DE3405716C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Kugelgelenk zur Kompensation des Torsionsmoments bei einer Überwasserplattform ist bereits aus der DE-OS 29 18 645 bekannt. Dabei ist auf einem Fundament eine innere Kugelhalbschale unbeweglich befestigt, über die eine äußere Kugelhalbschale greift, welche Teil eines Turms ist. Im begehbaren Hohlraum des Kugelgelenks sind in der Ebene des Kugelzentrums an der äußeren Kugelhalbschale Vorspann­ einrichtungen befestigt, die beim Zusammenwirken mit an der inneren Kugelhalbschale angeordneten Anschlägen die Drehbewegung des Turms verhindern. Die Vorspann­ einrichtungen sind paarweise an einem verdrehsteifen Ringkreuz befestigte, parallel geschaltete hydraulische Pressen. Diese werden an sich nur dann in Betrieb gesetzt, wenn Wartungs- oder Reparaturarbeiten vorgenommen werden sollen. Hierzu ist eine aufwendige Hydraulik-Steueranlage erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgelenk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß es wartungsfrei ist und große Kräfte und Torsionsmomente übertragen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß größere Horizontal- und Ver­ tikalkräfte sowie Drehmomente um die Hochachse als bei bekannten Gelenken übertragbar sind und daß das Gelenk auf­ grund der vereinfachten Konstruktion kostengünstiger ge­ fertigt werden kann und wartungsfrei arbeitet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels; und

Fig. 2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 1 mit einem Schutzzylinder.

Das in Fig. 1 dargestellte Kugelgelenk weist ein Gelenk­ unterteil 1 auf, das fest oder abkoppelbar über eine Ab­ schlußplatte 3 mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament eines eine Überwasserplattform o. ä. tragenden Turmes verbunden ist. Die Abschlußplatte 3 trägt einen Zylinder 4 oder einen Kegelstumpf, der einen unteren Kugelkalottenring 5 aufweist.

Ein Gelenkoberteil 2 und ein Gelenkhals 7 sind schubfest mit dem Turm verbunden bzw. in den in Fig. 2 erkennbaren Turmfuß 20 eingebettet. Das Gelenkoberteil 2 ist aus einem Kugelkalottenring 6 gebildet, der an den Gelenkhals 7 anschließt. Der Gelenkhals 7 ist nach oben durch ein nicht dargestelltes, druckfestes Mannloch mit Andockvor­ richtung 33 für eine Personenschleuse oder für eine Dekom­ pressions- oder Transferkammer abgeschlossen. Nach unten setzt sich der Gelenkhals 7 durch ein torsionsfestes Rohr 8 fort, das in einen verbreiterten Fuß 34 übergeht, der Zapfen 14 trägt.

Die Zapfen 14 sind an diametral gegenüberliegenden Stel­ len des Rohrfußes 34 angeordnet, und zwar an diesen angeformt, eingesteckt, eingeschraubt oder von oben mit Hilfe von Paßstücken in eigens dafür vorgesehene Zapfen­ aufnehmer eingesetzt.

Die dem torsionsfesten Rohr 8 abgewandten äußeren Enden der Zapfen 14 stecken in Gleitsteinen 15, welche in gabelförmigen Gleitstühlen 9 in vertikaler Richtung auf und ab verschiebbar sind, gegenüber Drehbewegungen um die Hochachse des Rohres 8 und des Gelenkhalses 7 jedoch von den Gleitstühlen 9 festgehalten werden. In der dargestell­ ten Ausführungsform sind demnach zwei in bezug auf den Rohrfuß 34 diametral gegenüberliegende Gleitstühle 9 vor­ gesehen, die von der Abschlußplatte 3 getragen werden und auf dieser befestigt sind. In einer anderen, nicht darge­ stellen Ausführungsform sind die Gleitstühle direkt mit dem Gelenkunterteil verbunden.

Der die Horizontal- und Vertikalkräfte abtragende Aufla­ gerring 10 ist oberhalb des Äquators des Kugelgelenks auf dem unteren Kugelkalottenring 5 angeordnet. Er wird von einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn- Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglome­ raten gebildet und kann eine Zusatzschmierung mit silikon­ freien Schmierstoffen erhalten.

Die Auflagerfläche bestimmt sich aus dem Kreisumfang und der aus der Belastung ermittelten Höhe des Lagerberei­ ches. Die Auflager können auch wahlweise durch mechani­ sche Einrichtungen nachgestellt oder hydraulisch gestützt werden. Ferner kann das Auflager entweder statisch oder hydrostatisch ausgebildet sein.

Für den außergewöhnlichen Betriebsfall der Inspektion des Gelenkinnenraumes 19 unter atmosphärischen Bedingungen ist eine dem Fachmann bekannte Dichtung 11 oberhalb des Auflagerrings 10 an dem unteren Kugelkalottenring 5 ange­ bracht und dichtet diesen gegen den oberen Kugelkalotten­ ring 6 ab. Derartige Stopfbuchspackungen sind bereits im Offshore-Einsatz erprobt und können durch Nachstellen nachgestopft werden. Unterhalb des Auflagerrings 10 ist eine aufweitbare Dichtung 12 auf dem unteren Kugelkalot­ tenring 5 montiert und kann vom Gelenkinnenraum 19 aus in Funktion gesetzt werden, wenn im Gelenkinnenraum 19 unter einem atmosphärischen Druck gearbeitet werden soll, der erheblich unter dem Außenwasserdruck liegt und beispiels­ weise dem Luftdruck an der Erdoberfläche angepaßt ist. Die aufweitbare Dichtung kann hierzu erprobte mehrstufige bzw. redundante Elemente aufweisen.

Wie bereits erwähnt weist die Verdrehsicherung 13 im Gelenkinnenraum 19 angeordnete Zapfen 14 auf, die in Höhe des Äquators der Kugelkalottenringe 5 bzw. 6 angeordnet sind.

Diese Zapfen 14 tragen in der Zapfenachse verschiebbare Gleitsteine 15, welche auch bei Schräglage des Turms Kräfte auf die Gleitstühle 9 und damit auf die Abschluß­ platte 3 übertragen, mit der sie biegesteif verbunden sind.

Durch die Verdrehsicherung 13 werden die Zapfen 14 von den Gleitstühlen 9 einschnittig beansprucht. In einer anderen Ausführungsform, bei der zusätzlich ein Bock vor­ gesehen ist, der sich auf der Abschlußplatte 3 abstützt, kann auch eine zweischnittige Beanspruchung der Zapfen 14 erreicht werden.

Alle beweglichen Teile der Verdrehsicherung 13 können im Trockenen bzw. auch unter atmosphärischem Druck inspi­ ziert werden.

Für das einwandfreie Arbeiten der Verdrehsicherung 13 ist es in jedem Fall wesentlich, daß die Achse der Zapfen 14 im Normalzustand in der Äquatorialebene der Kugelkalotten­ ringe 5 bzw. 6 liegen.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann in jedem Gleitstuhl 9 eine Presse montiert sein, die sich gegen den jeweiligen Gleitstein 15 abstützt. Dadurch kann das Kugelgelenk arretiert werden, was in bestimmten Bauphasen erforderlich ist.

Zum Schutz eventuell freier Gleitflächen des Gelenkober­ teils 2 ist das Kugelgelenk von einem Schutzzylinder 21 gemäß Fig. 2 umgeben, der in den üblicherweise aus Beton geformten Turmfuß 20 eingebettet ist. Der Turmfuß 20 ist im übrigen mit dem Gelenkoberteil 2 verbunden, das in der Praxis zusätzliche Schubrippen 35 aufweist, welche die Kraftübertragung vom Turmfuß 20 zum Gelenkoberteil 2 verbessern. In der perspektivischen Darstellung der Fig. 1 sind diese Schubrippen 35 aus Gründen der Übersichtlich­ keit jedoch weggelassen.

Der in Fig. 2 gezeigte Schutzzylinder 21 erstreckt sich vom Unterrand des Turmfußes 20 nach unten bis über die Äquatorialebene des Kugelgelenks und trägt in der Nähe seines Unterrandes einen ersten Kragen 25, welcher zur Befestigung des Außenrandes einer Membran 22 dient. Der Innenrand der Membran 22 ist an einem zweiten Kragen 28, der an dem Zylinder 4 angebracht ist, ebenfalls in der Äquatorialebene des Kugelgelenks befestigt. Dadurch ist zwischen dem Turmfuß 20 und der Membran 22 einerseits sowie zwischen dem Gelenkunterteil 1 und dem Schutzzylin­ der 21 andererseits ein Innenraum 32 gebildet, welcher gegenüber dem in Fig. 2 unter der Membran 22 vorhandenen Seewasser abgesperrt ist. Die Membran 22 ist hierzu bei­ spielsweise ein profiliertes Stahlblech oder bewehrtes Gummi.

In dem Schutzzylinder 21 ist wenigstens ein Unterdruck­ ventil 23 und ebenfalls wenigstens ein Überdruckventil 24 vorgesehen, welche den Innenraum 32 entweder belüften oder entlüften. Die Einstellung der Unter- bzw. Überdruck­ ventile 23 bzw. 24 kann so gewählt werden, daß der Druck im Innenraum 32 knapp über, knapp unter bzw. genau in der Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehalten wird. Außerdem kann der Innenraum 32 mit einem anderen geeigne­ ten Medium als Luft gefüllt sein, das seine erforderliche Druckbeaufschlagung von der Druckluft aus dem Gelenkinnen­ raum 19 erhält.

Zum Schutz des in ständigem Kontakt mit dem Seewasser befindlichen Teil des Gelenkunterteils 1 ist dessen Zylin­ der 4 mit einer Schutzschicht 31 aus einem elastischen Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion ge­ schützt. Zu diesem Zweck erstreckt sich die Schutzschicht 31 auf der Außenwand des Zylinders 4 vom Kragen 28 bis zur Abschlußplatte 3.

Der Gelenkinnenraum 19 des Kugelgelenks ist während des Betriebs ständig mit Druckluft gefüllt, deren Druck dem Außenwasserdruck in Höhe des Gelenkäquators entspricht. Dadurch stehen der Außenwasserdruck und der innere Luft­ druck im Gleichgewicht. Mechanische Dichtungselemente sind zur Aufrechterhaltung des Betriebs nicht notwendig. Der Zugang zum Gelenkinnenraum 19 ist über eine Personen­ schleuse, eine Dekompressionskammer oder eine Transitkam­ mer durch die Andockvorrichtung 33 bei Beibehaltung des Luftdruckes gewährleistet.

Aus betrieblichen Gründen kann es gelegentlich vorteil­ haft sein, das Kugelgelenk auch in umgekehrter Lage einzu­ bauen. In diesem Fall wird der äußere Kugelkalottenring mit dem Gründungskörper und der innere Kugelkalottenring mit dem aufgehenden Bauwerk verbunden, während alle übri­ gen Gelenkteile ihre Lage entsprechend ändern. Da dem Fachmann die Bauweise eines solchen Kugelgelenks anhand der vorstehenden Ausführungen klar ist, brauchen hierfür keine weiteren Erläuterungen gegeben zu werden.

Claims (13)

1. Kugelgelenk zur Verbindung eines eine Überwasserplattform tragenden Turmes mit einem auf dem Meeresboden gegründeten Fundament;

• - mit einem auf einer Abschlußplatte (3) befestigten unteren Kugelkalottenring (5);
• - mit einem auf den unteren Kugelkalottenring (5) aufgesetzten und mit einem Gelenkhals (7) in den Turm eingebetteten oberen Kugelkalottenring (6);
• - mit einem kugelkalottenförmigen Auflagerring (10), der zwischen den Kugelkalotten (5, 6) angeordnet ist und zur Übertragung der auf den Turm einwirkenden Vertikal- und Horizontalkräfte in das Fundament dient;
• - mit einer Verdrehsicherung (13), die Gleitstühle (9) und Gleitsteine (15) aufweist und im Inneren des Kugelgelenks in Höhe des Äquators angeordnet ist, um die auf den Turm einwirkenden Momente um die Hochachse in das Fundament zu übertragen,
• - wobei die Verdrehsicherung (13) ein mit dem Gelenkhals (7) verbundenes torsionssteifes Rohr (8) aufweist;

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an dem torsionssteifen Rohr (8) Zapfen (14) befestigt sind, die die Gleitsteine (15) aufnehmen;
• - daß die Gleitstühle (9) mit der Abschlußplatte (3) verbunden sind;
• - daß alle aneinander gleitenden Gleitflächen mit ein und derselben Gleitmaterialpaarung versehen sind; und
• - daß die Gleitmaterialpaarung aus einer reibungsarmen, gußtechnisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung mit eingelagerten Feststoffagglomeraten auf der einen Seite und einem nichtrostenden, polierten Werkstoff auf der anderen Seite gebildet ist.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial der Gleitmaterialpaarung eine Zusatzschmie­ rung mit Schmierstoffen enthält.

3. Gelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierstoffe silikonfrei sind.

4. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial aus der gußtech­ nisch erzeugten Zinn-Blei-Bronzelegierung auf Platten montiert ist.

5. Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten aus Metall oder Kunststoff bestehen.

6. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmaterial auf keilför­ migen Platten angeordnet und in Teilen auswechselbar ist.

7. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das torsionssteife Rohr (8) kraftschlüssig und gasdicht mit dem oberen Kugelkalotten­ ring (6) verbunden ist.

8. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes im Gelenkinnen­ raum (19) ein Druck aufgebracht ist, der dem Außenwasser­ druck entspricht, daß eine Überwachungsanlage für die Kontrolle der Druckhöhe installiert ist und daß eine selbsttätig gesteuerte Versorgungsanlage für Druckluft vorgesehen ist.

9. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Schutz des Ge­ lenks vor ständigem Kontakt mit Seewasser ein konzen­ trisch um das Gelenk in einem definierten Abstand vom Gelenk in den Turmfuß (20) eingebundener Schutzzylin­ der (21) angeordnet ist, der in Höhe des Gelenkäqua­ tors durch eine flexible Membran (22), beispielsweise aus profiliertem Stahlblech oder bewehrtem Gummi, mit dem Gelenk verbunden und mit Druckluft gefüllt ist, die in freier Verbindung zu der Druckluft im Gelenk­ innenraum steht.

10. Gelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Innenraum (32) zwischen der Schutzzylin­ derinnenwandung, der Gelenkaußenwandung und dem Turm­ fuß (20) sowie der Membran (22) durch Überdruck- bzw. Unterdruckventile ( 23, 24) kurz über, kurz unter bzw. genau in Höhe des umgebenden Außenwasserdruckes gehal­ ten wird.

11. Gelenk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenraum (32) mit einem anderen geeig­ neten Medium als Luft gefüllt ist und seine erforder­ liche Druckbeaufschlagung aus der Druckluft aus dem Gelenkinnenraum (19) erhält.

12. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende, in ständigem Kontakt mit Seewasser befindliche Teil des Gelenks durch eine Schutzschicht (31) aus einem elastischen Material wie beispielsweise Gummi vor Korrosion ge­ schützt wird.