СПОСОБ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА С СУДНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА С СУДНА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PIPELINE LAYING FROM VESSEL AND DEVICE FOR PIPELINE LAYING FROM VESSEL (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу укладки трубопровода с судна, в частности, по S-образной траектории и к устройствам для укладки трубопровода с судна, в частности,  по  S-образной траектории. Указанные способ и устройства применяются в зачастую в нефтегазодобывающей промышленности при укладке трубопровода в море.
Уровень техники
Одной из задач, выполняемых судами, которые задействованы в нефтегазодобывающей промышленности при укладке трубопровода в море, является укладка трубопровода либо по S-образной траектории, либо по J-образной траектории.
При укладке по S-образной траектории трубопровод выходит с судна при малом или нулевом наклоне к горизонтали, в воде он принимает более сильный наклон, затем приобретает, по существу, горизонтальный наклон при достижении морского дна. Натяжение трубопровода часто регулируется группой натяжных устройств гусеничного типа, установленных на судне вдоль пути прохождения, или траектории, трубопровода. Натяжные устройства гусеничного типа удерживают вес трубопровода и управляют его прохождением по судну. Для обеспечения возможности укладки по S-образной траектории может применяться отходящий от конца судна стингер, по которому трубопровод проходит и с которого он покидает судно, при этом наклон трубопровода к горизонтали увеличивается, когда он проходит по стингеру.
При укладке по J-образной траектории трубопровод сходит с судна под большим углом к горизонтали или вертикально, и наклон трубопровода постепенно уменьшается, пока трубопровод не оказывается уложенным в, по существу, горизонтальном положении на морское дно. Укладка по J-образной траектории обычно включает опускание трубопровода с башни для укладки по J-образной траектории, установленной на судне. Башня для укладки по J-образной траектории может быть установлена в фиксированном вертикальном положении, но может и отклоняться от вертикали. Укладка по J-образной траектории применяется главным образом для укладки на больших глубинах (обычно - более 1000 м).
Трубопровод укладывается на морское дно по определенной траектории с некоторым допуском в любую сторону от осевой линии этой траектории. Зону, находящуюся в границах допуска, обычно называют "трубоукладочным коридором" или "коридором укладки". Обычно трубоукладочное судно на поверхности моря ориентировано вдоль осевой линии траектории прохождения трубопровода и в ходе укладки приводится в движение вдоль него двигательной установкой. В случае укладки по S-образной траектории трубопровод обычно покидает судно в области кормы, в направлении продольной оси судна и с некоторым наклоном к горизонтали. В случае укладки по J-образной траектории трубопровод обычно покидает башню для укладки по J-образной траектории в вертикальном направлении или с большим наклоном к горизонтали.
В некоторых ситуациях, например, при волнении на море, может оказаться желательным, чтобы положение судна могло корректироваться таким образом, чтобы продольная ось судна отклонялась от направления коридора укладки, для того, чтобы, например, нос судна был ориентирован в направлении против набегающих волн. При этом может оказаться необходимым прервать укладку трубопровода, что нежелательно. При укладке по J-образной траектории, особенно в случае, когда трубопровод покидает башню в вертикальном или почти вертикальном направлении, можно выполнять вращение судна вокруг оси башни, приводя судно в выбранное положение, при незначительном изменении (или даже без изменения) траектории прохождения трубопровода по морскому дну. Современные двигательные установки обеспечивают требуемую гибкость управления движением судна и возможность движения судна по направлению к коридору укладки, даже если положение судна отклоняется от этого направления. Такое управление судном, известное как приведение к ветру/волне, раскрыто, например, в опубликованной международной заявке на изобретение WO 2007/094655, дата публикации - 23.08.2007 г., и может быть применено без особых трудностей.
В случае укладки по S-образной траектории, однако, ситуация отличается от ситуации, описанной выше. Меньший, в обычных случаях, наклон трубопровода к горизонтали при сходе со стингера создает при приведении судна к ветру/волне намного более сложные проблемы. Возможно, в принципе, сконструировать стингер так, чтобы он имел некоторый изгиб (кривизну) относительно вертикальной оси, который бы обеспечивал соответствующую кривизну трубопровода относительно вертикальной оси. Но в этом случае все еще остается следующая проблема: если положение судна изменяется так, что оно отклоняется от направления укладки трубопровода, то траектория трубопровода от нижнего конца стингера до точки, в которой трубопровод касается морского дна, неизбежно существенно изменяется и становится более сложной. Кроме того, в этом случае стингер должен противостоять боковым силам, действующим со стороны трубопровода. В вышеупомянутой заявке отмечается существование данной проблемы, а ее решение, предлагаемое для укладки по S-образной траектории, иллюстрируемое Фиг. 18 вышеупомянутой заявки, состоит в том, что предусматривается стингер, имеющий достаточные длину и кривизну, такие, что наклон трубопровода к горизонтали достигает максимума (направление трубопровода наиболее близко к вертикальному направлению), то есть трубопровод проходит через точку перегиба до того, как он сойдет с расширяющихся направляющих, имеющихся на конце стингера. Таким образом, конец стингера фактически играет такую же роль, что и башня для укладки по J-образной траектории, и поэтому судно может приводиться к ветру/волне тем же способом, что и судно с башней для укладки по J-образной траектории, но в данном случае судно вращается вокруг оси, проходящей через расширяющиеся направляющие, имеющиеся на конце стингера (они играют роль башни для укладки по J-образной траектории). В данном случае, как и при обычной укладке по J-образной траектории, траектория трубопровода от конца стингера до точки достижения трубопроводом морского дна, существенно не изменяется. Такая конфигурация позволяет избежать проблемы, упомянутой выше и существующей при обычном способе укладки по S-образной траектории, но может применяться только при относительно большой глубине укладки.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в разработке более эффективного способа укладки трубопровода с судна по S-образной траектории и усовершенствованное устройство для укладки трубопровода с судна.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности и надежности способов и устройств для укладки трубопровода.
Для достижения указанного технического результата предложен способ укладки трубопровода с судна по S-образной траектории, заключающийся в расположении стингера на конце судна по направлению от судна и в прохождении трубопровода при укладке с судна по стингеру с увеличением наклона трубопровода к горизонтали при прохождении вдоль стингера и после прохождения стингера вплоть до достижения точки перегиба, которую выбирают на расстоянии от конца стингера и в которой обеспечивают максимальный наклон трубопровода к горизонтали, и с последующим уменьшением наклона трубопровода вплоть до достижения морского дна, и включающий использование на стингере направляющих ограничения бокового перемещения трубопровода относительно стингера, изменение положения судна и стингера при укладке трубопровода по S-образной траектории для отклонения продольной оси стингера относительно траектории уже уложенного на морское дно трубопровода, при этом изменение положения судна и стингера при укладке трубопровода по S-образной траектории включает вращение судна и стингера вокруг вертикальной оси, которую выбирают проходящей через точку перегиба или смежной с ней.
Для удерживания напряжения на трубопроводе на низком уровне и продолжения укладки трубопровода по коридору укладки при приведении судна к ветру/волне необходимо вращать судно вокруг оси, проходящей через точку перегиба трубопровода или вблизи нее. Таким образом, вертикальная ось, вокруг которой вращается судно, должна проходить не только вне судна, но даже вне стингера.
Наиболее предпочтительно, чтобы вертикальная ось, вокруг которой вращаются судно и стингер, проходила через точку перегиба трубопровода. Обычно дистальный конец стингера остается в пределах коридора укладки. Если ось, вокруг которой судно и стингер вращаются, не проходит через точку перегиба трубопровода, то предпочтительно, чтобы она проходила в пределах 10 м, более предпочтительно - в пределах 5 м, и наиболее предпочтительно - в пределах 2 м от точки перегиба. Также наиболее предпочтительно, чтобы вертикальная ось, вокруг которой судно и стингер вращаются, проходила ближе к точке перегиба, чем к концу стингера. Предпочтительно, чтобы вертикальная ось вращения оставалась в границах коридора укладки.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут применяться разнообразные конструкции или конфигурации стингера.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут фиксировать положение стингера относительно судна в зоне соединения стингера с судном. При этом указанное положение стингера относительно судна может быть и регулируемо.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут регулировать наклон стингера относительно судна в зоне соединения стингера с судном. При этом указанный наклон стингера относительно судна может быть и фиксирован.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут снабжать стингер группой шарнирно соединенных друг с другом секций для вращения относительно горизонтальной оси, но с фиксацией против вращения относительно вертикальной оси.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут выполнять нижний конец стингера изменяющим свое положение между рабочим положением для направления трубопровода и нерабочим положением без взаимодействия с трубопроводом.
Нижний конец стингера может, например, поворачиваться вниз, переходя в нерабочее положение. В случае, когда стингер включает группу шарнирно соединенных друг с другом секций, нижний конец стингера может представлять собой концевую шарнирно соединенную секцию. Нижний конец стингера может быть трансформирован в рабочее положение при приведении судна к ветру/волне. Движение нижнего конца стингера из нерабочего положения в рабочее положение может дистанционно управляться с судна в процессе укладки трубопровода.
При укладке трубопровода на морском дне может быть заранее определен коридор укладки, имеющий определенную ширину и определяющий приемлемые границы для траектории трубопровода, уложенного с судна на морское дно. В ходе обычной укладки трубоукладочное судно находится над серединой коридора укладки, но в соответствии с настоящим изобретением, когда судно приводится к ветру/волне, заявляемый способ может включать укладку трубопровода, когда судно находится полностью вне коридора укладки. Такой подход противоположен подходам, применяемым при обычных способах, в которых обычно считается важным, чтобы судно при укладке трубопровода оставалось в коридоре укладки. В случае, когда судно находится полностью вне коридора укладки, обычно предпочитают, чтобы нижний конец стингера находился внутри коридора укладки.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут изменять положение судна и стингера для отклонения продольной оси стингера относительно траектории уже уложенного на морское дно трубопровода на угол, больший 20 градусов. Указанный угол зависит от условий на море и, если потребуется, может превосходить 35 градусов. В частном случае настоящего изобретения, раскрытом ниже, заявленный способ может быть адаптирован для укладки трубопровода при угле между продольной осью стингера и траекторией трубопровода, составляющем 45 градусов. Судно может продолжать двигаться в коридоре укладки с помощью двигательной установки, который обычно представляет собой устройство динамического позиционирования. Подобные устройства, как таковые, известны из уровня техники. Они могут приводить судно в движение, направленное под некоторым углом к продольной оси судна.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут определять коридор укладки трубопровода и выбирать вертикальную ось, вокруг которой вращаются судно и стингер, в пределах коридора укладки.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут располагать дистальный конец стингера в пределах коридора укладки.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут располагать каждую направляющую ограничения бокового перемещения трубопровода с одной или с другой стороны трубопровода, определяя тем самым боковую направляющую.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут снабжать каждую боковую направляющую роликом, который выполняют вращающимся вокруг оси, расположенной в соответствующей вертикальной плоскости и, по существу, перпендикулярной к траектории трубопровода вблизи ролика.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут регулируют положение оси вращения ролика в боковом направлении до укладки трубопровода, а затем могут фиксировать ось вращения ролика при укладке трубопровода. При этом ось вращения ролика может быть также и регулируемой при укладке трубопровода.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению устанавливают боковые направляющие группами пар вдоль стингера, при этом могут располагать боковые направляющие друг от друга, по меньшей мере, в нескольких парах в боковом направлении на расстояние, большее диаметра трубопровода, с увеличением этого расстояния по направлению к нижнему концу стингера. При этом можно снабдить боковые направляющие эластичным покрытием. Предпочтительно, чтобы имелась пара боковых направляющих, расположенная выше других боковых направляющих, служащая для направления трубопровода вдоль центральной зоны стингера до его смещения в сторону от зоны стингера. Другие конфигурации пар боковых направляющих также охватываются объемом настоящего изобретения, например, пары боковых направляющих могут быть разнесены на расстояние, приблизительно равное диаметру трубопровода, но могут быть сконструированы как перемещаемые в боковом направлении с целью вызывать боковой изгиб трубопровода или приспособиться к его изгибу. Это движение может быть управляемым, например, гидравлическими устройствами, или оно может осуществляться с упругим сопротивлением или даже без сопротивления, по крайней мере на большей части диапазона движения.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут определять центральную зону нижнего конца стингера и изгибать трубопровод при прохождении по стингеру и после прохождения стингера с отклонением по отношению к продольной оси нижнего конца стингера и со смещением от центральной зоны нижнего конца стингера.
Предпочтительно, чтобы имелись также расположенные вдоль стингера направляющие ролики для поддержки трубопровода снизу, когда он перемещается вдоль стингера. Предпочтительно, чтобы трубопровод не был ограничен в возможности движения вверх от стингера, по крайней мере, на участке в нижнем конце стингера; предпочтительно, чтобы не имелось никаких ограничителей выше трубопровода, то есть, чтобы стингер был открыт с верхней стороны.
В соответствии со способом укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению могут ограничивать стингером перемещение трубопровода в нижнем и боковых направлениях при прохождении трубопровода по стингеру, но не ограничивать стингером перемещение трубопровода в верхнем направлении относительно стингера. Это позволяет трубопроводу, если это желательно, смещаться в направлении вверх от стингера, а также позволяет стингеру (или, по крайней мере, нижнему концу стингера) смещаться вниз относительно трубопровода, если это желательно.
Для достижения указанного технического результата также предложено устройство для укладки трубопровода с судна по S-образной траектории, включающее судно, стингер, расположенный на конце судна по направлению от судна для прохождения по нему трубопровода при укладке с судна и выполненный с возможностью задания требуемой траектории укладки трубопровода с увеличением наклона трубопровода к горизонтали по направлению к нижнему концу стингера без достижения вертикального направления трубопровода, с увеличением наклона трубопровода к горизонтали при прохождении вдоль стингера и после прохождения стингера вплоть до достижения точки перегиба, которая находится на расстоянии от конца стингера и в которой наклон трубопровода к горизонтали является максимальным, и с последующим уменьшением наклона трубопровода вплоть до достижения морского дна, боковые направляющие, расположенные на стингере и выполненные с возможностью ограничения бокового перемещения трубопровода относительно стингера, двигательную установку, выполненную с возможностью перемещения судна в требуемом направлении посредством поступательного и вращательного движения и средство управления, выполненное с возможностью определения или вычисления точки перегиба, с возможностью изменения положения судна и стингера при укладке трубопровода по S-образной траектории для отклонения продольной оси стингера относительно траектории уже уложенного на морское дно трубопровода и с возможностью вращения судна и стингера вокруг вертикальной оси, которая проходит через точку перегиба или является смежной с ней.
Устройство для укладки трубопровода с судна по S-образной траектории может быть сконструировано в форме, подходящей для выполнения способа укладки трубопровода с судна по S-образной траектории в любой из форм, раскрытых выше.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению стингер может быть снабжен группой шарнирно соединенных друг с другом секций, выполненных с возможностью вращения относительно горизонтальной оси для изменения общего наклона в нижнем направлении стингера по его длине и зафиксированных против вращения относительно вертикальной оси или перпендикулярно к траектории укладки трубопровода в данной зоне стингера. Если обеспечен такой ограниченный поворот секций стингера, то возможно создать надежный и экономически оправдывающий себя стингер, который особенно подходит для применения, когда желательно приведение судна к ветру/волне. Можно было бы предположить, что для того, чтобы обеспечить возможность приведения к ветру/волне, особенно желательно было бы обеспечить возможность изгибания или вращения в боковом направлении самого стингера, особенно, если иметь в виду, что любая действующая в боковом направлении на нижний конец стингера сила вызывает значительный крутящий момент в зоне соединения стингера с судном и в любых промежуточных шарнирных соединениях, допускающих лишь поворот в вертикальной плоскости. Однако, на самом деле, возможно и целесообразно сконструировать стингер и судно, способные противостоять таким крутящим моментам, а функционирование такой конструкции может поддерживаться намного более простым путем, не предусматривая латеральных движений. А именно, необходимо создать стингер, который по своей конструкции, как таковой, ограничен в движении в вертикальной плоскости, но позволяет трубопроводу следовать вдоль стингера по изогнутой траектории и смещаться от центральной зоны стингера.
Для достижения указанного технического результата также предложено устройство для укладки трубопровода с судна по S-образной траектории, включающее судно, стингер, расположенный на конце судна по направлению от судна для прохождения по нему трубопровода при укладке с судна, выполненный с возможностью задания требуемой траектории укладки трубопровода с увеличением наклона трубопровода к горизонтали по направлению к нижнему концу стингера без достижения вертикального направления трубопровода и с увеличением наклона трубопровода к горизонтали при прохождении вдоль стингера и снабженный группой шарнирно соединенных друг с другом секций, выполненных с возможностью вращения относительно горизонтальной оси для изменения общего наклона в нижнем направлении стингера по его длине и зафиксированных против вращения относительно вертикальной оси или перпендикулярно к траектории укладки трубопровода в данной зоне стингера, боковые направляющие, расположенные на по меньшей мере одной секции стингера, выполненные с возможностью ограничения бокового перемещения трубопровода относительно стингера и с возможностью смещения трубопровода на стингере в боковом направлении от центральной зоны стингера, и двигательную установку, выполненную с возможностью перемещения судна в требуемом направлении с отклонением от продольной оси судна при укладки трубопровода по S-образной траектории.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению стингер может быть снабжен по меньшей мере тремя шарнирно соединенными друг с другом секциями, выполненными с возможностью вращения относительно соответствующих горизонтальных осей.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению боковые направляющие могут быть выполнены с возможностью удержания трубопровода в центральной зоне стингера при прохождении по верхнему концу стингера и с возможностью смещения трубопровода на стингере в боковом направлении от центральной зоны стингера при прохождении по нижнему концу стингера.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению каждая боковая направляющая может быть снабжена роликом, выполненным с возможностью вращения вокруг оси, расположенной в соответствующей вертикальной плоскости и, по существу, перпендикулярной к траектории трубопровода вблизи ролика.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению ось вращения ролика может быть зафиксирована при укладке трубопровода и выполнена с возможностью регулирования своего положения в боковом направлении до укладки трубопровода.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению боковые направляющие могут быть установлены группами пар вдоль стингера, при этом боковые направляющие могут быть расположены друг от друга, по меньшей мере, в нескольких парах в боковом направлении на расстояние, большее диаметра трубопровода, с увеличением этого расстояния по направлению к нижнему концу стингера.
Согласно устройству для укладки трубопровода с судна по настоящему изобретению стингер может являться открытым с верхней стороны, а трубопровод при укладке может быть выполнен с возможностью перемещения вверх относительно стингера.
Судно и стингер могут иметь, по существу, схожую форму с раскрытой в формуле изобретения по опубликованной международной заявке WO 2011/086100, дата публикации - 21.07.20111 г., внешней системой рамп или спусковой аппарелью, при этом каждая рампа (спусковая аппарель) схожа с только что вышеуказанной секцией стингера. Содержание вышеуказанной заявки считается полностью включенным в описание настоящего изобретения по ссылке. Настоящее изобретение может включать в себя любую особенность, раскрытую в вышеуказанной заявке. Например, механизм для вращения рамп (т.е. стингеров - по настоящему изобретению) относительно друг друга и закрепления их в фиксированном положении может быть таким же, как в формуле изобретения по вышеуказанной заявке.
Для достижения указанного технического результата также предложен способ укладки трубопровода с судна с использованием любого из раскрытых выше устройств для укладки трубопровода с судна.
Безусловно, должно быть понятно, что отличительные особенности (признаки), раскрытые в отношении одного из объектов настоящего изобретения могут быть применены в отношении других объектов настоящего изобретения. Например, отличительные особенности (признаки) устройства для укладки трубопровода по обоим вариантам настоящего изобретения могут быть объединены, и они действительно в какой-то мере объединены и раскрыты ниже, и способ в соответствии с настоящим изобретением может включать любой из признаков, раскрытых в отношении устройства для укладки трубопровода по обоим вариантам настоящего изобретения, и наоборот.
Краткое описание чертежей
Частные случаи осуществления настоящего изобретения будут далее раскрыты в качестве примеров, не ограничивая притязания, посредством ссылок на следующие сопроводительные схематические чертежи:
Фиг. 1 - частичный вид сбоку в разрезе однокорпусного трубоукладочного судна, содержащего обыкновенные регулируемые внутренние стингеры, не относящегося напрямую к настоящему изобретению;
Фиг. 2 - вид сбоку внешних стингеров, поддерживаемых трубоукладочным судном, показанным на Фиг. 1 и не относящимся напрямую к настоящему изобретению;
Фиг. 3 - вид сбоку стингера, показанного в положении укладки на относительно небольшой глубине, в соответствии с частным случаем настоящего изобретения;
Фиг. 4 - вид сбоку стингера, показанного на Фиг. 3, но в положении укладки на относительно большой глубине;
Фиг.5 - вид сверху стингера, показанного на Фиг. 3;
Фиг. 6 - изометрическое изображение нижнего конца стингера, показанного на Фиг. 3-5;
Фиг. 7 - схематическое изображение трубоукладочного судна, содержащего стингер, показанный на Фиг. 3-6 при приведении судна к ветру/волне; и
Фиг. 8 - блок-схема системы управления стингером.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 представляет собой тот же чертеж, что и в опубликованной международной заявке на изобретение WO 2008/107186, дата публикации - 12.09.2008 г., в связи с чем обратимся к вышеуказанной заявке для пояснения особенностей, относящихся к раскрытому в ней судну. Однако, так как частные случае осуществления настоящего изобретения, раскрытые ниже, содержат некоторые усовершенствования судна, показанного на чертежах заявки WO 2008/107186, то следует кратко ознакомиться с судном, раскрытом в вышеуказанной заявке, содержание которой полностью включается в описание настоящего изобретения по ссылке.
Судно, по существу, включает корпус 1, внутри которого имеется группа палуб предварительной подготовки составных секций трубопровода определенной длины, служащих для образования трубопровода, а на указанных палубах расположены подъемные краны и другие технические средства. Нос 5 корпуса 1 на Фиг. 1 находится справа, а корма 6 корпуса 1 - слева.
Корпус 1 судна имеет не совсем обычную для подобных судов конструкцию кормы, так как правобортная и левобортная части совместно определяют удлиненную выемку. Выемка открыта в направлении кормы корпуса 1 и вниз, к воде, но сверху она может быть закрыта палубой. На фиг. 1 внутренний стингер 9 показан соединенным шарнирно с корпусом судна, он находится в защищенной кормовой зоне, определяемой удлиненной выемкой в кормовой зоне корпуса.
Центр тяжести В судна отмечен на Фиг. 1, а также показана ватерлиния W (уровень моря для случая, когда судно развивает рабочую тягу). Ось вращения R при боковой качке (естественная ось вращения судна) совпадает с ватерлинией W.
Вдоль срединной линии судна проходит траектория трубопровода (этот ее участок называют также "участком сварочных работ"). Вдоль траектории трубопровода расположены рампы или стингеры; в верхнем конце траектории (справа на Фиг. 1) находится горизонтальная прямолинейная стационарная рампа 10, к которой примыкает криволинейная стационарная рампа 11, которая занимает пространство между прямолинейной рампой 10 и внутренним стингером 9. Таким образом, траектория имеет верхний горизонтальный участок, идущий по прямолинейной рампе 10 к криволинейной рампе 11 (имеющей постоянную кривизну), которая, в свою очередь, ведет далее к нижнему участку по внутреннему стингеру 9. Наклон стингера 9 относительно корпуса 1 судна может быть регулируемым; стингер 9 может быть снабжен роликами, которые могут перемещаться в плоскости, перпендикулярной траектории трубопровода для изменения кривизны стингера 9. Таким образом, в одном крайнем случае (соответствующем укладке трубопровода на относительно малой глубине) часть траектории, проходящая по внутреннему стингеру 9, может иметь лишь небольшую кривизну, и наклон траектории может быть лишь немного большим в нижнем конце внутреннего стингера 9, чем в нижнем конце криволинейной рампы 11; в другом крайнем случае (соответствующем укладке трубопровода на относительно большой глубине) траектория трубопровода на внутреннем стингере 9 имеет большую кривизну, благодаря чему наклон вниз траектории на нижнем конце внутреннего стингера 9 оказывается существенно большим, чем наклон вниз траектории в нижнем конце криволинейной рампы 11. На Фиг. 1 стингер 9 показан повернутым в положение, соответствующее существенно увеличенному наклону траектории вниз.
Рабочие станции, которыми здесь являются сварочные станции 12, расположены вдоль рампы 10 и служат для сварки новых составных секций трубопровода с концом укладываемого трубопровода. Активная часть горизонтального прямолинейного участка траектории простирается по длине от расстояния, соответствующего одной составной секции трубопровода, находящейся выше самой верхней сварочной станции 12 (самой правой на Фиг. 1), до верхнего конца рампы 11. Горизонтальный прямолинейный участок траектории трубопровода продолжается далее вправо (как видно на Фиг. 1) к зоне, в которой на Фиг. 1 изображен вертолет 30. Натяжные устройства 13, три из которых показаны на Фиг. 1, расположены вдоль криволинейной рампы 11 и служат для натяжения части трубопровода, находящейся ниже натяжных устройств 13. Сами конструкции сварочных станций 12 и натяжных устройств 13, как таковые, не относятся напрямую к настоящему изобретению и, таким образом, могут быть выбраны любыми из числа известных. Как видно на Фиг. 1, натяжные устройства 13 представлены как устройства гусеничного типа, но должно быть ясно, что они могут быть и других типов.
На участке снизу от натяжных устройств 13 натяжение трубопровода заставляет его двигаться по криволинейной рампе 11 и стингерам 9 таким образом, что для опоры трубопровода необходимы только ролики, расположенные снизу от трубопровода. Однако выше одного или нескольких натяжных устройств 13, на участке, где траектория трубопровода впервые изгибается, натяжение практически отсутствует, и поэтому может оказаться желательным использовать прижимные ролики (не показаны), расположенные выше трубопровода, прижимающие его вниз и заставляющие его следовать по траектории, определяемой криволинейной рампой 11. Такие прижимные ролики могут также обеспечивать движение трубопровода по траектории, определяемой криволинейной рампой 11 при отказах и операциях по восстановлению работоспособности.
В процессе укладки трубопровода трубоукладочное судно движется вперед благодаря работе двигательной установки и, как это является обычным, при укладке по S-образной траектории, поддерживается значительная тяга судна в направлении вперед, даже тогда, когда судно не перемещается вперед, что нужно для противодействия обусловленным растяжением трубопровода силам, действующим на судно и направленным назад. Предпочтительно, чтобы судно было оборудовано устройством динамического позиционирования судна в заданной точке, позволяющей постоянно поддерживать желательное положение судна. Трубопровод продвигается вдоль судна в направлении назад по траектории, его продвижение управляется натяжными устройствами 13. Когда конец трубопровода перемещается по горизонтальной стационарной рампе 10, к концу трубопровода привариваются новые составные секции. Когда трубопровод достигает криволинейной рампы 11, прижимные ролики, расположенные выше трубопровода, заставляют его изгибаться вниз, следуя криволинейной рампе 11, и проходить через натяжные устройства 13. Растягивающие силы в трубопроводные растут по мере его прохождения через натяжные устройства 13 и возрастают до максимума после прохождения через последнее из натяжных устройств 13. Трубопровод продвигается в направлении от корпуса 1 судна, когда он переходит с криволинейной рампы 11 на внутренний стингер 9 и, вскоре после входа на внутренний стингер 9, входит в воду. Как можно видеть на Фиг. 1, зона, в которой трубопровод входит в воду, находится в защищенной кормовой зоне, определяемой удлиненной выемкой, находящейся в этой зоне. Затем трубопровод проходит до конца внутреннего стингера 9, сходит с                                                                стингера 9 и направляется к морскому дну. Обычно тяга в прямом направлении, развиваемая судном, такова, что трубопровод является, в первом приближении, прямолинейным и его направление совпадает с касательным направлением к криволинейной траектории (в ее конце), определяемой стингером 9 в зоне, находящейся непосредственно ниже внутреннего стингера 9; затем наклон трубопровода уменьшается по мере приближения к морскому дну. Применяя этот способ, удается избежать большой кривизны трубопровода в зоне конца внутреннего стингера 9.
Если судно применяется для работы при больших глубинах, то может оказаться желательным добавить еще один стингер и/или рампу, ниже внутреннего стингера 9, чтобы иметь возможность и далее управлять кривизной трубопровода. В описании настоящего изобретения не проводится какое-либо различие в применении терминов "рампа" и "стингер" и, следовательно, выбор термина "рампа", а не термина "стингер", не указывает ни на какую конкретную конструкцию упомянутой дополнительной рампы (стингера).
В вышеуказанной опубликованной международной заявке на изобретение WO 2011/086100, включенной в описание настоящего изобретения по ссылке, раскрыта группа внешних стингеров или рамп, которая может примеряться на судне, показанном на Фиг. 1 настоящего изобретения, в особенности это относится к Фиг. 6 и 9 вышеуказанной заявки. Указанная группа внешних стингеров включает два стингера, шарнирно соединенных между собой, при этом стингер соединен своим верхним концом с установленным на шарнире стингером (позиция 62 в заявке WO 2011/086100), который соответствует стингеру 9 на Фиг. 1. В качестве пояснения, Фиг. 6 из заявки WO 2011/086100 воспроизведена в описании настоящего изобретения как Фиг. 2, на которой показана пунктиром кормовая зона корпуса 61 трубоукладочного судна, уже раскрытого в описании настоящего изобретения со ссылками на Фиг. 1.
На корме судна находится стингер 62, служащий для направления трубопровода, когда он сходит с судна. В показанном примере стингер 62 установлен на шарнирном соединении в своем верхнем конце 63, и наклон стингера 62 может быть отрегулирован его подъемом или опусканием относительно корпуса 61 судна, пара соединительных несущих элементов 64 (только один из которых виден на Фиг. 2) обеспечивает вращательное движение стингера 62.
Группа внешних стингеров 66 соединена шарнирно с нижним концом 67 стингера 62 и оканчивается свободным концом. Группа внешних стингеров 67 включает первый стингер 68 и второй стингер 69. Каждый из двух стингеров имеет каркас, который включает пару верхних продольных элементов 70 (только один из которых виден на Фиг. 2), расположенных на противоположных сторонах стингера, и пару нижних продольных элементы 71, проходящие снизу вдоль каждого стингера, рамные элементы 75, проходящие между продольными элементами 70 и 71, которые обеспечивают прочность каркаса. Верхние продольные элементы 70 стингеров 68 и 69 соединены шарнирными соединениями 72, а нижние продольные элементы 71 соединены посредством соединительного звена 74 регулируемой длины. Как можно увидеть на Фиг. 2, изменение длины соединительного звена 74 вызывает вращение стингеров 68 и 69 относительно друг друга.
Наклон стингера 68 может регулироваться подъемом или опусканием относительно корпуса 61 судна пары соединительных несущих элементов 76 (только один из которых виден на Фиг. 2), что взывает поворот стингера 68 относительно стингера 62.
Каждый стингер снабжен набором направляющих роликов 78, по которым направляется трубопровод, когда судно выполняет его укладку. Положение направляющих роликов на стингерах может быть фиксированным или же может регулироваться, что дает дополнительное средство управления траекторией трубопровода при укладке. На Фиг. 2 пунктирная линия 80 показывает траекторию трубопровода.
Назначение стингеров 68 и 69 - направлять трубопровод так, чтобы он имел выбранный наклон при сходе с нижнего конца стингера 69. Наклон бывает необходимо изменять при возникновении различных условий. Наличие соединительного звена 74 позволяет регулировать положение стингеров 68 и 69 относительно друг друга путем регулирования длины указанного соединительного звена 74, что вызывает поворот стингеров относительно друг друга в шарнирном соединении 72.
Как изложено в вышеуказанной заявке WO 2011/086100, соединительное звено 74 является телескопическим соединением, а его длина может быть отрегулирована гидравлической системой в ходе работы судна, и, когда длина соединения отрегулирована, оно может быть зафиксировано в требуемом положении с помощью входящих во взаимное зацепление элементов на раздвигающихся частях телескопического соединения.
На Фиг. 3 показан стингер в соответствии с настоящим изобретением, который во многих отношениях сходен со стингером, показанным на Фиг. 2, с сохранением нумерации соответствующих частей под теми же номерами, что и на Фиг. 2. Отметим, что пары соединительных несущих элементов 64 и 76 не показаны на Фиг. 3, но показаны опорные проушины 64А и 76А, с которыми соединены соединительные несущие элементы 64 и 76. На Фиг. 3 также показан трубопровод Р, проходящий по стингеру.
Группа стингеров, показанная на Фиг. 3, отличается от группы стингеров, показанной на Фиг. 2 тем, что содержит дополнительный стингер 81, соединенный шарнирами 80 с нижним концом стингера 69, и вращательное движение обеспечивается соединительным звеном 74А регулируемой длины, которое может иметь такую же форму, что и соединительное звено 74, расположенное между стингерами 68 и 69 и раскрытое более подробно со ссылками на Фиг. 8 и 9А-9С в вышеуказанной заявке WO 2011/086100, или же может иметь обычную конструкцию. На Фиг. 3 показан стингеры 68 и 69 в обычном положении для укладки трубопровода при относительно малой глубине, и показан дополнительный стингер 81, повернутся вниз относительно стингера 69, в положение, являющееся нерабочим.
Все шарнирные соединения стингеров друг с другом допускают поворот относительно горизонтальных осей, перпендикулярных продольному направлению стингера, но они не допускают движения стингеров относительно друг друга в любом другом направлении. В частности, невозможны никакие движения стингеров относительно друг друга в боковом (поперечном) направлении.
В соответствии с настоящим изобретением, группа стингеров, показанная на Фиг. 3, отличается от группы стингеров по вышеуказанной заявке WO 2011/086100 также в том, что стингеры 69 и 81 снабжены группой боковых направляющих роликовых узлов. Более конкретно, стингер 69 имеет ближе к нижнему концу пару боковых направляющих роликовых узлов 82, в нижнем конце - дополнительную пару боковых направляющих роликовых узлов 83, и стингер 81 имеет ближе к верхнему концу пару боковых направляющих роликовых узлов 84 и ближе к нижнему концу - пару боковых направляющих роликовых узлов 85. Эти четыре пары боковых направляющих роликовых узлов играют важную роль в вариантах настоящего изобретения, как это будет раскрыто ниже.
Фиг. 4 схожа с Фиг. 3, но на ней показан стингер в положении, которое является типичным для укладки трубопровода на относительно большой глубине, с дополнительным стингером 81, повернутым так, что он является намного менее наклоненным вниз относительно стингера 69, то есть в рабочем положении, в котором он также поддерживает трубопровод Р и направляет его.
Фиг. 5 иллюстрирует вид, перпендикулярный стингерам 69 и 81, когда они лишь слегка наклонены друг к другу, как это показано на Фиг. 4. На Фиг. 5 можно видеть, что стингер 69 сужается к своему нижнему концу, где он соединен со стингером 81, который расширяется к своему нижнему концу.
Фиг. 6 иллюстрирует изометрический вид части нижнего конца стингера 69 и всего стингера 81. Можно видеть, что все пары роликовых узлов 83, 84 и 85 имеют одну и ту же конструкцию. Роликовый узел 82 (не виден на Фиг. 6) имеет такую же конструкцию, что и роликовые узлы 83, 84 и 85.
Каждый из роликовых узлов 82, 83, 84 и 85 включает отходящую в перпендикулярном направлении опору 86 на одной стороне стингера. Опора 86 несет направляющий ролик 88, который может вращаться вокруг продольной оси. Ось вращения направляющего ролика 88 фиксируется, как только она выбрана, но благодаря тому, что она шарнирно установлена на опоре 86 и может вращаться вокруг опоры, положение фиксированной оси вращения каждого направляющего ролика 88 является подвижно регулируемым в боковом направлении относительно стингера. Направляющие ролики 88 в парах роликовых узлов могут быть размещены так, что их фиксированные оси удалены от центральной зоны стингера только на расстояние, соответствующее диаметру трубопровода, как это имеет место для роликов 82 в их положении, показанном на Фиг. 5. В этом случае трубопровод направляется вдоль по центральной зоны стингера. Направляющие ролики 88 могут, однако, быть установлены так, что их фиксированные оси вращения удалены от центральной зоны стингера таким образом, чтобы позволить трубопроводу проходить через пару направляющих роликов, соприкасаясь только с роликами, находящимися по одну сторону центральной зоны стингера. В том случае трубопровод направляется по траектории, которая смещается от центральной зоны стингера в той степени, которую допускают расстояния от центральной зоны стингера до направляющих роликов 88.
Все упомянутые выше направляющие ролики 88 раскрыты как отходящие в перпендикулярном направлении от стингеров 69 и 81. Должно быть ясно, что каждая из осей вращения роликов лежит в соответствующей вертикальной плоскости и отходит от стингера, на котором они установлены, приблизительно в перпендикулярном к нему направлении и приблизительно в направлении, перпендикулярном к траектории трубопровода, но, так как при работе стингеры наклонны к горизонтали, оси роликов не будут вертикальными и фактически, когда стингер сконфигурирован для укладки трубопровода на глубоководье, оси роликов могут оказаться наклонными к горизонтали на угол, меньший 45 градусов.
Ролики последней пары отходящих в перпендикулярном направлении направляющих роликов 90 установлены на нижнем конце стингера 81, а их фиксированные оси вращения находятся в крайних (в боковом направлении) зонах стингеров 81.
В дополнение к боковым направляющим роликам, раскрытым выше, стингер имеет направляющие ролики, поддерживающие трубопровод снизу при его прохождении по стингеру. На стингере 69 имеются такие узлы 95 направляющих роликов, и на стингере 81 имеются узлы 96 направляющих роликов. Можно видеть, что направляющие ролики узлов 95 и 96 вращаются вокруг горизонтальных осей и поэтому не оказывают никакого сопротивления боковому смещению трубопровода Р, когда он проходит по концевой зоне стингера 69 и по стингеру 81.
Как теперь должно быть понятно, боковые узлы направляющих роликов могут быть установлены так, чтобы трубопровод Р направлялся по стингерам 69 и 81 вдоль центральной зоны стингера, как в обычной практике. Они могут быть, однако, установлены и так, чтобы позволить трубопроводу Р изгибаться относительно центральной зоны стингера, когда он проходит по нижнему концу стингера 69 и по стингеру 81; такой изгиб показан на Фиг. 5. В частном случае осуществления настоящего изобретения трубопровод может смещаться относительно центральной зоны, изгибаясь с радиусом кривизны, составляющим приблизительно 300 м, и это может вынуждать трубопровод покидать нижний конец стингера 81 со смещением от центральной зоны стингера, достигающей приблизительно 2 м, и под углом в диапазоне от 10 до 20 градусов к центральной зоне стингера.
Стингер, раскрытый выше, может применяться для укладки трубопровода обычным способом, когда продольная ось судна и стингера приблизительно параллельны траектории, по которой должен быть проложен трубопровод. В этом случае боковые направляющие ролики не играют такой важной роли и устанавливаются так, чтобы направлять трубопровод по центральной зоне стингера, которая в любом случае является естественной для прохождения трубопровода.
Стингер в соответствии с настоящим изобретением может, однако, использоваться также при укладке трубопровода, когда судно приводится к ветру/волне. Пример такого применения схематически показан на Фиг. 7. Проектируемая траектория укладки трубопровода для данного судна обозначена штрихпунктирной линией 101 на Фиг. 7, и границы допустимой зоны укладки (коридор укладки) показаны пунктирной линией 102. Судно 103 изображено схематично и показано со стингером 104. Как можно видеть, ось судна составляет угол, больший, чем 40 градусов к намеченной траектории трубопровода (судно приводится к ветру/волне), то есть судно развернуто в направлении против набегающих волн. Судно, однако, перемещается с посредством вращения винтов в направлении укладки трубопровода, обозначенном стрелкой 105 на Фиг. 7. В ходе такой укладки трубопровод Р проходит по центральной зоне по верхнему концу стингера 104, но далее изгибается, смещаясь от центральной зоны стингера к направлению траектории трубопровода на морском дне. Следовательно, трубопровод Р сходит со стингера под некоторым углом к центральной зоне стингера и со сдвигом 2 м от нее. Трубопровод Р продолжает изгибаться (при виде сверху), пока не достигнет места касания с морским дном, где его направление совпадает с направлением уже уложенного трубопровода 101.
При виде сбоку траектория трубопровода по судну 103 является практически горизонтальной, а далее постепенно становится все более наклонной вниз, когда трубопровод проходит по стингеру 104. Непосредственно после схода со стингера трубопровод становится в еще большей мере наклонным, но затем его наклон уменьшается, и трубопровод становится горизонтальным, когда достигает точки касания с морским дном. Точка, в которой наклон трубопровода Р к горизонтали является максимальным, является точкой перегиба трубопровода и обозначена символом "I" на Фиг. 7.
Как теперь становится понятно, изогнутая форма трубопровода, когда он проходит по судну 103 к точке достижения морского дна, является довольно сложной, имеющей изгибы  как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Частные случаи осуществления настоящего изобретения решают задачу позволить судну приводиться к ветру/волне и одновременно уменьшать кривизну трубопровода, минимизируя напряжения в трубопроводе, и продолжать укладку трубопровода по намеченной траектории. Для решения указанной задачи важно, чтобы, когда судно ориентировано под углом к траектории трубопровода, оно должно вращаться вокруг оси, проходящей, по крайней мере приблизительно, через точку перегиба.
На Фиг. 8 схематично показана средство управления устройством динамического позиционирования судна 103. Как раскрыто выше, устройство динамического позиционирования включает ряд двигателей и движителей, которые могут осуществлять движение судна в выбранном направлении, которое может составлять некоторый угол с продольной осью судна, а могут осуществлять вращение судна вокруг вертикальной оси. В блок-схеме на Фиг. 8 блок 110 представляет устройство динамического позиционирования, а блок 111 - компьютер, управляющий указанным устройством. Компьютер 111 получает входные данные 112 о текущем положении судна и, таким образом, о текущем угле отклонения судна от направления траектории трубопровода; компьютер 111 также получает входные данные 113 о желательном положении судна, учитывающие условия на море в данный момент; кроме того, компьютер получает входные данные 114, указывающие текущее положение точки I перегиб. Положение точки перегиба устанавливается при постоянном сборе данных о фактической траектории трубопровода при его движении к морскому дну.
Если компьютер 111 примет решение, что угол отклонения положения судна от траектории трубопровода 101 должен быть изменен, то компьютер будет управлять устройством 110 динамического позиционирования судна таким образом, чтобы судно вращалось вокруг вертикальной оси, проходящей через точку I перегиба. Благодаря этому укладка трубопровода Р по траектории 101 укладки трубопровода продолжается, даже если судно целиком находится вне коридора укладки, как это имеет место в положении, показанном на Фиг. 7.
Как раскрыто выше, стингер может включать дополнительный стингер 81 в рабочем положении, как это показано на Фиг. 4, или в нерабочем положении, как это показано на Фиг. 3. Как указано выше, положение с нерабочим положением стингера, показанного на Фиг. 3, является особенно подходящим для укладки на мелководье. В некоторых случаях, когда отсутствует необходимость приведения в ветру/волне, дополнительный стингер 81 был бы в нерабочем положении, но если в тех же случаях возникает указанная необходимость, то возможно перевести дополнительный стингер 81 вращением вверх из нерабочего положения, показанного на Фиг. 3, в рабочее положение. Тогда трубопроводу можно придать необходимый боковой изгиб, когда трубопровод сходит со стингера.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто и проиллюстрировано применительно к конкретным вариантам осуществления, специалисту среднего уровня в данной области должно быть ясно, что настоящее изобретение допускает возможность различных комбинаций и модификаций, не показанных в описании настоящего изобретения в явном виде.
Например, в частном случае, раскрытом выше, используется стингер, имеющий один дополнительный стингер (рампу 81) в сравнении со стингером, раскрытым в вышеуказанной заявке WO 2011/086100, но должно быть понятно, что стингер мог бы включать меньшее или большее число дополнительных стингеров.
В средстве управления, показанном на Фиг. 8, положение точки перегиба определяется при постоянном сборе данных о фактической траектории трубопровода, но должно быть ясно, что альтернативно можно получать данные о траектории (и, следовательно, о положении точки перегиба I) путем вычислений, исходя из других данных, таких как угол наклона трубопровода при его сходе со стингера, натяжение трубопровода, глубина морского дна и характеристики трубопровода.
Там, где в описании настоящего изобретения упоминаются числовые значения или элементы, имеющие известные, очевидные или предсказуемые эквиваленты, считается, что эти эквиваленты включены в описание настоящего изобретения так, как будто они указаны явно. Для определения истинного объема правовой охраны настоящего изобретения следует обратиться к формуле изобретения, которая должна рассматриваться как охватывающая любые такие эквиваленты. Кроме того, должно быть ясно, что числовые данные и особенности настоящего изобретения, которые раскрыты как предпочтительные, выгодные, обычные и т.п., не являются обязательными и не ограничивают область, охватываемую независимыми пунктами формулы изобретения. Кроме того, должно быть ясно, что такие не являющиеся обязательными числовые данные или особенности, хотя и могут давать преимущества в некоторых вариантах настоящего изобретения, могут оказаться нежелательными и поэтому могут отсутствовать в других вариантах.