Адаптивное погруженное швартовное устройство для передачи нефти или газа с подводного терминала на плавучее сооружение
ADAPTIVE SUBMERGED MOORING DEVICE FOR OIL AND GAS TRANSMISSION FROM UNDERWATER TERMINAL TO FLOATING CONSTRUCTION

Изобретение относится к швартовным устройствам, применяемым для удержания плавучих сооружений: танкеров, плавучих хранилищ или плавучих заводов по сжижению природного газа при передаче в море нефти, природного газа с морского терминала, конкретнее, применительно к полноповоротным адаптивным швартовным устройствам (так называемым "Soft Yoke" «Податливый захват») для использования преимущественно в мелководных районах, в частности в ледовых условиях.
Известно устройство для терминала, имеющего надводный поворотный стол, описанное в патенте КНР CN 202783719, В63В 35/44, В63В 21/50, от 13.03.2013 г. «Mooring device for floating production system» («Швартовное устройство для плавучего добывающего сооружения»). Указанное устройство-аналог обеспечивает швартовку у терминала, имеющего надводный поворотный стол, и удержание плавучего сооружения на заданном расстоянии от терминала за счет работы швартовного устройства в виде шарнирного механизма, составленного из захвата, закрепленного шарнирно на поворотном столе, и двух подвесных связей, соединенных шарнирами с несущей конструкцией на носу плавучего сооружения. Захват с другого конца соединен горизонтальными шарнирами с подвесными связями, а на общей оси шарниров, соединяющих ферму с подвесными связями, подвешен груз (грузы), который перемещается выше ватерлинии во все время работы. При отсутствии горизонтальных воздействий по оси сооружения подвесные связи с грузами висят вертикально. При воздействии ветра и волнения (или ветра и льда) сооружение разворачивается во флюгерную позицию, а подвесные связи с грузом отклоняются от вертикальной позиции так, что расстояние от носа сооружения до терминала стабилизируется швартовным устройством за счет перемещений груза, работающего с подвесными связями как маятник. При этом создается горизонтальное восстанавливающее усилие, направленное в сторону предыдущего положения равновесия и пропорциональное величине смещения и массе груза.
3
Расчеты и практика показывают, что в случае применения такого устройства для обеспечения восстанавливающего усилия, пропорционального массе (веса в воздухе) груза для крупных плавучих сооружений (водоизмещением порядка 100-300 тысяч м) требуется подвеска на подвесной связи, например ферме груза с массой порядка нескольких тысяч тонн. Громоздкость такой конструкции является основным недостатком устройства-аналога, предназначенного для работы с надводным поворотным столом. Другим недостатком устройства-аналога является необходимость большого выноса шарнира несущей конструкции за нос плавучего сооружения во избежание упора груза в носовую оконечность в случае воздействия ветра и льда в корму плавучего сооружения. Все это приводит к необходимости размещения в носу плавучего сооружения тяжелой и громоздкой несущей конструкции.
Известно также аналогичное по принципу конструкции устройство для позиционирования у подводного терминала плавучего добывающего, перерабатывающего или транспортного сооружения, получающего или передающего продукт (нефть, газ) от подводного терминала - патент US 2011/0139054, МПК В63В 21/00, от 11.06.2011. "Adjustable and disconnectable submerged-yoke mooring system" («Адаптивное и отсоединяемое швартовное устройство в виде погруженного захвата»). Устройство по указанному патенту выбрано в качестве прототипа.
Устройство-прототип обеспечивает швартовку у подводного терминала с погруженным поворотным столом и удержание плавучего сооружения на заданном расстоянии от терминала за счет работы шарнирного механизма, составленного из подводного захвата, который (как и в устройстве-аналоге) удерживается трехосным шарниром за поворотный стол подводного терминала. Подводный захват с другого конца соединен горизонтальными шарнирами с подвесными связями (не менее двух), закрепленными через шарнир со швартовным устройством на носу плавучего сооружения. На общей оси шарниров, соединяющих подводный захват с подвесными связями, подвешен груз (грузы), который находится под водой во все время работы. При отсутствии горизонтальных воздействий по оси сооружения подвесные связи с грузами висят вертикально. При воздействии ветра и волнения (или ветра и льда) сооружение разворачивается во флюгерную позицию, будучи закрепленным шарнирно за поворотный стол на терминале, а расстояние от носа плавучего сооружения до терминала стабилизируют работой комплекса шарниров за счет перемещений грузов, работающих с подвесными связями как маятник. При отсутствии горизонтальных воздействий по оси сооружения подвесные связи с грузами висят вертикально, а при наличии воздействия и, соответственно, возникновении продольного смещения плавучего сооружения вперед/назад по отношению к терминалу подвесные связи с грузами отклоняются от вертикальной позиции. При этом создается горизонтальное восстанавливающее усилие, направленное в сторону положения равновесия и пропорциональное величине смещения плавучего сооружения и весу грузов в воде.
Таким образом, принцип работы устройства-прототипа тот же, что и устройства-аналога (отличие в погруженном положении груза). В обоих случаях функция грузов состоит в создании восстанавливающего усилия, при этом обеспечивают ограничение усилия в ферме и подвесных связях (это усилие не может превысить величину восстанавливающего усилия). Таким образом, используют маятниковый эффект от веса в воде груза, висящего на подвесных связях.
В устройстве-прототипе предусмотрено также отсоединение швартовного устройства и шлангов от плавучего сооружения и увод плавучего сооружения в случае возникновения непредвиденной опасности (например, вероятности воздействия непреодолимого ледяного образования). В этом случае от швартовного закрепления в носовой части плавучего сооружения отсоединяют кронштейн, которым крепятся подвесные связи, подвесные связи со шлангами и груз ложатся на дно моря и находятся там до минования опасности и обратного подсоединения к плавучему сооружению (с необходимостью подъема со дна моря груза и подвесных связей со шлангами).
Недостатки конструкции устройства-прототипа:
- относительная низкая эффективность швартовного устройства по созданию восстанавливающей силы, поскольку необходима большая масса погруженного груза, существенно большая по сравнению с массой груза, подвешенного в воздухе (из-за необходимости компенсации плавучести погруженного груза) для создания равного восстанавливающего усилия;
- громоздкость несущей конструкции на носу плавучего сооружения из-за необходимости удержания тяжелого груза под носовой оконечностью плавучего сооружения;
- трудность монтажа и, восстановления (подсоединения) устройства после экстренного отсоединения, возникающая из-за необходимости подъема со дна груза и подвесных связей со шлангами, для чего потребуется мощный киллектор, либо плавучий кран большой грузоподъемности;
- не предусмотрена работа швартовного устройства и передача продукта в ледовых условиях.
Задача заявляемого технического решения - разработка конструкции адаптивного погруженного швартовного устройства для приема и передачи в море нефти или газа с подводного терминала, которое позволяет устранить перечисленные недостатки прототипа и обеспечить новый технический результат, а именно:
- повысить эффективность швартовного устройства по созданию горизонтальной восстанавливающей силы, возникающей от перемещения груза за счет существенного уменьшения массы груза при сохранении той же восстанавливающей силы;
- уменьшить габариты и массу (устранить громоздкость) носовой несущей конструкции плавучего сооружения за счет отказа от удержания тяжелого груза на несущей конструкции;
- улучшить эксплуатационные характеристики швартовного устройства за счет снижения трудоемкости операций по подъему, восстановлению и подсоединению швартовного устройства при монтаже или после его экстренного отсоединения от плавучего сооружения;
- обеспечить передачу продукта как на чистой воде, так и в умеренных ледовых условиях (при наличии битого или дрейфующего льда).
Указанный технический результат достигается с применением предлагаемого устройства новой конструкции.
Заявляемое адаптивное погруженное швартовное устройство для передачи нефти или газа с подводного терминала на плавучее сооружение включает подводную швартовную базу, установленную на дне акватории, подводный захват, закрепленный с одного конца к подводной швартовной базе посредством трехосного шарнирного соединения, а со второго конца - к по меньшей мере одной подвесной связи, шарнирно соединяющей второй конец подводного захвата и швартовное закрепление в подводной части плавучего сооружения. Соединение выполнено через кронштейн, обеспечивающий подсоединение и отсоединение плавучего сооружения. На шарнире, соединяющем второй конец подводного захвата с по меньшей мере одной подвесной связью, закреплен по меньшей мере один буй, имеющий положительную плавучесть, превышающую суммарный вес в воде подводного захвата и по меньше мере одной подвесной связи.
Кроме того, в случае применения устройства в ледовых условиях безопасность буя и швартовного устройства будет обеспечена при выполнении условия, что корпус буя при вертикальном положении захвата не должен достигать нижней поверхности погруженной части ожидаемого ледяного покрова с запасом 0,5 м. Это условие достигается, если длина подводного захвата, удерживающего буй с положительной плавучестью, определена по неравенству
где L - длина захвата, м;
Н - глубина погружения точки трехосного шарнирного соединения на подводной швартовной базе под поверхностью моря при отливе, м;
Л
h - максимально возможная осадка ровного ледяного покрова на поверхности моря (при наличии), м;
d - вертикальный размер буя, м.
Кроме того, в ледовых условиях возможна конструкции буя, где корпус буя выполнен в виде верхнего непроницаемого усеченного конуса с вертикальной осью, ориентированного меньшим основанием вниз, соединенным с нижним непроницаемым усеченным конусом, ориентированным меньшим основанием вверх. При этом диаметры меньших оснований непроницаемых усеченных конусов равны между собой.
Дополнительно, соединение верхнего непроницаемого усеченного конуса с нижним непроницаемым усеченным конусом может быть сформировано посредством переходного вертикально ориентированного цилиндра с диаметром, равным диаметру меньшего основания усеченного конуса, и высотой, которая определена по формуле
ЦИЛ
где h - высота цилиндра, м;
Л
h - максимально возможная толщина ровного ледяного покрова на поверхности моря, м.
Кроме того, оптимальным в условиях эксплуатации как на чистой воде, так и в ледовых условиях, является решение, где длина подводного захвата, удерживающего буй, не ограничена неравенством (1), а буй находится в полупогруженном положении. При этом осадка погруженной в воду части буя при отсутствии внешних возмущений (ветра, волны или льда) может быть определена по формуле
где Т - осадка буя, м;
НИЖ КОН
h - высота нижнего усеченного конуса корпуса буя, м;
ЦИЛ
h - высота переходного цилиндра, м.
Существенное отличие заявляемого технического решения по отношению к прототипу при достижении заявленного технического результата заключается в том, что в предлагаемом устройстве для создания восстанавливающей силы при позиционировании плавучего сооружения у подводного терминала применяют буи (вместо грузов), имеющие положительную плавучесть, которая превышает суммарный вес в воде подводного захвата и по меньшей мере одной подвесной связи.
В предлагаемом изобретении буй пересекает поверхность моря, восстанавливающее усилие усиливается за счет изменения плавучести входящего и выходящего из воды объема корпуса буя, в то время как для прототипа восстанавливающее усилие формируется за счет веса груза, перемещающегося только под водой. Дополнительно, форма корпуса буя в виде вертикально ориентированных сочлененных с помощью цилиндра усеченных конусов позволяет использовать предлагаемое устройство для частичного разрушения дрейфующего или раздвижения битого льда на поверхности моря, тем самым ослабляя ледовое воздействие на плавучее сооружение (что невозможно для устройства-прототипа).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан боковой вид заявляемого устройства;
на фиг. 2 показан вид в плане заявляемого устройства;
на фиг. 3 показан фрагмент заявляемого устройства и обозначения, поясняющие формулу (1)
на фиг. 4 показан боковой вид и принцип действия конструктивного решения заявляемого устройства;
на фиг. 5 показан вид в плане конструктивного решения заявляемого устройства;
на фиг. 6 показана на боковом виде форма конструктивного решения буя и обозначения, поясняющие формулу (3).
Боковой вид и вид в плане заявляемого устройства (см. фиг. 1 и 2) отображают схему заявляемого устройства при швартовке плавучего сооружения 1 к подводной швартовной базе 2 подводным захватом 3 через оборудованный трехосным шарнирным соединением 4 погруженный поворотный стол 5. Подводный захват 3 соединен с (одной и более) подвесными связями 6 через шарниры 7. Подвесные связи 6 соединены также с узлом швартовного закрепления, выполненного, например, в виде в виде штанги 8, несущей конструкции 9, размещенной на носу плавучего сооружения 1 через закрепленный на узле швартовного закрепления в виде штанги 8 кронштейн 10, который может быть отсоединен от узла швартовного закрепления в виде штанги 8 в случае возникновения ледовой угрозы для плавучего сооружения 1. Подводный захват 3 и подвесные связи 6 (все находятся под поверхностью моря), соединенные шарнирами 7, удерживаются посредством рымов 11 буями 12 (не менее одного). От поворотного стола 5 подводной швартовной базы 2 подан питающий шланг 13 на несущую конструкцию 9. Длина подводного захвата 3 определена формулой (3), а обозначения и размеры, поясняющие формулу (1), показаны на чертеже фрагмента заявляемого устройства (см. фиг. 3).
Боковой вид и вид в плане возможного конструктивного решения заявляемого устройства показаны на фиг. 4 и 5. Указанное решение предусматривает размещение не менее двух осесимметричных буев 12, объединенных соединительной фермой 14. Корпус буя 12 (см. фиг. 6) состоит из верхнего непроницаемого усеченного конуса 15, ориентированного меньшим основанием вниз, соединенным с нижним непроницаемым усеченным конусом 16, ориентированным меньшим основанием вверх, посредством переходного вертикально ориентированного цилиндра 17. При этом длина подводного захвата 3 должна соответствовать величине осадки буя 12.
Работа адаптивного погруженного швартовного устройства происходит следующим образом.
При отсутствии воздействий на плавучее сооружение 1 подводный захват 3, длина которого определена по формуле (1), и шарнирно соединяющий погруженный поворотный стол 5 через трехосное шарнирное соединение 4 с подвесными связями 6 стоит вертикально, увлекаемый плавучестью буев 12, не приближаясь к поверхности моря ближе, чем определено по формуле (1). При воздействии ветра, волнения или льда плавучее сооружение 1 естественным путем разворачивается во флюгерное положение носом к подводной швартовной базе 2 и в этом положении совершает, преимущественно, продольные перемещения вперед и назад по отношению к подводной швартовной базе 2. При этом подводный захват 3 отклоняется в вертикальной плоскости от заданного положения, создавая горизонтальное восстанавливающее усилие за счет плавучести буев 12, направленное в сторону исходного положения равновесия. Пределы горизонтального смещения плавучего сооружения 1 определяются полным вытяжением подводного захвата 3 и подвесных связей 6 в одну линию (на удаление от подводной швартовной базы 2) или максимальным их сложением (на приближение к подводной швартовной базе), при этом корпус буя 12 не достигнет поверхности моря или нижней поверхности возможного ледяного покрова, что допускает применение заявляемого устройства в ледовых условиях.
Другое возможное конструктивное решение конструкции буя 12 включает усеченные конусы 14 и 16 и цилиндр 15, длина которого определена по формуле (2). При отсутствии воздействий на плавучее сооружение 1 подводный захват 3 (длина которого в этом варианте не ограничена формулой (1)) и подвесные связи 6 удерживаются буями 12 в наклонном положении, при этом буи 12 плавают, имея осадку, определенную по формуле (3). При продольном смещении плавучего сооружения 1 от подводной швартовной базы 2 подводный захват 3 и подвесные связи 6 расходятся с увеличением угла между ними. Буи 12 увеличивают осадку - верхний конус 16 частично погружается, инициируя появление растущей восстанавливающей силы на сближение плавучего сооружения 1 к подводной швартовной базе 2. И, наоборот, при смещении плавучего сооружения 1 к подводной швартовной базе 2 подводный захват 3 и подвесные связи 6 сходятся, буи 12 всплывают - нижний конус 16 частично выходит из воды, инициируя появление расталкивающей восстанавливающей силы. Пределы увеличения восстанавливающей силы определяются полным погружением или выходом из воды корпуса буя 12. При наличии льда, плавающего перед плавучим сооружением, внедрение конусов 14 и 16 в ледяной покров при вертикальном движении буя 12 разрушает лед (или раздвигает льдины в случае битого льда); при этом восстанавливающее горизонтальное усилие усиливается за счет вертикальной составляющей ледовой нагрузки на поверхность конусов 14 и 16. Разрушенный и раздвинутый буями 12 лед дрейфует, обтекая узкую часть корпуса на уровне переходного цилиндра 15, соединяющего конусы 14 и 16. Таким образом, предлагаемое швартовное устройство при исполнении и этом варианте может быть использовано в умеренных ледовых условиях.
При возникновении непреодолимой ледовой угрозы и связанной с этим необходимости отсоединения плавучего сооружения 1 от подводной швартовной базы 2 отсоединяют кронштейн 10 от узла швартовного закрепления в виде штанги 8 и подвесные связи отходят от плавучего сооружения 1, освобождая его. При этом буй 12 за счет своей плавучести удерживает как подвесные связи 5, так и подводный захват 3 в подвешенном состоянии неглубоко под поверхностью моря, что позволяет (по миновании опасности) сравнительно легко достать подвесные связи 6 и вновь подсоединить их к шарниру 10, восстановив тем самым работу предлагаемого швартовного устройства.
Таким образом, применение заявляемого устройства вместо устройства-прототипа и аналогов позволит получить следующие преимущества:
- замена массивных грузов на плавающие буи избавляет от необходимости удержания тяжелого стабилизирующего груза при большом выносе несущей конструкции за нос плавучего сооружения и тем самым позволяет устранить громоздкость несущей конструкции;
- использование буев, плавающих вблизи от поверхности моря, позволяет также легко достать и поднять из воды элементы устройства без привлечения киллектора или плавучего крана для последующего подсоединения к плавучему сооружению при его монтаже или после экстренного отсоединения;
-  эффективность швартовного устройства по созданию горизонтальной восстанавливающей силы;
- обеспечение передачи продукта как на чистой воде, так и в умеренных ледовых условиях (при наличии битого или дрейфующего льда) с сохранением возможности экстренного отсоединения плавучего сооружения в случае непреодолимой ледовой угрозы.