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Die
Erfindung betrifft eine bewegliche Stützkonstruktion zum Anordnen
auf einem Boden.
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Solch
eine Stützkonstruktion
wird zum Beispiel als Meeresbodenreaktionsmasse verwendet, wenn
eine geotechnische Untersuchung von einem Schiff aus durchgeführt wird.
Die Stützkonstruktion wird
auch als Seabed Frame (SBF) bezeichnet und dient zunächst als
Reaktionsmasse für
die Kraft, die erforderlich ist, um eine Messsonde oder ein Probenrohr
in den Boden zu treiben. Außerdem
hat die Stützkonstruktion
verschiedene andere Funktionen wie etwa als Bohrgestängeführung, als
Träger
für Mess-,
Betriebs- und Steuertechnik für
die geotechnische Untersuchung. Die Ausstattung der Stützkonstruktion
hängt von
der Untersuchung ab, die ausgeführt
werden soll. Da der Meeresboden im Allgemeinen nicht flach oder
waagerecht ist, ist es wichtig, dass die Stützkonstruktion an einer Neigung
einsetzbar ist. Ist dies nicht oder nur in geringerem Maß möglich, ist
die Anwendbarkeit der Stützkonstruktion eingeschränkt, was
unerwünscht
ist.
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Stützkonstruktionen
für den
Betrieb an einer Neigung existieren bereits. Diese Konstruktionen sind
gewöhnlich
mit einem festen Gelenkpunkt (kardanähnlich) zwischen zwei Komponenten
realisiert, von denen sich eine dem Winkel der Neigung anpassen
muss; sie können
außerdem
mit einem zusätzlichen
Gerät ausgestattet
sein, das zum Beispiel mit Hilfe hydraulischer Zylinder aktiv gesteuert
wird. Dies wird oft nach dem Absetzen mit der Hilfe von Messungen
ausgeführt.
Während
der Positionierung, die auch als Absetzen (Landing) bezeichnet wird,
werden diese Konstruktionen durch innere Reibung beansprucht, die
daraus entsteht, dass die Teile dauerhaft verbunden sind (Kardan
oder Gelenk), so dass sie entweder am Einnehmen des richtigen Winkels gehindert
werden oder aktive Steuerung erfordern. Nach dem Absetzen werden
die Komponenten oft nicht befestigt, um Ver drehungen zueinander
zu verhindern, mit dem Ergebnis, dass verhältnismäßig geringe äußere Kräfte eine
Instabilität
der Stützkonstruktion
verursachen können.
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Die
Unfähigkeit,
die Neigung adäquat
auszugleichen, kann folgende Auswirkungen haben:
- – Schwierigkeiten
beim Führen
des Bohrgestänges
- – Schwierigkeiten
beim Einführen
des Bohrgestänges
in die Konstruktion aufgrund dessen, dass das Bohrgestänge und
der obere Abschnitt der Konstruktion, in die es einzuführen ist,
in verschiedenen Winkeln ausgerichtet sind
- – Probleme
mit den weiteren Mitteln, die von oder aus der Stützkonstruktion
in den Grund getrieben oder eingeführt werden und die aufgrund
einer kleinen Bewegung oder aufgrund einer großen Winkeldifferenz nicht mehr
in der Lage sind, ihre Aufgabe zu erfüllen, oder beschädigt werden.
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Ein
Beispiel einer existierenden Konstruktion ist die des internationalen
Tiefseebohrprogramms (Ocean Drilling Program, ODP), das auch als „Hard Rock
Base" (HRB) bezeichnet
wird. Eine Beschreibung ist auf der ODP-Website zu finden. Die Konstruktion
basiert auf einem Kardangelenk. Neben den oben aufgeführten Nachteilen
solch einer Konstruktion beträgt
der maximal zulässige
Neigungswinkel des Bodens 20°.
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GB-A-1 503 398 offenbart
eine Stützkonstruktion
für eine
Unterwasserplattform für
einen Bohrschacht, wobei ein Führungsrahmen
den Bohrständer
auf eine temporäre
Basis absenkt. Der Bohrständer
ruht auf der temporären
Basis mit Hilfe eines Kugelgelenks, das aus kugelförmigen Gebilden
besteht, die ineinander passen und eine Stützoberfläche bestimmen. Bei solch einer
Lagerung ändert
sich die Größe der Stützoberfläche mit
dem Winkel der Neigung. Mit zunehmendem Neigungswinkel wird die Stützoberfläche kleiner.
Dies beschränkt
den zulässigen
Neigungswinkel. In der Praxis ist der maximal zulässige Neigungswinkel
bei einer Konstruktion wie der in
GB
1503398 beschriebenen kleiner als 20°. Desgleichen macht ein vergrößerter Neigungswinkel solch
eine Abstützung
asymmetrischer. Somit nimmt die Stabilität mit zunehmendem Neigungswinkel
ab.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine bewegliche Stützkonstruktion bereitzustellen,
die an einer geneigten Oberfläche
zuverlässig
funktioniert, die eine einfache Konstruktion aufweist und die die Nachteile
der Lösungen
des Standes der Technik vermeidet, während sie die Vorteile aufweist,
die hierein im Weiteren erläutert
werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Stützkonstruktion
nach Anspruch 1 erfüllt.
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Das
Unterteil besitzt eine erste Berührungsoberfläche und
das Oberteil besitzt eine zweite Berührungsoberfläche, die
sich in der zweiten Position zusammenwirkend berühren, und wobei mindestens ein
Abschnitt entweder der ersten Berührungsoberfläche oder
der zweiten Berührungsoberfläche kugelförmig ist.
Mindestens ein Abschnitt der Berührungsoberfläche mit
der kugelförmigen
Berührungsoberfläche ist
konisch. Dies ist vorteilhaft, da in der zweiten Position ein Konus
und eine Kugel eine kreisförmige Berührungslinie
in jedem gemeinsamen Winkel bilden, so dass die Abstützung durch
Reibung stabilisiert wird, was eine in alle Richtungen stabile Position bereitstellt.
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Wenn
ein kugelförmiger
und ein konischer Berührungskörper zusammenwirken,
besteht der zusätzliche
Vorteil, dass während
der Bewegung von der ersten Position zur zweiten Position, d. h.
wenn das Oberteil auf dem Unterteil platziert wird, die Berührungsoberflächen eine
zentrierende Wirkung aufeinander haben. Befindet sich das Oberteil
nicht in genau mittiger Ausrichtung zum Unterteil, führen die Kräfte, die
bei der ersten Berührung
nicht symmetrisch sind, das Oberteil zum Mittelpunkt der unteren Berührungsoberfläche.
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Zu
diesem Zweck ist es vorzuziehen, dass die mindestens teilweise konische
Berührungsoberfläche mit
einer Öffnung
versehen ist, deren Durchmesser das Eineinhalbfache des Durchmessers
der Berührungslinie
beträgt.
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Ein
größerer Durchmesser
der Berührungslinie
erhöht
die Stützstabilität zwischen
dem Oberteil und dem Unterteil. Der Durchmesser der Berührungslinie
beträgt
deshalb bevorzugt mindestens ein Drittel der breitesten Abmessung
des Oberteils.
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Das
Unterteil ist in der Lage, sich der Oberfläche des Bodens unabhängig von
dessen Neigung anzupassen. Das Oberteil kann dann derart auf dem Unterteil
platziert werden, dass eine konkrete gewünschte Ausrichtung beibehalten
wird. Dies kann zum Beispiel die waagerechte Ausrichtung der Plattform
sein, die ein Element des Oberteils ist. Wegen des Eigengewichts
des Oberteils stellt die Reibung zwischen den Komponenten des Unterteils
und des Oberteils, die sich während
des Stützens
in der zweiten Position berühren,
eine sichere Verbindung zwischen den zwei Teilen bereit. Sobald
die Konstruktion in Position gebracht ist, müssen keine weiteren Messungen
ausgeführt
oder die Plattform mit Hilfe von Steuerungen und Justierungen waagerecht
gehalten werden.
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In
der zweiten Position befinden sich das Oberteil und das Unterteil
der erfindungsgemäßen beweglichen
Stützkonstruktion
in linearer Berührung und
die Berührungslinie
bildet mindestens einen Abschnitt einer geschlossenen Linie, so
dass das Oberteil durch das Unterteil allseitig, d. h. in alle Richtungen,
gestützt
wird. Dies gewährleistet,
dass das Oberteil stabil durch das Unterteil gestützt wird, selbst
bei verschiedenen Neigungswinkeln. Darüber hinaus wird die Stabilität kaum durch
den Neigungswinkel beeinflusst, so dass viel größere Neigungswinkel zulässig sind.
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Wenn
in einer bevorzugten Ausführungsform die
geschlossene Linie ein Kreis ist, wird an allen Seiten eine allseits
symmetrische und stabile Abstützung
erzielt.
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Nach
Wunsch ist es möglich,
zusätzliche Verbindungsmittel
zwischen dem Unterteil und dem Oberteil bereitzustellen, wie etwa
Klemmen, Zugseile, Zuggestänge
und dergleichen.
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Der
Abschnitt des Konus kann viele verschiedene Formen aufweisen. Jedoch
ist der Abschnitt im Hinblick auf die Herstellungskosten vorteilhafterweise
dreieckig.
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Um
das Abgleiten der Stützkonstruktion
zu verhindern, ist es von Vorteil, das Unterteil mit Verankerungsmitteln
zum Verankern im Boden auszustatten.
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Je
nach den Bodenbedingungen können
die bereitzustellenden Verankerungsmittel Platten oder Dorne oder
Kombinationen daraus sein, die in den Boden versenkt sind.
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Um
ein zu tiefes Einsinken der Stützkonstruktion
selbst in den Boden zu verhindern, kann sie mit einer Grundplatte
ausgestattet sein, auf welcher sie auf dem Boden ruht.
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Ein
bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Stützkonstruktion besteht darin,
dass sie für
verschiedene Neigungen und verschiedene Terrains geeignet ist.
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Ist
das Oberteil so gestaltet, dass es anhebbar ist, kann es zum Beispiel
derart platziert und entfernt werden, dass es an anderer Stelle
platziert werden kann.
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Die
Stützkonstruktion
ist sehr leicht zu platzieren, wenn das Unterteil und das Oberteil
durch eine bewegliche Verbindung miteinander verbunden sind. Diese
bewegliche Verbindung kann zum Beispiel aus Trossen bestehen. Das
Unterteil ist dann sozusagen am Oberteil aufgehängt. Während des Absenkens sind die
Teile durch die Trossen derart verbunden, dass sie getrennt und
zueinander beweglich sind. Da das Unterteil frei hängt, ohne
vom Oberteil beeinflusst zu werden, ist es frei, sich dem Neigungswinkel
anzupassen. Nachdem das Unterteil auf dem Boden abgesetzt ist, erreicht
das Oberteil nach weiterem Absenken das Unterteil in der gleichen Ausrichtung,
die es im aufgehängten
Zustand innehatte, ohne vom Unterteil beeinflusst zu werden. Während des
Absenkens behält
das Oberteil eine waagerechte Ausrichtung bei, so dass es eine stabile waagerechte
Ebene erzeugt, ohne von der Neigung des Bodens beeinflusst zu werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
wird die Verbindung durch eine Endlostrosse gebildet, die über Rollen
läuft,
von denen mindestens eine am Unterteil befestigt ist und mindestens
eine am Oberteil befestigt ist. Auf diese Weise bleibt das Kabel
ständig unter
Spannung. Im Fall getrennter Kabel kann die Spannung in einem der
Kabel infolge dessen, dass das Unterteil während der Positionierung bereits
einen Abstützpunkt
gefunden hat, abfallen. Fällt
die Spannung in einem oder zwei Kabeln ab, kann sich das Oberteil
aufgrund der in den verbleibenden Kabeln noch vorhandenen Spannung
etwas neigen. Je nach dem Gewichtsverhältnis zwischen dem Oberteil und
dem Unterteil kann diese Neigung gesteuert und auf einem Minimum
gehalten werden. Das Neigen muss kein Problem darstellen, da es
möglich
ist, für ausreichenden
Zwischenraum zwischen den Teilen zu sorgen. Sobald das Unterteil
vollständig
durch den Boden abgestützt
wird, fällt
die Spannung in allen Kabeln ab und das Oberteil neigt sich in seine
ursprüngliche
Ausrichtung zurück.
Dies erfordert jedoch genügend
Platz und ausreichend lange Kabel. Im Fall eines Endloskabels neigt
sich das Oberteil nicht und die Konstruktion kann somit kompakter
gestaltet sein. Statt das Oberteil auf dem Unterteil zu platzieren,
ist es in dieser Ausführungsform
der Erfindung möglich,
die Hebezugtrossen und somit das Endloskabel vorzuspannen. Dies
stellt eine bewegliche Verbindung bereit, die unter bestimmten Umständen vorteilhaft
sein kann, da sie zum Beispiel vermeidet, dass sich bei Bohrvorgängen ein Übergang
vom Bohrgestänge
unter Wasser zum Bohrgestänge
im Gestell als zu steif erweist. Auf diese Weise ist das Oberteil
in der Lage, sich entsprechend der Position des Bohrgestänges, die
zum Beispiel durch die Strömung
im Wasser beeinflusst wird, zu regulieren. Sind die Rollen selbstregulierend,
läuft die
Trosse ungeachtet der Bedingungen ruhig über die Rollen.
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Obwohl
keineswegs darauf beschränkt,
ist die Erfindung sehr gut zum Führen
eines Bohrgestänges
geeignet, wenn die Stützkonstruktion
in Betrieb mit einer Öffnung
ausgestattet ist, die es ermöglicht,
dass ein Rohr wie etwa ein Bohrgestänge hindurch geführt wird.
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Die
Erfindung kann im Küstenvorland
verwendet werden, ist aber zum Beispiel besonders geeignet zum Auslegen
auf dem Meeresboden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ferner durch die Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
und anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1–3 das
Auslegen einer Stützkonstruktion
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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4–6 das
Auslegen einer Stützkonstruktion
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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7 eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung,
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8–10 das
Auslegen einer Stützkonstruktion
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung,
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11–13 das
Auslegen einer Stützkonstruktion
gemäß einer
fünften
Ausführungsform der
Erfindung zeigen und
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14 zwei
Ausführungsformen
von Verankerungsmitteln zum Verankern des Unterteils im Boden.
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1 zeigt
eine Stützkonstruktion
in einer Ausführungsform
der Erfindung, die ein Unterteil 1 umfasst, das mit einem
Kugelelement 3 ausgestattet ist, und ein Oberteil 2,
das mit einem Konuselement 4 ausgestattet ist. Das Unterteil 1 und
das Oberteil 2 sind mittels Trossen 7 flexibel
miteinander verbunden. In 1 ist die
Stützkonstruktion
als an Hebezugtrossen 6 über einem geneigten Boden 5 hängend dargestellt.
Das Unterteil ist mit einer Grundplatte zum Aufliegen auf dem Boden
ausgestattet. Die Grundplatte ist außerdem mit Verankerungsmitteln 8 ausgestattet.
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In 2 ist
die gesamte Stützkonstruktion gegenüber 1 abgesenkt
und das Unterteil 1 ist auf dem Boden 5 angelangt
und seine Grundplatte 19 ruht auf dem Boden 5.
Das Oberteil 2 hängt
noch über
dem Unterteil 1. Das Unterteil 1 ist durch Verankerungsmittel 8,
die im Boden 5 versenkt sind, im Boden 5 verankert.
Das Unterteil 1 ist gegenüber dem Oberteil 2 gekippt
und hat sich den Bedingungen des Bodens 5 angepasst.
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In 3 ist
das Oberteil 2 auf das Unterteil 1 abgesenkt.
Das Oberteil 2 ruht mit seinem Konus 4 auf der
Kugel 3 des Unterteils 1. Die zwischen dem Konus 4 und
der Kugel 3 infolge des Gewichts des Oberteils 2 auftretende
Reibung gewährleistet
die stabile Positionierung des Oberteils 2. Das Kugelelement 3 des
Unterteils 1 und das Konuselement 4 des Oberteils 2 gewährleisten
gemeinsam, dass die Ausrichtung des Oberteils 2 während des
Auftreffens auf dem Unterteil 1 unverändert bleibt. Diese unveränderte Ausrichtung
ist von der Neigung des Bodens 5 völlig unabhängig.
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In 4–6 ist
eine Stützkonstruktion
in einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, wobei das Oberteil 2 mit einem
Kugelelement 3 ausgestattet ist, das mit einem Konuselement 4 des Unterteils 1 zusammenwirkt.
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In
den in 1–6 dargestellten
Ausführungsformen
bestehen die zusammenwirkenden Elemente des Unterteils 1 und
des Oberteils 2 aus einem Kugelelement 3 und einem
Konuselement 4. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Teile
begrenzt, die diese Formen aufweisen.
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7 zeigt
die Stützkonstruktion
in einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die bewegliche Verbindung zwischen dem Unterteil 1 und dem
Oberteil 2 der Stützkonstruktion
von einer einzelnen Endlostrosse 11 gebildet wird, die über selbstregulierende
Rollen 10 läuft.
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In 8–10 ist
eine Stützkonstruktion
in einer vierten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, wobei das Oberteil 2 mit einem Rohr 9 ausgestattet ist,
das an seiner Bodenseite einen Flansch aufweist, auf dem in 8 das
Unterteil 1 mit einer Berührungsoberfläche ruht.
Nach dem Absetzen des Unterteils 1 auf dem Boden 5 (9)
ist das Oberteil 2 zum weiteren Absinken frei und der Flansch
des Rohres 9 löst
sich von der Berührungsoberfläche des
Unterteils 1. Das Oberteil 2 ist nun in der Lage,
weiter abzusinken, wobei es seine Ausrichtung beibehält, bis
das Konuselement 4 des Oberteils 2 auf dem Kugelelement 3 des
Unterteils 1 aufsitzt.
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In 11–13 ist
eine fünfte
Ausführungsform
einer Stützkonstruktion
gezeigt, welche der in 8–10 gezeigten
vierten Ausführungsform ähnelt. In
diesem Fall ist jedoch das Rohr mit Hilfe eines Klemmzylinders 12 am
Oberteil 2 angeklemmt, wodurch das Oberteil 2 aus
der Verbindung gelöst
und vom Unterteil 1 entfernt werden kann, während das
Unterteil 1 auf dem Boden 5 verbleibt. Dies ermöglicht zum
Beispiel die Verwendung des Oberteils 2 an anderer Stelle
und nach Wunsch seine Rückführung zu
einem späteren
Zeitpunkt.
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14 stellt
schließlich
zwei Ausführungsformen
von Mitteln 8 zum Verankern im Boden 5 dar. An
der Grundplatte 19 sind Dorne 13 sowie eine Platte 14 angebracht.
Je nach den Bodenbedingungen kann es vorteilhaft sein, Dorne 13 oder
eine Platte 14 oder eine Kombination aus diesen Verankerungsmitteln 8 zu
verwenden. Zum Zweck des Verankerns werden die Dorne 13 sowie
die Platte 14 oder die Platten 14 vollständig oder
teilweise im Boden 5 versenkt.