ПЕРЕХОДНОЙ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ КОРПУСА ПЛАТФОРМ ТИПА СПАР И КЕССОНА
TRANSITIVE CONNECTING UNIT OF PLATFORMS CASE OF SPARUS AND CAISSON TYPE

Предшествующий уровень техники
Настоящее изобретение относится к плавучим морским платформам для хранения, бурения или добычи, а более конкретно к платформам типа СПАР. Более конкретно настоящее изобретение относится к усовершенствованному переходному соединительному узлу между корпусом платформы и кессоном, проходящим вниз от него.
Плавучие платформы, как правило, используются при глубине воды примерно 500 футов (приблизительно 152 м) и более и удерживаются в положении, находящемся над положением подводной скважины, посредством якорных оттяжек, заякоренных на морском дне, или посредством моторных подруливающих устройств, расположенных по бокам платформы, или с помощью обоих способов. Хотя плавучие платформы являются более сложными в работе из-за их движения в ответ на состояние ветра и воды, они способны работать на значительно больших глубинах воды, чем неподвижные платформы, и также являются более подвижными и, следовательно, легче перемещаются к положениям других скважин. Имеются различные типы известных плавучих платформ, включая так называемые "буровые суда", полупогружные основания на растянутых канатах, "полупогружные буровые платформы" и платформы типа СПАР.
Платформы типа СПАР содержат продолговатый, по существу, цилиндрический (или состоящий из множества цилиндров) плавучий корпус, который поддерживает одну или несколько палуб над поверхностью воды, когда он плавает в вертикальном рабочем положении, в котором верхняя часть корпуса платформы проходит выше ватерлинии, а нижняя часть погружается ниже ее. Поскольку часть корпуса платформы находится выше воды, она подвергается воздействию ветра, волн и водных течений, которые вызывают постоянное движение платформы. Как правило, плавучая платформа типа СТАР конструируется для эксплуатации в течение 25-30 лет.
Несмотря на их относительную успешность, платформы типа СПАР включают в себя некоторые аспекты, которые нуждаются в усовершенствовании, чтобы приспособить их к различным применениям и/или к более широкому спектру условий окружающей среды. Например, в типичных конструкциях и конфигурациях типа СПАР, по меньшей мере, один трубчатый кессон проходит вниз от нижней части корпуса платформы. Кессон (кессоны) может проходить на некоторое расстояние под платформой или до морского дна. Часто внутри кессона расположено множество труб и/или пучков контрольных кабелей.
Поскольку кессон проходит под плавучим корпусом СПАР, как правило, существует относительный изгиб в области переходного соединения между корпусом платформы типа СПАР и кессоном.
Существующие в настоящее время переходные соединительные узлы для соединения корпуса и кессона не приспособлены к очень высоким растягивающим нагрузкам, к искривляющему/изгибному относительному движению между корпусом платформы и кессоном в течение срока службы установки и к очень критичному сроку службы при усталостных нагрузках. Поскольку ветер, волны и водные течения всегда присутствуют при различных интенсивностях, переходное соединение корпус/кессон должно конструироваться, чтобы соответствовать очень критичному сроку службы при усталостных нагрузках в связи с высокими нагрузками и постоянным относительным движением.
В связи с вышеизложенным целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного переходного соединительного узла корпуса платформы типа СПАР и кессона, обеспечивающий восприятие значительных упругих нагрузок между корпусом и кессоном, облегчение углового изгиба и одновременное ограничение бокового перемещения и вертикального аксиального перемещения кессона относительно корпуса платформы, и обеспечение значительного увеличения срока службы при усталостных нагрузках переходного соединителя между корпусом и кессоном.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением создан переходной соединительный узел для соединения корпуса платформы и кессона, соединенного своей верхней частью с нижней частью корпуса, проходящего вниз через отверстие в держателе, установленном в нижней части корпуса, и имеющего вертикальную ось и верхний край, расположенный в корпусе, содержащий стопорный торец, проходящий радиально от верхнего края кессона и прикрепленный к нему, и опорный узел, расположенный коаксиально вокруг верхней части кессона между стопорным торцом и держателем и содержащий стальное верхнее опорное кольцо, образующее самую верхнюю часть опорного узла, на которой расположен стопорный торец, стальное нижнее опорное кольцо, расположенное в держателе вокруг его отверстия и образующее самую нижнюю часть опорного узла, и ламинированную структуру, состоящую из попеременно чередующихся стальных и эластомерных гибких колец, расположенных между верхним опорным кольцом и нижним опорным кольцом, обеспечивающих поворот кессона относительно вертикальной оси в ответ на угловые изгибающие нагрузки, приложенные к кессону, и соединенных друг с другом для совместного изгиба как единое целое по существу без скольжения между соседними гибкими кольцами в ответ на нагрузки, прикладываемые к верхнему опорному кольцу стопорным торцом при повороте кессона относительно вертикальной оси.
Стальные и эластомерные гибкие кольца могут быть вулканизированы и соединены вместе.
Все гибкие кольца могут иметь чашеобразную форму с общим радиусом кривизны.
Верхнее опорное кольцо может иметь нижнюю поверхность, а нижнее опорное кольцо может иметь верхнюю поверхность, при этом гибкие кольца, нижняя поверхность верхнего опорного кольца и верхняя поверхность нижнего опорного кольца могут иметь общий радиус кривизны.
Более полное понимание настоящего изобретения может быть достигнуто из нижеприведенного подробного описания его предпочтительных вариантов осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид с разрывом платформы типа СПАР, содержащий переходное соединение корпуса и кессона в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 представляет собой вид с вырывом части фиг.1, находящейся внутри изображенной прерывистой линией области 2 на фиг.1, иллюстрирующий соединительный узел корпуса платформы типа СПАР и кессона в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой вид поперечного сечения вдоль линии 3-3 фиг.2.
Фиг.4 представляет собой вид в продольном сечении соединительного узла корпуса и кессона в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет собой вид поперечного сечения вдоль линии 5-5 на фиг.4.
Фиг.6 представляет собой общий вид сверху эластомерного элемента соединительного узла корпуса и кессона на фиг.4.
Фиг.7 представляет собой полусхематический вид поперечного сечения соединительного узла корпуса и кессона на фиг.4, показывающий относительное изгибное движение между корпусом и кессоном, облегчаемое с помощью настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет собой вид продольного сечения соединительного узла корпуса и кессона в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 представляет собой вид сверху соединения корпус/кессон на фиг.8.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид с разрывом морской платформы 10 типа СПАР для бурения и добычи нефти и газа, плавающей вертикально в глубокой воде. Платформа 10 содержит корпус 12, значительная часть которого погружена ниже поверхности 14 воды. Корпус 12 частично проходит над поверхностью 14 воды для поддержки палубы 16, которая несет оборудование для бурения и добычи, жилые помещения для экипажа и тому подобное, как обычно. Фиксируемые или сменные элементы балласта (не показаны) могут располагаться в погруженной части корпуса 12 для понижения центра тяжести платформы 10 значительно ниже центра ее плавучести, тем самым повышая стабильность платформы 10 посредством увеличения ее естественного периода колебаний по сравнению с периодом волн в объеме воды. Корпус 12 преимущественно содержит одно или несколько спиральных ребер 18, проходящих радиально снаружи корпуса 12 и расположенных таким образом, чтобы образовать, по меньшей мере, одну спиральную полосу, проходящую вокруг периферии погруженной части корпуса 12. Целью спирального ребра или ребер 18 является предотвращение или сведение к минимуму вибраций, вызываемых вихрями, как хорошо известно в данной области.
Кроме того, платформа 10 содержит, по меньшей мере, один цилиндрический кессон 20, проходящий вертикально вниз от корпуса 12. Кессон 20 соединен с корпусом 12 посредством переходного опорного узла 22 (фиг.2) в соответствии с настоящим изобретением. Опорный узел 22, который подробно описывается ниже, расположен на кольцевом держателе 24, установленном на открытом нижнем краю корпуса 12, как показано на фиг.2. Опорный узел 22 образует центральный проход 23 (смотри фиг.4 и 5), через который верхняя часть кессона 20 проходит, когда он попадает в нижнюю часть корпуса 12 через центральное отверстие 25 в держателе 24 (фиг.4), так что опорный узел 22 располагается коаксиально вокруг верхней части кессона 20. Как будет обсуждаться ниже, диаметр прохода 23 увеличивается от верхнего края опорного узла 22 к нижнему его краю. Кессон 20 может преимущественно содержать коническую кромку 26 вокруг его верхнего края. Масса кессона 20 прикладывает вертикальную растягивающую нагрузку (показанную с помощью стрелки "А" на фиг.1) на корпус 12, в то время как ветер, волны и течения прикладывают угловые изгибные нагрузки (показанные с помощью стрелки "В" на фиг.1) между корпусом 12 и кессоном 20.
Бурение, добыча и выгрузка с платформы 10 требуют вертикальных проходов через столб воды между морским дном 28 и платформой 10. Эти проходы, как правило, снабжаются множеством вертикальных труб 30, проходящих от морского дна 28 вверх через кессон 20 и корпус 12 к палубе 16. В типичной платформе типа СПАР вертикальные трубы 30 могут прикрепляться к палубе 16 посредством натяжных устройств (не показаны) или они могут поддерживаться на палубе и опускаться с нее в модифицированной в форме подвески до морского дна 28. Другие средства, хорошо известные в данной области, могут использоваться для поддержки индивидуальных вертикальных труб, в частности труб с меньшим диаметром.
На фиг.4 показан переходной соединительный узел, в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащий кольцевой стопорный торец 32, проходящий радиально наружу из верхнего края кессона 20. Опорный узел 22 коаксиально окружает верхнюю часть кессона 20 непосредственно под стопорным торцом 32. Самая верхняя часть опорного узла 22 представляет собой стальное верхнее опорное кольцо 34, расположенное таким образом, что нижняя поверхность стопорного торца 32 расположена сверху верхнего опорного кольца 34. Самая нижняя часть опорного узла 22 представляет собой стальное нижнее опорное кольцо 36, расположенное внутри держателя 24 на нижнем краю корпуса 12, как описано выше. Между верхним опорным кольцом 34 и нижним опорным кольцом 36 опорного узла 22 расположено множество гибких элементов, содержащее множество стальных гибких колец 38, расположенных поочередно с эластомерными гибкими кольцами 40, которые отделяют их друг от друга. Как стальные гибкие кольца 38, так и эластомерные гибкие кольца 40 сформированы в виде "чашек" или в изогнутой конфигурации, определяемой общим радиусом кривизны, который имеют нижняя поверхность верхнего опорного кольца 34 и верхняя поверхность нижнего опорного кольца 36. Стальные кольца 38, эластомерные кольца 40, верхнее опорное кольцо 34 и нижнее опорное кольцо 38 соединены вместе с помощью хорошо известных технологий. Гибкие элементы 38, 40 расположены внутри эластомерного внешнего рукава 41, предпочтительно, с толщиной примерно 1-2 см, который фиксируется между верхним опорным кольцом 34 и нижним опорным кольцом 36.
Конфигурация одного из стальных гибких колец 38 иллюстрируется на фиг.5, которая также показывает внутреннее пространство кессона 20 и вертикальные трубы 30, проходящие через него. Конфигурация одного из эластомерных гибких колец 40 показана на фиг.6. Эластомерные гибкие кольца 40 предпочтительно изготавливаются из нитрильного сополимера бутадиена и акрилонитрила, имеющегося на рынке под торговым наименованием "BUNA-N". Другие пригодные для использования эластомерные материалы включают в себя сополимеры тетрафторэтилена, поставляемые на рынок DuPont Performance Elastomers под торговым наименованием "VITON", и Seals Eastern, Inc. под торговым наименованием "AFLAS". Другие пригодные для использования эластомерные материалы предложат сами специалисты в данной области. Конкретный выбранный эластомер будет зависеть от условий окружающей среды и от физических характеристик, желаемых для опорного узла 22. Таким образом, эластомерный материал может выбираться в соответствии с его конкретными физическими характеристиками, такими как твердость и модуль сдвига. Подобным же образом физические размеры гибких элементов 38, 40 будут выбираться в зависимости от конкретного применения и окружающей среды.
Хотя гибкие элементы 38, 40 в этом первом варианте осуществления показаны как сплошные кольцевые элементы, они могут конфигурироваться как множество пакетов отдельных цилиндрических гибких элементов, расположенных в кольцевом размещении, как обсуждается ниже в связи с вариантом осуществления, показанным на фиг.8 и 9.
Из фиг.4 понятно, что внутренний диаметр каждого следующего гибкого элемента 38, 40 (если идти от верхнего края опорного узла 22 к его нижнему краю) немного превышает внутренний диаметр гибкого элемента 38 или 40 непосредственно над ним, в результате чего диаметр центрального прохода 23 опорного узла 22 увеличивается от верха опорного узла 22 у его нижней части. Эта коническая конфигурация центрального прохода 23 облегчает относительное угловое движение между кессоном 20 и держателем, который фиксируется на корпусе 12 и поддерживает опорный узел 22, как рассмотрено выше.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения имеется примерно от 10 до примерно 30 штук каждого элемента из стальных колец 38 и эластомерных колец 22, вулканизированных и соединенных вместе (с верхним опорным кольцом 34 и нижним опорным кольцом 36) с помощью любых соответствующих средств, известных в данной области, с формированием ламинированной структуры, в которой гибкие элементы 38, 40 вместо проскальзывания изгибаются вместе в ответ на угловые перемещения кессона 20 по отношению к корпусу. Посредством этого изгиба вместо проскальзывания гибкие элементы 38, 40 устраняют так называемый эффект "проскальзывание-прилипание", при котором относительное движение между кессоном 20 и корпусом 12 осуществлялось бы только тогда, когда силы трения покоя между соседними гибкими элементами преодолевались угловыми изгибными и искривляющими нагрузками, которым подвергаются кессон 18 и корпус 12. Этот эффект "проскальзывания-прилипания", таким образом, вызывал бы "трущее" действие, вызывая неправильные искривляющие моменты в кессоне, с уменьшением, как следствие, срока службы при усталостных нагрузках переходного соединения корпуса/кессон. Посредством устранения этого эффекта "проскальзывания-прилипания", опорный узел 22 с его ламинированными гибкими элементами 38, 40 начинает изгибаться при любой вызывающей изгиб нагрузке, прикладываемой к кессону 20 и/или корпусу 12, вместо необходимости в нагрузке, которая превосходит силы трения между несвязанными гибкими элементами. Таким образом, ламинированная (связанная) система гибких элементов в опорном узле 22 по существу устраняет неправильные искривляющие моменты.
Верхний край кессона 20 может преимущественно содержать часть силового соединения 42, где кессон 20 соединен со стопорным торцом 32. Часть силового соединения 42 формируется с помощью толщины конической стенки, которая постепенно увеличивается при достижении стопорного торца 32 вдоль закругленного сопряжения 44. Эта особенность обеспечивает усовершенствованное распределение напряжений внутри искривляющегося трубчатого элемента, такого как кессон 20.
Действие переходного соединительного узла корпуса и кессона по настоящему изобретению иллюстрируется на фиг.7. Как рассмотрено выше, переходной соединительный узел содержит стопорный торец 32 на верхнем краю кессона 20 и опорный узел 22. Поскольку кессон 20 является объектом угловой изгибающей нагрузки, показанной с помощью стрелки "В", кессон 20 шарнирно поворачивается относительно вертикальной оси 50, заставляя стопорный торец 32 кессона опираться на опорный узел 22, который изгибается в ответ на нагрузки, прикладываемые к нему со стороны стопорного торца, как показано с помощью стрелки "С", для согласования этих нагрузок. Изменяющийся внутренний диаметр центрального прохода опорного элемента 23 обеспечивает запас пространства для шарнирного действия кессона 22. Растягивающие нагрузки вдоль оси 50, показанные с помощью стрелки "А" на фиг.1, подобным же образом поглощаются опорным узлом 22.
Переходной соединительный узел корпуса и кессона, в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, иллюстрируется на фиг.8 и 9. В этом варианте осуществления кессон 60 содержит кольцевой стопорный торец 62, проходящий радиально от кессона 60 вблизи его верхнего края. Уплотнительный торец 62 содержит наклонную или расположенную под углом нижнюю поверхность 64, снабженную множеством верхних гнезд 66, расположенных на равном расстоянии друг от друга по кругу. Верхний край кессона 60 проходит через центральное отверстие 68 в кольцевом углублении 70, выполненном в открытом нижнем торце корпуса 12. Углубление 70 содержит наклонную или расположенную под углом опорную поверхность 72, имеющую множество нижних гнезд 74, каждое из которых расположено на окружности для соответствия одному из верхних гнезд 66. Нижние гнезда 74 находятся на большем радиальном расстоянии от центральной оси кессона 76, чем верхние гнезда 66.
Опорный узел, содержащий множество пакетов или блоков, по существу цилиндрических гибких элементов 78, установлен между нижней поверхностью 64 стопорного торца 62 кессона и опорной поверхностью 72 углубления 70, для окружения коаксиально верхней части кессона 60, которая находится выше углубления 70. Конкретно, каждый из пакетов или блоков гибких элементов 78 имеет стальной верхний опорный элемент 77, расположенный в одном из верхних гнезд 66, и стальной нижний опорный элемент 79, который расположен в соответствующем нижнем гнезде 74, так что пакеты или блоки 78 располагаются по периферии кессона 60, и проходит радиально наружу от него, что очень похоже на спицы в колесе, как лучше всего показано на фиг.9.
Как показано на фиг.8, каждый из пакетов или блоков гибких элементов 78 содержит между верхним опорным элементом 77 и нижним опорным элементом 79 ламинированную структуру, имеющую множество дискообразных стальных гибких элементов 80, расположенных поочередно с множеством эластомерных гибких элементов 82 сходной формы. Гибкие элементы 80, 82 могут преимущественно быть вогнутыми или иметь форму чашки, если смотреть сверху, с общим радиусом кривизны, напоминая, тем самым, малые версии гибких колец 38, 40, которые используются в описанном выше первом варианте осуществления, но без центрального отверстия. Гибкие элементы 80, 82 могут изготавливаться из материалов, которые являются такими же или сходными с кольцевыми гибкими элементами 38, 40 описанного выше первого варианта осуществления, и они вулканизируются и связываются вместе с помощью любых пригодных для использования средств, как описывается выше в связи с первым вариантом осуществления. Каждый из пакетов или блоков гибких элементов 78 заключается в эластомерный рукав 84, который является сходным с рукавом 41, описанным выше, в связи с первым вариантом осуществления.
Каждый из пакетов или блоков гибких элементов 78 изгибается как единое целое, как и описанная выше система колец кольцевых гибких элементов 38, 40 в первом варианте осуществления. Кроме того, описанные выше преимущества первого варианта осуществления достигаются также в этом втором варианте осуществления. Хотя восемь пакетов или блоков гибких элементов 78 показаны в иллюстрируемом варианте осуществления, количество пакетов или блоков 78, их конкретные физические размеры и количество индивидуальных гибких элементов 80, 82, образующих каждый пакет или блок 78, будет изменяться в соответствии с конкретными нуждами и потребностями платформы типа СПАР, в которой они используются. Одно из преимуществ этого второго варианта осуществления заключается в том, что использование множества пакетов или блоков гибких элементов устраняет ограничения на размер индивидуальных гибких элементов.
Хотя примерный вариант осуществления настоящего изобретения описывается выше в качестве только лишь примера, специалисту в данной области будет понятно, что модификации могут быть проделаны в описываемом варианте осуществления без отклонения от рамок настоящего изобретения, которые определяются формулой изобретения, которая следует далее.