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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Seegangskompensationseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Derartige
Seegangskompensationseinrichtungen werden beispielsweise in der
Marinetechnik eingesetzt, wenn eine Last von einem Schiff auf ein am
Meeresboden abgestütztes
Objekt, beispielsweise eine Plattform abgesetzt werden soll, wobei
beispielsweise ein Kran auf dem Schiff angeordnet ist. In umgekehrter
Weise kann der Kran auch auf einer auf dem Meeresboden abgestützten Plattform
angeordnet sein, so dass die Last auf ein Schiff oder ein entsprechendes
schwimmendes Objekt abzusetzen ist. Eine ähnliche Aufgabenstellung liegt
auch vor, wenn beispielsweise ein Bohrstrang von einer schwimmenden
Plattform aus abgesenkt wird und diese durch den Seegang angehoben
und abgesenkt wird. In der Forschung werden beispielsweise schwere
Messgeräte
oder Versorgungsstationen für
Roboter oder dergleichen von einem Schiff über eine Winde in große Tiefen
abgesenkt, wobei durch den Seegang verursacht, das Haltekabel erheblichen
Zugbelastungen ausgesetzt ist. Bei manchen Anwendungen kann es auch
vorkommen, dass sowohl das Zielobjekt als auch die Last aufgrund
des Seegangs Bewegungen ausführen,
wobei dann aber im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie bei den vorbeschriebenen
Fällen vorliegen.
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Die
durch den Seegang verursachten Bewegungen der Last sollen über Seegangskompensationseinrichtungen
ausgeglichen werden, die dafür sorgen,
dass die Relativ position der Last zum Zielobjekt im Wesentlichen
konstant gehalten wird.
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In
der
US 3,946,559 ist
eine Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System)
offenbart, bei der die Last, im vorliegenden Fall ein Bohrstrang
an einem als Zylinder ausgeführten Aktuator
befestigt ist, der seinerseits auf einem Schiff oder einer Plattform
gelagert ist. Ein Druckraum des Aktuators ist mit dem Druck eines
passiven hydropneumatischen Speichers beaufschlagt, der einen Kolben
hat, über
den ein Gasraum von einem Druckmittelraum getrennt ist. Der Kolben
lässt sich
mittels eines aktiven Zylinders verschieben. Dieser hat zwei Steuerräume, die
in Abhängigkeit
eines Steuersignals über
eine Regelventileinrichtung und eine Druckmittelquelle mit einem
Förderstrom
beaufschlagbar sind, um die Positionsänderung im Aktuator zu regeln.
Eine ähnliche
Lösung
ist auch in der
US 5,209,302 offenbart.
Bei derartigen Systemen wird durch den hydropneumatischen Speicher
die statische Last kompensiert, während über den aktiven Zylinder die
Positions- und Druckänderungen
aufgrund des Seegangs ausgeglichen werden. Es zeigte sich, dass
derartige Systeme ein wesentlich besseres Seegangskompensationsverhalten
haben als Systeme, bei denen die statische Last nur über ein vergleichsweise
einfach aufgebautes passives System (hydropneumatischer Speicher)
abgestützt
ist.
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Beim
Gegenstand der
US 3,946,559 wird
die Last (Bohrstrang) über
einen Linearantrieb (Aktuator) gehalten – prinzipiell kann die Last
auch durch eine Winde gehalten sein, wobei dann die Winde in geeigneter
Weise angesteuert werden muss, um den Seegang zu kompensieren. So
kann beispielsweise im Bereich zwischen der Winde und der Last eine
hydraulisch verschiebbare Rolle angeordnet sein, die in Abhängigkeit
vom Seegang bewegt wird, um die Position der Last zum Zielobjekt
konstant zu halten. Derartige Lösungen
sind beispielsweise in der Druckschrift "Efficient Heave Motion Compensation
For Cable-Suspended
Systems" (www.oceanworks.cc) beschrieben.
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Ein
Problem bei den bekannten Lösungen besteht
darin, dass die Systeme vergleichsweise komplex aufgebaut sind und
einen hohen Platzbedarf aufweisen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Seegangskompensationseinrichtung
zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine zuverlässige Kompensation
von aufgrund von Seegang verursachten Bewegungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine hydraulische Seegangskompensationseinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat die
Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System) ein
Kompensationssystem, das im Prinzip aus einem hydropneumatischen
Speicher (passiver Zylinder) und einer Aktivzylindereinrichtung
besteht. Die Aktivzylindereinrichtung ist in den hydropneumatischen Speicher
integriert, wobei eine gemeinsame Kolbenanordnung innerhalb eines
gemeinsamen Zylindergehäuses
angeordnet ist. Durch die beiden außen liegenden Kolbenbodenflächen und
die benachbarten Gehäusestirnflächen wird
jeweils ein Druckraum begrenzt, von denen einer vorzugsweise ein
Gasraum des hydropneumatischen Speichers ist.
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Bei
dem Stand der Technik gemäß der
US 3,946,559 ist dagegen
die Aktivzylindereinrichtung an den hydropneumatischen Speicher
angesetzt, so dass eine derartige Lösung wesentlich mehr Bauraum
und vorrichtungstechnischen Aufwand erfordert.
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Die
Einheit aus hydropneumatischem Speicher mit darin integrierter Aktivzylindereinrichtung lässt sich
in Wirkverbindung mit einem Linearaktuator (Hydrozylinder) oder
einer Winde betreiben, von denen die Last gehalten wird.
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Bei
der erst genannten Alternative wird somit die Last von dem als Hydraulikzylinder
ausgeführten Aktuator
abgestützt,
dessen in Abstützrichtung
der Last wirksamer Druckraum über
eine Druckleitung mit dem zweiten Druckraum des gemeinsamen Zylindergehäuses verbunden
ist. Dieser einen Arbeitsraum ausbildende Druckraum und der vorstehend
erwähnte
Gasraum bilden dann die beiden Endabschnitte des gemeinsamen Zylindergehäuses.
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Die
in diesem gemeinsamen Zylindergehäuse geführte Kolbenanordnung hat zwei
die Kolbenbodenflächen
ausbildende Kolbenbünde,
die von einem Kolbensteg verbunden sind. Dieser durchsetzt dichtend
eine Trennwand des Zylindergehäuses,
so dass durch die Ringstirnflächen
der Kolbenbünde
einerseits und die Gehäusetrennwand
andererseits die beiden Steuerräume
der Aktivzylindereinrichtung ausgebildet sind.
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Zur
Abdichtung dieser beiden Steuerräume untereinander
und der Steuerräume
zu dem benachbarten Gasraum bzw. Arbeitsraum sind am Außenumfang
der Ringbunde und in der Durchgangsöffnung der Gehäusetrennwand
Dichtungen angeordnet.
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Bei
der zweiten vorgenannten Alternative ist die Last an einer Winde
abgestützt.
Diese wird vorzugsweise über
einen Hydromotor angetrieben, dessen Druckseite mit einem Arbeitsraum
des Zylindergehäuses
verbunden ist, so dass eine Druckmittelverbindung zwischen Hydromotor
und der Aktivzylindereinrichtung besteht.
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Die
Einheit aus hydrodynamischem Speicher und Aktivzylindereinrichtung
hat bei diesem Ausführungsbeispiel
vorzugsweise eine Kolbenanordnung mit zwei endseitigen Kolbenbünden und
einem mittleren Ringbund, die über
jeweils zwei Kolbenstege miteinander verbunden sind. Jeder dieser
Kolbenstege durchsetzt eine Gehäusetrennwand
des Zylindergehäuses,
so dass neben den beiden außen
liegenden Zylinderräumen
(einer davon ist der Gasraum) im Zylindergehäuse durch zwei benachbarte
Ringstirnflächen
der vorbeschriebenen Kolbenbünde
und die dazwischen liegende Gehäusetrennwand,
die beiden Steuerräume
der Aktivzylindereinrichtung und durch die beiden anderen Ringstirnflächen der
Kolbenbünde
sowie die dazwischen liegende Gehäusetrennwand der Arbeitsraum
und ein weiterer Arbeitsraum ausgebildet sind.
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Gemäß den vorstehenden
Ausführungen sind
stirnseitig im Zylindergehäuse
ein Gasraum und ein weiterer Druckraum begrenzt, letzterer kann
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
mit Umgebungsdruck beaufschlagt werden.
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Der
zum Antrieb der Winde vorgesehene Hydromotor kann in einem geschlossenen
oder offenen Druckmittelkreislauf geführt sein.
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Im
erstgenannten Fall (geschlossener Druckmittelkreislauf) wird der
Hydromotor über
eine von einem Motor angetriebene Pumpe mit variablem Fördervolumen
mit Druckmittel versorgt, wobei ein Sauganschluss der Pumpe über eine
Saugleitung mit einem Niederdruckanschluss des Hydromotors sowie
ein Druckanschluss der Pumpe über
eine Hochdruckleitung mit einem Druckanschluss des Hydromotors verbunden
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Hochdruckleitung über
eine Druckleitung mit dem erstgenannten Arbeitsraum und die Saugleitung über eine
Niederdruckleitung mit dem weiteren Arbeitsraum verbunden, so dass
der Hydromotor wahlweise oder überlagernd über die
Pumpe oder die Arbeitsräume
mit Druckmittel versorgt werden kann.
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Sowohl
die Bünde
des gemeinsamen Kolbens als auch die Kolbenstege können mit
unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt sein.
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Zur
Absicherung kann in der Druckleitung zwischen dem Druckraum des
Aktuators (Hydraulikzylinder) und dem Arbeitsraum des Zylindergehäuses oder
zwischen dem Arbeitsraum und der Druckleitung des hydraulischen
windenantriebes ein schnell schaltendes Sperrventil (Isolation Valve)
angeordnet sein, so dass die Verbindung zwischen dem Aktuator bzw.
dem Windenantrieb und dem Kompensationssystem (hydropneumatischer
Speicher/Aktivzylindereinrichtung) in kürzester Zeit unterbrochen werden
kann.
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Die
Kolbenanordnung kann einstückig
oder aus mehreren Kolben ausgebildet sein.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
hydraulische Seegangskompensationseinrichtung für eine an einem Linearaktuator gehaltene
Last;
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2 eine
Seegangskompensationseinrichtung für eine an einer Winde gehaltenen
Last und
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3 eine
konkrete Anwendung der Seegangskompensationseinrichtung gemäß 1 bei einer
Bohreinrichtung.
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1 zeigt
ein Funktionsschema einer Seegangskompensationseinrichtung (Heave
Compensation System) 1, bei der eine Last L mittels eines
als Hydraulikzylinder 2 ausgeführten Linearantriebs bewegbar
ist. Es sei angenommen, dass dieser Hydraulikzylinder 2 ortsfest
auf einem Schiff oder einer schwimmenden Plattform gelagert ist
und die Last L mit Bezug zu einem feststehenden Zielobjekt, beispielsweise
einer auf dem Meeresboden abgestützten
Plattform in einer vorbestimmten Relativposition gehalten werden
soll. Die Kompensation der statischen Last und des Seegangs erfolgt über eine strichpunktiert
angedeutetes Kompensationssystem 4 mit hydropneumatischem
Speicher, über
das der Hydraulikzylinder 2 derart ansteuerbar ist, dass
die Last L die vorbestimmte Relativposition zum Zielobjekt beibehält.
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Der
als Differentialzylinder ausgeführte
Hydraulikzylinder 2 hat einen Differentialkolben 35,
der den Hydraulikzylinder 2 in einen von der Kolbenstange
durchsetzten Ringraum 36 und einen bodenseitigen Zylinderraum
unterteilt. Zumindest der Ringraum 36 ist über eine
nicht dargestellte Druckmittelversorgung zum Aus- und Einfahren
der Kolbenstange 39 mit einer Pumpe oder einem Tank verbindbar,
um die Last L anzuheben oder abzusenken. Ein derartiger Linearantrieb
ist nur für
vergleichsweise kleine Hübe ausgelegt.
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Das
Kompensationssystem 4 besteht im Wesentlichen aus einem
hydropneumatischen Speicher 6 und einem als Gleichgangzylinder
ausgeführten Aktivzylinder 8,
der in den hydropneumatischen Speichern integriert ist. Die Einheit
aus hydropneumatischen Speicher 6 und Aktivzylinder 8 wird
als Aktivspeicher bezeichnet. Der hydropneumatische Speicher 6 ist
so ausgelegt, dass er in der Lage ist, die Last L statisch, d.h.
ohne die dynamischen Wechselbeanspruchungen aufgrund des Seegangs
abzustützen,
während
der Aktivzylinder dazu vorgesehen ist, die dynamischen Wechselbelastungen
so wie Reibungen und andere parasitäre Faktoren auszugleichen und
eine Lageregelung der Last mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen.
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Der
aus dem Speicher 6 und dem Aktivzylinder 8 bestehende
Aktivspeicher hat ein gemeinsames Zylindergehäuse 10, in dem ein
Kolben 12 axial verschiebbar geführt ist. Dieser hat zwei außen liegende
Kolbenbünde 14, 16,
die durch einen Kolbensteg 18 miteinander verbunden sind.
Dieser durchsetzt eine Gehäusetrennwand 20 des
Zylindergehäuses,
so dass dieses durch den Boden des Kolbenbunds 16 in einen
Gasraum 22 und den Boden des Kolbenbunds 14 in
einen Arbeitsraum 24 unterteilt ist. Durch die Ringstirnfläche des
Kolbenbundes 16 und die Trennwand 20 wird ein
erster Steuerraum 26 und durch die Ringstirnfläche des
Kolbenbundes 14 und die Gehäusetrennwand 20 ein
zweiter Steuerraum 28 begrenzt. Im Bereich der Durchführung der
Kolbenstange 18 durch die Gehäusetrennwand 20 und am
Außenumfang
der beiden Kolbenbünde 14, 16 sind
in der Darstellung gemäß 1 nicht
gezeigte Dichtungen angeordnet, über
die die vorgenannten Räume
des Zylindergehäuses
von einander getrennt sind. Der Gasraum 22 ist über eine
Gasleitung 30 mit einem Gasspeicher 32 verbunden,
so dass auf die Bodenfläche
des Kolbenbundes 16 der Gasdruck wirkt. Die beiden Steuerräume 26, 28 sind über Anschlüsse A, B
mit einer im Folgenden näher
beschriebenen Regelventileinrichtung und einer Druckmittelquelle
bzw. einem Tank verbindbar, so dass die Ringstirnfläche des
Kolben bundes 16 oder die Ringstirnfläche des Kolbenbundes 14 aktiv
mit einem Druck beaufschlagbar ist, um den Kolben 12 in
Abhängigkeit
von der Bewegung der Last L zu verschieben. Die Anschlüsse A, B
können
auch kurzgeschlossen werden, um den Aktivzylinder in "Freigang" zu schalten; dann
funktioniert die Anlage als passiver Speicher.
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Der
Arbeitsraum 24 ist über
eine Druckleitung 34 mit einem Ringraum 36 des
Hydraulikzylinders 2 verbunden um beim Anheben von Lasten
von einem beweglichen Standort (z. B. Deck eines im Seegang befindlichen
Schiffes) Stoßbelastungen vorzubeugen,
kann in der Druckleitung 34 ein gestrichelt angedeutetes
schnell schaltendes Absperrventil 38 vorgesehen werden, über das
die Ölseite
des Aktivspeichers vom Hydraulikzylinder 2 trennbar ist. Über dieses
Absperrventil 38 kann auch die Speicherfunktion ausser
Betrieb gesetzt werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird
somit der passive hydropneumatische Speicher durch den Gasspeicher 32,
den Gasraum 22 und den Arbeitsraum 24 gebildet,
während
der Aktivzylinder durch die beiden ringförmigen Steuerräume 26, 28 gebildet
ist, die von der Gehäusetrennwand 20 von einander
getrennt sind und die über
die Anschlüsse A,
B mit Druckmittel beaufschlagbar sind.
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Es
sei nun angenommen, dass sich die Last L aufgrund des Seegangs relativ
zum am Schiff abgestützten
Zylindergehäuse 2 nach
rechts (Ansicht nach 1) bewegt. Dadurch wird Druckmittel
aus dem Ringraum 36 über
die Druckleitung 34 in den Arbeitsraum 24 verdrängt, so
dass der Kolben 12 des Aktivspeichers in der Darstellung
gemäß 1 nach links
bewegt wird, wobei der Druck im Gasraum 22 und somit im
Gasspeicher 32 der Verschiebung der Last L entgegen wirkt.
In dem Fall, in dem die beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit einander verbunden
sind, wirkt der Aktivspeicher wie ein passiver, herkömmlicher
hydropneumatischer Speicher. Die Lastposition ist hierbei nicht
direkt beeinflussbar.
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In
dem Fall, in dem die Kompensationsregelung aktiv ist, können die
Steuerräume 26 und 28 in 1 über die
Anschlüsse
A bzw. B mit Druckmittel beaufschlagt werden. Durch die Verschiebung
des Kolbens 12 nach links oder rechts wird der Arbeitsraum 24 aktiv
vergrössert
oder verkleinert, so dass das Druckmittel aus dem Ringraum 36 überströmt und die
Last L ihre gewünschte
Relativposition beibehält.
Die Regelung der Druckmittelzufuhr und Druckmittelabfuhr zu bzw.
aus den beiden Steuerräumen 26, 28 erfolgt
so, dass die Last L nach einem vorbestimmten Geschwindigkeitsprofil
bewegt oder in ihrer Relativposition gehalten wird.
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Die
in
1 dargestellte Lösung zeigt gegenüber dem
eingangs genannten Stand der Technik, insbesondere der
US 3,946,559 erhebliche Vorteile.
So sind beim Stand der Technik vier Dichtungen erforderlich (zwei
an den Kolbenbünden,
eine an einer Trennwand und eine vierte an der Durchführung einer
Kolbenstange des Kolbens durch die Stirnfläche des Aktivzylindergehäuses), während bei
der in
1 dargestellten Lösung nur drei Dichtungen (Kolbenbünde
16,
14 und
Trennwand
20) vorgesehen sein müssen. Da keine Kolbenstange
aus dem Zylinder heraus ragt, baut die erfindungsgemäße Lösung auch
wesentlich kürzer.
Der Kolben ist beim Stand der Technik entlang vier Gleitführungen
(zwei Kolbenbünde,
Durchführung
durch Gehäusetrennwand und
Durchführung
durch Aktivzylinderstirnfläche)
geführt,
während
beim in
1 dargestellten Ausführungsbeispiel
nur drei Gleitführungen
(Kolbenbünde
14,
16,
Gehäusetrennwand
20)
vorgesehen sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim Stand
der Technik gemäß der US-Patentschrift
ein externes bewegliches Teil (Kolbenstange) vorgesehen ist, während bei
der Lösung
gemäß
1 der
Aktivspeicher ohne externe bewegliche Teile auskommt.
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Das
vorbeschriebene Ausführungsbeispiel mit
einem linearen Antrieb ist für
vergleichsweise geringe Wege der Last L ausgelegt. In dem Fall,
dass die Last L über
größere Strecken
bewegt werden soll, wird anstelle eines Linearantriebes eine Winde
eingesetzt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel
ist in 2 dargestellt.
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Dabei
wird die Last L mittels einer Winde 40 bewegt, die über einen
oder mehrere Hydromotoren 42 angetrieben ist. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Hydromotor 42 in einem geschlossenen Kreislauf
angeordnet und wird über
eine von einem Motor M angetriebene Verstellpumpe 44 mit Druckmittel
versorgt. Dabei ist ein Druckanschluss P der Verstellpumpe 44 über eine
Hochdruckleitung 47 mit einem Druckanschluss P' des Hydromotors
und ein Sauganschluss S der Verstellpumpe 44 über eine Saugleitung 49 mit
einem Niederdruckanschluss T des Hydromotors 42 verbunden.
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Selbstverständlich kann
anstelle des geschlossenen Kreislaufs auch ein offener Druckmittelkreislauf
verwendet werden, wobei die Verstellpumpe Druckmittel aus einem
Tank T ansaugt und das Druckmittel über den Niederdruckanschluss
T des Hydromotors 42 zum Tank T zurückgeführt wird.
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Das
Kompensationssystem 4 besteht im Wesentlichen wiederum
aus einem hydropneumatischen Speicher 6 und einem als Gleichgangzylinder ausgebildeten
Aktivzylinder 8, die wiederum als Einheit (Aktivspeicher)
ausgeführt
sind. In dem gemeinsamen Zylindergehäuse 10 ist ein Kolben 12 geführt, der
bei dem dargestellten Ausführungs beispiel
zwei außen
liegende Kolbenbünde 14, 16 sowie
einen mittleren Ringbund 46 aufweist. Der Ringbund 46 und
der Kolbenbund 14 sind von einem ersten Kolbensteg 48 und
der Ringbund 46 und der Kolbenbund 16 über einen
zweiten Kolbensteg 50 miteinander verbunden, wobei dieser
beispielsweise einen geringeren Durchmesser als der erste Kolbensteg 48 hat.
Der Kolbensteg 48 durchsetzt eine erste Gehäusetrennwand 52 und
der zweite Kolbensteg 50 durchsetzt eine weitere Gehäusetrennwand 54.
Durch den mit drei Bünden
ausgeführten
Kolben 12 wird das Zylindergehäuse 10 somit in sechs
Druckräume
unterteilt, wobei der in 2 rechte Druckraum der Gasraum 22 ist.
Die beiden Steuerräume 26, 28 sind durch
die Gehäusetrennwand 52 und
den Ringbund 46 bzw. den Kolbenbund 14 begrenzt.
Ein weiterer Arbeitsraum 56 ist durch die weitere Gehäusewand 54 und
den mittleren Ringbund 46 sowie der Arbeitsraum 24 durch
die Gehäusetrennwand 54 und
den rechten Kolbenbund 16 begrenzt. Der Gasraum 22 ist wie
beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel über eine
Gasleitung 30 mit dem Gasspeicher 32 verbunden,
so dass der Gasdruck auf die Bodenfläche des Kolbenbundes 16 wirkt.
Durch die Bodenfläche des
weiteren Kolbenbundes 14 und der Innenstirnfläche des
Gehäuses 10 wird
ein Raum 58 begrenzt, der z. B. mit der Umgebung oder dem
Niederdruckraum verbunden oder abgeschlossen sein kann.
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Gemäß 2 ist
der Arbeitsraum 24 über die
Druckleitung 34 mit der Hochdruckleitung 47 und der
weitere Arbeitsraum 56 über
eine Niederdruckleitung 60 mit der Saugleitung 49 verbunden.
In der Niederdruckleitung 60 und/oder der Druckleitung 34 können wiederum
schnell schließende
Sperrventile 38 vorgesehen werden. Durch diese Sperrventile 38 kann
die Übertragung
von Stoßbelastungen
(Shock Loads) verhindert werden, die beispielsweise beim Aufnehmen
einer Last von einem sich bewegenden Deck auftreten können. Über die
Absperrventile 38 kann auch die Speicherfunktion ausser
Betrieb gesetzt werden.
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Die
beiden Steuerräume 26, 28 lassen
sich wiederum wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel über die
Anschlüsse
A, B und eine nicht dargestellte Regelventilanordnung mit einer
Druckmittelquelle oder einem Tank verbinden, um eine aktive Positionsregelung
des Speicherkolbens, und damit der Last, durchzuführen.
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Zum
Anheben oder Absenken einer Last unter normalen Betriebsbedingungen,
d.h. ohne Seegangskompensation sind diese beiden Anschlüsse A, B
geschlossen und/oder die Absperrventile 38 geschlossen,
so dass der Aktivzylinder 8 unwirksam ist und die Geschwindigkeit
und Drehrichtung der Winde durch den Schwenkwinkel der Verstellpumpe 44 vorgegeben
ist.
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In
dem Fall, in dem kein Anheben oder Absenken der Last erforderlich
ist, jedoch eine Seegangskompensation erforderlich ist, um die Last
in einer vorbestimmten Relativposition zu einem Zielobjekt zu halten,
fördert
die Verstellpumpe 44 kein Druckmittel zum Hydromotor 42.
Der Kolben 12 wird jedoch durch die Regelung des Aktivzylinders 8 in Abhängigkeit
von der Vertikalbewegung des Schiffs verschoben, so dass entsprechend
aus den Arbeitsräumen 24 oder 56 Druckmittel
zum Motor 42 geführt wird,
so dass dieser die Winde 40 entsprechend antreibt, um die
Kompensationsbewegung zu ermöglichen.
Die Last L durch den Druck im hydropneumatischen Speicher 6 abgestützt. Der
Aktivzylinder muss Druckunterschiede durch Gascharakteristik, Reibungen
und dynamische Einflüsse
aufbringen.
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In
dem Fall, in dem die Seegangskompensation gleichzeitig zu einem
Anheben oder Absenken der Last durchge führt werden soll – dies ist
der häufigste
Anwendungsfall – überlagert
die Regelung der Verstellpumpe 44 die Ansteuerung des Aktivspeichers
(Aktivzylinder 8, hydropneumatischer Speicher 6)
und umgekehrt.
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Wie
eingangs erwähnt,
soll der Gasdruck so ausgelegt sein, dass er die Last abstützen kann.
In dem Fall, in dem stark unterschiedliche Lasten gehandhabt werden
sollen, kann es vorteilhaft sein, wenn der Gasdruck im Gasspeicher 32 in
Abhängigkeit
von dieser Last veränderbar
ist. Dazu wäre
beispielsweise ein Kompressor mit den zugehörigen Regeleinrichtungen zur
Einstellung des Gasdrucks vorzusehen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Anpassung der Kompensationskraft an die zu handhabende
Last auch dadurch erfolgen, dass der Hydromotor 42 der
Winde 40 mit einem variablen Verdrängungsvolumen ausgeführt ist
oder dass mehrere Hydromotoren 42 mit variablem Verdrängungsvolumen
parallel geschaltet werden. Das Verdrängungsvolumen wird dann in
Abhängigkeit
von der Last eingestellt, wobei der Druck an der Gasseite des Aktivspeichers, d.h.
der Druck im Gasraum 22 und in dem Gasspeicher 32 konstant
gehalten werden kann, so dass kein eigener Kompressor und keine
Gasdruckregeleinrichtung erforderlich sind.
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Der
die Pumpe 44 und den Hydromotor 42 enthaltende
hydraulische Kreislauf ist noch mit allen üblichen Vorrichtungen, wie
beispielsweise Druckbegrenzungsventilen, Spülkreislauf, Kühlern, Filtern ausgeführt, wie
sie bei herkömmlichen
geschlossenen Kreisläufen
eingesetzt werden. Eine Leckage lässt sich auf gleiche Weise
ausgleichen, wie dies bei herkömmlichen
Systemen der Fall ist.
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Prinzipiell
können
die Funktionen der einzelnen Druckräume des Aktivspeichers getauscht
werden. So kann beispielsweise der Steuerraum 28 mit dem
Arbeitsraum 24 vertauscht werden.
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Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Kolben 12 einteilig ausgeführt, prinzipiell könnte dieser
Kolben auch mehrteilig ausgelegt werden.
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3 zeigt
eine konkrete Anwendung der in 1 dargestellten
Seegangskompensationseinrichtung für einen die Last L bildenden
Bohrstrang, wobei ein Bohrkopf von einem Schiff 62 aus
auf den Meeresgrund abgelassen werden soll, um beispielsweise eine
Meeresbodenprobe zu entnehmen oder nach Öl zu bohren. Beim konkreten
Ausführungsbeispiel
ist eine Hydraulikzylinderanordnung 2 durch zwei oder mehrere
parallel geschaltete Hydraulikzylinder gebildet, wobei die Kolbenstangen 39 an
einem auf dem Schiff 62 abgestützten Bohrgerüst 64 gelagert
und die Last L (Bohrstrang) an den vertikal verschiebbaren Zylindern
befestigt ist. Am Bohrgerüst 64 ist
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine
Lasermesseinrichtung 66 angeordnet, über die die Position des Schiffes
erfassbar ist. Die Position der Zylinder 2 wird über Wegaufnehmer 68 erfasst.
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3 zeigt
die wesentlichen Bauelemente der Regeleinheit zur Ansteuerung des
Aktivzylinders 8, über
den die Bewegungen, bzw. die Druckschwankungen an den Hydraulikzylindern 2 aufgrund
des Seegangs aktiv ausgeglichen werden. Wie im Zusammenhang mit 1 erwähnt, wird
die Last L, d.h. das Gewicht der Zylinder sowie des Bohrstranges durch
den hydropneumatischen Speicher 6 statisch abgestützt, indem
der Gasdruck im Gasraum 22 und damit im Gasspeicher 32 entsprechend
eingestellt ist. Die Einstellung des Gasdrucks im Gasspeicher 32 erfolgt über eine
Gasdruckregeleinheit 70, über die der Gasspeicher 32 mit
einem Vorratsspeicher 72 verbindbar ist, der wiederum über einen
Kompressoranordnung 74 aufgeladen werden kann. Selbstverständlich kann
der Gasspeicher 32 auch direkt über die Kompressoreinheit 74 und
die Gasdruckregeleinheit 70 aufgeladen werden, wobei der
Gasdruck in Abhängigkeit
vom Gewicht des Bohrstranges und ggf. vom Seegang veränderbar
ist.
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Die
Druckmittelversorgung des Aktivzylinders 8, der Hydraulikzylinder 2 und
des Arbeitsraumes 24 erfolgt über eine Verstellpumpe 76, über die Druckmittel
aus einem Tank T angesaugt und in die Druckleitung 34 gefördert werden
kann. Diese Druckleitung 34 ist über ein Hebeventil 78 mit
einer mit der Pumpe 76 verbundenen Pumpenleitung 80 und über ein
Senkenventil 82 mit einer mit dem Tank T verbundenen Tankleitung 84 verbindbar.
Beide Ventile 78, 80 sind leckagefrei in eine
Sperrstellung vorgespannt. Das Hebenventil 78 ist ein Schaltventil,
während
das Senkenventil 82 ein stetig verstellbares Wegeventil
ist, bei dem eine Ablaufblende proportional verstellbar ist.
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Von
der Pumpenleitung 80 zweigt eine Vorlaufleitung 86 und
von der Tankleitung 84 eine Ablaufleitung 88 ab,
die zu zwei Eingangsanschlüssen P,
T eines proportional verstellbaren Aktivspeicherregelventils 90 führen. Zwei
Arbeitsanschlüsse
A, B des Aktivspeicherregelventils 90 sind über eine
Zulaufleitung 92 und eine Ablaufleitung 94 mit
den Arbeitsanschlüssen
A bzw. B des Aktivzylinders 8 verbunden. Die Zulaufleitung 92 und
die Ablaufleitung 94 können über ein
Bypassventil 97 kurzgeschaltet werden, so dass der Aktivzylinder 8 dann
wirkungslos ist und der Speicher 4 nur als passiver Speicher
arbeitet. Über
das proportional verstellbare Aktivspeicherregelventil 90 können die
beiden Steuerräume 26, 28 des
Aktivzylinders 8 in Abhängigkeit
von der Schiffsbewegung mit Druckmittel beaufschlagt bzw. mit dem
Tank T verbunden werden. Das Aktivspeicherregelventil 90 ist
in seiner federvorgespannten Grundposition mit einer Schwimmstellung
ausgeführt und
lässt sich über proportional
verstellbare Elektromagnete so verstellen, dass entweder der Steuerraum 26 oder
der Steuerraum 28 mit der Verstellpumpe 76 verbunden
ist, während
das Druckmittel vom jeweils anderen Druckraum zum Tank T hin verdrängt wird.
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Die
Befüllung
des Arbeitsraumes 24 des hydropneumatischen Speichers 6 und
der Ringräume 36 der
Hydraulikzylinderanordnung 2 erfolgt über ein Füllregelventil 96,
dessen einziger Arbeitsanschluss A über eine Füllleitung 98 mit einer
Verbindungsleitung 100 zwischen dem Arbeitsraum 24 und
der Druckleitung 34 verbunden ist. In dieser Verbindungsleitung 100 ist
das vorbeschriebene Sperrventil 38 angeordnet, über das
die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 24 und der Hydraulikzylinderanordnung 2 abgesperrt
oder geöffnet
werden kann. Ein Druckanschluss P des Füllregelventils 96 ist über eine
Pumpenzweigleitung 102 mit der Pumpenleitung 80 und
ein Tankanschluss T des Füllregelventils 96 über eine
Tankzweigleitung 104 mit der Tankleitung 84 verbunden,
in der des weiteren noch Einrichtungen zum Kühlen, Filtern, etc. des Druckmittels vorgesehen
sind.
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Zum
besseren Verständnis
sei im Folgenden das Absenken und Aufholen eines Bohrkopfes erläutert.
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In
einer ersten Vorbereitungsphase wird der hydropneumatische Speicher 6 zunächst in
eine Ausgangsposition verfahren und der Gasdruck im Gasraum 22 in
Abhängigkeit
vom Gewicht des Bohrstranges eingestellt, wobei diese Einstellung
proportional zu dem zu erwartenden abzusenkenden Gewicht minus der
auf den Bohrkopf wirkenden gewünschten Vorschubkraft
eingestellt wird. Diese Einstellung des Aktivspeichers 8 erfolgt über das
Füllregelventil 96, über das
der Arbeitsraum 24 mit Druckmittel versorgt wird, während das
Sperrventil 38, das Hebenventil 78, das Senkenventil 82 geschlossen
sind und das Bypassventil 97 geöffnet ist, so dass die beiden
Steuerräume 26 und 28 des
Aktivzylinders 8 verbunden sind.
-
In
einer zweiten Phase wird der Bohrkopf zum Meeresboden abgesenkt.
Dabei bleibt das Absperrventil 38 geschlossen und die Ventile 78 und 82 werden
dazu verwendet, um durch Einfahren und Ausfahren der Hydraulikzylinderanordnung 2 das
Zusammensetzen des Bohrstranges zu ermöglichen und den Bohrkopf abzusenken.
Die Hydraulikzylinderanordnung 2 soll bei abgesenktem Bohrkopf
so eingestellt sein, dass noch genügend Verfahrweg zur Seegangskompensation
verbleibt. Während
dieses Absenkvorganges können
die Drücke
im Gasraum 22 und im Arbeitsraum 24 noch entsprechend über das
Füllventil 96 bzw.
die Gasdruckregeleinheit 70 eingestellt werden, um das
Gewicht des Bohrstrangs auszugleichen.
-
In
dem Moment, in dem der Bohrkopf den Meeresboden erreicht, wird zunächst eine
passive Seegangskompensation eingeschaltet, wobei der Lastdruck
der Hydraulikzylinderanordnung 2 erfasst wird. Während dieser
passiven Regelung werden die Ventile 78, 82 in
ihre Sperrposition verfahren, das Aktivspeicherregelventil 90 ist
noch in seiner Grundposition und das Sperrventil 38 ist
geöffnet.
Der Aktivspeicher 8 ist noch unwirksam, da das Bypassventil 97 noch
in seiner Durchgangsstellung verbleibt.
-
Beim
eigentlichen Bohren werden drei Methoden unterschieden:
- 1. Beim sogenenannten Normalbohren wird der Bohrdruck passiv "geregelt". Es werden Bohrdruckschwankungen
aufgrund der Schiffsbewegungen und deshalb Zylinderbewegungen und Speicherkolbenbewegungen
sowie Gasdruckschwankungen bewußt
zugelassen. Bei dieser Bohrart ist der Aktivzylinder kurzgeschlossen,
in dem das Bypassventil 97 in seine Durchgangsstellung
und das Aktivspeicherregelventil 90 in seine Neutralstellung
(Auf) gebracht werden.
- 2. Beim "verbesserten
Normalbohren" werden
die Bohrdruckschwankungen und entsprechend Drehmoment- und Drehgeschwindigkeitsschwankungen
und der Bohrkopf verschleiß sowie
ein Bohrkopfabheben reduziert oder weitestgehend vermieden, in dem
der Druck im Arbeitsraum 24 oder, bevorzugt, im Ringraum 36 konstant
gehalten wird. Dies erfolgt durch eine Druckregelung des Aktivzylinders 8,
wobei das Bypassventil 97 in seine Sperrstellung gebracht
wird und das Aktivspeicherregelventil 90 auf der Basis
eines geeigneten Regelprozesses so angesteuert wird, dass der Druck
in den genannten Druckräumen 24 oder, 36 praktisch
konstant bleibt.
- 3. Beim sogenannten "Kernbohren" werden mit einem
am Bohrstrang befestigten Sondergerät Bodenproben gebohrt. Bei
diesem Vorgang müssen die
Positionen mit relativ hoher Genauigkeit geregelt werden, um den
Seegang und eventuelle Schiffsbewegungen zu kompensieren. Das Gesamtgewicht
des Bohrstrangs wird, wie bereits erläutert, in etwa durch den Gasdruck
im Gasraum 22 kompensiert. Die Position der Hydraulikzylinder 2 wird
durch den Aktivzylinder 8 so geregelt, dass die Schiffsbewegung
kompensiert wird, dabei befindet sich das Bypassventil 97 in
seiner Sperrstellung und das Aktivspeicherregelventil 90 wird
entsprechend geregelt.
-
Nach
der Beendigung des Bohrvorgangs wird der Bohrkopf aus dem Boden
herausgzogen und angehoben. Dieses Herausziehen kann im Prinzip ebenfalls
nach den drei vorbeschriebenen Methoden erfolgen. In dem Fall, in
dem ein kontinuierliches Herausziehen des Bohrkopfs oder des daran
angebauten Geräts
gewünscht
wird, kann die aktive Seegangskompensationsregelung in eine Positionsregelung
umgeschaltet werden, um die Schiffsbewegungen auszugleichen.
-
Dieses
geregelte Herausziehen des Bohrkopfes aus dem Boden erfolgt dadurch,
dass über das
Füllregelventil 96 bei
geöffnetem
Bypassventil 97 Druckmittel in die Ringräume 36 der
Hydraulikzylinderanordnung 2 gefördert wird, so dass der Bohrkopf mit
konstanter Geschwindigkeit aus dem Boden herausgezogen wird. Wie
gesagt, erfolgt dabei eine aktive Seegangskompensation mittels der
Einstellung des Aktivspeicherregelventils 90, über das
der zur Seegangskompensation erforderliche Druck in den Steuerräumen 26, 28 eingestellt
wird, um den Bohrkopf mit konstanter Geschwindigkeit aus dem Boden heraus
zu ziehen.
-
Nachdem
der Bohrkopf aus dem Boden heraus gezogen ist, kann über die
vorbeschriebenen Regelungsarten verhindert werden, dass dieser in
unkontrollierter Weise angehoben wird. Der Zeitpunkt des Herausziehens
des Bohrkopfes aus dem Boden kann sehr einfach erfasst werden, da
dann die erforderliche Auszugskraft schlagartig absinkt. Um eine Kollision
des Bohrkopfes mit dem Boden zu verhindern, wird dieser dann vergleichsweise
schnell in einen Abstand zum Boden gebracht. Sobald der Kolben 12 des
Aktivspeichers seine voreingestellte Ausgangsposition erreicht hat,
wird die Seegangskompensation abgeschaltet, dabei wird das Sperrventil 38 geschlossen
und das Füllregelventil 96 sowie wie
das Aktivspeicherregelventil 90 in ihre Grundpositionen zurück verfahren.
Das Bypassventil 97 wird in seine Durchgangsstellung gebracht,
so dass der Aktivzylinder 8 abgeschaltet ist. Die beiden
Ventile 78, 82 bleiben geschlossen.
-
Anschließend wird
der Bohrstrang abgebaut und der Bohrkopf dabei zurück zum Schiff
angehoben. Während
dieses Anhebens bleibt das Sperrventil 38 geschlossen,
das Bypassventil 97 ist geöffnet und die beiden Regelventile 96, 90 befinden
sich weiterhin in ihrer Grundposition. Während des Anhebens des Bohrkopfes
und der Demontage des Bohrstranges erfolgt das erforderliche Anheben
und Absenken des an den Zylindermänteln der Hydraulikzylinderanordnung 2 befestigten,
den Bohrstrang tragenden Führungsbalken über das
Hebenventil 78 bzw. das Senkenventil 82. Dabei
kann der Gasdruck im Gasraum 22 wieder über die Gasdruckregeleinheit 70 an das
sich verringernde Gewicht des Bohrstranges angepasst werden.
-
Offenbart
ist eine Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System),
bei dem die Kompensation einer durch den Seegang erzeugten Relativbewegung
einer Last mit Bezug zu einer Sollposition über einen passiven hydropneumatischen
Speicher und einen aktiv geregelten Aktivzylinder erfolgt. Erfindungsgemäß ist der
Aktivzylinder in den hydropneumatischen Speicher integriert, so dass
die Kompensationseinrichtung äußerst kompakt und
einfach aufgebaut ist.
-
- 1
- Seegangskompensationseinrichtung
- 2
- Hydraulikzylinder
- 4
- Kompensationssystem
- 6
- hydropneumatischer
Speicher
- 8
- Aktivzylinder
- 10
- Zylindergehäuse
- 12
- Kolben
- 14
- Kolbenbund
- 16
- Kolbenbund
- 18
- Kolbensteg
- 20
- Gehäusetrennwand
- 22
- Gasraum
- 24
- Arbeitsraum
- 26
- Steuerraum
- 28
- Steuerraum
- 30
- Gasleitung
- 32
- Gasspeicher
- 34
- Druckleitung
- 35
- Differentialkolben
- 36
- Ringraum
- 38
- Sperrventil
- 40
- Winde
- 42
- Hydromotor
- 44
- Verstellpumpe
- 46
- Ringbund
- 47
- Hochdruckleitung
- 48
- 1.
Kolbensteg
- 49
- Saugleitung
- 50
- 2.
Kolbensteg
- 52
- 1.
Gehäusetrennwand
- 54
- 2.
Gehäusetrennwand
- 56
- weiterer
Arbeitsraum
- 58
- Raum
- 60
- Niederdruckleitung
- 62
- Schiff
- 64
- Bohrgerüst
- 66
- Lasermesseinrichtung
- 68
- Wegaufnehmer
- 70
- Gasdruckregeleinheit
- 72
- Vorratsspeicher
- 74
- Kompressoreinheit
- 76
- Pumpe
- 78
- Hebenventil
- 80
- Pumpenleitung
- 82
- Senkenventil
- 84
- Tankleitung
- 86
- Vorlaufleitung
- 88
- Ablaufleitung
- 90
- Aktivspeicherregelventil
- 92
- Zulaufleitung
- 94
- Ablaufleitung
- 96
- Füllregelventil
- 97
- Bypassventil
- 98
- Füllleitung
- 100
- Verbindungsleitung
- 102
- Pumpenzweigleitung
- 104
- Tankzweigleitung