DE3405716A1

DE3405716A1 - Kugelgelenk zur verbindung eines eine ueberwasserplattform tragenden turmes mit einem auf dem meeresboden gegruendeten fundament

Info

Publication number: DE3405716A1
Application number: DE19843405716
Authority: DE
Inventors: Heinz Gerhard 2080 Pinneberg Butt; Michael Dipl.-Ing. 2360 Bad Segeberg Vogt
Original assignee: Bilfinger und Berger Bau AG
Current assignee: Bilfinger SE
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3405716C2; NO850602L; SE8500734L; GB2154276B; SE8500734D0; GB2154276A; GB8503100D0

Description

3405715

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turmes mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament, mit einem auf einer Abschlußplatte befestigten unteren Kugelkalottenring und einem darauf aufgesetzten, mit einem Gelenkhals in den Turm eingebetteten oberen Kugelkalottenring, wobei die auf dem Turm einwirkenden Vertikal- und Horizontalkräfte durch einen zwischen den Kugelkalottenringen angeordneten kugelkalottenförmigen Auflagerring und die auf den Turm einwirkenden Momente um die Hochachse durch eine im Inneren des Kugelgelenks in Höhe des Äquators angeordnete Verdrehsicherung in Form von Zapfen mit in Gleitstühlen geführten Gleitsteinen in das Fundament, übertragen werden und alle aneinandergleitenden Gleitflächen mit ein und derselben Gleitmaterialpaarung versehen sind.

Derartige Gelenke sind u.a. aus der DE-PS 25 49 859 bekannt. Dort ist im Berührungsbereich der beiden Gelenkteile ein PTFE-Belag angeordnet. Die PTFE-Gleitelemente unterliegen trotz der vorgesehenen Hochdruckschmierung einem Verschleiß, der innerhalb der Lebenszeit des Gelenkes ein mehrfaches periodisches Auswechseln dieser Gleitele-2^ mente erforderlich macht. Die konstruktiven Maßnahmen für , das Auswechseln der Gleitelemente sind, ebenso wie auch das Auswechseln der Gleitelemente selbst, sehr aufwendig.

Darüber hinaus sind die PTFE-Gleitelemente von Kugelgelenken nach der DE-PS 25 49 859, DE-OS 27 55 592 und DE-OS 31 32 711 mit einer Hochdruckschmierung versehen, die den ständigen Betrieb einer zu wartenden Schmiervorrichtung und den Verbrauch sowie die Bevorratung einer größeren

Menge von Schmiermittel erfordert.
35

Alle drei in den vorgenannten Druckschriften beschriebenen Gelenke können aufgrund ihrer Konstruktion nur in beschränktem Umfang Momente um die Hochachse des Turms abtragen. Momente um die Hochachse ergeben sich in erheblicher Größe aus unterschiedlichen Angriffsrichtungen von Wind-, Strömungs- und Wellenkräften, ungleichmäßiger Umströmung, unvermeidbarer außermittiger Lage des Schwerpunktes der betrieblichen Einrichtung des Turms und des Decks und aus eventuellen außermittig angreifenden Mooring-Kräften.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turms mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament zu schaffen, welches wartungsfrei ist, für seinen Betrieb keine ständig zu betreibenden maschinellen Hilfsanlagen benötigt und außerdem große Kräfte und Torsionsmomente übertragen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gleitmaterialpaarung aus einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglomeraten auf der einen Seite und einem nichtrostenden, polierten Werkstoff auf der anderen Seite gebildet ist, daß die Verdrehsicherung ein mit dem Gelenkhals verbundenes torsionssteifes Rohr aufweist, welches die Zapfen der Verdrehsicherung trägt, und daß die Gleitstühle mit der Abschlußplatte verbunden sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wird durch die Erfindung erreicht, daß alle kinetisch arbeitenden Teile der Verdrehsicherung des Kugelgelenks

im Trockenen bzw. unter atmosphärischem Druck laufend überwacht werden können, daß größere Horizontal- und Vertikalkräfte sowie Drehmomente um die Hochachse als bei bekannten Gelenken übertragbar sind, daß das Gelenk aufgrund der vereinfachten Konstruktion kostengünstiger gefertigt werden kann und daß durch die Druckanpassung im Innenraum des Kugelgelenks für den normalen Betriebsfall keine mechanischen Dichtungen benötigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels ; und

Figur 2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemaß Figur 1 mit einem Schutzzylinder.

Das in Figur 1 dargestellte Kugelgelenk weist ein Gelenkunterteil 1 auf, das fest oder abkoppelbar über eine Abschlußplatte 3 mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament eines eine Überwasserplattform o.a. tragenden Turmes verbunden ist. Die Abschlußplatte 3 trägt einen Zylinder 4 oder einen Kegelstumpf, der einen unteren Kugelkalottenring 5 aufweist.

.Ein Gelenkoberteil 2 und ein Gelenkhals 7 sind schubfest mit dem Turm verbunden bzw. in den in Figur 2 erkennbaren Turmfuß 20 eingebettet. Das Gelenkoberteil 2 ist aus einem Kugelkalottenring 6 gebildet, der an den Gelenkhals

7 anschließt. Der Gelenkhals 7 ist nach oben durch ein nicht dargestelltes, druckfestes Mannloch mit Andockvorrichtung 33 für eine Personenschleuse oder für eine Dekompressions- oder Transferkammer abgeschlossen. Nach unten setzt sich der Gelenkhals 7 durch ein torsionsfestes Rohr

8 fort, das in einen verbreiterten Fuß 34 übergeht, der Zapfen 14 trägt.

Die Zapfen 14 sind an diametral gegenüberliegenden Stellen des Rohrfußes 34 angeordnet, und zwar an diesen angeformt, eingesteckt, eingeschraubt oder von oben mit Hilfe von Paßstücken in eigens dafür vorgesehene Zapfenaufnehmer eingesetzt.

Die dem torsionsfesten Rohr 8 abgewandten äußeren Enden der Zapfen 14 stecken in Gleitsteinen 15, welche in gabelförmigen Gleitstühlen 9 in vertikaler Richtung auf und ab verschiebbar sind, gegenüber Drehbewegungen um die Hochachse des Rohres 8 und des Gelenkhalses 7 jedoch von den Gleitstühlen 9 festgehalten werden. In der dargestellten Ausführungsform sind demnach zwei in bezug auf den Rohrfuß 34 diametral gegenüberliegende Gleitstühle 9 vor-'* gesehen, die von der Abschlußplatte 3 getragen werden und auf dieser befestigt sind. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Gleitstühle direkt mit dem Gelenkunterteil verbunden.

Der die Horizontal- und Vertikalkräfte abtragende Auflagerbereich 10 ist oberhalb des Äquators des Kugelgelenks auf dem unteren Kugelkalottenring 5 angeordnet. Er wird von einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei- Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglome-

²^ raten gebildet und kann eine Zusatzschmierung mit silikonfreien Schmierstoffen enthalten.

Die Auflagerfläche bestimmt sich aus dem Kreisumfang und der aus der Belastung ermittelten Höhe des Lagerbereiches. Die Auflager können auch wahlweise durch mechanische Einrichtungen nachgestellt oder hydraulisch gestützt werden. Ferner kann das Auflager entweder statisch oder hydrostatisch ausgebildet sein.

pur den außergewöhnlichen Betriebsfall der Inspektion des

Gelenkinnenraumes 19 unter atmosphärischen Bedingungen ist eine dem Fachmann bekannte Dichtung 11 oberhalb des Auflagerrings 10 an dem unteren Kugelkalottenring 5 angebracht und dichtet diesen gegen den oberen Kugelkalottenring 6 ab. Derartige Stopfbuchspackungen sind bereits im Offshore-Einsatz erprobt und können durch Nachstellen nachgestopft werden. Unterhalb des Auflagerrings 10 ist eine aufweitbare Dichtung 12 auf dem unteren Kugelkalottenring 5 montiert und kann vom Gelenkinnenraum 19 aus in Funktion gesetzt werden, wenn im Gelenkinnenraum 19 unter einem atmosphärischen Druck gearbeitet werden soll, der erheblich unter dem Außenwasserdruck liegt und beispielsweise dem Luftdruck an der Erdoberfläche angepaßt ist. Die aufweitbare Dichtung kann hierzu erprobte mehrstufige bzw. redundante Elemente aufweisen.

Wie bereits erwähnt weist die Verdrehsicherung 13 im Gelenkinnenraum 19 angeordnete Zapfen 14 auf, die in Höhe des Äquators der Kugelkalottenringe 5 bzw. 6 angeordnet sind.

Diese Zapfen 14 tragen in der Zapfenachse verschiebbare Gleitsteine 15, welche auch bei Schräglage des Turms Kräfte auf die Gleitstühle 9 und damit auf die Abschlußplatte 3 übertragen, mit der sie biegesteif verbunden sind.

Durch die Verdrehsicherung 13 werden die Zapfen 14 von den Gleitstühlen 9 einschnittig beansprucht. In einer anderen Ausführungsform, bei der zusätzlich ein Bock vorgesehen ist, der sich auf der Abschlußplatte 3 abstützt, kann auch eine zweischnittige Beanspruchung der Zapfen 14 erreicht, werden.

Alle beweglichen Teile der Verdrehsicherung 13 können im

Trockenen bzw. auch unter atmosphärischem Druck inspiziert werden. In einer anderen Ausführungsform können die Gleitsteine 15 direkt in den Zylinder 4 des Gelenkunterteils 1 eingreifen, so daß keine gesonderten Gleitstühle 9, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, vorgesehen sind.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Gleitstühle an den Rohrfuß 34 angeformt oder formschlüssig mit diesem verbunden, während der Zylinder 4 des Gelenkunterteils 1 in der Höhe des Äquators der Kugelkalottenringe 5,6 die mit Gleitsteinen versehenen Zapfen trägt.

Für das einwandfreie Arbeiten der Verdrehsicherung 13 ist es in jedem Fall wesentlich, daß die Achse der Zapfen 14 im Normalzustand in der Äquatorialebene der Kugelkalottenringe 5 bzw. 6 liegen :-

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann in jedem Gleitstuhl 9 eine Presse montiert sein, die sich gegen den jeweiligen Gleitstein 15 abstützt. Dadurch kann das Kugelgelenk arretiert werden, was in bestimmten Bauphasen erforderlich ist.

Zum Schutz eventuell freier Gleitflächen des Gelenkoberteils 2 ist das Kugelgelenk von einem Schutzzylinder 21 gemäß Figur 2 umgeben, der in den überlicherweise aus Beton geformten Turmfuß 20 eingebettet ist. Der Turmfuß 20 ist im übrigen mit dem Gelenkoberteil 2 verbunden, das in der Praxis zusätzliche Schubrippen 35 aufweist, welche die Kraftübertragung vom Turmfuß 20 zum Gelenkoberteil 2 verbessern. In der perspektivischen Darstellung der Figur 1 sind diese Schubrippen 35 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch weggelassen.

Der in Figur 2 gezeigte Schutzzylinder 21 erstreckt sich vom Unterrand des Turmfußes 20 nach unten bis über die Äquatorialebene des Kugelgelenks und trägt in der Nähe seines Unterrandes einen ersten Kragen 25, welcher zur Befestigung des Außenrandes einer Membran 22 dient. Der Innenrand der Membran 22 ist an einem zweiten Kragen 28, der an dem Zylinder 4 angebracht ist, ebenfalls in der Äquatorialebene des Kugelgelenks befestigt. Dadurch ist. zwischen dem Turmfuß 20 und der Membran 22 einerseits sowie zwischen dem Gelenkunterteil 1 und dem Schutzzylinder 21 andererseits ein Innenraum 32 gebildet, welcher gegenüber dem in Figur 2 unter der Membran 22 vorhandenen Seewasser abgesperrt ist. Die Membran 22 ist hierzu beispielsweise ein profiliertes Stahlblech oder bewehrtes 5 Gummi.

In dem Schutzzylinder 21 ist. wenigstens ein Unterdruckventil 23 und ebenfalls wenigstens ein Überdruckventil 24 vorgesehen, welche den Innenraum 32 entweder belüften oder entlüften. Die Einstellung der Unter- bzw. Überdruckventile 23 bzw. 24 kann so gewählt werden, daß der Druck im Innenraum 32 knapp über, knapp unter bzw. genau in der Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehalten wird. Außerdem kann der Innenraum 32 mit einem anderen geeigneten Medium als Luft gefüllt sein, das seine erforderliche Druckbeaufschlagung von der Druckluft aus dem Gelenkinnenraum 19 erhält.

Zum Schutz des in ständigem Kontakt mit dem Seewasser befindlichen Teil des Gelenkunterteils 1 ist dessen Zylinder 4 mit einer Schutzschicht 31 aus einem elastischen Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion geschützt. Zu diesem Zweck erstreckt sich die Schutzschicht 31 auf der Außenwand des Zylinders 4 vom Kragen 28 bis zur AbschluBplatte 3.

- 13 -

Der Gelenkinnenraum 19 des Kugelgelenks ist während des Betriebs ständig mit Druckluft gefüllt, deren Druck dem Außenwasserdruck in Höhe des Gelenkäquators entspricht. Dadurch stehen der Außenwasserdruck und der innere Luftdruck im Gleichgewicht. Mechanische Dichtungselemente sind zur Aufrechterhaltung des Betriebs nicht notwendig. Der Zugang zum Gelenkinnenraum 19 ist über eine Personenschleuse, eine Dekompressionskammer oder eine Transitkammer durch die Andockvorrichtung 33 bei Beibehaltung des "Ό Luftdruckes gewährleistet.

Aus betrieblichen Gründen kann es gelegentlich vorteilhaft sein, daß Kugelgelenk auch in umgekehrter Lage einzubauen. In diesem Fall wird der äußere Kugelkalottenring

"15 _mit dem Gründungskörper und der innere Kugelkalottenring mit dem aufgehenden Bauwerk verbunden, während alle übrigen Gelenkteile ihre Lage entsprechend ändern. Da dem Fachmann die Bauweise eines solchen Kugelgelenks anhand der vorstehenden Ausführungen klar ist, brauchen hierfür keine weiteren Erläuterungen gegeben zu werden.

Claims

Patentansprüche

1. Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turmes mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament, mit einem auf einer Abschlußplatte (3) befestigten unteren Kugelkalottenring (5) und einem darauf aufgesetzten, mit einem Gelenkhals (7) in den Turm eingebetteten oberen Kugelkalottenring (6), wobei die auf dem Turm einwirkenden Vertikal- und Horizontalkräfte durch einen zwischen den Kugelkalottenringen (5,6) angeordneten kugelkalottenförmigen Auflagerring (10) und die auf den Turm einwirkenden Momente um die Hochachse durch eine im Inneren des Kugelgelenks in Höhe des Äquators angeordnete Verdrehsicherung (13) in Form von Zapfen (14) mit in Gleitstühlen (9) geführten Gleitsteinen (15)

in das Fundament übertragen werden und alle aneinandergleitenden Gleitflächen mit ein und derselben Gleitmaterialpaarung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitmaterialpaarung aus einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglomeraten auf der einen Seite und einem nichtrostenden, polierten Werkstoff auf der anderen Seite gebildet ist, daß die Verdrehsicherung (13) ein mit dem Gelenkhals (7) verbundenes torsionssteifes Rohr (8) aufweist, welches die Zapfen (14) der Verdrehsicherung (13) trägt, und daß d£e Gleitstühle (9) mit der Abschlußplatte (3) verbunden sind.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial der Gleitpaarung eine Zusatzschmierung mit Schmierstoffen enthält.

3. Gelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierstoffe silikonfrei sind.

4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial aus der gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung auf Platten montiert ist.

5. Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten aus Metall oder Kunststoff bestehen.

6. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial auf keilförmigen Platten angeordnet, und in Teilen auswechselbar ist.

7. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionssteife Rohr (8) ent-

weder fest, kraftschlüssig und gasdicht mit dem oberen Kugelkalottenring (6) verbunden ist oder daß das torsionssteife Rohr (8) nicht kraftschlüssig, aber durch den Einbau einer Dichtung gasdicht, mit dem oberen Kugelkalottenring (6) verbunden ist.

8. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitstühle (9) im unteren Kugelkalottenring (5) integriert sind.

9. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitstühle (9) zur besseren Definition der abgeleiteten Kräfte und der daraus entstehenden Beanspruchungen als unabhängige Bauelemente auf der Abschlußplatte (3) installiert, sind.

10. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitsteine (15) und die Zapfen (14) aus der Konstruktion herausgenommen werden können.

11. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es gegen das Fundament und gegen den Turm gasdicht und druckfest verschließbar und über eine an ein Mannloch anschließbare Personenschleuse oder eine Dekompressionskammer oder Transferkammer zugänglich ist.

12. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes im Innenraum ein Druck aufgebracht ist, der dem Außenwasserdruck entspricht, daß eine Überwachungsanlage für die Kontrolle der Druckhöhe installiert ist und daß eine selbsttätig gesteuerte Versorgungsanlage für Druckluft vorgesehen ist.

13. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet/ daß für außergewöhnliche Betriebszustände und zur Redundanz oberhalb des Auflagerringes (10) eine Dichtung (11) und unterhalb des Auflagerringes (10) eine aufweitbare Dichtung (12) angeordnet ist.

14. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagerring (10) mit dem unteren Kugelkalottenring (5) verbunden und mit diesem gemeinsam sphärisch bearbeitet ist.

15. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (14) in den Gleitstühlen (9) mittels in die Gleitbahn eingestellter hydraulischer Pressen blockierbar sind.

16. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelkalottenförmige Auflagerring (10) einstückig ist.

17. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagerring (10) aus mehreren Segmenten besteht.

18. Gelenk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente des Auflagerringes (10) mittels untereinander verbundener hydraulischer Hubelemente unterstützt sind.

19. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Abschlußplatte (3) mit dem Fundament nach Belieben gelöst und wieder hergestellt werden kann.

20. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 19/ dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Schutz des Gelenks vor ständigem Kontakt mit Seewasser ein konzentrisch um das Gelenk in einem definierten Abstand vom Gelenk in den Turmfuß (20) eingebundener Schutzzylinder (21) angeordnet ist, der in Hohe des Gelenkäquators durch eine flexible Membran (22), beispielsweise aus profiliertem Stahlblech oder bewehrtem Gummi, mit dem Gelenk verbunden und mit Druckluft gefüllt ist, die in freier Verbindung zu der Druckluft im Gelenkinnenraum steht.

21. Gelenk nach Anspruch 2Of dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Innenraum (32) zwischen der Schutzzylinder innenwandung, der Gelenkaußenwandung und dem Turmfuß (20) sowie der Membran (22) durch Überdruck- bzw. Unterdruckventile (23,24) kurz über, kurz unter bzw. genau in Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehalten wird.

22. Gelenk nach Anspruch 20 oder 21 t dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (32) mit einem anderen geeigneten Medium als Luft gefüllt ist und seine erforderliche Druckbeaufschlagung aus der Druckluft aus dem Gelenkinnenraum (19) erhält.

23. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende, in ständigem Kontakt mit Seewasser befindliche Teil des Gelenks durch eine Schutzschicht (31) aus einem elastischen Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion geschützt wird.