Шарнирное соединение, снижающее напряженное состояние стояка

 

Изобретение относится к опоре стояков, используемых в морских платформах и, более конкретно, к опоре стояков в днище плавучих морских платформ. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния для применения с трубой стояка в плавучих системах, где платформа подвергается переменному движению, которое вызывается ветром, течениями и волновым действием, причем труба стояка имеет один конец, способный соединяться с морским дном, и верхнюю часть трубы, приспособленную для прохождения через ограничивающее отверстие в днище платформы, содержит узел шарового шарнира и муфты, съемно закрепленный в днище платформы в ограничительном отверстии, и патрубок, закрепленный, в основном, своей средней частью в шаровом шарнире. Труба стояка, которая размещается в патрубке, снабжена подкладками для компенсации износа. Достигается возможность установки опоры со стояком в днище платформы, которую можно было бы легко удалять или заменять. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Область изобретения Изобретение относится, в основном, к опоре стояков, используемых в морских платформах и, более конкретно, к опоре стояков в днище плавучих морских платформ.

2. Общий уровень техники При бурении и эксплуатации углеводородного сырья в открытом море разработка глубоководных операций с плавучих платформ включает применение растяжек и стояков, находящихся под действием напряжения, распространяющегося от платформы к морскому дну. Такие плавучие платформы включают растянутые плавучие основания башенного типа и балочные конструкции, в которых плавучие конструкции простираются значительно ниже поверхности воды и подвергаются действию смещающих движений, килевой качке и кренению.

Нижние концы растяжек и стояков соединяются с морским дном посредством дополнительных труб или стояков, внедренных и зацементированных в морское дно. Верхние концы растяжек и стояков проходят сквозь отверстия в днище или донной части платформ и поддерживаются вертикально с помощью средств натяжения, расположенных вблизи поверхности воды.

Отверстия в днище служат для ограничения трубы, образующей растяжки или стояки, когда платформа перемещается горизонтально по отношению к соединению с морским дном. Такое горизонтальное перемещение производит изгибание трубы в ограничительном отверстии или вращение трубы по отношению контакта трубы с краями отверстия. Изгибание трубы, которое происходит обычно под действием напряжения, приводит к усталости материала и износу ограничительного отверстия.

Диаметры трубы стояка могут изменяться соответственно функциональным требованиям для стояков с обычными конструкциями, варьируя от трех до двадцати дюймов. Отверстие в направляющей опорной раме днища для существующих конструкций имеет размер для прохождения соединителя, используемого для крепления стояка к устью подводной скважины. Диаметр этого соединителя обычно изменяется от двадцати семи до сорока восьми дюймов в зависимости от конструкции оттягивающего соединителя, который используется. Предыдущие килевые патрубки предназначались для заполнения двадцати девяти - пятидесяти дюймового отверстия, предусмотренного в раме стояка балочного днища. Это выражалось в большом диаметре и, таким образом, очень тяжелом и дорогом патрубке днища. Этот патрубок днища с большим диаметром был обычно слишком жестким, чтобы эффективно обеспечить изгиб, ограничивая функцию, которая является желательной. Кроме того, требовалась длина патрубка днища, которая была достаточно длинной (пятьдесят - шестьдесят футов) для обеспечения того, чтобы патрубок не покидал днищевого направляющего вкладыша в результате относительного смешения между плавучей конструкцией и стояком.

Предлагавшиеся прежде средства для контролирования напряжения в такой точке или зоне вращения трубы включают секции конусообразной трубчатой стенки с очень большой толщиной стенки. Секции толстой конусообразной стенки вырабатываются обычно из тяжелых заготовок и являются очень дорогими.

Из уровня техники известны шарнирные соединения, снижающие напряжение, где патрубковый элемент надевается сверху участка трубы в месте ограничительного отверстия и имеет внутренний диаметр больший, чем внешний диаметр участка трубы. Предусмотрены средства для центрирования трубы внутри патрубка так, чтобы изгибающие напряжения в месте ограничительного отверстия снижались и распределялись по трубе (см., например, SU 866093 А; 26.09.1981).

Существующие в данной области подходы не направлены на решение потребности опоры стояка в днище платформы, которую можно было бы устанавливать со стояком и более легко удалять или заменять, если потребуется, из-за повреждения, износа и/или усталости материала.

Краткое описание изобретения Изобретение направлено на решение вышеуказанной потребности. Предметом, который обеспечивается, является шарнирное соединение, снижающее напряженное состояние для применения с трубой стояка в плавучей системе, где платформа подвергается разнообразным движениям, вызываемым ветром, течениями и волновым действием. Труба стояка имеет один конец, который может соединяться с морским дном, и верхний участок, который приспособлен для прохождения через ограничительное отверстие в днище платформы. Узел шарового шарнира и муфты съемно закрепляется на днище в месте ограничительного отверстия. Патрубок закрепляется, в основном, своей средней частью в шаровом шарнире. Труба стояка, которая принимается патрубком, снабжается прокладками для компенсации износа или подходящей поверхностью износа, что снижает скорость уменьшения диаметра поверхности износа.

Краткое описание чертежей Для дальнейшего понимания природы и целей настоящего изобретения может быть рекомендовано следующее описание, представленное вместе с сопровождающими чертежами, в которых одинаковые детали показываются одинаковыми номерами ссылок.

Фиг. 1 представляет схематический вид плавучей платформы, морского дна и трубы, взаимосоединяющей платформу и морское дно.

Фиг.2 представляет увеличенный вид в деталях части фиг.1, который показывает днищевое отверстие платформы, снабженное шарнирным соединением этого изобретения для снижения напряженного состояния.

Фиг.3 представляет вид вдоль линии 3-3 фиг.2.

Фиг.4 представляет вид вдоль линии 4-4 фиг.2.

Фиг.5 иллюстрирует альтернативный вариант изобретения.

Фиг.6 иллюстрирует альтернативный вариант патрубка изобретения.

Детальное описание предпочтительного варианта Фиг.1 в целом и схематично показывает платформу 20 из бруса или плавучее основание башенного типа с трубой 22, выходящей из его нижней части или киля, как показано номером 24, и имеющей соответствующее соединение в точке 26 с морским дном 28. Поперечный горизонтальный сдвиг платформы 20 показывается его положением в точке 20'. Изгибающие напряжения возникают на трубе 22 там, где она выходит из платформы в точке 24 днища и в точке 26 в месте соединения с морским дном, причем пунктирные линии 22' преувеличивают такое изгибание.

Фиг. 2 иллюстрирует предпочтительный вариант изобретения, обычно показываемый номером 10. Шарнирное соединение 10 для уменьшения напряжения обычно включает узел шарового шарнира и муфты 32, патрубок 36 и прокладки 38 для компенсации износа.

Днище 24 платформы имеет определенное количество отверстий 30, из которых показывается лишь одно для облегчения иллюстрации. Отверстие 30 приспосабливается для съемного удерживания узла шарового шарнира и муфты 32. Как хорошо известно, узел шарового шарнира и муфты позволяет относительно свободное движение во всех направлениях вокруг оси. Узел шарового шарнира и муфты 32 удерживается в своем установленном положении в днище 24 с помощью защелки 34, которая позволяет, чтобы устройство устанавливалось и удалялось, когда потребуется. Это узел шарового шарнира и муфты может изготавливаться несколькими альтернативными способами. Например, оно может быть металлическим шаром и металлической муфтой или эластомерным "гибким шарнирным соединением", где зазор между шаром и муфтой заполняется чередующимися слоями из эластомерного материала и металла.

Патрубок 36 входит в узел шарового шарнира и муфты 32 так, чтобы быть подвижным относительно узла шарового шарнира и муфты. Патрубок 36 крепится внутри шарового шарнира, в основном, средней частью патрубка. В результате этого закрепления не наблюдается относительного вертикального смещения между платформой 20 и патрубком 36. Это позволяет, чтобы патрубок 36 был значительно короче, чем тот, который используется в предыдущих конструкциях. Как видно на фиг. 3, внутренний диаметр каждого конца патрубка 36 скашивается наружу, что показано номером 37, чтобы свести к минимуму повреждение прокладкам 38 для компенсации износа.

Внутренний диаметр патрубка 36 имеет размер, чтобы принимать секцию трубы 22А стояка, который имеет прокладки 38 для компенсации износа, закрепленные на ней, представленные на фиг.3 и 4. Прокладки 38 для компенсации износа заполняют, в основном, кольцевое пространство между патрубком и трубой и обеспечивают намного большую поверхность износа, чем поверхность износа, которую обеспечивает только труба стояка. Таким образом, скорость уменьшения диаметра поверхности износа является меньшей, чем у существующих конструкций. Труба стояка с прокладками 38 для компенсации износа, которые закрепляются, является предпочтительно трубой стояка для напряженного режима работы и показывается номером 22А.

Является также предпочтительным, чтобы сочленения 40 стояка располагались по возможности дальше от концов патрубка 36. Если необходимо ограничить длину сегментов трубы стояка, сочленение 40 стояка можно также располагать вблизи центральной части патрубка 36 днища. При любом расположении сочленения стояка помещаются далеко от точек высокого изгибающего напряжения. Это исключает потребность в более дорогих соединителях, которые требуются при существующих конструкциях, там где соединители размещаются в областях высокого напряжения и требуются для сопротивления высоким нагрузкам и потенциальному повреждению из-за усталости материала.

В процессе работы, как только платформа устанавливается на место и наступает время установки стояков, узел шарового шарнира и муфты 32 и патрубок 36 опускаются с трубой 22 стояка и входят в отверстие 30 в днище 24. Используется защелка 34 для замыкания узла шарового шарнира и муфты 32 на месте. Остающиеся сегменты стояка скрепляются друг с другом и пропускаются через патрубок 36.

Фиг. 5 иллюстрирует альтернативный вариант изобретения, где патрубок 36 закрепляется на трубе 22А стояка для работы в напряженном режиме и на днищевом направляющем вкладыше 42. Сочленения 40 стояка располагаются так, как описано для предпочтительного варианта. Альтернативный вариант имеет те же преимущества, как предпочтительный вариант, в том, что патрубок 36 является меньшим по диаметру, чем патрубок существующих конструкций, и может предназначаться для более эффективного обеспечения желательной функции ограничения изгиба. Эффективность патрубка 36 в альтернативном варианте может быть повышена за счет уменьшения жесткости изгибания патрубка как функции расстояния от днищевого направляющего вкладыша 42. Это может сопровождаться уменьшением диаметра и/или толщины патрубка 36.

Как показано на фиг.6, альтернативная конфигурация патрубка может использовать два или большее количество концентрических трубчатых сегментов 44 и 46, где каждый внутренний трубчатый сегмент распространяется в пределах заданного расстояния за каждым концом непосредственно соседнего трубчатого сегмента. Кроме того, может использоваться износоустойчивый и гибкий материал, указанный номером 48, для заполнения кольцевого пространства между концентрическими трубчатыми сегментами 44, 46 и 22.

Должно быть понятно, что узел шарового шарнира и муфты 32 является лишь одним пригодным вариантом вращательной функции, которая обеспечивается изобретением. Является также пригодным универсальный шарнир, подобный тому, который применяется на валу вращения транспортного средства.

Так как может быть сделано много изменяющихся и различающихся вариантов в пределах объема концепции изобретения, которая здесь представлена, и так как могут быть осуществлены многие модификации в варианте, который здесь детализирован согласно требованию описания существующего закона, должно быть понятно, что детали, представленные здесь, должны интерпретироваться как иллюстративные, а не в смысле ограничения.

Формула изобретения

1. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния для применения с трубой в плавучих системах, где платформа подвергается переменному движению, которое вызывается ветром, течениями, и волновым действием, причем указанная труба имеет один конец, способный соединяться с морским дном, и верхнюю часть трубы, приспособленную для прохождения через ограничительное отверстие в днище платформы, включающее а) узел шарового шарнира и муфты, который съемно устанавливается в ограничительном отверстии платформы; b) патрубок, который вводится внутрь и прикрепляется к указанному узлу шарового шарнира и муфты так, чтобы патрубок находился внутри и снаружи платформы с каждой стороны ограничительного отверстия и надевался сверху участка трубы в месте ограничительного отверстия, при этом указанный патрубок имеет внутренний диаметр больший, чем внешний диаметр участка трубы; а также с) прокладки для компенсации износа, которые прикрепляются к участку трубы, введенному в указанный патрубок, причем указанные прокладки для компенсации износа заполняют кольцевое пространство между участком трубы и указанным патрубком и располагаются в пределах заданного расстояния за каждым концом указанного патрубка.

2. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния по п. 1, где участок трубы, который охватывается указанным патрубком, включает в себя трубу стояка для работы в напряженном режиме.

3. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния по п. 1, где концы указанного патрубка выполнены скошенными.

4. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния по п. 1, где указанный патрубок образован, по крайней мере, из двух концентрических трубчатых отрезков, при этом самый внутренний трубчатый отрезок выступает на заданное расстояние за концы непосредственно охватывающего его трубчатого отрезка.

5. Шарнирное соединение для снижения напряженного состояния для применения с трубой в плавучих системах, где платформа подвергается переменному движению, которое вызывается ветром, течениями, и волновым действием, причем указанная труба имеет один конец, способный соединяться с морским дном, и верхнюю часть трубы, приспособленную для прохождения через ограничительное отверстие в днище платформы, включающее а) днищевой направляющий вкладыш, который съемно устанавливается в ограничительном отверстии платформы; и b) патрубок, который вводится внутрь указанного днищевого направляющего вкладыша так, чтобы указанный патрубок находился внутри и снаружи платформы с каждой стороны ограничительного отверстия, надевался сверху и прикреплялся к участку трубы в месте ограничительного отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6