深海法兰连接螺栓库拧紧装置 (一)技术领域
本发明涉及一种深海法兰连接工具上的自动化作业机构，具体地说是一种可以实现螺栓存储运载、法兰孔螺栓插入和螺栓拉伸预紧功能的机构。
(二)背景技术
法兰自动连接系统主要有三种连接方法，即螺栓连接、卡爪连接和卡钳连接。这三种方法都适用于无潜水员协助的水下管道连接。其中法兰螺栓连接具有无可替代的优越性和广泛应用，例如在海洋深水高压特殊环境中对管道连接的密封性和耐久性的要求很高，海底管道法兰机械式连接常采用螺栓连接方式。管道连接简单说来，在海床上由遥控潜水器ROV(Remotely Operated Vehicle)控制专用轴向对准工具等一系列对接设备将需要对接的两管道支撑固定并实现管道轴向的对齐之后，再由ROV携带法兰自动连接工具到达管道法兰接合处，并控制法兰自动连接工具进行法兰微调孔对齐，并完成螺母与螺栓的连接，最终实现两个管道的对接。
目前，法兰自动连接工具主要是水下管道回接方面的科研产品。国外以美国和挪威为首的水下回接技术已经相当成熟，有一整套的水下作业系统工具，并有了实际的应用。美国Sonsub公司的BRUTUS系统、Acergy公司的MATIS系统都已有了成熟的产品，瑞士Allseas公司的自动法兰对接系统也已申请了专利。国内深水回接技术处于起步阶段，没有现成的管道连接工具，主要通过租借美国或挪威等国家的水下作业工具进行回接。
本螺栓库拧紧装置搭载在法兰连接工具的框架上，具有螺栓的运载、法兰孔的螺栓插入和螺栓拉伸预紧的功能。(1)Method and apparatus for connectingunderwater conduits，sonsub international Ltd.1998；(2)Method and apparatus forunderwater connection of pipe pieces and bolt therefore.Allseas Group S.A.1998；(3)Remote bolted flange connection apparatus and methods of operation therof.StoltOffshore Ltd.2001等文献中有过螺栓库的相关报道，但是上述文献(1)中的螺栓库开合器为三瓣结构，与螺母库需要二次联接，具有二次误差，结构的精度误差增大；文献(2)中螺栓库与文献(1)中螺栓库有相似之处，如都为三瓣结构，都有螺栓预紧功能。但文献(2)中螺栓库没有给出螺栓拧紧后与拉伸器分离的方法；文献(3)中螺栓库与螺母库也是连为一体的，其上安装有机械手，用于辅助插入螺栓，但其结构复杂。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有螺栓存储运载、法兰孔螺栓插入和螺栓拉伸预紧功能，能够满足深水海底环境要求的管道法兰自动连接螺栓库拧紧装置。
本发明的目的是这样实现的：
它包括拉伸器1、左瓣螺栓仓2、销栓3、开合液压缸4、轴销5、退帽机构6、销栓7、轴瓦8、上瓣螺栓仓9、退帽板10、轴销11、轴销12、开合液压缸13、销栓14、右瓣螺栓仓15、退帽液压缸16。左瓣螺栓仓2通过轴销5与上瓣螺栓仓9连接，其上安装有开合液压缸4，一侧轴销3连接，另一侧由销栓7与上瓣螺栓仓9连接；右瓣螺栓仓15结构与左瓣螺栓仓2一样，通过轴销12与上瓣螺栓仓9连接，其上也安装有开合液压缸13，一侧轴销11连接，另一侧由销栓14与上瓣螺栓仓9连接；轴瓦8安装在法兰连接工具的导轨上；拉伸器1沿周向均布在左瓣螺栓仓2、右瓣螺栓仓15和上瓣螺栓仓9上，安装在垫板18、夹板19和垫板20上；退帽机构6用来顶开拉伸帽脱离板10，安装在垫板18上；液压马达22安装在垫板18，结构便于拆卸。
1、退帽机构主要由退帽液压缸16和紧定构件组成。退帽机构通过固定螺钉25定位在退帽板10上面，其上安装有退帽液压缸16，液压缸一侧连接在销轴27上，另一侧定位在安装板43上。
2、拉伸机构的拉伸器1主要由剖分螺母及拉伸液压缸36通过螺栓构成，剖分螺母为两半式结构，分为A和B，拉伸液压缸36一侧是管道法兰端面，另一侧是剖分螺母，剖分螺母导轨30与剖分螺母B由固定螺钉40连接，紧定螺钉31固定安装板43与拉伸液压缸36；滑动螺栓35连接在安装板上，导轨螺栓销螺母38紧定导轨螺栓销29。
本发明的目的在于提供一种结构简单、控制可靠的螺栓库拧紧装置设计，该机构具有螺栓存储运载、法兰孔螺栓插入和螺栓拉伸预紧功能。螺栓库拧紧装置搭载在法兰连接工具的框架上，可以沿外框架做轴向和周向运动。螺栓安装在螺栓库拧紧装置的螺栓仓内，螺栓数目与法兰孔数相同。在液压缸作用下，螺栓随螺栓仓沿管道作周向运动和轴向进给运动，完成对孔和插入螺栓的动作。本发明具有结构简单，可靠性高的特点，能适用于水下3000米的管道法兰自动连接。
(四)附图说明
图1是螺栓库拧紧装置结构图；
图2是右瓣螺栓仓结构图；
图3是去掉垫板的右瓣螺栓仓结构图；
图4是退帽机构图；
图5是拉伸机构示意图；
图6是去掉固定帽和一半剖分螺母后的拉伸机构图；
图7是拉伸机构安装图。
(五)具体实施方式
本发明深海法兰连接螺栓库拧紧装置的上瓣螺栓仓9、左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15成三瓣布置，装置整体可以通过轴瓦8悬挂于法兰连接工具框架的导轨上，可以沿海底管道轴线方向的直线运动实现螺栓插入拉伸器1，绕管道中心轴的旋转运动实现螺栓和法兰孔对齐。装置定位于管道法兰一侧，拉伸器1与法兰孔螺栓数相同，均布在螺栓库拧紧装置圆周上。定位时，左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15张开，定位完毕左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15闭合，螺栓由拉伸器1拉伸，再由液压马达22拧紧。退帽板10、垫板18、夹板19、垫板20轴向层叠放置。螺栓拉伸拧紧完毕，退帽板10将拉伸器固定帽24脱离，装置与螺栓脱离。连接螺栓作业结束，左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15张开，由遥控潜水器ROV携带装置撤离作业区域。
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1、2、3，螺栓库拧紧装置由拉伸器1、左瓣螺栓仓2、销栓3、开合液压缸4、轴销5、退帽机构6、销栓7、轴瓦8、上瓣螺栓仓9、退帽板10、轴销11、轴销12、开合液压缸13、销栓14、右瓣螺栓仓15、退帽液压缸16组成。螺栓库拧紧装置可以携带法兰连接螺栓，主要由左瓣螺栓仓2、右瓣螺栓仓15和上瓣螺栓仓9构成。左瓣螺栓仓2与右瓣螺栓仓15结构一样，对称分布，各占四分之一圆。以下以右瓣螺栓仓15为例介绍螺栓库拧紧装置的组成。右瓣螺栓仓15通过轴销12与上瓣螺栓仓9连接，开合液压缸13伸长和缩短可以实现右瓣螺栓仓绕轴销12转到，即实现右瓣螺栓仓的开合。开合液压缸13与上瓣螺栓仓由销栓11连接，与右瓣螺栓仓通过销栓14连接。左瓣螺栓仓2与右瓣螺栓仓15结构一样，也是开合液压缸4带动左瓣螺栓仓2转动。轴瓦8安装在法兰连接工具的导轨上，可以实现轴向运动，使螺栓插入法兰孔中。拉伸器1用来拉伸螺栓，达到一定拉伸量后，套筒23拧入螺母。退帽机构6用来顶开拉伸帽脱离板10，使螺栓库拧紧装置与连接好的螺栓脱离，具体结构见图4。右瓣螺栓仓包括焊接块17、垫板18、夹板19、垫板20、固定螺栓21组成。拉伸器1和液压马达22安装在垫板19、夹板20和垫板21上，结构便于拆卸。左瓣螺栓仓的机构和右瓣螺栓仓基本一样。去掉垫板的右瓣螺栓仓由拉伸器1、液压马达22、套筒23、退帽液压缸16和拉伸器固定帽24组成。螺栓库拧紧装置的螺栓拉伸由拉伸器1实现。液压马达22带动套筒23转动实现螺母的拧入，退帽机构6退去拉伸器固定帽24。
结合图4，退帽机构由固定螺钉25、轴座26、轴销27、退帽液压缸16组成。退帽板10通过固定螺钉25安装在垫板上面，由耳环式退帽液压缸16控制，液压缸伸长带动退帽板10运动，顶开拉伸器固定帽24，使螺栓与拉伸器脱离。
结合图5和图6，拉伸器由上垫片28、导轨螺栓销29、拉伸器固定帽24、剖分螺母导轨30、紧定螺钉31、导轨螺栓销32、下垫片33、垫片34、滑动螺栓35、拉伸液压缸36、垫片37、导轨螺栓销螺母38、剖分螺母A39、固定螺钉40、剖分螺母销41和弹簧42组成。剖分螺母A39及拉伸液压缸36通过螺栓连接构成，其安装在两个安装板之间，用于拉伸预紧螺栓，保证法兰连接地密封性能。剖分螺母为两半式结构，分为A和B，图2所示的为剖分螺母A39，结构完全一致，其内部有螺纹。螺栓连接工具作业前，将螺栓末端插入剖分螺母并使其螺纹相对应，通过拉伸器固定帽24将螺栓紧紧的夹在剖分螺母A39和剖分螺母B中。这样螺栓一侧固定在剖分螺母中，待完成螺栓另一侧的螺母拧入后，通过拉伸液压缸36的伸长来张紧螺栓，提供拉伸预紧力完成螺栓的拉伸预紧，再通过套筒23拧入螺母。完成以上工作后，由于剖分螺母与螺栓螺纹连接在一起，拉伸液压缸36推动拉伸器固定帽24沿导轨螺栓销29和导轨螺栓销32向上运动，脱离剖分螺母。剖分螺母A和B通过绕在剖分螺母销41上的弹簧42互相弹开，剖分螺母导轨30与剖分螺母B由固定螺钉40连接，剖分螺母B可以沿剖分螺母导轨30所在的轨道向外运动。剖分螺母释放螺栓，螺栓库拧紧装置可以撤离，法兰连接螺栓安装完毕。上垫片28、下垫片33、垫片34和垫片37分别起到增大受力面积的作用。紧定螺钉31固定安装板43与拉伸液压缸36。滑动螺栓35连接在安装板上。导轨螺栓销螺母38紧定导轨螺栓销29和安装板43。
结合图7，拉伸机构安装图由安装板43、退帽板10、脱离座26、轴销27和退帽液压缸16组成。拉伸机构固定在安装板43上，轴销27连接退帽液压缸16的耳环与脱离座26。法兰的螺栓安装完毕后退帽液压缸16推动与脱离座26固连的退帽板10，退帽板10带动拉伸器固定帽24沿导轨螺栓销32脱离剖分螺母。
工作过程如下：
(1)定位时左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15张开，把整个装置定位到被连接管道一侧；
(2)定位完毕后，左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15闭合，螺栓由拉伸器1拉伸，再由液压马达22拧紧。
(3)螺栓拉伸拧紧完毕后，退帽板10将拉伸器固定帽24脱离，装置与螺栓脱离。
(4)连接螺栓作业结束，左瓣螺栓仓2和右瓣螺栓仓15张开，由遥控潜水器ROV携带装置撤离作业区域。