ДВУХСТОРОННИЕ ГИБКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ, ИМЕЮЩИЕ РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА ОЛНОЙ ОСИ ОСНОВНОЙ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ КОЛЬЦЕОБРАЗНЫЕ ЭЛАСТОМЕРНЫЕ ГИБКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
DOUBLE-SIDED FLEXIBLE CONNECTIONS OF PIPES, HAVING MAIN AND ADDITIONAL ANNULAR ELASTOMER FLEXIBLE ELEMENTS LOCATED ON ONE AXLE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к двусторонним гибким соединениям труб с первой и второй удлинительными трубами, расположенными на противоположных концах общего корпуса, и, по крайней мере, первого кольцеобразного упругого (эластомерного) гибкого элемента (компенсатора наклона) для того, чтобы осуществить монтаж первой удлинительной трубы к корпусу, и второго кольцеобразного эластомерного гибкого элемента (компенсатора наклона) для того, чтобы осуществить монтаж второй удлинительной трубы к корпусу.
Предшествующий уровень техники
[0002] Гибкие соединения с кольцеобразным упругим (эластомерным) гибким элементом (компенсатором наклона) для монтажа удлинительных труб на корпусе используются для сокращения движений, вызванных напряжением между плавающими морскими объектами и вертикальными трубопроводами, соединяющими подводное месторождение с платформой, и натяжными элементами опоры платформы, зависимыми от плавающих морских объектов. Обычный гибкий элемент состоит из чередующихся сферических прокладок из металла, или других жестких материалов, и слоев из упругого материала. Такой гибкий элемент способен обеспечить свободное угловое смещение около +15 градусов или больше, поддерживая осевое напряжение пропорционально размеру гибкого элемента. Обычно размер гибкого элемента бывает выбран, чтобы управлять необходимой нагрузкой на вертикальный трубопровод, соединяющий подводное месторождение с платформой, или натяжной элемент опоры платформы, и гибкие элементы были изготовлены и укомплектованы в различных размерах для обслуживания вертикальных трубопроводов, соединяющих подводное месторождение с платформой, или натяжных элементов опор платформы различных стандартных размеров.
[0003] Вертикальные трубопроводы, соединяющие подводное месторождение с платформой, используются для передачи добываемой жидкости с морского дна до палубы плавучего судна (платформы) в открытом море, и для передачи добываемой жидкости от судна к одной или нескольким линиям экспорта. Нагрузки, действующие со стороны трубопровода, соединяющего подводное месторождение с платформой, на гибкие элементы, обычно состоят из растягивающего усилия в вертикальном трубопроводе, угловых перемещений и вращений вертикального трубопровода, внутреннего давления добываемой жидкости и повышения температуры добываемой жидкости. Таким образом, внутреннее давление добываемой жидкости и повышение температуры добываемой жидкости может сделать выбор гибкого элемента для вертикального трубопровода более сложным, чем выбор гибкого элемента для натяжных элементов опор платформы.
[0004] Для различных способов применения, гибкие соединения труб содержат более одного гибкого элемента в общем корпусе. Например, двухстороннее гибкое соединение труб для вертикального трубопровода имеет первый гибкий элемент в корпусе для монтажа первой удлинительной трубы к корпусу, а второй гибкий элемент в корпусе для монтажа второй удлинительной трубы к корпусу. Две удлинительные трубы располагаются в противоположных направлениях от общего корпуса. Таким образом, двухстороннее гибкое соединение труб может компенсировать угловое смещение дважды, нежели чем может позволить одностороннее подвижное соединение труб с одним гибким элементом. Угловое смещение распределено между двумя элементами двухстороннего гибкого соединения труб, но каждый из двух гибких элементов несет ту же самую полную нагрузку от вертикального трубопровода. Примеры такого двухстороннего гибкого соединения труб были представлены в полученном Herber и другими патенте США №3680895, опубликованном 1 августа 1972; в полученном Herber и другими патенте США №4068864, опубликованном 17 января 1978 (смотри рис.4); в полученном Whightsit старшим и другими Патенте США №5, 133578, опубликованном 28 июля 1992 года.
[0005] Гибкие соединения труб содержат более одного гибкого элемента в общем корпусе так, что два гибких элемента подвергаются одному и тому же угловому смещению, при этом только один из этих двух гибких элементов несет растягивающую нагрузку при гибком соединении труб. Подобная конструкция может уменьшить давление добываемой жидкости на каждый гибкий элемент и обеспечить как основной, так и резервный механизмы герметизации для удерживания давления добываемой жидкости внутри трубного соединения. Вместе с тем, гибкие элементы при этом конструктивном решении должны быть предварительно сжаты для надлежащего функционирования; из этого следует, что в этом случае сокращается срок службы гибких элементов. Таким образом, эти конструктивные решения делают неэффективным использование двух гибких элементов как для того, чтобы выдерживать осевую нагрузку на трубы, так и для герметизации давления. Примеры таких гибких соединений труб находятся в полученном Schwemmer патенте США №4183556, опубликованном 15 января 1980; в полученном Ohrt патенте США №4068868, опубликованном 17 января 1978; в полученном Peppel и другими патенте США №4784410, опубликованном 15 ноября 1988; в полученном Рерреl и другими патенте США №4984827, опубликованном 15 января 1991 года.
[0006] Соединение труб, имеющее два гибких элемента в общем корпусе и в результате разных уровней предварительного сжатия по оси двух гибких элементов раскрывается в полученном Ламп и другими патенте 4416473, выданном 23 ноября 1983 года. Два гибких элемента расположены на противоположных сторонах общего центра вращения. Соединение труб имеет фланец и воротник, образующий сферический подшипник, позволяющий угловое смещение, но предотвращающий относительное перемещение при осевом сжатии (Ламп, колонка 5, строки 2-8.). Один гибкий элемент, имеющий больший диаметр, берет на себя осевые растягивающие нагрузки. Другой гибкий элемент, имеющий меньший диаметр, предназначен исключительно для обеспечения герметизации жидкости внутри трубки (Ламп, колонка 5, строки 16-34). Желаемое предварительное осевое напряжение применяется для гибкого элемента с меньшим диаметром посредством затягивания болтов настолько туго, чтобы замкнуть зазор цилиндрического отверстия. (Лами, колонка 6, строки 30-46).
Раскрытие изобретения
[0007] Для управления высоким давлением жидкости внутри гибкого соединения труб, желательно для гибких соединений труб включить, по меньшей мере, один основной эластомерный гибкий элемент для управления осевыми нагрузками на соединение труб, и, по меньшей мере, один дополнительный эластомерный гибкий элемент, специально предназначенный для сдерживания давления жидкости в гибком соединении труб и устранения давления жидкости на основной гибкий элемент. Благодаря устранению давления жидкости на основной гибкий элемент, размер гибкого элемента может быть уменьшен, и его срок службы может быть увеличен.
[0008] В соответствии с первым аспектом, целью настоящего изобретения является двустороннее гибкое соединение труб. Двустороннее гибкое соединение труб включает в себя внешний корпус, первую удлинительную трубу, выходящую из первого конца корпуса, вторую удлинительную трубу, выходящую из второго конца корпуса, первый основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в корпусе и устанавливающий на корпусе первую удлинительную трубу, и второй основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в корпусе и устанавливающий на корпусе вторую удлинительную трубу. Двустороннее гибкое соединение труб дополнительно включает в себя внутренний корпус, расположенный внутри внешнего корпуса, первый дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный во внутреннем корпусе и устанавливающий первую удлинительную трубу на внутреннем корпусе, и второй дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный во внутреннем корпусе и устанавливающий вторую удлинительную трубу на внутреннем корпусе. Нагрузка на первую и вторую удлинительные трубы помещает каждый из первого и второго основных гибких элементов и каждый из первого и второго дополнительных гибких элементов в сжатое состояние. Кроме того, первый и второй дополнительные гибкие элементы крепятся к внутреннему корпусу для сдерживания давления жидкости внутри первой и второй удлинительных труб так, чтобы первый и второй основные гибкие элементы не подвергались давлению жидкости внутри первой и второй удлинительных труб.
[0009] В соответствии с другим аспектом, целью настоящего изобретения является двустороннее гибкое соединение труб. Двустороннее гибкое соединение труб включает в себя внешний корпус, имеющий первый конец и второй конец, первую удлинительную трубу, выходящую из первого конца внешнего корпуса и имеющую внутренний фланец внутри внешнего корпуса и внешний фланец внутри внешнего корпуса, первый основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный внутри внешнего корпуса и устанавливающий внешний фланец первой удлинительной трубы на внешнем корпусе, вторую удлинительную трубу, выходящую из второго конца внешнего корпуса и имеющую внутренний фланец внутри внешнего корпуса и внешний фланец внутри внешнего корпуса, второй основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный внутри внешнего корпуса и устанавливающий внешний фланец второй удлинительной трубы на внешнем корпусе. Двустороннее гибкое соединение труб дополнительно включает в себя внутренний корпус, расположенный внутри внешнего корпуса. Внутренний фланец первой удлинительной трубы расположен внутри внутреннего корпуса, и внутренний фланец второй удлинительной трубы расположен в пределах внутреннего корпуса. Двустороннее гибкое соединение труб дополнительно включает в себя первый дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в пределах внутреннего корпуса и устанавливающий внутренний фланец первой удлинительной трубы на внутреннем корпусе, и второй дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в пределах внутреннего корпуса и устанавливающий внутренний фланец второй удлинительной трубы на внутреннем корпусе. Нагрузка на первую и вторую удлинительные трубы помещает каждый из первого и второго основных гибких элементов и каждый из первого и второго дополнительных гибких элементов в сжатое состояние. Кроме того, первый и второй дополнительные гибкие элементы крепятся к внутреннему корпусу для сдерживания давления жидкости внутри первой и второй удлинительных труб так, чтобы первый и второй основные гибкие элементы не подвергались давлению жидкости внутри первой и второй удлинительных труб.
[00010] В соответствии с еще одним аспектом, целью настоящего изобретения является двустороннее гибкое соединение труб. Двустороннее гибкое соединение труб включает в себя внешний корпус, имеющий первый конец и второй конец, первую удлинительную трубу, выходящую из первого конца внешнего корпуса, и имеющую внутренний фланец внутри внешнего корпуса и внешний фланец внутри внешнего корпуса, первый основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный внутри внешнего корпуса и устанавливающий внешний фланец первой удлинительной трубы на внешнем корпусе, вторую удлинительную трубу, выходящую из второго конца внешнего корпуса и имеющую внутренний фланец внутри внешнего корпуса и внешний фланец внутри внешнего корпуса, второй основной кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный внутри внешнего корпуса и устанавливающий внешний фланец второй удлинительной трубы на внешнем корпусе. Двустороннее гибкое соединение труб дополнительно включает в себя внутренний корпус, расположенный внутри внешнего корпуса. Внутренний фланец первой удлинительной трубы расположен внутри внутреннего корпуса, и внутренний фланец второй удлинительной трубы расположен в пределах внутреннего корпуса. Двустороннее гибкое соединение труб дополнительно включает в себя первый дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в пределах внутреннего корпуса и устанавливающий внутренний фланец первой удлинительной трубы на внутреннем корпусе, и второй дополнительный кольцеобразный эластомерный гибкий элемент, расположенный в пределах внутреннего корпуса и устанавливающий внутренний фланец второй удлинительной трубы на внутренний корпус. Нагрузка на первую и вторую удлинительные трубы помещает каждый из первого и второго основных гибких элементов и каждый из первого и второго дополнительных гибких элементов в сжатое состояние. Кроме того, первый и второй основные гибкие элементы и первый и второй дополнительные гибкие элементы устанавливаются таким образом, что они имеют общую ось и имеют общий центр вращения. Первый и второй основные гибкие элементы располагаются на первом общем радиусе от общего центра вращения, первый и второй дополнительные гибкие элементы располагаются на втором общем радиусе от общего центра вращения, и второй радиус меньше, чем первый радиус.
Краткое описание чертежей.
[00011] Дополнительные возможности и преимущества изобретения будут представлены ниже со ссылкой на чертежи, на которых:
[00012] На фиг.1 показано схематическое изображение платформы на натяжных опорах (ПНО), включающей в себя эксплуатационный вертикальный трубопровод и экспортный вертикальный трубопровод, в цепной несущей конфигурации.
[00013] На фиг.2 показан вид спереди двустороннего гибкого соединения труб, используемого в вертикальном трубопроводе, изображенном на фиг.1.
[00014] На фиг.3 показано изометрическое изображение передней половины двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2.
[00015] На фиг.4 показано боковое поперечное сечение двустороннего гибкого соединения труб, сделанное по линии 4-4, изображенной на фиг.2.
[00016] На фиг.5 показано изометрическое изображение задней половины двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2.
[00017] На фиг.6 показано шаровое шарнирное соединение двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2, в случае углового смещения между осями удлинительных труб гибкого соединения труб.
[00018] На фиг.7 показано шаровое шарнирное соединение для двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2, в случае осевого растягивающего напряжения между удлинительными трубками гибкого соединения труб.
[00019] На фиг.8 показано шаровое шарнирное соединение для двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2, для комбинированного случая углового смещения между осями удлинительных труб гибкого соединения труб и осевого растягивающего напряжения между удлинительными трубами.
[00020] На фиг.9 показана альтернативная конструкция для теплозащитного экрана в шаровом шарнирном соединении двустороннего гибкого соединения труб, изображенного на фиг.2.
[00021] На фиг.10 показана стадия сборки воедино частей теплозащитного экрана, показанного на фиг.9.
[00022] На фиг.11 показан вид сверху пружины, используемой в тепловом экране, изображенном на фиг.9.
[00023] Несмотря на то что изобретение подвержено различным модификациям и альтернативным формам, конкретные варианты его были показаны на чертежах и будут подробно описаны. Следует понимать, однако, что это сделано не для того, чтобы ограничить осуществление изобретения детально описанной формой, но, напротив, намерение заключается в охвате всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, входящих в сферу изобретения, как это определено прилагаемой формулой изобретения.
Способы осуществления изобретения
[00024] Как показано на фиг.1, как правило, суда 10, предназначенные для бурения в открытом море и нефтедобычи, плавают на уровне свободной поверхности воды 11. Плавучее основание, в частности, платформа на натяжных опорах (ПНО) закреплена на морском дне 12 с помощью натяжных элементов опоры платформы 13, 14 и опорных плит основания 15, 16. Хотя это и не видно на фиг.1, существует множество натяжных элементов опоры платформы, ставящих в зависимость каждый из четырех углов ПНО платформы 10 от соответствующей одной из четырех опорных плит основания 15, 16. Кроме того, каждый из четырех нижних углов платформы ПНО 10 прикрепляется к соответствующей боковой якорной оттяжке 17, 18, используемой, чтобы перемещать платформу вбок и противостоять боковым нагрузкам в шторм.
[00025] Для транспортировки буровых растворов и бурильной колонны от ПНО до скважины 19 на морском дне 12 и для удаления углеводородов из скважины после завершение бурения, в большинстве случаев устанавливается эксплуатационный райзер (вертикальный трубопровод) 20, расположенный от скважины 19 вплоть до платформы ПНО 10. Вертикальный трубопровод 20 состоит из некоторого количества секций жестких труб 21, соединенных двусторонними гибкими соединениями труб 22.
[00026] Также на фиг.1 показан устанавливаемый в большинстве случаев экспортный вертикальный трубопровод 24, свисающие с опоры ПНО 10 в цепной контактной конфигурации и касающийся поверхности морского дна 12. Экспортный вертикальный трубопровод 24, например, трубопровод от ПНО 10 до объекта на берегу (не показан), или до системы буев для плавучей системы нефтедобычи, хранения и выгрузки и разгружающихся судов (ПСХВ). Экспортный вертикальный трубопровод 24 похож на эксплуатационный вертикальный трубопровод 20 в том, что он состоит из некоторого количества секций жестких труб 25, соединенных двусторонними гибкими соединениями труб 26. Одностороннее гибкое соединение труб 27 в верхней части вертикального трубопровода 24 устанавливается в боковую входную прорезь приемного резервуара 34, прикрепленного к опоре ПНО 10.
[00027] Гибкие соединения для вертикальных трубопроводов были изготовлены и укомплектованы частями разных размеров для обслуживания вертикальных трубопроводов различных нормализованных размеров. Тем не менее, могут возникнуть ситуации, где было бы желательно увеличить грузоподъемность или срок службы двусторонних гибких соединений труб для данного размера корпуса. Например, была тенденция к бурению скважин на некотором расстоянии от берега в морском дне на увеличенных глубинах залегания ниже уровня свободной поверхности воды 11 и на увеличенной глубине залегания ниже морского дна 12. Скважины в морском дне на некотором расстоянии от берега на увеличенных глубинах залегания ниже уровня свободной поверхности воды требуют более длинных вертикальных трубопроводов, подвергающих гибкие соединения труб воздействию увеличенных осевых, угловых перемещений и нагрузке кручения из-за глубоководных течений и перемещения плавающей морской платформы во время шторма. Из скважин в морском дне на некотором расстоянии от берега на увеличенной глубине залегания ниже морского дна вынуждены производить выработку добываемой жидкости повышенной температуры и давления.
[00028] Чрезмерные пиковые нагрузки особенно проблематичны для гибких соединений труб при конвейерной транспортировке высокотемпературной добываемой жидкости. Например, эластомеры, обычно применяемые в гибких соединениях труб, подвергаются значительному распаду при воздействии температуры выше примерно 180 градусов по Фаренгейту (82 градусов С). При нормальной загрузке, работа при высоких температурах сокращает срок службы гибких соединений труб более или менее предсказуемым образом. При избыточных пиковых нагрузках, работа при высоких температурах может быстро привести к необходимости замены гибкого элемента в гибком соединении труб.
[00029] Для непрерывной работы с высокотемпературной жидкостью, обычно применяемые эластомерные (упругие) гибкие элементы могут быть защищены от воздействия тепла добываемой жидкости, чтобы гибкий элемент не подвергался воздействию температуры свыше 180 градусов по Фаренгейту (82 градусов С). Например, высокотемпературное подвижное соединение труб, содержащее требуемый теплозащитный экран, описано в полученном Moses и другими патенте США №7341283, опубликованном 11 марта 2008 года. Такое высокотемпературное гибкое соединение обычно применяется в качестве одностороннего гибкого соединения труб 23 и 27, прикрепленного к ПНО 10, что показано на фиг.1. Однако двустороннее гибкое соединение труб 22 и 26, показанное на фиг.1, приводит к дополнительным проблемам при работе с высокотемпературной добываемой жидкостью. Одной из проблем являются требования относительно небольших размеров и веса двустороннего гибкого соединения труб 22 и 26. Другая задача заключается в обеспечении устойчивости двусторонних гибких соединений труб к пиковым осевым нагрузкам при сжатии.
[00030] Желательно, чтобы двусторонние гибкие соединения труб обладали относительно малым весом, потому что из-за веса двусторонних гибких соединений труб в вертикальном трубопроводе увеличивается осевая нагрузка при растяжении в верхней части вертикального трубопровода. Относительно небольшие размеры и вес также способствуют тенденции к снижению стоимости производства, транспортировки и установки двусторонних гибких соединений труб.
[00031] Желательно, чтобы двусторонние гибкие соединения труб были устойчивы к пиковым осевым сжимающим нагрузкам. В общем и целом маловероятно, чтобы односторонние гибкие соединения труб 23, 34 в верхней части вертикальных трубопроводов 20, 24 подвергались пиковым осевым сжимающимся нагрузкам, потому что обычно они подвергаются осевым нагрузкам, вызванным весом вертикального трубопровода. Двусторонние гибкие соединения труб в нижней части вертикального трубопровода, однако, подвергаются существенно сниженному осевому растяжению, которое может быть легче преодолено с помощью сжимающей нагрузки со стороны глубоководных течений и перемещения плавающей морской платформы во время шторма.
[00032] Для работы с жидкостью высокого давления в двустороннем гибком соединении труб, желательно, чтобы гибкие соединения труб включали в себя дополнительные эластомерные (упругие) гибкие элементы, специально предназначенные для удерживания давления добываемой жидкости внутри гибкого соединения труб. Благодаря удерживанию давления добываемой жидкости в гибком соединении труб, дополнительные упругие гибкие элементы могут устранить давление добываемой жидкости на основные гибкие элементы, которые несут основную часть осевых, угловых перемещений, и нагрузки кручения на гибкое соединение труб. Благодаря устранению давления добываемой жидкости на основные гибкие элементы, размеры основных гибких элементов могут быть уменьшены, и их срок службы может быть продлен. При этом сокращение размеров основных гибких элементов не требует значительного увеличения общего размера гибкого соединения при размещении дополнительных упругих гибких элементов. Кроме того, желательно обеспечить, чтобы дополнительные гибкие элементы не подвергались осевому сжатию от нагрузки продольного сжатия, воздействующей на гибкое соединение труб.
[00033] На фиг.2 более детально изображено предпочтительное двустороннее гибкое соединение труб 26. Гибкое соединение труб 26 имеет цилиндрический внешний корпус 50, верхнюю удлинительную трубу 51, выходящую из верхней части внешнего корпуса 50, и нижнюю удлинительную трубу 52, выходящую из нижней части внешнего корпуса 50.
[00034] Внешний корпус 50 состоит из верхней половины 53 и нижней половины 54, закрепленных вместе болтами 55. Как более четко показано на фиг.3, головки болтов 55 расположены в шести верхних окнах 56, 57, 58 и др., вырезанных во внешней периферии верхней половины 53 внешнего корпуса 50 и расположенных в окружении внешнего корпуса. Каждое из верхних окон 56, 57, 58 получает четыре болта 55. Внешняя периферия нижней половины 54 внешнего корпуса также имеет шесть нижних окон 65, 66, 67 и т.д., вырезанных во внешней периферии нижней половины 54 внешнего корпуса 50 и расположенных по внешнему окружению внешнего корпуса. Верхние и нижние окна 56, 57, 58, 65, 66, 67 и т.д. обеспечивают циркуляцию морской воды для отвода тепла от гибкого соединения труб 26, когда высокотемпературная добываемая жидкость перемещается между удлинительными трубами 51, 52 через гибкое соединение труб.
[00035] Как показано на фиг.4, верхний основной кольцеобразный упругий эластомерный гибкий элемент 71 обеспечивает установку верхней удлинительной трубы 51 на верхнюю половину 53 внешнего корпуса. В частности, эластомерная часть верхнего основного упругого соединения 71 присоединена к верхнему кольцу нагрузки 72, и эластомерная часть верхнего основного гибкого элемента 71 присоединена к внешнему фланцу 73 верхней удлинительной трубы 51. Верхнее кольцо нагрузки 72 зафиксировано в верхней половине 53 внешнего корпуса 50. Аналогичным образом нижнее основное кольцеобразное упругое эластомерное гибкое соединение 74 обеспечивает установку нижней удлинительной трубы 52 на нижней половине 54 внешнего корпуса 50. В частности, эластомерная часть нижнего основного упругого соединения 74 присоединена к нижнему кольцу нагрузки 75, и эластомерная часть нижнего основного упругого соединения 74 присоединена к внешнему фланцу 76 нижней удлинительной трубы 52. Нижнее кольцо нагрузки 75 зафиксировано в нижней половине 54 внешнего корпуса 50.
[00036] Верхний основной гибкий элемент 71 и нижний основной гибкий элемент 74 устанавливаются коаксиально относительно расположенной в центре общей продольной оси 77 гибкого соединения труб 26. Верхний основной гибкий элемент 71 и нижний основной гибкий элемент 74 также имеют общий центр вращения 78 и удалены от центра вращения на общий радиус R1. Верхний основной гибкий элемент 71 и нижний основной гибкий элемент 74 также имеют похожую форму и состав, так что осевые нагрузки напряжения, угловые нагрузки перемещения и нагрузки кручения на гибкое соединение труб 26 от верхней и нижней удлинительных труб 51, 52 делятся между основными гибкими элементами 71, 74. Нагрузка на гибкое соединение труб 26 от верхней и нижней удлинительных труб 51, 52 является причиной деформации или механического напряжения в верхнем основном гибком элементе 71 и причиной деформации или механического напряжения в нижнем основном гибком элементе 74, таких, что деформация или механическое напряжение, вызванные в верхнем основном гибком элементе 72, являются по существу аналогичными той деформации или механическому напряжению, вызванным в нижнем основном гибком элементе 74.
[00037] Для увеличения несущей способности или срока службы двустороннего гибкого соединения труб 26 для данного размера внешнего корпуса, некоторое количество дополнительных кольцеобразных упругих гибких элементов 81, 82 установлены в наружном корпусе 50. Основные гибкие элементы 71, 74 перераспределяют осевые нагрузки напряжения, угловые нагрузки перемещения и нагрузки кручения на гибкое соединение труб, а дополнительные гибкие элементы 81, 82 сдерживают давление добываемой жидкости внутри гибкого соединения труб. В частности, основные гибкие элементы 71, 74 обеспечивают, чтобы нагрузки осевого напряжения и углового смещения на соединение труб не вызывали осевого или углового смещения, которое является чрезмерным для дополнительных гибких элементов 81, 82. Дополнительные гибкие элементы устраняют давление добываемой жидкости на основные гибкие элементы.
[00038] На фиг.4 показана предпочтительная конфигурация, включающая верхний дополнительный гибкий элемент 81 и нижний дополнительный гибкий элемент 82. Дополнительные гибкие элементы 81 и 82 устанавливаются коаксиально относительно расположенной в центре общей продольной оси 77 гибкого соединения труб 26. Дополнительные гибкие элементы 81 и 82 также имеют общий центр вращения 78 с основными гибкими элементами 71 и 74 и удалены от центра вращения на общий R2. Общий радиус R2 дополнительных гибких элементов 81 и 82 меньше, чем общий радиус R1 основных гибких элементов 81 и 82. Кроме того, дополнительные гибкие элементы 81 и 82 установлены на внутреннем корпусе 80 таким образом и верхняя и нижняя удлинительные трубы 51 и 52 в таком направлении, что дополнительные гибкие элементы удерживают давление добываемой жидкости в удлинительных трубах так, что основные гибкие элементы 71, 74 не испытывают давления добываемой жидкости.
[00039] Как показано на фиг.4, верхний дополнительный гибкий элемент 81 устанавливает верхнюю удлинительную трубу 51 на верхней половине 83 внутреннего корпуса 80, а нижний дополнительный гибкий элемент 82 устанавливает нижнюю удлинительную трубу 52 на нижней половине 84 внутреннего корпуса. В частности, эластомерная часть верхнего дополнительного упругого соединения 81 присоединена к верхней половине 83 внутреннего корпуса 80, и также эластомерная часть верхнего дополнительного упругого соединения 81 присоединена к внутреннему фланцу 85 верхней удлинительной трубы 51. Эластомерная часть нижнего дополнительного упругого соединения 82 присоединена к нижней половине 84 внутреннего корпуса 80, и также эластомерная часть нижнего дополнительного упругого соединения 82 присоединена к внутреннему фланцу 86 нижней удлинительной трубы 52.
[00040] Внутренний корпус 80 расположен внутри внешнего корпуса 50. Расположенные по кольцевой схеме болты 88, 89 скрепляют верхнюю половину 83 внутреннего корпуса 80 с нижней половиной 84 внутреннего корпуса. Эластомерное кольцевое уплотнение 91, зажатое между верхней половиной 83 внутреннего корпуса 80 и нижней половиной 84 внутреннего корпуса, сдерживает давление добываемой жидкости во внутреннем корпусе.
[00041] Основные гибкие элементы 71, 74 и внешние фланцы 73, 76 удлинительных труб 51, 52 располагаются и заключены в наружный корпус 50 так, что напряжение, приложенное к верхней и нижней удлинительным трубам 51, 52, приводит основные гибкие элементы в состояние сжатия. Аналогичным образом дополнительные гибкие элементы 81, 82 и внутренние фланцы 85, 86 удлинительных труб 51, 52 расположены и заключены во внутренний корпус 80 так, что нагрузка, приложенная к верхней и нижней удлинительным трубам 51, 52, приводит дополнительные гибкие элементы 81, 82 в состояние сжатия. Это является желательным при нормальных условиях, когда двустороннее гибкое соединение труб 26 используется в вертикальных трубопроводах, напряжение подается на верхнюю и нижнюю удлинительные трубы 51, 52, и основные и дополнительные гибкие элементы 71, 14, 81, 82 могут выдержать более высокий уровень сжатия, чем подаваемое напряжение. Тем не менее, для гибкого соединения труб 50 желательно выдерживать высокоуровневое осевое усилие сжатия, воздействующее на верхнюю и нижнюю удлинительные трубы 51, 52 при аварийных условиях.
[00042] Для того чтобы гибкое соединение труб 26 выдерживало высокоуровневое осевое усилие сжатия при аварийных условиях, шаровое шарнирное соединение 100 располагается относительно общего центра вращения 78 и устанавливается между внутренним фланцем 85 верхней удлинительной трубы 51 и внутренним фланцем 86 нижней удлинительной трубы 52. Шаровое шарнирное соединение 100 включает в себя верхнюю часть 101, вставляемую в верхнюю удлинительную трубу 51, и нижнюю часть 102, вставляемую в нижнюю удлинительную трубу 52.
[00043] Теплозащитный экран 103 расположен около общего центра вращения 78 между верхней частью 101 и нижней частью 102 шарового шарнирного соединения 100. Теплозащитный экран 103 представляет собой сферу, имеющую расположенное вдоль оси цилиндрическое отверстие и осевую наружную цилиндрическую поверхность. Внешняя цилиндрическая поверхность теплозащитного экрана 103 вписывается в цилиндрическую выемку в верхней части 101 шарового шарнирного соединения 100. Теплозащитный экран 103 состоит из верхней части 104 и нижний части 105.
[00044] Как будет описано ниже со ссылкой на фиг.6, 7 и 8, шаровое шарнирное соединение 100 и теплозащитный экран 103 выполнены с возможностью допускать некоторое осевое смещение верхних частей 101, 104 по отношению к нижним частям 102, 105, а также угловые перемещения и вращения верхних частей 101, 104 по отношению к нижним частям 102, 105 при сопротивлении потоку тепла от горячей жидкости в удлинительных трубах 51, 52 на дополнительные гибкие элементы 81, 82. Кроме того, для оказания помощи в охлаждении основных и дополнительных гибких элементов 71, 74, 81, 82, внешний фланец 73 верхней удлинительной трубы 51 снабжен расположенными в кольцевом порядке осевыми отверстиями 106, 107, чтобы позволить конвективную циркуляцию морской воды через верхние окна 56, 57, 58 и т.д. во внешний корпус и через ряд отверстий 106, 107 в верхний основной гибкий элемент 71. Аналогичным образом внешний фланец 76 нижней удлинительной трубы 52 снабжен расположенными в кольцевом порядке осевыми отверстиями 108, 109, чтобы позволить конвективную циркуляцию морской воды через ряд отверстий 108, 109 в нижнем основном гибком элементе 74 и через нижние окна 65, 66, 67 и т.д. во внешнем корпусе 50.
[00045] Во время практического применения, когда происходит перемещение добываемой жидкости через вертикальный трубопровод или через трубопровод от уровня моря, добываемая жидкость подается в направлении вдоль центральной оси 77 между удлинительными трубами 51, 52 и через шаровое шарнирное соединение 100 и через теплозащитный экран 103.
[00046] При конструировании гибких соединений труб 26, каждый из двух основных гибких элементов 71, 74 и каждый из двух дополнительных гибких элементов 81, 82 формируются отдельно. Каждый гибкий элемент 71, 74, 81, 82 состоит из чередующихся сферических прокладок из металла, или других жестких материалов, и из слоев эластомерного материала. Чередующиеся слои армирующего и эластомерного материала зажаты в формы и подвергаются обработке давлением и высокой температурой, чтобы сформировать единые герметичные узлы методом прессования. Детали процесса формования показаны, например, на фиг.5 и описаны Мак Грегором в патенте США 4708758, опубликованном 24 ноября 1987 г.
[00047] Поскольку основные упругие элементы 71, 74 охлаждаются циркулирующей морской водой и не подвергаются давлению добываемой жидкости, они могут быть отформованы из обычных эластомеров, таких как вулканизированный нитрилбутадиеновый каучук (NBR), с добавлением от 40 до 45 частей на сто углеродной сажи и/или кремнийсодержащего наполнителя. С другой стороны, дополнительные гибкие элементы 81, 82 могут быть отформованы из более термостойких эластомерных составов, имеющих более низкий модуль упругости, так как дополнительные гибкие элементы менее хорошо охлаждаются циркулирующей морской водой, и нет необходимости обеспечивать большое сопротивление к осевому растяжению, угловому перемещению или нагрузкам кручения на подвижное соединение труб. Например, дополнительные гибкие элементы 81, 82 могут быть отформованы из вулканизированного нитрилбутадиенового каучука (NBR), с добавлением от 5 до 10 частей на сто углеродной сажи и/или кремнийсодержащего наполнителя, или дополнительные гибкие элементы 81, 82 могут быть отформованы из более термостойких эластомеров, таких как вулканизированный перекисью гидрогенизированный нитрилбутадиеновый каучук (HNBR).
[00048] Формование верхнего основного гибкого элемента 71 приводит к образованию верхнего основного гибкого элемента в сборе, состоящего из верхнего основного гибкого элемента 71, верхнего кольца нагрузки 72 и верхней удлинительной трубы 51, включая внешний фланец 73. Формование нижнего основного гибкого элемента 74 приводит к образованию нижнего основного гибкого элемента в сборе, состоящего из нижнего основного гибкого элемента 74, нижнего кольца нагрузки 75 и нижней удлинительной трубы 52, включающей внешний фланец 76. Для формования верхнего основного гибкого элемента 71 и нижнего основного гибкого элемента 74 может быть использована одна и та же форма.
[00049] Формование верхнего дополнительного гибкого элемента 81 приводит к образованию верхнего дополнительного гибкого элемента в сборе, состоящего из верхнего дополнительного гибкого элемента 81, верхней половины 83 внутреннего корпуса 80 и внутреннего фланца 85 верхней удлинительной трубы 51. При формовании верхнего дополнительного гибкого элемента 81, внутренний фланец 85 еще не смонтирован на верхней удлинительной трубе 51. Формование нижнего дополнительного гибкого элемента 82 приводит к образованию нижнего дополнительного гибкого элемента в сборе, состоящего из нижнего дополнительного гибкого элемента 82, нижней половины 84 внутреннего корпуса 80 и внутреннего фланца 86 нижней удлинительной трубы 52. При формовании нижнего дополнительного гибкого элемента 82, внутренний фланец 86 еще не смонтирован на нижней удлинительной трубе 52. Для формования верхнего дополнительного гибкого элемента 81 и нижнего дополнительного гибкого элемента 82 может быть использована одна и та же форма.
[00050] После того как были отформованы гибкие элементы, верхний основной гибкий элемент в сборе соединяется с верхним дополнительным гибким элементом в сборе, благодаря стыковке внутреннего фланца 85 с верхней удлинительной трубой 51 (компоненты в это время удерживаются перевернутыми вверх ногами), и формируется круговой сварной шов 110 на верхней удлинительной трубе 51 для сварки внутреннего фланца 85 с верхней удлинительной трубой. Аналогичным образом нижний основной гибкий элемент в сборе соединяется с нижним дополнительным гибким элементом в сборе, при стыковании внутреннего фланца 86 с нижней удлинительной трубой, и формируется круговой сварной шов 111 в нижней удлинительной трубе 52 для сварки внутреннего фланца 86 с нижней удлинительной трубой.
[00051] Верхняя часть 104 теплозащитного экрана 103 вставляется в верхнюю часть 110 шарового шарнирного соединения 100 (компоненты в это время удерживаются перевернутыми вверх ногами), и круговой сварной шов 112 формируется в верхней части 101, чтобы приварить верхнюю часть 104 теплозащитного экрана 103 к верхней части шарового шарнирного соединения 100. При этом верхняя часть 101 шарового шарнирного соединения 100 вставляется в верхнюю удлинительную трубу 51 (компоненты в это время удерживаются перевернутыми вверх ногами), и образуют круговой сварной шов 113 на верхней удлинительной трубе 51 для сварки верхний части 101 шарового шарнирного соединения с верхней удлинительной трубой 51. При этом нижняя часть 105 теплозащитного экрана 103 соединяется с верхней частью 103 теплозащитного экрана 103. Аналогичным образом нижняя часть 102 шарового шарнирного соединения 100 вставляется в нижнюю удлинительную трубу 52, и формируют круговой сварной шов 114 на нижней удлинительной трубе 52, для сварки нижней части 102 шарового шарнирного соединения 100 с нижней удлинительной трубой 52.
[00052] При этом кольцевое уплотнение 91 находится на верхней части 83 внутреннего корпуса 80 (компоненты в это время удерживаются перевернутыми вверх ногами), а нижнюю часть 102 шарового шарнирного соединения 100, собирают в одно целое с верхней частью 101 шарового шарнирного соединения 100 так, что теплозащитный экран 103 является заключенным между верхней частью 101 и нижней частью 102 шарового шарнирного соединения 100, и нижнее гибкое соединение в сборе соединяется с верхним гибким соединением в сборе, чтобы закрыть внутренний корпус 83 и закрыть внешний корпус 50. Тогда болты 88, 89 и т.д. вставляют через нижние окна 65, 66, 67 и т.д. во внешний корпус 50 и затягивают, чтобы скрепить нижнюю половину 84 внутреннего корпуса 50 с верхней половиной 83 внутреннего корпуса. При этом болты 61, 62 и т.д. вставляют через верхние окна 56, 57, 58 и т.д. во внешний корпус и затягивают, чтобы скрепить верхнюю половину 53 внешнего корпуса 50 с нижней половиной 54 внешнего корпуса.
[00053] На фиг.6 показано шаровое шарнирное соединение 100, обеспечивающее максимальное угловое смещение между удлинительными трубами примерно до 15 градусов.
[00054] На фиг.7 показано шаровое шарнирное соединение 100, обеспечивающее максимальный уровень осевой напряженности в случае нулевого углового смещения между удлинительными трубами. В этом случае имеется осевое смещение верхней части 101 по отношению к нижней части 102 шарового шарнирного соединения 100 так, что верхняя часть 101 смещается относительно нижней части 102. Это относительное осевое смещение создает небольшой зазор между соответствующими сопрягаемыми сферическими поверхностями 115 и 116 верхней части 101 и нижней части 102. Однако имеется аналогичное относительное осевое смещение нижней части 105 теплозащитного экрана 100 по отношению к верхней части 101 шарового шарнирного соединения так, что все еще существует тесный контакт между соответствующими сопрягаемыми сферическими поверхностями 117 и 118 нижнего конца нижней части 105 теплозащитного экрана и нижней части 105 теплозащитного экрана. В частности, нижняя часть 105 теплозащитного экрана имеет наружную цилиндрическую поверхность 120, имеющую свободную посадку с зазором с сопряженной внутренней цилиндрической поверхностью 119 верхней части 101 шарового шарнирного соединения. Таким образом, под действием силы тяжести, нижняя часть 105 теплозащитного экрана 100 движется аксиально относительно верхней части 101 шарового шарнирного соединения 100 до нижней цилиндрической поверхности 118 нижней части 105, опираясь на сопряженную цилиндрическую поверхность 118 нижней части 102 шарового шарнирного соединения.
[00055] На фиг.8 показано шаровое шарнирное соединение 100, обеспечивающее максимальное угловое смещение и осевое смещение между удлинительными трубами. Свободная посадка с зазором между верхней частью 101 шарового шарнирного соединения 100 и нижней частью 105 теплозащитного экрана позволяет нижней части 105 вращаться вместе с верхней частью 101 во время аксиального движения по отношению к нижней части 101, что обеспечивает поддержание тесного контакта с нижней частью 102 шарового шарнирного соединения.
[00056] Как должно быть видно из фиг.4 и 6, верхняя часть 104 и нижняя часть 105 теплозащитного экрана 103 могут быть сконструированы из металлического сплава с целью повышения способности верхней части 101 и нижней части 102 шарового шарнирного соединения 100 взаимодействовать друг с другом, чтобы сдерживать осевое сжимающее воздействие на удлинительные трубы. Например, внешний корпус 50, удлинительные трубы 51, 52, фланцы удлинительных труб 73, 76, 85, 86, внутренний корпус 80, шаровое шарнирное соединение 100 и теплозащитный экран 104 могут быть изготовлены из низкоуглеродистой стали, например ASTM A707 высокопрочной, низкоуглеродистой стали. Дополнительное сопротивление теплопередаче требует дополнительных затрат, поэтому теплозащитный экран 103, или теплозащитный экран 103 и шаровое шарнирное соединение 100, или теплозащитный экран 103 и шаровое шарнирное соединение 100 и внутренние фланцы 85, 86 могут быть изготовлены из низкотеплопроводящих сплавов, таких как сплав никель-хром-железо. Предпочтительным сплавом никель-хром-железо является сплав марки инконель (nconel), который содержит не менее 72% никеля и кобальта, 14-17% хрома и 6-10 железа, а именно 76% никеля, 17% хрома и 7% железа.
[00057] В результате незначительного сокращения осевой длины верхней части 104 и нижней части 105 теплозащитного экрана 103, любая осевая сжимающая нагрузка на удлинительные трубы 51, 52 будет полностью переноситься и выдерживаться исключительно шаровым шарнирным соединением 100 и ни одна из осевых сжимающих нагрузок на удлинительные трубы 51, 52 не будет переноситься на теплозащитный экран 103. В этом случае, можно сделать теплозащитный экран 103 из материала, имеющего низкую теплопроводность и низкую прочность. Например, теплозащитный экран 103 может быть изготовлен из керамики или керамического композитного материала, или полимера или полимерных композиционных материалов. Например, предпочтительным вариантом полимерного композиционного материала является полиэфирэфиркетон (PEEK), армированный 30 процентами случайно ориентированного нарезанного стекловолокна. Материалами PEEK, например, являются марка 450GL30 производства Victrex pic, Хиллхаус International, Thornton Cteveleys, Lancashier, FY5 4QD Engtand.
[00058] Шаровое шарнирное соединение в сборе 100 и теплозащитный экран 103 могут быть оснащены в дополнение к силе тяжести средствами для поддержания зацепления нижней части 105 теплозащитного экрана 103 с нижней частью 102 шарового шарнирного соединения при различных осевых нагрузках на удлинительные трубы. Поэтому зацепление может быть сохранено, при использовании гибкого соединения труб в горизонтальных подводных трубопроводах или когда подвижное соединение труб установлено вверх ногами. Одним из путей, обеспечивающих именно такой механизм, является постоянное намагничивание нижней части 105 теплозащитного экрана 103 так, чтобы обеспечивать магнитное притяжение к нижней части 102 шарового шарнирного соединения 100. Другой способ обеспечения такого механизма состоит во включении в сборную деталь подходящих пружин.
[00059] Для того чтобы постоянно намагнитить нижнюю часть 105 теплозащитного экрана 103 так, чтобы притягивать его к нижней части 102 шарового шарнирного соединения 100 посредством притяжения магнитов, нижняя часть 102 теплового экрана выполняется из материала, способного к поддержанию постоянной намагниченности при температуре добываемой жидкости, и нижняя часть 102 шарового шарнирного соединения выполнена из материала, который является ферромагнитным при температуре добываемой жидкости. Например, нижняя часть 102 теплозащитного экрана 104 выполнена из магнитоэлектрической стали или сплавов ALN)CO, а нижняя часть 102 шарового шарнирного соединения 100 выполнена из ASTM A707 высокопрочной низкоуглеродистой стали. Магнитоэлектрическая сталь, например, закаленная углеродистая сталь, состоит преимущественно из железа и с добавлением 0,15-0,3 процента углерода, или закаленная кобальтовая сталь состоит в основном из железа с добавлением 30-40 процентов кобальта, 5-9 процентов вольфрама и от 1,5 до 3 процентов хрома. Сплав ALNICO, например, сплав ALNICO 11 содержит 7 процентов алюминия, 24 процента кобальта, 3 процента меди, 30 процентов железа, 14 процентов никеля, 1,5 процента кремния и 0,3 процента титана. Нижняя часть 102 теплозащитного экрана 104, намагничивается, например, путем создания сборной детали, как показано на фиг.7, и путем размещения катушки электромагнита в кольце 120 на фиг.7, и подачей на катушку электромагнита импульсов с электрическим током.
[00060] На фиг.9, 10 и 11 показана пружина 133, используемая в сборной детали с теплозащитным экраном 130, изготовленным из полимера, такого как PEEK, армированного стекловолокном. Пружина133 имеет наружный диаметр немного меньше, чем наружный диаметр нижней части 132 теплозащитного экрана, а внутренний диаметр пружины соответствует внутреннему диаметру вершины нижней части 132. Поэтому пружина 133 устанавливается на вершину нижней части 132 между верхней частью 131 и нижней частью 132 теплозащитного экрана 130. Пружина 133 может иметь любую из различных возможных форм, такую как винтовая форма, или цилиндрическая форма, имеющая некоторое количество выступающих элементов.
[00061] Как показано на фиг.10 и 11, пружина 123 имеет множество направленных вверх выступающих элементов вокруг ее внешнего контура. Когда верхняя часть 131 и нижняя часть 132 теплозащитного экрана сжаты вместе, пружина 123 принимает плоскую конфигурацию.
[00062] В связи с вышесказанным, было описано двустороннее гибкое соединение труб, содержащих первую и вторую удлинительные трубы, расположенные на противоположных концах внешнего корпуса, и первый и второй основные кольцеобразные упругие гибкие элементы, устанавливающие первую и вторую удлинительные трубы на внешнем корпусе. Внутренний корпус расположен в пределах внешнего корпуса, и первый и второй дополнительные кольцеобразные упругие гибкие эластомерные элементы, расположенные во внутреннем корпусе, обеспечивают установку первой и второй удлинительных труб на внутренний корпус. Нагрузка на первую и вторую удлинительные трубы приводит каждый первый и второй основные гибкие элементы и каждый первый и второй дополнительные гибкие элементы в сжатое состояние. Первый и второй дополнительные гибкие элементы удерживают давление жидкости в первой и второй удлинительных трубах так, чтобы первый и второй основные гибкие элементы не подвергались бы давлению жидкости внутри первой и второй удлинительных труб. Поэтому основные гибкие элементы разработаны специально как несущие угловое смещение и основную часть осевой нагрузки и нагрузки на гибкое соединение труб, и вторичные гибкие элементы также предназначены для выдерживания углового смещения, но особенно для выдерживания давления в жидкости, в результате чего двустороннее гибкое соединение труб получается более компактным и легким.