РОЛИКОВЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ СУДНА-ТРУБОУКЛАДЧИКА, СУДНО-ТРУБОУКЛАДЧИК И СПОСОБ УКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА С СУДНА Российский патент 2000 года по МПК F16L1/235 

Настоящее изобретение относится к укладке трубопроводов под водой и, главным образом, к способу и установке для регулировки напряжения и деформации, которым подвергается труба при укладке.

Один из способов монтажа подводных трубопроводов, используемый, например, в нефтяной промышленности, заключается в формировании трубопровода на палубе судна, известного как баржа-трубоукладчик, путем сваривания друг с другом отрезков предварительно заготовленных труб. Баржа-трубоукладчик непрерывно продвигается вперед, и по мере ее движения трубопровод подают в море с кормы баржи-трубоукладчика. По мере подачи трубопровода в море дополнительные отрезки труб, хранящиеся на барже-трубоукладчике, сваривают с концом трубопровода. Трубопровод может иметь диаметр до 1,8 м и в типичном случае снабжен бетонной обшивкой стальной трубы. В местах "монтажных стыков", в которых отрезки труб сваривают друг с другом на палубе баржи-трубоукладчика, безусловно, имеется зазор между бетонными обшивками, который обычно заполняют смолой или аналогичным материалом заподлицо с поверхностью бетона.

Трубопровод поддерживают на барже-трубоукладчике посредством ряда роликов опоры трубы, которые позволяют трубопроводу свободно продвигаться по мере подачи в море. Трубопровод опускают с баржи-трубоукладчика вниз к морскому дну по кривой, которая определяется жесткостью трубы, натяжением трубы (которое регулируется натяжными устройствами, действующими в качестве тормозных устройств вблизи переднего конца рядов роликов), глубиной моря и углом, под которым трубопровод оставляет баржу-трубоукладчик.

При более крутом угле, под которым трубопровод оставляет баржу-трубоукладчик, он более быстро опускается на морское дно, а чтобы поддержать хорошую траекторию без, в частности, крутой кривой спада, когда трубопровод оставляет баржу-трубоукладчик, необходимо меньшее натяжение.

Существуют практические ограничения на крутизну траектории трубопровода, когда он вытянут вдоль баржи-трубоукладчика, и по этой причине известно, что для увеличения угла, под которым трубопровод оставляет баржу, его траектория вдоль рядов роликов должна быть существенно криволинейной.

Эта кривизна приводит к напряжению в трубопроводе, и чем больше кривизна трубопровода, тем больше напряжение. Поскольку любое напряжение вызывает деформацию материала, которая снижает качество и срок службы трубопровода, в последнее время возникла необходимость в укладчиках трубопроводов, использование которых гарантирует, что напряжение в трубопроводе не превысит определенного максимального уровня. Было предложено рассчитывать оптимальную кривизну для конкретной операции укладки трубопровода так, чтобы минимизировать напряжение и деформацию трубы и чтобы установить точные вертикальные положения роликов опоры трубы с целью задания рассчитанной траектории до начала укладки трубопровода.

Расчеты напряжения и деформации выполняются в предположении, что трубопровод имеет гладкую поверхность по длине и одинаковые поперечное сечение и жесткость. Однако на практике трубопровод не является однородным. Например, неровности порядка нескольких сантиметров на трубе диаметром 1 м могут встречаться на поверхности бетонной обшивки трубопровода, монтажные стыки могут быть залиты не полностью, встроенные цилиндрические защитные устройства, или аноды, могут выступать над поверхностью трубы или труба может быть некруглой.

Когда такой локальный дефект проходит по ролику опоры трубы, это проявляется в неожиданном изменении распределения нагрузки на ролики опоры трубы и, следовательно, может привести к неожиданному возрастанию напряжения и деформации трубы в точке дефекта. Например, когда секция трубопровода, имеющая больший диаметр, чем тот, который использовался при расчете оптимальной отметки высоты роликов опоры трубы, проходит по ролику опоры трубы, это приводит к резкому возрастанию напряжения в трубе, в точке, где она проходит по ролику, и к резкому снижению напряжения в роликах, смежных с этим роликом.

Даже если труба на самом деле однородная, перемещение баржи-трубоукладчика под действием ветра и волн может вызвать изменения распределения нагрузки на роликах опоры трубы, а в самом плохом случае трубопровод может отрываться от последнего ролика или от последних нескольких роликов и снова падать вниз с возникновением неожиданного напряжения и деформации трубы.

Такое резкое возрастание нагрузки на любой один ролик опоры трубы и, следовательно, напряжения и деформации трубопровода, происходящее традиционно, учитывают путем введения "расчетного коэффициента", так ограничивающего радиус кривизны, что максимальное расчетное изгибающее напряжение в трубопроводе пропорционально только максимальному напряжению, которое на самом деле приемлемо для рассматриваемого трубопровода.

В европейском патенте EP-A 0296272 раскрыто устройство для натяжения труб, содержащее четыре пути, равномерно расположенных вокруг трубы, при этом каждый из них поддерживается несколькими роликами, которые установлены на системе рычагов, обеспечивающих возможность равномерного распределения между роликами полной нагрузки на путь. Верхние пути снабжены работающими на сжатие пружинами, которым частично противодействуют гидравлические цилиндры, чтобы приложить к трубе силу зажатия.

В патенте США US-A 3669329 раскрыто устройство для натяжения трубы с верхним и нижним путями, каждый из которых состоит из поперечных мостиковых элементов, связанных цепями вдоль боковых сторон пути. Цепь удерживается роликами, попарно установленными на плите, обладающей некоторой гибкостью, которая, в свою очередь, установлена на ряде воздушных мешков, по одному позади каждой пары роликов.

Изобретение основано на реализации возможности поглощения, по меньшей мере, части переходных напряжений в трубе путем конструирования роликов опоры трубы таким образом, что отметка высоты отдельного ролика или группы роликов может изменяться при укладке трубопровода.

Изобретение предусматривает создание роликового узла опоры трубы для судна-трубоукладчика, содержащего один или более роликов, установленных для поддержки укладываемой трубы, и систему подвешивания для установки ролика или роликов на судне, вызывающую или допускающую перемещение ролика или перемещение в одном и том же направлении всех роликов, установленных на ней так, чтобы уменьшать изменения полной нагрузки на все ролики, установленные на этой системе подвешивания.

Изобретение, кроме того, предусматривает создание судна-трубоукладчика, содержащего, по меньшей мере, один роликовый узел согласно изобретению для поддержки трубы при укладке.

Изобретение также предусматривает создание способа укладки трубопроводов с судна, в котором трубопровод подают по одному или большему числу роликов, установленных на системе подвешивания, которая вызывает или допускает перемещение ролика или перемещение в одном и том же направлении всех роликов, установленных на этой системе подвешивания, таким образом, чтобы уменьшать изменение полной нагрузки на все ролики, установленные на этой системе подвешивания.

Путем снижения переходных напряжений в трубе при ее укладке можно укладывать трубопровод так, что он будет менее напряженным и, следовательно, будет иметь лучшее качество и больший срок службы. Вместо этого, поскольку расчетный коэффициент, который допускается для переходных напряжений, можно уменьшить, может быть уложена труба того же качества, как и ранее, с допущением других значений напряжения и деформации, более высоких, чем те, которые ранее были возможными. Например, путем увеличения либо кривизны трубы (и, следовательно, угла, под которым она оставляет баржу-трубоукладчик), либо продольного натяжения одна и та же труба может быть уложена посредством той же самой баржи-трубоукладчика в более глубокой акватории, чем это ранее было возможно, или более тяжелая труба может быть уложена на ту же самую глубину акватории. Вместо этого, поскольку влияние погоды на трубопровод уменьшается, тот же самый трубопровод можно укладывать в более плохую погоду, чем это было возможно ранее, увеличивая число дней в году, когда баржа-трубоукладчик работает в любой выделенной акватории. Должно быть понятно, что две или более этих возможностей можно комбинировать так, как это удобно.

Изобретение также делает возможным более точное предсказание напряжений в трубе и более точный контроль действительного напряжения.

Система подвешивания предпочтительно содержит средство, реагирующее на изменение нагрузки на один или большее число роликов. Это средство, предпочтительно, содержит упругое средство, но вместо него можно использовать подвеску с активным приводом.

Теперь посредством примера воплощение изобретения будет описано со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - вид сбоку баржи-трубоукладчика, устанавливающей подводный трубопровод;
фиг. 2 - схематичный вид сбоку в увеличенном масштабе баржи-трубоукладчика, показанной на фиг. 1, и вид роликовой системы;
фиг. 3a - вид сбоку варианта выполнения роликового узла согласно изобретению с пневматической подвеской на среднем уровне и с предварительно установленным минимальным значением отметки высоты;
фиг. 3b - вид сзади роликового узла, показанного на фиг. 3a;
фиг. 4 - вид сбоку роликового узла, показанного на фиг. 3a, с пневматической подвеской на максимальном уровне и с предварительно установленным максимальным значением отметки высоты;
фиг. 5 - вид сбоку роликового узла, показанного на фиг. 3a с пневматической подвеской на среднем уровне и с предварительно установленным максимальным значением отметки высоты; и
фиг. 6 - вид сбоку роликового узла, показанного на фиг. 3a с пневматической подвеской на минимальном уровне и с предварительно установленным максимальным значением отметки высоты.

Обратимся к сопровождающим чертежам и в первую очередь - к фигурам 1 и 2, на которых полупогружная баржа-трубоукладчик 1 имеет внутренние пандусы 2, 3, расположенные от конца до конца в пределах длины баржи-трубоукладчика, и внешний пандус 4, вытянутый за кормовую часть баржи-трубоукладчика. Первый внутренний пандус 2 прикреплен к барже-трубоукладчику под углом, например, 9^o к горизонтали (в предположении, что баржа-трубоукладчик представляет собой плавающий в воде уровень). Второй внутренний пандус 3 поворачивается относительно заднего конца первого внутреннего пандуса 2, а внешний пандус 4 поворачивается относительно заднего конца второго внутреннего пандуса 3, и каждый из двух последних пандусов так поддерживается непоказанными средствами, что их положение можно регулировать, чтобы установить угол, необходимый для укладки конкретной трубы. На пандусах 2, 3, 4 установлены ряды роликовых узлов 5 опоры трубы, которые поддерживают трубопровод 6 таким образом, что он располагается на морском дне 7. Четыре роликовых узла 5 прикреплены к первому внутреннему пандусу 2, еще четыре роликовых узла 5 прикреплены к второму внутреннему пандусу 3, а последние пять роликовых узлов 5 прикреплены к внешнему пандусу 4. Кроме того, к первому внутреннему пандусу прикреплены три натяжных устройства 8, которые прикладывают к трубопроводу 6 тормозную силу. Натяжные устройства 8 могут быть по существу известного типа. В основном, они содержат фрикционные тормозные колодки и средства для прижатия с регулируемым давлением тормозных колодок к поверхности трубы. На переднем конце первого внутреннего пандуса 2 имеется зона 9, в которой собирают трубопровод посредством сваривания концов секций труб, транспортируемых баржей-трубоукладчиком. Естественно, что зона сборки и операции сборки могут быть по существу известными и в целях краткости здесь дополнительно не описываются.

На фигурах 3a-6 показаны ролики опоры трубы на втором внутреннем пандусе 3 и на внешнем пандусе 4, расположенные в роликовых блоках 5 опоры трубы, каждая из которых содержит две основные части 10 опоры трубы, расположенные торцами друг к другу. Каждая основная часть 10 имеет две пары свободно вращающихся роликов 11 опоры трубы, расположенных торцами друг к другу. Ролики 11 каждой пары размещены на линиях буквы V, причем их осевые линии наклонены книзу по направлению друг к другу таким образом, что они не только поддерживают трубопровод 6, но также направляют его сбоку. Две основные части 10 каждого узла закреплены на траверсе 13 посредством соответствующей пары цапф 12. Оси поворота цапф 12 перпендикулярны длине трубы и горизонтальны по отношению к барже-трубоукладчику 1. Траверса 13 закреплена на второй траверсе 14 с помощью системы 15 пневматического подвешивания. Система 15 пневматического подвешивания содержит шесть пар пневматических рессор 16, размещенных между двумя траверсами 13, 14. Пневматические рессоры 16 сжаты средствами (на фигуре не показаны), которые могут быть известны, чтобы поддержать массу трубопровода, лежащего на двух основных частях 10. Первая траверса 13 и вторая траверса 14 вытянуты в плоскостях, которые параллельны одна другой и трубопроводу 6 и горизонтальны от края до края по отношению к барже-трубоукладчику 1. Вторая траверса 14 поворачивается с помощью шарнира 17 на ее заднем конце относительно заднего конца третьей траверсы 18. На переднем конце третьей траверсы 18 находится вытянутая книзу ножка 19. Нижний конец вытянутой книзу ножки 19 соединен с передним концом второй траверсы 14 посредством распорки 20, длина которой может изменяться с помощью винтового регулятора, приводимого в действие гидравлическим двигателем 22. Динамометрический элемент 23, предназначенный для измерения нагрузки на вторую траверсу 14 и, следовательно, на роликовую секцию 5, установлен на вытянутой книзу ножке 19 третьей траверсы 18. Установка поддерживается цапфой 24 в центре третьей траверсы 18 на стойке 25 (показанной только схематично), которая прикрепляется к пандусу 3 или 4. Ось поворота цапфы 24 параллельна осям поворота цапф 12. Как можно лучше видеть из фигур 3a и 4 чертежей, если длина распорки 20 изменяется посредством винтового регулятора, то при перемещении передних концов второй и третьей траверс 14 и 18 более близко друг к другу или при дополнительном их разведении третья траверса 18 может поворачиваться вокруг цапфы 24 так, что вторая траверса 14 остается параллельной трубопроводу 6, поднимаясь или опускаясь на расстояние, равное примерно половине изменения длины распорки 20. Как показано на фиг. 3a, когда распорка 20 имеет наименьшую длину, вторая траверса 14 лежит прямо поверх третьей траверсы 18. Под действием трех цапф (пары цапф12 и цапфы 24) роликовый узел эффективно самовыравнивается, настраиваясь так, что каждая из четырех пар роликов 11 несет по существу одну и ту же нагрузку.

При использовании установки рассчитывают для трубопровода оптимальную траекторию вдоль пандусов, а положения регулируемых пандусов 3, 4 и длины распорок 20 роликовых блоков 5 устанавливают таким образом, чтобы трубопровод 6 следовал по желаемой траектории при нахождении пневматических рессор 16 роликовых блоков 5 примерно в промежуточном положении между состояниями полного сжатия и полного растяжения. Рассчитывают нагрузку на каждый роликовый блок 5 и соответственно устанавливают давление в каждом комплекте пневматических рессор 16.

Трубопровод 6 укладывают при медленном перемещении баржи-трубоукладчика 1 вперед, позволяя трубопроводу проходить по роликам 11 и покидать конец внешнего пандуса 4 с натяжением, регулируемым посредством натяжных устройств 8. Если, например, во время укладки трубопровода 8 выступ на поверхности трубопровода достигает одного из роликовых блоков 5, трубопровод при прохождении выступа по одному из роликов 11 будет стремиться подняться. Это немедленно вызовет возрастание напряжения в трубопроводе 6 и нагрузки на роликовый блок 5, о котором идет речь. Повышенная нагрузка будет передаваться на пневматическую рессору 16, которая, как показано на фиг. 6, сжимается, принимая на себя часть высоты выступа и соответственно снижая приращение напряжения. И, наоборот, если сужение трубопровода 6 встречается с роликами 11, нагрузка на рассматриваемый роликовый блок 5 будет падать, а пневматическая рессора 16 будет разжиматься, как это показано на фиг. 4, чтобы воспринять часть изменения. В каждом случае смежные роликовые блоки 5 будут подвергаться изменению нагрузки противоположного знака, и раз они, кроме того, представляют собой роликовые блоки 5 с пневматическими рессорами 16, то они будут реагировать соответствующим образом, стремясь обеспечить дополнительную степень компенсации.

Динамометрический элемент 23 можно использовать для контроля нагрузки на роликовый узел 5 либо для предупреждения бригады техобслуживания, чтобы она могла своевременно реагировать, если допустимая максимальная нагрузка превышается, либо для записи испытываемых нагрузок, чтобы позднее можно было проанализировать их влияние на качество трубопровода 6, либо для того и другого.

В качестве примера подходящих размеров для полупогружной баржи-трубоукладчика 1 является длина баржи приблизительно 150 м, способной укладывать трубопровод диаметром до 1,8 м в воду на глубину до 130 м, роликовые узлы 5 могут быть расположены на расстоянии около 8 м друг от друга вдоль внешнего пандуса 4, пары роликов 11 на каждом узле могут быть на расстоянии около 0,8 м друг от друга, распорка 20 может регулироваться примерно на 0,5 м, а рабочий ход пневматических рессор между полностью растянутым и полностью сжатым положениями может быть около 0,5 м. Каждый роликовый узел 5 может иметь шесть пар пневматических рессор 16 с номинальной нагрузкой 9 т на каждую, обеспечивающей для роликового узла в целом номинальную нагрузку около 100 т.

Роликовый узел для судна-трубоукладчика, судно-трубоукладчик и способ укладки трубопровода с судна используют при сооружении подводного трубопровода. Последний перемещают по роликам, установленным на системе подвешивания, обеспечивающей криволинейную форму трубопровода. Система подвешивания обеспечивает перемещение роликов на разные величины до контакта с трубопроводом. Повышает надежность трубопровода. 3 с. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роликовый узел для судна-трубоукладчика, содержащий ролики, установленные так, чтобы при использовании взаимодействовать с укладываемой трубой, и систему подвешивания для установки роликов на судне с возможностью их перемещения по направлению к судну и от него, отличающийся тем, что роликовый узел представляет собой роликовый узел опоры трубы для поддерживания и направления трубы снизу, когда ее укладывают с судна, ролики способны направлять трубу по криволинейному пути, когда она проходит поверх роликового узла, система подвешивания способна обеспечить перемещение всех роликов в одном направлении и на разные величины, и ролики установлены так, что при использовании осуществляют непосредственный контакт с укладываемой трубой. 2. Роликовый узел по п.1, отличающийся тем, что система подвешивания содержит упругое средство, реагирующее на изменения нагрузки на ролики. 3. Роликовый узел по п.2, отличающийся тем, что упругое средство содержит контейнер для газа и средство для сжатия и расширения газа. 4. Роликовый узел по п.3, отличающийся тем, что система подвешивания содержит, по меньшей мере, одну пневматическую рессору. 5. Роликовый узел по любому из пп.2 - 4, отличающийся тем, что имеет средство для регулирования силы, вызываемой упругим средством, для поддержки трубы. 6. Роликовый узел по п.5, отличающийся тем, что содержит средство для регулирования давления или объема газа в упругом средстве. 7. Роликовый узел по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что содержит средство для предварительной установки отметки высоты роликов. 8. Роликовый узел по п.7, отличающийся тем, что средство для установки отметки высоты содержит средство для установки относительной высоты между первым элементом, приспособленным для крепления к судну, и вторым элементом, причем это средство способно вызывать или допускать перемещение роликов и действовать между вторым элементом и роликами. 9. Роликовый узел по п.8, отличающийся тем, что средство для установки отметки высоты содержит третий элемент, шарнирно соединенный с первым элементом и со вторым элементом, и средство для установки угла наклона третьего элемента. 10. Роликовый узел по п.9, отличающийся тем, что средство для установки угла наклона содержит средство, предпочтительно распорку, регулируемой длины, для установки расстояния между участками второго и третьего элементов, отделенными от точки их шарнирного присоединения. 11. Роликовый узел по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что ролики установлены в роликовых блоках, отстоящих друг от друга в продольном направлении трубы. 12. Роликовый узел по п.11, отличающийся тем, что два смежных роликовых блока установлены на общем опорном узле, который установлен шарнирно для уравнивания нагрузок на два роликовых блока. 13. Судно-трубоукладчик, содержащее по меньшей мере один роликовый узел, включающий ролики, установленные так, чтобы при использовании взаимодействовать с укладываемой трубой, и систему подвешивания для установки роликов на судне с возможностью их перемещения по направлению к судну и от него, отличающееся тем, что роликовый узел представляет собой роликовый узел опоры трубы для поддерживания и направления трубы снизу, когда ее укладывают с судна, ролики способны направлять трубу по криволинейному пути, когда она проходит поверх роликового узла, система подвешивания способна обеспечить перемещение всех роликов в одном направлении и на разные величины, и ролики установлены так, что при использовании осуществляют непосредственный контакт с укладываемой трубой. 14. Способ укладки трубопровода с судна, в котором трубопровод подают поверх роликов, установленных на системе подвешивания и взаимодействующих с трубопроводом, отличающийся тем, что посредством роликов поддерживают и направляют трубу снизу, когда ее укладывают с судна, посредством роликов направляют трубу по криволинейному пути, когда она проходит поверх роликового узла, с помощью системы подвешивания перемещают все ролики в одном направлении и на разные величины, и осуществляют непосредственный контакт роликов с укладываемой трубой.