РАМА СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПРОДОЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СМЕННОГО ИНСТРУМЕНТА К ОКОНЕЧНЫМ ВТУЛКАМ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
COUPLING FRAME FOR LONGITUDINAL MOVEMENT OF THE REPLACEABLE TOOL TO THE TERMINAL BUSHINGS OF PIPELINES WHEN CONNECTING PIPELINES

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к способам подводного соединения трубопроводов, и может использоваться при проведении операций по очистке оконечных втулок системы соединения оборудования (далее - ССО), и установке металлического уплотнения при помощи сменных изделий.
Подводные процедуры по подсоединению втулок трубопроводов являются длительными, дорогостоящими мероприятиями с высоким риском для жизни и техники, выполняемыми в рамках обустройства подводных месторождений, что обусловлено привлечением значительного ресурса персонала и морской техники в условиях открытого моря. Подводные операции по подсоединению втулок трубопроводов, в общем случае, включают в себя последовательность следующих операций, выполняемых с помощью набора специализированных инструментов:
- установка и монтаж на дне единиц оборудования системы подводной добычи, в состав которых входят трубопроводы с вмонтированными оконечными втулками трубопроводов;
- позиционирование оконечных втулок трубопроводов;
- снятие консервационных заглушек и, если требуется, сменных уплотнительных элементов с оконечных втулок трубопроводов;
- подводное обслуживание уплотнительных зон оконечных втулок трубопроводов;
- контроль уплотнительных зон оконечных втулок трубопроводов;
- установка сменных уплотнительных элементов в оконечные втулки трубопроводов;
- стягивание оконечных втулок трубопроводов друг к другу;
- обжатие стянутых оконечных втулок трубопроводов замковыми устройствами для достижения герметичного соединения, работоспособного на срок эксплуатации трубопровода.
В целях снижения затрат на производство работ, в связи со значительной стоимостью аренды судов проводящих работы по соединению трубопроводов, существует производственная необходимость сокращать общее время выполнения процедуры подсоединения, в том числе путем упрощения работы оператора телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (далее - ТНПА) при проведении операций по установке, изъятию и подъему сменного оборудования (например, инструментов).
Известны решения систем подводного соединения трубопровода, где в перечень штатных инструментов для выполнения подводных операций включены инструмент очистки уплотнительных зон втулок и инструмент установки уплотнительного элемента, пример такой системы указан в патенте GB 2323907 А (опубл. 03.06.1998). Для продольного перемещения указанных сменных инструментов может применяться рама сопряжений, которая устанавливается на опорные компоненты оконечных втулок трубопровода, в которую поочередно устанавливают сменный инструмент очистки уплотнительных зон втулок и сменный инструмент установки уплотнительного элемента. Данная система иллюстрирует общую картину соединения трубопроводов, и, в силу своей масштабности, не может выступать в качестве аналога.
Из существующего уровня техники известен патент компании «Cameron International Corp» - «Гидравлический инструмент и сборочный уплотнительный узел» (патент US 10550657 В2, опубл. 04.02.2020). В данном случае инструмент фиксируют в оборудовании системы подводной добычи (системе подводных колонных головок) с помощью замкового механизма. Инструмент устанавливает и фиксирует металлическое уплотнение продольным усилием, создаваемым в том числе, с помощью воздействия гидравлики на поршни, входящие в состав инструмента. После установки уплотнения в систему подводных колонных головок, инструмент отсоединяют от уплотнения вращательным движением, затем инструмент поднимают из оборудования системы подводной добычи.
Недостатки данного устройства:
1. Между продольными перемещениями инструмент необходимо проворачивать для корректного выполнения операций по установке уплотнений, что требует непрерывной связи с дополнительными устройствами или платформой через бурильные трубы.
2. В случае механического повреждения порта подачи гидравлики, высок риск повреждения места силового сопряжения с механизмами подъема, что значительно затруднит подъем инструмента на поверхность.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для соединения труб (патент AU 2008341224 В2, опубл. 02.07.2009) компании «FMC Kongsberg Subsea AS».
Инструмент фиксируют на головке соединительного устройства трубной вставки одним концом, и на втулке соединительной - другим концом. Устройство служит для продольного перемещения головки соединительного устройства внутри направляющей рамы, при стягивании оконечных втулок трубопроводов друг к другу, перемещение головки соединительного устройства обеспечивается за счет усилия развиваемого гидравлическим цилиндром, при подаче гидравлического питания на него с ТНПА.
Недостатком аналога является то, что контроль перемещения инструмента в необходимое положение осуществляется визуально оператором ТНПА по предварительно нанесенной маркировке, что приводит к необходимости ограничивать скорость перемещения инструмента для точного позиционирования. Это, в свою очередь, увеличивает время, затраченное на операцию.
Задачей предлагаемого изобретения является сокращение трудовых и временных затрат на выполнение операций по перемещению инструментов.
Техническим результатом изобретения является частичная автоматизация рабочего цикла устройства и облегчения работы оператора ТНПА для проведения замены сменных инструментов за счет упрощенного (автоматизированного) вывода приемной рамы в серединное положение без контроля оператора. Так же изобретение позволяет увеличить расход гидравлической жидкости, получаемой инструментом от гидравлической станции ТНПА за счет увеличения допустимой скорости перемещения гидроцилиндра.
Рама сопряжения инструмента с упрощенным выводом в серединное положение применяется для продольного перемещения сменных изделий ССО к оконечным втулкам трубопроводов для выполнения штатных процедур.
Решение задачи заключается в том, что рама сопряжения инструмента с упрощенным выводом в серединное положение, состоящая из приемной рамы, каркаса с направляющими, неподвижно зафиксированными на нем гидравлическим разъемом для соединения с ТНПА, согласно изобретению, содержит гидравлическую систему, состоящую из двух параллельно соединенных гидроцилиндров (закрепленных на направляющих), каждый из которых содержит последовательно соединенные, как минимум, два делителя потока и, как минимум, два гидравлический замка. Также на гидроцилиндре выполнены дополнительные гидравлические разъемы, один в среднем и один в конечном положении.
Рама сопряжения инструмента с упрощенным выводом в серединное положение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 изображен общий вид устройства;
на фиг. 2 изображен общий вид устройства со сменным инструментом и оконечными втулками трубопровода;
на фиг. 3 показана гидравлическая система со серединным положением приемной рамы (без сменного инструмента);
на фиг. 4 показана гидравлическая система с приемной рамой в первичном крайнем положении (без сменного инструмента);
на фиг. 5 показана гидравлическая система с приемной рамой во вторичном крайнем положении (без сменного инструмента);
на фиг. 6 изображена приемная рама с установленным инструментом в серединном положении;
на фиг. 7 изображена приемная рама с установленным инструментом в первичном крайнем положении;
на фиг. 8 изображена приемная рама с установленным инструментом во вторичном крайнем положении;
на фиг. 9 приведена схема гидравлической системы рамы сопряжения инструмента с упрощенным выводом в серединное положение;
на фиг. 10 показана гидравлическая схема с приемной рамой в первичном крайнем положении;
на фиг. 11 показана гидравлическая схема с приемной рамой во вторичном крайнем положении;
на фиг. 12 показана гидравлическая схема с приемной рамой в серединном положении.
Каркас 1 служит для восприятия суммарных нагрузок от веса рамы сопряжения и усилий от выдвижения органов гидроцилиндров двухстороннего действия, а также для закрепления на нем гидравлической системы 2, транспортирующей гидравлическую жидкость от гидравлического разъема 3 для соединения с ТНПА, как минимум, к двум гидроцилиндрам 4 (фиг. 1). Компоненты гидравлической системы 2 обеспечивают заданные рабочие характеристики рабочей среды и более детально будут рассмотрены далее.
Гидравлический разъем 3 является узлом подключения гидравлического питания, осуществляемого с ТНПА. Рабочие органы гидроцилиндров двухстороннего действия 4 содержат закрепленную на направляющих 5 приемную раму 6, и выполнены с возможностью перемещения приемной рамы (неподвижно закрепленной на гидроцилиндрах 4) при подаче питания с гидравлического разъема 3 через гидравлическую систему 2.
Направляющие 5 неподвижно закрепленные на каркасе 1, передают поперечные нагрузки от веса рамы сопряжения во время продольного перемещения рабочих органов гидроцилиндров 4 на каркас 1. Приемная рама 6 предназначена для размещения и фиксации в ней сменных изделий ССО (в состав описываемого изделия не входят, на фиг. 1 не показаны) с помощью манипуляторов ТНПА, а также для восприятия суммарных нагрузок от веса сменных изделий ССО и усилий от гидроцилиндров 4.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Раму сопряжений 7 устанавливают на опорные поверхности сборочных узлов оконечных втулок трубопровода 8 (фиг. 2). Инструмент, проводящий очистку втулок 9, или инструмент замены уплотнения устанавливается в приемную раму 6 рамы сопряжений 7 при помощи ТНПА как указано на фиг. 2.
Далее ТНПА подключается к разъему 3 для подачи гидравлической жидкости в гидравлическую систему 2 рамы сопряжений 7. Гидравлическая система 2 распределяет гидравлическую жидкость по гидроцилиндрам 4, которые перемещают приемную раму 6 вместе с установленным в ней сменным инструментом 9 из серединного положения (фиг. 3) в первичное крайнее положение (фиг. 4), затем из первичного крайнего положения приемную раму 6 перемещают во вторичное крайнее положение (фиг. 5). Сменный инструмент на изображениях не показан.
Необходимые перемещения приемной рамы с установленным инструментом повторяют до завершения операции. По окончании выполнения операций с инструментом 9, приемную раму с установленным инструментом описанными выше методом автоматизировано перемещают в серединное положение (фиг. 6), после чего инструмент 9 и раму сопряжений 7 снимают с оконечных втулок трубопровода вертикально вверх. Снятие инструмента 9 и рамы сопряжений 7 может происходит поочередно или совместно.
Уплотнительные зоны оконечных втулок трубопровода 8 находятся на внутреннем диаметре проходных отверстий втулок, поэтому инструмент 9, устанавливаемый на раму сопряжения 7, во время проведения операций с уплотнительными зонами (что соответствует первичному крайнему (фиг. 7) в и вторичному крайнему (фиг. 8) положениям) частично находится внутри оконечных втулок трубопровода 8 на глубине D (фиг. 7).
Для выполнения описанных выше штатных операций гидравлическая система 2 рамы сопряжения включает в себя следующие компоненты (фиг. 9):
- гидравлический разъем 3 для соединения с ТНПА, являющийся узлом подачи гидравлического питания в гидравлическую систему 2;
- гидравлические линии 10, представляющие собой трубопровод для транспортировки гидравлической жидкости с заданными рабочими характеристиками, подаваемой от разъема 3, к гидроцилиндрам 4;
- четыре гидравлических замка 11, позволяющих фиксировать положение поршня и подвижной части рамы сопряжений 7 (фиг. 2), расположенных последовательно после делителей потока 12 и перед гидроцилиндрами 4. Гидравлические замки при отсутствии давления на входном канале фиксируют переток жидкости между штоковой и поршневой полостями цилиндра, что обеспечивает неподвижность самого цилиндра и рамы сопряжений 7;
- четыре делителя потока 12, обеспечивающих равный расход гидравлической жидкости, транспортируемой по гидравлическим линиям 10 от разъема 3 к гидравлическим замкам 11;
- гидроцилиндры 4 с поршневыми полостями 13 и штоковыми полостями 14, с основными гидравлическими разъемами 16 в конечном положении и дополнительными гидравлическими разъемами 17, один в среднем и один в конечном положении (фиг. 9). При подаче гидравлической жидкости в любую из полостей происходит перемещении подвижной части гидроцилиндра, которая не зафиксирована на каркасе 1 рамы сопряжений 7 и на которой закреплена приемная рама 6 (каркас 1, приемная рама 7 показаны на фиг. 1 и фиг 2); это приводит к перемещению сменного инструмента.
Во время установки рамы сопряжения 7 на оконечной втулке или втулках трубопровода 8, в гидравлической системе 2 отсутствует гидравлическое питание от ТНПА, гидроцилиндры 4 находятся в серединном положении приемной рамы, за счет первоначальной установки и наличия гидравлических замков 11. После установки рамы сопряжений, в приемную раму 6 вертикально опускают инструмент 9.
В штатном режиме подсоединения, через разъем 3 рамы сопряжения от ТНПА подают гидравлическое питание на линию Л1 (согласно фиг. 10), которое обеспечивает переток жидкости заданного давления и расхода от порта линии Л1 разъема 3 до штоковых полостей 14 гидроцилиндров, и одновременно обеспечивает стравливание жидкости от поршневых полостей 13 до порта линии Л2. Приемная рама 6 с установленным в ней инструментом 9 перемещается в первичное крайнее положение (фиг. 4).
Для удержания приемной рамы 6 с установленным в ней инструментом 9 в первичном крайнем положении снимают давление с линии Л1, закрывая гидравлический замок 11. Инструмент при этом находится частично во оконечной втулке трубопровода. Гидроцилиндры 4 зафиксированы в текущем положении, рама в первичном крайнем положении (как на фиг. 4).
После выполнения операций на оконечной втулке трубопровода, для проведения операций на другой втулке необходимо разблокировать гидравлические замки (согласно фиг. 11). Для этого подают давление на линию Л2 (линия Л1 служит для стравливания жидкости), обеспечивая переток жидкости от разъема 3 до соответствующих полостей гидроцилиндров, обеспечивая перемещение приемной рамы 6 во вторичное крайнее положение (как на фиг. 5). Положение гидроцилиндров 4 фиксируют в текущем положении, переводя гидравлический замок 11 в закрытое положение, снимая давление; рама при этом находится во вторичном крайнем положении. После завершения подводной операции гидравлические замки 11 переводят в открытое положение, обеспечивая подачу гидравлического давления на линию Л1, обеспечивая возвращение приемной рамы в серединное положение.
При необходимости замены сменного инструмента после проведения операций на оконечной втулке трубопровода, через разъем 3 рамы сопряжения от ТНПА подают гидравлическое питание на линию Л4 (согласно фиг. 12), обеспечивающее переток жидкости заданного давления и расхода от порта линии Л4 разъема 3 до полостей 13 гидроцилиндров, а также стравливание жидкости от полостей 14 до порта линии Л3. Приемная рама 6 с установленным в ней инструментом 9 перемещается в серединное положение, открытие разъема Л3 после прохождения поршня 15 на гидроцилиндре 4, переключит гидросистему в режим циркуляции остановит перемещение поршня 15, и соответственно приемной рамы 6, без необходимости контроля со стороны оператора ТНПА и автоматизировано переведет приемную раму в серединное положение (как на фиг. 3).
Таким образом благодаря частично автоматизированному циклу перехода (элементов) устройства увеличивается точность позиционирования, снижая трудовые затраты, уменьшается время, затрачиваемое на операцию и более полно используется расход ТНПА.