УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ
PIPES CONNECTION DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству для соединения конца первого трубопровода с концом второго трубопровода, поддерживаемого подводной конструкцией, снабженной, по меньшей мере, двумя направляющими элементами.
Уровень техники
Подводные установки для добычи нефти и газа обычно соединяются между собой трубами-перемычками, часто называемыми трубопроводными "катушками". Подобное соединение может быть создано между скважиной и манифольдом или выкидной линией (снабженной тройником) или между системами опорных плит. Данная перемычка подготавливается на поверхности, причем в каждом случае таким образом, чтобы точно соответствовать расстоянию между раструбами, имеющимися на концах трубопроводов. К каждому концу перемычки обычно крепится стыковочная головка. Существуют два основных способа установки таких перемычек. При вертикальной установке, называемой "методом ниппеля и шарнира", перемычку ориентируют вертикально и вводят ее в приемник, имеющийся на подводной установке. Затем перемычку поворачивают в горизонтальное положение и соединяют ее первый (шарнирный) конец с раструбом трубопровода на первой установке (обычно называемым внутренним раструбом), после чего соединяют второй конец перемычки. Пример данного метода описан в патенте NO 319639.
При горизонтальной установке перемычку подвешивают к несущей раме в горизонтальном положении и оба ее конца одновременно опускают в приемные секции подводных установок. Затем подтягивают стыковочную головку перемычки к внутреннему раструбу и производят соединение (см., например, фиг.13 и 14 в международной заявке WO 01/79736).
При вертикальных установках могут возникать значительные нагрузки на конструкции, устанавливаемые на морском дне, в процессе их опускания и разворота. Кроме того, требуются направляющие конструкции, чтобы обеспечить точное согласование по положению до осуществления соединения.
В WO 01/79736 описано горизонтальное соединение, при осуществлении которого несущая рама (подвесная платформа) связана с каждой стыковочной головкой. Платформа содержит соединительный хомут, который опускают на внутренний раструб. Это обеспечивает точную установку стыковочной головки в положение для соединения, после чего головку можно перемещать в направлении внутреннего раструба с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата (далее - аппарат ROV). Недостатком данной системы является ее сложность; кроме того, весь вес перемычки будет приложен (через хомут) к внутреннему раструбу.
Ближайшим аналогом изобретения является раскрытое в GB 2118657 А (например, представленное на фиг.16-20) устройство для соединения концов двух трубчатых компонентов, поддерживаемых подводной конструкцией. Известное устройство содержит гидравлический привод, имеющий первое и второе средства для разборного сопряжения с соответствующим буртами на обоих соединяемых компонентах, а также соединитель для осуществления соединения указанных компонентов и приводной инструмент, воздействующий на соединитель для осуществления соединения. Область применения известного устройства ограничена осуществлением соединения только в ситуациях, когда оба соединяемых компонента поддерживаются подводной конструкцией.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на усовершенствование известных решений путем расширения области применения по сравнению с его ближайшим аналогом и уменьшения количества деталей и упрощения функционирования по сравнению с рассмотренными устройствами, описанными в NO 319639 и WO 01/79736. Так, вместо специального аппарата ROV для подвода стыковочной головки к внутреннему раструбу (как это проиллюстрировано на фиг.5 в WO 01/79736), в изобретении можно использовать простой привод типа цилиндр/поршень, например гидроцилиндр или цилиндр с ходовым винтом. Такой привод может приводиться в действие простыми устройствами, размещенными на аппарате ROV.
Операции могут выполняться манипулятором в составе аппарата ROV с использованием инструментов, извлекаемых из подводного контейнера. Это делает необязательным применение соединительного устройства, жестко закрепленного под аппаратом ROV, как это описано в WO 01/79736, и, тем самым, позволяет уменьшить объем работы по состыковке с подводной установкой, к которой относятся трубопроводы, и, следовательно, облегчить работу с аппаратом ROV. Не требуется развертывать, а затем возвращать на борт никаких компонентов, кроме контейнера (контейнеров) с инструментами для аппарата ROV. При этом все инструменты, приводимые в действие с аппарата ROV, могут быть сделаны простыми для освоения и эксплуатации. Низкий порог освоения для пользователя может ослабить требования к образованию и тренированности экипажа судна. Соответственно, логистика применения устройства по изобретению, особенно в отношении операций по всему миру, может быть сделана достаточно простой. В частности, не требуется возвращать данное, простое устройство его изготовителю для восстановления и хранения; его обслуживание может осуществляться в рамках локального проекта. Устройство сконструировано с возможностью охватывать все релевантные размеры трубопроводов, особенно стандартные изолированные трубы с внутренним диаметром 12 дюймов и неизолированные трубы с внутренним диаметром до 14 дюймов.
Устройство согласно изобретению является устройством для соединения конца первого трубопровода с раструбным концом трубы, поддерживаемой подводной конструкцией, содержащей, по меньшей мере, два направляющих элемента, при этом первый трубопровод имеет первое анкерное средство, а раструбный конец трубы имеет второе анкерное средство. Устройство по изобретению содержит: приводной инструмент для осуществления соединения конца первого трубопровода с раструбным концом трубы; приемную часть, имеющую U-образный профиль с прорезью для взаимодействия с первым анкерным средством и поддерживающую, с возможностью скользящего перемещения, конец первого трубопровода, и по меньшей мере, две отходящие от приемной части направляющие и регулировочные секции, концы которых снабжены присоединительными частями, сопрягающимися с направляющими элементами. Устройство содержит также привод, имеющий первое и второе крепежные средства для разборного сопряжения со вторым и первым анкерными средствами.
Приемная часть может быть снабжена хомутом, имеющим, например, U-образный профиль. Направляющие и регулировочные секции могут быть снабжены опорными элементами. Привод, установленный между анкерными средствами, содержит средства для осуществления перемещения, например поршень и цилиндр, снабженные находящимися на их концах крепежными средствами для прикрепления к анкерным средствам. У хомута может иметься прорезь для взаимодействия со вторым анкерным средством. Соединитель, служащий для соединения двух концов трубопроводов, может содержать соединительный зажим, приводимый в действие устройством для создания крутящего момента. Альтернативно, соединитель может содержать соединительный замок. В этом случае установленный на конец трубопровода приводной инструмент для осуществления соединения будет приводить в действие пальцы замка.
Согласно первому варианту устройства направляющие и регулировочные секции можно выполнить в виде выступающих кронштейнов, каждый из которых заканчивается присоединительной частью в форме воронки. В этом варианте направляющие элементы могут быть выполнены, как конические элементы-упоры.
Согласно второму варианту устройства направляющие и регулировочные секции выполнены в виде выступающих кронштейнов, каждый из которых заканчивается присоединительной частью в форме фиксатора. Фиксаторы могут быть выполнены, как направляющие штифты. В этом варианте каждый из направляющих элементов может быть снабжен вырезом для ввода в него фиксатора. Данный вырез может иметь входную часть, выполненную с возможностью направлять фиксаторы в вырезы и служить опорной поверхностью для опорных элементов, которые можно выполнить в форме штифтов.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи. На фиг.1 устройство по изобретению показано в собранном виде. На фиг.2-5 иллюстрируются операции способа согласно изобретению. На фиг.6-7 более детально показаны кронштейны устройства по изобретению. На фиг.8-9 представлен альтернативный вариант кронштейнов. На фиг.10 иллюстрируются детали варианта по фиг.8-9. На фиг.11-12 в собранном виде показано устройство по изобретению с альтернативным вариантом кронштейнов.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показаны в собранном состоянии устройство и конструкции, используемые в системе для соединения концов двух трубопроводов, которые могут быть снабжены раструбами. Установленная на морском дне конструкция 1 содержит раму 2, которая несет трубу 3 с раструбом 5 на конце (фиг.2). Труба, показанная на фиг.1, может быть изолированной. Ее конец с раструбом обычно именуют внутренним раструбом. К внутреннему раструбу 5 прикреплено выступающее вверх анкерное средство 4, такое как анкерный штифт. Рама 2 несет также направляющие элементы 11, 12, представленные в виде направляющих стоек, расположенных по обе стороны внутреннего раструба. Каждый направляющий элемент (каждая стойка) 11, 12 выступает вверх и сходится в точку. В основании этих элементов имеются участки, действующие как упоры 15, 16, функция которых будет пояснена далее. В варианте по фиг.1 стойки имеют коническую форму, но они могут быть также выполнены в виде пластин или иных конструкций, служащих опорами для направляющих элементов, предпочтительно благодаря приданию им увеличенного поперечного сечения. В варианте по фиг.1 одна направляющая стойка выполнена длиннее другой.
Такое выполнение облегчает состыковку и позволяет вращать направляющие кольца и согласовывать их по положению с направляющими стойками.
В представленном варианте трубопровод 22 снабжен закрепленной на его конце стыковочной головкой 20. Хотя далее изобретение будет описано применительно к наличию на конце трубы такой головки 20, специалистам должно быть понятно, что нижеследующее описание применимо также к вариантам изобретения, в которых такая головка не используется, т.е. она заменена другими элементами, пригодными для аналогичного использования, или конец трубы выполнен не требующим наличия дополнительных элементов. В устройстве по изобретению могут использоваться соединители в виде как соединительных зажимов, так и соединительных замков. На фиг.1 показан соединительный замок, соединительные пальцы которого (не изображены) расположены у передней части стыковочной головки 20. В этом случае соединитель будет содержать приводное кольцо 24, а для обеспечения линейной подачи соединительных пальцев для замыкания соединительного устройства будет использоваться приводной инструмент 60. Если же соединительным устройством является соединительный зажим 100, он, как правило, будет предварительно устанавливаться на раструб, как это показано на фиг.1.
У стыковочной головки имеется часть 26 с постоянным диаметром и относительно гладкой поверхностью. На этой части установлено выступающее вверх первое анкерное средство 28, такое как анкерный штифт.
Устройство по изобретению, представленное в варианте с направляющими кронштейнами (см. также фиг.6 и 7), содержит приемную часть 32, которая может быть выполнена в виде хомута, и две направляющие и регулировочные секции 34, 35, выполненные в виде кронштейнов. Каждый кронштейн заканчивается присоединительной частью 36, 37, выполненной, например, в виде воронки, приспособленной для сопряжения с направляющими элементами (стойками) 11, 12 и, в собранном состоянии, опирающейся на упоры 15, 16 (представленные на чертежах в виде конических участков). В хомуте выполнена прорезь 33, ориентированная своим продольным направлением вдоль оси стыковочной головки. При этом хомуту 32 придан U-образный профиль, внутренний диаметр которого согласован с наружным диаметром части 26 стыковочной головки или конца трубы. Хомут может линейно перемещаться относительно данной части 26 или конца трубы. Для закрепления хомута с охватом стыковочной головки может быть использован запорный рычаг. Это позволит отсоединить часть с кронштейнами и вернуть ее на судно по завершении операции соединения трубопроводов. Однако в предпочтительном варианте через открытую часть U-образного профиля проведены стержни 38, чтобы поддерживать стыковочную головку. Как показано на фиг.1, пластина 39, которая прикреплена к анкерному штифту 28, образующему анкерное средство, удерживает хомут 32, позволяя устройству перемещаться относительно стыковочной головки, оставаясь связанным с ней. На каждой направляющей секции (кронштейне), непосредственно за воронками, могут иметься опорные элементы 31, 52, например в виде неподвижных скоб, выполненных с возможностью опираться на раму 2, чтобы вес стыковочной головки был приложен к раме.
Привод 40 выполнен с возможностью осуществлять относительное перемещение концов первого и второго трубопроводов. На чертежах данный привод представлен в виде цилиндра, например гидроцилиндра, содержащего шток 41 и цилиндр 43. На конце штока имеется крепежное средство 42, такое как кольцо для сопряжения штока со вторым анкерным средством 4, представленным в виде штифта. Аналогично, на конце цилиндра 43 имеется крепежное средство 44 для сопряжения цилиндра с первым анкерным средством 28, представленным в виде штифта. Привод приводится в действие от аппарата ROV, снабженного средствами для подачи текучей среды под давлением, например гидравлической жидкости, к приводу 40 через сочленение 48. Хотя на чертежах представлен гидроцилиндр, очевидно, что вместо него, с тем же результатом, можно использовать другие устройства, например механизм с ходовым винтом и гайкой.
В том случае, если используется соединитель с соединительным замком, на стыковочную головку (или на конец трубопровода) будет устанавливаться приводной инструмент 60, как это показано на фиг.1-6. Этот приводной инструмент содержит первую часть 62, которая способна охватывать кольцо 24 данного замка, и вторую часть 64, которая способна охватывать стыковочную головку (или конец трубопровода) и которая удерживается от перемещения за счет упора в хомут 32. Обе части 62, 64 взаимосвязаны посредством цилиндров 65, 66, например гидроцилиндров, позволяющих перемещать первую часть относительно второй части при подаче в цилиндры жидкости под давлением от аппарата ROV через сочленение 48. При своем перемещении первая часть 62 будет смещать кольцо 24 вперед, обеспечивая тем самым плотный охват соединительными пальцами замка раструба 5.
Специалисту будет очевидно, что использование в качестве соединителя соединительного зажима приведет к применению приводного инструмента другого типа.
При установке перемычки к ней крепится подъемная рама (как это описано в вышеупомянутом документе WO 01/79736). На конце перемычки, показанном на фиг.1, для этой цели может быть использовано первое анкерное средство (штифт) 28, снабженное (снабженный) подъемным крюком 50, разъемно присоединенным к штифту. Аналогичные подъемные крюки будут распределены по длине перемычки, как это показано в WO 01/79736. Перемычку опускают в горизонтальном положении, так что присоединительная часть 37 (представленная в варианте воронки) насаживается на направляющий элемент 12. Чтобы обеспечить правильное позиционирование, перемычка может быть развернута таким образом, чтобы присоединительная часть 36 (направляющая воронка) была подведена к направляющему элементу 11. Аналогичная операция осуществляется и на другом конце перемычки. Затем перемычку опускают еще ниже до тех пор, пока кронштейны, образующие направляющие и регулировочные секции 34, 35, не установятся на упоры 15, 16. Конец трубопровода при этом занимает положение, показанное на фиг.2. Опорные элементы 31, 52 в виде скоб находятся на раме 2, так что они поддерживают направляющие и регулировочные секции 34, 35, чтобы уменьшить изгибающую нагрузку на упоры 15, 16. Когда перемычка опустится на упоры, подъемные крюки 50 освобождаются. Аппарат ROV сначала захватывает (как правило, из контейнера, помещенного заранее на морское дно) приводной инструмент 60 и устанавливает его на стыковочную головку. Затем аппарат ROV захватывает привод 40 и закрепляет крепежные средства 42, 44 на анкерных средствах (штифтах) 4 и 28 соответственно (фиг.2). Далее аппарат ROV будет использован для приведения в действие привода 40 для подтягивания стыковочной головки 20 к трубе 3 (т.е. к ее внутреннему раструбу 5). Эта операция, как правило, завершается, когда раструбы окажутся на небольшом расстоянии друг от друга, что позволит аппарату ROV применить соответствующий инструмент для очистки концов раструбов и установить уплотнительную прокладку. Когда это будет выполнено, привод снова активируется, чтобы сблизить раструбы, что соответствует ситуации, проиллюстрированной на фиг.3. Затем приводится в действие приводной инструмент 60, чтобы обеспечить соединение (см. фиг.4). В представленном варианте, когда соединитель является соединительным замком с пальцами, охватывающими внутренний раструб, приводной инструмент используется, чтобы переместить кольцо 24 вперед и тем самым обеспечить прижатие указанных пальцев к внутреннему раструбу.
Если в качестве соединителя используется соединительный зажим, аппарат ROV будет использовать приводной инструмент, создающий крутящий момент, чтобы обеспечить замыкание данного зажима вокруг раструбов, как это описано в N0 319639.
По завершении соединения приводной инструмент и привод отводятся от трубы и используются для осуществления соединения на втором конце перемычки. В результате имеет место ситуация, показанная на фиг.5. Единственным компонентом, оставляемым под водой, является сам соединитель; все остальные компоненты будут подняты на поверхность для повторного использования.
Специалисту будет понятно, что изобретение может быть использовано также для соединения в вертикальном положении. В этом случае присоединительные части (воронки) 36, 37 могут быть, например, развернуты на 90° по отношению к направляющим и регулировочным секциям (кронштейнам) 34, 35, позволяя тем самым присоединительным частям скользить по направляющим элементам 11, 12 и обеспечивая правильную ориентацию стыковочной головки относительно раструба.
На фиг.8-12 представлен альтернативный вариант подведения стыковочной головки 20 к раструбу и настройки их взаимных положений. В этом варианте направляющие и регулировочные секции 34' (кронштейны) имеют стыковочную часть, снабженную направляющими/согласующими штифтами 36', 37'. Эти штифты выполнены с возможностью взаимодействия с направляющими элементами, сконфигурированными в виде сходящихся наклонных плоскостей, заканчивающихся вырезом 11'. Кронштейны несут, кроме того, опорные штифты 52', 31', также расположенные на выступающих концах кронштейнов, но выше направляющих/согласующих штифтов 36', 37'. Опорные штифты, аналогично анкерному средству 28, показанному на фиг.2, будут поддерживать стыковочную головку в горизонтальном положении. Чтобы обеспечить сопряжение между стыковочной головкой и внутренним раструбом, направляющие и регулировочные секции 34' сначала устанавливают в положение, в котором направляющие штифты 36', 37' вводятся во входную часть 70. При дальнейшем опускании стыковочной головки направляющие штифты 36', 37' придут в контакт с наклонными поверхностями входной части 70, как это показано на фиг.11. Дальнейшее движение стыковочной головки приводит каждый из направляющих штифтов 36', 37' во взаимодействие с соответствующим вырезом 11', чтобы зафиксировать положение этих штифтов 36', 37' благодаря согласованному выбору форм и размеров направляющих штифтов 36', 37' и вырезов 11' (см. фиг.9 и 10). Опорные штифты 52', 31' опираются на наклонные поверхности входной части 70, чтобы вес стыковочной головки был приложен к приемной части 32. Входные части 70 с вырезами 11' являются частями секции 71, выполненной в форме хомута, которая может фиксироваться в заданном положении анкерным средством 4, выступающим из отверстия в секции 71. Однако хомут может крепиться к внутреннему раструбу посредством болтов или сварки.
Фиг.11 и 12 иллюстрируют компоненты устройства по изобретению. Компоненты, схожие с компонентами устройства по первому варианту изобретения, имеют те же обозначения. Хотя по форме первая и вторая части 62, 64 приводного инструмента 60 отличаются от аналогичных частей по фиг.1, они функционируют аналогичным образом.
Функцию направляющих штифтов 36', 37' могут выполнить различные элементы, приспособленные для взаимодействия с вырезами 11' так, что это взаимодействие позволяет обеспечить стабильное сопряжение между данными деталями. Направляющие штифты 36', 37', показанные на фиг.8-11, имеют форму цилиндрических элементов. Осевое направление этих элементов (их длина) ориентировано (ориентирована) поперечно осевому направлению (длине) кронштейна, несущего также цилиндрические элементы с круглым поперечным сечением, входящие в вырезы 11'. Разумеется, штифтам можно придать другое (некруглое) сечение или использовать элементы с формой, отличной от формы штифтов, но способных входить в указанные вырезы. Кроме того, в зависимости от области применения, можно варьировать также размеры и форму данных вырезов.
Согласно проиллюстрированному варианту опорные штифты 52', 31' имеют форму, сходную с формой направляющих штифтов 36', 37'. Разумеется, можно использовать опорные штифты 52', 31' и направляющие штифты 36', 37' в виде как сходных, так и различающихся конструктивных элементов.
Опорные штифты 52', 31', служащие для поддержки трубного компонента, введенного в приемную часть 32, и сконфигурированные с возможностью их ввода во входную часть 70, могут быть выполнены, как элементы, отличные от элементов, показанных на фиг.8-11, при условии выполнения ими функции опорных штифтов.
Устройство согласно изобретению сконструировано таким образом, что составляющие его компоненты могут быть собраны в варианте, зависящем от конкретного применения. При этом согласно изобретению в состав устройства входят, по меньшей мере, следующие компоненты: приемная часть, направляющие и регулировочные секции, направляющие элементы, привод и приводной инструмент. При этом компоненты предпочтительно выполняются с возможностью разборного соединения с трубопроводом (трубопроводами) для повторного их использования.
Если соединитель построен на основе соединительного замка, приводной инструмент 60 служит для перемещения пальцев замка; кроме того, на устройство устанавливается привод 40, чтобы обеспечить совмещение соединяемых частей (см. фиг.4). Если соединитель построен на основе соединительного зажима, привод 40 сразу устанавливается на устройство для совмещения соединяемых частей. Приводной инструмент 60 и привод 40 могут быть, например, помещены в контейнер, и аппарат ROV может использоваться для того, чтобы захватывать оборудование, которое требуется на различных операциях осуществления соединения. После завершения соединения труб компоненты устройства согласно изобретению могут быть впоследствии освобождены и сняты, чтобы быть готовыми к повторному применению. Как правило, направляющие и регулировочные секции 34, 35, 34' будут устанавливаться на трубопровод до его погружения, а затем сниматься с трубопровода по завершении соединения, так что они будут готовы для повторного использования в другом применении.
Хотя изобретение описано применительно к трубопроводам, оно может использоваться также для соединения шлангопроводов, гибких труб или кабелей.