CN102958796B - 用于更换流体旋转头的外圆环形环的方法以及流体旋转头 - Google Patents

Abstract

一种用于更换流体旋转头(1)的外圆环形环的方法，该流体旋转头适合于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在用于气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输，其中旋转头(1)包括内圆环形环(3)和外圆环形环，环被定位为使其毗邻的圆柱形表面紧靠，以界定在内圆环形环和外圆环形环的周边相对面之间的用于接收流体的室(2)，其中内圆环形环(3)适合于连接到流体线的端部，并且其中外圆环形环适合于连接到船舶上的产品管路，其中该方法包括以下步骤：移除外圆环形环，借助于第一半圆形元件(10)和第二半圆形元件(20)更换外圆环形环以及借助于固定工具把第一半圆形元件(10)固定于第二半圆形元件(20)，以形成旋转头的更换外圆环形环。

Description

用于更换流体旋转头的外圆环形环的方法以及流体旋转头

发明领域

本发明涉及用于更换流体旋转头(fluidswivel)的外圆环形环(outerannularring)的方法，其中流体旋转头适合于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输。本发明更具体地涉及用于更换外圆环形环或高压力旋转头的方法。

流体旋转头在一结构中使用，该结构允许用于气体和油生产的船舶被连接于地球静止导管(geo-stationaryduct)，该地球静止导管用于把烃类从海床朝向船舶输送，或用于把以液体或气体形式的流体，例如水注射到用于加压目的的井中或将例如CO₂注射在废井或储气库中。该结构允许船舶相对于该地球静止导管随风摆动(weathervane)，同时保持在地球静止导管的端部和在船上的产品管路之间的流体潮汐连接。

发明背景

从WO98/31963，已知具有用于接收烃类的环形室(toroidalchamber)的旋转头。环形室被静止的内壁和旋转的外壁包围。静止的内壁设置有用于把烃类从连接于海床的流体线朝向环形室供应的第一引导器。旋转的外壁设置有另外的引导器，以允许烃类朝向在船舶上的产品管路前进。

为了界定两个壁之间的环形室，内壁和外壁被定位为使其毗邻圆柱形表面紧靠，由此相对小的上圆环形间隙和下圆环形间隙在环形室的任一侧上的壁的毗邻圆柱形表面之间形成。在本领域中，该间隙也被称为‘密封挤出间隙’。

为了避免任何泄漏，这些间隙借助于密封元件来密封。这些密封元件通常包括具有U形或V形的形式的弹性地可变形的密封环。

操纵具有有限的气体含量的液体或原油的旋转头的密封还可以使用在环形室的任一侧的双重密封装置来实现。第一或主要密封部被定位为最接近于环形室并且承载全压力。第二或次要密封部被定位在离第一或主要密封部一距离处并且作用为在第一或主要密封部就要破裂时提供备用。

在已知的旋转头中，间隙被设计为具有最小开口。然而，最小的间隙宽度必须被保持，使得旋转头的内壁和外壁的可能偏转将不会引起两个元件接触彼此并且从而防止两个旋转头元件的相对旋转。

通常，根据以上的类型的旋转头将是被定位在转塔(turret)中的旋转头堆栈(swivelstack)的部分。海底烃类结构，例如油或气井，通过从海的底部延伸至船舶的一个或多个升降器而连接于漂浮产品、储存和卸载船舶(FPSO)。借助于旋转头，升降器每个连接于转塔上的管路结构，生产船舶可以在转塔周围随风摆动，以根据流向和主风调整其位置。每个产品升降器的地球静止部分连接于旋转头堆栈中的相应的旋转头的静止内环。用于把烃类分布于船舶的随风摆动部分的生产管路连接于每个旋转头的外圆环形环，该外圆环形环可以与随风摆动的船舶一起围绕旋转头的固定定位内环旋转。

为了使内壁和外壁的由于压力效应引起的可能变形减到最少，已知的旋转头壁由具有高至240mm的壁厚度的铸钢制造，以用于具有2m的直径的旋转头。变形因此被内壁和外壁的重力质量而防止。这些措施的效果是具有2m直径的旋转头可以重20吨或更多。

当设计旋转头时，不仅内壁和外壁的变形应当被最小化，而且设计还应当确保应力保留在由压力容器规范规定的限制内。

在使用中，旋转头以及具体地旋转头的外部分被暴露于重负荷和重要的温度变化。

被供应至旋转头的烃类经常具有在20至120℃的数量级的温度。在流体传输期间，外壁将被外部环境空气冷却，尤其是当旋转头暴露于外部天气环境时以及当风直接地吹在旋转头的外部时。与外壁形成对比，内壁将保持相对地热。

内壁和外壁之间的温度差异还可以在经由旋转头传输的流体非常冷时是重要的；这是用于允许液化气体，例如LPG、LNG、CO₂和任何其他的冷或低温流体的传输的旋转头的情况。

通常，旋转头被暴露于高压力。为了本发明的目的，词语高压力意在包括50巴和更高的压力。旋转头的环形室中的压力可以容易地超过200巴的压力。

因为在其下使用旋转头的极端条件，可能的是，在旋转头的寿命期间，外圆环形环存在缺陷并且必须被更换。因为每个旋转头是被定位在转塔中的旋转头堆栈的部分的事实，旋转头中的外圆环形环的移除和更换是极端地复杂的。因为毗邻旋转头的存在，几乎没有把旋转头的外圆环形环向上或向下运动的空间。为了更换旋转头的外圆环形环，旋转头必须被从旋转头堆栈完全地移除。一旦外圆环形环已经被更换，旋转头就可以被定位在旋转头堆栈中并且被用于其正常功能。

根据现有技术，旋转头堆栈中的外圆环形环的更换通过使用邻近于转塔的驳船(barge)进行，该驳船设置有提升工具，以移除旋转头堆栈的不同的部分，以创造用来更换已经达到其寿命终点的外圆环形环的足够可接近性。可选择地，船舶应当被从生产线完全地割断并且应当被航行至工场，例如在岸上，以便在岸上进行旋转头零件的更换。

在实践中，旋转头堆栈的移除和旋转头的外圆环形环的更换可能耗费几个月。在离岸技术中，任何***的停机时间都是极端地昂贵的。因为所使用的密集型设备的成本以及人员的成本，应当将任何停机时间限制到绝对最小值。

为了避免上文描述的与旋转头零件的更换相关的问题中的至少某些，本发明的目的是提供用于更换旋转头的外圆环形环的方法，该方法在时间和成本二者上都是高效的。

发明概述

本发明涉及用于更换流体旋转头的外圆环形环的方法，所述流体旋转头适合于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在用于气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输，其中所述旋转头包括内圆环形环和外圆环形环，所述环被定位为使其毗邻的圆柱形表面紧靠，以界定在所述内圆环形环和所述外圆环形环的周边相对面之间的用于接收流体的室，其中所述内圆环形环适合于连接于所述流体线的所述端部，并且其中所述外圆环形环适合于连接于在所述船舶上的所述产品管路，其中所述方法包括以下步骤：

-移除所述外圆环形环，

-借助于用于共同地形成环的至少两个圆形节段更换所述外圆环形环，以及

-借助于固定工具把所述至少两个圆形节段固定于彼此，以形成所述旋转头的更换外圆环形环。

在本文本中，使用词语“内圆环形环”。该词语参考旋转头的内零件。其可以指旋转头的内核心，因此旋转头的内核心据此不是环，而是包括多个流体路径的圆柱。

根据本发明，现有的外圆环形环不能被具有相同的尺寸和维度的新外圆环形环来代替，而是被包括至少第一圆形节段和第二圆形节段的外圆环形环来代替。

在本文本中，使用词语“圆形节段”。该词语参考基本上是环的部分的元件。本发明的基本思想是通过一旦被固定在一起就形成更换外圆环形环的圆形节段来代替单一的实心外圆环形环。在使用两个圆形节段的情况下，那些圆形节段将具有半圆形元件的形式。在使用三个圆形节段的情况下，每个圆形节段将例如提供最终的外圆环形环的百分之331/3等。使用多个圆形节段代替一个外圆环形环的效果是，最初的外圆环形环可以被就地移除，并且一旦最初的外圆环形环已经被移除，形成更换圆环形环的节段就可以被放置在合适的位置中。

根据本发明，该至少两个圆形节段借助于固定工具，例如一系列螺栓来连接。

根据本发明的优选实施方案，固定工具用来把第一节段和第二节段抵着彼此固定。此后，焊接线在内圆环形表面处在该第一圆形节段和该第二圆形节段之间的接触线处形成。该金属到金属接触部要求具有中空部分的外部元件的特别形状以向接触表面给予弹性效应。该永久接触部被认为是第一密封屏障。根据本发明，具有由焊接线形成的第二密封屏障。

一旦该焊接线存在，用于把第一节段和第二节段推动至彼此之上的力就被增加。该措施的效果是生成了其主要功能是生成另外的密封部的焊接线。

因为在旋转头中使用并且更换外圆环形环将被暴露于其的高压力，圆形节段不能够仅仅通过使用焊接线来合适地连接。所述第一圆形节段和所述第二圆形节段将通过使用固定工具，例如螺栓，而固定在一起。因为所述第一圆形节段和所述第二圆形节段的高压力和尺寸，可能的是，至少在这些节段之间的接触区域的被暴露于高流体压力的部分中，将存在小的开口或裂缝。焊接线的存在是重要的，并非为了保持第一节段和第二节段连接，而是为了确保该两个节段在其接触区域处被完全地封闭，以避免液体进入在第一节段和第二节段之间的空间中。因此，重要的是，具有连续焊接部。

一旦生成焊接部，两个节段上的张紧就增加，以确保焊接部始终在压缩下，另外此时环形室内部的压力增加并且推动圆形节段分开。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种流体旋转头，其用于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在用于气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输，其中所述旋转头包括内圆环形环和外圆环形环，所述环被定位为使其毗邻的圆柱形表面紧靠，以界定在所述内圆环形环和所述外圆环形环的周边相对面之间的用于接收流体的室，其中所述内圆环形环适合于连接于所述流体线的所述端部，所述流体线朝向所述室延伸穿过所述内环，以允许朝向所述室或从所述室的流体供应，并且其中所述外圆环形环适合于连接于所述产品管路并且设置有导管，以允许流体朝向所述产品管路从所述室流动或流向所述室，所述流体旋转头的特征在于，所述外圆环形环包括固定工具以及至少第一圆形节段和第二圆形节段，其中所述节段共同地形成环，固定工具用于固定所述至少两个圆形节段以形成所述旋转头的所述外圆环形环。

根据本发明的优选实施方案，所述固定工具包括至少第一螺栓，以把第一圆形节段和第二圆形节段在第一接触表面处固定在一起。

根据本发明的优选实施方案，所述第一圆形节段和所述第二圆形节段借助于定位在所述内环形表面处所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的焊接线来连接。

根据优选实施方案，所述外圆环形环包含超级双相不锈钢。

本发明还涉及适合于根据本发明的旋转头的外圆环形环。

根据本发明的另外方面，本发明涉及转塔结构，其用于允许用于气体和油生产的船舶连接于地球静止流体导管的端部并且用于允许所述船舶上的产品管路通过旋转接口连接于所述地球静止导管的所述端部，其中所述转塔结构包括根据本发明的旋转头。

根据本发明的另外方面，本发明涉及包括根据本发明的转塔结构的船舶。

附图简述

将参照附图详细地解释本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的包括更换外圆环形环的旋转头；

图2示出了根据图1的旋转头的横截面；

图3示出了根据图1和2的旋转头的底部部分的可选择的实施方案；

图4示出了根据本发明的用于旋转头的外圆环形环；

以及，图5示出了用于借助于焊接部把第一半圆形元件连接于第二半圆形元件的焊接线区域的细节。

图1示出了根据本发明的旋转头1的可能实施方案，其中更换外圆环形环包括第一半圆形元件和第二半圆形元件。将理解，更换外圆环形环还可以包括适合于形成外圆环形环的三个或更多的圆形节段。这些其他的实施方案未在附图中示出。

旋转头1适合于提供地球静止导管和在用于烃类的生产、储存和卸载的船舶上的产品管路之间的旋转流体连接。

旋转头的功能类似于现有的旋转头并且将参照图2简要地论述。

根据图1的旋转头包括外圆环形环以界定在旋转头的内部中的流体室，该外圆环形环包括第一半圆柱形元件10和第二半圆柱形元件20。该两个元件10和20是不相同的，但是在其设计和功能上是实质上相同的。半圆形元件10和20在其内部设置有用于界定在旋转头1内部的流体室的壁(见图2)，以能够抵抗该流体室内的高压力，元件10和20是相对重的并且具有刚性结构。为了避免过多的重量，元件10和20具有内部箱状结构，以增加重量而不损失元件10和20的刚性(见图2)。两个半圆形元件10和20具有其使用来接触另一个半圆形元件的两个端面，接触区域使用线30和31示意性地指示。为了能够抵抗流体室内的高压力，重要的是，两个半圆形元件10和20在接触区域30和31处被使用足够的压力按压在一起。根据本发明，两个元件10和20借助于双端螺栓被螺栓连接在一起。根据图1，示出了四个双端螺栓41、42、43和44。借助于双端螺栓41-44，可以在接触区域30-31处确定两个元件10和20之间的确切的张紧。

在图2中，示出了根据依据图1的旋转头1的元件20的线A-A的横截面。

元件10的横截面应该是相似的。图2示出了被界定在半圆形元件20的内圆环形环3和内部壁21的周边相对面之间的内部上的环形室2。内圆环形环3是旋转头1的适合于连接到地球静止导管的部分。因为滚柱轴承4的存在，包括元件10和20的外圆环形环可以相对于内圆环形环3旋转。旋转头1还包括顶部内环5、顶部外环6、底部外环7以及两个底部环8和9，其中与滚柱轴承4结合的环3、4、5、6、7、8和9使用螺栓51、52、53和54全部螺栓连接在一起。如图2中所示的其他元件是旋转头的标准元件，其将不在下文详细地描述。

如图2中所示的，半圆形元件20具有盒状结构并且半圆形元件20的内部体积的该部分是空的，以节省重量。关于半圆形元件20的尺寸和所使用的材料，半圆形元件10和20具有变得相对重的趋势。

在图2中，示出了，使用如图2中所示的旋转头的结构，可能的是，释放例如螺栓53和54，以移除环7、8和9的至少部分，以产生用于把半圆形元件20在竖直方向上运动的空间。这种在竖直的方向的运动是允许半圆形元件10和20被焊接在一起所必需的，如将参照图4和5所描述的。

在图3中，示出了根据图2的旋转头1的可选择的实施方案，其中底部环7和9的形状被修改。在图4中，仅示出了具有分别的螺栓41、42、43和44的两个半圆形元件10和20。图4示出了接触区域30和31的意指其中半圆形元件10和20彼此接触的接触表面的全长度。在实践中，半圆形元件10和20一旦使用螺栓41-44连接于彼此就将具有在内周边表面上的接触区域，该接触区域在当两个半圆形元件10、20被按压在一起时没有一个微小开口将在二者之间存在的意义上是完美，生产这样的半圆形元件10和20将是非常困难的。为了确保两个半圆形元件10和20正确地连接于彼此，根据本发明，半圆形元件10和20将在第一实例中通过使用螺栓41-44连接在一起。在该第一实例中，螺栓将仅被张紧，以保持半圆形元件10和20被相对于彼此正确地定位。这意味着，例如，螺栓41-44被以例如其最大预张紧的5-30％的水平来预张紧。一旦两个半圆形元件10、20通过该有限的预张紧连接在一起，其就偏心于内圆环形环的轴线运动，以生成焊接所需要的空间。然后可能的是，在图5中示出的接触线33上产生连续焊接线。焊接线33的方向垂直于也在图5中可见的接触线30的方向。相似地，将产生将垂直于接触表面31的第二连续焊接线。

一旦该两条焊接线被产生，现在连接的半圆形元件10和20的内部表面将被机加工，以获得现在组合的半圆形元件10、20作为用于根据图1的旋转头1的外圆环形环的合适操作所需要的表面条件。

实施例

根据实施例，半圆形元件10、20由超级双相不锈钢，例如超级双相不锈钢Zeron100生产。为了把两个元件固定在一起，使用碳钢双端螺栓41、42、43和44，例如B24类双端螺栓。

当把第一半圆形元件和第二半圆形元件定位在合适的位置中以形成新的用于旋转头1的外圆环形环时，在第一实例中，双端螺栓41-44用来把半圆形元件10、20固定在一起，使双端螺栓被预张紧至其最终预张紧水平的5-30％。优选地，该预张紧被设置为其最终预张紧水平的25％。

一旦第一半圆形元件和第二半圆形元件已经如上所述地固定在一起，在第一半圆形元件和第二半圆形元件的内部相之间的焊接连接就被添加。

然后，双端螺栓41-44上的预张紧被增加至其最终预张紧水平。通过增加螺栓上的张紧，焊接部将被置于压缩之下。

现在组合的半圆形元件10、20已准备好作为旋转头的新外圆环形环来操作。

Claims (13)

1.一种用于更换流体旋转头的外圆环形环的方法，所述流体旋转头适合于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在用于气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输，其中所述旋转头包括内圆环形环和外圆环形环，所述内圆环形环和所述外圆环形环被定位为使其毗邻的圆柱形表面紧靠，以界定在所述内圆环形环和所述外圆环形环的周边相对面之间的用于接收流体的室，其中所述内圆环形环适合于连接到所述流体线的所述端部，并且其中所述外圆环形环适合于连接到在所述船舶上的所述产品管路，其中所述方法包括以下步骤：

-移除所述外圆环形环，

-借助于用于共同地形成环的至少两个圆形节段来更换所述外圆环形环，

-借助于固定工具把所述至少两个圆形节段固定于彼此，以形成所述旋转头的更换外圆环形环，以及

-在所述至少两个圆形节段之间形成密封以避免液体进入所述至少两个圆形节段之间的空间中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-借助于至少第一螺栓把所述至少两个圆形节段的第一圆形节段固定于所述至少两个圆形节段的第二圆形节段。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-借助于焊接线连接和封闭在内圆环形表面处在所述至少两个圆形节段的第一圆形节段和第二圆形节段之间的接触线。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-在借助于焊接线连接在所述内圆环形表面处在所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的所述接触线之后，借助于所述固定工具增加在所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的接触表面处的接触力。

5.一种流体旋转头，用于允许穿过旋转接口在连接于海床的流体线的端部和在用于气体和油生产的船舶上的产品管路之间的流体传输，其中所述旋转头包括内圆环形环和外圆环形环，所述内圆环形环和所述外圆环形环被定位为使其毗邻的圆柱形表面紧靠，以界定在所述内圆环形环和所述外圆环形环的周边相对面之间的用于接收流体的室，其中所述内圆环形环适合于连接到所述流体线的所述端部，所述流体线朝向所述室延伸穿过所述内圆环形环，以允许朝向所述室或从所述室的流体供应，并且其中所述外圆环形环适合于连接到所述产品管路，并且设置有导管以允许流体朝向所述产品管路从所述室流动或流向所述室，其特征在于，所述外圆环形环包括固定工具以及至少第一圆形节段和第二圆形节段，其中所述至少第一圆形节段和第二圆形节段共同地形成环，所述固定工具用于固定至少两个圆形节段以形成所述旋转头的所述外圆环形环，其中在所述至少两个圆形节段之间形成密封以避免液体进入所述至少两个圆形节段之间的空间中。

6.根据权利要求5所述的旋转头，其中具有在所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的两个不同的密封屏障，所述两个不同的密封屏障由在所述内圆环形表面处在所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的永久的金属到金属接触部和连续焊接部组成。

7.根据权利要求5所述的旋转头，其中所述固定工具包括至少第一螺栓，以把所述第一圆形节段和所述第二圆形节段在第一接触表面处固定在一起。

8.根据权利要求5或7所述的旋转头，其中所述第一圆形节段和所述第二圆形节段借助于定位在所述内圆环形表面处所述第一圆形节段和所述第二圆形节段之间的焊接线来连接。

9.根据权利要求5所述的旋转头，其中所述第一圆形节段和所述第二圆形节段是半圆形。

10.根据权利要求5所述的旋转头，其中所述外圆环形环包含超级双相不锈钢。

11.一种外圆环形环，用于根据权利要求5至9中任一项所述的旋转头，所述外圆环形环包括至少第一圆形节段、第二圆形节段和用于把所述圆形节段固定在一起的固定工具，所述至少第一圆形节段和第二圆形节段适合于形成环。

12.一种转塔结构，用于允许用于气体和油生产的船舶连接于地球静止流体导管的端部，并且用于允许所述船舶上的产品管路通过旋转接口连接于所述地球静止导管的所述端部，其中所述转塔结构包括根据权利要求5-10中任一项所述的旋转头。

13.一种船舶，包括根据权利要求12所述的转塔结构。