Устройство для транспортировки текучих сред между судном и турелью, установленной на этом судне
DEVICE FOR TRANSPORTING FLUIDS BETWEEN VESSEL AND TURRET INSTALLED ON SAID VESSEL

Изобретение относится к устройству для транспортировки текучих сред между судном и турелью, установленной на этом судне для поворота вокруг по существу вертикальной оси турели, при этом турель содержит вертлюг, имеющий по меньшей мере один канал для текучей среды, соединенный с одним концом трубопровода для текучей среды, второй конец которого соединен с судном.
Понятие «судно» может относиться также к закрепленным на нем элементам или конструкции.
Известно, что при разработке морских месторождений (особенно при добыче текучих сред, таких как нефть или газ) используются суда, содержащие турель, установленную в буровой шахте для поворота вокруг по существу вертикальной оси турели. Турель (или отсоединяемый буй, присоединенный к ее нижней части) может быть пришвартована к морскому дну швартовами и соединяет вертикальные трубопроводы, по которым текучая среда поступает на вход для текучей среды в геостационарной части вертлюга, который обычно установлен на верхней части турели или на верхней части так называемого поворотного стола, расположенного на турели и образующего ее часть. Текучая среда транспортируется от поворотной части вертлюга к соответствующему оборудованию на борту судна по трубопроводу, соединяющему выход для текучей среды в вертлюге с судном (например, с так называемой конструкцией доступа к турели, на которой установлена вышка, расположенная вокруг вертлюга). При этом текучая среда может транспортироваться в двух направлениях, как из вертикальных трубопроводов к судну, так и наоборот. Для простоты здесь рассматривается только направление к судну, но следует иметь в виду, что «вход» может становиться «выходом», и наоборот.
Турель, включая ее поворотный стол, вертлюг, а также судно (например, конструкция доступа к турели), часто испытывают значительные нагрузки, которые могут деформировать указанные компоненты. Нагрузки могут быть обусловлены, в частности, гравитацией, перемещениями, ускорениями, деформациями судна, перепадами температуры, давлением, швартовными усилиями, усилиями от вертикальных трубопроводов, волнами, течением и ветром. Поскольку эти компоненты, как правило, имеют различную жесткость и подвергаются разным нагрузкам, их деформации будут разными, что может стать причиной их смещения друг относительно друга.
Из-за деформаций, имеющих место между поворотной частью вертлюга и судном (или конструкцией доступа к турели), деформируется проходящий между ними трубопровод, вследствие чего возникают нагрузки на вертлюг и его выпускные патрубки. Эти нагрузки могут быть небольшими, если трубопровод гибкий и поэтому легко воспринимает относительные деформации, но могут быть и очень большими, если трубопровод по существу жесткий, например представляет собой трубопровод высокого давления, имеющий большой диаметр. Эти нагрузки могут влиять на работу вертлюга, например могут повреждать его или вызывать протечку его уплотнений.
Известная практика уменьшения указанных нагрузок состоит в увеличении гибкости трубопровода для текучей среды (например, путем его выполнения из длинных секций, с возможностью изгибаться в местах между ними) и размещения мест крепления трубопровода на значительном удалении от вертлюга. Однако добавление таких секций трубопровода приводит к затратам, а также увеличивает общий вес, действующий на верхнюю часть судна или конструкции доступа к турели, что еще больше увеличивает их нежелательную деформацию, приводящую к увеличению деформации судна (или конструкции доступа к турели) и вертлюга  друг относительно друга.
Другой известной практикой уменьшения этих нагрузок является увеличение жесткости компонентов (таких, как турель и конструкция доступа к турели) с целью уменьшения их (относительных) деформаций. Однако для этого требуется дополнительный материал (такой, как сталь), что соответственно увеличивает стоимость и вес.
Эффективность этих известных способов снижения нагрузок уменьшается при увеличении размера конструкций (конструкции доступа к турели, судна, турели, вертлюга и т.д.). Конструкции большего размера будут подвергаться большей относительной деформации и для того, чтобы противостоять ей, потребуется больше стали для увеличения жесткости конструкции и/или больше изгибов и секций трубопровода. Это неприемлемо с точки зрения требуемого количества конструкционного материала (стали, трубопровода), массы и стоимости.
В связи с изложенным, целью изобретения является создание усовершенствованного устройства рассмотренного выше типа.
Согласно изобретению, устройство дополнительно содержит вертлюжную вышку, окружающую вертлюг и соединенную с остальной частью турели посредством подшипника вертлюжной вышки с возможностью поворота относительно этой части турели вокруг оси турели. Вертлюжная вышка посредством торсионного стопорного механизма по существу застопорена относительно судна для поворота вместе с ним. Трубопровод для текучей среды имеет первый участок, свободно проходящий между судном и вертлюжной вышкой, и второй участок, проходящий между вертлюжной вышкой и каналом для текучей среды вертлюга, причем первый и второй участки трубопровода соединены в месте, где он по существу неподвижно прикреплен к вертлюжной вышке крепежными средствами.
Поскольку вертлюжная вышка соединена с остальной частью турели непосредственно через свой подшипник, а вертлюг является частью турели, смещения вертлюжной вышки и вертлюга относительно друг друга будут намного меньше и второй участок трубопровода не будет подвергаться существенным деформациям, поэтому вызванные деформациями нагрузки на вертлюг будут минимальными. Нагрузки на первом участке трубопровода (который может деформироваться, так как проходит свободно), вызванные относительными деформациями между судном и вертлюжной вышкой, воспринимаются последней и в основном передаются турели через подшипник вертлюжной вышки, и таким образом не достигают вертлюга.
Трубопровод для текучей среды прикреплен к вертлюжной вышке в месте соединения его первого и второго участков (посредством крепежных средств). Например, крепежные средства могут включать опорные площадки для трубопровода, расположенные на вертлюжной вышке, для ослабления деформирующих нагрузок на вертлюг (действующих в основном на первом участке трубопровода и вызванных перемещением компонентов относительно друг друга, как указано выше).
Так как деформации вертлюжной вышки и вертлюга относительно друг друга очень ограничены, между ними могут быть предусмотрены так называемые приводные рычаги для вертлюга, способные меньше прогибаться, чем приводные рычаги, обычно используемые между судном и вертлюгом. Теперь всего один приводной рычаг с большей прогибаемостью требуется для соединения вертлюжной вышки с судном (т.е. для образования торсионного стопорного механизма).
Еще одно преимущество использования такой вертлюжной вышки состоит в том, что в отличие от известного устройства, в котором вышка установлена на конструкции доступа к турели, центр тяжести конструкции доступа к турели будет находиться ниже, поскольку вышка заменяется вертлюжной вышкой, установленной на турели. Поэтому такая конструкция доступа к турели будет подвергаться меньшим нагрузкам и может быть выполнена более легкой и дешевой. Можно даже совсем исключить такую конструкцию доступа к турели.
Вертлюжная вышка может также служить для обеспечения доступа к вертлюгу с целью его обслуживания, осмотра и т.п.
Как указано выше, вертлюжная вышка по существу застопорена относительно судна торсионным стопорным механизмом, который обеспечивает, что вертлюжная вышка и судно поворачиваются «в унисон». Указанный механизм может быть активного или пассивного типа. Выражение «застопорен относительно судна» не исключает возможность (небольшого) ограниченного относительного поворота между вертлюжной вышкой и судном.
Если ожидается значительная деформация вертлюга и его вышки относительно друг друга, например, при небольшом несовпадении их осей поворота, то трубопровод в вертлюжной вышке или вокруг нее может быть расположен в виде петли. Эта петля имеет достаточную гибкость, чтобы такие относительные деформации не приводили к возникновению недопустимых напряжений в вертлюге.
В одном варианте выполнения устройства судно содержит конструкцию доступа к турели, установленную вблизи нее и содержащую настил, который проходит по существу через турель и имеет отверстие для свободного прохода вертлюга с расположенной вокруг него вертлюжной вышкой, при этом первый участок трубопровода проходит между вертлюжной вышкой и настилом.
В этом случае настил конструкции доступа к турели служит опорой для первого участка трубопровода, а следующий в направлении к судну участок трубопровода может опираться на конструкцию доступа к турели, например через по меньшей мере одну направляющую трубопровода.
Трубопровод может проходить через указанную направляющую в виде петли, что повышает его возможность приспосабливаться к деформациям судна и вертлюжной вышки относительно друг друга.
Направляющая трубопровода предпочтительно допускает его относительное смещение. При этом по меньшей мере одна направляющая может быть установлена на настиле.
В еще одном варианте осуществления изобретения торсионный стопорный механизм установлен на конструкции доступа к турели, таким образом, эта конструкция выполняет также функцию опоры.
В альтернативном варианте осуществления изобретения вертлюжная вышка имеет консольную часть, отходящую в сторону от оси турели, при этом часть первого участка трубопровода опирается на эту консольную часть, а другая часть первого участка трубопровода проходит свободно между консольной частью и судном.
При наличии такой консольной части конструкция доступа к турели, имеющая отверстие для прохода вертлюга и вертлюжной вышки, не требуется.
В этом варианте осуществления изобретения консольная часть вертлюжной вышки включает по меньшей мере одну направляющую для трубопровода, предпочтительно допускающую его относительное смещение.
В другом варианте осуществления изобретения вертлюжная вышка, на уровне выше своего подшипника, имеет по меньшей мере одну дополнительную опору, соединенную с вертлюгом. Эта опора (которая соединена с вертлюгом или его частями) может быть также выполнена в виде так называемого приводного рычага.
Если подшипник вертлюжной вышки соединяет ее с вертлюгом так, что они образуют единый узел, который можно поднять путем подъема вышки (т.е. если подшипник вертлюжной вышки может выдержать нагрузки, возникающие от такой манипуляции с вертлюжной вышкой, без разборки этого узла), то можно монтировать или демонтировать указанный единый узел за одну операцию, как единый компонент. Это позволяет, например, выполнять полную сборку вертлюга еще на заводе, высококвалифицированным персоналом, так что уменьшается опасность его неправильной сборки на судне. Такой единый узел уже может содержать все необходимое оборудование и трубопровод, и требуется только подсоединить его к соответствующему оборудованию и трубопроводу судна.
Подшипник вертлюжной вышки может быть расположен выше или ниже уровня входа вертлюга для текучей среды или по существу на уровне этого входа. Вход для текучей среды также называют впускным коллектором. Конкретный выбор зависит от конструктивных особенностей и от конкретных требований.
В одном из вариантов осуществления изобретения подшипник вертлюжной вышки расположен на (возможно более широком) основании вертлюга. Таким образом, может быть предусмотрено основание вертлюга, имеющее больший диаметр, чем остальная часть вертлюга. Благодаря этому увеличивается устойчивость вертлюжной вышки (относительно вертлюга) и дополнительно уменьшаются их деформации относительно друг друга.
Далее изобретение описано со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображено известное устройство,
Фиг.2 схематично изображен первый вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг.3 изображен разрез по линии А-А на фиг.2, и
Фиг.4 схематично изображен второй вариант выполнения устройства согласно изобретению.
На фиг.1 показано известное устройство для транспортировки текучих сред между судном 1 и турелью 2, установленной на этом судне для поворота вокруг по существу вертикальной оси 3 турели. В верхней части турель 2 содержит вертлюг 4, имеющий по меньшей мере один вход 5 для текучей среды, соединенный с одним концом трубопровода 6 для текучей среды, второй конец которого соединен с судном 1 или с закрепленной на нем конструкцией 7 (например, так называемой конструкцией доступа к турели).
Турель 2 установлена в буровой шахте 8 на подшипнике 9 турели и пришвартована к морскому дну посредством швартовов 10. От морского дна через турель проходят трубопроводы 11, соединенные с нижней частью вертлюга 4 (входом вертлюга для текучей среды, подробно не показан) через рабочий манифольд или иначе.
Как известно, турель 2 позволяет судну поворачиваться вокруг нее наподобие флюгера. Нижняя часть турели 2 может быть выполнена в виде отсоединяемой части буя, что тоже известно.
Показанное на фиг.1 известное устройство также содержит вышку 42, установленную на конструкции 7. Поскольку вышка 42 опирается на конструкцию 7, она будет испытывать такие же деформации относительно вертлюга 4, как судно 1.
Согласно вариантам осуществления изобретения, изображенным на фиг.2-4, устройство далее содержит вертлюжную вышку 12, окружающую вертлюг 4 и соединенную с остальной частью турели 2 через подшипник 13 вертлюжной вышки с возможностью поворота относительно этой части турели вокруг оси 3 турели.
Как видно на фиг.2, вертлюжная вышка 12 посредством торсионного стопорного механизма 14 по существу застопорена относительно судна 1 (или, в данном варианте осуществления изобретения, относительно конструкции 7 доступа к турели, рассмотренной далее), для поворота вместе с судном. Торсионный стопорный механизм 14 по существу препятствует поворотному перемещению судна 1 и вертлюжной вышки 12 относительно друг друга и в то же время допускает их смещение относительно друг друга, обусловленное относительными деформациями (например, путем использования шарнирного механизма 15).
Трубопровод 6 для текучей среды, проходящий между вертлюгом 4 и судном 1, имеет первый участок 16, свободно проходящий между судном 1 (или, в данном варианте осуществления изобретения, закрепленной на нем конструкцией 7) и вертлюжной вышкой 12, и второй участок 17, проходящий между вертлюжной вышкой 12 и выходом 5 для текучей среды (каналом для текучей среды) вертлюга 4.
Первый и второй участки 16, 17 трубопровода соединены в месте, где он неподвижно (по существу жестко) прикреплен к вертлюжной вышке крепежным средством 18. Например, крепежное средство 18 может содержать расположенные на вышке 12 опорные площадки для трубопровода, предназначенные для снижения деформационных нагрузок на вертлюг 4 (действующих в основном на первом участке 16 трубопровода и вызванных перемещением судна 1 и вышки 12 относительно друг друга).
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, конструкция 7 доступа к турели расположена вблизи турели 2 и содержит настил 19, который проходит по существу через турель и имеет отверстие 20 для свободного прохода вертлюга 2 с окружающей его вертлюжной вышкой 12. Первый участок 16 трубопровода проходит между вышкой 12 и настилом 19. Часть трубопровода 6, соединяющая его первый участок 16 и судно 1, имеет по меньшей мере одну направляющую 21, установленную на настиле 19 конструкции 7 доступа к турели. Могут быть предусмотрены и другие направляющие для трубопровода.
Как показано на фиг.3, трубопровод 6 в направляющей 21 проходит в виде петли. На фиг.3 показан также известный приводной рычаг 22 для вертлюга 4.
На фиг.4 изображен вариант выполнения устройства, в котором вертлюжная вышка 12 имеет консольную часть 23, выступающую в сторону от оси 3 турели. Часть 16' первого участка трубопровода опирается на консольную часть 23 (например, через направляющие 21 для трубопровода), а другая часть 16ʺ второго участка трубопровода свободно проходит между наружным концом консольной части 23 и судном 1 (или, в данном варианте выполнения устройства, неподвижно закрепленной на судне 10 конструкцией 7').
Кроме того, в этом варианте выполнения торсионный стопорный механизм 14 расположен между вертлюжной вышкой 12 и судном 1 (в данном варианте, передней вышкой 24 судна).
В обоих вариантах выполнения устройства подшипник 13 вертлюжной вышки установлен на расширенном основании 25 вертлюга и поэтому положение вертлюжной вышки 12 является очень устойчивым.
Изобретение не ограничено описанными вариантами его осуществления и допускает различные изменения в пределах объема, определяемого формулой изобретения.