JP5782053B2 - 回転界面を横切って流体を移送し得る流体スイベル - Google Patents

Description

本発明は、海底に連結された流体ラインの端部とガス及び石油生産用の船の上の製品パイプとの間で回転界面を横切って流体を移送し得る流体スイベルに関する。本発明はより具体的には高圧スイベルに関する。

流体スイベルは、ガス及び石油生産用の船を、海底から船に炭化水素を輸送するための又は水のような液体状又は気体状の流体を加圧のために坑井に注入するための又はＣＯ_２を枯渇した坑井又はガス又はＣＯ_２を枯渇した坑井又はガス空洞に注入するための固定ダクトに連結可能にする構造に使用される。この構造は、固定ダクトの端部と甲板上の製品パイプとの間の流体密連結を維持しながら船を固定ダクトに対して風向計のように動くことを可能にする。

特許文献１から、炭化水素を受け取るトロイダルチャンバを有するスイベルが知られている。トロイダルチャンバは固定内部壁と回転外部壁とで密閉されている。海底に連結された流体ラインからトロイダルチャンバへ炭化水素を供給する第１のガイドが固定内部壁に設けられている。炭化水素を船上の製品パイプへ転送するための他のガイドが回転外部壁に設けられている。

トロイダルチャンバを２つの壁の間に画成するために、内部壁及び外部壁は、それらの円筒表面が近接して位置するように配置され、トロイダルチャンバの両側に、両壁の隣接する円筒表面間に比較的小さい上部環状ギャップ及び下部環状ギャップが形成されるように配置される。当該技術分野では、これらのギャップは「シール押し出しギャップ」としても知られている。

如何なる漏れも阻止するために、これらのギャップはシール素子によって密閉される。これらのシール素子は通常Ｕ字型又はＶ字型の弾性的に変形可能な封止リングを備える。

制限されたガス含有量の液体又は原油を処理するスイベルの封止はトロイダルチャンバの両側で２重封止装置によって達成することもできる。第１又は一次シールはトロイダルチャンバに最も近接して位置し、全圧力を受ける。第２又は二次シールは第１又は一次シールから少し離れて位置し、第１又は一次シールが壊れた場合にバックアップを提供する働きをする。

スイベルが高いガス含有量の原油又はガスの転送に使用されるとき、シール押し出しギャップを封止することは更に難しくなる。その理由は流体の粘土が低いためであり、漏れた場合には火災や爆発の危険がある。これらの用途に対しては通常２対の対面シールが使用される。気密性を保証するためにこの２対のシール内に液体の障壁が密閉すべき流体よりも高い圧力で維持される。

既知のスイベルでは、ギャップは最小の隙間を有するように設計される。しかしながら、スイベルの内部壁及び外部壁の可能な偏位によって２つのスイベル要素が接触して両要素の相対的な回転を妨げられないように最小のギャップ幅を維持しなければならない。

圧力の影響による内部壁及び外部壁の可能な変形を最小にするために、既知のスイベルの壁は２ｍの直径を有するスイベルに対して２４０ｍｍまでの壁厚を有する鋳鋼からなる。このように重厚な内部壁及び外部壁によって変形は防止される。これらの手段の結果、２ｍの直径を有するスイベルは２０トン以上の重量になり得る。

スイベルを設計する際には、内部壁及び外部壁の変形を最小にする必要があるのみならず、応力が圧力容器基準により課される限界値内に維持されるように設計する必要もある。

スイベルに供給される炭化水素は多くの場合２０〜１２０℃程度の温度を有する。流体の輸送中、特にスイベルが外部気象状態にさらされ、風がスイベルの外部壁に直接当たるとき、外部壁は外気によって冷却される。外部壁に反して、内部壁は比較的高温のままとなる。内部壁と外部壁の温度差は２つのスイベル要素の間の環状ギャップの変形を生じる。というわけで、初期押し出しギャップのサイズはこれらの温度差を許容するように選択しなければならない。

内部壁及び外部壁の温度差は、スイベル経由で輸送される流体が極めて低温であるときにも重要になり、これはＬＰＧ，ＬＮＧ，ＣＯ_２及び他の任意の低温又は極低温流体などの液化ガスを輸送し得るスイベルの場合である。

押し出しギャップの寸法の変化を最小にするために、外部壁はゴムなどの適切な絶縁材料で絶縁することができる。しかしながら、スイベルは通常は単一の素子として使用されないで、スイベルパックを構成するために上下に積み重ねられることに注意すべきである。これらの絶縁処理は得られるスイベルスタックの複雑にし、スイベルスタックの検査を更に複雑にする。

変形を防止する別の解決方法はスイベルの入口及び出口の周囲に補強材を付加することである。これらの補強材はスイベル及び得られるスイベルスタックに追加の重量を加えることになる。

国際特許出願公開第９８／３１９６３号

従って、本発明の目的は、従来技術によるスイベルの欠点及び制限を考慮して、圧力変化に比較的不感応で、比較的軽量の構造体を用いて高圧流体を輸送するために使用できる高圧スイベル用として構成し得る改良されたスイベルを提供することにある。

本発明の他の目的は、内部壁及び外部壁の温度変動が低減されるようにした高圧流体輸送用スイベルを提供することにある。

本発明の他の目的は、スイベルスタックを構成するために他のスイベルと組み合わせることができるスイベルを提供することにある。

本発明の他の目的は、本発明によるスイベル及びスイベルスタックを用いてタレット構造を構成することを可能にすることにある。

本発明の第１の態様によれば、本発明は、海底に連結された流体ラインの端部と流体移送用の船の上の製品パイプとの間で回転界面を横切って流体を移送し得る流体スイベルに関し、前記スイベルは内部環状壁及び外部環状壁を備え、前記内部環状壁及び外部環状壁はそれらの隣接円筒表面が近接して位置し、前記内部環状壁及び前記外部環状壁がそれらの周囲対向表面間に流体受け入れチャンバを画成するよう配置され、前記チャンバへの流体供給を可能にするために、前記内部環状壁及び前記外部環状壁の一方が前記チャンバに向かってこの壁を貫通する前記流体ラインの端部に結合され、前記スイベルの他方の環状壁が前記製品パイプに結合され、この他方の環状壁には前記チャンバからの流体を前記製品パイプに輸送するためのダクトが設けられており、前記スイベルの少なくとも一部分が繊維強化ポリマを備え、前記スイベルの内部及び外部環状壁の少なくとも一つは第１の材料からなる第１の要素及び第２の材料からなる第２の要素を備え、前記第２の材料は繊維強化ポリマを含む前記スイベルにおいて、前記第２の要素は、元の内部環状壁又は外部環状壁の体積の一部分に取って代わる挿入体として形成され、前記挿入体は前記第１の要素によって受け取られると共に前記第１の要素に固定手段によって固定されることを特徴とする。

上記スイベルが、炭化水素回収プロセスが最適になるようにタンク圧力を維持するために使用される水注入スイベルなどの流体注入スイベルである場合には、流体は専用注入井に注入するために上甲板設備からスイベルスタックを経て海中経路に供給される。このような場合には、流体はパイプからチャンバへ供給され、次いでチャンバから注入井で終端するライザーダクトへ輸送される。

本明細書においては「高圧」という語を使用している。本発明の目的のためには、この用語「高圧」は５０バール以上の圧力を含むことを意図している。更に、用語「流体」は液体状又は気体状の流体を含むものと理解すべきである。

本発明の好適実施例によれば、前記スイベルの少なくとも外側部分は繊維強化ポリマを備える。

本発明の好適実施例によれば、前記スイベルは炭素繊維強化ポリマ（ＣＦＲＰ）を備える。

これらの手段の効果は、炭素繊維強化ポリマ（ＣＦＲＰ）などの繊維強化ポリマは極めて高いヤング率及び極めて高い降伏強さを有するものを得ることができることにある。これらの特性は高いスチフネス及び強度を提供する。前記スイベルの外側部分に炭素繊維強化ポリマなどの繊維強化ポリマを使用することによって、前記外側部分の壁厚を大幅に減少させることができる。この利点の重要な点は、壁厚の減少によってスイベルの外側部分の鋳造の欠陥が減少することにある。更に、壁厚の減少によってその寿命中におけるスイベルの適切な非破壊検査の可能性が向上する。

他の関連する利点は、壁厚の減少はスイベルの重量の減少をもたらすことにある。この重量の減少は支持体、ボルト留め及びベアリングなどの関連する構造要素のサイズ及び重量に直接影響し、これらの要素は使用中減少した関連する力にさらされることになる。

繊維強化ポリマを用いる追加の利点は、例えば炭素繊維強化ポリマは極めて高い疲労抵抗及び腐食抵抗を有することが知られていることにある。

本発明によれば、前記スイベルはガラス繊維強化ポリマ（ＧＦＲＰ）を備えるものとし得る。

本発明によれば、前記スイベルはアラミド繊維強化ポリマ（ＡＦＲＰ）を備えるものとし得る。

本発明によれば、前記内部壁及び外部壁の間に画成されるチャンバは基本的にトロイダル形状であるものとし得る。

本発明の第２の態様によれば、本発明は、回転界面によって船を固定流体ダクトの端部に結合すること及び前記船上の製品パイプ、水注入器及び／又はガス注入器を前記固定流体ダクトに結合することができる流体移送用のタレット構造に関し、前記タレット構造は本発明によるスイベルを備えることを特徴とする。

本発明の第３の特徴によれば、本発明は船に関し、この船は本発明によるタレット構造を備えることを特徴とする。

図面を参照して本発明を以下に詳細に説明する。

従来技術によるスイベルを示す。 本発明による生産スイベルの第１の実施例を示す。 本発明によるパイプスイベルの一実施例を示す。 スイベルの壁の第１の要素と、異なる材料からなる第２の要素との接合部の可能な一例を示す。

炭化水素用の生産船には、炭化水素を船へ輸送するための固定ダクトの端部に対して船を回転可能にするためにタレットが設けられている。炭化水素をこの固定ダクトから船上の製品パイプへ移送することを可能にするために、タレットにはスイベルスタックが設けられ、このスタック内の各スイベルは固定ダクトと船との間の流体密連結のために使用される。

図１は従来技術によるスイベルを示す。スイベル１は内部環状壁２及び外部環状壁３を備え、これらの内部及び外部環状壁はそれらの隣接する円筒表面４，５が近接して位置するように配置される。内部環状壁及び外部環状壁はトロイダルチャンバ６を画成するとともにそれらの周囲対向面４，５間に上部ギャップ７及び下部ギャップ８を画成する。

内部壁２は固定ダクトの端部に結合され、この固定ダクトは炭化水素をトロイダルチャンバ６へ供給するためにガイド９を経て内部壁２を貫通する。スイベル１の外部壁３はベアリング１２によって内部壁２に回転自在に連結される。スイベル１の環状外部壁３にはトロイダルチャンバ６から炭化水素を船上の製品パイプへ輸送するためにダクト１０が設けられる。

内部壁２及び外部壁３の間の上部ギャップ７及び下部ギャップ８はＵ字形又はＶ字形の弾性的に変形可能な封止リング１４，１５などのシールによって封止される。

図１によるスイベル１は、特に高圧用に対しては、一般に二相合金(duplex)又はスーパー二相合金(super duplex)で製造される。スイベル１内の高い圧力に耐えるために壁２及び３の壁厚は非常に大きくなるために、スイベル１の製造中にスイベル１の外側部分の鋳造に欠陥を生じやすい。

図２において、本発明によるスイベル４０の一つの可能な実施例を示す。スイベル１と同様に、スイベル４０は炭化水素を受け入れるために両壁間にトロイダルチャンバ６０を画成する内部壁２０及び外部壁３０を備える。炭化水素は固定ダクト及び内部壁２０の一部を構成するガイド４９を経て供給される。炭化水素はチャンバ６０からガイド５０を経て船の甲板上の製品パイプの方向に輸送される。

図２に示すように、外部壁３０の一部分は、図１に示すスイベルの元の外部壁３の体積の一部分に取って代わる挿入体３２によって形成される。挿入体３２は壁要素３１によって受け取られる。挿入体３２は壁要素３１の上にプレート３３及びボールド(bold)３４のような固定手段によって固定される。

図２によれば、壁要素３１は、例えば二相合金又はスーパー二相合金のような第１の要素からなる。挿入体３２は、例えば炭素繊維強化ポリマなどの繊維強化ポリマで製造される。スイベル４０の外部壁３０を製造するために２つの異なる材料を使用することによって、スイベル４０の総重量が従来技術によるスイベル１に比較して大幅に減少される効果が得られる。

図２には、本発明による第１の実施例が示されている。内部壁２０又は外部壁３０のいずれかの別の部分を繊維強化ポリマからなる要素又は挿入体と置き換えることもできる。

図３には、本発明によるパイプスイベル５０の可能な実施例が示されている。パイプスイベルジョイントはいくつかの長さの金属パイプを相互連結して２つの場所の間に関節流体導管を形成するために一般に使用されている。パイプスイベルジョイントは海底上の海底ステーションとブイ又は他の海面浮遊設備、例えば海洋タンカー用のオフショア係留積出しターミナルとの間に延在する製品流路に使用される。この目的に使用されるスイベルジョイントは、絶え間ない運動、腐食環境及び比較的高い外部静水圧の影響を受け、それらは外部漏れにより海洋環境を汚染してはならず、また内部漏れにより流路内の製品を汚染してはならない。図３は、１対のパイプ１１０及び１２０を連結するためのスイベルジョイント５０を示し、ジョイント５０は環状内部壁１６０、内部壁１６０を取り囲む環状外部壁１７０及び内部壁１６０及び外部壁１７０を回転自在に相互連結する複数のベアリング１８０を備える。外部壁１７０は、複数のキャップネジ２２０（一つのみを示す）によってスリーブ状要素１７０ｂに固定された半径方向内向き突出フランジ１７０ａを含む。内部壁１６０は半径方向外向き突出フランジ１６０ａを含む。ベアリング１８０は、要素１６０の外面１６０ｂ、要素１７０ｂの内面１７０ｃ及び要素１６０，１７０間の１対のダイナミックシール２９０，３００によって画成されるベアリングレースチャンバ２８０内に存在する。ダイナミック流体シール２９０は内向き突出フランジ１７０ａと内部壁１６０の隣接端との間の機能的位置に保持され、ダイナミック流体シール３００は同様に外向き突出フランジ１６０ａと外部壁１７０の隣接端との間に保持される。

内部壁１６０の一部分はスイベルの元の外部壁１６０の体積の一部分に取って代わる挿入体３２０により形成され、挿入体３２０は壁要素１６１により受け取られる。挿入体３２０は要素１６１の上にプレート３３０及びボールド(bold)３４０のような固定手段によって固定される。

図３によれば、図２と同様に、壁要素３１０は第１の要素からなり、挿入体３２０は、例えば炭素繊維強化ポリマなどの繊維強化ポリマで製造される。スイベル５０の内部壁１６０を製造するために２つの異なる材料を使用することによって、スイベル５０の総重量が従来技術によるスイベル１に比較して大幅に減少される効果が得られる。

図３には本発明によるパイプスイベルの第１の実施例が示されている。外部壁１７０又は内部壁１６０のいずれかの別の部分を繊維強化ポリマからなる要素又は挿入体と置き換えることもできる。

図４には、スイベルの壁の第１の要素７１とスイベルの壁の第２の材料からなる第２の要素７２との一つの可能な接合部が示されている。図３によれば、第１の要素は、例えば二相合金又はスーパー二相合金で製造される。第２の要素７２は炭素繊維強化ポリマなどの繊維強化ポリマで製造される。２つの要素７１，７２の間の適切な接合を得るためには、第１の要素７１の露出表面に中間層７３を接合するのに適切な清浄度及び粗さが得られるように第１の要素の露出表面を適切に下処理する必要がある。第２の要素７２は第１の要素７１に、例えばガラス繊維中間層であるこの中間層７３によって接合される。

Claims (12)

1. １対の流体移送用パイプを結合する回転界面を横切って流体を移送し得るパイプスイベル（４０，５０）であって、前記スイベルは内部環状壁（２０，１６０）及び該内部環状壁を取り囲む外部環状壁（３０，１７０）を備え、前記内部及び外部環状壁はそれらの隣接円筒表面が近接して位置し、チャンバ（６０）を画成するように配置され、２地点間で回転可能な流体導管を形成するために前記内部環状壁（２０，１６０）及び外部環状壁（３０，１７０）を回転自在に相互連結するベアリングが存在し、前記スイベル（４０，５０）の少なくとも一部分が繊維強化ポリマを備え、前記スイベル（４０，５０）の内部及び外部環状壁（２０，１６０，３０，１７０）の少なくとも一つは第１の材料からなる第１の要素（３１，７１）及び第２の材料からなる第２の要素（３２，３２０）を備え、前記第２の材料は繊維強化ポリマを含む前記スイベルにおいて、前記第２の要素は、元の内部環状壁又は外部環状壁の体積の一部分に取って代わる挿入体として形成され、前記挿入体は前記第１の要素によって受け取られると共に前記第１の要素に固定手段によって固定されることを特徴とするパイプスイベル（４０，５０）。
2. 海底に連結された流体ラインの端部と流体の移送用の船の上の製品パイプとの間で回転界面を横切って流体を移送し得る流体スイベル（４０，５０）であって、前記スイベルは内部環状壁（２０，１６０）及び外部環状壁（３０，１７０）を備え、前記内部環状壁及び外部環状壁はそれらの隣接円筒表面が近接して位置し、前記内部環状壁及び前記外部環状壁がそれらの周囲対向表面間に流体受け入れチャンバ（６０）を画成するように配置され、前記チャンバ（６０）への流体供給を可能にするために前記内部環状壁及び前記外部環状壁の一方（２０，１６０）が前記チャンバ（６０）に向かってこの環状壁を貫通する前記流体ラインの端部に結合され、前記スイベルの他方の環状壁（３０，１７０）が前記製品パイプに結合され、この他方の環状壁には前記チャンバからの流体を前記製品パイプに輸送するためにダクトが設けられており、前記スイベル（４０，５０）の少なくとも一部分が繊維強化ポリマを備え、前記スイベル（４０，５０）の内部及び外部環状壁（２０，１６０，３０，１７０）の少なくとも一つは第１の材料からなる第１の要素（３１，７１）及び第２の材料からなる第２の要素（３２，３２０）を備え、前記第２の材料は繊維強化ポリマを含む前記スイベルにおいて、前記第２の要素は、元の内部環状壁又は外部環状壁の体積の一部分に取って代わる挿入体として形成され、前記挿入体は前記第１の要素によって受け取られると共に前記第１の要素に固定手段によって固定されることを特徴とする流体スイベル（４０，５０）。
3. 前記スイベル（４０，５０）の少なくとも外側部分は繊維強化ポリマを備える、請求項１又は２記載のスイベル（４０，５０）。
4. 前記スイベル（４０，５０）は炭素繊維強化ポリマ（ＣＦＲＰ）を備える、請求項１，２又は３記載のスイベル（４０，５０）。
5. 前記スイベル（４０，５０）はガラス繊維強化ポリマ（ＧＦＲＰ）を備える、請求項１，２又は３記載のスイベル（４０，５０）。
6. 前記スイベル（４０，５０）はアラミド繊維強化ポリマ（ＡＦＲＰ）を備える、請求項１，２又は３記載のスイベル（４０，５０）。
7. 前記内部環状壁（２０，１６０）及び外部環状壁（３０，１７０）の間に画成される前記チャンバ（６０）は基本的にトロイダル形状である、請求項２−６のいずれかに記載のスイベル（４０，５０）。
8. 前記スイベル（４０，５０）は高圧スイベルである、請求項１−７のいずれかに記載のスイベル（４０，５０）。
9. 前記スイベル（４０，５０）は水注入スイベルである、請求項２−７のいずれかに記載のスイベル（４０，５０）。
10. 前記スイベル（４０，５０）はガス注入スイベルである、請求項２−７のいずれかに記載のスイベル（４０，５０）。
11. 回転界面によって炭化水素の生産又は貯蔵用の船を固定流体ダクトの端部に結合すること及び前記船上の製品パイプ、水注入器及び／又はガス注入器を前記固定流体ダクトに結合することができるタレット構造において、前記タレット構造は請求項１−１０のいずれかに記載のスイベルを備えることを特徴とするタレット構造。
12. 請求項１１記載のタレット構造を備えることを特徴とする船。

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