DE2813119C2 - Kupplung für die Einzellängen von Meeressteigleitungen - Google Patents
Kupplung für die Einzellängen von MeeressteigleitungenInfo
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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
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
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
-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 (8)
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.
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