NO309933B1 - Flerløps svivel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en roterende koplingsanordning for sammenkopling mellom et antall stigerør som er opphengt i en neddykket bøye, og et rørsystem på et flytende fartøy for produksjon av hydrokarboner, omfattende en svivelenhet bestående av to konsentriske sviveldeler i form av en hanndel og en hunndel som avgrenser innbyrdes avtettede ringrom som kommuniserer med tilhørende fluidbaner mellom de aktuelle stigerør og rørsystemet på fartøyet, idet hanndelen omfatter et antall rørløp med øvre ender som er forbundet med respektive ringrom, og nedre ender som kommuniserer med de respektive stigerør, og idet hunndelen er innrettet for ikke-roterbar fastgjøring til fartøyet.

En roterende koplingsanordning som omfatter samvirkende sviveldeler av ovennevnte type, er eksempelvis kjent fra de norske patenter nr. 177 780 og 177 778. Disse patenter beskriver et system for offshore-produksjon av hydrokarboner ved hjelp av et fartøy som er innrettet for hurtig tilkopling til og fråkopling fra en neddykket bøye, hvor bøyen er av den type som omfatter en bunnforankret senterdel som er forbundet med et antall stigerør som strekker seg opp til bøyen, og en på senterdelen roterbart lagret, ytre oppdriftsdel som kan innføres og låses i et neddykket, nedad åpent opptaksrom i fartøyet. Ved bøyens øvre ende er det anordnet en roterende koplings- eller svivelanordning av den angitte type, hvor sviveldelene avgrenser innbyrdes avtettede ringrom som kommuniserer med tilhørende fluidbaner i sviveldelene, for overføring av prosessfluid og eventuelle injeksjonsfluider mellom stigerørene og et rørsystem på fartøyet. Hunnsviveldelen er permanent festet til bøyens senterdel mens hanndelen er tilkoplet til en manøveranordning på fartøyet, slik at sviveldelene kan innføres i og uttrekkes fra hverandre ved hjelp av manøveranordningen, idet sviveldelene i sammenkoplet tilstand avgrenser de nevnte ringrom. På hver side av ringrommene er det sørget for tetningsanordninger som kan aktiveres ved hjelp av et trykkfluid for å danne tetning mellom ringrommene, og som kan avlastes ved innbyrdes fråkopling av sviveldelene.

Koplingsanordningen ifølge ovennevnte patenter er konstruert for anvendelse i forbindelse med bøyer som opptar et lite antall stigerør ("risere"), nærmere bestemt tre stigerør, f.eks. ett for brønnstrøm, ett for vanninjeksjon og ett for gassinjeksjon. Denne konstruksjon er mindre praktisk og velegnet når det dreier seg om anvendelse i forbindelse med bøyer som opptar et større antall stigerør. Den kjente løsning ville da medføre en forholdsvis komplisert og plasskrevende hunn-delkonstruksjon, og dette ville være lite økonomisk og praktisk ettersom hver bøye ville måtte være utstyrt med en slik hunndel med det nødvendige antall fluidbaner.

Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en roterende koplingsanordning som er egnet for innbygging av et forholdsvis stort antall fluidbaner eller rørløp, for anvendelse i forbindelse med bøyer med et tilsvarende antall stigerør.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en sådan koplingsanordning som har forholdsvis enkel og kompakt konstruksjon, samtidig som den tillater raskt fråkopling og også forholdsvis rask tilkopling til den aktuelle bøye.

Ovennevnte formål oppnås med en roterende koplmgsanordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at rørløpene utgjøres av aksialt forløpende rør som ved sine nedre ender omfatter en anordning for løsbar sammenkopling med fluidbaner som leder til de respektive stigerør, idet fluidbanene er anordnet i en tykkvegget topplate som er innrettet til å festes til toppen av bøyen, og som ved fluidbanenes nedre ender omfatter en anordning for løsbar sammenkopling med øvre ender av rør som leder til stigerørene.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et aksialt lengdesnitt av en roterende koplingsanordning ifølge oppfinnelsen, fig. 2A og 2B viser området A på fig. 1 i forstørret målestokk, med alternative utførelser av tetningsanordninger, fig. 3 viser et delvis gjennomskåret sideriss av en bøye med en såkalt trompetmunning for styring av stigerør som er opphengt i bøyen, fig. 4 viser et skjematisk snitt-sideriss av styreanordningen på fig. 3, fig. 5 viser stigerørarrangementet ifølge fig. 3 sett ovenfra, fig. 6 viser styreanordningen på fig. 4 sett nedenfra, og fig. 7 er et ufullstendig snittriss som mer i detalj viser opphengningsarrangementet for stigerørene i en bøye.

Den på fig. 1 viste, roterende koplingsanordning eller "konnektor" 1 ifølge oppfinnelsen er vist montert på toppen av en bøye av hvilken bare en detalj av et øvre parti av en sentral del 10 av bøyen er vist på figuren, men hvor bøyen forutsettes å være innført og løsbart fastgjort i et opptaksrom (ikke vist) i et fartøy for produksjon/behandling av hydrokarboner. Bøyen forutsettes å være en neddykket, såkalt STL- eller STP-bøye (hvor STL og STP er forkortelser for henholdsvis "Submerged Turret Loading" og "Submerged Turret Production"). For nærmere beskrivelse av bøyer av den aktuelle type kan det eksempelvis henvises til de norske utlegningsskrifter nr. 175 419 og 176 130.

Det viste parti av den sentrale del 10 av bøyen avgrenser et rom 11 for opptakelse av det aktuelle antall stigerør eller "risere". I det foreliggende tilfelle forutsettes bøyen å oppta atten risere, nærmere bestemt tolv 6" risere og seks 9" risere som er anordnet i det mønster som er vist på fig. 5. Rommet 11 forutsettes da å ha en diameter på ca. 2,7 m.

På fig. 1 er det vist fire risere 12, og disse er opphengt i en opphengsplate 13 i bøyens sentrale del. Ved sin øvre ende er hver riser forsynt med en separat ventil 14. Ved toppen av bøyen er det anordnet en tykkvegget topplate 15 som er fastboltet til bøyens sentrale del 10. I platen er det anordnet passasjer eller rørløp 16 i et antall som svarer til antallet av risere 12 i bøyen, for fluidoverføring mellom riserne og den roterende koplingsanordning 1. Ved fluidbanenes nedre ender omfatter topplaten 15 en anordning for løsbar sammenkopling med de øvre ender av rørstusser 17 som rager opp fra de respektive ventiler 14. For dette formål er rørløpenes 16 utløp utformet som muffeåpninger 18 for tettende opptakelse av rørstussenes 17 øvre endepartier, ved aksial innføring av rørstussene i muffeåpningene.

Den roterende koplingsanordning 1 omfatter i hovedsaken en svivelenhet som består av to konsentriske sviveldeler i form av en hanndel 20 og en hunndel 21 som ved en grenseflate mellom sviveldelene avgrenser innbyrdes avtettede ringrom 22 i et antall som svarer til det aktuelle antall risere 12. Ringrommene 22 står på den ene side i forbindelse med passasjene 16 i topplaten 15 via rørløp som er anordnet i hanndelen 20 på den nedenfor beskrevne måte, og på den annen side i forbindelse med det ikke viste rørsystem på fartøyet via tilhørende utløp 23 i hunndelen 21. Fra hvert ringrom er det hensiktsmessig anordnet to utløp (bare ett er vist), for å redusere den totale svivelhøyde. I det viste tilfelle kan koplingsanordningen ha en total høyde på ca. 6-7 m, og en diameter på ca. 1,5 m. Ledningsforbindelsene mellom rørsystemet og utløpene fra ringrommene kan hensiktsmessig bestå av fleksible slanger som er anordnet på en slik måte at den roterende koplingsanordning 1 kan flyttes (ved hjelp av en passende manøveranordning) mellom den på fig. 1 viste driftsstilling og en parkeringsstilling ved siden av denne.

Slik det vil være klart, forutsetter den permanente forbindelse mellom rørsystemet på fartøyet og hunndelens utløp fra ringrommene 22 at hunndelen er ikke-roterbart festet til fartøyet.

Koplingsanordningens hanndel 20 omfatter et antall aksialt forløpende rør eller rørløp 24 som ved sine øvre ender er forbundet med respektive ringrom 22, og som munner ut på hanndelens underside og ved sine nedre ender omfatter en anordning for løsbar sammenkopling med fluidbanene 16 i bøye-topplaten 15. Denne anordning består av en rørskjøtanordning som svarer til anordningen på topplatens underside, og de nedre ender av rørene 24 er således tilpasset for tettende, aksial innføring i respektive muffeåpninger 25 ved de øvre utløp av rørløpene 16.

Rørene eller rørløpene 24 er hensiktsmessig anordnet i det samme mønster som riserne 12, altså slik som vist på fig. 5 i den foreliggende utførelse, dvs. en ytre, sirkulær krets bestående av tolv rør eller rørløp, og en indre, sirkulær krets bestående av seks rør.

I den viste utførelse omfatter svivelenheten en nedre lavtrykksdel 26 som består av en hanndel 27 og en hunndel 28, og en øvre høytrykksdel 29 som har mindre diameter enn lavtrykksdelen og består av en hanndel 30 og en hunndel 31. Den nedre dels hanndel 27 er dannet av et rørformet legeme (fortrinnsvis av stål) i hvilket den ytre krets av rørløp 24 består av aksiale boringer, og i hvilket den indre krets av rør 24 er anordnet langs omkretsen av legemets sentrale, sirkelsylindriske rom 32. Rørene 24 i den indre krets går ved sine øvre ender over i de tilsvarende rørløp 33 som er dannet i et rørformet legeme som utgjør den øvre dels hanndel 30.

De nedre og øvre sviveldeler 26 og 29 er løsbart sammenkoplet i en grenseflate i hvilken det er sørget for en anordning for løsbar sammenkopling av rørene 24 i den nedre del 26 med de tilsvarende rør eller rørløp 33 i den øvre del 29. På tilsvarende måte som de foran omtalte sammenkoplingsanordninger utgjøres denne anordning av en rørskjøtanordning i hvilken de øvre ender av rørene 24 er aksialt innført i respektive muffeåpninger 34 som er dannet ved de nedre utløp av rørløpene 33, slik det er tydeligere vist på fig. 2A og 2B.

For den innbyrdes avtetning av ringrommene 22 er det mellom disse, og på utsiden av de ytterst beliggende ringrom, anordnet respektive tetningsanordninger 40. Disse tetningsanordninger representerer en videreutvikling av de tetninger som er vist og beskrevet i de imuedningsvis omtalte patenter. Alternative utførelser av tetningsanordningene er nærmere vist på fig. 2A og 2B som viser forstørrede riss av området A på fig. 1.

For å få full kontroll over klaringer i alle tetningsflater, og oppnå en fullstendig trykkbalansert tetningsanordning, er tetningen delt opp i en statisk og en bevegelig del.

Slik det fremgår av fig. 2A, er svivelenhetens hunndel 28, 31 på hver side av hvert ringrom 22 forsynt med et periferisk forløpende ringspor 41 som opptar et ringelement 42 som er glidbart og begrenset radialt bevegelig i ringsporet. Ringelementet 42 har i den viste utførelse en tykkelse som gjør at det strekker seg noe utenfor ringsporet 41. På oversiden og undersiden har ringelementet flenskanter som strekker seg inn i gapet mellom hanndelen 30 og hunndelen 31.1 ringsporet 41 er det anordnet en statisk tetningsanordning omfattende to leppetetninger 43 for statisk tetning mellom ringelementet 42 og hunndelen når koplingsanordningen er i drift. Like overfor ringelementet er det også i hanndelen 27, 30 anordnet et ringspor 44 som opptar to leppetetninger 45 for ved drift å danne dynamisk tetning mellom hanndelen og ringelementet.

I hanndelens 27, 30 ringspor 44 er det sentralt anordnet en fordypning eller et monteringsspor 46 som benyttes ved montering av lite elastiske tetningselementer 45, dvs. tetningselementer som ikke har tilstrekkelig stor fleksibilitet til å kunne strekkes over hanndelen og inn i sitt spor. Etter at tetningselementene er satt på plass, som vist på fig. 2A, lukkes fordypningen ved hjelp av en lagerflatering 47. Både ringelementet 42 og lagerflateringen 47 er laget av stål og består typisk av to ringhalvdeler som er skrudd sammen.

Både de statiske og de dynamiske tetningsanordninger kan aktiveres hydraulisk ved hjelp av en barrierevæske (f.eks. hydraulikkolje) som har høyere trykk enn prosessfluidtrykket og som tilføres til ringsporet. Barrierevæsken tilføres på ikke nærmere vist måte fra fartøyet til hunndelen som inneholder kanaler (ikke vist) for tilførsel av væsken til de forskjellige ringspor. Ved at barrierevæsken har høyere trykk enn prosessmediumtrykket, kontrolleres lekkasje over koplingen, og man kan til enhver tid måle tilstanden til de forskjellige tetninger, og foreta planlagt utskifting av elementer før en lekkasje blir kritisk. Ringelementet 42 vil være trykkutliknet ved at det på motsatte sider er omgitt og påvirket av barrierevæske, og på over- og undersiden er i kontakt med det medium som det skal tettes mot.

Fig. 2B viser alternative utførelser av tetningsanordningene. Som vist øverst på fig. 2B, er de statiske leppetetninger 48 dreid 90° i forhold til utførelsen på fig. 2A, og vender radialt utover med sin U-formede åpning. Det oppnås da en sikker tetning selv ved stort gap mellom hann- og hunndelen (delene trykkes fra hverandre ved høyt trykk). Låseeffekten mellom de statiske tetninger og ringelementet 49 er imidlertid svekket i denne utførelse, og for å hindre relativ bevegelse mellom hunndelen 31 og ringelementet 49, vil det mellom disse i en foretrukket utførelse være anordnet tapper og spor (ikke vist) som hindrer rotasjonsbevegelse.

Nederst på fig. 2B er det vist en tredje utførelsesform hvor hanndelen 27 er forsynt med to separate spor 50 for de dynamiske tetningselementer 45. Denne utførelse forutsetter at det benyttes tetningsringer som er noe elastiske, slik at de kan tøyes noe i forbindelse med monteringen i de respektive spor 50.

Ved betraktning av fig. 2 vil det innses at klaringen mellom de bevegelige tetningsflater er konstant, og uavhengig av prosessmediumtrykket og trykket i barrierevæsken, idet det samme trykk virker på begge sider av ringelementet 42 hhv. 49. Med den viste løsning kan det benyttes ulike tetnings- eller pakningselementer, av forskjellig form og forskjellige materialer, tilpasset til forskjellige medier og miljøer i de forskjellige passasjer eller løp i den samme kopling. Ved å tilpasse ringelement og spor kan man benytte den type tetningsring som viser seg å være best egnet for hvert konsept.

På fig. 2 er også rørskjøtanordningen for sammenkopling av rørløpene i de øvre og nedre deler av svivelenheten vist mer detaljert. I den viste utførelse består hver skjøtanordning av en standard rørskjøt hvor den øvre ende av hvert rør 24 er forsynt med ringspor for opptakelse av tetningsringer eller pakninger 51 for tetning mot innerveggen av den respektive muffeåpning 34 i den motsatte grenseflate.

De foran omtalte sammenkoplingsanordninger, nærmere bestemt mellom den roterende koplingsanordning og bøyens topplate 15, og mellom topplaten og rørene 17 fra riserventilene, utgjør også kritiske rørskjøter, og disse kan også bestå av standard rørskjøter av tilsvarende utførelse som rørskjøtene mellom de øvre og nedre sviveldeler.

Slik det fremgår av fig. 1, omfatter svivelenhetens hanndel 20 (eller 27, 30) en sentral, aksial passasje 52 som delvis utgjøres av den sentrale del av det sylindriske rom 32 i hanndelen 27. Denne passasje er beregnet for opptakelse av kabler (ikke vist) for signal- og kraftoverføring. Disse kabler (innbefattet hydrauliske ledninger) er tilkoplet til en elektrohydraulisk svivel (ikke vist) som er anordnet på toppen av svivelenheten, og til en kontaktanordning som er antydet ved 53 ved bunnen av svivelenheten. Den elektrohydrauliske svivel er av kommersielt tilgjengelig type, f.eks. en såkalt "Focal"-svivel.

Som man vil forstå, vil topplaten 15 i praksis også være forsynt med de nødvendige anordninger for viderekopling av de aktuelle signalledninger og kabler via bøyen til den aktuelle undersjøiske installasjon.

Som vist på fig. 1, omfatter bøyens topplate 15 en flenskant 54 for fastspenning av koplmgsanordningen eller konnektoren 1 ved hjelp av en passende fastspenningsanordning. Fastspenningsanordningen består av to i og for seg kjente kneleddanordninger 55 som opereres ved hjelp av hydrauliske sylindere 56. Videre er den nedre hanndel 27 ved sin nedre ende forsynt med et utragende flensparti 57 for dreibar understøttelse av hunndelen 28 via en glidelagerring 58. På tilsvarende måte er den øvre hanndel 30 forsynt med et utragende flensparti 59 for dreibar understøttelse av den øvre hunndel 31 via en glidelagerring 60.

Den foreliggende roterende koplingsanordning er konstruert for bruk på permanent plasserte produksjonsskip. Fråkopling av bøyen fra koplingsanordningen kan skje raskt, men tilkopling vil være noe mer tidkrevende. Ved sammenkopling av koplingsanordningen og bøyen er det åpenbart at disse må være riktig orientert i forhold til hverandre. Dette gjøres ved at hanndelen 20 roteres til riktig posisjon ved hjelp av en tørnemaskin.

Et aktuelt arrangement for riserne i forbindelse med en bøye er vist på fig. 3. Figuren viser et delvis gjennomskåret riss av en STP-bøye 65 som på vanlig måte består av en ytre oppdriftsdel 66 som er roterbart lagret på en indre eller sentral bøyedel 67 som er forankret til havbunnen ved hjelp av ankerliner 68.1 den sentrale bøyedel 67 er det montert en såkalt trompetmunning ("bellmouth") 69 som er vist henholdsvis i skjematisk snittriss og i grunnriss på fig. 4 og 6. Fig. 5 viser riserarrangementet på fig. 3 sett ovenfra. Trompetmunningsanordningen 69 tjener til å spre riserne 70 ved undersiden av bøyen, slik at de ikke kan ligge og slå mot hverandre. Trompetmunningen sikrer også at riserne ikke får en skarp knekk ved innløpet til bøyen. På fig. 3 er det vist inntegnet to 9" risere og én 6" riser 70. Trompetmunningsanordningen 69 kan f.eks. ha en høyde på ca. 15 m, og en diameter ved den nedre ende på ca. 7 m.

Opphengsarrangementet for riserne er vist mer i detalj på fig. 7. De øvre endepartier av riserne 12 er vist opphengt i opphengsplaten 13 i bøyen. Det er her med fordel sørget for passende tetningsanordninger 71 for å kunne kontrollere væske i rommet 11 rundt ventilene 14, på grunn av tilstedeværende, elektriske kontakter.

Montering av riserne foregår ved at hver riser 12 trekkes opp gjennom trompetmunningen 69 og gjennom bøyen opp til en opphengsplate eller opphengsring (ikke vist) i fartøyet. Deretter påmonteres riserventilen 14, og riseren senkes ned i bøyen slik at riseren henges av og festes til opphengsplaten 13. Riserne trekkes opp etter tur og monteres på denne måte. Etter avsluttet montering av riserne kontrolleres eventuell væske i rommet rundt ventilene, hvoretter bøyens topplate fastboltes på toppen av bøyen.

Ved vedlikehold eller reparasjon av ventilene kan man på tilsvarende måte trekke riserne opp i fartøyet og utføre det aktuelle vedlikeholdsarbeid.

Claims (10)

1. Roterende koplingsanordning for sammenkopling mellom et antall stigerør (12) som er opphengt i en neddykket bøye, og et rørsystem på et flytende fartøy for produksjon av hydrokarboner, omfattende en svivelenhet bestående av to konsentriske sviveldeler (20, 21) i form av en hanndel (20) og en hunndel (21) som avgrenser innbyrdes avtettede ringrom (22) som kommuniserer med tilhørende fluidbaner (16) mellom de aktuelle stigerør (12) og rørsystemet på fartøyet, idet hanndelen (20) omfatter et antall rørløp (24) med øvre ender som er forbundet med respektive ringrom (22), og nedre ender som kommuniserer med de respektive stigerør (12), og idet hunndelen (21) er innrettet for ikke-roterbar fastgjøring til fartøyet, KARAKTERISERT VED at rørløpene utgjøres av aksialt forløpende rør (24) som ved sine nedre ender omfatter en anordning (25) for løsbar sammenkopling med fluidbaner (16) som leder til de respektive stigerør (12), idet fluidbanene (16) er anordnet i en tykkvegget topplate (15) som er innrettet til å festes til toppen av bøyen, og som ved fluidbanenes (16) nedre ender omfatter en anordning (18) for løsbar sammenkopling med øvre ender av rør (17) som leder til stigerørene (12).

2. Koplingsanordning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at svivelenheten (20, 21) omfatter en nedre lavtrykksdel (26) og en øvre høytrykksdel (29) med mindre diameter enn lavtrykksdelen, idet den nedre dels hanndel (27) omfatter en ytre, sirkulær krets av rør (24) som strekker seg mellom topplaten (15) og respektive ringrom (22) i den nedre del (26), og en indre krets av rør (24, 33) som strekker seg mellom topplaten (15) og respektive ringrom (22) i den øvre del (29).

3. Koplmgsanordning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at den ytre krets av rør (24) omfatter tolv rør, og den indre krets (24, 33) av rør omfatter seks rør.

4. Koplingsanordning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at svivelenhetens hanndel (20) omfatter en sentral, aksial passasje (52) for opptakelse av kabler for signal- og kraftoverføring.

5. Koplingsanordning ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at de nevnte kabler er forbundet med en elektrohydraulisk svivel på toppen av svivelenheten (20,21), og med en kontaktanordning (53) ved bunnen av svivelenheten.

6. Koplingsanordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at anordningen for løsbar sammenkopling av rørenes (24) nedre ender med de nevnte fluidbaner (16) omfatter en rørskjøtanordning i hvilken rørenes (24) nedre ender er tilpasset for aksial innføring i respektive muffeåpninger (25) på oversiden av den tykkveggede plate (15).

7. Koplingsanordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at anordningen for løsbar sammenkopling av fluidbanenes (16) nedre ender med de øvre ender av rør (17) som leder til stigerørene (12), omfatter en rørskjøtanordning i hvilken de øvre rørender er tilpasset for aksial innføring i respektive muffeåpninger (18) på undersiden av den tykkveggede plate (15).

8. Koplingsanordning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at de nedre og øvre sviveldeler (26, 29) er løsbart sammenkoplet i en grenseflate i hvilken det er sørget for en anordning (34) for løsbar sammenkopling av de aksialt forløpende rør (24) i den nedre sviveldel (26) med de tilsvarende rør (33) i den øvre sviveldel (29).

9. Koplingsanordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at hanndelen (20) ved sin nedre ende er forsynt med en anordning (55, 56) for fastspenning av hanndelen (20) til en omkretsflens (54) på den tykkveggede plate (15).

10. Koplingsanordning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at hanndelen (20) ved sin nedre ende er forsynt med et utragende flensparti (57) for glidbar understøttelse av hunndelen (21) via en glidelagerring (58).