МАНИПУЛИРОВАНИЕ ГРУЗАМИ В МОРСКОЙ АКВАТОРИИ
LOAD MANIPULATION IN SEA WATER AREA

Настоящее изобретение относится к манипулированию грузами в морской акватории, например в морской нефтегазодобывающей отрасли.
Хотя настоящее описание для пояснения настоящего изобретения будет ссылаться на манипулирующие конструкции, используемые в нефтегазовой промышленности, настоящее изобретение может быть использовано при перемещении или сооружении других морских прибрежных конструкций, таких как ветровые турбины или приливные турбины, используемых для получения возобновляемой энергии.
Во время обустройства и разработки подводных месторождений нефти или газа существует необходимость в опускании множества отдельных больших и тяжелых грузов со строительных судов на морское дно. Примеры таких грузов включают опорные плиты, коллекторы и другие конструкции, относящиеся к подводной добывающей системе, в частности пьедесталам фонтанной арматуры. Некоторые из этих грузов могут весить значительно больше 100 тонн, в качестве неограничивающего примера, а для некоторых может потребоваться, чтобы вместе с ними поднималась громоздкие спредеры.
Операция опускания может быть разделена на четыре фазы, а именно: перемещение за борт, когда груз поднимается из места хранения на палубе строительного судна и перемещается горизонтально в положение над морем; перемещение через зону заплеска волны, когда груз опускается через волны на морскую поверхность; опускание на глубину, когда груз опускается от поверхности до положения вблизи морского дна; и посадка, когда груз, в завершение, опускается на морское дно в необходимом месте.
Настоящее изобретение относится к первым двум фазам операции опускания, когда груз повергается действию различных усилий, что требует эффективного управления его горизонтальным перемещением. Будучи подвешенным в воздухе во время перемещения за борт, груз ведет себя как свободный маятник и подвергается действию порывов ветра и движения судна. Период собственных колебаний этой маятниковой системы изменяется в зависимости от длины грузоподъемного такелажа, и ее амплитуда горизонтального перемещения может увеличиваться, особенно под действием перемещения судна. На второй фазе, а именно при входе в зону заплескивания, волны создают высокие гидродинамические усилия, которые приводят в движение груз в различных направлениях.
В качестве примера, принадлежащее Заявителю судно Seven Borealis для глубоководных строительных работ оснащено бортовым мачтовым краном. Этот кран содержит стальную мачту, имеющую пьедестал или базовую часть и выступающую вверх от рабочей палубы судна. Пьедестал неподвижно закреплен относительно корпуса, а на нем установлены поворотная платформа и головка мачты. Поворотная платформа поддерживает основную стрелу, которая может поворачиваться вокруг прямостоящей оси мачты, а также поворачиваться вокруг горизонтальной оси относительно мачты. Головка мачты следует за поворотным перемещением стрелы, так что грузоподъемный такелаж стрелы, перемещающийся от вершины головки мачты к вершине стрелы, может регулировать наклон стрелы и, следовательно, радиус подъема.
Фиг 1. показывает еще один пример строительного судна, используемого в морской нефтегазовой отрасли, а именно принадлежащее Заявителю судно Skandi Seven. Это судно 10 имеет широкую рабочую палубу 12, на которой большие и тяжелые объекты, такие как донные опорные плиты, могут доставляться к месту монтажа в морской акватории. При необходимости на палубе 12 в различных местах могут быть также установлены модульные устройства для манипулирования грузами, такие как лебедки.
Большой основной кран 14, установленный на палубе, смещен в одну сторону палубы 12 и используется для подъема объектов за борт с палубы 12, когда судно находится на месте монтажа, и для их опускания на морское дно. Кран 14 в данном примере рассчитан на манипулирование грузами до 250 тонн. Кран 14 может также использоваться для погрузки таких объектов на палубу 12, когда судно 10 находится в доке у причала, хотя, разумеется, в случае наличия причального крана он может использоваться для погрузки вместо палубного.
В этом типовом примере кран 14 имеет стрелу 16, которая поворачивается относительно неподвижной опоры и выступает вверх от палубы 12. Стрела 16 поворачивается относительно палубы 12 и пьедестала 18 с целью доставки объекта с палубы 12 в забортное положение, которое находится на удалении от боковой стороны судна 10 и с которого этот объект может быть опущен в море.
Стрела 16 крана 14 является шарнирно-сочлененной стрелой, показанной на фиг. 1 в ее компактном убранном положении для понижения центра тяжести во время плавания. Шарнирно-сочлененная стрела имеет преимущества, в том числе сокращение длины грузоподъемного такелажа, подвешиваемого между краном 14 и грузом во время работы. Это облегчает управление грузом благодаря противодействию его тенденции к раскачиванию.
Далее, для улучшения поперечного управления грузом кран 14 строительного судна 10 в случае выгрузки за борт и опускания больших и тяжелых объектов обычно доукомплектовывается двумя или более вспомогательными лебедками, устанавливаемыми на палубе или на кране. Вспомогательные лебедки прикладывают натяжение к соответствующим канатам, прикрепленным к различным местам объекта с целью управления его поперечным перемещением относительно стрелы 16 крана 14. Например, синхронизированное перемещение вспомогательных лебедок может поворачивать объект вместе с краном 14, когда последний поворачивается относительно палубы 12 в забортное положение. Вспомогательные лебедки также помогают удерживать объект, когда судно 10 подвергается бортовой и килевой качке; аналогично, они удерживают объект от раскачивания из-за порывов ветра, когда объект подвешен в воздухе, и из-за волн и течений, когда объект пересекает зону заплескивания сразу же после того, как он был опущен в море.
Вспомогательные лебедки представляют собой только частичное решение проблемы стабилизации груза, и они не свободны от некоторых недостатков. Например, вспомогательные лебедки и их канаты занимают место на палубе строительного судна, где они могут мешать некоторым операциям. Кроме того, вспомогательные лебедки могут прикладывать только тянущие усилия к грузу, что снижает их способность управлять грузом.
В приложениях с более высокими требованиями вспомогательные лебедки могут использоваться только для помощи в перемещении за борт и опускании больших и тяжелых объектов при благоприятных состояниях моря, с характерной высотой волны менее 1,5 м. На самом деле вспомогательные лебедки потенциально опасны, если они используются при более сильном волнении на море с характерной высотой волны 2,0 м и более. Существует опасность, что канат лебедки будет ослабевать и затем резко натягиваться, если груз раскачивается, что вызовет высокие импульсные нагрузки на канат и может привести к его выходу из строя.
Хотя вспомогательные лебедки большего размера могут быть арендованы и установлены на палубе судна с целью манипулирования необычно большими грузами, и при необходимости может использоваться большее количество таких лебедок, увеличение количества и размера лебедок не является решением при сильном волнении на море, и кроме того они будут еще больше загромождать пространство палубы.
При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в крайне тяжелых морских условиях невозможность использования вспомогательных лебедок при сильном волнении на море является серьезной проблемой. Задержки из-за ожидания хорошей погоды могут быть крайне дорогостоящими из-за приостановки работы морского оборудования, цена покупки которого составляет сотни миллионов долларов США, а стоимость одного дня работы - сотни тысяч долларов США. Существует также опасность того, что строительные работы должны быть прекращены в случае ухудшения условий на море раньше, чем эти работы будут завершены.
В некоторых местах морской акватории условия на море обычно характеризуются сильным волнением в течение длительных периодов времени, при этом большая высота волны, составляющая 2,0 до 3,0 м, является скорее нормой, чем исключением. Это делает затруднительным или даже полностью невозможным применение подводных строительных технологий, использующих вспомогательные лебедки. К сожалению, поскольку ранее не существовало практической альтернативы применению вспомогательных лебедок, данная проблема затрудняет эффективную эксплуатацию некоторых подводных месторождений.
US 2805781 раскрывает ранний пример крана со стабилизацией груза для морского применения, с выносной стрелой, стабилизирующей канаты, действующие на грузоподъемный такелаж. Такая конструкция не может обеспечить адекватное управление большими объектами, используемыми в подводных нефтегазодобывающих системах.
US 3850306 раскрывает еще один подход к стабилизации груза, транспортируемого с помощью морского крана. Он предусматривает демпфирующее перемещение груза путем создания возможности его перемещения в двух различных плоскостях и путем торможения перемещения в каждой из этих плоскостей. Данный подход непригоден для целей настоящего изобретения.
Хотя манипуляция грузами на море исключительно трудна, управление большими грузами - это проблема, касающаяся не только морских кранов. Например, US 3831770 раскрывает подвижный поворотный кран с подъемной стрелой, приспособленный для размещения домов заводского изготовления на их фундаментах. Поскольку такие дома в случае необходимости должны быть размещены точно, но они подвержены влиянию порывов ветра во время размещения, кран в US 3831770 был оснащен амортизирующей рамой, закрепленной на поворотной кабине крана с возможностью поворота вместе со стрелой во время ее поворота. Амортизирующая рама сцеплена со спредером, через который кран поддерживает груз. Этот спредер может вертикально скользить относительно стрелы на направляющих стойках, образующих часть амортизирующей рамы. При этом сцепление между амортизирующей рамой и спредером предотвращает горизонтальное перемещение спредера и, следовательно, груза относительно стрелы.
Ни одна из вышеуказанных заявок из известного уровня техники не обеспечивает приемлемого решения в контексте требований использования настоящего изобретения. В частности, конструкция амортизирующей рамы, предложенная в US 3831770, будет неподходящей для морского использования, когда массивный груз направляется с палубы в забортное положение и оттуда - вниз к поверхности моря и в зону заплеска волны. Хотя амортизирующая рама в US 3831770 разработана для более легких условий работы и для гораздо менее динамической ситуации, чем предусмотренные в настоящем изобретении, дело заключается не только в количественном, но также и в конструктивном аспекте.
Например, амортизирующая рама в US 3831770 не может управлять перемещением груза от оси поворота крана во время подъема. Кроме того, хотя к направляющим стойкам могут быть добавлены нисходящие удлинения для работы на низкоуровневых фундаментах, амортизирующая рама не может манипулировать опусканием массивного груза значительно ниже шарнирного соединения крана во время подъема. Также необходимо отметить, что пьедестальный кран, как показано на фиг. 1, не может нести на себе амортизирующую раму того типа, который предложен в US 3831770, потому что пьедестал не поворачивается относительно палубы. Замена целого крана не является желательным или практичным вариантом.
WO 83/03815 и DE 3216051 раскрывают бегунок, направляющий кабель ROV (подводного аппарата с дистанционным управлением) во время перемещения за борт с помощью грузоподъемной конструкции. Горизонтально протяженный рычаг соединен с вертикально перемещающейся кареткой с помощью шарнирного узла. Этот рычаг направляет кабель и не соединен с грузом. Данный рычаг может поворачиваться вместе с краном, но только тогда, когда каретка находится в своем наивысшем положении, так что данная конструкция не способна эффективно направлять груз в то время, когда кран поворачивается, чтобы поднять груз с палубы и затем переместить его за борт.
ЕР 0877703 раскрывает кран для спуска на воду лодки с большего судна и подъема лодки на борт. Стабилизирующая штанга действует как рычаг между лодкой и верхней частью консоли стрелы крана, демпфируя качание лодки. Такая система была бы громоздкой, очень тяжелой, невыгодной по цене и наносящей ущерб остойчивости судна, если бы она была пропорционально увеличена для стабилизации грузов тех размеров, которые рассматриваются в настоящем изобретении.
US 3850306 раскрывает устройство для управления качательным движением груза, когда он поднимается с палубы, перемещается за борт и опускается. Оно содержит трубчатый фиксатор на одном конце шарнирно-сочлененной стрелы крана, в котором закреплен соединитель, имеющий возможность взаимодействия с грузом. Груз эффективно удерживается в неподвижном состоянии с помощью стрелы крана всегда, когда он находится вне воды. Вершина стрелы опускается близко к воде перед тем, как соединитель будет отцеплен от упора с целью перемещения груза к канату и опускания груза в море. Это бесполезно в случае грузов того размера, который рассматривается в настоящем изобретении.
JP 2003192274 раскрывает вертикально протяженную стабилизирующую конструкцию между грузом и стрелой крана, на которой подвешен этот груз. Она не способна сопротивляться боковым нагрузкам и бесполезна для целей настоящего изобретения.
JP 55059089 раскрывает устройство для перемещения за борт груза, которое содержит прямые рельсы на корпусе судна, вдоль которых на тракте перемещения груза закреплены колеса, направляющие груз в море. Это устройство является скорее шлюп-балкой, чем краном, и оно не имеет средств для поворота. Аналогично, ЕР 2319755, JP 03064895, US 2009/0199757, KR 1020120033854 и DE 19921312 от Schwarz не раскрывают поворотные краны и, следовательно, какие-либо средства для управления грузом во время поворота крана.
В WO 2011/034422 тележка, скользящая вертикально вдоль грузоподъемной конструкции, направляет не груз, а лишь канат, закрепленный на грузе. Эта тележка используется для компенсации вертикальной качки и таким образом управляет только вертикальным перемещением. Поскольку груз по-прежнему может раскачиваться, это не решает проблему, рассматриваемую в настоящем изобретении.
GB 2012238 и NO 140530 раскрывают конструкцию для спуска на воду объектов, таких как лодка, и их подъема на борт. Плавучий док подвешен на кране с возможностью плавания на воде с целью подъема на борт или спуска на воду объекта. Этот док поддерживается между краном и погружаемым в воду нижним брусом с помощью верхнего и нижнего канатов, работающих на натяжение. Натянутые канаты обеспечивают неэффективное поперечное управление тяжелым грузом и при этом отсутствуют средства поворота.
US 4310277 раскрывает устройство для перемещения грузов, в котором тележка выполнена с возможностью перемещения вдоль соединительного механизма для перемещения каната при изменении его длина. Таким образом груз, присоединенный к канату, может быть перемещен вдоль соединительного механизма. Тем не менее, поскольку груз может раскачиваться снизу от тележки и соединительного механизма, это не решает проблему, рассматриваемую в настоящем изобретении.
US 2009/0261052 и NO 329383 относятся к операциям глубоководного развертывания, при которых буксировочные канаты используются для того, чтобы направлять и перемещать груз. Данное раскрытие бесполезно при перемещении груза за борт или во время прохождения груза через зону заплеска воды.
В отличие от описанного известного уровня техники, настоящее изобретение относится к способу перемещения груза за борт с плавучего судна с помощью установленного на судне поворотного крана и опускания этого груза в воду. Согласно этому способу, размещают по меньшей мере один закрепленный на кране направляющий элемент между грузом и краном, а точнее прямостоящей опорной конструкцией крана, такой как пьедестал или мачта, которая (конструкция) предпочтительно является неподвижно закреплена относительно корпуса судна и в этом случае поддерживает поворотный механизм, который задает ось поворота крана. В то время, когда этот направляющий элемент работает на сжатие и ограничивает горизонтальное перемещение груза в направлении оси поворота, далее, согласно этому способу, выполняют следующее: используют кран для подъема груза над палубой судна; поворачивают стрелу крана с целью перемещения груза из надпалубного в забортное надводное положение; и используют кран для опускания груза из забортного положения в воду одновременно с опусканием направляющего элемента вместе с грузом.
Для оптимального управления грузом направляющий элемент предпочтительно опускают до уровня ниже палубы с одновременным опусканием груза из забортного положения в воду. На самом деле, направляющий элемент может быть опущен вместе с грузом в воду. Тем не менее, можно также перемещать груз вниз относительно направляющего элемента, в то время как этот элемент продолжает ограничивать горизонтальное перемещение груза относительно стрелы крана. Например, направляющий элемент может быть сформирован с возможностью взаимодействия с сопряженной частью груза, с вертикально протяженным каналом, направляющим нисходящее перемещение груза относительно направляющего элемента.
Предпочтительно, направляющий элемент также работает на растяжение между грузом и краном.
Предпочтительно, чтобы направляющий элемент мог быть удлинен для управления перемещением груза от оси поворота крана и/или соответствия геометрическим требованиям во время опускания груза из забортного положения в воду. Предпочтительно, два или более направляющих элемента могут быть размещены между краном и соответствующими разнесенными местами на грузе, в этом случае направляющие элементы могут быть различным образом удлинены для управления ориентацией груза относительно стрелы крана.
Направляющий элемент может быть расположен рядом с грузом в качестве стопора для ограничения горизонтального перемещения груза, при необходимости сцепляясь с сопряженной частью груза для противодействия относительному горизонтальному перемещению между направляющим элементом и грузом.
В качестве элегантного решения, направляющий элемент может быть выполнен с возможностью перемещения синхронно с краном, например перемещаться вокруг и относительно опорного пьедестала или мачты крана синхронно с перемещением стрелы крана.
Система управления перемещением направляющего элемента может быть синхронизирована с системой управления краном, так что крановщик может перемещать направляющий элемент вместе с краном, например, по принципу ведущий-ведомый. Кроме того, для направляющего элемента может быть использована отдельная система управления. Синхронизация с краном предпочтительна, поскольку она облегчает управление и исключает привлечение дополнительного персонала.
Концепция настоящего изобретения также включает в себя устанавливаемое на кране направляющее устройство для помощи установленному на судне поворотному крану в перемещении груза за борт и опускании с судна в воду; это устройство содержит по меньшей мере один направляющий элемент, который может быть размещен между грузом и вертикальной опорной конструкцией крана, причем этот направляющий элемент выполнен с возможностью работать на сжатие для ограничения горизонтального перемещения груза в направлении оси вращения крана, и подвижно соединен с опорой с возможностью перемещения вместе с грузом относительно этой опоры, когда кран поднимает груз над палубой судна, когда стрела крана поворачивается для перемещения груза из надпалубного положения в забортное надводное положение, и когда кран опускает груз из забортного надводного положения в воду.
Для выполнения предпочтительных операций способа согласно настоящему изобретению, направляющий элемент предпочтительно является удлиняемым от опоры к грузу. Например, первый и второй направляющие элементы могут быть различным образом удлиняемыми для управления ориентацией груза относительно стрелы крана. Аналогичным образом, предпочтительно, чтобы направляющий элемент мог также работать на растяжение между грузом и краном.
Опора выполнена надлежащим образом для крепления на пьедестале или мачте крана, например, с возможностью охвата и окружения пьедестала или мачты крана так, чтобы направляющий элемент мог поворачиваться вокруг пьедестала или мачты, преимущественно будучи приводимым с помощью опоры вокруг пьедестала или мачты.
Направляющий элемент предпочтительно содержит рычаг, который выполнен с возможностью поворота относительно опоры. Направляющий элемент может содержать раму, которая подвижно соединена с опорой и выполнена с возможностью опускания относительно опоры. Такая рама выполнена с возможностью снятия с опоры с возможностью замены для приспосабливания к различным грузам, и она может быть подвижно соединена с опорой через соединительный механизм, который содержит по меньшей мере один рычаг, совершающий качание вниз для опускания рамы вместе с грузом.
Направляющий элемент может содержать элемент, такой как панель, которая выполнена с возможностью перемещения вниз вместе с грузом относительно рамы.
Концепция настоящего изобретения дополнительно включает в себя способ адаптации судового крана к помощи в перемещении груза за борт и его опускании с судна в воду; в этом способе крепят направляющее устройство согласно настоящему изобретению к прямостоящей опорной конструкции крана с помощью опоры этого устройства.
Концепция настоящего изобретения распространяется также на работу крана в соответствии со способом согласно настоящему изобретению или на оснащение направляющим устройством согласно настоящему изобретению, например, содержащим неподвижный пьедестал, мачту или другую вертикальную опорную конструкцию, к которой крепится опора. Концепция настоящего изобретения распространяется на работу судна в соответствии со способом согласно настоящему изобретению или на оснащение направляющим устройством или краном согласно настоящему изобретению.
Не нужно, чтобы направляющий элемент был абсолютно жестким, но предпочтительно он является достаточно жестким для работы на натяжение, сгибание и сжатие, в отличие от лебедочного каната, который выполнен с возможностью работать только при натяжении, поскольку он не обладает жесткостью ни на сгибание, ни на сжатие. Направляющий элемент может содержать по меньшей мере одну балку, брус, стержень или выдвижной цилиндр, либо поддерживаться с их помощью.
В настоящем изобретении предложен многоцелевой демпфер боковой нагрузки для облегчения перемещения груза за борт и опускания больших модулей с наружной стороны монтажного судна во время использования крана, и этот демпфер приспособлен для поддержки самим краном. Настоящее изобретение смягчает погодные ограничения для работ по перемещению за борт и опусканию и делает эти работы более безопасными.
Уже давалась ссылка на фиг. 1 из числа приложенных чертежей, который представляет собой перспективный вид из точки, расположенной над кормой, на судно Skandi Seven в качестве примера строительного судна, с которым может использоваться настоящее изобретение. Для того, чтобы можно было лучше понять настоящее изобретение, ниже будут в качестве примеров даваться ссылки на другие приложенные чертежи, в которых:
Фиг. 2 представляет собой перспективный вид, показывающий пьедестал основного крана строительного судна, приспособленного для добавления направляющего устройства согласно настоящему изобретению, показанного здесь направляющим груз в виде модуля донной опорной плиты/манифольда, временно удерживаемого в поднятом забортном положении;
Фиг. 3 представляет собой перспективный вид направляющего устройства, показанного на фиг. 2, но отдельно;
Фиг. 4 представляет собой вид сбоку направляющего устройства, показанного на фиг. 3;
Фиг. 5 представляет собой вид сверху в плане направляющего устройства, показанного на фиг. 3 и 4;
Фиг. 6-8 вместе образуют последовательность перспективных видов направляющего устройства, показанного на фиг. 3-5, закрепленного на пьедестале основного крана, в процессе перемещения груза с палубы судна в забортное положение;
Фиг. 9-11 вместе образуют последовательность увеличенных перспективных видов, показывающих перемещение направляющего устройства в то время, когда груз опускается краном в море из поднятого забортного положения, показанного на фиг. 2;
Фиг. 12 представляет собой перспективный вид, показывающий пьедестал основного крана строительного судна, адаптированный путем добавления другого направляющего устройства согласно настоящему изобретению, снова показанного направляющим груз в виде модуля донной опорной плиты/коллектора;
Фиг. 13 соответствует фиг. 12, но показывает пьедестал с другой стороны, с грузом и направляющим устройством, повернутыми вокруг пьедестала в забортное положение;
Фиг. 14 и 15 представляют собой увеличенные перспективные виды, показывающие детали опорных и приводных механизмов для направляющего устройства, показанного на фиг. 12 и 13, которые могут также применяться к направляющему устройству, показанному на фиг. 2-11;
Фиг. 16-19 вместе образуют последовательность перспективных видов крана и направляющего устройства, показанных на фиг. 12 и 13, во время перемещения груза с палубы в забортное положение; и
Фиг. 20-23 вместе образуют последовательность увеличенных перспективных видов, показывающих перемещение направляющего устройства в то время, когда груз опускается краном в море из забортного положения.
Обратимся сначала к фиг. 2, на которой показаны:
неподвижный цилиндрический пьедестал круглого сечения 18 крана 14, выступающий вверх от палубы 12 строительного судна, чей кран 14 имеет стрелу 16, не показанную на фиг. 2, но показанную на фиг. 1;
груз 20, поддерживаемый краном 14 с помощью стрелы 16; этот груз, являющийся в данном примере модулем донной плиты/коллектора, имеет выполненные как единое целое вакуумные сваи 22; и
направляющее устройство 24 согласно настоящему изобретению, расположенное между пьедесталом 18 и грузом 20, закрепленное на пьедестале 18 и прикрепленное к грузу 20 для ограничения горизонтального перемещения груза 20 относительно стрелы 16 крана 14.
Как лучше всего показано на фиг. 3-5, направляющее устройство 24 содержит:
крепежную конструкцию 26, которая крепит направляюще устройство 24 к пьедесталу 18; и
опорный механизм 28, вытянутый между крепежной конструкцией 26 и парой вакуумных свай 22 с одной стороны груза 20, чтобы упорядочивать и осуществлять радиальное и вертикальное перемещение груза 20 относительно пьедестала 18.
Круглая крепежная конструкция 26 обеспечивает и осуществляет угловое круговое перемещение опорного механизма 28 вокруг пьедестала 18 и, следовательно, относительно палубы 12 судна 10, в соответствии с поворотным перемещением стрелы 16. В свою очередь, опорный механизм 28 управляет перемещением груза 20 вертикально и радиально; при необходимости опорный механизм 28 также осуществляет перемещение груза 20 относительно крепежной конструкции 26 и, следовательно, относительно пьедестала 18 и палубы 12. Например, опорный механизм 28 может поворачивать груз 20 вокруг грузоподъемного такелажа, с помощью которого груз 20 подвешен на стреле 20 крана 14.
В целом, перемещение опорного механизма 28 предпочтительно следует за перемещением стрелы 16 и грузоподъемного такелажа крана 14.
Опорный механизм 28 содержит два рычага 30, 32. На своем внутреннем конце каждый рычаг 30, 32 шарнирно закреплен на каретке 34, поддерживаемой с помощью крепежной конструкции 26. На своем внутреннем конце каждый рычаг 30, 32 шарнирно и подвижно закреплен на грузе 20, в данном случае - на соответствующих вакуумных сваях 22 груза 20. Рычаги 20, 32 показаны на фиг. 2 в поднятом положении в соответствии с грузом 20, поддерживаемым краном 14 в поднятом забортном положении перед опусканием в море.
Рычаги 30, 32 являются удлиняемыми, например телескопическими, как показано на фигуре, для изменения их длины независимо или согласно с перемещением груза 20 или закрепленной части груза 20, в радиальном направлении относительно пьедестала 18. Каждый рычаг 30, 32 содержит внутреннюю вводимую часть 30', 32' и внешнюю приемную часть 30ʺ, 32ʺ, которая может скользить внутри соответствующей приемной части 30', 32'.
Путем независимого изменения их длины рычаги 30, 32 могут поворачивать груз 20 вокруг грузоподъемного такелажа, на котором подвешен груз 20. Кроме того, рычаги 30, 32 могут сохранять ориентацию груза 20 относительно корпуса судна, когда груз 20 поступательно перемещается во время поворота крана 14 или удлинения стрелы 16. Возможность изменения длины рычагов 30, 32 может также помочь рычагам 30, 32 амортизировать направленные радиально внутрь ударные нагрузки, если груз 20 будет раскачиваться от пьедестала 18 и обратно к нему во время работы.
Поворотное соединение между рычагами 30, 32 и грузом 20 осуществляется с помощью известного замкового механизма 36 на свободном конце каждого рычага 30, 32. Замковый механизм 36 содержит подвижный спусковой гак, который свободно взаимодействует с проушиной 38, приваренной к вакуумной свае 22 или грузу 20, так что рычаг 30, 32 может поворачиваться относительно проушины более чем в одной плоскости. Спусковой гак зажимного механизма 36 может отцепляться от проушины 38 для освобождения груза 20, когда груз 20 опущен в море, как будет пояснено ниже.
Каретка 34 содержит вертикально протяженную пластину 40, чья внутренняя сторона на виде в плане криволинейно вогнута для размещения напротив криволинейно выпуклого пьедестала 18 крана 14. Каретка 34 также содержит раму 42 выносных опор, закрепленную на пластине 40 и имеющую на виде в плане ромбовидную форму для крепления противолежащих пар выносных опор, состоящих из верхней и нижней треугольных выносных опор 44, 46.
Выносные опоры 44, 46 вытянуты параллельно в боковые стороны от пластины 40 в соответствующих разнесенных по вертикали горизонтальных плоскостях к верхнему и нижнему шарнирам 48, 50. Шарниры 48, 50 являются практически диаметрально противолежащими через круглую крепежную конструкцию 26 относительно их сопряженных частей на противолежащих выносных опорах 44, 46. Каждый рычаг 30, 32 поворотно прикреплен на своем внутреннем конце к соответствующему одному из нижних шарниров 50 на нижних выносных опорах 46.
Противолежащее расположение нижних выносных опор 46, при котором нижние шарниры 50 расположены напротив друг друга через крепежную конструкцию 26, является выгодным, поскольку обеспечивает подачу грузов с рычагов 30, 32 по окружности к трубчатому пьедесталу 18 крана 14.
Вертикальное перемещение рычагов 30, 32 управляется с помощью гидравлических цилиндров 52, каждый из которых вытянут в вертикальной плоскости к соответствующим рычагам 30, 32 от соответствующего одного из шарниров 48 на верхних выносных опорах 44. Гидравлические цилиндры 52 являются пассивными демпферами в данном варианте, но вместо этого они могут быть приводами, выполненными с возможностью перемещения рычагов 30, 32 по вертикали. Например, приводы могут прикладывать активные усилия демпфирования или компенсации вертикальной качки к рычагам 30, 32, либо они могут поднимать рычаги 30, 32 в поднятое положение после того, как груз 20 перемещен за борт и отсоединен от рычагов 30, 32 с целью опускания в направлении морского дна.
Горизонтальное перемещение рычагов 30, 32 управляется различными средствами для каждого рычага 30, 32. В частности, один рычаг 32 имеет удлиняемую штангу 54, которая вытянута от центрального шарнира 56 между нижними выносными опорами 46 рамы 42 выносных опор к внешнему шарниру 58 возле внешнего конца вводимой части 32'. Штанга 54 является телескопической, содержит внутреннюю вводимую часть 54' и внешнюю приемную часть 54ʺ и представляет собой привод, который растягивается и сжимается для поворота рычага 32 горизонтально относительно каретки 34.
Другой гидравлический цилиндр 60 вытянут к другому рычагу 30 от внутреннего шарнира 62 на соответствующей нижней выносной опоре 46. И в этом случае гидравлический цилиндр 60 может быть приводом, имеющим возможность горизонтального перемещения рычага 30, но в данном примере он является пассивным демпфером. Таким образом, горизонтальное перемещение рычага 30, когда он прикреплен к грузу 20, пассивно следует за горизонтальным перемещением рычага 32, когда он также прикреплен к грузу 20, поскольку он приводится штангой 54.
Аналогичным образом во втором варианте, как лучше всего показано на фиг. 14 и 15, крепежная конструкция 26 поддерживает пластину 40 каретки на паре опорных колец 64, которые окружают пьедестал 18 в вертикально разнесенных горизонтальных плоскостях. Каждое опорное кольцо 64 закреплено на пьедестале 18, предпочтительно путем сварки, и имеет Т-образную часть, которая со свободно скользящей посадкой принимается сопряженным каналом 66 C-образного сечения на внутренней стороне пластины 40.
Крепежная конструкция 26 также содержит приводной механизм, содержащий зубчатое кольцо 68, окружающее пьедестал 18 в горизонтальной плоскости непосредственно над самым верхним опорным кольцом 64. И в этом случае зубчатое кольцо 68 неподвижно закреплено на пьедестале, предпочтительно с помощью сварки. Зубчатое кольцо 68 имеет зубчатую внешнюю поверхность, взаимодействующую с вертикально-осевыми сателлитами 70. Сателлиты 70 приводятся соответствующими моторами 52, которые поддерживаются верхними фланцами 74, выполненными за одно целое с пластиной 40 каретки 34. Моторы 72 могут быть гидравлическими или электрическими моторами.
Моторы 72 приводят сателлиты 70 вокруг зубчатого кольца 68, приводя таким образом каретку 34 и остальную часть направляющего устройства 24 вокруг пьедестала 18 в соответствии с поворотным перемещением стрелы 16. Предпочтительно, моторы 72 управляются с помощью системы управления, которая объединена с системой управления самого крана 14 или может адаптироваться к ней. Таким образом, направляющее устройство 24 может перемещаться вокруг пьедестала 18 при угловом совмещении со стрелой 16 в состоянии автоматической синхронизации с поворотным перемещением стрелы 16. Это упрощает работу системы и повышает безопасность благодаря устранению необходимости в дополнительном персонале на палубе 12 во время операции перемещения за борт и опускания, что могло бы создать дополнительную проблему с точки зрения эффективной связи с таким персоналом.
Автоматическая синхронизация между направляющим устройством 24 и краном 14 может также обеспечить возможность перемещения рычагов 30, 32 вверх или вниз в соответствии с любыми перемещениями крана 14 или его грузоподъемного такелажа, направленными на компенсацию вертикальной качки во время подъема.
В принципе, крепежная конструкция 26 обеспечивает возможность направляющему устройству 24 помогать крану 14 в манипулировании оборудованием, размещенным повсюду на палубе 12 в угловом диапазоне 360° вокруг пьедестала 18.
Крепежная конструкция 26 обеспечивает возможность крепления направляющего устройства 24 к существующему крановому оборудованию при минимальной модификации, хотя может быть принято решение об укреплении пьедестала 18 для устойчивости к поперечным усилиям, которые могут прикладываться грузом 20 через направляющее устройство 24.
Перейдем теперь к последовательности видов на фиг. 6-8, которые показывают, как кран 14 и направляющее устройство 24 работают вместе, в то время как стрела 16 крана 14 поворачивается для перемещения груза 20 с палубы 12 в положение за бортом судна 10.
Фиг. 6 показывает стрелу 16, поднявшую груз 20 невысоко над палубой 12. Далее, стрела 16 крана 14 поворачивается через промежуточное положение, показанное на фиг. 7, относительно неподвижного пьедестала 18 крана 14. Направляющее устройство 24 поворачивается вокруг пьедестала 18 вместе со стрелой 16, таким образом оставаясь совмещенным с грузом 20 для сохранения управления его положением по горизонтали относительно стрелы 16. В завершение, стрела 16 вытягивается перпендикулярно от боковой стороны судна 10, в то время как груз 20 достигает полностью забортного положения, показанного на фиг. 8. Груз 20 теперь готов к опусканию в море, как будет пояснено со ссылками на следующую последовательность видов на фиг. 9-11.
Фиг. 9-11 показывают, как направляющее устройство 24 продолжает направлять груз 20, в то время как груз 20 опускается в море, а стрела 16 крана 14 остается в полностью забортном положении.
Фиг. 10 показывает груз 20 и направляющее устройство 24 немного опущенными из поднятого забортного положения, показанного на фиг. 2. Поскольку кран 14 начинает опускать груз 20 в море, как показано на фиг. 10, и этот груз все более погружается, как показано на фиг. 11, рычаги 30, 32 медленно совершают нисходящее качание для сопровождения груза 20. Рычаги 30, 32 вытягиваются, когда они совершают нисходящее качание, для сохранения постоянного радиального расстояния между грузом 20 и осью поворота крана 14. При этом если имеет место достаточный промежуток между грузом 20 и корпусом 10 судна, стрела 16 крана 14 может быть немного возвращена назад, в то время как груз 20 опускается, для компенсации нисходящего качания рычагов 30, 32 путем уменьшения радиального промежутка между осью поворота и грузом 20.
Когда груз 20 опущен настолько далеко, насколько позволяют рычаги 30, 32, замковые механизмы 36 дистанционно приводятся в действие для отцепления крюков от проушин 38 на грузе 20. Груз 20 теперь свободен для быстрого опускания краном 14 из зоны заплеска волны в направлении морского дна. Как только груз 20 достиг морского дна и отсоединен от грузоподъемного такелажа, стрела 16 крана 14 может быть повернута обратно в надпалубное положение. С помощью рычагов 30, 32, поднятых в случае необходимости, направляющее устройство 24 может быть повернуто обратно вокруг пьедестала 18 крана 14 для сопровождения поворота стрелы 16 в надпалубное положение.
Перейдем теперь ко второму варианту реализации настоящего изобретения, показанному на фиг. 12-23; аналогично вышеуказанному, кран 14 строительного судна имеет цилиндрический неподвижный пьедестал 18 круглого сечения, вертикально выступающий от палубы 12. Груз 120 поддерживается краном 14 с помощью стрелы 16, причем груз 120 в данном примере, аналогично вышеуказанному, является модулем донной опорной плиты/коллектора, имеющим выполненные как единое целое вакуумные сваи 122. Аналогично вышеуказанному, направляющее устройство 124, закрепленное на пьедестале 18, расположено между пьедесталом 18 и грузом 120. Направляющее устройство 124 упирается в боковую сторону груза 120 в качестве стопора для ограничения горизонтального перемещения груза 120 относительно стрелы 16 крана 14.
Как лучше всего показано на фиг. 12 и 13, направляющее устройство содержит:
крепежную конструкцию 126, которая крепит направляющее устройство 124 к пьедесталу 18;
жесткую грузозахватную раму 128, которая, в данном примере, упирается в пару вакуумных свай 122 с одной стороны груза 120; и
соединительный механизм 130, который подвижно соединяет грузозахватную раму 128 с опорной конструкцией 126 для сопровождения радиального и вертикального перемещения груза 120 относительно пьедестала 18.
Крепежная конструкция 126 обеспечивает возможность и осуществляет угловое окружное перемещение соединительного механизма 130 и грузозахватной рамы 128 вокруг пьедестала 18 и, следовательно, относительно палубы 12 судна 10. В свою очередь, соединительный механизм 130 обеспечивает перемещение грузозахватной рамы вертикально и, при необходимости, также радиально относительно крепежной конструкции 126 и, следовательно, относительно пьедестала 18 и палубы 12.
Грузозахватная рама 128 содержит вертикально разнесенные параллельные горизонтальные брусья 132, соединенные с помощью стоек 134 на каждом конце. Стойки 134 поддерживают направляющие элементы в форме панелей 136 в разнесенных по горизонтали положениях, которые совмещены с соответствующими вакуумными трубами 122 груза 120. Панели 136 являются криволинейно вогнутыми на виде в плане, чтобы упираться и таким образом сцепляться сбоку с выпуклыми сторонами вакуумных свай 122.
В данном примере панели 136 имеют возможность вертикального перемещения вдоль стоек 134 грузозахватной рамы 128, чтобы следовать за перемещением вниз груза 120. Панели 136 предпочтительно приводятся вниз вдоль стоек 134 с помощью надлежащего приводного механизма; в другом варианте панели 136 могут просто освобождаться от фиксации в надлежащий момент во время операций перемещения за борт и опускания, чтобы упасть под действием силы тяжести относительно стоек 134.
Когда панели 136 опускаются, они увеличивают вертикальный диапазон направляемого движения, обеспечиваемого направляющим устройством 124, к грузу 120. Таким образом, лишь часть этого вертикального диапазона направляемого перемещения обеспечивается перемещением вниз грузозахватной рамы 128 через соединительный механизм 120, как будет пояснено ниже; остальная часть вертикального диапазона направляемого перемещения обеспечивается перемещением вниз панелей 136 относительно грузозахватной рамы 128.
Соединительный механизм 130, который соединяет грузозахватную раму 128 с опорной конструкцией 126, является пантографическим соединительным механизмом, содержащим параллельные верхний и нижний рычаги 128, 140. Соединительный механизм 130, показанный здесь, удерживает грузозахватную раму 128 в поднятом положении согласно манипулированию грузом 120, когда этот груз находится над палубой 12 и перемещается в забортное положение, показанное на рис. 13.
Каждый рычаг 138, 140 соединительного механизма 130 поворотно прикреплен на своем внешнем конце к соответствующему горизонтальному брусу 132 грузозахватной рамы 128. На своем внутреннем конце каждый рычаг 138, 140 поворотно прикреплен к каретке 142, поддерживаемой с помощью крепежной конструкции 126. Каретка 142 содержит вертикально протяженную пластину 144, чья внутренняя сторона является криволинейно вогнутой на виде в плане, чтобы упираться в криволинейно выпуклый пьедестал 18 крана 14.
Рычаги 138, 140 при необходимости выполнены удлиняемыми, например телескопическими, с вводимой и приемной частями, как показано на фигуре, для изменения их длины согласно с радиальным перемещением грузозахватной рамы относительно пьедестала 18. Как и в вышеописанном примере, возможность изменения длины рычагов 138, 140 может помочь этим рычагам демпфировать направленные радиально внутрь ударные нагрузки, если груз 120 будет раскачиваться от грузоподъемной рамы 128 и обратно к ней во время работы.
Функция полноповоротного шарнира в соединительных точках, где рычаги 138, 140 соединены с грузозахватной рамой 128, устраняет силовые составляющие, передаваемые от груза на рычаги 138, 140 в результате бортовой и килевой качки.
Гидравлический цилиндр 146 вытянут от нижнего рычага 140 к пластине 144 каретки 142 для управления вертикальным перемещением грузозахватной рамы 144 относительно пьедестала 18. Гидравлический цилиндр 146 может быть пассивным демпфером, но предпочтительно он является приводом, который выполнен с возможностью создания усилий активного демпфирования или компенсации вертикальной качки и подъема грузозахватной рамы 128 в поднятое положение после того, как груз 120 перемещен за борт и опущен в море.
Перейдем теперь к подробным видам на фиг. 14 и 15. Крепежная конструкция 126 поддерживает пластину 144 каретки 142 на группе опорных колец 148, которые окружают пьедестал 18 в вертикально разнесенных горизонтальных плоскостях. Аналогично вышеуказанному, каждое опорное кольцо 148 закреплено на пьедестале 18, предпочтительно с помощью сварки. Увеличенный вид с частичным разрезом на фиг. 15 показывает, что каждое опорное кольцо 148 имеет Т-образную часть, которая принимается со скользящей посадкой сопряженным каналом C-образного сечения 150 на внутренней стороне панели 146.
Фиг. 15 также показывает приводной механизм крепежной конструкции 126, содержащий зубчатое кольцо 152, окружающее пьедестал 18 в горизонтальной плоскости непосредственно над верхним опорным кольцом 148. Аналогично вышеуказанному, зубчатое кольцо 152 неподвижно закреплено на пьедестале 18, предпочтительно путем сварки, и имеет зубчатую внешнюю поверхность, сцепленную с вертикально-осевыми сателлитами 154. Сателлиты 154 приводятся соответствующими гидравлическими или электрическими моторами 156, которые поддерживаются с помощью верхнего фланца 158, выполненного за одно целое с пластиной 144 каретки 142. Моторы 156 приводят сателлиты 154 вокруг зубчатого колеса 152 с целью привода каретки 142 и остальной части направляющего устройства 124 вокруг пьедестала 18 в соответствии с поворотным перемещением стрелы 16.
Аналогично вышеуказанному, моторы 156 предпочтительно управляются с помощью системы управления, которая объединена или совместима с собственной системой управления крана. Таким образом, направляющее устройство 124 перемещается вокруг пьедестала 18 синхронно со стрелой 16, что упрощает работу системы и повышает безопасность. Автоматическая синхронизация между направляющим устройством 124 и краном 14 может также обеспечивать возможность перемещения направляющего устройства 124 вверх и вниз в соответствии с любыми перемещениями, предназначенными для компенсации вертикальной качки, крана 14 или грузоподъемного такелажа во время подъема.
Перейдем теперь к последовательности видов на фиг. 16-19. Они показывают, как кран 14 и направляющее устройство 124 работают вместе, когда стрела 16 крана 14 поворачивается для перемещения груза 120 с палубы 12 в положение, находящееся за бортом судна 10.
Фиг. 16 показывает стрелу 16, поднявшую груз 120 невысоко над палубой 12. В то время как груз 120 остается над палубой 12, панели 136 грузозахватной рамы 128 упираются в вакуумные трубы 122 с одной стороны груза 120. Это взаимодействие противодействует горизонтальному перемещению груза 120 относительно стрелы 16.
Далее, стрела 16 крана 14 поворачивается через одно из промежуточных положений, показанных на фиг. 17 или фиг. 18, относительно неподвижного пьедестала 18 крана 14. Направляющее устройство 124 поворачивается вокруг пьедестала 18 вместе со стрелой 16, оставаясь таким образом совмещенным с грузом 120 для сохранения управления его положением по горизонтали относительно стрелы 16. В завершение, стрела 16 оказывается выступающей вверх от боковой стороны судна 10, в то время как груз 120 достигает полностью забортного положения, показанного на фиг. 19. Теперь груз 120 готов к опусканию в море, как будет пояснено ниже со ссылкой на заключительную последовательность видов на фиг. 20-23.
В заключение, перейдем теперь к последовательности видов на фиг. 20-23, которые показывают, как направляющее устройство 124 трансформируется, чтобы продолжать направлять груз 120 в то время, когда он опускается в море, а стрела 16 крана 14 остается в полностью забортном положении.
Фиг. 20 показывает направляющее устройство 124 с грузозахватной рамой 128 в поднятом положении, соответствующем все еще поднятому положению груза 120. Поскольку кран 14 начинает опускать груз 120 в направлении моря, как показано на фиг. 21, рычаги 138, 140 пантографического соединительного механизма 130 медленно совершают качание вниз, в то время как гидравлический цилиндр 146 удлиняется, для опускания грузозахватной рамы 128 вместе с грузом 120. Грузозахватная рама 128 следует за нисходящим перемещением груза 120 настолько далеко, насколько это позволяет соединительный механизм 130, однако, как показывает фиг. 21, груз 120 остается сцепленным с вогнутыми панелями 136 для противодействия горизонтальному перемещению груза 120, даже когда груз 120 перемещается вертикально относительно панелей 136.
При необходимости, хотя это и не показано на фиг. 21, рычаги 138, 140 могут удлиняться в то время, когда они совершают нисходящее качание для поддержания постоянного радиального промежутка между грузозахватной рамой 128 и осью поворота крана 14, с целью удержания панелей 136 грузозахватной рамы 128 прямо напротив груза 120. Вместо этого, при отсутствии данной опции, стрела 16 крана 14 может быть медленно отведена обратно, в то время как груз 120 опускается, для уменьшения радиального промежутка между этой осью поворота и грузом 120 и, следовательно, для удержания груза 120 прямо напротив панелей 136 грузозахватной рамы 128.
В конечном счете, как будет понятно из фиг. 21 груз 120 не может дальше скользить относительно панелей 136 без запуска отцепления от панелей 136. Фиг. 22 показывает, что панели 136 могут затем быть освобождены или перемещены вниз вдоль стоек 134 грузозахватной рамы 128, когда груз 120 продолжает опускаться в воду. Когда панели 136 перемещаются из поднятого положения, показанного на фиг. 21, в опущенное положение, показанное на фиг. 22, они следуют за нисходящим перемещением груза 120. Следует отметить, что панели 136 могут быть по меньшей мере частично погружены в воду при своем нахождении в опущенном положении, чтобы обеспечить непрерывное управление грузом 120 на всем пути вниз до воды.
Даже когда панели 136 достигли их самого нижнего положения относительно грузозахватной рамы 128, как показано на фиг. 22, груз 120 может продолжать направляться панелями 136, пока он опускается дальше в море. В связи с этим, фиг. 22 показывает, как груз может снова скользить вниз относительно панелей 136, в то время как вакуумные сваи 122 груза 120 остаются частично сцепленными с панелями 136 для противодействия горизонтальному перемещению груза 120, когда он скользит вертикально относительно панелей 136.
В итоге груз 120 будет скользить полностью за пределами панелей 136 грузозахватной рамы 128. Затем груз 120 быстро опускается через оставшуюся часть зоны заплеска волны, и направляющее устройство завершает свою работу. Затем панели 136 поднимаются относительно грузозахватной рамы 128, и рама 128 поднимается с помощью соединительного механизма 130 обратно в поднятое положение, после чего направляющее устройство 124 может быть повернуто обратно вокруг пьедестала 18 крана 14, чтобы следовать за поворотом в надпалубное положение стрелы 16 после того, как груз 120 достиг дна.
Следует понимать, что направляющее устройство согласно настоящему изобретению продолжает направлять груз даже тогда, когда он погружается в море, после чего порывы ветра и движение судна перестают оказывать существенное влияние на горизонтальное перемещение груза. Это направляющее действие продолжается, когда груз начинает пересекать зону заплеска волны, так что груз остается зафиксированным направляющим устройством под поверхностью, что ограничивает неуправляемые движения груза в зоне заплескивания. Таким образом, благодаря преимуществам настоящего изобретения смягчаются погодные ограничения на операции перемещения за борт и опускания, а сами эти операции становятся безопаснее.
Выше были описаны некоторые возможные варианты; другие варианты возможны без отклонения от идеи изобретения. Например, грузозахватная рама может быть выполнена в соответствии с конкретными формой и размером груза, однако кран должен будет манипулировать множеством различных грузов. Следовательно, грузозахватная рама должна быть снята и заменена на другую раму, подходящую для другого типа груза.
Разумеется, можно будет перемещать направляющее устройство вокруг пьедестала крана с помощью системы управления, отдельной от системы управления крана, и эта система может управляться вручную. В любом случае должен быть обеспечен переход на ручное управление, например, для меньших грузов, когда нужно, чтобы стрела поворачивалась, но не нужно, чтобы направляющее устройство перемещалось вместе со стрелой, направляя груз.
Если последовательности, показанные на фиг. 6-8 и 16-19, расположить в обратном порядке, то станет понятно, что кран и направляющее устройство согласно изобретению могут также работать вместе для подъема грузов на борт судна из положения за бортом судна, например с баржи снабжения или с причала.