DE2725880C3 - Gelenksäule und Handhabungsvorrichtung zum Ein- und Ausbau von Gelenken unter Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenksäule, welche über ein Kardangelenk an einer unter Wasser angeordneten Basis befestigt ist, wobei der Kardankopf hohl

iu ausgebildet und mit zylindrischen Hohlelementen versehen ist, an welche von der Säule getragene Rohrleitungen angeschlossen sind; und eine Handhabungsvorrichtung zum Aus- und Einbau elastischer, unter Wasser zwischen zwei Widerlagern zusammengepreßt eingesetzter Gelenke, insbesondere für auf dem Meeresboden angelenkte Säulen.

Gelenksäulen, welche über ein Kardangelenk an einer unter Wasser angeordneten Basis befestigt sind, sind aus der französischen Patentschrift 15 19 891 bereits bekannt. An einem hohl ausgebildeten, mit zylindrischen Hohlelementen versehenen Kardankopf sind von der Säule getragene Rohrleitungen angeschlossen.

In der DE-AS 11 78 385 ist ebenfalls eine Gelenksäule offenbart, welche über ein Kardangelenk an einer unter

it Wasser angeordneten Basis befestigt ist, wobei der Kadankopf hohl ausgebildet und mit zylindrischen Hohlelementen versehen ist, an welche von der Säule getragene Rohrleitungen angeschlosser sind. Mit dieser Gelenksäule ist eine flexible Verbindung zwischen zwei Vorrichtungsteilen möglich, wobei die Verbindung Bestandteil eines Leitrohres ist, das von einem Bohrkahn aus zum Meeresboden herabhängt. Die Gelenkverbindung verleiht dem Leitrohr eine ausreichende Flexibilität, so daß der Bohrkahn das Leitrohr nicht ständig genau senkrecht zu halten braucht.

Die US-PS 31 68 334 offenbart eine flexible Verbindung zur Herstellung von Gelenksäulen, welche für Öl- und Gasbohrungen im Schelfgebiet dient. Derartige, durch gelenkige Verbindungen hergestellte Gelenksäulen weisen, wie ausgeführt, die notwendige Flexibilität auf, um den Abweichungen des Bohrkahns aus seiner Position Rechnung zu tragen.

Handhabungsvorrichtungen zum Aus- und Einbau elastischer, unter Wasser zwischen zwei Widerlagern zusammengepreßt eingesetzter Gelenke, insbesondere für auf dem Meeresboden angelenkte Säulen, sind aus einer Veröffentlichung aus »The Oil and Gas Journal«, 30. April 1973, Seite 147, sowie den US-Patentschriften

Re 27 745 und 34 63 226 bekannt. Diese für Unterwasserinstallationen eingesetzten Vorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einer tauchfähigen Anordnung mit Schwimmern und einem längs der Vorrichtung verschiebbaren Wagen. Die in den genannter US-Patentschriften vorbeschriebenen Tauchmanipulatoren sind mit Zangen versehen.

Die US-PS 37 17 000 offenbart eine Einrichtung für Wartung und Austausch von Teilen in Unterwasserinstallationen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Anbringen von Rohrleitungen an Gelenksäulen mittels spezieller Gelenke, die unter Zuhilfenahme von Tauchern und Manipulatoren auswechselbar sind, zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die zylindrischen Hohlelemente des Kadankopfes und die Enden der an die Elemente angeschlossenen Rohrleitungen elastisch zusammendrückbare Gelenke eingesetzt sind; und daß die Handhabungsvorrichtung tauchfähig ausgebildet ist und ein aus mehreren Kammern gebildetes Fahrgestell mit einem darauf beweglichen Wagen aufweist, welcher in einer in der Mitte des Fahrgestells gelegenen Kammer angeordnet sowie mit Zangen zum Umgreifen und Einrichtungen zum Zusammenpressen der Gelenke versehen ist, wobei in seitlich gelegenen Kammern des Fahrgestells Ballasttanks und Druckluftbehälter angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gelenksäule sowie der für diese benötigte erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise perspektivische Ansicht des Kardankopfs, welcher in einem Kardangelenk am Fuß einer Gelenksäule für Bohrtürme vorzusehen ist, wobei das Gelenk an der Verbindungsstelle mit den entsprechenden Rohren und Leitungen elastische Gelenke aufweist, die auf Torsion beansprucht werden, und wobei diese Gelenke der Montage und der Demontage mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen;

F i g. 2 eine Ansicht, teilweise im Aufriß, einer derartigen Gelenkanordnung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die mit einem Wasserfahrzeug auf der Oberfläche verbunden ist;

Fig. 3 eine schematische Ansicht im Aufriß der Vorrichtung in größeren Einzelheiten, wobei der Wagen sich in eingezogener Stellung befindet;

F i g. 4 eine ähnliche Anordnung, in welcher sich der Wagen in der ausgezogenen und aktiven Stellung befindet;

Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie V-V der F i g. 4, welche die Greiforgane mit ihren Arbeitszylindern darstellt, sowie eine Schnittansicht des elastischen Gelenks vor der axialen Kompression;

Fig.6 eine Ansicht ähnlich denjenigen nach Fig. 3 und 4, wobei sich die Vorrichtung in der Greifposition des Gelenks und in der Rückkehr-Position des Wagens befindet.

Gemäß der Erfindung wird auf einem Kardangelenk an der Basis einer Gelenksäule für Bohrtürme oder dergl. mit elastischen Gelenken ein Werkzeug zur Einführung und zum Herausziehen dieser Gelenke vorgesehen.

In Fig. 1 ist zum Zwecke der Veranschauung ein Kardankopf perspektivisch dargestellt, der zwischen einem festen Anschlag auf dem Meeresboden und dem unteren Teil der Gelenksäule vorzusehen ist Dieser ϊ Kardankopf, der sich ebenfalls ün Aufriß in Fig. 2 ergib?, weist im wesentlichen zwei zylindrische Hohlelemente 1 und 2 auf, welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind und deren Enden sich drehbar in entsprechenden Lagern befinden, woboi zwei dieser "Lager 3 fest, d.h. mit der auf dem Boden 6 (Fig.2) ruhenden Basis 5 verbunden sind, während die anderen Lager 4 beweglich und mit dem Ende der Säule 7 verbunden sind. Das Innere des Kopfes gestattet den Durchfluß des Mediums (Öl, Gas) zwischen einer Rohrschleife für das Medium einerseits, welche Zweigleitungen 8 (Fig.2) an den Enden eines sich im Meeresboden befindenden Rohrs 9 und mit den Elementen 1 des Kopfes verbundene, von dem Lager 3 getragene Leitungen aufweist, und andererseits einer

'ti zweiten Rohrschleife, welche Leitungen 10 aufweist, die entlang der Säule verlaufen und sich an ihrer Basis mit den von den Lagern 4 getragenen Elementen 2 verbinden.

Wegen der relativen Winkelverschiebung der Lager mit Bezug auf die zylindrischen Elemente 1, 2 des Kardankopfes werden zwischen die Enden der Elemente und die Enden der entsprechenden, mit ihnen zusammenwirkenden Leitungen elastische Gelenke eingesetzt, wie sich bsi 11 aus Fig. 1 und 2 ergibt, die gemäß Darstellung nach F i g. 5, aus einem Stapel von Kautschukringen 12 und Metallunterlegscheiben 13 bestehen, wobei sich diese Gelenke bei Verdrehung um ihre Zentralachse verformen können. Die Einheit wird derart angeordnet, daß die in Frage stehenden

H elastischen Gelenke zur Zeit der Montage einem Druck durch axiale Kompression unterzogen werden, derart, daß ihre axiale Länge L (F i g. 5) welche ursprünglich der Entfernung D (F i g. 2) zwischen den Anschlagselementen, an denen sie sich abstützen müssen, überlegen war, durch Druckmittel momentan auf eine der Entfernung D unterlegene Länge gebracht wird; hierdurch wird die Einführung der Elemente ermöglicht, wonach die Druckmittel freigesetzt werden, so daß die Gelenke im zusammengedrückten Zustand gegen die Anschlagselemente abstützen. Bei den Leitungen 8, 10 kann der Anschlag beispielsweise auf den Anschlagplatten 14, 15 erfolgen, an welche die Enden der Leitungen 8, 10 angrenzen. Diese Platten sind mit entsprechenden Lagern durch Querverbindungen 16 in eine, gegenüber den Lagern einstellbaren Entfernung verbunden; diese Querverbindungen gewährleisten die Verbindung und die Vorspannung der Gelenke. Vorzugsweise sind die Gelenke an ihren Enden mit Anschlagskränzen 17, 18 versehen, deren Außenprofil vorieilhafterweise so gewählt wird, daß ein Ergreifen durch Andruckmittel und damit die axiale Einpressung ohne weiteres möglich ist, wobei dieses Profil beispielsweise ringförmige Rippen 19 (F i g. 5) aufweist, deren Funktion nachfolgend beschrieben wird.

In Verbindung mit einer derartigen Anordnung oder einer vergleichbaren Einrichtung wird ein Werkzeug vorgesehen, welches die Steuerung dieser Gelenke auf dem Boden sowohl für ihre Montage wie für ihre Demontage ohne weiteres ermöglicht, wobei diese

t>i Werkzeuge zu diesem Zweck Greifmittel a .fweisen, welche den erforderlichen Axialdruck auf die Gelenke aufbringen können, um damit ebenso ihre Abtrennung von der Oberfläche des Kardangelenks oder deren

Anschläge 14, 15 wie einen maximalen Druck zum Zeitpunkt der Montage zu gestatten. Dieses Werkzeug weist beispielsweise im wesentlichen ein Fahrgestell 20 auf, welches mit Mitteln versehen ist, um durch Ballastaufbringen oder -entfernen sein Untertauchen oder Aufsteigen an die Oberfläche von einem Schiff 21 (F i g. 2) vermittels eines Kabels 22 oder auf andere Weise zu gestatten, wobei dieses Gestell einen Wagen 23 (Fig.3) trägt, welcher mit Mitteln zum Ergreifen eines Gelenks 11 und zum axialen Aufspannen und Entspannen desselben versehen ist.

Die Anordnung kann durch eine Konstruktion 33 ergänzt werden, welche beispielsweise expandierten Schaum enthält, um das Eigengewicht der Anordnung im Wasser zu bilden, wobei dieser Schaum beispielsweise ein Volumen von 5—10 m³aufweist.

Das Geste!! 20 hat beispielsweise die Form eines Parallelepipeds, das in eine Reihe von seitlichen Kammern unterteilt ist (von denen eine 24 im Aufriß in der Fig.4 dargestellt ist), welche Ballastflaschen 25 in Verbindung mit Druckluftbehältern 26 mit fernbetätigbaren Schiebern enthält; andererseits enthält das Gestell eine miltige Kammer 52 (Fig. 3 und 4), in welcher der mit Rädern oder Rollen 27 zur Verschiebung auf einer Rollbahn 28 versehene Wagen 23 enthalten ist. Dieser Wagen ist in dem in Betracht gezogenen Anwendungsfall, in welchem die Achse der Gelenke sich während der Montage in einer praktisch horizontalen Richtung befindet, vorteilhafterweise vertikal angeordnet, um für die Greifermittel eine korrekte Position zu gewährleisten. Zur Durchführung seiner Verschiebebewegungen ist er mit Steuermitteln versehen, welche beispielsweise zumindest eine Drehspindel 29, die von einem Motor 30 angetrieben wird, aufweist. Eine zentrale Führung kann bei 31,32 vorgesehen sein.

Die von dem Wagen 23 getragenen Greifermittel können beispielsweise eine gewisse Anzahl von Zangen 35 (Fig. 3—6) aufweisen, die um das zu betätigende Gelenk herum angeordnet sind, um sich an diesem, insbesondere an den vorstehend erwähnten Rippen 19. anzuhaken. Es sind beispielsweise vier derartige Zangen vorgesehen, welche in der Betriebsstellung das Gelenk umgeben, wie sich aus den F i g. 4 und 6 ergibt, indem sie um 90° zueinander verschoben angeordnet sind. Sie werden beispielsweise in der in F i g. 5 dargestellten Weise betätigt, d. h. sie bestehen aus zwei Segmenten 35,36. welche mit Rillen zum Anhaken an den Rippen 19 versehen sind, wobei die Segmente jedes Paars vermittels eines fernbetätigbaren Arbeitszylinders 37 untereinander verbunden sind, vermittels dem sie sich parallel zur Gelenkachse einander annähern oder voneinander entfernen können.

Des weiteren sind Mittel mit diesen Zangin kombiniert, um das Gelenk während der Montage in seiner entsprechenden maximalen Kompressionsstellung zu blockieren. Diese Mittel können einfacherweise in den beiden sich relativ zueinander bewegenden Teilen vorgesehene Öffnungen 48, 49 sein. In dieser Stellung befinden sich die Öffnungen einander gegenüberliegend, derart, daß die Blockierung dadurch erfolgt daß der Bolzen 50 (F i g. 4) durch diese Öffnungen hindurchgelangt, wobei auch andere geeignete Mittel für diesen Zweck vorgesehen werden können.

Die vier Zangen 34 sind auf einem mit dem Wagen 23 verbundenen Träger angeordnet, welcher sich ohne weiteres in den Zwischenraum für den I.ineang des von den Anschlagelementen 3 und 14 oder 4 und 15 (Tig. I) begrenzten Raums einführen läßt, indem er zwischen die Querverbindungen 16 (von denen, falls erforderlich, einige entfallen können) geführt wird. Dieser bei 38 in den Fig.3, 4 und 6 dargestellte und als Verlängerung des Wagens 23 ausgeführte Träger ist beispielsweise gabelförmig ausgebildet, wobei die beiden Gelenkarme 39 zwei Zangen 34 tragen, während die anderen Zangen 34 von dem Hohlraum der Gabel getragen werden, wobei die beiden Gelenkarme 39 von einem Arbeitszylinder 40 gesteuert werden. In der Endstellung der Zangen sind zur Aufrechterhaltung dieser Position Spannmittel, beispielsweise eine Vorrichtung mit einer Schraube oder Feder 51 zwischen den beiden Armen 39, vorgesehen.

Außerdem ist der Träger mit dem Wagen 23 durch Mittel verbunden, welche vorzugsweise so betätigt werden, daß dieser Träger gewisse Möglichkeiten hat, seine Richtung zu steuern. Diese Mittel können eine Gelenkverbindung zwischem dem Träger 38 und dem Wagen 23 in Form eines Zwischenelements 41 aufweisen, welches gelenkig am Träger und am Wagen um praktisch parallele Achsen 42, 43 angebracht ist. Dadurch kann sich der Träger 38 leicht parallel zu sich selbst verschieben. Diese Verschiebungen können über

'5 eine Entfernung gesteuert oder im Augenblick der Montage oder Demontage durch Taucher direkt erreicht werden. Im übrigen können diese Mittel eine Vorrichtung zur Winkelverschiebung des Trägers 38 in seiner Ebene, beispielsweise einen gebogenen Hebel 44,

in aufweisen, welcher von einer Kurbel 45 aus gesteuert wird, wobei mit Hilfe dieses Hebels die Richtung der Achse 42 geändert werden kann.

Des weiteren ist die Anordnung durch Mittel zur Befestigung der Vorrichtung an der Kardankonstruk-

j'i tion, beispielsweise über Querverbindungen 16, während der Montage oder Demontage, ergänzt. Diese Mittel weisen insbesondere in dem Kopf der Anordnung vorgesehene, von dem Arbeitszylinder 47 gesteuerte Haken 46 auf. In der gleichen Anordnung ist ferner eine

■in Energiequelle vorgesehen, welche beispielsweise eine hydraulische Einrichtung mit einer zentralen Unterwasser-Motorpumpe aufweist, welche die Winden der Zangen, die Einstellwinden der Zangen, den hydraulischen Motor zur Bewegung des Wagens sowie die · Einhängwinden auf den Querverbindungen speist.

Unter der Wirkung dieser Vorrichtung können die vier Aufspannzangen des Gelenks einen Gesamtkompressionseffekt von 200 t mit einem Druck von 500 bar und einen Spannungsgrad von unter 60% der

'"i elastischen Grenze bewirken.

Folglich wird eine Vorrichtung folgender Funktionsweise geschaffen.

Bei der Demontage bereits vorhandener Gelenke wird die Vorrichtung über ein Kabel 22 (F i g. 1 j

i> heruntergelassen, wobei der Vorrichtung während des Abscnkens durch Regulierung des Ballasts ein geringes Gewicht von beispielsweise 150 kg erteilt wird.

Hat die Vorrichtung den Boden erreicht (F i g. 3), wird sie bis zu einem Gewicht von annähernd Null immer

·>'· noch entlastet, um die Handhabung zu erleichtern. Die Taucher können nunmehr zunächst die Vorrichtung über die Querverbindungen 16 durch Steuerung der Haken 46 mit Hilfe der Arbeitszylinder 47 angreifen, sodann die Verschiebung des Wagens vom Motor aus

»> steuern und den die Zangen tragenden Träger 38 zur richtigen Positionierung derselben führen, und zwar zunächst für die beiden auf dem Boden befindlichen Teile der Gabel und sodann für die beiden anderen nach

dem Absenken der beiden Gelenkarme 39 mit Hilfe der Zylinder 40, wobei das Instellungbringen der Aufspanneinrichtung 51 (F i g. 4) den Vorgang beendet.

Nach Erreichen dieser Position treten die Zylinder 37 in Aktion, um einen maximalen Druck auf das Gelenk auszuüben; sodann werden die Bolzen 50 in die öffnungen 48, 49 eingebracht, um diesen Druck aufrechtzuerhalten. Von diesem Augenblick an ist das Gelenk von seinen Anschlagflächen befreit, so daß es unter Rückführung des Wagens nach hinten herausgezogen werden kann (nachdem die Haken 46 entfernt wurden), wie sich dies aus F i g. 6 ergibt. Sodann ist die Vorrichtung nur noch zu entlasten, um sie an die Oberfläche aufsteigen zu lassen.

Die gleichen Vorgänge erfolgen in umgekehrter

Richtung für die Montage eines Gelenks.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Befestigung der äußersten Kränze 17 und 18 des Gelenks an den entsprechenden jeweils von den zu verbindenden Teilen getragenen Anschlägen aufgrund des Zusammendrükkens des Kautschuks durch Haftung erfolgt ist. Es versteht sich jedoch, daß eine zusätzliche Befestigung durch Bolzen oder dergl. ebenfalls möglich ist, in welchem Fall diese Befestigung im Laufe der Arbeitsvorgänge zur Extrahierung oder Anordnung der Gelenke gelöst werden müßte.

Mit der Erfindung wurde eine Vorrichtung zum Ausoder Einbau von Gelenken innerhalb stark herabgesetzter Zeiten durch einfache Mittel geschaffen, welche von den Tauchern nur eine Mindestarbeit erfordern.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

OO 232/156

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Gelenksäule, weiche über ein Kardangelenk an einer unter Wasser angeordneten Basis befestigt ist, wobei der Kardankopf hohl ausgebildet und mit zylindrischen Hohlelementen versehen ist, an welche von der Säule getragene Rohrleitungen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die zylindrischen Hohlelemente (1, 2) des Kardankopfes und die Enden der an die Elemente (1, 2) angeschlossenen Rohrleitungen (8, iO) elastisch zusammendrückbare Gelenke (It) eingesetzt sind.

2. Säule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (11) auf die Enden der Hohlelemente (1, 2) und der Rohrleitungen (8, 10) druckausübend eingesetzt sind.

3. Handhabungsvorrichtung zum Aus- und Einbau elastischer, unter Wasser zwischen zwei Widerlagern zusammengepreßt eingesetzter Gelenke, insbesondere für auf dem Meeresboden angelenkte Säulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung tauchfähig ausgebildet ist und ein aus mehreren Kammern gebildetes Fahrgestell (20) mit einem darauf beweglichen Wagen (23) aufweist, welcher in einer in der Mitte des Fahrgestells (20) gelegenen Kammer (52) angeordnet sowie mit Zangen (34) zum Umgreifen und Einrichtungen (35, 36, 37) zum Zusammenpressen der Gelenke (11) versehen ist, wobei in seitlich gelegenen Kammern (24) des Fahrgestells (20) Ballasttanks (25) und Druckluftbehälter (26) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wagen (23) einen gabelförmigen, quer zur Achse eines Gelenkes (11) ausgerichteten Träger (38) besitzt, der die Zangen (34) trägt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eine expandierte Schaummasse zur Kompensierung des Gewichts der Einrichtungen im Wasser aufweist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zangen (34) je zwei Segmente (35, 36) zum Übergreifen von zwei ringförmigen Rippen (19) des Gelenks (11) aufweisen, wobei die Segmente (35, 36) durch einen Arbeitszylinder (37) gegeneinander beweglich miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der vorgesehenen Zangen (34) vier beträgt, von denen zwei im Boden des Trägers

(38) angeordnet und die beiden anderen von auf den Enden des Trägers (38) montierten Gelenkarmen

(39) getragen sind, welche durch Arbeitszylinder (40) steuerbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperreinrichtung zur Fixierung der Zangen (34) in der aufgespannten Endstellung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung auf dem Arbeitszylinder und auf der Zange (34) vorgesehene öffnungen (48, 49) aufweist, welche sich in Endstellung der Aufspannung überdecken und in welche in dieser Stellung ein Bolzen (50) einführbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des gabelförmig ausgebildeten Trägers (38) mit Haken (46) zum Anbringen der Vorrichtung an der die Gelenke (11)

tragenden Anordnung versehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, zur Handhabung von Gelenken, die sich auf zwei durch Querverbindungen miteinander verbundene Anschlagelemente abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Haken (46) unter Steuerung durch einen Arbeitszylinder (47) an bestimmte Querverbindungen (16) der das Gelenk (11) tragenden Anordnung anlegbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Einstellung der Position des Trägers (38) relativ zum Wagen (23) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (38) in geringem Umfang parallel zu sich selbst verschiebbar ist

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (38) in der gleichen Ebene geringfügig winkelverstellbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wagen (23) mit Hilfe einer Drehspindel (29) verschiebbar ist.