ХОМУТ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
YOKE FOR VERTICAL PIPELINE

Настоящее изобретение относится к хомуту для вертикального трубопровода, состоящему из нескольких частей и предназначенному для удерживания нескольких труб для текучей среды параллельно стальному вертикальному трубопроводу, имеющему защитное покрытие, и на расстоянии от этого трубопровода, причем вертикальный трубопровод предназначен для установки в море с целью соединения устья скважины на морском дне с надводным судном, а хомут предназначен для крепления к указанному трубопроводу за счет силы трения и без возможности поворота и снабжен несколькими седлами для удерживания соответствующих труб для текучей среды,
Такие вертикальные трубопроводы обычно используется как трубопроводы для бурильных труб, т.е. для направления бурильной колонны вниз по трубопроводу, через противовыбросовое устройство и фонтанную арматуру на морском дне и далее вниз в морское дно для бурения нефтяной или газовой скважины.
Снаружи к трубопроводам крепятся более тонкие стальные трубы. Стальные трубы имеют различный диаметр и предназначены для транспортировки различных текучих сред, необходимых для выполнения определенных работ на фонтанной арматуре и противовыбросовом устройстве на морском дне. Обычно две трубы наибольшего диаметра являются трубами штуцерной линии и линии глушения. Труба линии глушения предназначена для аварийного запирания скважины путем приведения в действие отсекающего запорного устройства. Труба штуцерной линии может использоваться для контроля / регулировки давления в скважине. Кроме того, предусмотрены «резервные трубы» и гидравлические трубы для работы клапанов и запирающих плашек.
Трубопроводы обычно собирают из отрезков труб определенной длины, например, в данном случае длиной 22 м. Их концы соединяют посредством штыкового соединения, которое хорошо выдерживает давление и является герметичным. Однако эти штыковые соединения несколько расширяются в радиальном направлении и потому тонкие трубы должны быть расположены на расстоянии от поверхности вертикального трубопровода. Это достигается с помощью седел для труб, задающих расстояние между тонкими трубами и поверхностью вертикального трубопровода. Типовое расстояние между хомутами в продольном направлении вертикального трубопровода составляет 2-3 м.
Особая проблема, связанная с этими тонкими трубами, состоит в том, что они могут смещаться при периодическом изменении и при сбросе высокого давления, порядка 300 бар. При повышении давления возникают очень большие осевые толкающие силы, которые могут привести к изгибу труб для текучей среды, несмотря на их очень толстые стенки. (Например, труба для текучей среды с наружным диаметром 75 мм имеет внутренний диаметр всего 25 мм.) Это приводит к тому, что на хомуты действуют огромные крутящие силы. Крутящий момент возрастает из-за того, что седла труб находятся на расстоянии от поверхности вертикального трубопровода.
Проблема существующих стальных хомутов для вертикального трубопровода состоит в том, что они могут поворачиваться вокруг него, что в указанных ситуациях приводит к местной остаточной деформации. Это явление поясняется на фиг.1. Не улучшает положение и тот факт, что существует требование к поверхностной обработке вертикальных трубопроводов, т.е. что они должны быть покрыты защитным антикоррозионным слоем, например эпоксидной смолой, эмалью или краской. Поэтому понятно, что в защитном слое не должно появляться выбоин как при сборке, так и в результате указанного поворота, чтобы морская вода не попадала на металл. Кроме того, такой слой делает поверхность более гладкой, что уменьшает коэффициент трения между хомутом и вертикальным трубопроводом.
Основной целью настоящего изобретения является создание технического решения, увеличивающего трение между хомутом и поверхностью вертикального трубопровода.
Эта цель достигается благодаря созданию хомута описанного типа, отличающегося тем, что он имеет внутреннюю опорную поверхность из армированного волокном композитного материала, которая по существу комплементарна наружной поверхности вертикального трубопровода, имеющей защитное покрытие, и прилегает к ней, при этом хомут затягивается с помощью действующих в окружном направлении затягивающих средств. Композитный материал содержит полимерную матрицу, являющуюся составной частью композитного материала, которая контактирует с поверхностью вертикального трубопровода, а волоконная арматура находится непосредственно за контактной поверхностью.
Предполагается, что выгодные фрикционные свойства достигаются отчасти благодаря модулю упругости армированного композитного материала, равного примерно 10 ГПа, тогда как модуль упругости стали составляет порядка 210 ГПа.
Как известно, модуль упругости характеризует зависимость между приложенной силой и удлинением материала.
Другое важное предположение касается стяжных средств, действующих в окружном направлении. Соответствующее теоретическое обоснование приводится при рассмотрении фиг.7 и 8.
Согласно первому варианту осуществления изобретения хомут для вертикального трубопровода состоит из основной части из металла и базовой части из армированного волокном композитного материала, причем нижняя часть обеспечивает прокладку между основной частью и поверхностью вертикального трубопровода.
Согласно второму варианту осуществления изобретения предпочтительному, в том числе и по причине уменьшения веса, хомут состоит из основной части из армированного волокном композитного материала и базовой части из армированного волокном композитного материала, которая обеспечивает прокладку между основной частью и поверхностью вертикального трубопровода. Этот вариант осуществления особенно предпочтителен для глубоких вод, где из-за веса возникают проблемы и ограничения.
Толщина указанной прокладки из армированного волокном композитного материала может составлять 2-4 мм, предпочтительно 3 мм.
Согласно третьему варианту осуществления изобретения все части хомута для восходящего трубопровода могут быть выполнены из одного и того же куска армированного волокном композитного материала. Это значит, что прокладка отсутствует, что в некоторых ситуациях приемлемо.
Армированный волокном композитный материал может содержать волокна по меньшей мере одного волокнистого материала, выбранного из технических волокон/тканей, таких как углеродное волокно, арамидное волокно и стекловолокно.
Армированный волокном композитный материал может содержать полимерную матрицу, выбранную из группы, включающей винилэфир, полиэфир, эпоксидную смолу и термопластики.
Затягивающие средства хомута, действующие в окружном направлении, могут представлять собой стяжные ленты, обладающие достаточной прочностью на растяжение, которыми хомут стягивается на трубопроводе. Стяжная лента может содержать серьги с затяжными винтами. Преимущество стяжных лент в том, что трение происходит по всей поверхности, и исключаются точечные нагрузки.
Целесообразно, чтобы хомут для вертикального трубопровода имел выступающие фланцы, в которые упираются действующие в окружном направлении стяжные ленты.
Хомут для вертикального трубопровода может состоять из двух частей, расположенных напротив друг друга для охвата трубопровода.
В еще одном варианте осуществления изобретения две половины хомута трубопровода могут быть шарнирно соединены друг с другом, например, весь хомут может быть выполнен в виде одной детали, но с линией ослабления в одном месте, действующей как шарнир, так что хомут может раскрываться для крепления на трубопроводе, несмотря на то, что он представляет собой единую деталь. Как альтернатива можно использовать шарнир обычного типа.
Для использования в качестве прокладки в обычных стальных хомутах для трубопроводов было испытано много различных эластомерных материалов, однако трение между хомутом и поверхностью трубопровода оказалось недостаточным.
Другие цели, особенности и преимущества изобретения будут понятны из дальнейшего описания предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 показана поврежденная секция вертикального трубопровода для иллюстрации проблемы, решаемой изобретением,
на фиг.2 показан хомут для вертикального трубопровода с седлом для трубы согласно изобретению,
на фиг.3 показана лента, имеющая затягивающие средства для крепления к вертикальному трубопроводу,
на фиг.4 показан в аксонометрии в разобранном виде весь хомут для вертикального трубопровода,
на фиг.5 показан в аксонометрии хомут для вертикального трубопровода в собранном виде,
на фиг.6А показан в аксонометрии вертикальный трубопровод с установленными хомутами согласно изобретению,
на фиг.6B показан фрагмент, ограниченный окружностью на фиг.6А, в увеличенном масштабе и
на фиг.7 и 8 показано затягивание хомута с помощью болта и затягивание хомута с помощью средства, действующего в окружном направлении, соответственно.
Для лучшего понимания проблемы, которую решает изобретение, на фиг.1 изображен центральный вертикальный трубопровод 10, окруженный трубами меньшего диаметра, такими как трубы 11 штуцерной линии и линии глушения, а также гидравлическими трубами 14. Каждая секция 10 вертикального трубопровода имеет концевые фитинги 13, так что можно соединить между собой большое количество секций для образования вертикального трубопровода. Концевые фитинги 13 имеют ориентирующие средства, которые обеспечивают правильное соединение друг с другом труб 11, 14 малого диаметра при соединении секций 10 трубопровода.
Трубы 11, 14 крепятся к вертикальному трубопроводу 10 хомутами 12, как правило, из стандартной стали подходящей марки. Таким образом хомуты 12 в некоторых ситуациях оказались негодными в том плане, что они не могут препятствовать продольному изгибу труб 11, 14. Хомуты 2 не выдерживают и поворачиваются вокруг трубопровода 10, так что возникает картина, показанная на фиг.1, которая грозит последующим разрушением.
На фиг.2 показаны в аксонометрии основные части нового хомута 1 для вертикального трубопровода, имеющие типичную конфигурацию, и седло 1' для трубы, при этом две половины 1а и 1b хомута находятся напротив друг друга. Внутренняя поверхность 2 хомута 1 предназначена и рассчитана для его жесткого, не допускающего поворота, крепления к трубопроводу 10 за счет силы трения. Вертикальные трубопроводы такого типа главным образом предназначены для бурения и устанавливаются в море для соединения устья скважины на морском дне с надводным судном. Трубопроводы 10 имеют защитное покрытие, т.е. покрыты защитным противокоррозионным слоем, например лаком или краской.
Хомут 1 содержит несколько седел 1' для труб, выполненных комплементарно поверхностям труб для текучей среды и предназначенных для их удерживания вокруг трубопровода 10 на расстоянии от него. Внутренняя опорная поверхность 2 хомута 1 выполнена из армированного волокном или упрочненного композитного материала, который будет контактировать с наружной поверхностью вертикального трубопровода 10, обычно стального.
В первом варианте осуществления изобретения (не показан) хомут имеет основную часть из стали и дополнительную часть из армированного волокном композитного материала. В этом варианте дополнительная часть является как бы прокладкой между основной частью и поверхностью трубопровода. Прокладка из армированного волокном композитного материала не очень толстая, обычно ее толщина составляет 2-4 мм.
Во втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, хомут 1 изготовлен из одного и того же куска армированного волокном композитного материала, предпочтительно монолитного. Армирующим волокном в композитном материале может быть, например, углеродное волокно, арамидное волокно и стекловолокно. Волокна внедрены в полимерную матрицу, например винилэфир, полиэфир или эпоксидную смолу.
Армированный волокном композитный материал выполнен слоистым, т.е. армирующие волокна расположены в связующем материале слоями. Именно волоконная арматура является несущим нагрузку конструктивным элементом в композитном материале. Отдельные армирующие волокна собраны в «нити», которые могут быть соединены друг с другом в виде сетки или ткани. Обычно все нити лежат в одной плоскости, без прохождения одних нитей под или над другими, как при переплетении. Нити могут быть ориентированы удобным образом с учетом направлений действия основных сил. Например, нити могут быть расположены перпендикулярно или под острым углом друг к другу. Должно быть понятно, что в контакте с трубопроводом находится связующий материал, а волоконная арматура расположена внутри относительно опорной поверхности. Расстояние между опорной поверхностью и соседним внедренным слоем армирующего волокна выбирается для каждого конкретного применения.
Чтобы дополнительно улучшить затягивание, контактная поверхность может иметь заданную текстуру, т.е. рельеф беспорядочный или повторяющийся. Можно предусмотреть, чтобы уже на операции прессования вниз в пресс-форму укладывали ткань, одна сторона которой соприкасается со связующим материалом. Эта ткань также обеспечивает защиту при транспортировке, препятствуя возможным повреждениям и попаданию грязи, и отрывается при установке хомута.
Как показано на фиг.3, хомут 1 стягивают на вертикальном трубопроводе 10 стяжной лентой 5, имеющей достаточную прочность на растяжение. Стяжная лента 5 содержит серьги 6 с затяжными винтами 7. Чтобы избежать растяжения хомута 1 в окружном направлении, между ним и стяжной лентой 5 можно поместить вещество, улучшающее скольжение, например смазку. Благодаря этому в процессе натяжения стяжная лента 1 будет двигаться относительно наружной поверхности хомута 1, а хомут 1 не будет поворачиваться по поверхности трубопровода 10.
На фиг.4 показан хомут 1 трубопровода, имеющий другие составные части. Хомут 1, как и прежде, состоит из двух половин 1а и 1b, содержащих соответствующие седла 1' для труб. Хомут 1 окружает вертикальный трубопровод 10, который для упрощения чертежа изображен в виде короткого отрезка. С одной стороны хомута 1 показаны трубы 3а и 3b разного диаметра, такие как упомянутые ранее трубы штуцерной линии и линии глушения и гидравлические трубы. Эти трубы помещаются в выемки 1'' соответствующих седел и могут закрепляться с помощью соответствующих скоб 4а, 4b, 4c. Скобы 4а, 4b, 4c могут быть шарнирными и крепиться с помощью болтов и гаек (см. фиг.5). Болты проходят через показанные отверстия в седлах 1' для труб и в скобах 4а, 4b, 4c. В данном варианте осуществления изобретения предусмотрено пять выемок 1'' для удерживания пяти труб. Радиус кривизны выемок 1'' в седлах соответствует диаметру размещаемых в них труб.
В некоторых вариантах имеется прокладка 8, но ее наличие не является обязательным. Прокладка 8 выполнена из армированного или усиленного волокном композитного материала. Если хомут 1 изготовлен из металла, такого как алюминий, алюминиевый сплав, титан или сталь, то прокладка 8 должна быть обязательно. Если хомут 1 изготовлен только из армированного волокном композитного материала, то прокладка 8 может быть или может отсутствовать. Толщина прокладки 8 равна примерно 2-4 мм, но может быть и другой.
Как указано выше, каждый хомут 1 затягивается на трубопроводе 10 стяжными лентами 5, обладающими достаточной прочностью на растяжение. На фиг.4 показаны две стяжные ленты 5, которые должны находиться с обеих сторон от седла 1' для трубы, если смотреть вдоль трубопровода 10. Части 1а и 1b хомута имеют соответствующие выступающие радиально наружу фланцы 1c, 1d, способствующие удерживанию стяжных лент 5 на хомуте 10 на месте, т.е. между фланцем 1c, 1d и седлами 1'. Стяжные ленты 5 включают серьги 6 с затяжным винтом 7. Каждая серьга 7 проходит через петлю 5а в стяжной ленте 5, а один затяжной винт 7 установлен по центру, что позволяет выровнить усилия, возникающие в двух стяжных лентах 5.
На фиг.5 хомут 1 показан в полностью собранном состоянии. Части 1а и 1b хомута расположены напротив друг друга, а линия D их раздела проходит радиально посередине седла 1', предназначенного для приема только одной трубы. Хомут 1 может быть либо разделен на части, либо шарнирно соединен в зоне O вблизи элементов 6, 7 серьги. В остальном конструкция аналогична представленной на фиг.4 и в дальнейшем описании не нуждается.
На фиг.6А показан окончательно собранный вертикальный трубопровод 20, на котором установлено несколько хомутов 1 согласно изобретению. Хомуты 1 держат трубы штуцерной линии и линии глушения и гидравлические трубы в соответствии с каждым предполагаемым применением. Следует отметить, что крепление хомутов 1 надо осуществлять очень тщательно, чтобы седла были расположены по одной линии и каждая труба проходила прямолинейно, насколько это возможно.
Фиг.6B изображает в увеличенном масштабе фрагмент фиг.6А. Показан центральный вертикальный трубопровод 10 с прикрепленными к нему хомутами 1. Более толстая труба 3b штуцерной линии и линии глушения и более тонкая гидравлическая труба 3а удерживаются седлом 1' и закреплены скобами 4а, 4b. На фиг.6В показано, что хомут 1 держит три толстые трубы и три тонкие трубы. Стяжные ленты 5 те же, что и на фиг.4.
Далее со ссылками на фиг.7 и 8 представлено теоретическое обоснование использования затягивающих средств, действующих в окружном направлении. Изобретение направлено на предотвращение относительного движения контактных поверхностей при затягивании. При затягивании зажимного механизма, охватывающего какой-либо круглый объект, этот объект под действием затягивающей силы будет удлиняться. Трение между двумя объектами будет стремиться препятствовать этому удлинению. В результате затягивания возникает сила трения между объектами и нормальная сила, перпендикулярная к поверхностям, которыми затягивающий объект и круглый объект контактируют друг с другом. При затягивании сила трения является нежелательной, поскольку она нарушает процесс затягивания, но после окончания затягивания трение желательно, чтобы охватываемый объект был неподвижен.
На фиг.7 показано, что происходит при затягивании с помощью обычного болта. Затягивание осуществляется в результате движения U концов зажимного объекта друг к другу. Движению препятствует трение между круглым объектом и зажимным объектом (хомутом), из-за чего последний удлиняется неравномерно, то есть
1
2
3
4
5
e>e>e>e>е.
Это нежелательно из-за невозможности контролировать затягивание. Для максимального контроля желательно, чтобы удлинение было равномерным:
1
2
3
4
5
e=e=e=e=e=k.
Если затягивать не зажимной объект (хомут), а третий объект, например ленту, то вся затягивающая сила передается на круглый объект по нормали, а не в виде силы сдвига, вызванной трением между объектами. Это достигается благодаря большому трению между контактирующими поверхностями зажимного объекта и круглого объекта, тогда как трение между зажимным объектом и третьим объектом уменьшается.
1
5
На фиг.8 это проиллюстрировано на примере ленты, действующей в окружном направлении. При затягивании с помощью третьего объекта "e-e" зажимного объекта равны нулю, поскольку он не удлиняется.
Удлиняется только стяжной объект, имеющий небольшое трение (например, благодаря смазке между ним и зажимным объектом), при этом справедливо следующее соотношение:
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
e>e>е>e>e→e=e=e=e=e=k, когда коэффициент трения µ→0.
Это значит, что при уменьшении коэффициента трения между стяжным объектом и зажимным объектом затягивание становится близким к идеальному, без ухудшения функции зажимного объекта, который может иметь большой коэффициент трения с круглым объектом.