DE2813119C2

DE2813119C2 - Kupplung für die Einzellängen von Meeressteigleitungen

Info

Publication number: DE2813119C2
Application number: DE2813119A
Authority: DE
Inventors: Albert Michael Huntington Beach Calif. Regan; William P. Northridge Calif. Slota; Bruce J. Rancho Palos Verdes Calif. Watkins
Original assignee: Regan Offshore International Inc
Current assignee: Baker Hughes Co
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1978-03-25
Publication date: 1986-10-02
Also published as: JPS53125201A; JPS6026920B2; DE2813119A1; FR2385886A1; US4183562A; FR2385886B1; GB1593347A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplung für die Einzellängen von Meeressteigleitungen, die hohen Zug- und Biegebelastungen beim Bohren in und beim Fördern aus relativ großen Meerestiefen ausgesetzt sind, aus einem rohrförmigen Ansatz zur Verbindung mit der dieser zugeordneten Einzellänge der Steigleitung und aus einem Flansch zur Verbindung mit dem Flansch einer anderen, einer weiteren Steigleitungseinzellange zugeordneten Kupplung, wobei die freiliegende Oberfläche jedes Flansches zur Verhinderung von Spannungskonzentrationen in der Kupplung vom ronrförmigen Ansatz zum Flansch hin zumindest teilweise konkav bogenförmig ausgebildet ist

Es werden bereits bei verschiedenen Bohr- und Produktionsverfahren Meeressteigleitungen von schwimmenden Schiffen oder Plattformen zu Unterwasser-

]0 bohrköpfen geführt. Die Steigleitung weist eine Anzahl von Rohr- oder Leitungsabschnitten auf, die an Bord des Schiffes oder der Plattform zusammengefügt und mittels bekannter Einrichtungen vom Schiff nach unten zur Bohrung geführt werden. Mit der Einführung von ständig tiefer werdenden Bohr- und Produktionsvorhaben wuchsen auch die Zug- und Biegebelastungen, die die Steigleitungen und ihre Abschnitte aufnehmen mußten. Es hat sich gezeigt, daß die bisher bekannten Kupplungen zur Verbindung der Leitungsabschnitte nicht mehr mit Sicherheit in der Lage sind, diesen sehr großen Belastungen Stand zu halten, da sie die Bildung von Spannungskonzentrationen zulassen. Insbesondere neigen Kupplungen, mit mehreren beweglichen Klinken an einem der miteinander zu verbindenden Teile und einer Umfangsnut am korrespondierenden Teil dazu, die der Kupplung unter diesen Zug- und Biegebelastungen mitgeteilten Spannungen in einem Zentralbereich der Kupplung, in dem die beweglichen Klinken sowie die Nut vorgesehen sind, zu konzentrieren.

Grundsätzlich ist bereits in der DE-OS 26 55 579 ein Weg aufgezeigt, wie der Bildung von Spannungskonzentrationen zwischen Flansch und Rohr entgegengewirkt werden kann. Die Vorerfinder schlagen in diesem Zusammenhang vor, die freiliegende Oberfläche der Flansche vom rohrförmigen Ansatz der Steigleitung zum Flansch hin zumindest teilweise konkav bogenförmig auszubilden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Kupplung der eingangs genannten Art für die Einzeüängen von Meeressteigleitungen weiterhin dahingehend zu verbessern, daß eine besonders gute Verteilung der zwischen den Rohrabschnitten und den ihnen zugeordneten Flanschen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der bogenförmige Teil der freiliegenden Oberfläche jedes Flansches durch eine Kurve definiert ist, die im wesentlichen die Form eines Viertels einer Ellipse aufweist, welche vom Ende des rohrförmigen Ansatzes der Kupplung zum radial äußeren Ende ihres Flansches verläuft.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Kupplung besonders vorteilhaft die beim Bohren durch Zug- und Biegebelastungen auftretenden Spannungen verteilt, was sich in einer verlängerten Standzeit oder Lebensdauer der mit den erfindungsgemäßen Kupplungen versehenen Einzellängen von Meeressteigleitungen äußert. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, daß die erfindungsgemäße Kupplung auf herkömmlichen Maschinen herstellbar ist. Der erfindungs-

gemäß vorgeschlagene teilweise elliptische Übergang von Flansch zu Rohrabschnitt kann auf den bisher verwendeten Werkzeugmaschinen hergestellt werden.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der schematisehen Zeichnung bzw. aus den Unteransprüchen. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Unterwasserbohrkopfes eines an der Meeresoberfläche schwimmenden

Schiffes sowie eines Stranges einer aus einzelnen Einzeliängen zusammengesetzten Meeressteigleitung, die sich zwischen dem Schiff und dem Bohrkopf erstreckt, wobei die Einzellängen mittels der erfindungsgemäßen Kupplung miteinander verbunden sind.

Fig.2 einen teilweise Vertikalschnitt durch eine Kupplung nach dem Stand der Technik für Einzellängen der Meeressteigleitung nach F i g. 1.

Fig.3 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Ausbildung der äußeren Oberfläche der Kupplung nach Fig. 2.

Gemäß F i g. 1 ist eine Einrichtung für Unterwasserölbohrungen zur Darstellung der Umgebung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, also einer Kupplung von Einzellängen einer Meeressteigleitung gezeigt. Hierbei schwimmt ein Schiff 10 auf der Meeresoberfläche 11 über einen am Meeresboden 13 befindlichen Bohrkopf 12. Die Meeressteigleitung oder Steigleitung 14 verläuft von dem schwimmenden Schiff nach unten zum Bohrkopf 12, der mit einer Einrichtung zur Verhinderung des Ausblasens 15 sowie einem Steigleitungsverbinder 16 versehen ist.

Nach Fig. 1 sind weiterhin zwei Führungsleinen 17 und 18 gezeigt, die von dem Schiff 10 zum Unterwasserbohrkopf 12 verlaufen und die Abschnitte, Rohrabschnitte oder Einzellängen der Steigleitung vom Bohrturm 19 des Schiffes 10 über dessen herkömmlichen Schacht 20 bis zum Bohrkopf führen. Das Schiff weist über dem Schacht 20 einen Drehtisch 21 auf.

Die Einzellängen 22 bis 26 der Meeressteigleitung sind jeweils durch eine Kupplung miteinander verbünden. Diese weisen jeweils ein oberes Verbindungsteil 27 am unteren Ende eines Rohrabschnittes oder einer Einzellänge und ein unteres Verbindungsteil 28 am oberen Ende des vorangegangenen Rohrabschnittes auf, wie dies in der F i g. 1 in Verbindung mit den Einzellängen 22 und 23 gezeigt ist. An den Verbindungsteilen sind Führungsmuffen 29 vorgesehen, um letztere und die zugeordneten Einzellängen der Steigleitung vom Schiff zum Meeresboden in im wesentlichen bekannter Weise zu führen.

In F i g. 2 ist der grundsätzliche Aufbau einer aus Einzellängen oder Rohrabschnitten bestehenden Meeressteigleitung gezeigt, wobei die Einzellängen über Kupplungen zusammengeführt sind. Die erfindungsgemäße Kupplung ist sodann in F i g. 3 wiedergegeben.

Gemäß F i g. 2 weist eine Kupplung das obere Verbindungsteil 27 sowie das untere Verbindungsteil 28 auf, die jeweils an den ihnen zugeordneten Rohraoschnitten 22 und 23 beispielsweise angeschweißt sind, vgl. die Schweißnähte 30 und 33. Eine Innenwandung 32 des oberen Verbindungsteiles 27 fluchtet und ist mit der zugeordneten Innenwandung 31 des Rohrabschnittes 22 verbunden. In der gleichen Weise ist eine Innenwandung 34 des unteren Verbindungsteils 28 fluchtend mit der zugeordneten Innenwandung 35 des Rohrabschnittes 23 über die Schweißnaht 33 verbunden. Im zusammengebauten Zustand, vgl. F i g. 2, sind die durch die Innenwandungen begrenzten Ausnehmungen der Verbindungsteils gegenüber der Umgebung durch Ringdichtungen 36 abgedichtet, die zwischen Flanschen 37 und 38 der jeweiligen Kupplungs- oder Verbindungsteile 27 und 28 vorgesehen sind.

Gemäß F i g. 2 weist jedes Kupplungsteil 27 und 28 eine Basis auf, die von den jeweiligen Flanschen 37 und 38 gebildet werden. Das gegenüberliegende äußere Ende eines jeden Kupplungsteil? weist jeweils einen Rohransatz oder ein oberes Ende 39, 40 auf. Die effektiv kontinuierlichen, bogenförmigen Flächen 41 und 42 erstrecken sich von den äußeren Enden der Rohransätze 39, 40 eines jeden Kupplungsteils zu den äußeren Seitenbereichen eines jeden Flansches 37 und 38. Die Oberflächen 41 und 42 sind bogenförmig, verlaufen also in Form einer Kurve oder nichtlinear, vgl. den Querschnitt nach F i g. 3, und sie erstrecken sich umfänglich um das äußere eines jeden Kupplungsteils herum.
Wie insbesondere gemäß der Erfindung vorgesehen

ίο ist, weist jede Einzellänge der Steigleitung eine Ausbildung der äußeren Oberfläche derart auf, daß die Kupplung den großen Zug- und Biegebelastungen standhalten kann, die in der Regel beim Bohren und während der Produktion in großen Meerestiefen auf die Steigleitung einwirken. Gemäß der Erfindung weist die äußere Oberfläche eines jeden Kupplungsflansches im wesentlichen die Form eines Viertels einer Ellipse auf, die sich im wesentlichen über die gesamte äußere Oberfläche eines jeden Kupplungsflansches von dessen einem äußeren Ende im Bereich des zugeordneten Rohrabschnittes zu dessen anderem äußeren Ende im Bereich der äußeren Seitenflächen der Flansche 37 und 38 erstreckt, wie dies im folgenden genau beschrieben werden wird.

Mit dem Ausdruck »Spannungskonzentration« wird eine Spannung bezeichnet, die etwa zweimal größer als der Wert der Durchschnittsspannung ist, die im linearen Steigleitungsabschnitt vorliegt. Anders ausgedrückt heißt dies, daß mit der Erfindung das Anliegen von solcher Zug- und Biegespannungen im gesamten Kupplungsteil vermieden werden soll, welche Spannungen zweimal größer als die im linearen Steigleitungsabschnitt vorliegenden sind. Wenn somit zum Beispiel die in einem Steigleitungsabschnitt vorliegenden Durchschnittszugspannung 175 N/mm² beträgt, dann bedeutet das Vorliegen keiner »Spannungskonzentration« in den zugeordneten Kupplungsteilen, daß keine Stelle der Kupplung einer Spannung von mehr als etwa 350 N/ mm² ausgesetzt ist.

Obgleich kontinuierliche bogenförmige Oberflächen zwischen Kupplungsflansch und Rohrabschnitt gemäß F i g. 2 bereits zu der angestrebten Verteilung von Zug- und Biegespannungen unter Tiefseebedingungen führen, so daß Spannungskonzentrationen an der Kupplung vermieden werden, wurde gefunden, daß zur Herbeiführung der theoretisch optimalen Verteilung der Zug- und Biegespannungen die äußere Oberfläche der Kupplung einer Hälfte einer parabolischen Kurve entsprechen sollte.
Bei einer solchen Ausbildung würde die Achse der Parabel parallel zur Achse der Bohrung der Steigleitung verlaufen, der Scheitel der Parabel im Bereich des radialen Randes des Flansches angeordnet sein, und das äußere Ende der Parabel würde sich asymtotisch der äußeren Wandung der Steigleitung, weg vom Flansch annähern. Die Konstruktion einer solchen idealen Kupplung würde jedoch zu einem Maschinenelement führen, dessen Länge derart groß ausfällt, daß es kaum praktisch herstellbar oder wirtschaftlich zu handhaben wäre.
Es wurde weiter gefunden, daß die Vorteile einer Parabel praktisch auch dann vollständig erreicht werden können, wenn die äußere Ausbildung der Kupplung — im Schnitt gesehen — im wesentlichen einer elliptischen Kurve, insbesondere einem Viertel einer Ellipse, entspricht. Hierbei erhält man ein Maschinenelement, das praktisch herzustellen und auch wirtschaftlich zu handhaben ist. Da die Kurven einer Ellipse in den Außenbereichen tangential verlaufen, kann eine Kupplung herkömmlicher und erwünschter Länge im Gegensatz zu

den sehr langen Kupplungen erzeugt werden, die im Falle der Verwendung einer parabolischen Kurve notwendig würden, wenn ein glatter Oberflächenübergang zwischen den bogenförmigen Flächen und den geraden Flächen der Steigleitungsabschnitte angestrebt wird.

F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer solchen elliptschen äußeren Oberfläche einer Kupplung. Das Kupplungsteil 27' weist einen Flansch 37', einen rohrförmigen Ansatz 39' und eine äußere Oberfläche 4Γ auf.

Das grundsätzliche Bestreben der Erfindung besteht darin. Kupplungen herkömmlicher Abmessungen zu schaffen, deren äußere Oberflächen elliptisch ausgebildet sind, insbesondere in Form einer Viertelellipse, bei der ein Ende der Kurve tangential zum Steigleitungsabschnitt und das andere Ende tangential zur horizontalen, oberen Fläche des Flansches verläuft.

Auf Grund der Ellipsenformel

X* , Y>
-ρ- + -π-=1

verschiedener weiterer zwischen dem Schiff und der Bohrung verlaufender Leitungen vorgesehen sein. Wie aus der Fig.2 zu entnehmen ist, ist eine Fließleitungskupplung in Form der Leitungskupplungen 60 und 61 in den Kupplungsteilen 27 bzw. 28 angeordnet. Zugeordnete Fließleitungen 62 und 65 sind mit entsprechenden Verbindungen 63 und 64 versehen. Über sie erfolgt die Verbindung mit den zugehörigen Leitungskupplungen 60,61 in ansonsten herkömmlicher Weise.

Im übrigen wird auf den Inhalt der DE-OS 26 55 579 verwiesen. Dort ist im einzelnen noch die Verbindung von Einzellängen von Rohrleitungen über Kupplungen beschrieben. Auch die erfindungsgemäßen Kupplungen können in der dort beschriebenen Weise miteinander verbunden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

nimmt die Ellipse Kreisform an, wenn a und b gleich sind (d. h. wenn die Haupt- und die Nebenachse gleich lang sind). Der Ausdruck »Ellipse« soll deshalb so verstanden werden, daß er auch Kreise beinhaltet. Gemäß F i g. 3 wird jedoch bevorzugt, daß die Viertelellipse nicht kreisförmig ist, sondern vielmehr eine relativ lange Hauptachse und eine vergleichsweise kurze Nebenachse aufweist, wobei die Hauptachse parallel zur Achse der Bohrung des Abschnitts angeordnet ist.

Das Kupplungsteil 27' nach F i g. 3 kann beispielsweise zur Anfügung an einen Steigleitungsabschnitt mit einem Innendurchmesser von 444,5 mm und einem Außendurchmesser von 508 mm ausgebildet sein. Das Kupplungsteil selbst weist in diesem Fall dann einen Innendurchmesser von 444,5 mm und einen Außendurchmesser an der Schweißverbindung bezüglich des angefügten Steigleitungsabschnitts von 508 mm auf. Die elliptische Kurve berührt die Vertikale etwa 12,7 mm unterhalb der Mitte der Schweißnaht und bewirkt einen glatten Oberflächenübergang von Kupplung über Schweißnaht zum linearen Steigleitungsabschnitt Die Hauptachse der Ellipse beträgt 457,2 mm, die Nebenachse 228,6 mm. Grundsätzlich wird angestrebt, daß die Hauptachse der Ellipse doppelt so groß wie die Nebenachse ist Weiterhin sollte die Hauptachse der Ellipse vorzugsweise etwa gleich dem Außendurchmesser des Steigleitungsabschnittes sein.

Die Vorteile der elliptischen äußeren Ausbildung unter Verringerung des Gewichts und der Menge des zur Herstellung der Kupplung erforderlichen Materials werden auch dann im wesentlichen beibehalten, wenn die elliptische Kurve im Punkt A einer unter etwa 10° (zwischen 8 und !2°) geneigten Linie tangential verläuft, anstelle einer Erstreckung bis zum niedrigsten Punkt der Kurve und eines tangentialen Verlaufs bezüglich der Horizontalen. Diese Ausbildung führt zu einer Kupplung vergleichsweise geringer Abmessung und geringen Gewichts, wobei weiterhin ein glatter Übergang an der äußeren Oberfläche ohne Diskontinuitäten erreicht wird, welche zu Spannungskonzentrationen führen würden. Die unter 10° geneigte Fläche setzt sich bis zu einer etwa 50 mm vom Ende des Flansches entfernten Stelle fort; letzteres ist unter einem Winkel von 45° gebrochen.

Bei der beschriebenen Meeressteigleitung können auch Einrichtungen zur Verbindung und Orientierung

Claims

Patentansprüche:

1. Kupplung für die Einzellängen von Meeressteigleitungen, die hohen Zug- und Biegebelastungen beim Bohren in und beim Fördern aus relativ großen Meerestiefen ausgesetzt sind, aus einem rohrförmigen Ansatz zur Verbindung mit der dieser zugeordneten Einzellänge der Steigleitung und aus einem Flansch zur Verbindung mit dem Flansch einer anderen, einer weiteren Steigleitungseinzellänge zugeordneten Kupplung, wobei die freiliegende Oberfläche jedes Flansches zur Verhinderung von Spannungskonzentrationen in der Kupplung vom rohrförmigen Ansatz zum Flansch hin zumindest teilweise konkav bogenförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmig.! Teil der freiliegenden Oberfläche jedes Flansches (37') durch eine Kurve definiert ist, die im wesentlichen die Form eines Viertels einer Ellipse aufweist, welche vom Ende des rohrförmigen Ansatzes (39') der Kupplung (27') zum radial äußeren Ende ihres Flansches (37') hin verläuft.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Hauptachse der Ellipse etwa doppelt so lang wie ihre Nebenachse und die Hauptachse parallel zur Achse des Steigleitungsabschnitts angeordnet ist.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse etwa ebenso lang wie der äußere Durchmesser des Steigleitungsabschnitts ist.

4. Kupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve bei Annäherung an den Flansch (37') zunächst ellipsenförmig verläuft und dann in einen sich radial nach außen erstreckenden linearen Teil übergeht, der ein Gefälle von etwa 8 bis 12° aufweist.

5. Kupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Ansatz einstückig mit dem ihm zugeordneten Steigleitungsabschnitt verbunden ist.

6. Kupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (37') einstückig mit dem ihm zugeordneten Steigleitungsabschnitt verbunden ist.

7. Kupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils dem Flansch von Kupplungsteilen (27') weiterer Steigleitungsabschnitte zugewandte Radialfläche jedes Flansches (37') als im wesentlichen flache Endfläche ausgebildet ist und der Flansch radial außen eine Randfläche aufweist.

8. Kupplung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsteile aufeinanderfolgender Steigleitungsabschnitte lösbar miteinander verbunden üind.