CN107956439A - 用于自动对准和张紧固定生产单元中挠性管的系统以及利用该系统安装挠性管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管(24)的系统，所述系统包括：(i)至少一个拉紧器(10)，其包括上圆锥体(10s)和下圆锥体(10i)，所述上圆锥体(10s)和下圆锥体(10i)固定在一起并且形成对称双圆锥结构，所述对称双圆锥结构设置有适于挠性管(24)通过的内部中空的圆筒形开口；(ii)至少一个支撑叉(12)，其枢转地连接到所述至少一个拉紧器(10)；和(iii)至少一个联接装置(16)，其在第一端部处可拆卸地连接到所述至少一个支撑叉(12)而在第二端部处连接到固定生产单元。还提供了一种利用所述系统安装挠性管的方法。

Description

用于自动对准和张紧固定生产单元中挠性管的系统以及利用 该系统安装挠性管的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2016年10月18日提交的BR 10 2016 024269-0的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于支撑和对准立管的系统。更加具体地，本发明涉及一种用于在浮船抵达时引导立管的系统。

背景技术

随着对位于日益加深的水深处的产烃田的开发，固定在海床上、用于安装生产设备的刚性结构的使用已经变得日益复杂。在某些情况中，由于产烃田所处区域的特定条件，这些刚性结构的使用变得不可行。

最近，浮动结构代表一种越来越频繁地用于安装生产设备的替代方案，原因在于它们通常较之固定结构提供了低成本选项。

深水中的石油开采充分利用也称为立管的立管管子。这种管道(可以是柔性的或刚性的)收集由水下井产出的油，将油运送到浮动单元，然后运送到油轮或者直接运送至岸上设施。随着浮动结构移动，立管承受导致其弯曲半径变化的周期性挠曲，这使得在将剪切力传递到浮动单元的区域中产生疲劳。

在这种情形中，已知为拉紧器的装置用于保护挠性立管和控制管缆免于以小于其最小可允许半径的半径弯曲。拉紧器通过增大立管特定区段的抗弯刚度来实现此目的。大部分拉紧器呈截头圆锥段形式并且由弹性体材料制成。

拉紧器可以以各种方式固定到浮动单元，诸如通过称作锥形孔(bell mouth)的装置，通过法兰紧固，插入圆锥形座部中或者插入具有一些固定形式的圆筒形装置中。

现有技术的拉紧器必须设定适当的尺寸，以防止挠性立管在设计使用寿命期间发生疲劳。浮动单元的工作深度增加暗示作用在挠性立管上的张紧负荷增大。而且，随着船和管因潮流而移动，增大了剪切力负荷以及增大了在用于将管固定到平台的系统中的弯曲力矩。

在深水油勘探的情形中，增加的尺寸和更高的负荷对于拉紧器而言需要使用大尺寸的固定结构。这使得在新的浮动单元中难以分布和配置固定结构。而且，尺寸的这种增加使得对拉紧器的操纵越来越困难。这延长了安装和拆卸挠性立管的离岸工作时间。安装浮动单元的总成本不仅仅因为每个拉紧器的单位成本而且还因用于安装挠性立管的船舶和团队的工作时间而增加。

除了拉紧器及其固定结构的尺寸和重量增大的问题之外，还已知在平台设计的基础工程阶段，设计人员需要获得关于将由平台支撑的所有立管的直径、顶角和方位角的信息。然而，目前，仍然难以获得这些数据。基于类似平台进行评估并且将所获得的数据用于设计中。当最后发布与平台一起工作的基础设备时，常常与初始评估不符。作为一个示例，已经出现下述情况：平台必须进行修改以适应包括返回干船坞的新情形，这延迟操作的启动并且造成巨大损失。

在试图解决上述问题的过程中，文献PI0803358-7公开了一种具有旋转接头的对称拉紧器，所述旋转接头包括下防护圆锥体、上防护圆锥体、旋转接头、球形轴承和扶正器。因为旋转接头由于存在旋转接头而存在一定程度的机动性，所以文献PI0803358-7的具有旋转接头的对称拉紧器减弱了传递到用于将拉紧器固定到平台的结构的弯矩。以这种方式，文献PI0803358-7的具有旋转接头的对称拉紧器可以具有比有相同载荷能力的传统拉紧器小的尺寸，这便于其制造、运输、操纵、定位和安装在生产装置中。

然而，在文献PI0803358-7中描述的具有旋转接头的对称拉紧器不能令人满意地解决现有技术问题。这是因为由于限制了具有旋转接头的系统中的运动惯性，对称拉紧器不能完全减除弯矩应力和剪切力。另外，出于某些原因，在文献PI0803358-7中描述的具有旋转接头的对称拉紧器不允许根据井和海床上的各部件的布置在设计中针对管的顶角和方位角存在显著改变而进行充分补偿。而且，在文献PI0803358-7中描述的具有旋转接头的对称拉紧器由于各部件互连的方式而使得组装、安装和维修复杂。

现有技术中的其它替代方案也不能令人满意地解决上述问题。文献WO2015104560例如公开了一种由两个或更多个分段形成的分段式拉紧器，每个分段均包括用于与相邻分段接合的凸端和凹端。分段之间的接口提供了分段之间的小偏转，充分减小了拉紧器中的应力。然而，文献WO2015104560中的解决方案主要由于存在大量移动零件而使得组装、安装和维修非常复杂。

另外，已知了用于安装在现有技术中通常采用的挠性立管(称为引入)的方法需要耗费过多时间，其中，动用潜水员并且调动辅助船。不利的海况甚至可能需要暂停安装工作，原因在于目前安装方法受天气条件影响。这导致延迟了与立管有关的井开采。

如下文更加详细呈现的那样，本公开旨在以实际可行且有效的方式以及以低成本解决上述现有技术的问题。

发明内容

本公开的第一目的是提供一种用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统，所述系统包括一种机构，所述机构能够显著减弱弯矩应力和剪切力。

本公开的第二目的是提供一种自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统，所述系统包括一种机构，所述机构能够在根据井和海床上的各部件的布置在设计中针对立管的顶角和方位角改变而提供充分补偿。

本公开的第三目的是提供一种借助于上述自动对准和拉紧挠性管的系统安装挠性管的方法，其甚至在不利的海况条件下也能够快速且便捷实施。

本公开的第四目的是提供一种借助于上述自动对准和拉紧挠性管系统安装挠性管的方法，所述方法无需潜水员并且因而无需用于潜水操作的辅助船。

为了实现上述目的，本公开提供了一种用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统，所述系统包括以下部件中的至少一些：拉紧器，所述拉紧器设置有适于挠性管通过的内部开口；支撑叉，所述支撑叉枢转地连接到拉紧器；和联接装置，所述联接装置在第一端部处构造成可拆卸地连接到支撑叉而在第二端部处构造成连接到固定生产单元。

还公开了一种安装挠性管的方法，其中，该方法包括以下步骤中的至少一些：提供具有拉紧器的挠性管，所述拉紧器具有支撑叉，所述支撑叉枢转地附接到拉紧器；将主线缆连接到挠性管的上端部，所述主线缆由定位在固定生产单元中的第一拉紧装置拉紧；将辅助线缆连接到支撑叉的联接销，所述辅助线缆通过联接装置的袋状件并且能够由定位在固定生产单元中的第二拉紧装置拉紧；拉紧辅助线缆，直到支撑叉的联接销进入到联接装置的袋状件并且由锁定装置固定在袋状件中为止；和拉紧主线缆以升高挠性管，所述挠性管通过拉紧器，直到挠性管的上端部抵达用于将上端部固定在固定生产单元中的位置为止。

还公开了一种用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统，所述系统包括：(i)至少一个拉紧器，其包括上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和下圆锥体固定在一起并且形成对称双圆锥结构，所述对称双圆锥结构设置有适于挠性管通过的内部中空的圆筒形开口；(ii)至少一个支撑叉，其枢转地联接到所述至少一个拉紧器；和(iii)至少一个联接装置，所述至少一个联接装置在第一端部处可拆卸地连接到所述至少一个支撑叉而在第二端部处连接到固定生产单元。

在一些方面中，还公开一种系统，在所述系统中，上圆锥体和下圆锥体之间的固定借助于固定环实施。

在一些方面中，还公开一种系统，在所述系统中，固定环被分成两个部分，每个部分均具有圆锥形内轮廓，当两个部分彼此压靠时所述圆锥形内轮廓适于将上圆锥体和下圆锥体彼此锁定。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，固定环的两个部分通过螺丝、铆钉、焊接和凹陷部中的至少一种彼此固定。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，至少一个支撑叉经由固定环枢转地连接到所述至少一个拉紧器。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，至少一个支撑叉包括至少一个联接销，所述至少一个联接销适于可拆卸地连接到所述至少一个联接装置。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，通过将所述至少一个联接销可锁定地装配在所述至少一个联接装置的至少一个袋状件中而将至少一个联接销可拆卸地连接在所述至少一个联接装置中。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，借助于将至少一个锁定装置定位在所述至少一个联接装置的至少一个袋状件中来实施将所述至少一个联接销可拆卸地连接在所述至少一个联接装置中，所述锁定装置适于接合在所述至少一个联接销的至少一个凹陷部中。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，所述至少一个锁定装置是至少一个舌状件，所述舌状件包括一个倾斜表面和另一个平直表面，所述舌状件能够相对于袋状件在缩回位置和延伸位置之间移动。

在一些方面中，还公开了一种系统，在所述系统中，弹性装置将锁定装置保持在延伸位置中并且允许锁定装置在被按压时移动到缩回位置中。

本公开还提供了一种利用如上所述的用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统来安装挠性管的方法，所述方法包括以下步骤：(i)将主线缆连接到挠性管的上端部，所述主线缆在其上部部分处包括至少一个拉紧器和至少一个支撑叉，所述支撑叉枢转地连接到所述至少一个拉紧器，所述主线缆由定位在固定生产单元中的第一拉紧装置拉紧；(ii)将辅助线缆连接到所述至少一个支撑叉的至少一个联接销，所述辅助线缆通过所述至少一个联接装置的至少一个袋状件的内部并且能够由定位在固定生产单元中的第二拉紧装置拉紧；(iii)拉紧辅助线缆，直到所述至少一个支撑叉的至少一个联接销进入所述至少一个联接装置的至少一个袋状件中并且由至少一个锁定装置固定为止；和(iv)拉紧主线缆以升高挠性管，所述挠性管通过所述至少一个拉紧器，直到挠性管的上端部抵达用于将其固定在固定生产单元中的位置为止。

附图说明

下文对附图以及其相应的附图标记进行了详细描述。

图1示出了根据本公开的优选实施例的系统的拉紧器相对于支撑叉枢转的等轴测视图；

图2示出了通过固定环固定构成拉紧器的圆锥体的方法的分解截面图；

图3示出了根据本公开的优选实施例的系统的联接装置的等轴测视图；

图4示出了根据本公开的优选实施例的系统的等轴测视图，其中，支撑叉连接到联接装置；

图5a、5b和5c示出了支撑叉的联接销接合在联接装置的袋状件中并且由至少一个锁定装置固定的截面图；

图6a、6b、6c和6d示出了根据本公开的优选实施例的安装方法的步骤。

具体实施方式

首先，强调的是，以下描述基于本公开的优选实施例。然而，如对于本领域技术人员而言显而易见的是，本公开并不局限于特定实施例。

图1示出了根据本公开的优选实施例的系统的拉紧器10相对于支撑叉12枢转的等轴测视图。

如能够看到的那样，本公开的用于自动对准和拉紧固定生产单元(SPU)中挠性管的系统将包括拉紧器10，所述拉紧器10包括上圆锥体10s和下圆锥体10i，所述上圆锥体10s和下圆锥体10i固定在一起并且形成双圆锥结构，所述双圆锥结构在其内设置有中空的开口10a，所述开口10a适于挠性管(未示出)通过。即，开口10a从一个端部至另一个端部地通过双圆锥结构。在一些实施例中，双圆锥结构能够是对称的。在一些实施例中，开口是圆筒形的。这将匹配通过拉紧器的管的轮廓，如此，管通常为大体圆筒形的。

在一些实施例中，上圆锥体10s和下圆锥体10i由聚合材料制成。然而，上圆锥体10s和下圆锥体10i可以由各种其它材料制成，只要它们提供了足够的机械强度即可。因此，强调的是本公开并不局限于任何特定材料。

在一些实施例中，由固定环14提供上圆锥体10s和下圆锥体10i之间的固定，如图1所示。如图2所示，其示出了上圆锥体10s和下圆锥体10i的截面图，固定环14被分成两个部分14a、14b，所述固定环的每个部分均具有圆锥形的或者倾斜的内轮廓。这允许固定环14的每个部分14a、14b穿过圆锥体10s、10i之一的较窄端部并且靠近较宽端部。两个部分14a、14b因此适于在这两个部分14a、14b沿着由图2中的箭头表示的方向通过对称双圆锥结构的相对端部并且彼此压靠时将上圆锥体10s和下圆锥体10i彼此锁定。

在一些实施例中，固定环14的部分14a、14b由多个螺钉相对于彼此固定。可替代地，现有技术中已知的任何其它固定器件(诸如，铆钉、焊接或者插座)可以用于固定所述固定环14的两个部分14a、14b。

在一个可替代实施例中(未示出)，拉紧器10由单个件形成而不需要进行部件组装。在这种情况中，仍然提供了固定环14，以用于连接支撑叉12，如下文所述。在这种情况中，支撑环可以形成为单件式拉紧器10的一部分，或者可以是独立的单个件。如果固定环14形成为单件式拉紧器10的一部分，则先前论述的对称双圆锥状可以不是必需的。

在一些实施例中，支撑叉12具有经由固定环14连接到拉紧器的枢转连接件。在优选实施例中，固定环包括径向向外伸出的两个共线圆柱形销(未示出)，所述圆柱形销限定了枢轴点。圆柱形销能够接合在支撑叉12(未示出)的两个孔或者圆筒形凹陷部中，每个孔定位在支撑叉12的臂中的一条臂中。这能够允许元件进行铰接连接。强调的是在现有技术中已知的用于枢转联接的任何机构可以应用在支撑叉12和固定环14之间。例如，圆柱形销可以固定到支撑叉12，而孔或者凹陷部将位于固定环14中。因此，强调的是本公开并不局限于用于提供枢转连接的特定机构。

支撑叉12和连接到拉紧器10的枢转连接件的设置提供了拉紧器10的完全铰接。这允许显著减弱系统的弯矩应力和剪切力，而不受挠性管移动的影响。而且，这种角度机动性允许在根据井和海床上的各部件的布置在设计中针对立管的顶角和方位角改变而进行充分补偿。

本公开的系统还包括如图3和图4所示的联接装置16。联接装置16的第一端部可拆卸地连接到所述至少一个支撑叉12。第二端部连接到固定生产单元。

在一些实施例中，支撑叉12包括适于可拆卸地连接到联接装置16的联接销12p。更加具体地，联接销12p在联接装置16中的可拆卸连接能够通过将联接销12p可锁定地装配在联接装置16的袋状件16r内来实施。特别地，将联接销12p可拆卸地连接到联接装置16的袋状件16r能够是快联连接。

在一些实施例中，联接销12p与联接装置16的袋状件16r的快联连接由至少一个锁定装置18提供。锁定装置18能够定位在联接装置16的袋状件16r中。锁定装置18能够适于接合在至少一个联接销12p的凹陷部12r内。

在特定实施例中，至少一个锁定装置18可以是一个或多个舌状件，例如，如图5a、5b和5c所示的两个舌状件。每个舌状件能够包括一个倾斜表面(关于袋状件16r的径向平面倾斜)和一个平直表面(即，位于袋状件16r的径向平面内)，所述倾斜表面和所述平直表面会合形成每个舌状件的末端。换言之，每个舌状件具有：相对于联接销12p插入袋状件16r所沿的轴线成锐角的表面(上述倾斜表面)；和基本垂直于该轴线的另一个表面(上述平直表面)。

舌状件能够相对于袋状件16r在缩回位置和延伸位置之间延伸，如图5a、5b和5c所示。换言之，舌状件能够在袋状件16r的径向平面内移动进出袋状件16r。在一些实施例中，弹性装置20将锁定装置18保持在延伸位置(5a)中，所述弹性装置20诸如为弹簧(由图5a、5b中的箭头表示，所述弹簧将舌状件径向推入袋状件中)。弹性装置20允许锁定装置18在被联接销12p按压时移动到缩回位置。

因此，当联接销12p进入袋状件16r中的某一位置处，联接销12p的端部与锁定装置18的舌状件的倾斜表面接触。这种接触能够将锁定装置18推入缩回位置(图5b)中，从而压靠在弹性装置20上。

当锁定装置18遭遇联接销12p的凹陷部12r时，锁定装置18能够返回到其延伸位置，从而移动到凹陷部12r中。结果，锁定装置18的平直表面锁定联接销12p，从而防止其沿着相反方向(图5c)移动。这是因为即使拉回联接销12p，联接销12p的端部与锁定装置18的平直表面接触也不会推动锁定装置18返回到缩回位置。

在一些实施例中，提供了止动件(未示出)，以防止联接销12p比所需更远地进入袋状件16r中。这防止凹陷部行进超出锁定装置18。在一些实施例中，支撑叉12的本体在联接销12p和支撑叉12的臂(连接到拉紧器10)之间的接合部处用作联接销进入袋状件16r的限制器。换言之，联接销12p和支撑叉12的臂之间的接合部防止联接销12p过度插入袋状件16r中。

在一些实施例中，联接装置16通过多颗螺钉固定到固定生产单元。可替代地，现有技术中已知的任何其它固定器件(诸如铆钉、焊接或者凹陷部)均可以用于将联接装置16固定到固定生产单元。在特定实施例中，联接装置16在固定生产单元壳体的水下侧部分中固定到固定生产单元。

本公开还提供了一种利用上述系统安装挠性管的方法，如图6a、6b、6c和6d所示。根据本公开的特定实施例包括以下步骤：

a)将主线缆22(还已知为引入线缆)连接到挠性管24的上端部，所述挠性管24在其上部部分中包括拉紧器10和支撑叉12，所述支撑叉12具有联接到所述拉紧器10的枢转连接件，所述主线缆22能够由定位在固定生产单元中的第一拉紧装置拉紧(诸如，绞盘)，如图6a所示；

b)将辅助线缆26连接到支撑叉12的联接销12p，所述辅助线缆26通过联接装置16的袋状件16r并且能够由也定位在固定生产单元中的第二拉紧装置(诸如，第二绞盘)拉紧，如图6b所示。

c)拉紧辅助线缆26，直到支撑叉12的联接销12p进入联接装置16的袋状件16r并且由锁定装置18固定为止，如图6c所示；和

d)拉紧主线缆22以升高挠性管24，所述挠性管24通过拉紧器10，直到挠性管的上端部抵达用于将其固定到固定生产单元中的位置，如图6d所示。

一旦已经借助于本公开的用于自动对准和拉紧的系统根据上述步骤安装挠性管，则挠性管固定到其支撑结构和固定到生产系统。

在一些实施例中，将主线缆22连接到挠性管24的上端部的步骤也在浮船上实施。优选地，在特定实施例中，将拉紧器10装配到挠性管也在浮船上实施。

在一些实施例中，能够通过遥控操作装置(ROV)实施将辅助线缆26连接到支撑叉12的联接销12p的步骤，从而使得不需要潜水员来完成这项任务。

可选地，滑轮(未示出)设置在联接装置16中，以在辅助线缆26通过联接装置16时改变方向的位置处减小联接装置16和辅助线缆26之间的摩擦。

因此，基于上述描述，本公开还提供了一种利用上述本公开的系统安装挠性管的方法，所述系统即使在恶劣的海况条件下也能快速和便捷地实施所述方法。另外，本公开的方法免除了对潜水员的需要并且因而不需要用于进行潜水操作的辅助船。

允许落入本申请的保护范围内的各种变型。因此，应当强化的是，本公开并不局限于上述构造/特定实施例。

对于本领域技术人员而言显而易见的本发明的上述设备和方法的修改方案、可行的不同变型之间的组合以及本发明各方面的变型旨在落入权利要求的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统，所述系统包括：

拉紧器，所述拉紧器设置有内部开口，所述内部开口适于使得挠性管通过；

支撑叉，所述支撑叉枢转地连接到所述拉紧器；和

联接装置，所述联接装置在第一端部处构造成能够拆卸地连接到所述支撑叉，而在第二端部处构造成连接到所述固定生产单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述拉紧器包括上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和所述下圆锥体固定在一起并且形成双圆锥体结构。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述双圆锥体结构是对称的。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述上圆锥体和所述下圆锥体之间的固定借助于固定环实施。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述固定环被分成两个部分，每个部分均具有圆锥形内轮廓，当所述两个部分在所述双圆锥体结构的相对端部上行进通过并且彼此压靠时，所述圆锥形内轮廓适于将所述上圆锥体和所述下圆锥体彼此锁定。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述固定环的所述两个部分通过螺丝、铆钉、焊接和凹陷部中的至少一种彼此锁定。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述支撑叉经由所述固定环枢转地连接到所述拉紧器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支撑叉包括联接销，所述联接销构造成能够拆卸地连接到所述联接装置。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述联接销和所述联接装置构造成通过将所述联接销能够锁定地装配在所述联接装置的袋状件中而能够拆卸地连接。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述联接销和所述袋状件构造成借助于设置在所述联接销上的凹陷部和位于所述联接装置的袋状件中的锁定装置上而能够锁定地装配，其中，所述锁定装置构造成接合在所述联接销的凹陷部中。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述锁定装置包括舌状件，所述舌状件能够相对于所述袋状件在缩回位置和延伸位置之间移动。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述舌状件包括：第一表面，所述第一表面相对于所述联接销插入所述袋状件所沿的轴线成锐角；和第二表面，所述第二表面基本垂直于所述轴线。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，弹性装置将所述锁定装置保持在所述延伸位置中，并且允许在按压所述第一表面时移动到所述缩回位置中。

14.一种用于安装挠性管的方法，其中，所述方法使用如在权利要求1至10中的任一项限定的用于自动对准和拉紧固定生产单元中挠性管的系统。

15.一种用于安装挠性管的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

提供具有拉紧器的挠性管，所述拉紧器具有支撑叉，所述支撑叉枢转地附接到所述拉紧器；

将主线缆连接到所述挠性管的上端部，所述主线缆能够由定位在固定生产单元中的第一拉紧装置拉紧；

将辅助线缆连接到所述支撑叉的联接销，所述辅助线缆通过所述联接装置的袋状件并且能够由定位在所述固定生产单元中的第二拉紧装置拉紧；

拉紧所述辅助线缆，直到所述支撑叉的联接销进入到所述联接装置的袋状件并且由锁定装置固定在袋状件中为止；以及

拉紧所述主线缆以升高所述挠性管，所述挠性管通过所述拉紧器，直到所述主线缆的上端部抵达用于将所述上端部固定在所述固定生产单元中的位置为止。