СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ВОДООТДЕЛЯЮЩЕЙ КОЛОННЫ
CONNECTION UNIT OF WATER-SEPARATING COLUMN

Область техники
Изобретение относится к соединительному узлу для использования в водоотделяющей колонне (морском райзере) и к способу расширения пределов использования такого райзера.
Уровень техники
Морской райзер - это труба, установленная между подводным комплексом и плавучим комплексом для переноса флюидов и/или сигналов между оборудованием этих комплексов. По райзеру могут переноситься, например, добываемые углеводороды, буровые растворы, закачиваемые флюиды. Для плавучего комплекса, который будет перемещаться вследствие изменяющихся погодных условий, ветровых волн, течений и т.д., обычно устанавливается интервал ("окно") параметров для безопасного функционирования. Такое окно может, например, определять зону, в пределах которой данный комплекс может перемещаться без риска повредить оборудование, ветровые условия, при которых комплекс может удерживаться в данной зоне, и т.д. Однако могут возникать критические ситуации, когда плавучий комплекс уже не находится в пределах окна безопасного функционирования или выходит из данного окна. Такие ситуации, в зависимости от конкретных обстоятельств, именуются ситуациями сноса или ухода. Как правило, быстрое отсоединение плавучего комплекса от подводного при возникновении или перед возникновением подобной ситуации обеспечивается активацией комплекта быстрого экстренного отсоединения (КБЭО).
Проблема заключается в необходимости иметь достаточно времени для осуществления экстренного отсоединения. При возникновении чрезвычайной ситуации вследствие сноса или ухода плавучего комплекса, как и в случае выхода из строя компенсатора вертикальной качки, обычно имеется очень мало времени, чтобы отсоединить райзер от устьевого оборудования. Было установлено, что активация быстрого экстренного отсоединения может потребовать больше времени, чем реально имеющееся.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в расширении временного интервала (операционного окна) для осуществления быстрого экстренного отсоединения в райзере и тем самым в расширении окна безопасного функционирования райзера.
Соответственно, изобретение направлено на расширение операционного окна для действий с райзером. Эта задача решена с помощью соединительного узла и способа, раскрытых в прилагаемой формуле.
Согласно изобретению создан соединительный узел для использования в морском райзере, расположенном между плавучим комплексом и подводным комплексом. Подводным комплексом может быть любое сооружение, которое находится в фиксированном положении относительно морского дна. Плавучим комплексом может быть надводное судно, плавучая платформа или даже конструкция, плавающая ниже поверхности воды, но все же подвижная относительно морского дна. Соединительный узел содержит внутренний и наружный трубные сегменты, установленные с возможностью взаимного перемещения в осевом направлении. Трубные сегменты могут быть присоединены к соответствующим сегментам райзера, так что соединительный узел будет являться частью райзера. Трубные сегменты формируют проходящий через них канал для флюида, как правило, расположенный по одной линии с каналом для флюида в остальной части райзера. Трубные сегменты сконфигурированы таким образом, что между ними образуется камера. В этой камере находится поршень, разделяющий ее в радиальном направлении на первую и вторую части. При этом одна из этих частей в начальном положении соединительного узла может содержать несжимаемый флюид. Данная часть камеры уменьшается в объеме, когда внутренний трубный сегмент выдвигается из наружного трубного сегмента. Поршень предпочтительно прикреплен к одному из двух трубных сегментов и воспроизводит движение этого трубного сегмента.
Согласно изобретению соединительный узел снабжен соединительной линией для флюида, идущей от одной части камеры к другой ее части. Эта соединительная линия выполнена таким образом, чтобы обеспечить управление относительным перемещением трубных сегментов в зависимости от управляемого расхода флюида, текущего по данной линии. Выход в одной части камеры сконфигурирован таким образом, что управление относительным перемещением трубных сегментов осуществляется в зависимости от расхода флюида, вытекающего из указанной части камеры через данный выход. Данный выход соединен с указанной линией, соединяющей данную часть камеры с другой ее частью. Соединительная линия может быть выполнена внутри поршня, внутри стенок, образующих часть камеры, как компоненты, присоединенные к трубному сегменту, или как комбинация названных вариантов.
Когда к райзеру прикладывается внешне усилие, создающее натяжение, соединительный узел согласно изобретению делает возможным некоторое удлинение (вытягивание) райзера, что позволяет получить дополнительное время для срабатывания КБЭО до того, как натяжение в райзере превысит пороговые значения для предохранительных элементов ("слабых звеньев") в составе райзера. Соединительный узел согласно изобретению будет также действовать как тормоз, который замедляет и контролирует допустимую скорость удлинения соединительного узла. Это также способствует тому, что натяжение в райзере в момент активации КБЭО будет адекватным, и гарантирует, что конец райзера отойдет от устьевого оборудования. Управляя потоком флюида, вытекающим из части камеры, можно также управлять характером удлинения соединительного узла. Кроме того, управление выходящим потоком флюида обеспечивает возможность начать выведение флюида из части камеры только при достижении порогового значения для натяжения в райзере. При этом пороговое значение может корректироваться с учетом давления флюида внутри райзера, как это будет описано далее.
Согласно одному аспекту соединительная линия может содержать разрывную мембрану. Разрывная мембрана будет разрываться в результате того, что давление в одной части камеры превысит заданный, пороговый уровень давления. При этом давление в этой части камеры будет функцией натяжения в райзере, поскольку возникающее в райзере натяжение будет стремиться выдвинуть внутренний трубный сегмент из наружного трубного сегмента и, тем самым, уменьшить размер части камеры с несжимаемым флюидом. До тех пор пока флюид не может вытекать из части камеры, его давление внутри этой части является функцией натяжения в райзере. Разрывную мембрану можно также сконфигурировать таким образом, что в начальном состоянии, после того как будет превышено первое пороговое значение, по соединительной линии может течь только небольшое количество флюида. Когда же давление увеличится и достигнет второго порогового значения, разрывная мембрана начнет пропускать через соединительную линию больший поток флюида. Подобным методом скорость удлинения можно регулировать в различных интервалах. В соединительной линии может быть дополнительно установлена и вторая разрывная мембрана, разрыв которой происходит при другом пороговом значении.
Согласно другому аспекту соединительная линия может содержать регулирующий клапан, в качестве которого может быть применен любой подходящий клапан. Данный клапан управляется по сигналам о состоянии райзера. Одним из таких сигналов может быть давление флюида внутри части камеры. Клапан может иметь полностью открытое и полностью закрытое состояния, но может и переводиться в состояния, промежуточные между названными состояниями, чтобы обеспечить различные расходы флюида в соединительной линии, т.е. на выходе из первой части камеры. В случае такой конфигурации можно задать определенный режим относительного перемещения двух трубных сегментов. Например, сначала, после того как такое перемещение будет разрешено, оно может быть быстрым, с последующим замедлением при подходе к концевым стопорам, ограничивающим удлинение. Возможно и обратное распределение скоростей. В одном варианте регулирующий клапан может быть скомбинирован с разрывной мембраной, срабатывающей в начальный период.
Согласно еще одному аспекту соединительный узел может содержать средство управления, связанное с датчиком для считывания натяжения в райзере, и, при получении соответствующих данных от датчика, приводящее в действие регулирующий клапан. Датчики для считывания натяжения могут быть установлены выше соединительного узла.
Согласно следующему аспекту соединительный узел может быть сконфигурирован таким образом, что давление в указанной части камеры воздействует на механическое управляющее устройство для приведения в действие регулирующего клапана. В одном варианте может иметься линия для флюида, идущая от указанной части камеры к блоку поршня. Блок поршня содержит цилиндр с поршнем, подвижно установленным в цилиндре и разделяющим цилиндр на две части. Линия для флюида будет подведена с одной стороны поршня, причем давление флюида будет воздействовать на поршень и перемещать его относительно цилиндра. Блок поршня, реагирующий на давление флюида в указанной части камеры, может воздействовать на механическое исполнительное звено, чтобы изменять состояние клапана между открытым и закрытым состояниями. В результате проходное отверстие клапана будет механически привязано к давлению флюида внутри указанной части камеры.
Когда внутри райзера под давлением находится флюид, давление со стороны этого флюида на торцевую заглушку райзера будет создавать натяжение в райзере. В такой ситуации желательно, чтобы это внутреннее давление не активировало соединительный узел и не комбинировалось с натяжением под действием внешних сил, приложенных к райзеру. Поэтому существует потребность в создании системы, скомпенсированной в отношении внутреннего давления в райзере. Согласно аспекту изобретения соединительный узел может быть сконфигурирован таким образом, чтобы давление в указанной части камеры воздействовало на механическое управляющее устройство для приведения в действие регулирующего клапана. В результате внутреннее давление в райзере является входным параметром для механического управляющего устройства. Этот входной параметр, который будет соответствовать натяжению в райзере, может быть вычтен из общего натяжения, имеющего место в райзере, с получением натяжения, обусловленного внешними воздействиями на райзер.
Возможный вариант такого решения, обеспечивающего компенсацию давления при работе соединительного узла, состоит в том, что соединительный узел может быть снабжен линией для флюида, идущей от отверстия в канале для флюида к блоку поршня. Блок поршня, функционирующий в зависимости от давления флюида в канале, проходящем через соединительный узел, может воздействовать на исполнительное звено для управления работой клапана. Данное исполнительное звено может воздействовать в направлении, противоположном направлению воздействия со стороны давления флюида в указанной части камеры. В результате давление флюида в этой части камеры будет противодействовать давлению флюида в райзере, при этом для срабатывания клапана в соединительной линии необходимо сначала достичь порогового значения давления.
Согласно одному варианту блок поршня может находиться под влиянием как давления флюида в части камеры, так и флюида внутри райзера. Флюид в указанной части камеры может воздействовать на одну сторону поршня, а флюид внутри райзера - на противоположную сторону поршня, соединенного с исполнительным звеном. В этом случае положение поршня, которое задает режим работы клапана, будет регулироваться разностью давлений внутри райзера и внутри части камеры. Тем самым будет создана система, скомпенсированная по давлению, в которой клапан функционирует в зависимости от натяжения, создаваемого внешними воздействиями на райзер, но независимо от давления флюида внутри райзера.
Согласно другому варианту блок поршня может содержать два цилиндра с поршнями, снабженными штоками. К этим цилиндрам подведены соответствующие линии для флюида, так что положение поршней в них определяется давлением флюида в соответствующих линиях. В этом варианте исполнительное звено может содержать рычаг, на который воздействуют дистальные концы двух штоков поршня, стремясь повернуть его вокруг своей оси в противоположных направлениях. Концы рычага могут располагаться по обе стороны от своей оси, а штоки могут быть присоединены к рычагу на его сторонах, взаимно противоположных относительно оси. Альтернативно, они могут воздействовать на ту же сторону, но в различных направлениях. В цилиндрах могут иметься пружинные элементы, отжимающие поршень к нейтральному положению.
В системе может иметься также механический пружинный элемент для создания предварительного натяжения, начиная с которого будет функционировать соединительный узел. Уровень предварительного натяжения будет независимым от давления внутри райзера. При использовании одного блока цилиндра этот механический пружинный элемент может воздействовать на одну сторону поршня, предотвращая открывание клапана до тех пор, пока в указанной части камеры не будет достигнуто пороговое давление флюида. При использовании рычага механический пружинный элемент также может воздействовать на этот рычаг с целью предотвращения открывания клапана до того, как в райзере под действием внешних сил не будет создано пороговое натяжение.
Согласно другому аспекту изобретения по меньшей мере в одной из линий для флюида между частью камеры и блоком поршня или между райзером и блоком поршня может быть установлен мультипликатор давления. За счет настройки мультипликатора или мультипликаторов в системе также может быть создано торможение, которое позволит осуществить удлинение соединительного узла управляемым образом.
Альтернативой этим механическим решениям по созданию соединительного узла, скомпенсированного по давлению, может быть считывание показаний датчика внутреннего давления в райзере с их передачей в устройство управления для управления работой клапана. Такое решение может сочетаться со всеми рассмотренными решениями.
Изобретение относится также к морскому райзеру, расположенному между плавучим комплексом и неподвижным подводным комплексом и содержащему комплект быстрого экстренного отсоединения (КБЭО). Согласно изобретению описанный соединительный узел находится между плавучим комплексом и КБЭО. Предпочтительно этот узел расположен в райзере в непосредственной близости от КБЭО. Альтернативно, соединительный узел может быть расположен в средней части морского райзера.
Согласно аспекту изобретения райзер может содержать блок управления, связанный с соединительным узлом и с КБЭО и сконфигурированный по меньшей мере с возможностью получения и обработки сигналов от соединительного узла и формирования сигналов, посылаемых КБЭО. Сигналы, принимаемые от соединительного узла, могут быть однотипными или различными. Сигналы могут передаваться по сигнальной линии или дистанционно. Этими сигналами могут быть отсчеты давления, удлинения, натяжения или других величин, связанных с соединительным узлом. Согласно варианту блок управления может также принимать сигналы от других частей райзера. Блок управления может также посылать сигналы оператору. Данный блок может быть также сконфигурирован с возможностью посылать сигнал активации КБЭО при получении сигналов заданного уровня или сигналов, указывающих на определенное состояние соединительного узла.
Согласно еще одному аспекту изобретения между КБЭО и соединительным узлом может находиться гибкий соединительный компонент. В варианте, в котором соединительная линия, выводящая флюид из части камеры в составе соединительного узла, содержит клапан, обеспечение разрешенного расхода через эту соединительную линию может предусматривать, для управления работой клапана, прием сигналов от датчиков, связанных с гибким соединительным компонентом.
Изобретение относится также к способу расширения операционного окна для морского райзера, расположенного между плавучим комплексом и неподвижным подводным комплексом. Способ включает обеспечение наличия в составе райзера, между плавучим комплексом и КБЭО, предпочтительно в непосредственной близости от КБЭО, описанного соединительного узла и, при выходе плавучего комплекса за пределы операционного окна при соответствующем повышении натяжения в райзере, управление потоком флюида, поступающим из части камеры, и, тем самым, управление скоростью удлинения соединительного узла с увеличением, за счет этого, времени на отсоединение КБЭО.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет пояснено, со ссылками на прилагаемые чертежи, на примере неограничивающих вариантов его осуществления.
На фиг.1 схематично представлена нормальная конфигурация райзера.
На фиг.2 показан, в продольном сечении, первый вариант соединительного узла согласно изобретению для использования в райзере по фиг.1.
На фиг.3 показан, в продольном сечении, второй вариант этого узла.
На фиг.4 показана, в продольном сечении, одна половина третьего варианта.
На фиг.5 показана, в продольном сечении, одна половина четвертого варианта.
На фиг.6 показано слабое звено райзера, которое может быть использовано вместе с изобретением.
На фиг.7 показаны дополнительные компоненты изобретения;
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана обычная конфигурация райзера 1, расположенного между плавучим комплексом 3 и подводным комплексом 2. Часть плавучего комплекса 3 находится над поверхностью 18 воды. Находящийся на воде плавучий комплекс 3 будет подвергаться действию различных погодных факторов. Подводный комплекс 2 содержит устьевое оборудование 10 и подводную фонтанную елку 9, закрепленные относительно морского дна 17. Райзер 1, отходящий от подводного комплекса, содержит погружной райзерный комплект 8, комплект 7 быстрого экстренного отсоединения (КБЭО), соединительный компонент 6, воспринимающий изгибающие моменты, предохранительный соединительный элемент ("слабое звено") 5 и работающий на растяжение соединительный узел 4, находящийся вблизи плавучего комплекса. Райзер содержит также расположенные над указанным узлом 4 телескопический соединительный узел 11, "быстрый" замок 13, шарнир 14 с адаптером 15 и противовыбросовый превентор 12, установленный в натяжной раме 16. Представленная конфигурация соответствует только конкретному варианту морского райзера. В зависимости от особенностей его использования, некоторые из перечисленных элементов могут отсутствовать; альтернативно, морской райзер может содержать какие-то дополнительные элементы. Например, соединительный компонент 6 может быть заменен гибким соединительным компонентом.
Согласно изобретению предлагается соединительный узел для использования в райзере. Этот соединительный узел может находиться в райзере между КБЭО 7 и плавучим комплексом 3, предпочтительно в непосредственной близости от КБЭО 7.
На фиг.2 схематично представлен, в продольном сечении, первый вариант соединительного узла. Данный узел содержит внутренний и наружный трубные сегменты 21, 22. При активации соединительного узла данные сегменты 21, 22 могут взаимно перемещаться в осевом направлении. При этом внутренний трубный сегмент 21 выводится из наружного сегмента 22, с увеличением тем самым длины соединительного узла. На одном своем конце внутренний трубный сегмент 21 сконфигурирован с возможностью прикрепления к части райзера. Наружный трубный сегмент 22 также на одном своем конце (противоположном соединительному узлу) сконфигурирован с возможностью прикрепления к другой части райзера. При собранном узле внутренний канал, проходящий через оба сегмента 21, 22, образует единый канал с внутренним каналом райзера. Указанный канал, проходящий через трубные сегменты 21, 22, может быть ориентирован соосно с каналом райзера. Внутренний и наружный трубные сегменты 21, 22 сконфигурированы с образованием между ними камеры 23. Как показано на фиг.2, эту камеру можно сформировать, например, с помощью фланцев, находящихся на концах наружного трубного сегмента. Однако специалисту будет понятно, что имеются и другие варианты формирования камеры между двумя сегментами.
В камере 23 находится поршень 24. Поршень разделяет камеру 23 в радиальном направлении, т.е. контактирует с внутренним и наружным трубными сегментами 21, 22 и зафиксирован относительно одного из этих сегментов. Поршень 24 выделяет в камере 23 ее первую и вторую части 25, 26. При указанной фиксации поршня 24 в случае взаимного перемещения сегментов 21, 22 одна часть камеры будет уменьшаться в размере, а другая увеличиваться. Согласно изобретению часть камеры, которая уменьшается в размере, выполнена с возможностью заполняться преимущественно несжимаемым флюидом и заполняется этим флюидом при своем использовании в райзере. Заполнивший эту часть камеры флюид благодаря своей несжимаемости предотвратит взаимное смещение трубных сегментов в одном направлении даже при повышенном натяжения в райзере. Это натяжение будет трансформироваться в давление внутри несжимаемого флюида в одной части камеры. Первая часть 25 и вторая часть 26 камеры связаны соединительной линией 30 для флюида. Согласно первому варианту в эту линию введена разрывная мембрана 31. Эта мембрана 31 выполнена с возможностью разрыва при определенном давлении в той части 25 камеры, которая будет уменьшаться в размере при выдвижении внутреннего трубного сегмента 21 из наружного сегмента 22. Это определенное давление задает, таким образом, пороговое значение. С соединительной линией 30 для флюида могут быть связаны датчики 33, находящиеся по обе стороны от разрывной мембраны 31.
Как показано на фиг.2, ниже соединительного узла находится гибкий соединительный компонент 50. Данный компонент содержит внутренний и наружный трубные сегменты, сконфигурированные таким образом, что их продольные оси могут находиться под углом одна к другой. Это делает возможным наклонное расположение одного трубного сегмента по отношению к другому сегменту, отличное от их соосного расположения. Одна из возможных конфигураций, показанная на фиг.2, соответствует выполнению на конце одного сегмента опорного участка, схожего со сферой, служащего опорой для конца другого сегмента, которому придана согласованная (комплементарная) форма. Данный гибкий соединительный компонент может быть снабжен средствами управления для задания состояния, в котором трубные сегменты могут отклоняться от соосного положения и устанавливаться под углом θ друг к другу. С каждым из данных сегментов связаны исполнительные звенья 51. Эти исполнительные звенья связаны с цилиндрами, расположенными с противоположных сторон трубных сегментов. При этом один трубный сегмент связан с цилиндром 52, а другой трубный сегмент - с поршнем, установленным в данном цилиндре. В цилиндре предпочтительно находится несжимаемый флюид. Противоположные по отношению к поршню части цилиндра 52 связаны соединительной линией 53 для флюида, причем в этой линии установлена разрывная мембрана 54. Таким образом, гибкий соединительный компонент выполнен с возможностью наклона при определенном давлении, причем скорость, с которой трубные сегменты могут изменять свое взаимное угловое положение, можно регулировать выбором размеров соединительной линии 53 и отверстия, перекрываемого разрывной мембраной. Как и с описанным соединительным узлом, существует также возможность осуществлять очень медленное перемещение при обеспечении возможности протекания некоторого количества флюида до разрыва мембраны, после чего происходит быстрое перемещение. Для управления движением гибкого соединительного компонента в различных направлениях вокруг гибкого соединительного компонента можно установить несколько цилиндров. Соединительный узел, представленный на фиг.2, может использоваться и без установленного под ним гибкого соединительного компонента.
В альтернативном варианте гибкого соединительного компонента, показанном на фиг.3, вместо разрывной мембраны в соединительной линии может быть установлен клапан 55. В различных частях полости цилиндра могут быть установлены датчики 33b, 33c давления P, которые могут использоваться для управления клапаном 55 в соединительной линии.
На фиг.3 показан также, в продольном сечении, второй вариант соединительного узла. В этом варианте соединительная линия 30 для флюида, проложенная между двумя частями камеры, образованными поршнем 24 между внутренним и наружным сегментами 21, 22, содержит клапан 32. На фиг.3 показано, что клапан 32 может управляться средством (модулем) 34 управления, который управляет клапаном в соответствии с сигналами датчика 33, определяющего натяжение в райзере. Датчики 33b, 33c в гибком соединительном компоненте также могут передавать модулю управления информацию об угловых напряжениях в райзере в качестве входных сигналов для управления клапаном. Модуль 34 управления может быть также связан с клапаном 55 в гибком соединительном компоненте и управлять работой этого клапана. Можно видеть, что в данном варианте внутренний и наружный трубные сегменты 21, 22 выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность удлинения соединительного узла, например путем выдвижения внутреннего трубного сегмента 21 на конце, противоположном камере. На фиг.3 показаны также уплотнительные элементы, введенные между различными частями соединительного узла (аналогичные элементы используются во всех вариантах). Как показано в этом варианте, поршень 24 может быть соединен с внутренним трубным сегментом 21. В альтернативном варианте он может быть соединен с наружным трубным сегментом 22.
На фиг.4 представлен третий вариант соединительного узла, причем далее будут описаны только признаки, отличающие его от предыдущего варианта. В этом варианте клапан 32 в соединительной линии 30 между двумя частями камеры, образованной между внутренним и наружным трубными сегментами 21, 22, управляется механическими средствами. Имеется линия 35a для флюида, идущая от одной части камеры к блоку 36a поршня со стороны поршня 37a, установленного в цилиндре 38a. Поршень 37a присоединен к штоку 39a поршня. Этот шток прикреплен к рычагу 40, который может поворачиваться вокруг оси 41. Повышение давления флюида в соответствующей части камеры будет передаваться в блок 36a поршня. Повышенное давление будет стремиться отжать поршень 37a со штоком 39a и, тем самым, повернуть рычаг 40 вокруг оси 41. В данном варианте предусмотрен пружинный элемент 42, противодействующий воздействию давления в указанной части камеры на рычаг 40. Поэтому, чтобы изменить положение рычага 40, указанное давление должно быть достаточно большим, способным преодолеть усилие со стороны пружинного элемента 42. Движение рычага 40 будет передаваться исполнительному звену 43, которое осуществляет, механическим путем, открывание и закрывание клапана 32.
Система согласно этому варианту является также скомпенсированной в отношении давления флюида внутри райзера. Эта компенсация обеспечивается наличием линии 35b для флюида, проходящей от внутреннего канала райзера или соединительного узла к блоку 36b поршня, аналогичного блоку 36a. Давление флюида внутри райзера воздействует на цилиндр 38b, который через поршень 37b и шток 39b поршня воздействует на рычаг 40, но в направлении, противоположном направлению воздействия со стороны другого блока 36a. Шток 39b поршня присоединен к рычагу 40 на противоположной стороне оси 41. Когда давление флюида внутри райзера повышается, давление на рычаг 40 увеличивается, и для открывания клапана 32 требуется уже большее давление в одной части камеры. Это объясняется тем, что давление в части камеры, которое действует на рычаг 40, заставляя его открыть клапан, теперь должно преодолеть усилие, создаваемое пружинным элементом, и усилие, прикладываемое к рычагу со стороны давления флюида внутри райзера. Как показано на фиг.3, в линиях 35a, 35b для флюида могут быть установлены мультипликаторы 44 давления (хотя система может быть построена и без них). В случае отсутствия внутреннего давления в райзере система может быть построена и без линии 35b для флюида, передающей усилие от флюида внутри райзера на рычаг 40.
На фиг.5 показан четвертый вариант соединительного узла. Далее будут описаны только признаки, отличающие данный вариант от третьего варианта. В данном варианте линии 35a и 35b для флюида, идущие от флюида внутри части камеры и флюида внутри райзера соответственно, подведены к общему блоку 36 поршня. Линия 35a ведет от части камеры в цилиндр 38 с одной стороны поршня 37, а соединительная линия 35b - от райзера к противоположной стороне поршня 37. В результате давления флюида внутри части камеры и райзера воздействуют на противоположные стороны поршня 37. У поршня 37 имеется шток, связанный с исполнительным звеном 43, управляющим клапаном 32. Имеется также пружинный элемент 42 для создания предварительной нагрузки на поршень 37. В представленном варианте пружинный элемент 42 помещен в цилиндр 38. Однако он может быть связан с исполнительным звеном 43, но находиться вне блока цилиндра. Исполнительное звено 43 в этом варианте соединено с затвором 320 клапана, который перемещается со скольжением в клапанном корпусе 321, перекрывая или открывая соединительную линию между двумя частями камеры, образованной между внутренним и наружным трубными сегментами 21, 22.
Как это описано выше, в дополнение к соединительному узлу райзер может быть снабжен представленным на фиг.6 специальным "слабым звеном", которое будет описано далее. Такое "слабое звено" обычно расположено на райзере между двумя стандартными соединительными элементами, выше нижнего соединительного компонента, воспринимающего изгибающие моменты, т.е. там, где изгибающие моменты малы.
Рассматриваемая система использует предохранительные соединительные элементы ("слабые звенья"), чтобы защитить систему райзера и скважинного оборудования от перегрузок в случае быстрого ухода или смещения системы. Слабое звено расположено над барьерными элементами. Режим разрушения может соответствовать чрезмерному растяжению (см. US 5951061), чрезмерному изгибу (см. NO 321184) или комбинации этих факторов. Как показано выше, имеются различные элементы, которые создают натяжение в райзере, внешние усилия или внутреннее давление в райзере.
Поэтому существует потребность в слабом звене для райзера с тормозным усилием, независимым от внутреннего давления в райзере. Такое слабое звено также обеспечит расширение окна безопасного функционирования по сравнению с известными системами.
Слабое звено содержит два трубных сегмента, связанных с элементом, способным создавать тормозящее усилие при заданном растягивающем напряжении в данных сегментах и для разделения тем самым трубных сегментов. Два трубных сегмента в рабочем положении присоединены своими противолежащими концами к соответствующим отрезкам райзера. Согласно изобретению слабое звено райзера содержит комплект для создания предварительной нагрузки, присоединенный к соответствующим райзерным сегментам, и сконфигурировано таким образом, что указанный комплект может создать натяжение в слабом звене. Это индуцированное натяжение может создаваться независимо от натяжения в райзере в целом. Существует также возможность снабдить известные слабые звенья комплектом предварительной нагрузки согласно изобретению.
Такое решение позволяет иметь, даже в случаях с изменяющимся внутренним давлением или даже в отсутствие внутреннего давления в райзере, слабое звено райзера, способное создавать торможение при заданном натяжении, которое равняется внешнему добавочному натяжению, путем регулировки комплекта для создания предварительной нагрузки в соответствии с любым внутренним давлением в райзере. Тормозящим натяжением будет натяжение в райзере под воздействием любого внутреннего флюида или добавленное посредством указанного комплекта, когда внутреннее давление в райзере ниже проектного давления и наружного добавленного давления. Когда внутри райзера существует полное внутреннее давление, комплект для создания предварительной нагрузки может быть отключен, т.е. он не будет создавать в слабом звене райзера никакого натяжения. В результате слабое звено райзера будет осуществлять торможение при заданном наружном натяжении, приложенном к райзеру, независимо от внутреннего давления в райзере. Такое решение также обеспечивает создание "активного" слабого звена райзера, когда в слабом звене с использованием комплекта для создания предварительной нагрузки может быть создано такое натяжение, что оно произведет торможение. Тем самым обеспечивается возможность активно выбирать, когда должно произойти торможение посредством слабого звена.
Один из возможных вариантов слабого звена райзера согласно изобретению показан на фиг.6. Слабое звено содержит первый трубный сегмент 101 и второй трубный сегмент 102, соединенные тормозным элементом 103. Трубные сегменты 101, 102 снабжены фланцами 104, 105, между которыми помещен нагружающий комплект 106. В этом варианте нагружающий комплект 106 содержит поршень 107 и цилиндр 108, каждый из которых прикреплен к соответствующему трубному сегменту 101, 102, а также систему 109 управления, обеспечивающую подачу флюида под давлением к поршню в блоке цилиндра. В результате блок цилиндра создает натяжение в слабом звене. Управляя блоком цилиндра с поршнем, можно управлять натяжением в слабом звене. Существуют и другие варианты построения нагружающего комплекта: в нем можно использовать гидравлическую систему, пружины, тепловое расширение, электромагнитную систему, комбинации названных систем и т.д.
На фиг.7 иллюстрируются дополнительные компоненты изобретения, которые могут быть использованы во всех рассмотренных вариантах. На фиг.7 показан морской райзер 1 с соединительным узлом 20 согласно изобретению, образующим часть райзера, расположенного между подводным комплексом 2 на морском дне и плавучим комплексом 3. У райзера 1 имеются подводная фонтанная елка 9 и комплект 7 быстрого экстренного отсоединения, расположенный вблизи морского дна, а также соединительный узел 20 согласно изобретению, находящийся между указанным комплектом 7 и точкой присоединения системы натяжения, находящейся между райзером 1 и плавучим комплексом 3. Дополнительно имеются поверхностный противовыбросовый превентор 12 и телескопический соединительный узел 11 в верхней части райзера 1. Телескопический соединительный узел 11 находится выше точки присоединения к райзеру системы натяжения. Согласно изобретению соединительный узел 20 подключен посредством сигнальной линии 61 к блоку 60 управления. Сигнал или сигналы, поступающие в блок 60 управления от соединительного узла, могут соответствовать давлению флюида в райзере и в камерах соединительного узла, растяжению соединительного узла, натяжению в райзере или другим величинам, характеризующим функционирование соединительного узла. Сигналы между блоком 60 управления и соединительным узлом 20 могут также передаваться беспроводным методом. Сигналы, которые блок 60 управления получает от соединительного узла 20, могут передаваться оператору. Блок 60 управления поддерживает также коммуникацию с комплектом 7 быстрого экстренного отсоединения (КБЭО), например, по сигнальным линиям 62. Когда сигнал от соединительного узла 20 достигает заданного значения, блок 60 управления, получив этот сигнал, активирует КБЭО 7. Сигнал может характеризовать удлинение соединительного узла 20, так что указанный комплект активируется при достижении заданного удлинения. Блок 60 управления может также получать сигналы от других частей морского райзера, например, по сигнальным линиям 64, 63. Эти сигналы также могут вводиться для обработки в блок 60 управления, который принимает решение, активировать КБЭО 7 или нет. Данные сигналы могут также передаваться оператору.
Изобретение было пояснено на примере нескольких вариантов. Однако специалисту будет понятно, что в изобретение, не выходя за его границы, определяемые прилагаемой формулой, могут быть внесены различные модификации.