Сочленение для понижения напряжения в вертикальном трубопроводе

(51)7 16 1/15, 21 17/00 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Ричард Ллойд ДэвисЛайл Дэвид Финн(56) Патентная заявка США 08/431147, кл. Е 21 В 43/01, 1997(54) СОЧЛЕНЕНИЕ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ(57) Изобретение относится к креплениям вертикальных трубопроводов, используемых в морском устройстве, и, в частности, к креплениям вертикальных трубопроводов к килю плавучих морских устройств. Сочленение, понижающее напряжение изгиба в трубе вертикального трубопровода, одним концом связанного с морским дном и верхней частью проходящего через удерживающее отверстие в днище плавучих устройств, подверженных переменному движению, вызванному ветром, течениями и волновой активностью, содержит сменные шаровое сочленение и узел соединительной муфты, прикрепленные к килю в удерживающем отверстии, втулку, в ее средней точке закрепленную в шаровом сочленении, с отрезком трубы, проходящим через втулку и снабженным изнашивающимися полосами, и снижает усталостные повреждения и износ трубопровода. 8688 Изобретение относится к креплениям вертикальных трубопроводов, используемых в морском устройстве, и, в частности, к креплениям вертикальных трубопроводов к килю плавучих морских устройств. Совершенствование глубоководных операций,проводимых при морском бурении и добыче углеводородного сырья с плавучих судов, включает использование напряженных приводов и вертикальных трубопроводов, протянутых с плавучих судов к морскому дну. Такие плавучие суда содержат плавучие башни натяжения и рангоутные сооружения, в которых плавучие устройства погружены значительно ниже поверхности воды, при этом они подвержены горизонтальному смещению, а также килевой и бортовой качкам. Нижние концы приводов и вертикальных трубопроводов связаны с морским дном с помощью дополнительных труб или трубопроводов, заглубленных в морское дно и зацементированных там. Верхние концы приводов и вертикальных трубопроводов проходят через отверстия в киле или нижней части плавучих судов и крепятся вертикально средствами натяжения, расположенными вблизи морской поверхности. Отверстия в киле служат для того, чтобы удерживать трубу, образующую привод или вертикальный трубопровод, когда судно перемещается горизонтально относительно трубопровода, связанного с морским дном. Такое горизонтальное движение приводит к изгибу трубы в области удерживающего отверстия или вращению трубы в месте контакта трубы с кромкой отверстия. Изгиб трубы, который обычно имеет место под напряжением, приводит к усталости и износу металла в месте удерживающего отверстия. В соответствии с функциональными требованиями к вертикальному трубопроводу обычного типа его диаметр может меняться от трех до двадцати дюймов (7,62-50,8 см). Отверстие в килевой раме крепления направляющей для настоящей конструкции может иметь такие размеры, чтобы было можно пропустить соединитель, связывающий вертикальный трубопровод с устьем скважины, находящимся под водой. Диаметр этого соединителя обычно варьируется в пределах от двадцати семи до сорока восьми дюймов (68,58 -121,92 см) в зависимости от типа использованного крепления соединителя. Известные килевые втулки сконструированы так,чтобы заполнить отверстие от двадцати девяти до пятидесяти дюймов (73,66-127 см), проделанное в рангоутной килевой раме вертикального трубопровода. В результате килевая втулка имела большой диаметр и поэтому была тяжелой и дорогой. Такая килевая втулка с большим диаметром была обычно слишком жесткой, чтобы эффективно выполнять функцию необходимого ограничения изгиба. Кроме того, требовалась достаточно большая (пятьдесят или шестьдесят футов (15,24-18,29 м длина килевой втулки, чтобы гарантировать, что втулка не покинет килевую направляющую в результате относи 2 тельного движения плавучего сооружения и вертикального трубопровода. Известно сочленение для понижения напряжения(заявка США 08/431147), в котором конструкция втулки представляет кожух, заключающий отрезок трубы в удерживающем отверстии, и имеет внутренний диаметр, превышающий внешний диаметр отрезка трубы. Горизонтальное движение судна относительно трубопровода приводит к изгибу трубы в области удерживающего отверстия или вращению трубы в месте контакта трубы с кромкой отверстия. Изгиб трубы, который обычно имеет место под напряжением, приводит к усталости и износу металла в месте удерживающего отверстия. Приспособление на противоположных концах втулки фиксирует трубу в центре втулки так, что напряжение изгиба в удерживающем отверстии понижается и распределяется по трубе на концах конструкции втулки. При этом не предусматривается крепление вертикального трубопровода в киле плавучего устройства, которое может быть установлено с вертикальным трубопроводом и более легко удаляется и заменяется, если это требуется ввиду повреждения, износа и/или усталости. Таким образом, для управления напряжением в такой точке или области вращения трубы втулка включала отрезок трубы с очень большой толщиной стенки, сведенной на конус. Эти отрезки со стенкой трубы, сведенной на конус, обычно изготавливаются на станке из тяжелых поковок и являются очень дорогими. Изобретение направлено на устранение перечисленных выше недостатков создано сочленение,понижающее напряжение изгиба и предназначенное для использования с вертикальным трубопроводом,имеющим один конец, связанный с дном моря, и верхний конец, приспособленный для прохождения через удерживающее отверстие в днище плавучих устройств, которые подвергаются переменному движению, вызванному ветром, течениями и волновой активностью, которое дополнительно содержит сменные шаровое сочленение и узел соединительной муфты, прикрепленные к килю в удерживающем отверстии. Втулка в ее средней точке закреплена в шаровом сочленении. Труба вертикального трубопровода, проходящая через втулку, снабжена изнашивающимися полосами или соответствующей поверхностью износа, которые замедляют скорость уменьшения диаметра поверхности износа. Предложенное сочленение позволяет снизить напряжение изгиба вертикального трубопровода в области удерживающего пространства и приводит к удлинению срока и облегчает его использование. Изобретение более подробно описано ниже, на примерах его выполнения со ссылкой на чертежи, на которых одни и те же элементы обозначены одинаковыми позициями, и где фиг. 1 представляет схематическую проекцию плавучего судна, дна моря и трубы, соединяющей судно и дно моря 8688 фиг. 2 представляет увеличенную проекцию части фиг. 1, показывающую отверстие в киле судна,снабженное сочленением для понижения напряжения, предлагаемым в изобретении фиг. 3 представляет проекцию, взятую вдоль линии разреза 3-3 фиг. 2 фиг. 4 представляет проекцию, взятую вдоль линии разреза 4-4 фиг. 2 фиг. 5 иллюстрирует альтернативное воплощение изобретения. фиг. 6 иллюстрирует альтернативное воплощение втулки изобретения. Фиг. 1 в общем и схематически показывает судно 20 рангоутного типа, или иначе с плавучей башней натяжения, с трубой 22, выходящей из ее днища или киля, обозначенного позицией 24, и имеющей соответствующее соединение 26 с морским дном 28. Поперечный горизонтальный сдвиг судна 20 показан его положением в 20. Напряжения сгиба возникают в трубе 22 там, где она выходит из киля 24 судна и в точке соединения с дном моря 26, при этом штриховые линии 22 показывают преувеличенный изгиб. Фиг. 2 иллюстрирует предпочтительный вариант изобретения, в целом обозначенный цифрой 10. Сочленение для понижения напряжения 10 вообще состоит из шарового сочленения и узла соединительной муфты 32, втулки 36 и изнашивающихся полос 38. Киль 24 судна имеет ряд отверстий 30, при этом для облегчения иллюстрации показано только одно из них. Отверстие 30 снабжено съемными шаровым сочленением и узлом соединительной муфты 32. Как хорошо известно, шаровое сочленение и узел соединительной муфты дают относительную свободу движения во всех плоскостях вокруг оси. Шаровое сочленение и узел соединительной муфты 32 установлены в их монтажных положениях в киле 24 с помощью запора 34, который позволяет установить или заменить узел по требованию. Это шаровое сочленение и узел соединительной муфты могут быть выполнены несколькими альтернативными способами. Например, это может быть металлический шар и металлическая соединительная муфта или эластичное гибкое сочленение, где пространство между шаром и соединительной муфтой заполнено слоямиэластичного материала и металла. Втулка 36 соединена с шаровым сочленением и узлом соединительной муфты 32 так, чтобы ее можно было заменять вместе с шаровым сочленением. Втулка 36 закреплена внутри шарового сочленения в своей средней точке. В результате такого крепления относительное вертикальное движение между судном 20 и втулкой 36 отсутствует. Это позволяет использовать втулки 36 значительно короче, чем втулки, используемые в известных конструкциях. Как видно из фиг. 3, внутренний диаметр концов втулки 36, обозначенных цифрой 37, скошен наружу для уменьшения повреждения изнашивающихся полос 38. Размеры внутреннего диаметра втулки 36 выбраны такими, чтобы пропустить отрезок трубы вертикального трубопровода 22 А, который имеет изнашивающиеся полосы 38, прикрепленные к нему, как видно из фиг. 3 и 4. Изнашивающиеся полосы 38 в значительной мере заполняют зазор между втулкой и трубой и обеспечивают значительно более изнашиваемую поверхность, чем поверхность, представленную только трубой вертикального трубопровода. Поэтому скорость уменьшения износа поверхностного диаметра меньше, чем в ранее известных конструкциях. Труба вертикального трубопровода с прикрепленными изнашивающимися полосами 38 является предпочтительным решением для трубы вертикального трубопровода повышенной нагрузки. Также предпочтительно, чтобы сочленения 40 трубопровода были расположены как можно дальше от концов втулки 36. В случаях, когда необходимо ограничить длину отрезков вертикального трубопровода, сочленение трубопровода 40 также может быть расположено вблизи центра килевой втулки 36. В каждом варианте сочленения трубопровода размещают далеко от точек изгиба с высоким напряжением. Это устраняет необходимость использования более дорогих сочленений, применяемых в существующих конструкциях, где сочленения расположены в местах с высоким напряжением и должны сопротивляться высоким нагрузкам и потенциальным усталостным повреждениям. При эксплуатации, когда судно находится на месте и приходит время устанавливать вертикальные трубопроводы, шаровое сочленение, узел соединительной муфты 32 и втулку 36 опускают вместе с трубой вертикального трубопровода 22 и помещают в отверстие 30 в киле 24. Используют запор 34, чтобы закрепить шаровое сочленение и узел соединительной муфты на месте. Оставшиеся отрезки вертикального трубопровода скрепляют друг с другом и пропускают через втулку 36. Фиг. 5 иллюстрирует альтернативное воплощение изобретения, в котором втулку 36 прикрепляют к трубе 22 А трубопровода повышенной нагрузки вместо килевой направляющей вставки 42. Сочленения 40 вертикального трубопровода расположены так же, как и в предпочтительном воплощении. Альтернативное воплощение имеет те же преимущества,что и предпочтительное воплощение, в котором втулка 36 имеет меньший диаметр по сравнению с существующими конструкциями и может быть сконструирована так, чтобы более эффективно обеспечить функцию ограничения допустимого изгиба. Эффективность втулки 36 в альтернативном воплощении может быть увеличена за счет выполнения ее с изменяющейся продольной жесткостью на изгиб. Это может быть достигнуто путем уменьшения диаметра и/или толщины втулки 36. Как показано на фиг. 6, альтернативная конфигурация втулки может использовать два и более концентрических отрезки 44 и 46 трубы, при этом каждый внутренний отрезок трубы выступает на необходимое расстояние за пределы каждого конца отрезка трубы, непосредственно окружающей внутренний отрезок. Кроме того, чтобы заполнить зазор между отрезками концентрических труб 44, 46 и 22, 3 8688 может быть использован долговечный и пластичный материал, обозначенный цифрой 48. Следует отметить, что шаровое сочленение и узел соединительной муфты 32 являются только одним из возможных воплощений функции вращения,реализованном в изобретении. Например, универсальное сочленение, подобное тому, которое используется в шахте подъемника привода судна, также подходит для этого. Приведенные в примерах детализированные описания вариаций воплощения изобретения следует рассматривать как иллюстративные, но не ограничивающие возможные модификации и различные воплощения в сфере концепции изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сочленение для понижения напряжения в вертикальном трубопроводе плавучего устройства, подверженного переменному движению, вызванному ветром, течениями, волновой активностью, содержащее втулку, закрепленную в удерживающем отверстии в днище плавучего устройства и включающую отрезок трубы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит сменные шаровое сочленение и узел соединительной муфты, установленные в удерживающем отверстии плавучего устройства, 4 втулку, пропущенную через шаровое сочленение и узел соединительной муфты и закрепленную так, что втулка расположена частью внутри, частью вне плавучего устройства по обеим сторонам удерживающего отверстия, с пропущенным через втулку отрезком трубы, проходящим через удерживающее отверстие, при этом втулка имеет внутренний диаметр, больший внешнего диаметра отрезка трубы, и защитные изнашивающиеся металлические полосы,прикрепленные к отрезку трубы, вставленному во втулку, заполняющие зазор между отрезком трубы и втулкой и выступающие за пределы концов втулки. 2. Сочленение по п. 1, отличающееся тем, что отрезок трубы, вставленный во втулку, выполнен из трубы повышенной прочности. 3. Сочленение по п. 1, отличающееся тем, что концы втулки выполнены конусными 4. Сочленение по п. 1, отличающееся тем, что втулка состоит из, по крайней мере, двух концентрических отрезков трубы, вставленных один в другой, при этом каждый из внутренних отрезков трубы выступает за пределы каждого отрезка соседней внешней трубы, непосредственно окружающей внутренний отрезок.