УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЪЕМА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ С МОРСКОГО ДНА Российский патент 1995 года по МПК E21C50/00 

Изобретение относится к системам для подводной добычи полезных ископаемых, конкретно к устройствам, использующим для доставки полезных ископаемых со дна морей на водную поверхность эрлифтный или гидравлический способы подъема.

Подводная добыча полезных ископаемых эрлифтным или гидравлическим способом, особенно глубоководная, сложный процесс, который реализуется с помощью добычного комплекса, включающего судно (надводное или подводное), донную добывающую головку, которые соединены между собой трубопроводом.

Известен добывающий комплекс на базе судна "Гломар Эксплорер" компании "Омко", США (Аварийно-спасательные и судоподъемные средства. Л. Судостроение, 1979), которое оснащено трубопроводом, состоящим из цепочки трубных секций, длиной 30 футов (9,14 м), с наружным диаметром 15 дюймов (381 мм) и внутренним, равным 6 дюймам (152 мм), Между собой трубы сочленены резьбовыми муфтами, выдерживающими нагрузку в 20 млн. фунтов (7460 тс). Известный трубопровод предназначен для работы на глубинах от 14000 до 18000 футов (4200-5500 м). Из приведенных выше данных вытекает, что масса одного километра трубопровода составляет 745 т.

Существенным недостатком известного трубопровода является его низкая надежность из-за большой массы, которая обусловлена следующими причинами: стенки всех трубных секций по длине трубопровода имеют одинаковую толщину, которая определяется исходя из максимальных напряжений, возникающих в материале трубных секций, которые располагаются у водной поверхности; параметры винтовых поверхностей для всех элементов трубопровода, т.е. трубных секций и муфт, исходя из обеспечения взаимозаменяемости выполнены с одинаковыми параметрами и исходя из напряжений, которые имеют место в винтовых соединениях, расположенных у поверхности моря.

Другим существенным недостатком является необходимость наличия в обслуживающем палубном комплексе (на судне) мощного затягивающего устройства, так как при сборке трубопровода для надежной передачи нагрузок от одной трубной секции к другой, а также для обеспечения герметичности внутренней плоскости трубопровода от внешней среды, при затяжке винтовых соединений необходимо прикладывать к трубным секциям большой, но стабилизированный по величине крутящий момент.

Ряд указанных недостатков за счет отказа от соединения трубных секций между собой винтовыми поверхностями и частичной разгрузки их материала от растягивающих напряжений, возникающих под действием собственной массы трубопровода, устранен в добычном комплексе. Известное устройство включает судно и донную головку, которые соединены между собой трубопроводом, выполненным в виде трубных секций, взаимосостыкованных посредством шарнирных муфт, и гибкого элемента (троса), расположенного снаружи трубопровода и жестко закрепленного на судне, донной головке и шарнирных муфтах.

Основным существенным недостатком известного устройства (прототипа) является его низкая надежность из-за сложнонапряженного состояния, возникающего в стенках трубных секций и в гибком элементе, и как следствие этого, необходимость повышения массы всего трубопровода для увеличения его надежности. Указанное обусловлено следующими причинами.

В известном трубопроводе невозможно полностью разгрузить материал стенок трубных секций от растягивающих напряжений, возникающих под действием собственной массы трубопровода, так как в процессе сборки трубопровода и тем более при его эксплуатации происходит постоянная вытяжка троса между узлами жесткого крепления шарнирных муфт к тросу, при этом абсолютная величина вытяжки будет возрастать от участка к участку и наибольшего значения достигает на участках, расположенных ближе к судну. Таким образом, в результате вытяжки троса будут возрастать нагрузки на шарнирные муфты и трубные секции, причем в большей степени на те, которые расположены ближе к судну. При достижении определенной величины произойдет либо раскрытие стенки трубной секции, и, как следствие этого, нарушение герметичности внутренней полости трубопровода, т. е. выход его из строя. Для повышения надежности трубопровода необходимо увеличивать толщину стенок трубных секций и прочность шарнирных муфт за счет увеличения массы всего трубопровода.

Одностороннее расположение с наружной стороны трубопровода гибкого элемента (троса), который жестко закреплен на судне, шарнирных муфтах и донной головке, приводит под воздействием массы трубопровода к возникновению изгибающего момента, лежащего в плоскости, проходящей через оси трубопровода и троса.

Наличие изгибающего момента, с одной стороны, приводит в местах крепления шарнирных муфт к тросу к возникновению перерезывающих напряжений, что при наличии растягивающих напряжений приводит к сложнонапряженному состоянию материала прядей троса, и, как следствие, для повышения несущей способности троса требуется увеличение площади его поперечного сечения и, соответственно, массы. С другой стороны, наличие изгибающего момента и шарнирных муфт обусловливает искривление оси трубопровода, при этом участки троса между местами крепления шарнирных муфт к тросу будут представлять хорды. Поэтому чем большую по величине нагрузку от массы трубопровода будет воспринимать односторонне расположенный трос, тем больше будет искривлена ось трубопровода. Прямолинейную ось трубопровода возможно обеспечить только при отсутствии изгибающего момента, т.е. тогда, когда всю нагрузку от массы трубопровода будут воспринимать трубные секции посредством шарнирных муфт. Для обеспечения прямолинейности оси трубопровода необходимо, чтобы большую часть растягивающих нагрузок, возникающих под действием массы трубопровода, воспринимали стенки трубных секций и шарнирные муфты, что приводит к необходимости увеличения массы всего трубопровода.

Наличие шарнирных муфт резко снижает надежность трубопровода, так как по его внутреннему каналу транспортируется пульпа, содержащая высокоабразивные частицы, которые из-за постоянного колебания трубопровода будут интенсивно изнашивать шарнирное соединение. Такое изнашивание приводит к нарушению герметичности внутренней полости трубопровода, т.е. к выходу его из строя. Для предотвращения этого необходим ряд мер, которые приводят к увеличению массы всего трубопровода.

Наличие узлов для жесткого крепления шарнирных муфт к тросу приводит к значительному увеличению массы шарнирных муфт, так как для жесткого крепления их к тросу необходимо обеспечить большое по величине силовое замыкание, но при низком значении удельного давления для предотвращения передавливания прядей троса. Это возможно обеспечить только за счет увеличения площади контакта между узлом крепления и тросом.

Площадь поперечного сечения троса по длине всего трубопровода постоянна.

Кроме того существенным недостатком известного устройства является необходимость в обслуживающем палубном комплексе мощной лебедки с барабаном, на который укладывают трос диаметром 130-150 мм и длиной 6000 м. Трос такого диаметра является специальным, так как ГОСТ 3081-69 предусматривает выпуск тросов диаметром до 45,5 мм и только по специальному заказу. В обслуживающем палубном комплексе необходимо также мощное затягивающее устройство со стабилизированным крутящим моментом для силового крепления шарнирных муфт на трос.

Целью изобретения является повышение надежности устройства для подъема полезных ископаемых с морского дна за счет снижения массы трубопровода путем перераспределения нагрузок, возникающих от массы трубопровода, только на гибкий элемент.

Цель достигается тем, что у устройства для подъема полезных ископаемых с морского дна, включающего основание, установленное на судне, и добывающую донную головку, которые соединены между собой трубопроводом, выполненным в виде трубных секций, взаимосостыкованных посредством муфт, и гибкого элемента, расположенного снаружи трубопровода и жестко закрепленного на основании, установленном на судне, и добывающей донной головке, а также связанного с муфтами, устройство снабжено не менее чем двумя гибкими элементами, расположенными равномерно вокруг трубопровода, каждый из гибких элементов выполнен в виде отдельных канатных стропов, соединенных между собой серьгами, каждая из серег имеет продольный паз, посредством которого она подвижно связана с муфтой, соединяющей две смежные трубные секции, при этом суммарная площадь поперечных сечений канатных стропов по длине трубопровода убывает от основания, установленного на судне, к добывающей донной головке.

Канатные стропы выполнены из высокопрочных синтетических волокон, предварительно пропитанных полимерным связующим.

Количество гибких элементов, расположенных равномерно вокруг трубопровода, равно нечетному числу.

Количество гибких элементов по длине трубопровода переменно и уменьшается от основания, установленного на судне, к добывающей донной головке при постоянстве площади поперечного сечения всех строп.

На концах канатных стропов закреплены крюки, оснащенные защелками, а на концах серег выполнены отверстия, в которые заведены крюки двух смежных стропов, образующих единый гибкий элемент.

В продольный паз каждой серьги заведен элемент, на одном конце которого выполнена винтовая поверхность, а на противоположном головка, при этом винтовой поверхностью элемент ввинчен в тело муфты.

Физическая сущность заявляемого изобретения заключается в том, что нагрузки, воздействующие на трубопровод при эксплуатации, воспринимаются его элементами раздельно, а именно тросовой системой воспринимаются растягивающие нагрузки, возникающие под действием массы трубопровода, в то время как трубные секции и соединяющие их муфты воспринимают нагрузки, обусловленные разницей давлений морской воды и среды, транспортируемой по внутреннему каналу трубопровода, кроме того конструкция тросовой системы оптимизирована в соответствии с полем воспринимаемых нагрузок и применения в качестве материала тросов полимерных волокнистых композитов.

На фиг.1 показана трубная секция с муфтами и тросовой системой, продольный разрез; на фиг.2 вид А на фиг.1.

Трубопровод состоит из цепочки трубных секций 1, которые состыкованы между собой с помощью муфт 2. Внутренняя поверхность муфт 2 оснащена ограничителем В, а на наружной выполнены глухие радиальные резьбовые отверстия, в которые ввернуты болты 3, удерживающие серьги 4, имеющие продольный паз и отверстия на концах. В отверстия серег 4 заведены крюки 5, которые жестко закреплены на концах канатных стропов 6, при этом крюки 5 оснащены защелками 7.

В исходном состоянии на борту судна размещают отдельно трубные секции 1, муфты 2, на которых с помощью болтов 3 закреплены серьги 4, и канатные стропы 6, оснащенные крюками 5.

При достижении судном места добычи полезных ископаемых с помощью корабельной спуско-подъемной системы производят сборку, опускание, а также подъем и разборку трубопровода. В начале процесса сборки трубопровода на кабеле-тросе опускают донную добывающую головку (на глубину около 60 м). Затем на основание спуско-подъемной системы судна устанавливают муфту 2 с болтами 3 и серьгами 4, далее заводят один из концов трубной секции 1 во внутреннюю расточку муфты 2. Под действием собственной массы трубная секция 1 входит во внутреннюю расточку муфты 2 до тех пор, пока ее торец не дойдет до ограничителя В. После этого на верхний конец трубной секции 1 устанавливают следующую муфту 2 и в отверстия серег 4 нижней и верхней муфт заводят крюки 5 канатных стропов 6. Фиксацию крюков в отверстиях серег 4 осуществляют с помощью защелок 7.

Для опускания смонтированного участка трубопровода пальцы спуско-подъемного устройства заводят в пазы серег 4 верхней муфты 2 и осуществляют само опускание. При достижении длины смонтированного участка трубопровода в 60 м к нему подсоединяют добывающую донную головку и продолжают наращивать трубопровод до тех пор, пока головка не достигнет морского дна.

В процессе монтажа трубопровода растягивающие нагрузки на его тросовую систему возрастают, так как нагрузка от массы каждой трубной секции 1 через ограничитель В муфты 2 передается на саму муфту 2, а далее совместная нагрузка от массы трубной секции 1 и муфты 2 посредством болтов 3 передается на серьги 4 (когда цилиндрическая часть болтов 3 входит в контакт с дном серег 4) и, соответственно, на тросовую систему.

По мере наращивания трубопровода растягивающие нагрузки на тросовую систему возрастают из-за увеличения массы трубопровода, в связи с этим производят или увеличение числа канатных стропов 6 (соответственно, и серег 4), или площади поперечного сечения канатных стропов 6. Преимуществом первого способа является взаимозаменяемость канатных стропов 6 по длине всего трубопровода.

После достижения добывающей головкой морского дна она осуществляет сбор, сепарацию и подачу полезных ископаемых к трубопроводу для подъема их на поверхность эрлифтным или гидравлическим способом.

Демонтаж трубопровода осуществляют в обратной последовательности.

Использование: для подводной добычи полезных ископаемых, конкретно в устройствах, использующих для доставки полезных ископаемых со дна морей на водную поверхность эрлифтный или гидравлический способы подъема. Сущность изобретения: устройство включает основание, установленное на судне, и добывающую донную головку, которые соединены между собой трубопроводом, выполненным в виде трубных секций, взаимосостыкованных посредством муфт, и гибкого элемента, расположенного снаружи трубопровода и жестко закрепленного на основании и добывающей головке, а также связанного с муфтами. Кроме того оно снабжено не менее чем двумя гибкими элементами, расположенными равномерно вокруг трубопровода, каждый из них выполнен в виде отдельных канатных стропов, соединенных между собой серьгами, каждая из серег имеет продольный паз, посредством которого она подвижно связана с муфтой, при этом суммарная площадь поперечных сечений канатных стропов по длине трубопровода убывает от основания к донной головке. Физическая сущность заключается в том, что нагрузки воспринимаются элементами трубопровода раздельно, а именно тросовая система воспринимает только растягивающие нагрузки, а трубные секции и муфты нагрузки, обусловленные гидростатическим давлением. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЪЕМА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ С МОРСКОГО ДНА, включающее основание, установленное на судне, и добывающую донную головку, которые соединены между собой трубопроводом, выполненным в виде трубных секций, взаимосостыкованных посредством муфт и гибкого элемента, расположенного снаружи трубопровода и жестко закрепленного на основании и добывающей донной головке и связанного с муфтами, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства, оно снабжено не менее чем одним дополнительным гибким элементом, все гибкие элементы расположены равномерно вокруг трубопровода, каждый из гибких элементов выполнен в виде отдельных канатных стропов, соединенных между собой посредством серег, каждая из которых соединена подвижно с муфтой, при этом суммарная площадь поперечных сечений канатных стропов по длине трубопровода уменьшается от основания к добывающей головке. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канатные стропы выполнены из высокопрочных синтетических волокон, предварительно пропитанных полимерным связующим. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения изгибной устойчивости трубопровода, количество гибких элементов равно нечетному числу. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения взаимозаменяемости стропов, количество гибких элементов по длине трубопровода переменно и уменьшается от основания к добывающей донной головке при постоянстве площади поперечного сечения всех строп. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения удобства транспортирования и монтажа трубопровода, концы канатных стропов имеют крюки с защелками, а на концах серег выполнены отверстия, в которые заведены крюки двух смежных стропов, образующих единый гибкий элемент. 6. Устройство по пп. 1 и 5, отличающееся тем, что в каждой серьге выполнен продольный паз, а соединение каждой серьги с муфтой выполнено в виде элемента, на одном конце которого выполнена винтовая поверхность, а на противоположном головка, при этом винтовой поверхностью элемент ввинчен в тело муфты.