САМОВЫРАВНИВАЮЩИЙСЯ КОУШ ДЛЯ ЯКОРНОГО КАНАТА
SELF-ALIGNING ANCHOR LINE THIMBLE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области якорных канатов, в частности тех, что используются на море. Точнее, изобретение относится к торцевому коушу для канатов якорных растяжек, в особенности провесного типа, используемых при заякоривании на шельфе массивных плавучих элементов систем для морской добычи нефти и газа, хотя оно не ограничено лишь данной областью.
Уровень техники
В области, известной как «шельфовая» добыча нефти и газа в открытом море вдоль побережья, якорные канаты, также именуемые кривыми провесами, предназначенные для привязывания с очень высоким пределом прочности на разрыв, используются для заякоривания массивных плавучих элементов, таких как шельфовые платформы, причал-буи или даже погружные ступени колонных систем, поднимающихся на поверхность (подъемных башенных систем на платформах типа SPAR).
Якорные канаты, часто используемые в системах заякоривания, сходящиеся в одной точке на уровне подвижных массивных заякориваемых элементов, крепятся при помощи их торцевых коушей (которые могут сопрягаться и не сопрягаться с соединительными деталями) с одной стороны - к неподвижному устройству, заякоренному к морскому дну, а с другой стороны - к заякориваемому плавучему элементу.
Известно, что подобные якорные растяжки могут достигать в длину более одного километра. Кроме этого в ближайшие годы подобная ссылочная длина, безусловно, будет увеличиваться, поскольку глубина подводных разработок постоянно возрастает.
В конечном счете, различные соединения и компоненты системы заякоривания у каждого конца подобных якорных растяжек должны выдерживать значительные многократные натяжения и усилия, создаваемые волнами, морскими течениями, ветром или даже различными напряжениями, возникающими во время эксплуатации непосредственно самой шельфовой установки. Шельфовая якорная кривая провеса на самом деле участвует в движениях волн таким образом, что усталостная прочность, в частности, становится существенным требованием как при натяжении, так и при сгибании, в особенности в месте выхода каната из торцевого коуша.
Известны традиционные якорные растяжки, оснащенные торцевыми коушами серьгового, дужечного или даже очкового типа. Подобные коуши преимущественно состоят из полого корпуса, имеющего, в целом, форму усеченного конуса, образующего крепежную приемную часть, а со стороны их широкого торца в них имеются уши (или перегородка) с проходящим через них отверстием, в которое вставляется соединительный вал или овальная дужка, предназначенная для соединения с заякориваемой системой. За счет формы внутренней выточки крепежная приемная часть выполняет фиксирующую функцию, с этой целью в нее вставляется конец якорного каната, нити которого распрямляются в виде пучка перед заполнением литьевым материалом, который, после отверждения, делает канат и коуш окончательно неразъемными.
В различных системах заякоривания, надводного и, в частности, подводного типа, якорные растяжки подвергаются циклам чередующихся натяжений или многократных сгибаний вследствие напряжения, воздействующего на заякоренные подвижные элементы, и возникающих в результате перемещений. Поэтому системы заякоривания и используемые в них якорные растяжки на основе тросов должны проектироваться и изготавливаться таким образом, чтобы при этом учитывались условия их эксплуатации. В частности, необходимо избегать любых концентраций повторяющихся изгибающих напряжений на уровне части якорного каната, находящейся непосредственно на выходе из его торцевого коуша.
Как уже отмечалось выше, для их соединения с заякориваемым подвижным элементом или с якорями на конце растяжки, торцевые коуши канатов, которыми оснащаются существующие системы заякоривания, содержат снаружи, на противоположной стороне от входа каната, соединительные средства, которые обеспечивают поворотное крепление коуша на заякориваемом элементе. Таким образом, обеспечивается поворотное соединение, которое под воздействием разных напряжений, которым подвергается система заякоривания, позволяет осуществлять попеременные вращательные движения коуша вокруг оси, проходящей ортогонально его собственной продольной оси. Между тем следует отметить, что в коуше подобного типа канат свободно выходит из коуша точно у основания пучка нитей, удерживаемых в крепежной приемной части, либо на относительно небольшом расстоянии от него. Вследствие этого, за счет крутящего момента, веса коуша вполне достаточно для того, чтобы он совершал частично вращательные движения вокруг его оси вращения, создавая тем самым паразитные изгибающие напряжения в части каната, находящейся на выходе из крепежной приемной части.
Известное решение для устранения подобного недостатка заключается в ограничении паразитных изгибающих напряжений, возникающих в канате на выходе из коуша, за счет его защиты при помощи элемента жесткости.
Повысить жесткость каната, которая в согнутом состоянии уменьшается, можно либо за счет установки подобного элемента оборудования, либо за счет использования для его изготовления более качественных материалов, как у современных высокопрочных, стальных канатов, либо комбинированных канатов, изготовленных из стальной проволоки и синтетических материалов или даже из одних только синтетических материалов.
Подобный элемент жесткости, позволяющий осуществлять самовыравнивание коуша с канатом, обычно имеет форму рукава, расположенного вокруг каната, на выходе из коуша, жесткость и толщина подобного рукава постепенно уменьшается по мере удаления от него. Таким образом, гибкость элемента жесткости, обычно изготавливаемого из пластичного материала соответствующей жесткости и плотности, увеличивается от его основания к концу, что позволяет уменьшить, но не более того, риски, порой существенные, паразитных изгибаний каната на выходе из его торцевого коуша.
Раскрытие изобретения
Основная цель настоящего изобретения заключается именно в том, чтобы предложить новый тип самовыравнивающегося торцевого коуша для канатов якорных растяжек, образующих системы заякоривания, подверженные значительным цикличным изменениям геометрии и напряжениям во время их эксплуатации.
В этой связи первым объектом изобретения является самовыравнивающийся коуш, устанавливаемый на торце якорного каната системы заякоривания подвижного массивного элемента, коуш содержит:
- корпус коуша с имеющейся в нем внутренней полостью, содержащей направляющую камеру для якорного каната, промежуточную секцию и крепежную приемную часть, в которую вставляются и в которой фиксируются торцы нитей якорного каната, и
- средства для соединения с подвижным массивным элементом, который предстоит заякорить, расположенные на корпусе коуша таким образом, что они определяют ось поворота корпуса коуша, данная ось проходит через промежуточную секцию коуша.
Таким образом, реализация изобретения, во-первых, позволяет принудительно постоянно удерживать коуш в выровненном положении с канатом, на котором он установлен. Подобный результат достигается главным образом за счет наличия направляющей камеры для каната непосредственно в самом корпусе коуша, подобная камера фактически выступает в качестве внутреннего элемента жесткости благодаря ее внутренней стенке, которая соприкасается с канатом подобно удерживающей оболочке.
Помимо этого удерживающий рукав, форма которого является комплементарной форме направляющей камеры, может вставляться в нее для приема якорного каната. В целях практической адаптивности коуша к канатам возможно разного диаметра, разумеется, предпочтительно сделать камеру шире направляемого каната таким образом, чтобы в нее можно было вставить удерживающий рукав соответствующего размера, форма которого может меняться по мере необходимости.
По предпочтительному варианту осуществления центр G тяжести коуша находится в промежуточной секции, а следовательно, рядом с его осью поворота и даже на данной оси поворота, либо между осью поворота и началом направляющей камеры. Следовательно, ось поворота коуша относительно элементов, с которыми он соединен, находится в непосредственной близости от точки приложения, на коуше, растягивающего усилия, передаваемого канатом во время его использования внутри системы заякоривания. Таким образом, можно избежать эффекта «рычага», прикладываемого непосредственно на уровне самого коуша, за счет создания собственного вращательного движения вокруг его оси.
Следовательно, подобное принудительное выравнивание коуша на канате легко позволяет повторять движения, возникающие в канате во время его использования в системе заякоривания, в которых он участвует и тем самым в значительной степени уменьшить или даже подавить возникновение его паразитных изгибаний на выходе каната значительно более эффективней, чем при использовании одного лишь элемента жесткости, устанавливаемого снаружи на торцевой коуш, изготовленный в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Вторым объектом изобретения является шельфовый якорный канат, на одном из концов которого установлен по меньшей мере один самовыравнивающийся коуш по изобретению, канат снабжен водонепроницаемой оболочкой, обертывающей узел из жил, изготовленных из материала на основе стали, синтетических материалов или их комбинации.
Использование изобретения в данной области позволяет существенно уменьшить или даже предотвратить паразитные изгибающие напряжения якорных канатов на выходе из их торцевых коушей, независимо от того изготовлены они из стальных жил, комбинированных конструкций из стали и синтетических материалов или из одних лишь синтетических материалов.
Разумеется, подобный самовыравнивающийся коуш подходит для установки на концах металлических тросов, в целом, используемых в различных системах заякоривания или швартования, в том числе таких, которые обычно используются при шельфовой добыче нефти и газа. Между тем, коуш оказывается еще более эффективным в случае использования комбинированных канатов, состоящих из стального сердечника и синтетических материалов или даже имеющих сердечник из синтетических материалов, поскольку подобные канаты имеют намного меньшую жесткость при сгибании, чем канаты, сердечники которых состоят из одних только стальных нитей.
Предпочтительно соединительные средства содержат пару цапф, проходящих перпендикулярно продольной оси коуша. Подобные цапфы обеспечивают поворотное соединение за счет зацепления, например, в посадочных местах соответствующего диаметра, имеющихся на заякориваемом подвижном элементе или в неподвижной точке на конце каната, например, в виде штыкового зажима.
Средства для соединения коуша также могут быть в виде проушин или круглых отверстий, с которыми зацепляются цапфы, находящиеся на заякориваемом подвижном элементе или в неподвижной точке на конце каната.
Крепежная приемная часть, в которую вставляется пучок жил, выходящих из конца каната, подготовленного для крепления, может быть любой формы, позволяющей крепить и расклинивать канат в коуше. Предпочтительно она имеет форму усеченного конуса.
По предпочтительному варианту осуществления направляющая камера, расположенная по ходу спереди от крепежной приемной части, содержит секцию, расширяющуюся в направлении, противоположном расширению, образующему крепежную приемную часть. Подобная компоновка, придающая внутренней полости коуша, в целом, форму песочных часов (т.е. форму двух перевернутых конусов, соединенных у их вершин цилиндрической областью), упрощает вставление и вынимание из направляющей камеры предпочтительно жесткого, удерживающего рукава, который взаимодействует с ее внутренним профилем для удержания каната. В этом случае промежуточная секция, разделяющая крепежную приемную часть и направляющую камеру, имеет сечение меньшего диаметра по сравнению с этими двумя частями.
Простая сборная втулка, установленная на выходе направляющей камеры, позволяет неподвижно закреплять подобный рукав в рабочем положении.
Помимо его основой функции использования в качестве элемента жесткости, подобный рукав также предотвращает соприкосновение каната с металлическим корпусом коуша. Рукав также используется для компенсации незначительных остаточных отклонений каната, которые могут возникать на выходе из его торцевого коуша.
По предпочтительному варианту осуществления рукав имеет жесткость и толщину, которые постепенно уменьшаются по мере удаления от промежуточной секции. За счет этого рукав обладает гибкостью, которая постепенно увеличивается в направлении выходного отверстия коуша.
Также предметом изобретения является якорный канат, на одном из концов которого установлен по меньшей мере один коуш по изобретению, канат предпочтительно находится в оболочке и состоит из металлических жил, жил из синтетического материала или жил из комбинации подобных материалов.
Другие аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более понятны из последующего описания одного из вариантов осуществления, предлагаемого со ссылкой на единственную прилагаемую фигуру, на которой показан самовыравнивающийся коуш по изобретению при виде в продольном сечении, вдоль плоскости его осевой симметрии.
Осуществление изобретения
Коуш 10, который показан установленным на конце якорного каната 22, содержит преимущественно полый корпус 12 коуша, предпочтительно из металла, например из кованного, литого или обработанного на станке металла. Подобный корпус 12, с осевой симметрией, имеет форму, удлиненную вдоль его продольной оси 16. По данному варианту осуществления у него имеется внутренняя полость 14, открытая с торцов, в целом в виде «песочных часов», содержащая три последовательные части, выровненные вдоль продольной оси 16, которые расположены в следующем порядке:
- направляющая камера 34 для каната 22, в данную камеру вставлен удерживающий рукав 36,
- промежуточная секция 18, и
- крепежная приемная часть 20, в которую вставляется конец каната 22.
В данном случае крепежная приемная часть 20, имеющая форму усеченного конуса, выполнена таким образом, что она расширяется по мере удаления вдоль оси 16 от узкой промежуточной секции 18.
В данном случае узкая промежуточная секция 18 является средней секцией, в которой находится центр G тяжести коуша 10. Поэтому особо предпочтительно, чтобы в данной области корпуса 12 коуша находились средства, в данном случае цапфы 30 и 30', для соединения коуша 10 с заякориваемым элементом.
Направляющая камера 34 является продолжением крепежной приемной части 20 и находится по ходу спереди, с другой стороны от промежуточной секции 18. Подобная направляющая камера 34, снабженная рукавом 36, плотно прилегает к концу каната 22, в которую тот вставлен, выступая в качестве элемента жесткости каната.
В зависимости от различных областей применения, где используется заякоривание, в особенности на море (или на шельфе), якорный канат 22 может традиционно состоять из нескольких спирально скрученных прядей, образованных из отдельных жил или сердечников 26, обернутых в водонепроницаемую оболочку 24. Подобные отдельные жилы или подобные сердечники в свою очередь состоят из стальных жил, либо жил из синтетического или комбинированного материала (стали и синтетического материала).
Следует отметить, что промежуточная секция 18, диаметр которой меньше, чем у промежуточной полости 14, имеет диаметр, совместимый с наружным диаметром каната 22, покрытого защитной оболочкой 24.
Крепление коуша 10 на конце каната 22 осуществляется следующим образом: коуш 10 устанавливается по месту на пучке, созданном за счет разделения концов нитей 26 каната 22, после того как тот был оголен с торца. Затем, через верх полости 14, в камеру 20 заливается расплавленный металл или синтетический материал 28, образуя крепежную приемную часть, в результате этого, после его загустевания и/или отверждения, канат и коуш неразъемно соединяются таким образом, что за счет разрезания создается расклиненный конус.
Для его крепления к заякориваемому элементу, который, в целом, является плавучим подвижным элементом, таким как шельфовая платформа для добычи нефти и газа или причал-буем, и который также может быть, на другом конце каната, якорем на дне моря, коуш 10 содержит соединительные средства, способные взаимодействовать с соответствующими соединительными средствами, имеющимися на заякориваемом элементе.
Подобные соединительные средства, в целом, предназначены для создания поворотного соединения, предпочтительно без люфта или с оптимизированным люфтом, обеспечивающего постоянное самовыравнивание коуша с канатом, на котором он закреплен, в зависимости от разных усилий, воздействующих на систему заякоривания.
По рассматриваемому здесь варианту осуществления, подобные соединительные средства состоят из двух цапф 30 и 30', расположенных оппозитно таким образом, чтобы их общая ось вращения 32 проходила ортогонально продольной оси 16 коуша 10 и определяла их ось поворота. В этом случае у заякориваемого элемента имеются соединительные средства охватывающего типа, такие как штыковые зажимы, с которыми зацепляются цапфы.
Предпочтительно соединительные средства 30, 30' коуша 10 расположены на корпусе 12 коуша таким образом, чтобы их ось 32 вращения проходила вблизи основания крепежной приемной детали 20, на уровне промежуточной секции 18.
Следует отметить, что на практике, а также со ссылкой на текущий вариант, существенный эффект выравнивания соединительных средств 30, 30' достигается в том случае, если ось 32 вращения проходит через промежуточную секцию коуша, обозначенную позицией R на фигуре, другими словами, через область, находящуюся между основанием крепежной приемной части 20 и началом направляющей камеры 34.
Предпочтительно коуш 10 проектируется таким образом, чтобы его центр G тяжести находился в данной области R, а следовательно, в непосредственной близости от оси 32 поворота, для достижения равновесия, которое не отличается или почти не отличается от равновесия во время его вращения вокруг оси 32.
Хотелось бы еще раз обратить внимание на то, что направляющая камера 34, являющаяся продолжением промежуточной секции 18, расположенная с противоположной стороны от крепежной приемной части 20, предпочтительно имеет расширяющуюся форму. Промежуточная секция соответственно открывается в данную камеру 34, имеющую расширяющуюся форму, в данном случае в виде усеченного конуса, хотя она также может иметь и другие формы, обеспечивающие направляемое удержание и защиту каната на некотором расстоянии от промежуточной области 18, предпочтительно за счет наличия рукава 36 из дополнительного пластикового материала.
Рукав 36 вставляется в расширяющуюся камеру 34, а его форма является комплементарной ей. После крепления коуша 10 на канате 22, подобный рукав 36 из пластика, предпочтительно жесткого, становится удерживающим рукавом, расположенным вокруг каната. После этого он может компенсировать его отклонения, которые по-прежнему могут возникать на выходе из коуша, и предотвращать или значительно уменьшать перекручивание непосредственно на уровне промежуточной области 18. В качестве подходящего материала для рукава 36, помимо прочего, можно использовать полиуретаны разных видов.
В данном случае рукав 36 удерживается в направляющей камере 34 при помощи удерживающего кольца 38, неподвижно закрепленного к корпусу 12 при помощи винтов 36, расположенных кругообразно.
Возможно использовать кольцевой уплотнитель (не показан) вокруг каната 22 на уровне промежуточной секции 18.
Кроме этого оболочка 24 каната 22 может фиксироваться по месту в коуше 10 при помощи, например, пружинных или стопорных колец, зацепляющихся с кольцевой канавкой, проделанной в оболочке 24 каната.
Разумеется, изобретение не ограничено рассмотренным типовым вариантом осуществления и допускает множество вариантов и аналогов, при условии соблюдения его основных технических особенностей.
Область применения охватывает любые якорные растяжки в тех случаях, когда непосредственно требуется обеспечить естественное самовыравнивание каната с его торцевым коушем или коушами для сведения к минимуму паразитных изгибающих напряжений, которым подвергается канат на выходе из них, и которые очень часто становятся причиной его преждевременного износа.