Устройство для транспортировки текучих сред между судном и турелью, установленной на этом судне
DEVICE FOR TRANSPORTING FLUIDS BETWEEN VESSEL AND TURRET INSTALLED ON THIS 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 разную 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 повредить его или вызвать 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 относительной деформации между судном (или конструкцией доступа к турели) и вертлюгом.
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 также содержит гибкий мост, соединяющий часть турели с судном, причем поворот этой части турели вокруг оси турели происходит по существу вместе с поворотом судна, но в то же время допускается смещение указанной части турели и судна друг относительно друга, а указанный мост поддерживает трубопровод для текучей среды, чтобы по существу снять нагрузки от этого трубопровода на вертлюг и его выходы.
Частью турели, соединенной с судном посредством моста, могут быть, например, поворотные части вертлюга. Мост может поддерживать трубопровод для текучей среды с возможностью их смещения друг относительно друга.
Следует иметь в виду, что признак «поворот части турели вокруг оси турели происходит по существу вместе с поворотом судна» не исключает возможность (небольшого) ограниченного поворота этой части турели и судна друг относительно друга (допустимая величина этого поворота может зависеть, помимо прочего, от гибкости трубопровода).
При наличии такого моста на нем обеспечивается по существу неподвижное крепежное место для гибкого канала для текучей среды между вертлюгом и судном (например, конструкцией доступа к турели), которое может воспринимать нагрузки трубопровода, вызванные относительными деформациями между компонентами, без необходимости увеличивать жесткость этих компонентов и без добавления секций трубопровода или дополнительных мест изгиба, благодаря чему достаточно иметь минимальную функциональную схему трубопроводов.
Согласно предпочтительному варианту выполнения устройства мост содержит по меньшей мере один шарнирный элемент, допускающий указанное смещение части турели и судна или закрепленной на нем конструкции друг относительно друга. Шарнирный элемент может быть расположен на конце моста, соединенном с указанной частью или соединенном с судном или с конструкцией, закрепленной на судне. Шарнирный элемент также может быть расположен между двумя противоположными концами моста. Благодаря шарнирному элементу достигается требуемая гибкость моста, который в остальном может быть жестким, при этом мост сохраняет способность служить эффективной опорой для трубопровода, чтобы снимать нагрузки от трубопровода на вертлюг и его выходы.
Шарнирный элемент может быть образован классическим шарниром (например, содержащим две части, соединенные осью шарнира) или ослабленной частью моста, аналогичной шарниру (например, особым образом ориентированное покрытие, допускающее относительное смещение соединенных с ним деталей).
Согласно другому варианту выполнения устройства мост выполнен достаточно длинным для достижения гибкости, допускающей указанное смещение части турели и судна или закрепленной на нем конструкции друг относительно друга, без необходимости в шарнирных элементах. Разумеется, если это необходимо, то шарнирные элементы в этом варианте могут использоваться.
Согласно еще одному варианту указанная часть турели (с которой соединен мост) представляет собой вертлюжную вышку, установленную вокруг вертлюга и соединенную с остальной частью турели посредством подшипника вертлюжной вышки, так что вертлюжная вышка не поворачивается вслед за поворотом остальной части турели вокруг оси турели. В этом варианте вертлюжную вышку можно также рассматривать как часть моста. Подшипник вертлюжной вышки позволяет ей поворачиваться во всех направлениях, но она сохраняет свою ориентацию относительно судна. Поскольку вертлюжная вышка и вертлюг установлены на турели, относительные деформации между выходом вертлюга и вертлюжной вышкой будут минимальны (а значит, и относительные деформации между вертлюгом и мостом, соединенным с вертлюжной вышкой).
Вертлюжная вышка может также служить для обеспечения доступа к вертлюгу для его обслуживания, осмотра и т.д.
Согласно одному варианту выполнения устройства мост соединен с вертлюжной вышкой так, что ее поворот вокруг оси турели происходит вместе с поворотом судна.
Согласно альтернативному варианту выполнения устройства вертлюжная вышка соединена с судном посредством торсионного стопорного механизма, который по существу обеспечивает то, что вертлюжная вышка и судно поворачиваются синхронно. Таким образом, торсионный стопорный механизм может препятствовать повороту вертлюжной вышки вокруг оси турели относительно судна. Торсионный стопорный механизм может быть пассивным или активным.
Поскольку, как указано выше, относительные деформации между выходом вертлюга для текучей среды и вертлюжной вышкой минимальны, трубопровод может быть прикреплен к вертлюжной вышке неподвижно (по существу жестко), не создавая существенных нагрузок на вертлюг и его выходы. Например, опорные точки для трубопровода могут находиться на вертлюжной вышке, чтобы ослабить деформационные нагрузки (действующие в трубопроводе и вызванные относительным смещением его компонентов, как указано выше) на вертлюг.
Если относительные деформации между выходом вертлюга для текучей среды и вертлюжной вышкой все же значительны, например, при небольшом несовпадении их осей поворота, в вертлюжной вышке или вокруг нее трубопровод может быть расположен в виде петли. Эта петля имеет достаточную гибкость, чтобы воспринимать эти относительные деформации без возникновения неприемлемых напряжений в вертлюге.
Подшипник вертлюжной вышки может быть расположен выше или ниже уровня входа вертлюга для текучей среды или на одном уровне с этим входом. Такой вход для текучей среды также называется впускным коллектором.
В следующем варианте выполнения устройства, имеющего вертлюжную вышку, мост или его часть установлены с возможностью поворота вокруг вертикальной оси. В этом варианте поворот вертлюжной вышки происходит по существу вместе с поворотом судна, хотя и в меньшей мере, чем в других вариантах. Это позволяет использовать мост с лучшими характеристиками и более простой конструктивной схемой.
Например, мост может быть соединен с указанной закрепленной на судне конструкцией через универсальный шарнир, например шаровой шарнир, допускающий поворот, но препятствующий поступательному перемещению моста относительно этой конструкции. В этом случае мост может быть достаточно жестким, создавая хорошую опору для трубопровода, в то время как указанная конструкция может быть выполнена в виде менее сложной рамы, которая не нагружена торсионными силами. Как альтернатива, сам мост может включать такой универсальный шарнир между двумя соседними частями моста, первая их которых соединена непосредственно с судном, а вторая соединена с соответствующей частью турели (например с вертлюжной вышкой).
В одном из вариантов выполнения устройства подшипник вертлюжной вышки расположен на основании вертлюга, которое может иметь увеличенный размер. Таким образом, может быть предусмотрено основание вертлюга, имеющее больший диаметр, чем остальная часть вертлюга, и несущее подшипник вертлюжной вышки. Благодаря этому увеличивается устойчивость вертлюжной вышки (относительно вертлюга) и уменьшаются деформации между вертлюгом и вертлюжной вышкой.
В вариантах, где имеется вертлюжная вышка, указанная часть турели (с которой соединен мост) может быть образована поворотной частью (поворотными частями) вертлюга.
При этом мост может быть соединен с поворотными частями вертлюга так, что их поворот вокруг оси турели происходит по существу вместе с поворотом судна (т.е. они поворачиваются синхронно с судном) или поворотные части вертлюга могут быть соединены с судном с помощью торсионного стопорного механизма.
Далее изобретение описано со ссылками на чертежи, где
Фиг. 1 схематично изображает известное устройство,
Фиг. 2 схематично изображает первый вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг. 3 изображает разрез по линии A-A на фиг. 2,
Фиг. 4 схематично изображает второй вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг. 5 схематично изображает третий вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг. 6 изображает разрез по линии B-B на фиг. 5,
Фиг. 7 схематично изображает четвертый вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг. 8 изображает разрез по линии C-C на фиг. 7,
Фиг. 9 схематично изображает пятый вариант выполнения устройства согласно изобретению,
Фиг. 10 изображает разрез по линии D-D на фиг. 9 и
Фиг. 11 изображает разрез по линии E-E на фиг. 9.
На фиг. 1 показано известное устройство для транспортировки текучих сред между судном 1 и турелью 2, установленной на этом судне с возможностью поворота вокруг по существу вертикальной оси 3 турели. В верхней части турель 2 содержит вертлюг 4, имеющий по меньшей мере один выход 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.
Согласно вариантам выполнения устройства, представленным на фиг. 2-11, оно также содержит гибкий мост 12, соединяющий часть турели 2 с судном 1 или с конструкцией 7, закрепленной на судне. Устройство выполнено таким образом, что поворот этой части турели 2 вокруг оси 3 турели происходит по существу вместе с поворотом судна, но в то же время допускается возможность смещения указанной части турели и судна или закрепленной на нем конструкции друг относительно друга. Мост 12 поддерживает трубопровод 6 для текучей среды так, что допускается их смещение друг относительно друга.
Как видно на фиг.2, мост 12 имеет вертикальную часть 13, прикрепленную к судну 1 через шарнирный элемент 14, допускающий возможность смещения указанной части турели 2 (вертлюжной вышки 17, как описано ниже) и судна 1 друг относительно друга. Мост имеет горизонтальную часть 15, которая соединяет вертикальную часть 13 с указанной частью турели. Как показано на фиг.3, горизонтальная часть 15 может состоять из нескольких соединенных между собой балок 15', центральная из которых поддерживает трубопровод 6 для текучей среды, предпочтительно так (посредством направляющей 21), что допускается смещение этой балки 15' и трубопровода 6 друг относительно друга. Аналогичным образом вертикальная часть 13 поддерживает трубопровод (посредством направляющей 22).
Шарнирный элемент 14 также может быть расположен между вертикальной частью 13 и горизонтальной частью 15 моста 12 или на его противоположном конце, соединенном с турелью 2 (не показано). Шарнирные элементы могут быть предусмотрены также в других местах. Каждый шарнирный элемент 14 может быть классическим шарниром (как показано) или может быть образован ослабленной частью (моста или соединенного с ним компонента), аналогичной шарниру (например деформируемой пластиной 16 между вертикальной и горизонтальной частями 13, 15 моста).
Как показано на фиг. 2, указанная часть турели 2, с которой соединен мост 12, представляет собой вертлюжную вышку 17, окружающую вертлюг 4 и соединенную с остальной частью турели 2 через подшипник 18 вертлюжной вышки. Вертлюг 4 может иметь основание 34, диаметр которого больше диаметра остальной части вертлюга и на котором установлен подшипник 18 вертлюжной вышки. Подшипник вертлюжной вышки обычно является роликовым подшипником или подшипником скольжения.
В одном варианте выполнения устройства мост 12 соединен с вертлюжной вышкой 17 таким образом, что ее поворот вокруг оси 3 турели происходит по существу вместе с поворотом судна. В результате вертлюжная вышка 17 не поворачивается вслед за поворотом остальной части турели 2 вокруг оси 3 турели или поворачивается очень незначительно.
В рассматриваемом варианте трубопровод 6 для текучей среды прикреплен к вертлюжной вышке 17 неподвижно посредством по меньшей мере одного опорного элемента 19. Однако опорный элемент может быть расположен в другом месте, например на мосту 12. Этот опорный элемент может также допускать небольшое перемещение трубопровода 6. Соответственно, трубопровод может быть прикреплен к судну 1 (посредством опорного элемента 20).
На фиг. 3 показаны приводные рычаги 35 вертлюга, соединяющие часть вертлюга с вертлюжной вышкой.
На фиг. 4 представлен второй вариант выполнения устройства, в котором мост 12 опирается на конструкцию 23 (например, модуль), закрепленную на судне, а в остальном очень схож с мостом в ранее рассмотренном варианте. Однако согласно фиг.4, вертлюжная вышка 17 соединена с судном 1 (или с его вспомогательной конструкцией 1') посредством торсионного стопорного механизма 33 (активного или пассивного), который препятствует повороту вертлюжной вышки 17 вокруг оси 3 турели. Таким образом, в этом варианте для предотвращения поворота вертлюжной вышки 17 не требуется мост 12 (тем не менее, он может выполнять или не выполнять такую функцию).
На фиг. 5 и 6 показан вариант устройства, согласно которому мост выполнен по-другому, а именно, он имеет горизонтальную часть 24 (в данном варианте состоящую из балок 24'), соединенную одним концом с вертлюжной вышкой 17 и имеющую на другом конце шарнирный механизм 25, через который она соединена с конструкцией 27.
В отношении этого варианта можно сказать, что мост 12 имеет горизонтальную часть 24 и прикрепленную к судну вертикальную часть 27, между которыми установлен шарнирный механизм 25. Это зависит от того, как охарактеризовать компоненты устройства.
На фиг. 7 и 8 показан вариант, в котором вертлюжной вышки нет, а указанная часть турели 2, с которой соединен мост 12, образована поворотными частями вертлюга 4. В этом варианте мост 12 соединен с поворотными частями вертлюга 4 таким образом, что они поворачиваются по существу вместе с судном. Фактически имеются два расположенных один над другим моста 12, каждый из которых соединен с вертлюгом 4 и конструкцией 28 по существу так же, как в предыдущем варианте, и поэтому подробно здесь не рассматривается. Однако следует отметить, что такие составные мосты 12 (может быть только один мост или более двух мостов, в зависимости от количества трубопроводов 6 для текучей среды) могут поддерживать несколько трубопроводов 6 и могут быть разделены (как показано) или объединены (например, установлены один на другом). Трубопровод 6 может быть соединен с мостом 12 посредством опорных элементов 29, при этом направляющие 30 позволяют конструкции 28 (которая является частью моста 12) и трубопроводу 6 перемещаться друг относительно друга.
На фиг. 9-11 показан вариант выполнения устройства, в котором мост 12 установлен с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 26, определяемой конструкцией 30, прикрепленной к судну 1. Поворот может обеспечиваться универсальным шарниром, например шаровым шарниром, который допускает поворот не только вокруг вертикальной оси 26 и препятствует поступательному перемещению моста 12 относительно конструкции 30, прикрепленной к судну 1. В результате мост 12 может быть выполнен сравнительно жестким, а конструкция 30 не будет подвергаться торсионным нагрузкам от вертлюжной вышки и поэтому может быть выполнена менее тяжелой.
В этом варианте выполнения устройства тоже можно считать, что мост имеет горизонтальную часть 12 и конструкцию 30, между которыми установлен универсальный шарнир.
Кроме того, в этом варианте вертлюжная вышка 17 может отсутствовать или она может быть соединена с судном с помощью торсионного стопорного механизма 33 (см. фиг. 4), чтобы поворотные части вертлюга 4 поворачивались вместе с судном 1 вокруг оси 3 турели.
Изобретение не ограничено описанными вариантами его осуществления и допускает изменения в пределах объема, определяемого формулой изобретения.