Настоящее изобретение в основном относится к швартовке судов для транспортировки и добычи нефти, а также ведению буровых работ в морских льдах Арктики. Более конкретно изобретение относится к системам швартовки судна в океане, которые сочетают в себе затопленный плавучий элемент, конструктивно соединенный с якорным сооружением на дне моря и разработанный для швартовки судна, оборудованного системой швартовки такого типа, которая описана в патентах США 5306703 и 5477114.
В настоящее время швартовку судов в морских льдах не осуществляют. Тем не менее, было выдвинуто определенное количество предложений об использовании точечных швартовочных устройств башенного типа, при использовании которых судно ставится на якорь при помощи конструктивного соединения, установленного на уровне палубы судна, с поворотной конструкцией, смонтированной на верхушке закрепленной башни, выступающей из льдов. К такому устройству должны прилагаться очень большие усилия, порядка от 50 до 100 мН. Усилия такой величины превышают наибольший предел прочности на разрыв коммерчески доступной, наибольшей цепи или каната, поэтому требуются специально разработанные, очень большие конструктивные соединительные части.
Альтернативное средство для сохранения положения, которое было предложено, предусматривает использование высокомощных, динамически позиционируемых ледоколов, работающих совместно с ледоколами на ядерном или обычном топливе. Эта технология осуществима для нефтяных танкеров челночного типа, которые допускают снос с места швартовки с прерыванием перекачки нефти до тех пор, пока они смогут вернуться к месту загрузки. Такие сносы, тем не менее, совершенно неприемлемы при работе нефтедобывающих и буровых судов, поскольку при использовании нефтяных танкеров челночного типа сырая нефть может непрерывно подаваться в буферные хранилища, пока танкер недоступен для загрузки, тогда как снос нефтедобывающей платформы с места стоянки приводит к прекращению добычи нефти, а снос буровой платформы с места стоянки с недостаточными мерами предосторожности может привести к катастрофическим последствиям.
Техническим результатом данного изобретения является создание усовершенствованной швартовочной системы точечного типа, обеспечивающей быструю и безопасную швартовку судов в воде, заполненной льдами, разработка швартовых, способных выдерживать силы до 500 мН между судном и морским дном и позволяющих судну менять направление в ответ на изменение направления дрейфующего льда.
Этот технический результат достигается тем, что система для швартовки судна в океане содержит кольцеобразную швартовочную область в днище корпуса судна, плавучий швартовочный элемент, имеющий верхнюю часть, способную входить в зацепление с швартовочной областью, якорную конструкцию, конструктивно закрепленную на морском дне, причем нижняя часть швартовочного элемента способна с возможностью вертикального скольжения входить в зацепление с якорной конструкцией, средство для понижения гидростатического давления в швартовочной области, обеспечивающего принудительную подачу швартовочного элемента к швартовочной области, и средство для регулировки плавучести швартовочного элемента, обеспечивающей поднятие его для контакта с корпусом и опускание его для вывода из контакта с корпусом.
Средство для понижения гидростатического давления может содержать входное отверстие для воды в корпусе в пределах швартовочной области, имеющее достаточную пропускную способность для удаления воды, просачивающейся за швартовочный элемент в швартовочную область.
Швартовочный элемент может содержать два или несколько упругих кольцеобразных элементов, обеспечивающих уплотняющий контакт в местах швартовочной области, причем, по меньшей мере, один из упругих кольцеобразных элементов расположен радиально снаружи от входного отверстия для воды и, по меньшей мере, один из упругих кольцеобразных элементов расположен радиально внутри от входного отверстия для воды.
Швартовочный элемент может содержать упругий кольцеобразный элемент, обеспечивающий уплотняющий контакт в месте швартовочной области и расположенный радиально снаружи от входного отверстия для воды.
Упругий кольцеобразный элемент осуществляет первоначальный контакт со швартовочной областью для смягчения любых ударов, возникающих между швартовочным элементом и судном. Предпочтительно, чтобы упругий кольцеобразный элемент образовал круг уплотняющего контакта с дном корпуса судна так, чтобы устройство для быстрого удаления морской воды из швартовочной области могло откачивать ее из области между дном корабля и верхней частью швартовочного элемента внутри круга уплотняющего контакта. Верхняя часть швартовочного элемента или нижняя часть корпуса судна может включать в себя два концентрических упругих кольцеобразных элемента, которые образуют круги уплотняющего контакта в местах, которые находятся соответственно радиально внутри и радиально снаружи от местоположения приемного отверстия устройства для удаления морской воды, что направленное вниз давление на верхнюю часть швартовочного элемента между концентрическими кругами уплотняющего контакта может быть уменьшено до давления паров морской воды.
Швартовочный элемент может содержать две части, разделенные подшипником, обеспечивающим возможность вращения этих двух частей относительно друг друга.
Средство для регулировки плавучести может представлять собой источник сжатого воздуха для балластировки и дебалластировки швартовочного элемента.
Указанный технический результат достигается также и тем, что система для швартовки судна в океане содержит кольцеобразную швартовочную область в днище корпуса судна, плавучий швартовочный элемент, имеющий верхнюю часть, способную входить в зацепление с швартовочной областью, якорную конструкцию, содержащую две части, при этом первая из этих частей конструктивно подсоединена к морскому дну, а вторая часть с возможностью вращения вокруг вертикальной оси соединена с первой частью, причем нижняя часть швартовочного элемента с возможностью вертикального скольжения соединена со второй частью якорной конструкции, средство для понижения гидростатического давления в швартовочной области, обеспечивающего принудительную подачу швартовочного элемента к швартовочной области, и средство для регулировки плавучести швартовочного элемента, обеспечивающей поднятие его для контакта с корпусом и опускание его для вывода из контакта с корпусом.
Вторая часть якорной конструкции может быть способной механически вращаться относительно первой части для установки, таким образом, положения швартовочного элемента по надлежащему курсу для швартовки судна.
Указанный технический результат достигается и тем, что система для швартовки судна в океане содержит кольцеобразную швартовочную область в днище корпуса судна, якорную конструкцию, закрепленную на морском дне для предотвращения относительного движения между якорной конструкцией и морским дном, и средство для понижения гидростатического давления в швартовочной области при соприкосновении судна с якорной конструкцией для прикрепления, таким образом, якорной конструкции к судну и судна к морскому дну.
Судно может быть фактически симметрично вокруг вертикальной оси.
Якорная конструкция может содержать один или несколько уплотняющих элементов, при этом, по меньшей мере, один из уплотняющих элементов расположен радиально снаружи от средства для понижения гидростатического давления.
Судно может содержать один или несколько упругих уплотняющих элементов, при этом, по меньшей мере, один из уплотняющих элементов расположен радиально снаружи от средства для понижения гидростатического давления.
Указанный технический результат достигается и тем, что система для швартовки судна в океане содержит кольцеобразную швартовочную область в днище корпуса судна, плавучий швартовочный элемент, имеющий верхнюю часть, способную входить в зацепление со швартовочной областью, якорную конструкцию, содержащую две части, первая из которых конструктивно закреплена на морском дне, а вторая выполнена подвижной из первого положения во второе положение, при этом в первом положении вторая часть способна с возможностью скольжения входить в зацепление со швартовочным элементом, а во втором положении вторая часть способна расцепляться с швартовочным элементом, средство для понижения гидростатического давления в швартовочной области, обеспечивающего принудительную подачу швартовочного элемента к швартовочной области, и средство для регулировки плавучести швартовочного элемента, обеспечивающей поднятие его для контакта с корпусом и опускание его для вывода из контакта с корпусом.
Швартовочный элемент может быть закреплен на морском дне радиально расходящимися якорными канатами.
Вторая часть якорной конструкции может быть выполнена подвижной за счет балластировки и дебалластировки посредством сжатого газа.
Замечено, что судна, скованные льдами, не подвержены воздействию динамических сил от волн, поэтому при швартовке требуется очень маленькая эластичность или способность поглощения энергии. Обычно такая эластичность обеспечивается при швартовке провисающими якорными цепями, эластичными канатами или их комбинацией, например, такой, которая описана в патенте США 5305703. Так или иначе суда, закованные в льдах, подвержены влиянию экстремальных сил дрейфующего льда. Только если судно пришвартовано с помощью швартовых, способных обеспечить силу, требующуюся для разбивания дрейфующего льда, судно останется пришвартованным.
Данное изобретение относится, в частности, к швартовке судов, приспособленных для швартовки к швартовочному элементу, например бую, удерживаемому на плаву за счет перепадов гидростатического давления, как описано в патентах США 5305703 и 5477114. Буи, описанные в двух указанных патентах США, обычно круглые и в дальнейшем описании предполагается, что буи на виде сверху имеют круглую форму, однако необязательно, чтобы буи были круглыми, поскольку даже большие силы могут быть получены от некруглых буйков. В качестве примера возможностей данного изобретения рассмотрим швартовку судна с полной грузоподъемностью 250000 тонн и следующими основными параметрами: длина между перпендикулярами 350 м, осадка 22 м и ширина 55 м. Это судно может вмещать круглый буй диаметром 50 м. Такой буй имеет площадь поверхности 2000 м2. Полностью загруженное судно имеет абсолютное гидростатическое давление у киля 320 кПа. Допустим, что давление над буем понизили до 50 кПа, к примеру, насосами на борту корабля, откачивая воду из объема, изолированного от моря корабля и буем. Сила притяжения между судном и буем будет равна 540 мН. При допущении, что коэффициент трения между буем и кораблем равен 0,5, буй будет способен сообщить кораблю горизонтальную силу в 270 мН. Обычно силы, которым должно противостоять судно во льдах, колеблются в диапазоне от 30 до 150 мН, однако они могут быть больше. В случае, если силы швартовки превышают способность швартовки, швартовочный буй просто отталкивается от корабля, скользя по его дну. В противоположность этому суда, которые швартуются с помощью механических соединений, должны включать в себя разъединительные механизмы, освобождающие швартовы, когда превышаются допустимые нагрузки. Для рассматриваемых нагрузок такие устройства должны быть очень большими.
Далее изобретение будет описано со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1 изображает вид сбоку первого варианта осуществления данного изобретения;
фиг.1a - детальный вид плавучего швартовочного элемента варианта изобретения, согласно фиг.1;
фиг. 2 - вид сбоку модификации первого варианта осуществления данного изобретения;
фиг.3 - вид сбоку второго варианта осуществления данного изобретения;
фиг.4 - вид сверху третьего варианта осуществления данного изобретения;
фиг.5 - вид сбоку варианта изобретения, согласно фиг.4;
фиг.6 - вид сбоку четвертого варианта осуществления данного изобретения;
фиг.7 - вид сбоку пятого варианта осуществления данного изобретения;
фиг.8 - вид сбоку шестого варианта осуществления изобретения.
Предпочтительный вариант осуществления данного изобретения показан на фиг. 1. На фиг.1 показана ситуация, при которой море в месте швартовки очень мелкое, лишь незначительно глубже, чем осадка судна. Якорной конструкцией является круглый кессон 10, размер которого достаточен для противодействия силам швартовки. Кессон 10 погружен в дно 11 моря. Кессон имеет крышу 12 с круглым отверстием 13. Круглое отверстие 13 облицовано несущей поверхностью 14, например, выполненной из резины или лесоматериалов, которая передает горизонтальные силы между швартовочным элементом, выполненным в виде швартовочного буя 15, и кессоном 10. Швартовочный буй 15 включает в себя камеру 16 с изменяемой плавучестью, которая используется для регулировки плавучести швартовочного буя. Швартовочный буй 15 швартует судно 20 с помощью трения, возникающего между судном 20 и буем 15.
Когда судно не пришвартовано к бую 15, плавучая камера 16 затапливается, и буй покоится на крыше 12 кессона 10. Когда швартуемое судно 20 находится непосредственно над швартовочным буем 15, сжатый воздух из расходного резервуара 23 на борту буя впрыскивается в плавучую камеру 16, и буй 15 поднимается в воде для соприкосновения с килем судна 20. Судно 20 оборудовано насосом 21, отсасывающим воду из области на верхней части буя 15, ограниченной кольцеобразным уплотнением 17. Судно может быть оборудовано любым из всасывающих устройств, описанных в патентах США 5305703 и 5477114, содержание которых введено сюда посредством ссылки на них. В результате гидростатическое давление над буем 15 уменьшается, и буй 15 прижимается к корпусу корабля 20.
Корабль плывет в море, заполненное льдами, с поверхностью 22. Характерная особенность вод, заполненных льдами, это почти полное отсутствие волн. В результате волны вызывают весьма незначительное вертикальное движение между буем 15 и кессоном 10. Вертикальное движение, вызываемое другими причинами, такими как изменение уровня при приливе и степень загрузки, может контролироваться системой водяного балласта, которое имеют все корабли; поэтому вертикальное расстояние между буем 15 и кессоном 10 может сохраняться практически постоянным и посредством конструкции может составлять весьма маленькую величину, порядка нескольких метров. Это может быть важно с целью ограничения движения, которое стремится отвести буй 15 от корпуса корабля 20.
Крыша 12 может быть установлена ниже уровня морского дна 11 таким образом, что верхушка буя 15 также будет находиться ниже уровня морского дна в отсутствие корабля, хотя это и не показано. В местах с тяжелым льдом было бы желательно предохранить буй от непосредственного контакта со спрессованными ледяными глыбами.
На фиг. 2 показан вариант осуществления данного изобретения, фактически идентичный варианту, показанному на фиг.1. В этом варианте глубина воды больше, и поэтому кессон 30 выступает над поверхностью морского дна 11, а буй 15 прикреплен к кессону 30 на весьма малом расстоянии от осадки судна 20. Во всех других отношениях этот вариант осуществления изобретения идентичен с вариантом, показанным на фиг.1.
На фиг.3 показан вариант осуществления данного изобретения, который может быть приемлем для типа швартовки, описанного в патентах США 5305703 и 5477144. В этом варианте кессон 40 оборудован не фиксированной крышей, а выступом 41, который предотвращает всплытие наружу из кессона 40 плавучей крыши 42. Плавучая крыша 42 имеет резервуары 43 с изменяемой плавучестью, вода из которых может быть удалена посредством воздуха, подаваемого под высоким давлением из расходного резервуара (не показан) на крыше 42. Эта система, к примеру, может управляться водолазами. В зимний сезон, когда поверхность моря 22 покрыта льдами, крыша 42 делается плавучей и всплывает в положение 44. Крыша 42 обладает достаточной плавучестью, так что момент, создаваемый горизонтальными силами швартовки, может ее наклонить. Крыша 42 входит в зацепление с направленным вниз призматическим или цилиндрическим элементом 45 швартовочного буя 15. После этого швартовочные силы передаются от буя 15 к крыше 42 через контактные поверхности 46. Затем силы передаются от крыши 42 к кессону 40 через контактные поверхности 47. Типичный диаметр кессона 40 может составлять 100 м, а типичная чистая плавучесть крыши 42 в положении 44 может составлять 100 мН.
Крыша 42 в летнее время или в сезон открытой воды загружается балластом и хранится на дне кессона 40 в положении 48, показанном пунктирными линиями.
Буй 15 состоит из двух частей 51 и 50, разделенных подшипником 52. Часть 50 для предотвращения поворотных движений по отношению к морскому дну 11 крепится радиальными швартовыми, закрепленными в морском дне якорями 54. Часть 51 прикреплена к судну с невозможностью вращения относительно него, при этом подшипник 52 позволяет судну 20 вращаться по отношению к морскому дну 11. Буй 15 может быть поднят или опущен камерой 16 с изменяемой плавучестью.
В сезон открытой воды судно швартуется буем 15, который, в свою очередь, крепится швартовыми 53. Эта конфигурация допускает большие горизонтальные и вертикальные сдвиги буя 15, обеспечивая надежную постановку судна с противодействием волнам, ветру и течению. В зимний или ледовый сезон крыша 42 поднимается в положение 44 для сцепления с буем 15, помогая таким образом бую противостоять более значительным горизонтальным силам, создаваемым при швартовке в зимнее время.
На фиг.4 показан вид сверху другого варианта осуществления данного изобретения, в котором судно 20 пришвартовывается к затопленному бую так же, как и предыдущих вариантах. Буй 15 с возможностью скольжения прицеплен к рычагу 61, с возможностью поворота соединенному с якорной конструкцией 60, которая, в свою очередь, закреплена на морском дне. Этот вариант изобретения включает в себя надводный поворотный рычаг 62, который может служить для поддержки соединительных устройств, предназначенных для жидкостей, а также другого оборудования, для перемещения груза, обеспечивающего перемещение груза между судном 20 и якорной конструкцией 61.
На фиг.5 показан сбоку вариант осуществления данного изобретения, представленный на фиг.4. Буй 15 может скользить вертикально по отношению к рычагу 61, который, в свою очередь, с возможностью поворота удерживается на якорной конструкции 60 посредством подшипника 63. Одно из преимуществ данного варианта изобретения состоит в том, что якорная конструкция 60 возвышается над поверхностью воды, проходя через ледовое поле. При дрейфующем льде якорная конструкция будет способствовать разбиванию льда и образованию разводья для швартовки судна 20. Разводье приведет к уменьшению сил швартовки, сообщаемых якорной конструкции 60 через буй 15 и рычаг 61. Недостаток данного варианта осуществления изобретения заключается в том, что рычаг 61 автоматически не выравнивается с разводьем, поэтому когда судно 20 приближается, может понадобиться передвинуть рычаг 61 для выравнивания с приближающимся судном посредством приложения к рычагу силы. Такое движение может быть осуществлено, например, с помощью периодической круговой подачи, выполняемой гидравлическими цилиндрами в подшипнике 63.
На фиг. 6 показан еще один вариант осуществления данного изобретения, который, в частности, применим к буровым суднам, но может также быть использован для добывающих и челночных судов. Якорной конструкцией является круглый кессон 70, размер которого достаточен для выдерживания швартовочных сил. Кессон 70 утоплен в морское дно 11. Кессон имеет крышу 72 с круглым отверстием 73. Круглое отверстие облицовано несущей поверхностью 74, к примеру сделанной из резины или лесоматериалов, которая передает горизонтальные силы между швартовочным буем 71 и кессоном 70. Швартовочный буй имеет в центре отверстие большого диаметра, которое обеспечивает возможность выполнения операций внутри кессона 70 с палубы 76 судна 20. Швартовочный буй имеет плоскую кольцеобразную поверхность 77, ограниченную уплотнениями, которые могут входить в зацепление с областью швартовки. Швартовочный буй 71 содержит камеры 80 с изменяемой плавучестью, которые используются для регулировки плавучести швартовочного буя 71. Швартовочный буй 71 обеспечивает швартовку судна 20 с помощью трения, создаваемого между судном 20 и буем 71.
Когда к бую 71 судно не пришвартовано, плавучие камеры затапливаются и буй покоится на крыше 72 кессона 70. Когда швартуемое судно 20 находится непосредственно над швартовочным буем 71, сжатый воздух из расходного резервуара на борту буя (не показан) впрыскивается в плавучие камеры 80 и буй 71 поднимается в воде для контакта с килем судна 20. Судно 20 оборудовано насосом 81, производящим отсасывание в области верхней части буя 71, ограниченной уплотнениями 78. После этого гидростатическое давление над буем 71 уменьшается, и буй 71 прижимается к корпусу судна 20. Судно может быть оборудовано шахтой 82, позволяющей буровой установке осуществлять работы в головной части 84 скважины внутри кессона 70. Эта схема наиболее благоприятна, потому что головная часть скважины полностью защищена от плавающего льда кессоном 70 и крышкой 72, даже если судно 20 отсутствует.
На фиг.7 показан еще один вариант осуществления данного изобретения, особенно пригодного для судов, которые либо симметричны вокруг вертикальной оси, либо имеют практически одинаковые длину и ширину. Судно 91 показано сидящим на верхней части якорной конструкции 85, которая закреплена на морском дне 11. Судно 91 может быть поставлено над якорной конструкцией 85 буксирами (не показаны) или встроенным двигателем (не показан). Как только судно 91 занимает положение над швартовочной конструкцией 85, судно 91 увеличивает балластом свою осадку. Во время балластировки насос 88 создает всасывание у киля судна 91 через входное отверстие 89. Вода, откаченная насосом 88, выливается наружу из судна 91 через отверстие 87. Когда судно 91 касается идущего по окружности уплотняющего элемента 90 (этот уплотняющий элемент 90 может также располагаться на судне 91 и соприкасаться со швартовочной конструкцией 85), давление воды под судном понижается, как показано внутренним уровнем воды 94. В результате судно 91 прижимается вниз к швартовочной конструкции 85 с весьма большой силой, созданной гидростатическим давлением. Большие горизонтальные швартовочные силы такой же величины могут выдерживаться за счет трения между судном 91 и швартовочной конструкцией 85. Наиболее благоприятная форма судна 91 для ледовых условий в Арктике показана на фиг.7. Судно 91 оборудовано конической поверхностью 86, которая способствует разбиванию льда, сталкивающегося с судном 91, и фактически симметрична относительно вертикальной оси для обеспечения того, чтобы лед мог разбиваться вне зависимости от направления его движения. Судно 91 может, к примеру, быть оборудовано буровой установкой 92 для эксплуатации головной части 93 подводной скважины.
На фиг. 8 показан другой вариант осуществления изобретения, по существу схожий с вариантом на фиг.7. В варианте на фиг.8 судно 91 подводится к месту и нагружается балластом таким же образом, как и в варианте на фиг.7. Судно 91 оборудовано насосом 96, который имеет входное отверстие 98 на киле и сток 97 сбоку корабля. Когда судно 91 находится на месте швартовки, входное отверстие расположено вертикально над областью крыши швартовочной конструкции, ограниченной уплотнениями 99, расположенными соответственно радиально внутри и радиально снаружи по отношению к входному отверстию насоса 98.
Давление в объеме, определенном нижним концом судна 91, верхним концом швартовочной конструкции 85 и уплотнениями 99, понижается насосом 96. В зависимости от выбора подходящего насоса 96 давление может быть понижено до уровня давления паров морской воды. Если диаметры уплотнений 99 будут равны соответственно 100 м и 50 м, а осадка судна 91 равна 30 м, результирующая сила притяжения между судном 91 и швартовочной конструкцией 85 составит
(п/4)•(1002-502)•400 кН = 2300 мН.
Коэффициент трения между судном 91 и якорной конструкцией 85, равный 0,3, позволит выдерживать горизонтальную силу в 690 мН. Этой швартовочной силы обычно достаточно даже при самых больших силах, создаваемых льдами и волнами, которым может подвергаться конструкция в океане, таким образом, конструкция швартуется надежно.
Изобретение относится к судостроению и касается швартовочных устройств с затопленным швартовочным элементом, которые могут использоваться при буровых работах и нефтедобыче в ледовых арктических условиях. Система для швартовки судна в океане имеет кольцеобразную швартовочную область в днище корпуса судна, плавучий швартовочный элемент, якорную конструкцию, средство понижения гидростатического давления в швартовочной области и средство регулировки плавучести швартовочного элемента. Элемент имеет верхнюю часть, способную входить в зацепление с швартовочной областью. Швартовочный элемент принудительно подается к швартовочной области средством для понижения гидростатического давления. Швартовочный элемент способен подниматься для его контакта с корпусом судна и опускаться для вывода этого элемента из контакта с корпусом судна с помощью средства для регулирования плавучести упомянутого швартовочного элемента. Система может использоваться без швартовочного элемента, способного скользить в вертикальном направлении. Тогда судно непосредственно крепится к якорной конструкции, используя средство для откачки воды. Технический результат реализации группы изобретений состоит в усовершенствовании системы швартовки точечного типа для быстрой и безопасной швартовки судов в воде, заполненной льдами. 4 с. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
| US 5305703 А, 26.04.1994 | |||
| US 4606727 А, 19.08.1986 | |||
| US 5380229 А, 10.01.1995 | |||
| US 4086865 А, 02.05.1978. |
