一种复合管连接器及其连接方法与流程

1.本发明涉及管道连接设备技术领域，尤其是一种复合管连接器及其连接方法。


背景技术：

2.复合管，也称为纤维增强复合管，这些类型的管通常由增强纤维和聚合物材料内层的聚合物材料外层的内层制成，复合管是柔性的且可以盘绕，表面更为光洁，流体摩阻小，特别适用于油气生产的流体输送，与传统金属管相比，安装维护更为便捷，复合管已经成为油气生产的重要管材。
3.油气生产中，复合管可能暴露于复杂腐蚀性化学品和恶劣条件下，外部压力，内部压力和张力或压缩力引起的管道负荷可能非常高，复合管必须能够承受这些条件。复合管材料主要以高分子材料制造，油气输送中，油气中的小分子气体，如ch4等，不可避免的会渗入管材内部，如果在纤维缠绕等二次成型部位聚集，将造成管道分层，造成管道失效。管道连接接头作为管道系统终端连接装置，是管道系统中的重要结构，也是管道系统中最容易发生失效的环节，其主要用于连接管道与其他装置、密封管道内部输送介质以及防止管道拔脱等。
4.非金属管的连接方法通常有机械扣压连接和增强热熔套筒两连接大类。《gb t20674.1-2020塑料管材和管件聚乙烯系统熔接设备第1部分：热熔对接》、《gbt32434-2015塑料管材和管件燃气和给水输配系统用聚乙烯(pe)管材及管件的热熔对接程序》给出的热熔连接方式，连接机理是将管道和接头结构热熔粘结，这种方式适用于小口径、低压力油气输送环境，主要在输水输油以及城镇燃气(1.6mpa以下)输送管道应用，在大直径、高压油气输送管道上应用存在强度、轴向力传递和密封性等多方面不足。《sy t6662.6-2014石油天然气工业用非金属复合管第6部分：井下用柔性复合连续管及接头》、《sy t6662.7-2016石油天然气工业用非金属复合管第7部分：热塑性塑料内衬玻璃钢复合管》、《sy t6769.5-2016非金属管道设计、施工验收规范第五部分：纤维增强热塑性塑料复合连续管》给出了机械扣压接头的结构，机械扣压连接存在如下问题：(1)机械扣压接头在复杂的荷载条件下亦容易发生强度破坏；(2)密封性能问题：机械扣压密封方式单一，无法补偿复合管内外层高分子聚合物材料蠕变和热胀冷缩造成的变形，密封可靠性不高；(3)预应力的保持问题：机械扣压接头通过预应力保证管道的限位，但往往在实际环境下，尤其是结构发生疲劳变形或者蠕变后预应力丢失，以致管道承载能力下降，密封性能也往往会随之下降；(4)接头装卸问题：机械扣压接头是一次性接头，装配完成后无法更换，需要整件更换；(5)管道层破坏问题：机械扣压连接件安装误差大，机械扣压接头结构在管道层上易产生应力集中，连接部位承载过大，管道结构易发生破坏，实践中表现为爆破试验接头部位爆破和连接部位的泄漏；(6)管道输送介质中的小分子气体渗入管材内部。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种复合管连接器及其连接方
法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合管连接器，包括复合管、外锥套、锥垫、内固定筒，所述复合管外壁设置有锥垫，所述锥垫包括弹性环垫、金属卡环、卡瓦，所述弹性环垫位于远离复合管端口一侧，所述卡瓦为双锥段结构，所述卡瓦靠近弹性环垫一端为小锥角，所述卡瓦远离弹性环垫一端为大锥角，所述金属卡环位于靠近复合管端口一侧且与复合管过盈配合，所述锥垫外部设置有外锥套，所述外锥套远离复合管端口一侧与弹性环垫接触，所述外锥套中部为与卡瓦形状相配合的双锥段结构，所述外锥套靠近复合管端口一侧设置有第一法兰结构，所述内固定筒包括第二法兰、内筒，所述第二法兰位于内固定筒前端，所述第二法兰通过紧固螺栓与第一法兰连接，所述第一法兰和第二法兰之间安装有金属环垫，所述内筒外表面与复合管内表面接触。
7.上述的一种复合管连接器，所述复合管由内向外依次为内层、增强层及外层，所述内层由热塑性高分子聚合物材料制成，所述增强层由增强材料缠绕而成，所述外层由耐候性改性高分子聚合物制成。
8.上述的一种复合管连接器，所述卡瓦为多片结构，所述卡瓦内表面经过喷砂或滚花处理，所述卡瓦与复合管外壁之间通过粘合剂粘结。
9.上述的一种复合管连接器，所述金属卡环的厚度与卡瓦最大厚度相同。
10.上述的一种复合管连接器，所述卡瓦靠近复合管一侧设置有加强筋，所述复合管外表面对应位置设置有用于固定加强筋的凹槽。
11.上述的一种复合管连接器，所述金属卡环内表面、卡瓦内表面及内筒外表面均设置有倒齿纹。
12.上述的一种复合管连接器，所述卡瓦外表面设置有弹性体环紧固槽。
13.上述的一种复合管连接器，所述第一法兰为标准法兰，所述第二法兰为环连接面整体钢制法兰。
14.上述的一种复合管连接器，所述第二法兰的压力等级与复合管设计压力相同。
15.上述的一种复合管连接器，所述内筒壁厚计算公式为：
[0016][0017]
其中，p为复合管设计压力；do为管道外径；[σ]为设计温度下内固定筒用材料的许用应力；为焊接接头系数，无焊缝取1；y为材料的温度修正系数；c1为厚度减薄附加量；c2为腐蚀或磨蚀附加量；c3为齿纹加工深度。
[0018]
上述的一种复合管连接器，所述内筒两端还设置有密封圈安装槽。
[0019]
上述的一种复合管连接器，所述金属卡环内表面、内筒外表面均经过喷砂或滚花处理。
[0020]
上述的一种复合管连接器，所述金属环垫靠近金属卡环一侧对应的第一法兰上设置有排气通道。
[0021]
上述的一种复合管连接器，所述卡瓦大锥角为3-6
°
，所述卡瓦小锥角为1-3
°
。
[0022]
上述任一种复合管连接器的连接方法，包括如下步骤：
[0023]
步骤1：在外锥套内表面涂抹润滑剂，将复合管从端部穿入外锥套中，并将外锥套放置在远离复合管端部的一端；
[0024]
步骤2：确定管道连接长度，在远离复合管端部一端安装弹性环垫，加热金属卡环至复合管设计温度，将金属卡环固定在复合管端部；
[0025]
步骤3：在内筒外表面涂抹润滑剂，加热复合管至复合管设计温度，采用液压工具将内筒压入复合管内部；
[0026]
步骤4：在复合管外壁弹性环垫和金属卡环之间位置安装卡瓦，卡瓦安装到位后采用液压工具对金属卡环进行机械挤压；
[0027]
步骤5：在卡瓦外表面涂抹润滑剂，将外锥套从远离复合管端部一侧拉至复合管端部，在第一法兰和第二法兰之间安装金属环垫，通过紧固螺栓将第一法兰和第二法兰连接紧固。
[0028]
上述的一种复合管连接器的连接方法，所述步骤2中管道连接长度l的计算公式为：
[0029][0030]
其中，p为复合管设计压力；do为复合管外径；d为复合管内径；μ为卡瓦与复合管之间的摩擦系数；t为复合管壁厚；le为弹性环垫长度，为0.5倍的复合管外径；lr为金属卡环长度，为0.5倍的复合管外径；pc为卡瓦与复合管之间的接触压力，取复合管设计压力的3倍。
[0031]
上述的一种复合管连接器的连接方法，所述管道连接长度的计算小于总的复合管长度而不小于2倍的复合管外径时，取管道连接长度为2倍的复合管外径。
[0032]
本发明的有益效果是，(1)通过自紧式结构，补偿复合管内外层高分子聚合物材料蠕变和热胀冷缩造成的变形，解决了机械压紧接头盒热熔接头密封方式单一，可靠性不高的问题；
[0033]
(2)管接头部位各部分受力均匀，应力变化平滑，减轻了管道机械压紧部位的应力集中，解决了复合管道损伤导致的连接失效问题；
[0034]
(3)连接器及复合管变形量小，复合管损伤小，连接器各部件可方面的从复合管上拆卸，解决了复合管连接器装配后无法更换零部件，只能整体更换问题；
[0035]
(4)采用多锥面金属锥筒+弹性环垫，管道接头部位受力均匀，连接器与复合管接触面大，可在一定程度上允许复合管连接器和复合管之间的相对运动，解决了复合管轴向拉压在管接头部位形成的轴向力、复合管扭转在管接头部位形成的扭矩以及复合管弯曲在管接头部位形成的弯矩等复杂载荷传递问题，提高管道承受轴向力的能力；
[0036]
(5)采用多片锥垫形式，对复合管壁厚偏差、直径偏差、偏心等均能较好的适应，解决了不同管径和不同管材复合管的适用性问题，；
[0037]
(6)在管端提供了复合管管材中渗入气体的泄放通道，解决了复合管长期使用气体渗入管材内部造成复合管层间损伤问题；
[0038]
(7)三重密封结构的最外层密封采用了金属环垫密封形式，环垫内部通过微通道连接至泄漏监测装置，解决了管接头部位泄漏监测问题；
[0039]
(8)复合管形位公差要求不高，适用于中高压大直径管道连接。
附图说明
[0040]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0041]
图1为本发明示意图；
[0042]
图2为本发明锥垫示意图；
[0043]
图3为本发明外锥套示意图；
[0044]
图4为本发明内固定筒示意图。
[0045]
图中1.外锥套，1-1.第一法兰，1-2.第一紧固螺栓安装孔，1-3.第一金属环垫安装槽，1-4.排气通道，2.锥垫，2-1.弹性环垫，2-2.金属卡环，2-3.卡瓦，2-4.弹性体环紧固槽，2-5.加强筋，3.复合管，4.内固定筒，4-1.第二紧固螺栓安装孔，4-2.第二金属环垫安装槽，4-3.弹性体密封圈安装槽，4-4.倒齿纹，4-5.内筒，4-6.第二法兰，5.o型密封圈，6.金属环垫，7.紧固螺栓。
具体实施方式
[0046]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
[0047]
本实施例公开了一种复合管连接器，如图1所示，包括用于夹紧限制复合管3位移的外锥套1、放置在复合管外壁的锥垫2、放置在复合管内部的内固定筒4、金属环垫6、o型密封圈5以及用于连接内固定筒4和外锥套1的紧固螺栓7。
[0048]
如图2所示，锥垫2设置在复合管3外壁，包括弹性环垫2-1、金属卡环2-2、卡瓦2-3。弹性环垫2-1位于复合管3端口的远端，使作用在复合管3上的应力平滑过渡，降低在复合管管壁的应力集中；卡瓦2-3为双锥段结构，其中连接器端口远端的部位为小锥角，近端的为大锥角，卡瓦为多片结构，内表面经过喷砂或滚花处理，以增加与复合管与锥垫之间的摩擦力，同时可通过粘合剂将其均匀的粘结在复合管外壁，卡瓦内表面还设置有倒齿纹和加强筋2-5，卡瓦外表面设置弹性体环紧固槽2-4用于卡瓦2-3的固定安装；金属卡环2-2位于复合管端口，与复合管3采用基轴制过渡配合，保证金属卡环2-2与复合管3外壁充分接触；金属卡环2-2其厚度与卡瓦2-3最大厚度相同，内表面设置有倒齿纹，经过喷砂或滚花处理，以增大金属卡环2-2与复合管3的接触面积；金属卡环2-2可通过机械挤压，使得金属卡环2-2与复合管3形成过盈连接，使得该部位形成应力最大的密封。
[0049]
如图3所示，外锥套1放置在锥垫2外部，外锥套1远离复合管端口一端为圆筒结构，与锥垫的弹性环垫2-1接触，在复合管3与连接器之间形成接触应力较小的弹性密封；中部为双锥段结构，其中远离复合管端口一端的锥段为小锥角，靠近复合管端口一端的锥段为大锥角，与卡瓦2-3接触，形成自紧式应力渐变密封；靠近复合管端口一端为第一法兰1-1，第一法兰为标准法兰结构，第一法兰1-1上设置第一金属环垫安装槽1-3，第一法兰1-1上还设置第一紧固螺栓安装孔1-2，第一金属环垫安装槽1-3靠近复合管3一侧设置有将金属环垫6内的复合管端部空间连通至管道连接器外部的的排气通道1-4，用于监测管道连接器是否泄漏，同时可为复合管3管材中渗入的气体提供逸散通道，避免复合管管材内部气体集聚造成的管体损坏。
[0050]
复合管，包括内层、增强层、外层。内层，由热塑性高分子聚合物材料通过塑料挤出工艺制成，内层可由多层具备不同功能的热塑性高分子聚合物材料构成。增强层由非金属增强材料或金属增强材料在内层外按一定缠绕工艺制成，用于管壁增强，可承受管道的轴向拉压、环向拉伸；增强层采用的非金属增强材料为热塑性纤维预浸带或表面经处理与内
层材料相容的纤维。外层，由耐候性改性高分子聚合物制成，在缠绕的增强层外部挤出，保护复合管增强层受外力造成损伤，外层表面设置与卡瓦的加强筋2-5相配合的凹槽。
[0051]
如图4所示，内固定筒，包括与外锥套连接的第二法兰4-6、与复合管内壁接触构成密封的内筒4-5。第二法兰4-6为环连接面整体钢制法兰，压力等级与复合管设计压力相同，第二法兰4-6上设置有第二金属环垫安装槽4-2和第二紧固螺栓安装孔4-1。内筒4-5壁厚t
sd
采用asme b31.3、gb150以及gb50253控制外径设计，壁厚t
sd
由下式设计：
[0052][0053]
其中，p为复合管设计压力；do为管道外径；[σ]为设计温度下内固定筒用材料的许用应力；为焊接接头系数，无焊缝取1；y为材料的温度修正系数；c1为厚度减薄附加量；c2为腐蚀或磨蚀附加量；c3为齿纹加工深度。
[0054]
内筒的外表面经过喷砂处理或滚花处理，增加与复合管内壁与固定筒之间的摩擦力，提高管接头载荷传递能力；内筒表面有防止复合管从连接器中脱出的倒齿纹4-4，齿高0.3-0.5mm。内筒上还设置4个弹性体密封圈安装槽4-3，放置采用《gbt3452液压气动用o形橡胶密封圈》外径控制o型密封圈5，o型密封圈5外径大于复合管内径的0.5～1％，弹性体密封圈安装槽4-3深为密封圈截面直径的保障密封圈在内固定筒安装中不从安装槽中脱出，并与复合管内壁承紧密接触；连接器与其他设备连接端可以采用焊接、法兰连接等多种形式。复合管连接器安装中密封圈与复合管内壁形成紧密接触，保证复合管连接器的气密性；o型密封圈5，由适用于管输物料及工艺条件的弹性聚合物材料构成，如聚醚醚酮(peek)、聚四氟乙烯(ptfe)、改性丁晴橡胶(nbr)等。
[0055]
安装复合管连接器时，首先在外锥套1内表面涂抹润滑剂，将复合管3从端部穿入外锥套1中，并将外锥套1放置在复合管3端口远端，然后根据下式计算确定的管道连接段长度l，
[0056][0057]
其中，p为复合管设计压力；do为复合管外径；d为复合管内径；μ为卡瓦与复合管之间的摩擦系数；t为复合管壁厚；le为弹性环垫长度，为0.5倍的复合管外径；lr为金属卡环长度，为0.5倍的复合管外径；pc为卡瓦与复合管之间的接触压力，取复合管设计压力的3倍；当计算长度小于总长度不小于2倍的复合管外径时，取l为2倍的复合管外径。安装弹性环垫2-1，然后加热金属卡环2-2至复合管设计温度，使其膨胀，将其固定在复合管3端部，接着在内筒4-5外表面涂抹润滑剂，加热复合管3至复合管设计温度，使其管径膨胀，采用液压工具，将内筒4-5压入复合管3内，内筒外径与复合管内径间隙为0.1～0.4mm，内筒4-5安装到位后，在复合管外壁放置卡瓦2-3，将加强筋2-5放置到对应的凹槽内，并在弹性体环紧固槽2-4内设置弹性体环将卡瓦固定，接着采用液压工具对金属卡环2-2进行机械挤压，使得金属卡环2-2缩颈，进一步增大复合管3与金属卡环2-2以及内固定筒接触压力，提高其密封性；在卡瓦外表面涂抹润滑剂，在第二金属环垫安装槽4-2或第一金属环垫安装槽1-2中放置金属环垫6，将外锥套1从复合管端口远端拉至近端，通过紧固螺栓7，将外锥套1向复合管端口移动，使得作用在紧固螺栓上的预紧力转化为施加在锥垫上的压紧力，进而在复合管
管体上形成密封。
[0058]
复合管连接器，在复合管上的应力分布可分为由小变大的段，一段为应力值较小的弹性环垫段，第二段为锥角为1～3
°
的卡瓦远端，第三段为锥角为3～6
°
的卡瓦近端，第四段为金属卡环机械压紧段，形成了在复合管应力渐变型管道连接器，减轻了复合管端口远端连接部位的应力集中，可避免复合管远端应力集中导致的复合管损坏。当复合管相对连接器发生微小轴向移动时，由于内固定筒和锥套与复合管摩擦力作用，使锥套的卡瓦段压紧力更大，达到自紧的效果，材料长期疲劳性能发生变化使复合管连接器压紧力降低时，可以在检查和维修时，调整紧固螺栓7预紧力弥补预应力丢失。
[0059]
所述复合管连接器，可以通过对焊接头、法兰、卡箍、由壬等等多种形式，与其他设备或管道连接。
[0060]
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种复合管连接器，其特征在于：包括复合管、外锥套、锥垫、内固定筒，所述复合管外壁设置有锥垫，所述锥垫包括弹性环垫、金属卡环、卡瓦，所述弹性环垫位于远离复合管端口一侧，所述卡瓦为双锥段结构，所述卡瓦靠近弹性环垫一端为小锥角，所述卡瓦远离弹性环垫一端为大锥角，所述金属卡环位于靠近复合管端口一侧且与复合管过盈配合，所述锥垫外部设置有外锥套，所述外锥套远离复合管端口一侧与弹性环垫接触，所述外锥套中部为与卡瓦形状相配合的双锥段结构，所述外锥套靠近复合管端口一侧设置有第一法兰结构，所述内固定筒包括第二法兰、内筒，所述第二法兰位于内固定筒前端，所述第二法兰通过紧固螺栓与第一法兰连接，所述第一法兰和第二法兰之间安装有金属环垫，所述内筒外表面与复合管内表面接触。2.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述复合管由内向外依次为内层、增强层及外层，所述内层由热塑性高分子聚合物材料制成，所述增强层由增强材料缠绕而成，所述外层由耐候性改性高分子聚合物制成。3.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述卡瓦为多片结构，所述卡瓦内表面经过喷砂或滚花处理，所述卡瓦与复合管外壁之间通过粘合剂粘结。4.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述金属卡环的厚度与卡瓦最大厚度相同。5.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述卡瓦靠近复合管一侧设置有加强筋，所述复合管外表面对应位置设置有用于固定加强筋的凹槽。6.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述金属卡环内表面、卡瓦内表面及内筒外表面均设置有倒齿纹。7.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述卡瓦外表面设置有弹性体环紧固槽。8.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述第一法兰为标准法兰，所述第二法兰为环连接面整体钢制法兰。9.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述第二法兰的压力等级与复合管设计压力相同。10.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述内筒壁厚计算公式为：其中，p为复合管设计压力；d
o
为复合管外径；[σ]为设计温度下内固定筒用材料的许用应力；为焊接接头系数，无焊缝取1；y为材料的温度修正系数；c1为厚度减薄附加量；c2为腐蚀或磨蚀附加量；c3为齿纹加工深度。11.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述内筒两端还设置有密封圈安装槽。12.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述金属卡环内表面、内筒外表面均经过喷砂或滚花处理。13.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述金属环垫靠近金属卡环一侧对应的第一法兰上设置有排气通道。14.根据权利要求1所述的一种复合管连接器，其特征在于，所述卡瓦大锥角为3-6
°
，所
述卡瓦小锥角为1-3
°
。15.基于权利要求1-14中任一种复合管连接器的连接方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：在外锥套内表面涂抹润滑剂，将复合管从端部穿入外锥套中，并将外锥套放置在远离复合管端部的一端；步骤2：确定管道连接长度，在远离复合管端部一端安装弹性环垫，加热金属卡环至复合管设计温度，将金属卡环固定在复合管端部；步骤3：在内筒外表面涂抹润滑剂，加热复合管至复合管设计温度，采用液压工具将内筒压入复合管内部；步骤4：在复合管外壁弹性环垫和金属卡环之间位置安装卡瓦，卡瓦安装到位后采用液压工具对金属卡环进行机械挤压；步骤5：在卡瓦外表面涂抹润滑剂，将外锥套从远离复合管端部一侧拉至复合管端部，在第一法兰和第二法兰之间安装金属环垫，通过紧固螺栓将第一法兰和第二法兰连接紧固。16.根据权利要求15所述的一种复合管连接器的连接方法，其特征在于：所述步骤2中管道连接长度l的计算公式为：其中，p为复合管设计压力；d
o
为复合管外径；d为复合管内径；μ为卡瓦与复合管之间的摩擦系数；t为复合管壁厚；l
e
为弹性环垫长度，为0.5倍的复合管外径；l
r
为金属卡环长度，为0.5倍的复合管外径；p
c
为卡瓦与复合管之间的接触压力，取复合管设计压力的3倍。17.根据权利要求16所述的一种复合管连接器的连接方法，其特征在于：所述管道连接长度的计算小于总的复合管长度而不小于2倍的复合管外径时，取管道连接长度为2倍的复合管外径。

技术总结
本发明公开了一种复合管连接器及其连接方法，包括复合管、外锥套、锥垫、内固定筒，复合管外壁设有锥垫，锥垫包括弹性环垫、金属卡环、卡瓦，弹性环垫位于远离复合管端口一侧，卡瓦为双锥段结构，卡瓦靠近弹性环垫一端为小锥角，卡瓦远离弹性环垫一端为大锥角，金属卡环位于靠近复合管端口一侧且与复合管过盈配合，锥垫外部设置有外锥套，外锥套远离复合管端口一侧与弹性环垫接触，外锥套靠近复合管端口一侧设置有第一法兰结构，内固定筒包括第二法兰、内筒，第二法兰位于内固定筒前端，第二法兰通过紧固螺栓与第一法兰连接，内筒外表面与复合管内表面接触。本发明各部件可拆卸更换，密封效果好，适用于中高压大直径管道连接。适用于中高压大直径管道连接。适用于中高压大直径管道连接。


技术研发人员：黄贤滨 刘艳 张伟亚 单广斌
受保护的技术使用者：中石化安全工程研究院有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/23