明涉及海底管道领域，特别涉及一种根据海水压力自动控制开合以向双层海管内注水的具有保压和密封功能的立管试验自动阀门。

背景技术

海底管道是海洋石油工程中重要的油气输运方式，它的安全运营是确保海上油气生产顺利进行的关键。海底管道所处外界环境复杂，其中，对管道安全性能影响最大的是外界水压。由于深水海底管道铺设海域水深较大，必然需要承受巨大的静水压力。

深水海底管道承受的静水压力若超过一定限度，管道就会产生屈曲压溃，并且管道的压溃形态将沿着管长方向向两边传播开来，整条管道都会遭到破坏，造成巨大的经济损失。

海底双层管道由内外管组成，内管一般起到输送作用，外管则作为保护管道，在内外管间通常还会添加不同材料以提高双层管的性能。在内外管间注入流体(通常是水)，使得双层管具有一定内压，可以平衡一部分管道所受外部静水压力及内部高压油气运输压力，改善海底管道的稳定性，提升其安全性能，提高管道的使用寿命。

在双层管内注入高压流体可以在管道服役前进行，即在管道铺设到海底之前，使用高压水泵将流体灌入双层管内。但这种做法会产生以下两个问题：一是在铺设管道前先注入流体，必然加重双层管的重量，这会使得之后管道的铺设更加困难，对铺管船的要求增大，生产成本大大提高；二是海底输油管道长度通常可达数百千米，需要注入大量流体，这必然消耗大量能量，提高了生产成本。

发明内容

本文发明的目的是提供一种根据海水压力自动控制开合以向双层海管内注水的具有保压和密封功能的立管试验自动阀门。

具体地，本发明提供一种具有保压和密封功能的立管试验自动阀门，包括内管和外管构成的双层海管，在外管上安装有：

弹性拉紧装置，包括限位板，和将限位板连接在外管外表面且在预定压力下断开连接的拉伸件，一端与限位板连接另一端穿过外管上进水孔的拉杆；

弹性外推装置，用于对限位板施加远离外管方向的推力，包括设置在限位板与外管外表面之间的压缩弹簧；

封闭板，用于封闭进水孔，安装在外管的内表面一侧，并与穿过进水管的拉杆端部连接。

本发明利用内外压差的自然作用，在管道铺设深度逐渐加大的过程中，使流体自然灌入双层管内。结构简单，轻便小巧，安装在双层管上对双层管整体结构的完整性不会产生重大影响，装配过程简单。本结构对管道的重量增加量不大，因此对后续管道的铺设不会产生重大影响，无需为此升级铺管船，可降低生产成本。

该阀门还可以通过调节阀体的尺寸和材料，以适应不同水深、不同内压的要求，适用范围广。可根据不同内压需求选择不同的压力橡胶球，从而实现在达到一定深度后双层管内压力达到预定状态时，阀门从开放状态自动调整为关闭状态阻止流体再度注入，完成双层管内压保持稳定的目的。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的阀门结构示意图；

图2是本发明一个实施方式中阀门闭合后的结构示意图；

图3是本发明一个实施方式中阀门的立体示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1、2所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种具有保压和密封功能的立管试验自动阀门，包括内管和外管构成的双层海管，在外管上安装有拉紧装置，外推装置和封闭板5。

该拉紧装置包括限位板8，和将限位板8连接在外管2外表面且在预定压力下断开连接的拉伸件，及一端与限位板8连接另一端穿过外管2上进水孔12的拉杆9，进水孔12的直径大于拉杆9的直径，即进水孔12既是双层海管的进水通道，同时也是拉杆9的通过通道。

该外推装置用于对限位板8施加远离外管2方向的推力，包括设置在限位板8与外管2外表面之间的压缩弹簧7。

该封闭板5用于封闭进水孔12，安装在外管2的内表面一侧，即外管2与内管之间，并与穿过进水孔12的拉杆9端部连接。

在工作原理是：拉伸件通过自身长度或高度的限制，使限位板8与外管2的外表面之间保持在一个固定距离，该固定距离能够使外管2上的进水孔12不受阻碍地正常向外管2与内管形成的夹层中注水，而压缩弹簧7在该过程中，其向外推动限位板8的推力小于拉伸件的拉力，因此，被限位板8挤压地压缩在限位板8与外管2之间；同时，封闭板5在拉杆9的限制下远离外管2上的进水孔12，也不会对进水孔12的进水形成阻碍。

在施工过程中的表现则是：在双层海管由海面下到海底的过程中，其海水的压力是逐步增大的，而在海面至某个预定压力之间，拉伸件的状态是不会发生变化的(这里的预定压力可以通过事先计算确定和调整，使拉伸件受压力变化影响的时间大于其注水时间，保证注水过程的正常进行)，在该下沉过程中，进水孔12持续保持打开状态，会完成双层海管夹层内的注水过程。当双层海管下到一定深度后，海水压力超过设定的预定压力，此时拉伸件在海水压力下产生变化，这里的变化是指拉伸件通过自身的变形、断开或破碎等动作与限位板8产生脱离，此时，脱离的限位板8则会被压缩弹簧7顶起，限位板8被顶起时，会通过拉杆9拉动封闭板5向进水孔12方向移动，如图3所示，最终与进水孔12接触并将其封闭，从而使双层海管的夹层空间与外部断开连通，完成保持双层海管内压恒定的目的。

本发明利用内外压差的自然作用，在管道铺设深度逐渐加大的过程中，使流体自然灌入双层管内。结构简单，轻便小巧，安装在双层管上对双层管整体结构的完整性不会产生重大影响，装配过程简单。本结构对管道的重量增加量不大，因此对后续管道的铺设不会产生重大影响，无需为此升级铺管船，可降低生产成本。

该阀门还可以通过调节阀体的尺寸和材料，以适应不同水深、不同内压的要求，适用范围广。可根据不同内压需求选择不同的压力橡胶球，从而实现在达到一定深度后双层管内压力达到预定状态时，阀门从开放状态自动调整为关闭状态阻止流体再度注入，完成双层管内压保持稳定的目的。

在本发明的一个实施方式中，提供一种具体的拉伸件结构，首先在限位板8上设置有贯穿的限位孔3，拉伸件为穿过限位孔3的橡胶弹性球10(由靠近外管2一侧向远离外管2一侧)，和将橡胶弹性球10固定在外管2外表面的拉簧6，橡胶弹性球10在正常状态下的直径大于限位孔3的直径，在超过预定压力后其被压缩后的直径小于限位孔3的直径。

在正常压力下，橡胶弹性球10位于限位孔3远离外管2的一侧，在拉簧6的作用下将限位板8拉向外管2方向，通过拉杆9推动另一端连接的封闭板5远离外管2上的进水孔12，从而使外管2与内管之间的夹层能够正常注水。在该过程中，拉簧6在正常压力下拉紧橡胶弹性球10卡在限位孔3上，同时拉簧6的拉力大于压缩弹簧7的弹力，以使封闭板5能够保持在远离进水孔12的状态。

当双层海管逐步下沉到超过预定压力的位置时，橡胶弹性球10在海水的压力下被压缩，体积缩小，然后在拉簧6的拉力下穿过限位孔3，失去对限位板8的拉力，此时限位板8则在压缩弹簧7的弹力下向远离外管2的方向移动，进而通过拉杆9拉动封闭板5贴合在外管2的进水孔12处，断开进水孔12的进水，实现外管2和内管之间夹层的封闭。

其中，橡胶弹性球10被压缩后失去对限位板8的拉力的位置，需要满足外管2和内管的夹层中已经完全注满水的要求，而使橡胶弹性球10缩小的压力与注水要求的关系可通过事先试验确定。

为方便橡胶弹性球10拉住限位板8，该限位孔3远离外管2的一侧为由内表面向外表面方向扩散的锥形面，且锥形面的形状与橡胶弹性球10的外表面贴合。该结构能够增加橡胶弹性球10与限位孔3的接触面积，防止橡胶弹性球10在拉力下受损或变形。

为控制拉簧6的拉动距离，在限位板8靠近外管2的一侧安装有套在限位孔3外环外的限位管4，限位管4的高度低于压缩弹簧7推动封闭板8封闭进水孔12的距离。限位管4可防止拉簧6过度挤压压缩弹簧7，同时能够使限位板8更稳定地支撑在外管2上。

为提高封闭板5的封闭效果，该进水孔12可并排设置两个，同时拉杆9设置有两根且分别穿过两个进水孔12。该结构能够通过拉杆9对称地将封闭板5拉起，使封闭进水孔12的效果更稳定。

进一步地，可在封闭板5与进水孔12相对的一面设置与进水孔12外边沿贴合的密封垫11，以增加密封效果。此外，也可以在封闭板5朝向进水孔12的一面整体设置柔性密封层。

为避免压缩弹簧7产生横向移动，可将压缩弹簧7的一端与限位板8固定，另一端与外管2的外表面接触或固定。

在本发明的一个实施方式中，公开另一种拉伸件的结构，拉伸件为在海水预定压力下变形或断开的空心管，且在空心管上设置有便于断开的刻痕，空心管的一端与限位板连接，另一端固定在外管的外表面，连接状态下的空心管使进水孔保持在进水状态；当双层海管超过预定压力处时，空心管会在海水压力下变形，如弯折或断开，从而失去对限位板的固定，此时限位板会被压力弹簧顶起，进而通过拉杆拉动封闭板将进水孔封闭。

具体的空心管可为玻璃管、铝管，铁管中的一种，各种材质的管子的厚度可根据试验确定与海水压力之间的关系，以保证空心管能够在超过预定压力时弯折或断开。空心管上的刻痕可采用绕空心管圆周制作的结构，也可以沿轴向设置在空心管的外表面上。刻痕能够降低空心管的壁厚，使空心管更容易在海水压力下变形或断开。

在本发明的一个实施方式中，为方便整体阀门的安装，可在外管上安装阀门的位置处设置一块条形或环形的开口槽，而阀门上则设置相应的封闭盖，封闭盖代替外管壁以安装阀门各部件，然后将封闭盖通过法兰或是焊接的方式与外管上的开口槽密封连接。该结构可以使阀门形成一个独立的安装件，整体直接安装在外管上，既可提高安装效率，同时又能够简化阀门组装过程。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。