Слабое звено для водоотделяющей системы
WEAK LINK FOR THE WATER DISTRIBUTION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к разъединительному переводнику для водоотделяющей системы или, согласно терминологии нефтегазапоисковой разведки, к слабому звену. Водоотделяющая колонна может быть отсоединена благодаря наличию такого звена в случае каких-либо непредвиденных аварийных обстоятельств, таких как экстремальные погодные условия, обесточивание на судне, повреждение якорной системы или системы позиционирования и т.д.
В частности, настоящее изобретение относится к слабому звену для водоотделяющей системы, которое содержит механизм выравнивания давления для компенсации какого-либо воздействия концевой пробки на разъединительные болты слабого звена. Указанный механизм выравнивания давления предпочтительно работает в сочетании с демпфирующим механизмом для обеспечения управляемого разъединения вдоль указанного слабого звена и возможности ограничения и распределения предельных усилий, возникающих в результате отсоединения.
Данное изобретение также относится к слабому звену для водоотделяющей системы, содержащему механизм обеспечения усиленного режима, предназначенный для увеличения по мере необходимости усилия зажима, действующего между участками двух его компонентов, соединенных с возможностью разъединения.
Более конкретно, данное изобретение относится к слабому звену для водоотделяющей системы согласно ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно, что во время работ по оснащению и ремонту скважин в подводной рабочей области используются слабые звенья.
Назначение слабого звена заключается в обеспечении заданного и управляемого процесса полного отделения водоотделяющей колонны, если все другие известные приемы не дали результатов, а оператор находится в наиболее неблагоприятных условиях, которые могут возникнуть вследствие экстремальных погодных условий, повреждения якорной системы или системы позиционирования, перебоев электроснабжения (при аварийном отключении питания) на судне или в силу других непредвиденных обстоятельств.
При таком наихудшем варианте развития событий необходимой является возможность отсоединения судна от устья скважины и инфраструктуры, расположенной на морском дне, без нарушения работоспособности других элементов системы для того, чтобы отсоединить судно от трубопровода, ведущего к резервуару, и избежать неуправляемого разрыва водоотделяющей колонны и последующего возможного выброса. Кроме того, необходимо обеспечить безопасность персонала, находящегося на борту судна. Указанное отсоединение без нарушения работоспособности других элементов системы достигается благодаря использованию слабого звена.
Разрыв слабого звена (т.е. отделение, обеспечиваемое слабым звеном при его нормальном режиме работы) может быть отнесен к нескольким основным режимам отказа, которые могут дополнительно зависеть от рабочего окна и фактического положения судна.
Система компенсации вертикальной качки для водоотделяющей системы обеспечивает компенсацию изменений вертикального положения судна относительно морского дна и выталкивания вверх, создаваемого судном. Система компенсации предотвращает выпучивание/отрыв водоотделяющей системы. Если данная система компенсации выходит из строя, активируется режим работы при отказе, известный как «блокирование компенсатора», что в результате приводит к приложению усилия растяжения или сжатия к водоотделяющей системе, которое обусловлено изменением вертикального положения судна под действием движения волн.
Такой разрыв вызывает выпучивание или избыточное растяжение и, если такое избыточное растяжение не ограничено слабым звеном, нефтедобывающая компания рискует нанести повреждение подводным системам, включая устье скважины, и, в конечном счете, существенно загрязнить окружающую среду в результате утечки углеводородов, а в худшем случае может произойти выброс. Таким образом, слабое звено должно разрываться в режиме, при котором судно занимает «положение завершения позиционирования» (находится в правильном местоположении), при этом его компенсатор заблокирован, в результате чего происходит передача собственных вертикальных колебаний судна (вертикального движения, вызванного волновой картиной) непосредственно водоотделяющей колонне. В идеале в таком случае слабое звено должно обеспечивать защиту.
Если система, используемая для обеспечения рабочего положения путем якорного или динамического позиционирования с применением подруливающих устройств, выходит из строя, происходит процесс, известный как снос или отрыв. Этот процесс приводит к быстрому выходу судна из зеленого (безопасного) рабочего окна и входу в желтую (ненадежную) и красную (опасную) зоны. Эти зоны определяются фактическим местоположением судна относительно условно вертикальной водоотделяющей системы.
В случае сноса слабое звено в конечном итоге должно обеспечить полное отделение, что сопровождается его необратимым разрывом и разъединением верхней и нижней секций водоотделяющей колонны. Наиболее важным аспектом является полное и немедленное отсоединение судна от подводной инфраструктуры без нарушения работоспособности других элементов системы, и, соответственно, предотвращение нанесения какого-либо повреждения оборудованию устья скважины, и/или судну и персоналу.
Обычные слабые звенья как правило выполнены с использованием двух фланцевых секций водоотделяющей колонны, скрепленных вместе у фланцев посредством стяжных болтов, при этом указанные болты рассчитаны на разрушение при определенной нагрузке.
Сама водоотделяющая колонна может находиться в состоянии разгерметизации (при атмосферном давлении) в процессе эксплуатации или может быть заполнена нефтью и/или газом под давлением. Вследствие воздействия концевой пробки водоотделяющей системы давление в водооотделяющей колонне будет создавать растягивающее усилие в водоотделяющей колонне, равное величине давления, умноженной на площадь поперечного сечения среды, находящейся под давлением. Указанное растягивающее усилие оказывает воздействие у каждого поперечного сечения водоотделяющей колонны и, соответственно, у стяжных болтов. В результате изменений давления (от значения атмосферного давления в начале установки) и до значения давления свободного проходного сечения скважины стяжные болты будут подвергаться воздействию изменяющихся предварительных растяжений в водоотделяющей колонне.
В результате вышеизложенного процесса происходит разрыв слабого звена при различных механических растягивающих усилиях (Растягивающее усилие при разрыве = Растягивающее усилие болтов - Растягивающее усилие концевой пробки). При постоянном растягивающем усилии, достаточном для разрушения болтов, и изменении давления действия оператора будут зависеть от слабого звена под воздействием изменяющихся и нерегулируемых пределов растяжения. На практике это приводит к нарушению и сбою безопасного режима работы.
Таким образом, растягивающее усилие (концевой пробки), обусловленное изменениями давления в стволе скважины, должно быть уравновешено; должно быть получено так называемое «выравнивание давления», обеспечивающее нормальное прохождение процесса разъединения/раскрытия слабого звена.
В заявке на патент США №2011/0127041 А1 предложен вариант получения такого выравнивания давления благодаря обеспечению слабого звена для водоотделяющей колонны, содержащего верхний корпус и нижний корпус, скрепленные с возможностью разъединения посредством шпилек. Указанные шпильки рассчитаны на разрушение при заданной нагрузке. В указанной заявке также описано устройство приложения давления, которое обеспечивает силу связи, действующую на верхний корпус для компенсации разъединяющего усилия, обусловленного давлением в скважине. Благодаря такому решению на верхнюю часть водоотделяющей системы, прикрепленную к верхнему корпусу, действует только разъединяющее усилие, которое является растягивающим усилием, прикладываемым судном, находящимся на поверхности.
Однако, известное устройство, описанное в предыдущем абзаце, имеет существенный недостаток. При освобождении от шпилек при заданном растягивающем усилии разъединение верхнего и нижнего корпусов, вероятно, будет сопровождаться внезапным ударом или толчком. Такой отскок верхнего и нижнего корпусов, а также прикрепленных к каждому из них соответствующих участков водоотделяющей колонны с большой вероятностью может привести к повреждению подводной инфраструктуры, оборудования и персонала, находящегося на поверхности.
Кроме недостатка, указанного в предыдущем абзаце, в описании предшествующего уровня техники отсутствует конкретное и подробное описание возможности эффективного применения слабого звена во время эксплуатации водоотделяющей системы в подводных условиях (т.е. когда слабое звено функционирует в ослабленном режиме), а также когда водоотделяющую систему опускают или извлекают, т.е. когда слабое звено функционирует в усиленном режиме, при котором усилие зажима двух основных компонентов слабого звена друг к другу, соединенных с возможностью разъединения, должно быть увеличено.
Соответственно, существует назревшая потребность в слабом звене для водоотделяющих систем, содержащем механизм выравнивания давления, который может эффективно работать в сочетании с демпфирующим механизмом так, что верхний и нижний участки водоотделяющей колонны при разъединении путем освобождения от соединительного средства, такого как шпильки или разъединительные болты, разъединяются управляемым способом, существенно уменьшая вероятность отскока любого типа.
Также существует потребность в слабом звене для водоотделяющих систем, содержащем простое устройство для эффективной работы в изменяющихся условиях, когда водоотделяющая система находится в эксплуатации в подводных условиях, а также когда водоотделяющую систему опускают или извлекают. Обычно водоотделяющую колонну используют в качестве опускающего средства для фонтанного устьевого оборудования (ХМТ - Christmas tree) путем его прикрепления под блоком аварийной расстыковки (EDP - emergency disconnect package) и нижней компоновкой водоотделяющей колонны (LRP - lower riser package), расположенной у нижнего конца водоотделяющей колонны. Поскольку этот узел является весьма массивным, присоединение обычного слабого звена создает потенциально опасную вероятность перегрузки, в частности, при неудовлетворительных погодных условиях. В другом случае, рабочее окно сильно ограничено.
Настоящее изобретение удовлетворяет вышеупомянутые и другие соответствующие потребности благодаря созданию слабого звена для водоотделяющих систем, содержащего механизм выравнивания давления, который может эффективно работать в сочетании с демпфирующим механизмом для обеспечения управляемого и плавного отделения двух основных элементов слабого звена, соединенных с возможностью разъединения, каждый из которых включает участки водоотделяющих колонн, присоединенные, соответственно, у нижнего и верхнего концов. Слабое звено согласно настоящему изобретению также может эффективно и просто работать как в ослабленном, так и в усиленном режиме, как изложено выше.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из основных целей данного изобретения является создание слабого звена для водоотделяющей системы, которое содержит механизм выравнивания давления для компенсации воздействия концевой пробки, при этом указанный механизм эффективно работает в сочетании с демпфирующим механизмом для управляемого отделения верхнего участка водоотделяющей системы от ее нижней части.
Другой целью данного изобретения является создание слабого звена, предназначенного для водоотделяющей системы и выполненного для эффективной работы при изменяющихся условиях, когда водоотделяющая система находится в эксплуатации в подводных условиях, а также при спуске и извлечении водоотделяющей системы.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание слабого звена для водоотделяющей системы, которое имеет простую конструкцию с простым принципом работы, обеспечивая достижение вышеупомянутых целей.
Используемые в описании, включая формулу изобретения, термины «муфта», «ниппель», «слабое звено», «водоотделяющая система», «демпфирование», «компенсатор», «ослабленный режим», «усиленный режим», «разъединительный переводник» следует толковать в самом широком смысле, при этом они включают все подобные термины в данной области техники, под которыми данные понятия известны специалистам в данной области. Сужение или ограничение, если таковые имеются в данном описании, приведены исключительно в качестве примера и для пояснения данного изобретения. Кроме того, следует уточнить, что термин «водоотделяющая система» следует толковать в самом широком смысле применительно к области, связанной с подводными работами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с основным аспектом данного изобретения предложено слабое звено для водоотделяющей системы, содержащее первый элемент и второй элемент, соединительное средство, обеспечивающее разъединяемое соединение указанных первого и второго элементов и выполненное с возможностью отсоединения при определенном растягивающем усилии, причем указанное слабое звено также содержит механизм выравнивания давления, предназначенный для обеспечения равновесия осевых усилий, действующих на указанное соединительное средство и обусловленных воздействием концевой пробки указанной водоотделяющей системы. Это решение позволяет по существу устранить воздействия концевой пробки и обеспечить большую прогнозируемость предела прочности на разрыв соединительного средства, например, болтов.
В предпочтительном варианте выполнения первый элемент представляет собой ниппель, а второй элемент представляет собой муфту, причем указанные ниппель и муфта соединены с возможностью разъединения посредством разъединительных болтов. Это решение обеспечивает простую конструкцию на основе известных принципов телескопического соединения.
В другом предпочтительном варианте выполнения механизм выравнивания давления содержит первый поршень выравнивания давления для передачи нагрузки от давления к указанной муфте и второй поршень выравнивания давления для передачи нагрузки от давления к указанному ниппелю, при этом оба поршня расположены в кольцевом пространстве между указанными ниппелем и муфтой, причем указанное кольцевое пространство находится в гидравлической связи с проходным отверстием указанного ниппеля, при этом указанные нагрузки от давления действуют на поршни в противоположных направлениях. Такое решение позволяет получить надежное средство, которое обеспечивает по существу равновесие между давлением в механизме выравнивания и давлением в проходном отверстии водоотделяющей колонны.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения сегмент для передачи нагрузки, выполненный с возможностью перемещения в радиальном направлении, расположен с возможностью соединения с первым поршнем выравнивания давления для передачи нагрузки от этого поршня к муфте, а второй поршень выравнивания давления присоединен к указанному ниппелю, предпочтительно посредством резьбового соединения, для передачи нагрузки от этого поршня к указанному ниппелю. Такое решение обеспечит стабильную передачу нагрузки от механизма выравнивания давления к указанным ниппелю и муфте.
В другом предпочтительном варианте выполнения слабое звено содержит стингер, прикрепленный первым концом к муфте и имеющий второй конец, проходящий в проходное отверстие ниппеля, причем указанные стингер и ниппель образуют узкое кольцевое пространство, которое в свою очередь обеспечивает сообщение между проходным отверстием указанного ниппеля и кольцевым пространством между указанными ниппелем и муфтой. Это решение обеспечивает сохранение целостности проходного отверстия водоотделяющей колонны по возможности в течение времени разрыва слабого звена, обеспечивая поддержание уплотнения между ниппелем (2) и муфтой (1) во время процесса разъединения.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения муфта имеет отверстие, обеспечивающее сообщение между окружающей морской водой и полостью, выполненной на противоположной от кольцевого пространства стороне второго поршня выравнивания давления. Благодаря такому решению механизм выравнивания давления поддерживает один и тот же режим давления при разрыве слабого звена.
В другом предпочтительном варианте выполнения указанный ниппель имеет отверстия, обеспечивающие сообщение между проходным отверстием указанного ниппеля и кольцевым пространством. Это решение обеспечивает одинаковое давление в механизме выравнивания и в проходном отверстии водоотделяющей колонны.
В другом предпочтительном варианте выполнения указанная муфта имеет отверстие, проходящее к окружающей морской воде, причем данное отверстие выполнено с возможностью сообщения по меньшей мере с одним из отверстий в указанном ниппеле при частичном выдвижении ниппеля из муфты, для стравливания давления внутри водоотделяющей колонны в окружающую морскую воду. Это решение по существу позволяет снизить или устранить воздействие струи, которое будет стремиться вытолкнуть водоотделяющую колонну вверх во время разъединения.
В другом предпочтительном варианте выполнения слабое звено содержит демпфирующий механизм, предназначенный для погашения любого внезапного отскока между указанными первым и вторым элементами во время их разъединения путем разрыва указанного соединительного средства. Это решение позволяет существенно уменьшить вероятность отскока во время разъединения.
В предпочтительном варианте выполнения демпфирующий механизм содержит один или более цилиндров и поршневых средств, причем демпфирующий механизм присоединен к муфте посредством цилиндра или поршневого средства, а другой из указанных элементов: цилиндр или поршневое средство, присоединен к указанному ниппелю. Это решение позволит обеспечить эффективный демпфирующий механизм, который может быть выполнен по размерам в соответствии с требованиями вне зависимости от механизма выравнивания.
В другом предпочтительном варианте выполнения демпферы заполняются морской водой при погружении. Это решение обеспечивает получение свободной от загрязнений системы с простым устройством.
В другом предпочтительном варианте выполнения демпфер имеет по меньшей мере одно небольшое отверстие, предназначенное для медленного выпуска через него текучей среды, содержащейся внутри демпфера, для замедления разъединения указанных муфты и ниппеля. Это решение обеспечивает простое и безопасное регулируемое замедление.
В альтернативном варианте выполнения демпфер выполнен как единое целое с механизмом выравнивания давления, что обеспечивает компактность системы.
В предпочтительном варианте выполнения на ниппеле выполнена по меньшей мере одна канавка, которая в случае отделения муфты от ниппеля обеспечивает пространство для размещения сегмента для передачи нагрузки, чтобы вывести сегмент из соединения с муфтой и обеспечить тем самым возможность для полного разъединения ниппеля и муфты.
В другом предпочтительном варианте выполнения слабое звено содержит средство обеспечения усиленного режима, предназначенное для избирательного увеличения усилия зажима между указанными вторым и первым элементами. Это решение позволяет существенно снизить или исключить вероятность случайного или непреднамеренного разъединения, когда водоотделяющую колонну используют для размещения тяжелого подводного оборудования.
В предпочтительном варианте выполнения средство обеспечения усиленного режима содержит динамический поршень для активации усиленного режима, функционально присоединенный к замковому кольцу для усиленного режима. Это решение обеспечивает надежное средство для перевода переводника в усиленный режим.
В другом предпочтительном варианте выполнения средство обеспечения усиленного режима дополнительно содержит первый трубопровод для передачи гидравлического давления, выполненный с возможностью подачи гидравлического давления к первой камере для перемещения динамического поршня в первом направлении и, соответственно, радиального перемещения замкового кольца в канавку, выполненную в муфте. Это решение обеспечивает простое средство для перевода переводника в усиленный режим.
В другом предпочтительном варианте выполнения средство обеспечения усиленного режима работы дополнительно содержит статический поршень для усиленного режима, расположенный на противоположной стороне в осевом направлении от замкового кольца относительно динамического поршня. Это решение обеспечивает надежный гидрозатвор для отделения средства обеспечения усиленного режима от других частей переводника.
В другом предпочтительном варианте выполнения средство обеспечения усиленного режима дополнительно содержит второй гидропровод, выполненный с возможностью подачи гидравлического давления ко второй камере, расположенной напротив первой камеры относительно динамического поршня для перемещения динамического поршня во втором направлении, противоположном первому направлению и, соответственно, выхода замкового кольца в радиальном направлении из канавки, выполненной в муфте. Это решение обеспечивает простое и надежное средство для отмены усиленного режима работы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
После приведенного выше описания основных признаков данного изобретения в следующих абзацах приведено более подробное и неограничительное описание двух типовых вариантов выполнения со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Фиг. 1 изображает вид в разрезе слабого звена в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения.
Фиг. 2 изображает увеличенный разрез слабого звена, показанного на фиг. 1, работающего в ослабленном режиме.
Фиг. 3 изображает более детальный разрез нижнего участка слабого звена, показанного на фиг. 2, иллюстрируя работу слабого звена в ослабленном режиме.
Фиг. 4 изображает увеличенный разрез слабого звена, подобный показанному на фиг. 2, иллюстрирующий механизм выравнивания давления.
Фиг. 5 изображает более детально разрез нижнего участка слабого звена, подобный показанному на фиг. 2, при этом иллюстрируя работу слабого звена в усиленном режиме.
Фиг. 6а изображает вид в аксонометрии демпфирующего механизма слабого звена, показанного на фиг. 1-5.
Фиг. 6b изображает разрез слабого звена, выполненный по линии С-С, иллюстрируя начало разъединения.
Фиг. 6с изображает вид спереди слабого звена в соответствии с разрезом на фиг. 6b.
Фиг. 6d изображает разрез слабого звена, выполненный по линии D-D, иллюстрируя стадию разъединения, которая следует за стадиями, проиллюстрированными на фиг. 6b и 6c.
Фиг. 6е изображает вид спереди слабого звена в соответствии с разрезом на фиг. 6d.
Фиг. 7 изображает разрез слабого звена в соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения.
Фиг. 8 изображает в увеличении разрез участка слабого звена, показанного на фиг. 7.
Фиг. 9 изображает вид спереди варианта выполнения слабого звена, показанного на фиг. 7 и 8, иллюстрируя механизм выравнивания давления.
Фиг. 10а и 10b изображают виды спереди предпочтительного варианта выполнения слабого звена, показанного на фиг. 7 и 8, иллюстрируя работу, соответственно, в ослабленном и усиленном режимах.
Фиг. 11а и 11b изображают в увеличении виды спереди варианта выполнения слабого звена, показанного на фиг. 7 и 8, иллюстрируя работу демпфирующего механизма.
Фиг. 12а изображает продольный разрез демпфера в соответствии с данным изобретением в полностью убранном положении.
Фиг. 12b изображает частичный продольный разрез демпфера в полностью убранном положении, выполненный перпендикулярно разрезу, изображенному на фиг. 12а.
Фиг. 12c изображает продольный разрез первого конца демпфера в полностью убранном положении.
Фиг. 12d изображает продольный разрез второго конца демпфера в полностью убранном положении.
Фиг. 13а изображает продольный разрез демпфера в частично выдвинутом положении.
Фиг. 13b изображает фрагментарный продольный разрез демпфера в частично выдвинутом положении, выполненный перпендикулярно разрезу, показанному на фиг. 13а.
Фиг. 13c изображает продольный разрез первого конца демпфера в частично выдвинутом положении.
Фиг. 13d изображает продольный разрез второго конца демпфера в частично выдвинутом положении.
Фиг. 14а изображает продольный разрез демпфера в полностью выдвинутом положении.
Фиг. 14b изображает продольный разрез второго конца демпфера в полностью выдвинутом положении.
Фиг. 14c изображает продольный разрез второго конца демпфера в разъединенном состоянии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приведено описание двух предпочтительных вариантов выполнения изобретения, которые являются типовыми и приведены для лучшего понимания данного изобретения, при этом не ограничивая его объем.
На всех чертежах с 1 по 6а, 6b, 6c, 6d и 6е, которые изображают один предпочтительный вариант выполнения, одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы. Это также относится к фиг. 7-9, 10а, 10b, 11а и 11b, на которых изображен другой вариант выполнения. Кроме того, когда в нижеследующем описании используются выражения «верх», «низ», «вверх», «вниз», «выше» или «ниже» и подобные им, они относятся исключительно к расположению относительно морского дна, причем морское дно является по существу горизонтальным и расположено ниже водоотделяющей колонны.
Следует также понимать, что расположение различных элементов может быть отличным от расположения, показанного на чертежах, без отклонения от концепции данного изобретения.
Также, следует пояснить, что прилагаемые чертежи подробно изображают элементы слабого звена, а не водоотделяющей системы или других элементов, участвующих в процессе работы, поскольку они будут очевидны специалистам в данной области техники.
Помимо этого, для работы в ослабленном и усиленном режимах возможно использование нескольких элементов, рассмотренных далее, при этом далее приведено описание или изображение на чертеже только одного или только двух из указанных элементов для облегчения понимания и без какого-либо ограничения объема изобретения. Кроме этого следует отметить, что далее слабое звено указано как разъединительный переводник/переводник. Все указанные термины обозначают слабое звено 17, 43.
Фиг. 1 изображает предпочтительный вариант выполнения, иллюстрируя различные элементы слабого звена 17. На данном чертеже показан ниппель 2, который представляет собой трубу под внутренним давлением переводника/слабого звена и образует часть скважинного напорного трубопровода, проходящего через данный переводник и имеющего проходное отверстие 2а. Указанный ниппель удерживает соединение водоотделяющей колонны снизу (т.е. на правой стороне чертежа) для взаимодействия с другими переводниками водоотделяющей колонны. Указанный ниппель присоединен к муфте 1 посредством разъединительных болтов 11. Муфта 1 действует в качестве наружного рукава слабого звена 17 и удерживает звено водоотделяющей колонны сверху (на чертеже слева) для взаимодействия с другими звеньями водоотделяющей колонны.
Муфта 1 и ниппель 2 являются двумя основными элементами данного звена, при этом они соединены с возможностью разъединения посредством болтов 11. Болты 11 выполнены с расчетом на то, что они сломаются при превышении заданного значения растягивающего усилия.
Стингер 10 работает в качестве внутреннего рукава слабого звена. Он присоединен к муфте 1 предпочтительно посредством резьбовых соединений (подробно не показаны на чертежах) и установлен с небольшим, но отделяющим зазором во внутренней части ниппеля 2 для обеспечения выравнивания давления и уровня текучей среды во время разрыва. Стингер также образует часть скважинного трубопровода, проходящую через данное звено, и имеет проходное отверстие 10а.
Фиг. 1 также показывает верхний поршень (поршни) 4 выравнивания давления и нижний поршень (поршни) 3 выравнивания давления. Указанные поршни расположены друг от друга на расстоянии, по меньшей мере равном одному диаметру проходного отверстия 10а. Данное расстояние может быть больше указанного, что обеспечит больше времени для закрытия предохранительных клапанов для предотвращения утечки углеводородов или бурового раствора в окружающую среду. Элементы 5 нагрузки для выравнивания давления или элементы 5 передачи нагрузки расположены под нижним поршнем (поршнями) 3. Подробное описание этих элементов приведено ниже.
Детали, обеспечивающие активацию усиленного режима слабого звена, расположены на нижнем участке муфты 1. Они включают динамический поршень 9 для усиленного режима, над которым расположена стопорная втулка 6 для усиленного режима и замковое кольцо 7 над ней. Над замковым кольцом 7 расположен статический поршень 12 для усиленного режима. Принцип работы данных элементов описан далее.
Фиг. 1 также показывает уплотнения 8 проходного отверстия, обеспечивающие герметичность проходного отверстия для выравнивания давления, и демпферы 13, проходящие в радиальном направлении снаружи слабого звена 17.
Фиг. 2 изображает разрез, на котором более подробно видны элементы, показанные на фиг. 1. На этом чертеже также показана рукоятка 15, которая может быть использована посредством подводного аппарата дистанционного управления (ROV - remotely operated underwater vehicle) для захвата слабого звена. На чертеже также показаны канавки 5а, выполненные в муфте 1, с помощью которых элементы 5 нагрузки для выравнивания давления остаются заблокированными при штатном режиме работы. На этом чертеже также показано нижнее малое отверстие 1а и верхнее малое отверстие 1b. На чертеже также показано гидравлическое быстроразъемное соединение 14, доступ к которому обеспечивается посредством подводного аппарата дистанционного управления для обеспечения воздействия гидравлическим давлением в гидравлической линии 23 для отмены усиленного режима.
Фиг. 3 изображает увеличенный фрагмент нижнего участка слабого звена 17, показанного на фиг. 2. За исключением деталей, показанных на предыдущих чертежах, здесь также показана канавка 23b, выполненная в нижней части муфты 1, внутри которой может быть размещено замковое кольцо 7. На чертеже также показано отверстие 1а, проходящее через стенку муфты 1. Принцип работы этих элементов будет объяснен далее.
Фиг. 4 изображает в увеличении разрез слабого звена, подобный изображенному на фиг. 2. В дополнение к деталям, изображенным на предыдущих чертежах, на нем также показаны прорези 10b в нижней части стингера 10, отверстия 18 в средней и верхней частях ниппеля 2 и кольцевое пространство 19 между ниппелем 2 и муфтой 1.
В том же участке, в котором выполнены верхние отверстия 18, выполнена кольцевая выемка 40.
Фиг. 5 изображает более подробный вид в разрезе нижнего участка слабого звена, подобный изображенному на фиг. 3, но данный чертеж иллюстрирует работу слабого звена в усиленном режиме, который будет объяснен далее. На этом чертеже также показана камера 23а, расположенная непосредственно под динамическим поршнем 9, а также гидравлические линии 23 и 22, через которые может быть подано гидравлическое давление.
Фиг. 6а изображает четыре демпфера 13, которые расположены на наружной периферии разъединительного переводника 17. Демпферы 13 представляют собой цилиндрические трубки с поршневым устройством 16. Цилиндры демпферов 13 прикреплены к муфте 1, в то время как поршневой шток 16 демпферов проходит внутри указанных цилиндров к их верхнему концу. На поршневых штоках 16 имеются продольные канавки 21, предназначенные для выпуска морской воды, как будет пояснено далее.
Фиг. 6b, 6c, 6d и 6е иллюстрируют различные стадии разъединения слабого звена 17, когда муфта 1 отделяется от ниппеля 2.
Завершив описание основных элементов слабого звена 17, далее прежде всего будет раскрыт принцип работы механизма выравнивания давления слабого звена со ссылкой, в частности, на фиг. 1 и 4. Так как водоотделяющая колонна в присоединенном состоянии подвергается воздействию внутреннего давления, переводник 17 содержит механизм выравнивания давления, благодаря которому давление не будет создавать какого-либо осевого усилия, действующего на болты 11 по причине воздействия концевой пробки, тем самым уменьшая рабочее окно разъединительного переводника 17.
Как показано на фиг. 1, муфта 1 выполняет функцию наружного рукава указанного переводника и удерживает соединение в верхней части для обеспечения взаимодействия с другими звеньями водоотделяющей колонны. Ниппель 2 может быть прикреплен непосредственно к фонтанной задвижке или к нижней компоновке водоотделяющей колонны (LRP - lower riser package), или может содержать внизу участок водоотделяющей колонны.
Как показано на фиг. 4, стингер 10 соединен с муфтой 1, предпочтительно посредством резьбового соединения (не показано подробно), и размещен с небольшим зазором продольно внутри ниппеля 2 для обеспечения выравнивания давления и изоляции текучей среды во время разрыва. Небольшой зазор обеспечивает узкое кольцевое пространство (не показано подробно) между стингером 10 и ниппелем 2, посредством которого обеспечивается гидравлическая связь между отверстием 2а в ниппеле 2 и кольцевым пространством 19, образованным между ниппелем 2 и муфтой 1. Отверстия 18 в ниппеле 2 обеспечивают сообщение между узким кольцевым пространством и кольцевым пространством 19.
Нижний поршень 3 и верхний поршень 4 обеспечивают подачу усилия разъединения от давления (обусловленного воздействием концевой пробки) в обратном направлении, соответственно, к муфте 1 и ниппелю 2.
Как показано стрелками на фиг. 4, давление внутри водоотделяющей колонны 20 переносится от ствола скважины через прорези 10b в нижней части стингера 10, через небольшое кольцевое пространство между стингером 10 и ниппелем 2, далее через отверстия 18 в средней и верхней части ниппеля 2 в кольцевое пространство 19 между ниппелем 2 и муфтой 1. У двух концов этого кольцевого пространства 19 расположены два противодействующих кольцевых поршня 3, 4. Поршни 3, 4 передают результирующее усилие, соответственно, к муфте 1 и ниппелю 2 в противоположных направлениях, как показано на чертеже, устраняя воздействие внутреннего давления на болты 11. На фиг. 4 светло-серыми затененными участками в целом обозначен проточный тракт.
Фактически во время работы скважины перемещаемая среда (газ/нефть и т.д.) находится под высоким давлением, которое обусловливает воздействие концевой пробки и в результате приводит к дополнительному растягивающему усилию, действующему на участки водоотделяющей колонны. Поскольку давление изменяется во времени, а также по длине водоотделяющей колонны, усилие, действующее на разрывные болты 11 слабого звена 17, не может быть четко определено в какой-либо момент времени. Для того, чтобы решить эту проблему, обеспечивают прохождение среды под давлением в камеру 19 (также показанную на фиг. 4) между поршнями 3, 4 для того, чтобы давление действовало в обоих направлениях. Поскольку подвергающаяся воздействию площадь поршней 3, 4 равна поперечному сечению эксплуатационной скважины, противодействующие усилия взаимно компенсируются.
Удлиненная камера 19 выравнивания давления обеспечивает возможность поддержания давления в равновесии посредством разъединительного переводника 17 на протяжении процесса его разделения, как будет подробнее объяснено далее.
Работа слабого звена 17 в ослабленном режиме необходима, когда водоотделяющая система находится в рабочем состоянии и работает в штатном режиме. Если точнее, на данной стадии величина усилия растяжения, действующего на болты 11, не превышает заданного уровня, при этом муфта 1 и ниппель 2 остаются соединенными, что проиллюстрировано, в частности, на фиг. 2 и 3. Когда водоотделяющую колонну присоединяют к инфраструктуре, расположенной на морском дне, переводник 17 настроен на ослабленный режим, как показано на фиг. 2. На этой стадии болты 11, соединяющие муфту 1 и ниппель 2, ограничены той величиной усилия, которую может передавать указанный разъединительный переводник. Таким образом, есть предельно допустимая величина усилия, действующего на водоотделяющую колонну, и, если усилие, действующее на водоотделяющую колонну, выходит за пределы расчетного максимума, болты 11 сломаются.
Сегменты 5 передачи нагрузки взаимодействуют с канавками 5а, выполненными в муфте 1, что препятствует перемещению нижнего поршня 3 дальше вниз. Соответственно, давление внутри кольцевого пространства 19, действующее на нижний поршень 3, будет передано к сегментам 5, и от них к муфте 1. Таким образом, давление, действующее на поршни 3, 4, будет способствовать проталкиванию муфты 1 и ниппеля 2 друг к другу. Усилие, проталкивающее указанные муфту и ниппель друг к другу, будет по существу равно усилию, под действием которого указанные ниппель и муфта раздвигаются друг от друга вследствие воздействия концевой пробки. Это обусловлено тем, что площадь поршней 3, 4 по существу равна площади поперечного сечения проходного отверстия водоотделяющей колонны, и тем, что давление в проходном отверстии водоотделяющей колонны перераспределяется в кольцевое пространство 19, таким образом, давление в пространстве 19 по существу равно давлению в указанном проходном отверстии. Следовательно, единственное усилие, действующее на болты 11, вызвано растягивающим усилием в водоотделяющей колонне.
Кроме этого, как видно на фиг. 3, которая изображает в увеличении фрагмент нижней части слабого звена 17, показанной на фиг. 2, нижний поршень 3 не может перемещаться вверх, что обусловлено наличием выступа 3а на указанном поршне, который примыкает к плечику 3b муфты 1.
Фиг. 3 дополнительно иллюстрирует приблизительный путь передачи нагрузки (часть, затененная темно-серым цветом), когда слабое звено функционирует в ослабленном режиме. Как показано на чертеже, динамический поршень 9 усиленного режима работы и втулка 6 находятся в их самом нижнем положении, при этом кольцо 7 выходит из взаимодействия с канавкой 23b.
На Фиг. 4, рассмотренной выше при описании процесса выравнивания давления, также проиллюстрирован ослабленный режим работы. Во время работы в ослабленном режиме может возникнуть ситуация, при которой внезапно потребуется отделить верхний участок водоотделяющей системы от ее нижнего участка вследствие увеличения растягивающего усилия в водоотделяющей колонне и, соответственно, усилия, действующего на болты 11, которое превышает определенный пороговый предел. В таком случае произойдет разъединение муфты 1 и ниппеля 2 для предотвращения неконтролируемого повреждения водоотделяющей колонны.
Как происходит замедление процесса разъединения для существенного ослабления какого-либо резкого толчка, вызванного энергией упругой деформации в водоотделяющей системе, дополнительно пояснено со ссылкой на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, демпферы 13, выполненные в форме цилиндрических трубок, расположены на наружной стороне разъединительного переводника 17 для обеспечения амортизации резкого толчка в случае поломки болтов 11 для повышения надежности конструкции. Демпферы представляют собой идеально цилиндрические трубки с поршневым устройством 16, как лучше всего показано на фиг. 6а. Указанные трубки при погружении автоматически заполняются морской водой. Цилиндры демпферов 13 прикреплены к муфте 1, в то время как поршневые штоки 16 демпферов проходят внутри цилиндров к их верхнему концу. Фиг. 6а иллюстрирует стадию, во время которой разъединение еще не началось, и слабое звено 17 функционирует в нормальном режиме.
Процесс разъединения муфты 1 и ниппеля 2 в случае достижения и превышения заданного предела растягивающего усилия в водоотделяющей колонне проиллюстрирован на фиг. 1. Для лучшего понимания на данном чертеже показано, что во время разъединения ниппель 2 остается неподвижным и прикрепленным к некоторому оборудованию/водоотделяющей системе, размещенной на морском дне, при этом муфта 1 перемещается в осевом направлении вверх относительно ниппеля 2. Однако такое соединение может быть выполнено наоборот, так что указанный ниппель перемещается вверх, в то время как указанная муфта остается неподвижной.
В случае поломки болтов 11 нижний поршень 3 перемещается в осевом направлении вместе с муфтой 1, когда муфта 1 начинает отделяться от ниппеля 2, так как сегменты 5 передачи нагрузки заблокированы в канавке 5а, выполненной в муфте 1.
Верхний участок верхнего поршня 4 предпочтительно имеет резьбу (подробно не показана), посредством которой поршень 4 прикрепляется непосредственно к верхнему концу ниппеля 2. Соответственно, верхний поршень 4 будет перемещаться вниз относительно муфты 1 (т.е. муфта перемещается вверх, в то время как поршень остается неподвижным). Поскольку при этом на верхней стороне верхнего поршня 4 образуется полость, в стенке указанной муфты выполнено небольшое отверстие 1b, через которое морская вода может поступать для заполнения данной полости.
На фиг. 6b изображен разрез участка переводника и проиллюстрировано частичное разъединение муфты 1 и ниппеля 2. На этом этапе ряд отверстий 18 в указанном ниппеле достиг отверстия 1а в муфте 1. Давление в проходном отверстии 10а указанного переводника стравливается через данные отверстия в морскую воду. Благодаря перемещению верхнего и нижнего поршней 3 и 4 ближе друг к другу текучая среда в кольцевом пространстве 19а будет вытесняться через отверстия 18 и поступать в проходное отверстие водоотделяющей колонны до тех пор, пока нижние отверстия 18 не достигнут нижнего отверстия 1а. Кроме того, во время стравливания давления через нижнее отверстие 1а наличие кольцевого пространства 19 и давление в нем, воздействующее на поршни 3, 4, будет обеспечивать выравнивание давления для компенсации воздействия концевой пробки. Помимо этого во время разъединения в полость 19а, расположенную над верхним поршнем 4, непрерывно поступает морская вода.
Фиг. 6с изображает вид спереди слабого звена, показанного на фиг. 6b. Как очевидно следует из чертежа, муфта 1 переместилась вверх относительно ниппеля 2.
Фиг. 6d изображает разрез участка переводника и иллюстрирует стадию, на которой отделение муфты 1 от ниппеля 2 почти завершено. Как показано на данном чертеже и на фиг. 6, которая изображает вид спереди слабого звена в соответствии с фиг. 6d, муфта 1 переместилась дальше вверх по сравнению с положением, показанным на фиг. 6b и 6c, и почти отделилась от ниппеля 2. На чертеже также показано, что нижний поршень 3 переместился вверх вместе с муфтой 1 относительно верхнего поршня 4 и фактически соприкасается с ним, при этом полость 19, образованная над верхним поршнем 4, теперь заполнена морской водой.
На этой стадии канавка 40, выполненная в верхней части ниппеля 2, входит в непосредственное соприкосновение с сегментами 5 передачи нагрузки и обеспечивает возможность их перемещения в канавки 5а, выполненные в муфте 1, и из них. Для облегчения этого действия блокирующие сегменты предпочтительно подпружинены внутрь. Выход из взаимодействия с канавкой 5а обеспечивает возможность перемещения сегментов 5 передачи нагрузки и нижнего поршня выравнивания давления вниз вместе со ниппелем 2 и из муфты 1. Таким образом, муфта 1 теперь перемещается в осевом направлении от ниппеля 2 и полностью отделяется от него. Демпферы, которые также достигли конца их рабочего хода, отделяются посредством поршневых штоков, выходящих из указанных цилиндров. Этому отделению может способствовать обеспечение механизма сегментов в цилиндре 13, который выполнен с возможностью расширения, когда указанный поршень у верхнего конца штока 16 достигает определенного положения.
В конце процесса отделения, что не проиллюстрировано на чертежах, ниппель 2 остается внизу вместе с верхним поршнем 4, нижним поршнем 3 и сегментами 5 передачи нагрузки. Муфта 1 полностью отделяется, а демпферы 13, содержащие внутри поршни, полностью отделяются от поршневых штоков 16, присоединенных к указанному ниппелю.
Таким образом, демпферы обеспечивают регулируемое и плавное отделение муфты 1 от ниппеля 2, а также водоотделяющих колонн/оборудования, прикрепленного к ним.
Далее будет пояснен принцип работы слабого звена в усиленном режиме, проиллюстрированный на фиг. 5. Усиленный режим необходим для укрепления переводника между муфтой 1 и ниппелем 2, когда водоотделяющую колонну опускают к морскому дну вместе с тяжелым оборудованием, например, с узлом блока аварийной расстыковки/нижней компоновки водоотделяющей колонны/фонтанного устьевого оборудования, подвешенным на нижнем конце водоотделяющей колонны. Усиленный режим работы также необходим, когда узел водоотделяющей колонны извлекают из скважины.
Усиленный режим работы обеспечивает большее усилие зажима между муфтой 1 и ниппелем 2 путем уменьшения нагрузки, действующей на болты 11. Усиленный режим не запускают, когда слабое звено функционирует в штатном режиме и подвергается воздействию давления скважины. Усиленный режим работы также не должен быть активирован во время разъединения муфты 1 и ниппеля 2 посредством болтов 11.
Усиленный режим работы преимущественно необходим для того, чтобы предотвратить выпадение болтов 11 во время выполнения спуска и извлечения оборудования, когда на болты 11 слабого звена действует существенное растягивающее усилие. Данное растягивающее усилие может значительно превышать заданное значение, при котором болты 11 должны сломаться.
При усиленном режиме работы гидравлическую текучую среду направляют через клапан 22 (лучше всего показан на фиг. 5) в камеру 23а в нижней части муфты 1, в результате чего динамический поршень 9 усиленного режима перемещается вверх. Указанный поршень проталкивает стопорную втулку 6 для усиленного режима работы, под воздействием которой происходит перемещение разъемного кольца 7 в канавку 23b (лучше всего показана на фиг. 4 и 5), выполненную в нижней части муфты 1. Кольцо 7 подвергается воздействию давления снаружи в радиальном направлении со стороны стопорной втулки 6, в результате чего указанное кольцо входит в канавку 23b и размещается в ней. Стопорная втулка может быть выполнена с возможностью удержания кольца 7 в канавке 23b без необходимости в постоянной подаче гидравлического давления в камеру 23а.
Благодаря соединению ниппеля 2 и муфты 1 друг с другом с помощью кольца 7 происходит частичное снятие нагрузки с болтов 11, что способствует увеличению общей способности к растяжению переводника 17.
Выход из усиленного режима выполняют путем сброса гидравлического давления через гидравлическую линию 23, в результате чего происходит проталкивание втулки 6 и динамического поршня 9 обратно вниз так, что замковое кольцо 7 снова может перемещаться внутрь для выхода из взаимодействия с канавкой 23b, выполненной в нижней части муфты 1. После выхода из усиленного режима полость между статическим поршнем 12 и динамическим поршнем 9 находится под гидравлическим давлением, что позволяет предотвратить взаимодействие разъемного кольца с канавкой 23b.
Статический поршень 12 закреплен на ниппеле 2 посредством резьбового соединения, что обеспечивает неподвижность поршня 12 относительно ниппеля 2.
Фиг. 7 изображает различные элементы другого варианта выполнения слабого звена 43 водоотделяющей системы. Слабое звено 43 содержит ниппель 25 и муфту 24. Ниппель 25 содержит участок (не показан) водоотделяющей системы, присоединенный к его нижней части (на фиг. 7 и 8 с левой стороны), в то время как муфта 24 содержит участок (не показан) водоотделяющей системы, присоединенный к ее верхней части (на фиг. 7 и 8 с правой стороны). Ниппель 25 и муфта 24 соединены друг с другом с возможностью разъединения посредством разъединительных болтов 34, выполненных с возможностью разрыва при заданной нагрузке. Водоотделяющая система, присоединенная к ниппелю 25, присоединена или к другим водоотделяющим колоннам, или к другому подводному оборудованию/инфраструктуре.
Для передачи нагрузки на ниппель 25 предусмотрен верхний поршень 27 выравнивания давления, а для передачи нагрузки от давления к муфте 24 - нижний поршень 26 выравнивания давления. Над верхним поршнем 27 расположено кольцо 29 нагрузки для выравнивания давления, предназначенное для передачи нагрузки от верхнего поршня 27 к ниппелю 25. Сегмент 28 нагрузки для выравнивания давления расположен под нижним поршнем 26 и предназначен для передачи нагрузки от давления от нижнего поршня 26 к муфте 24.
Сегмент 30 нагрузки для усиленного режима расположен над кольцом 32 для запуска усиленного режима, при этом указанный сегмент соприкасается как со ниппелем 25, так и с муфтой 24. Верхняя часть ниппеля 25 образует компенсационный поршневой шток с верхним компенсационным поршнем 36, расположенным на его конце. Верхняя часть муфты 24 образует компенсационный цилиндр 39 с нижним компенсационным поршнем 41, расположенным на его нижнем конце.
Компенсационное кольцо 37 нагрузки расположено над верхним компенсационным поршнем 36, тогда как компенсационный опорный сегмент 42 расположен под нижним компенсационным поршнем 41 для его поддержки.
Стингер 33 расположен в верхней части ниппеля 25 и предназначен для поддержания давления в переводнике 43. Уплотнения 31 проходного отверстия выполнены у конца стингера 33 для предотвращения протечки.
Фиг. 7 также изображает расположение канавки 40 для компенсационного опорного сегмента и расположение фиксатора 38 стингера.
Расположение различных элементов слабого звена 43, как изложено выше со ссылкой на фиг. 7, дополнительно подробно показано в увеличении на фиг. 8, которая изображает только нижнюю часть переводника 43.
Как четко показано на фиг. 8, сегмент 30 расположен над кольцом 32 для запуска усиленного режима и размещен в канавке 46, выполненной в муфте 24. Кольцо 32 соприкасается со ниппелем 25 и муфтой 24. Фиг. 8 также показывает канавку 28а, выполненную в нижней части муфты 24, с которой сегмент 54 нагрузки для выравнивания давления продолжает взаимодействовать, пока муфта 24 и ниппель 25 соединены.
Фиг. 9 иллюстрирует выравнивание давления, когда переводник 43 функционирует в ослабленном режиме. На фиг. 9 показана камера 45 выравнивания давления, расположенная между муфтой 24 и стрежнем 25, и отверстия 50, через которые давление в водоотделяющей колонне 44 перераспределяется к камерам 45.
Фиг. 10а иллюстрирует работу в ослабленном режиме, а фиг. 10b иллюстрирует работу в усиленном режиме. На фиг. 10а показаны отверстия 50, через которые давление перераспределяется из водоотделяющей колонны в камеру 45, которая лучше всего показана на фиг. 9. На данном чертеже также показаны муфта 24, ниппель 25 и болты 34. Фиг. 10b изображает вышеперечисленные детали и также статический поршень 30 для усиленного режима, расположенный над поршнем 32 для запуска усиленного режима, и проходом 47 для запуска усиленного режима.
Фиг. 11а и 11b изображают демпфирующий механизм, предназначенный обеспечения замедленного разъединения муфты 24 и ниппеля 25. Между ниппелем 25 и муфтой 24 выполнена кольцевая камера 39, которая при погружении заполняется морской водой через отверстия 48 (показанные на фиг. 11b), выполненные в нижней части муфты 24. Затененными участками на фиг. 11b обозначена вода в полости 39.
Далее со ссылкой на фиг. 7, 8 и 9 приведено описание работы механизма выравнивания давления в ослабленном режиме.
Когда водоотделяющая колонна 44 полностью введена в эксплуатацию, слабое звено функционирует в ослабленном режиме, при котором болты 34, соединяющие ниппель 25 и муфту 24, ограничивают величину усилия, которое может выдерживать слабое звено 43. Соответственно, есть максимально допустимое усилие, которое может действовать на водоотделяющую колонну 44, и, если водоотделяющая колонна подвергается воздействию усилия, величина которого выходит за пределы расчетного максимума, болты 34 сломаются.
На водоотделяющую систему вследствие воздействия концевой пробки действует усилие, которое, прежде всего, должно быть уравновешено механизмом выравнивания давления слабого звена 43 для того, чтобы скомпенсировать осевое усилие, приложенное к болтам 34 и обусловленное давлением в водоотделяющей колонне.
Как, в частности, показано на фиг. 9, давление внутри водоотделяющей колонны 44 перераспределяется через отверстия 26 в камеру 46 между ниппелем 25 и муфтой 24, где воздействие переносится на два противодействующих кольцевых поршня (нижний поршень 51 и верхний поршень 52 выравнивания давления, лучше всего показаны на фиг. 7 и 8), каждый из которых передает результирующее усилие, соответственно, к муфте 24 и к ниппелю 34 в противоположных направлениях. Таким образом, происходит уравновешивание влияний внутреннего давления на болты 34.
Кольцо 54 нагрузки для выравнивания давления расположено над верхним поршнем 52 и предназначено для передачи нагрузки от давления от верхнего поршня 52 к ниппелю 25. Подобным образом, под нижним поршнем 51 выравнивания давления расположен сегмент 54 нагрузки для выравнивания давления, предназначенный для передачи нагрузки от давления от нижнего поршня 51 к муфте 24. Эти сегменты 54 выполнены с возможностью перемещения в радиальном направлении и обеспечения выхода муфты 24 из соединения после разрыва болтов 34. Когда муфта 24 и ниппель 25 остаются в соединении друг с другом, сегменты 54 взаимодействуют с канавками 28а в муфте 24 благодаря удерживающему кольцу 28, имеющему скошенную поверхность, как лучше всего показано на фиг. 9.
Когда происходит превышение порогового предела болтов 34, начинается разъединение муфты 24 и ниппеля 25, при этом удерживающее кольцо 28 будет перемещаться вниз вместе со ниппелем, что обеспечит возможность перемещения сегментов 54 в радиальном направлении внутрь для их отсоединения от указанной муфты.
К концу разъединения канавка 40 достигнет компенсационного опорного сегмента 42, что обеспечит возможность его радиального перемещения в канавку 40, выполненную в указанном ниппеле, и, соответственно, возможность окончательного выхода ниппеля 25 из муфты 24 и завершения разъединения.
При отсутствии какого-либо демпфирования это разъединение было бы похоже на разрыв резиновой ленты, при этом возникший отскок может повредить подводную инфраструктуру, а также нанести вред оборудованию и персоналу, находящимся на поверхности.
Чтобы избежать какого-либо отскока во время разъединения указанных муфты и ниппеля, слабое звено 43 выполнено со встроенным компенсатором, предназначенным для минимизации любого отскока. Указанное устройство будет описано далее со ссылкой на фиг. 11а и 11b.
Компенсационный механизм работает благодаря обеспечению камеры 39 между верхними частями ниппеля 25 и муфты 24, причем камера 39 заполняется морской водой через отверстия 48 (показаны на фиг. 11b), выполненные в нижней части муфты 24. При разделении слабого звена вода вновь медленно выходит через отверстия 48.
Отверстиям 48 выполнены по таким размерам, которые позволяют уменьшить поток воды, таким образом, обеспечивая эффективное замедление перемещения во время разъединения. Такое решение обеспечивает возможность ограничения процесса разъединения или разрыва до приемлемого значения скорости, тем самым ограничивая ударное воздействие высвобождаемой энергии.
Фиг. 11а иллюстрирует стадию, на которой муфта 24 и ниппель 25 еще не начали разъединяться, а в камере 39 присутствует морская вода (обозначена затененным участком).
Фиг. 11b иллюстрирует стадию, на которой разъединение началось путем разрыва болтов 34. Муфта 24 переместилась вверх относительно неподвижного ниппеля и вода после частичного вытеснение теперь имеется лишь в полости 39а.
Таким образом, механизм выравнивания давления слабого звена работает вместе с компенсационным механизмом слабого звена. Однако, в отличие от варианта выполнения, проиллюстрированного на фиг. 1-6, средство выравнивания давления не будет работать после разрыва болтов 34. Это означает, что демпфирующий механизм устраняет как влияние концевой пробки, так и растягивающие усилия водоотделяющей колонны, а именно, компенсируется осевое усилие, действующее на разъединительные болты, обусловленное влиянием концевой пробки водоотделяющей колонны, при этом разъединение ниппеля и муфты происходит регулируемым и плавным образом без какого-либо внезапного облома, когда разъединительные болты достигают заданного порогового значения.
Далее приведено описание усиленного режима работы со ссылкой на фиг. 10а и 10b. Фиг. 10а показывает приблизительный путь передачи нагрузки (затененный участок), когда слабое звено 43 функционирует в ослабленном режиме, а фиг. 10b показывает приблизительный путь передачи нагрузки (затененный участок), когда слабое звено 43 функционирует в усиленном режиме. При сравнении фиг. 10а и 10b можно увидеть, что на фиг. 10а поршень 32 запуска усиленного режима находится в его самом нижнем положении, тогда как на фиг. 10b поршень 32 перемещен в его самое верхнее положение, следовательно, запущен усиленный режим.
Как показано на фиг. 10b, для запуска усиленного режима через отверстие 47, выполненное около нижней части муфты 24 и ниже поршня 32, прикладывается гидравлическое давление, под действием которого поршень 32 проталкивается вверх и в свою очередь способствует перемещению сегмента 30 нагрузки в осевом направлении в канавку 46 (лучше всего показано на фиг. 8) в муфте 24. Соответственно, возрастает усилие зажима между ниппелем 25 и муфтой 24. Таким образом, выполняется приложение гидравлического усилия при усиленном режиме, что существенно повышает прочность слабого звена 43 благодаря усиленному контакту между ниппелем 25 и муфтой 24. Естественно, что в этом случае нагрузка на болты 34 также снижается.
В соответствии с фиг. 12a-d, 13a-d и 14а-с описан предпочтительный вариант выполнения демпфера 13, показанного на фиг. 6а.
Фиг. 12а изображает продольный разрез демпфера 13. Указанный демпфер содержит цилиндр 100, закрытый у первого конца 101 первой концевой пробкой 102 c открытым концом. На противоположном втором конце 103 находится вторая концевая пробка 103. Внутри цилиндра 100 находится поршень 104. Шток 105 поршня прикреплен первым концом 106 к поршню 104, при этом указанный шток проходит наружу через вторую концевую пробку 103 вторым концом 107, выходящим наружу из цилиндра 100. На фиг. 12а показано, что демпфер 13 находится в полностью убранном положении, т.е. поршень 104 находится рядом с первой концевой заглушкой 102.
Вдоль штока 105 поршня выполнена продольная канавка 108. Эта канавка выполнена ступенчатой по глубине (от наружного конца к поршню 104) и имеет наружную более глубокую часть 108а, промежуточную менее глубокую канавку 108b и внутреннюю наименее глубокую канавку 108с. Помимо этого ближе всего к поршню 104 выполнена короткая более глубокая канавка 108d.
Фиг. 12b изображает частичный продольный разрез демпфера 13, выполненный под углом 90° к плоскости разреза на фиг. 12а.
Фиг. 12c изображает подробный продольный разрез внутреннего конца 101 демпфера 13 в таком же виде, как на фиг. 12а. На чертеже показан поршень 104 и концевая пробка 12. Поршень имеет соединительную деталь 109, клапан 110 одностороннего действия и заполняющий канал 111, предназначенный для заполнения цилиндра 100 гидравлической текучей средой. Канал 111 сообщается с наиболее удаленной внутренней канавкой 108d.
В отдалении от поршня 104 расположен захватный механизм 112, образующий соединение между поршнем 104 и штоком 105. Захватный механизм содержит несколько собачек 120, соединяющих поршень 104 и шток 105 посредством пересекающихся канавок 113 и выступов 114. Собачки 120 имеют дальний конец 119, проходящий наклонно наружу от штока 105 к внутренней стенке цилиндра 100. Соответственно, между штоком 105 и дальним концом собачек 120 образуется конусная полость 121.
Фиг. 12d изображает подробный детальный вид наружного конца демпфера 13 в таком же разрезе, как и на фиг. 12а. Шток 105 имеет проходное отверстие 115, обеспечивающее сообщение самой удаленной наружной канавки 108а с окружающей средой через отверстие 116, выполненное в дальнем конце штока 105. В дополнение к этому шток имеет кольцевую канавку 117, которая также обеспечивает сообщение внутренней части цилиндра 100 с окружающей средой.
Концевая пробка 103 имеет направленный внутрь кольцеобразный выступ 118, назначение которого будет объяснено далее.
При действии усилия для разъединения муфты 1 и ниппеля 2 слабого звена, как было изложено выше, и после разрыва болтов 11 шток 105 будет выдвигаться наружу из цилиндра 100, при этом шток 105 будет вытягивать поршень 104. Фиг. 13а изображает разрез, аналогичный показанному на фиг. 12а, но в данном случае поршень 104 и шток 105 несколько выдвинуты наружу. Благодаря этому тяговому усилию гидравлическая текучая среда внутри указанного цилиндра будет вытеснена из него через проходное отверстие 115, выполненное в штоке 105. Вначале текучая среда будет также вытесняться через кольцевую канавку 117. Так как первая часть 108а канавки 108 перемещается через концевую пробку 103, текучая среда также будет проходить по этой канавке наружу. Поскольку первая часть 108а канавки является относительно глубокой, скорость перемещения штока 105 будет относительно высокой, пока первая часть 108а канавки обеспечивает выход потока через концевую пробку 103.
Фиг. 13a, c и d иллюстрируют момент, когда внутренний конец части 108а канавки достигает концевой пробки 103.
Когда вся вторая часть 108а канавки прошла через концевую пробку 103, текучая среда будет протекать по второй и менее глубокой части 108b канавки, что обеспечит снижение скорости перемещения штока 105.
Когда вся вторая часть 108б канавки прошла через концевую пробку 103, обеспечивается доступ к третьей и самой мелкой часть 108с канавки, благодаря чему происходит еще большее замедление скорости перемещения указанного штока.
Только после прохождении самой мелкой части 108с канавки через концевую заглушку 103 обеспечивается доступ к последней и наиболее глубокой части 108d канавки. Затем скорость перемещения штока поршня снова возрастает для обеспечения возможности разъединения штока 105 и поршня 104, как будет объяснено далее.
Как показано на фиг. 14а и b, когда поршень 104 достигает наружный конец цилиндра 100, собачки 120 входят в контакт с кольцеобразным выступом 118, при этом выступ 118 будет входить в конусообразную полость 121 и продвигать дальний конец 119 собачек 120 наружу. Поскольку концевая пробка 103 имеет больший внутренний диаметр по сравнению с диаметром цилиндра 100, это обеспечивает возможность перемещения дальних концов 119 собачек наружу, таким образом выводя их из захвата в штоке 105. Фиг. 14c изображает шток 105, полностью отделенный от поршня 104.
Выход гидравлической текучей среды из цилиндра 100 может быть обеспечен регулируемым способом благодаря соответствующей ширине и глубине канавки 108 и канала 117 для достижения требуемой скорости разъединения.
Настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения и некоторые чертежи для лучшего понимания, поэтому для специалистов должно быть очевидным, что оно включает все допустимые модификации в пределах изложенного выше описания и пунктов прилагаемой формулы изобретения. Очевидно, что ниппель может быть прикреплен к верхней части водоотделяющей колонны, а муфта - к нижней части придонного оборудования без отклонения от данного изобретения.