EP1869282A1 - Hydraulic heave compensation system - Google Patents

Hydraulic heave compensation system

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Publication number
EP1869282A1
EP1869282A1 EP06722719A EP06722719A EP1869282A1 EP 1869282 A1 EP1869282 A1 EP 1869282A1 EP 06722719 A EP06722719 A EP 06722719A EP 06722719 A EP06722719 A EP 06722719A EP 1869282 A1 EP1869282 A1 EP 1869282A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
piston
seegangskompensationseinrichtung
cylinder
load
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP06722719A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1869282B1 (en
Inventor
Martin Fluks
Charles A. Simons
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Rexroth AG
Original Assignee
Bosch Rexroth AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Rexroth AG filed Critical Bosch Rexroth AG
Publication of EP1869282A1 publication Critical patent/EP1869282A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1869282B1 publication Critical patent/EP1869282B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/08Apparatus for feeding the rods or cables; Apparatus for increasing or decreasing the pressure on the drilling tool; Apparatus for counterbalancing the weight of the rods
    • E21B19/09Apparatus for feeding the rods or cables; Apparatus for increasing or decreasing the pressure on the drilling tool; Apparatus for counterbalancing the weight of the rods specially adapted for drilling underwater formations from a floating support using heave compensators supporting the drill string

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic sea state compensation device according to the preamble of claim 1.
  • Such sea state compensation devices are used, for example, in naval technology, when a load is to be deposited by a ship on an object supported on the seabed, for example a platform, wherein, for example, a crane is arranged on the ship.
  • the crane can also be arranged on a platform supported on the seabed, so that the load can be placed on a ship or a corresponding floating object.
  • a similar task is also present when, for example, a drill string is lowered from a floating platform and it is raised and lowered by the sea.
  • heavy measuring devices or supply stations for robots or the like are lowered from a ship via a winch to great depths, the sea cable causing the holding cable to be subjected to considerable tensile loads.
  • US Pat. No. 3,946,559 discloses a sea compensation system in which the load, in the present case a drill string, is fastened to an actuator embodied as a cylinder, which in turn is mounted on a ship or a platform.
  • a pressure chamber of the actuator is subjected to the pressure of a passive hydropneumatic storage which has a piston, via which a gas space is separated from a pressure medium space.
  • the piston can be moved by means of an active cylinder.
  • a problem with the known solutions is that the systems are comparatively complex and have a large footprint.
  • the invention has for its object to provide a sea state compensation device, which allows a simple compensation of a reliable compensation caused by sea conditions movements.
  • the sea state compensation device has a compensation system, which consists in principle of a hydropneumatic storage (passive cylinder) and an active cylinder device.
  • the active cylinder device is integrated in the hydropneumatic accumulator, wherein a common piston arrangement is arranged within a common cylinder housing.
  • a pressure chamber is limited, one of which is preferably a gas space of the hydropneumatic accumulator.
  • the active cylinder device is attached to the hydropneumatic accumulator, so that such a solution requires considerably more space and device complexity.
  • the unit of hydropneumatic accumulator with integrated therein active cylinder device can be operated in operative connection with a linear actuator (hydraulic cylinder) or a winch, of which the load is held.
  • the load is thus supported by the actuator designed as a hydraulic cylinder, whose pressure chamber, which is effective in the supporting direction of the load, is connected via a pressure line to the second pressure chamber of the common cylinder housing.
  • This working space forming a pressure chamber and the above-mentioned gas space then form the two end portions of the common cylinder housing.
  • the guided in this common cylinder housing piston assembly has two piston bottom surfaces forming piston collars, which are connected by a piston land. This passes sealingly through a partition wall of the cylinder housing, so that the two control chambers of the active cylinder device are formed by the annular end faces of the piston collars on the one hand and the housing partition on the other hand.
  • the load is supported on a winch.
  • This is preferably driven by a hydraulic motor whose pressure side is connected to a working space of the cylinder housing, so that there is a pressure medium connection between the hydraulic motor and the active cylinder device.
  • the unit of hydrodynamic storage and active cylinder device in this embodiment preferably has a piston assembly with two end piston collars and a central annular collar, which are connected to each other via two piston webs.
  • Each of these piston webs passes through a housing partition wall of the cylinder housing, so that in addition to the two outer cylinder chambers (one of which is the gas space) in the cylinder housing by two adjacent annular end faces of the above piston collars and the housing partition between them, the two control chambers of the active cylinder device and by the other two annular end faces the piston collars and the intermediate housing partition of the working space and another working space are formed.
  • a gas space and a further pressure chamber are delimited on the front side in the cylinder housing, the latter can be acted upon in a preferred embodiment, with ambient pressure.
  • the provided for driving the winch hydraulic motor can be performed in a closed or open pressure fluid circuit.
  • the hydraulic motor is supplied with pressure medium via a variable displacement pump driven by a motor, wherein a suction port of the pump via a suction line with a low pressure port of the hydraulic motor and a pressure port of the pump via a high pressure line with a pressure port connected to the hydraulic motor.
  • the high-pressure line via a pressure line with the first-mentioned working space and the suction line via a Nieder- pressure line connected to the other working space, so that the hydraulic motor can be supplied with pressure medium either over or over the pump or work spaces.
  • Both the collars of the common piston and the piston webs can be designed with different diameters.
  • a fast-switching shut-off valve isolation valve
  • the actuator hydropaulic cylinder
  • the working space of the cylinder housing or between the working space and the pressure line of the hydraulic winch drive, so that the connection between the actuator or the Winch drive and the compensation system (hydropneumatic storage / active cylinder device) can be interrupted in no time.
  • the piston assembly may be formed integrally or from a plurality of pistons.
  • Figure 1 shows a hydraulic sea state compensation device for a load held on a linear actuator
  • Figure 2 is a sea state compensation device for a load held on a winch and Figure 3 shows a concrete application of the sea state compensation device according to Figure 1 in a drilling device.
  • FIG. 1 shows a functional diagram of a sea state compensation device (Heave Compensation System) 1, in which a load L is movable by means of a designed as a hydraulic cylinder 2 linear drive. It is assumed that this hydraulic cylinder 2 is stationarily mounted on a ship or a floating platform and the load L is to be held in a predetermined relative position with respect to a fixed target, for example a platform supported on the seabed.
  • the compensation of the static load and the sea state via a dot-dash line indicated compensation system 4 with hydropneumatic memory, via which the hydraulic cylinder 2 is controlled such that the load L retains the predetermined relative position to the target object.
  • the designed as a differential cylinder hydraulic cylinder 2 has a differential piston 35, which divides the hydraulic cylinder 2 in a penetrated by the piston rod annular space 36 and a bottom-side cylinder chamber. At least the annular space 36 is connected via a pressure medium supply, not shown, for extending and retracting the piston rod 39 with a pump or a tank to raise or lower the load L.
  • a linear drive is designed only for relatively small strokes.
  • the compensation system 4 consists essentially of a hydropneumatic accumulator 6 and an active cylinder 8 designed as a synchronous cylinder, which is integrated in the hydropneumatic accumulators.
  • the unit of hydropneumatic accumulator 6 and active cylinder 8 is referred to as an active storage.
  • the Hydropneumatic accumulator 6 is designed to be able to support load L statically, ie without supporting the dynamic cycling due to sea state, while the active cylinder is intended to balance the dynamic alternating loads such as friction and other parasitic factors and to provide position control to enable the load at high speed.
  • the existing from the memory 6 and the active cylinder 8 active storage has a common cylinder housing 10 in which a piston 12 is guided axially displaceable.
  • This has two outer piston collars 14, 16, which are interconnected by a piston web 18.
  • This passes through a housing partition 20 of the cylinder housing, so that it is divided by the bottom of the piston collar 16 in a gas space 22 and the bottom of the piston collar 14 in a working space 24.
  • a first control chamber 26 and the second annular space 28 is limited by the annular end face of the piston collar 14 and the housing partition 20.
  • seals are arranged in the illustration of Figure 1, via which the aforementioned spaces of the cylinder housing are separated from each other.
  • the gas space 22 is connected via a gas line 30 to a gas reservoir 32, so that acts on the bottom surface of the piston collar 16 of the gas pressure.
  • the two control chambers 26, 28 can be connected via connections A, B to a control valve device described in more detail below and to a pressure medium source or a tank, so that the annular end face of the piston collar 16 or the annular end face of the piston collar 14 can be actively pressurized. around the piston 12 in response to the movement of the load L. slide.
  • the terminals A, B can also be short-circuited to put the active cylinder in "clearance"; then the system works as a passive memory.
  • the working space 24 is connected via a pressure line 34 to an annular space 36 of the hydraulic cylinder 2 in order to prevent shock loads when lifting loads from a movable location (eg deck of a ship in sea state), in the pressure line 34 a dashed line indicated fast switching Shut-off valve 38 may be provided, via which the oil side of the active storage of the hydraulic cylinder 2 is separable. About this shut-off valve 38 and the memory function can be disabled.
  • the passive hydropneumatic accumulator is thus formed by the gas accumulator 32, the gas space 22 and the working space 24, while the active cylinder is formed by the two annular control spaces 26, 28 which are separated from one another by the housing dividing wall 20 which can be acted upon via the connections A, B with pressure medium.
  • the load L is moved by means of a winch 40, which is driven via one or more hydraulic motors 42.
  • the hydraulic motor 42 is arranged in a closed circuit and is supplied via a driven by a motor M variable 44 with pressure medium.
  • a pressure port P of the variable displacement pump 44 is connected via a high pressure line 47 to a pressure port P 'of the hydraulic motor and a suction port S of the variable displacement pump 44 via a suction line 49 to a low pressure port T of the hydraulic motor 42.
  • variable pressure sucks pressure medium from a tank T and the pressure medium via the low pressure port T of the hydraulic motor 42 is returned to the tank T.
  • the compensation system 4 essentially consists in turn of a hydropneumatic accumulator 6 and a synchronous cylinder 8 formed as a synchronous cylinder, which in turn are designed as a unit (active accumulator).
  • a piston 12 is guided, which in the illustrated embodiment has two outer piston collars 14, 16 and a central annular collar 46.
  • the annular collar 46 and the piston collar 14 are of a first piston ridge 48 and the annular collar 46 and the piston collar 16 connected to each other via a second piston ridge 50, which, for example, has a smaller diameter than the first piston ridge 48.
  • the piston web 48 passes through a first housing partition wall 52 and the second piston web 50 passes through a further housing partition 54.
  • the cylinder housing 10 is thus subdivided into six pressure chambers by the piston 12, which is designed with three collars, the pressure chamber being the gas chamber 22 in FIG.
  • the two control chambers 26, 28 are limited by the housing partition wall 52 and the annular collar 46 and the piston collar 14.
  • Another working space 56 is limited by the further housing wall 54 and the middle annular collar 46 and the working space 24 through the housing partition wall 54 and the right piston collar 16.
  • the gas space 22 is connected to the gas reservoir 32 via a gas line 30, as in the previously described embodiment, so that the gas pressure acts on the bottom surface of the piston collar 16.
  • a space 58 is limited, the z. B. connected to the environment or the low-pressure room or can be completed.
  • the working space 24 is connected via the pressure line 34 to the high-pressure line 47 and the further working space 56 is connected via a low-pressure line 60 to the suction line 49.
  • fast closing check valves 38 may be provided in the low-pressure line 60 and / or the pressure line 34 in turn fast closing check valves 38 may be provided.
  • shock loads shock loads
  • the two control chambers 26, 28 can in turn, as in the above embodiment via the terminals A, B and a control valve assembly, not shown, connect to a pressure medium source or a tank to perform an active position control of the accumulator piston, and thus the load.
  • variable displacement pump 44 does not promote pressure means to the hydraulic motor 42.
  • the piston 12 is the control of the active cylinder 8 is shifted as a function of the vertical movement of the ship, so that correspondingly from the working spaces 24 or 56 pressure medium to the motor 42 is guided so that it drives the winch 40 accordingly to allow the compensation movement.
  • the load L is supported by the pressure in the hydropneumatic accumulator 6.
  • the active cylinder must apply pressure differences due to gas characteristics, friction and dynamic influences.
  • the gas pressure should be designed so that it can support the load.
  • the gas pressure in the gas storage 32 is variable in dependence on this load.
  • a compressor with the associated control devices for adjusting the gas pressure should be provided.
  • the adjustment of the compensation force to the load to be handled can also take place in that the hydraulic motor 42 of the winch 40 is designed with a variable displacement volume or in that a plurality of hydraulic motors 42 with variable displacement volume are connected in parallel.
  • the displacement volume is then adjusted as a function of the load, the pressure at the gas side of the active reservoir, i. the pressure in the gas space 22 and in the gas storage 32 can be kept constant, so that no separate compressor and no gas pressure regulating device are required.
  • the hydraulic circuit containing the pump 44 and the hydraulic motor 42 is still performed with all conventional devices, such as pressure relief valves, rinse cycle, coolers, filters, as used in conventional closed circuits. Leakage can be compensated in the same way as conventional systems.
  • control chamber 28 are interchanged with the working space 24.
  • the piston 12 is made in one piece, in principle, this piston could also be designed in several parts.
  • FIG. 3 shows a concrete application of the sea state compensation device shown in FIG. 1 for a drill string forming the load L, wherein a drill head is to be lowered from a ship 62 to the ocean floor in order, for example, to remove a seabed sample or to drill for oil.
  • a hydraulic cylinder arrangement 2 is formed by two or more hydraulic cylinders connected in parallel, wherein the piston rods 39 are mounted on a drilling stand 64 supported on the ship 62 and the load L (drill string) is fastened to the vertically displaceable cylinders.
  • a laser measuring device 66 is arranged in the illustrated embodiment, via which the position of the ship can be detected. The position of the cylinder 2 is detected by displacement transducer 68.
  • Figure 3 shows the essential components of the control unit for controlling the active cylinder 8, over which the movements, or the pressure fluctuations on the hydraulic cylinders 2 are actively compensated due to the sea state.
  • the load L ie the weight of the cylinder and the drill string is statically supported by the hydropneumatic storage 6 by the gas pressure in the gas chamber 22 and thus in the gas storage 32 is set accordingly.
  • the gas storage 32 can also be charged directly via the compressor unit 74 and the gas pressure control unit 70, wherein the gas pressure is variable depending on the weight of the drill string and possibly the sea state.
  • the pressure medium supply of the active cylinder 8, the hydraulic cylinder 2 and the working chamber 24 via a variable displacement pump 76, can be sucked via the pressure medium from a tank T and conveyed into the pressure line 34.
  • This pressure line 34 is connectable via a lifting valve 78 with a pump line 80 connected to the pump 76 and via a drain valve 82 with a tank line 84 connected to the tank T. Both valves 78, 80 are biased leak-free in a blocking position.
  • the lifting valve 78 is a switching valve, while the lowering valve 82 is a continuously variable directional control valve, in which a drain aperture is proportionally adjustable.
  • a feed line 86 branches off from the pump line 80 and a drain line 88 branches off from the tank line 84, leading to two input connections P, T of a proportionally adjustable active storage control valve 90.
  • Two working ports A, B of the active storage control valve 90 are connected via a supply line 92 and a drain line 94 to the working ports A and B of the active cylinder 8.
  • the supply line 92 and the drain line 94 can be switched via a bypass valve 97, so that the active cylinder 8 is then ineffective and the memory 4 only works as a passive memory.
  • the two control chambers 26, 28 of the active cylinder 8 in response to the ship movement with pressure medium be charged or connected to the tank T.
  • the Aktiv istventil 90 is executed in its spring-biased home position with a floating position and can be adjusted via proportionally adjustable electromagnets so that either the control chamber 26 or the control chamber 28 is connected to the variable displacement 76, while the pressure medium from the other pressure chamber to the tank T displaces becomes.
  • the filling of the working space 24 of the hydropneumatic accumulator 6 and the annular spaces 36 of the hydraulic cylinder arrangement 2 takes place via a filling control valve 96 whose single working port A is connected via a filling line 98 to a connecting line 100 between the working space 24 and the pressure line 34.
  • this connection line 100 the above-described check valve 38 is arranged, via which the connection between the working space 24 and the hydraulic cylinder assembly 2 can be shut off or opened.
  • a pressure port P of the Artregelventils 96 is connected via a pump branch line 102 to the pump line 80 and a tank port T of the Greregelventils 96 via a tank branch line 104 with the tank line 84, in which further means for cooling, filtering, etc. of the pressure medium are provided.
  • the hydropneumatic accumulator 6 is first moved to a starting position and the gas pressure in the gas space 22 is set as a function of the weight of the drill string, this setting being set proportionally to the expected weight to be lowered minus the desired feed force acting on the drill head.
  • These Setting of the active accumulator 8 via the filling control valve 96, via which the working space 24 is supplied with pressure medium, while the check valve 38, the lifting valve 78, the drain valve 82 are closed and the bypass valve 97 is opened, so that the two control chambers 26 and 28 of the Active cylinder 8 are connected.
  • the drill head is lowered to the seabed.
  • the shut-off valve 38 remains closed and the valves 78 and 82 are used to allow by retracting and extending the hydraulic cylinder assembly 2, the assembly of the drill string and lower the drill head.
  • the hydraulic cylinder arrangement 2 should be adjusted in such a way that there is still sufficient travel path for the sea state compensation.
  • the pressures in the gas space 22 and in the working space 24 can still be adjusted correspondingly via the filling valve 96 or the gas pressure regulating unit 70 in order to compensate for the weight of the drill string.
  • a passive sea state compensation is first switched on, whereby the load pressure of the hydraulic cylinder arrangement 2 is detected.
  • the valves 78, 82 are moved to their locked position, the active storage control valve 90 is still in its home position and the check valve 38 is open.
  • the active storage 8 is still ineffective, since the bypass valve 97 still remains in its passage position.
  • This controlled extraction of the drill head from the ground is effected in that via the fill control valve 96 when the bypass valve 97 is open, pressure medium is conveyed into the annular spaces 36 of the hydraulic cylinder arrangement 2, so that the drill head is pulled out of the ground at a constant speed.
  • an active sea state compensation takes place by means of the setting of the active storage control valve 90, via which the pressure required for sea state compensation in the control chambers 26, 28 is adjusted in order to pull the drill head out of the ground at a constant speed.
  • a Seegangskompensations Nureau in which the compensation of a generated by the sea relative movement of a load with respect to a desired position via a passive hydropneumatic storage and an actively controlled active cylinder takes place.
  • the active cylinder is integrated in the hydropneumatic accumulator, so that the compensation device is constructed extremely compact and simple. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The device has a compensation system (4) including a hydropneumatic storage (6) supporting a load and an active cylinder device (8) staying in working connection with the storage. The cylinder device includes two control spaces, which are loaded with pressure to actuate the cylinder device. The cylinder device is integrated in the hydropneumatic storage, and a common piston arrangement is accommodated in a common cylinder housing.

Description

Beschreibung description
Hydraulische SeegangskompensationseinrichtungHydraulic sea state compensation device
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Seegangskompensationseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a hydraulic sea state compensation device according to the preamble of claim 1.
Derartige Seegangskompensationseinrichtungen werden beispielsweise in der Marinetechnik eingesetzt, wenn eine Last von einem Schiff auf ein am Meeresboden abgestütztes Objekt, beispielsweise eine Plattform abgesetzt werden soll, wobei beispielsweise ein Kran auf dem Schiff angeordnet ist. In umgekehrter Weise kann der Kran auch auf einer auf dem Meeresboden abgestützten Plattform angeordnet sein, so dass die Last auf ein Schiff oder ein entsprechendes schwimmendes Objekt abzusetzen ist. Eine ähnliche Aufgabenstellung liegt auch vor, wenn beispielsweise ein Bohrstrang von einer schwimmenden Plattform aus abgesenkt wird und diese durch den Seegang angehoben und abgesenkt wird. In der Forschung werden beispielsweise schwere Messgeräte oder Versorgungsstationen für Roboter oder dergleichen von einem Schiff über eine Winde in große Tiefen abgesenkt, wobei durch den Seegang verursacht, das Haltekabel erheblichen Zugbelastungen ausgesetzt ist. Bei manchen Anwendungen kann es auch vorkommen, dass sowohl das Zielobjekt als auch die Last aufgrund des Seegangs Bewegungen ausführen, wobei dann aber im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie bei den vorbeschriebenen Fällen vorliegen.Such sea state compensation devices are used, for example, in naval technology, when a load is to be deposited by a ship on an object supported on the seabed, for example a platform, wherein, for example, a crane is arranged on the ship. Conversely, the crane can also be arranged on a platform supported on the seabed, so that the load can be placed on a ship or a corresponding floating object. A similar task is also present when, for example, a drill string is lowered from a floating platform and it is raised and lowered by the sea. In research, for example, heavy measuring devices or supply stations for robots or the like are lowered from a ship via a winch to great depths, the sea cable causing the holding cable to be subjected to considerable tensile loads. In some applications, it may also happen that both the target object and the load due to the sea run movements, but then in principle the same conditions as in the cases described above.
Die durch den Seegang verursachten Bewegungen der Last sollen über Seegangskompensationseinrichtungen ausgeglichen werden, die dafür sorgen, dass die Relativposition der Last zum Zielobjekt im Wesentlichen konstant gehalten wird. In der US 3,946,559 ist eine Seegangskompensations- einrichtung (Heave Compensation System) offenbart, bei der die Last, im vorliegenden Fall ein Bohrstrang an einem als Zylinder ausgeführten Aktuator befestigt ist, der seinerseits auf einem Schiff oder einer Plattform gelagert ist. Ein Druckraum des Aktuators ist mit dem Druck eines passiven hydropneumatisehen Speichers beaufschlagt, der einen Kolben hat, über den ein Gasraum von einem Druckmittelraum getrennt ist. Der Kolben lässt sich mittels eines aktiven Zylinders verschieben. Dieser hat zwei Steuerräume, die in Abhängigkeit eines Steuersignals über eine Regelventileinrichtung und eine Druckmittelquelle mit einem Förderstrom beaufschlagbar sind, um die Positionsänderung im Aktuator zu regeln. Eine ähnliche Lösung ist auch in der US 5,209,302 offenbart. Bei derartigen Systemen wird durch den hydropneumatisehen Speicher die statische Last kompensiert, während über den aktiven Zylinder die Positions- und Druckänderungen aufgrund des Seegangs ausgeglichen werden. Es zeigte sich, dass derartige Systeme ein wesentlich besseres Seegangskompensationsverhalten haben als Systeme, bei denen die statische Last nur über ein vergleichsweise einfach aufgebautes passives System (hydropneumatischer Speicher) abgestützt ist.The movements of the load caused by the swell are to be compensated for by wave compensation devices, which ensure that the relative position of the load to the target object is kept substantially constant. US Pat. No. 3,946,559 discloses a sea compensation system in which the load, in the present case a drill string, is fastened to an actuator embodied as a cylinder, which in turn is mounted on a ship or a platform. A pressure chamber of the actuator is subjected to the pressure of a passive hydropneumatic storage which has a piston, via which a gas space is separated from a pressure medium space. The piston can be moved by means of an active cylinder. This has two control chambers, which can be acted upon in response to a control signal via a control valve device and a pressure medium source with a flow to control the change in position in the actuator. A similar solution is also disclosed in US 5,209,302. In such systems, the static load is compensated by the hydropneumatic accumulator while the position and pressure changes due to the sea are compensated by the active cylinder. It has been shown that such systems have a much better sea state compensation behavior than systems in which the static load is supported only by a comparatively simple passive system (hydropneumatic accumulator).
Beim Gegenstand der US 3,946,559 wird die Last (Bohrstrang) über einen Linearantrieb (Aktuator) gehalten - prinzipiell kann die Last auch durch eine Winde gehalten sein, wobei dann die Winde in geeigneter Weise angesteuert werden muss, um den Seegang zu kompensieren. So kann beispielsweise im Bereich zwischen der Winde und der Last eine hydraulisch verschiebbare Rolle angeordnet sein, die in Abhängigkeit vom Seegang bewegt wird, um die Position der Last zum Zielobjekt konstant zu halten. Derartige Lösungen sind beispielsweise in der Druck- schrift "Efficient Heave Motion Compensation For Cable- Suspended Systems" (www.oceanworks.ee) beschrieben.In the subject matter of US 3,946,559 the load (drill string) via a linear actuator (actuator) is held - in principle, the load can also be held by a winch, in which case the winch must be controlled in a suitable manner to compensate for the sea state. For example, in the region between the winch and the load, a hydraulically displaceable roller may be arranged, which is moved in dependence on the sea state, in order to keep the position of the load to the target object constant. Such solutions are, for example, in the printing "Efficient Heave Motion Compensation For Cable-Suspended Systems" (www.oceanworks.ee).
Ein Problem bei den bekannten Lösungen besteht darin, dass die Systeme vergleichsweise komplex aufgebaut sind und einen hohen Platzbedarf aufweisen.A problem with the known solutions is that the systems are comparatively complex and have a large footprint.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Seegangskompensationseinrichtung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine zuverlässige Kompensation von aufgrund von Seegang verursachten Bewegungen ermöglicht.The invention has for its object to provide a sea state compensation device, which allows a simple compensation of a reliable compensation caused by sea conditions movements.
Diese Aufgabe wird durch eine hydraulische Seegangs- kompensationseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by a hydraulic sea state compensation device having the features of patent claim 1.
Erfindungsgemäß hat die Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System) ein Kompensationssystem, das im Prinzip aus einem hydropneumatisehen Speicher (passiver Zylinder) und einer Aktivzylindereinrichtung besteht. Die Aktivzylindereinrichtung ist in den hydropneumatischen Speicher integriert, wobei eine gemeinsame Kolbenanordnung innerhalb eines gemeinsamen Zylindergehäuses angeordnet ist. Durch die beiden außen liegenden Kolbenbodenflächen und die benachbarten Gehäusestirnflächen wird jeweils ein Druckraum begrenzt, von denen einer vorzugsweise ein Gasraum des hydropneumatischen Speichers ist.According to the invention, the sea state compensation device (Heave Compensation System) has a compensation system, which consists in principle of a hydropneumatic storage (passive cylinder) and an active cylinder device. The active cylinder device is integrated in the hydropneumatic accumulator, wherein a common piston arrangement is arranged within a common cylinder housing. By the two outer piston bottom surfaces and the adjacent housing end faces in each case a pressure chamber is limited, one of which is preferably a gas space of the hydropneumatic accumulator.
Bei dem Stand der Technik gemäß der US 3,946,559 ist dagegen die Aktivzylindereinrichtung an den hydropneumatischen Speicher angesetzt, so dass eine derartige Lösung wesentlich mehr Bauraum und vorrichtungstechnischen Aufwand erfordert . Die Einheit aus hydropneumatischem Speicher mit darin integrierter Aktivzylindereinrichtung lässt sich in Wirkverbindung mit einem Linearaktuator (Hydrozylinder) oder einer Winde betreiben, von denen die Last gehalten wird.In the prior art according to US Pat. No. 3,946,559, by contrast, the active cylinder device is attached to the hydropneumatic accumulator, so that such a solution requires considerably more space and device complexity. The unit of hydropneumatic accumulator with integrated therein active cylinder device can be operated in operative connection with a linear actuator (hydraulic cylinder) or a winch, of which the load is held.
Bei der erst genannten Alternative wird somit die Last von dem als Hydraulikzylinder ausgeführten Aktuator abgestützt, dessen in Abstützrichtung der Last wirksamer Druckraum über eine Druckleitung mit dem zweiten Druckraum des gemeinsamen Zylindergehäuses verbunden ist. Dieser einen Arbeitsraum ausbildende Druckraum und der vorstehend erwähnte Gasraum bilden dann die beiden Endabschnitte des gemeinsamen Zylindergehäuses.In the first-mentioned alternative, the load is thus supported by the actuator designed as a hydraulic cylinder, whose pressure chamber, which is effective in the supporting direction of the load, is connected via a pressure line to the second pressure chamber of the common cylinder housing. This working space forming a pressure chamber and the above-mentioned gas space then form the two end portions of the common cylinder housing.
Die in diesem gemeinsamen Zylindergehäuse geführte Kolbenanordnung hat zwei die Kolbenbodenflächen ausbildende Kolbenbünde, die von einem Kolbensteg verbunden sind. Dieser durchsetzt dichtend eine Trennwand des Zylindergehäuses, so dass durch die Ringstirnflächen der Kolbenbünde einerseits und die Gehäusetrennwand andererseits die beiden Steuerräume der Aktivzylindereinrichtung ausgebildet sind.The guided in this common cylinder housing piston assembly has two piston bottom surfaces forming piston collars, which are connected by a piston land. This passes sealingly through a partition wall of the cylinder housing, so that the two control chambers of the active cylinder device are formed by the annular end faces of the piston collars on the one hand and the housing partition on the other hand.
Zur Abdichtung dieser beiden Steuerräume untereinander und der Steuerräume zu dem benachbarten Gasraum bzw. Arbeitsraum sind am Außenumfang der Ringbunde und in der Durchgangsδffnung der Gehäusetrennwand Dichtungen angeordnet .To seal these two control chambers with each other and the control chambers to the adjacent gas space or working space seals are arranged on the outer circumference of the annular collars and in Durchgangsδffnung the housing partition.
Bei der zweiten vorgenannten Alternative ist die Last an einer Winde abgestützt . Diese wird vorzugsweise über einen Hydromotor angetrieben, dessen Druckseite mit einem Arbeitsraum des Zylindergehäuses verbunden ist, so dass eine Druckmittelverbindung zwischen Hydromotor und der Aktivzylindereinrichtung besteht . Die Einheit aus hydrodynamischem Speicher und Aktivzylindereinrichtung hat bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine Kolbenanordnung mit zwei endseitigen Kolbenbünden und einem mittleren Ringbund, die über jeweils zwei Kolbenstege miteinander verbunden sind. Jeder dieser Kolbenstege durchsetzt eine Gehäusetrennwand des Zylindergehäuses, so dass neben den beiden außen liegenden Zylinderräumen (einer davon ist der Gasraum) im Zylindergehäuse durch zwei benachbarte Ringstirnflächen der vorbeschriebenen Kolbenbünde und die dazwischen liegende Gehäusetrennwand, die beiden Steuerräume der Aktivzylindereinrichtung und durch die beiden anderen Ringstirnflächen der Kolbenbünde sowie die dazwischen liegende Gehäusetrennwand der Arbeitsraum und ein weiterer Arbeitsraum ausgebildet sind.In the second alternative mentioned above, the load is supported on a winch. This is preferably driven by a hydraulic motor whose pressure side is connected to a working space of the cylinder housing, so that there is a pressure medium connection between the hydraulic motor and the active cylinder device. The unit of hydrodynamic storage and active cylinder device in this embodiment preferably has a piston assembly with two end piston collars and a central annular collar, which are connected to each other via two piston webs. Each of these piston webs passes through a housing partition wall of the cylinder housing, so that in addition to the two outer cylinder chambers (one of which is the gas space) in the cylinder housing by two adjacent annular end faces of the above piston collars and the housing partition between them, the two control chambers of the active cylinder device and by the other two annular end faces the piston collars and the intermediate housing partition of the working space and another working space are formed.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen sind stirnseitig im Zylindergehäuse ein Gasraum und ein weiterer Druckraum begrenzt, letzterer kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Umgebungsdruck beaufschlagt werden.According to the above statements, a gas space and a further pressure chamber are delimited on the front side in the cylinder housing, the latter can be acted upon in a preferred embodiment, with ambient pressure.
Der zum Antrieb der Winde vorgesehene Hydromotor kann in einem geschlossenen oder offenen Druckmittelkreislauf geführt sein.The provided for driving the winch hydraulic motor can be performed in a closed or open pressure fluid circuit.
Im erstgenannten Fall (geschlossener Druckmittel- kreislauf) wird der Hydromotor über eine von einem Motor angetriebene Pumpe mit variablem Fördervolumen mit Druckmittel versorgt, wobei ein Sauganschluss der Pumpe über eine Saugleitung mit einem Niederdruckanschluss des Hydromotors sowie ein Druckanschluss der Pumpe über eine Hochdruckleitung mit einem Druckanschluss des Hydromotors verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Hochdruckleitung über eine Druckleitung mit dem erstgenannten Arbeitsraum und die Saugleitung über eine Nieder- druckleitung mit dem weiteren Arbeitsraum verbunden, so dass der Hydromotor wahlweise oder überlagernd über die Pumpe oder die Arbeitsräume mit Druckmittel versorgt werden kann.In the former case (closed pressure medium circulation), the hydraulic motor is supplied with pressure medium via a variable displacement pump driven by a motor, wherein a suction port of the pump via a suction line with a low pressure port of the hydraulic motor and a pressure port of the pump via a high pressure line with a pressure port connected to the hydraulic motor. In this embodiment, the high-pressure line via a pressure line with the first-mentioned working space and the suction line via a Nieder- pressure line connected to the other working space, so that the hydraulic motor can be supplied with pressure medium either over or over the pump or work spaces.
Sowohl die Bünde des gemeinsamen Kolbens als auch die Kolbenstege können mit unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt sein.Both the collars of the common piston and the piston webs can be designed with different diameters.
Zur Absicherung kann in der Druckleitung zwischen dem Druckraum des Aktuators (Hydraulikzylinder) und dem Arbeitsraum des Zylindergehäuses oder zwischen dem Arbeitsraum und der Druckleitung des hydraulischen Windenantriebes ein schnell schaltendes Sperrventil (Isolation Valve) angeordnet sein, so dass die Verbindung zwischen dem Aktuator bzw. dem Windenantrieb und dem KompensationsSystem (hydropneumatischer Speicher / Aktivzylindereinrichtung) in kürzester Zeit unterbrochen werden kann.To secure a fast-switching shut-off valve (isolation valve) can be arranged in the pressure line between the pressure chamber of the actuator (hydraulic cylinder) and the working space of the cylinder housing or between the working space and the pressure line of the hydraulic winch drive, so that the connection between the actuator or the Winch drive and the compensation system (hydropneumatic storage / active cylinder device) can be interrupted in no time.
Die Kolbenanordnung kann einstückig oder aus mehreren Kolben ausgebildet sein.The piston assembly may be formed integrally or from a plurality of pistons.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are the subject of further subclaims.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. Show it:
Figur 1 eine hydraulische Seegangskompensationseinrichtung für eine an einem Linearaktuator gehaltene Last;Figure 1 shows a hydraulic sea state compensation device for a load held on a linear actuator;
Figur 2 eine Seegangskompensationseinrichtung für eine an einer Winde gehaltenen Last und Figur 3 eine konkrete Anwendung der Seegangskompensationseinrichtung gemäß Figur 1 bei einer Bohreinrichtung.Figure 2 is a sea state compensation device for a load held on a winch and Figure 3 shows a concrete application of the sea state compensation device according to Figure 1 in a drilling device.
Figur 1 zeigt ein Funktionsschema einer Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System) 1, bei der eine Last L mittels eines als Hydraulikzylinder 2 ausgeführten Linearantriebs bewegbar ist. Es sei angenommen, dass dieser Hydraulikzylinder 2 ortsfest auf einem Schiff oder einer schwimmenden Plattform gelagert ist und die Last L mit Bezug zu einem feststehenden Zielobjekt, beispielsweise einer auf dem Meeresboden abgestützten Plattform in einer vorbestimmten Relativposition gehalten werden soll. Die Kompensation der statischen Last und des Seegangs erfolgt über eine strichpunktiert angedeutetes Kompensationssystem 4 mit hydropneumatischem Speicher, über das der Hydraulikzylinder 2 derart ansteuerbar ist, dass die Last L die vorbestimmte Relativposition zum Zielobjekt beibehält.1 shows a functional diagram of a sea state compensation device (Heave Compensation System) 1, in which a load L is movable by means of a designed as a hydraulic cylinder 2 linear drive. It is assumed that this hydraulic cylinder 2 is stationarily mounted on a ship or a floating platform and the load L is to be held in a predetermined relative position with respect to a fixed target, for example a platform supported on the seabed. The compensation of the static load and the sea state via a dot-dash line indicated compensation system 4 with hydropneumatic memory, via which the hydraulic cylinder 2 is controlled such that the load L retains the predetermined relative position to the target object.
Der als Differentialzylinder ausgeführte Hydraulikzylinder 2 hat einen Differentialkolben 35, der den Hydraulikzylinder 2 in einen von der Kolbenstange durchsetzten Ringraum 36 und einen bodenseitigen Zylinderraum unterteilt. Zumindest der Ringraum 36 ist über eine nicht dargestellte Druckmittelversorgung zum Aus- und Einfahren der Kolbenstange 39 mit einer Pumpe oder einem Tank verbindbar, um die Last L anzuheben oder abzusenken. Ein derartiger Linearantrieb ist nur für vergleichsweise kleine Hübe ausgelegt .The designed as a differential cylinder hydraulic cylinder 2 has a differential piston 35, which divides the hydraulic cylinder 2 in a penetrated by the piston rod annular space 36 and a bottom-side cylinder chamber. At least the annular space 36 is connected via a pressure medium supply, not shown, for extending and retracting the piston rod 39 with a pump or a tank to raise or lower the load L. Such a linear drive is designed only for relatively small strokes.
Das Kompensationssystem 4 besteht im Wesentlichen aus einem hydropneumatischen Speicher 6 und einem als Gleichgangzylinder ausgeführten Aktivzylinder 8, der in den hydropneumatischen Speichern integriert ist. Die Einheit aus hydropneumatischen Speicher 6 und Aktivzylinder 8 wird als Aktivspeicher bezeichnet. Der hydropneumatische Speicher 6 ist so ausgelegt, dass er in der Lage ist, die Last L statisch, d.h. ohne die dynamischen Wechselbeanspruchungen aufgrund des Seegangs abzustützen, während der Aktivzylinder dazu vorgesehen ist, die dynamischen Wechselbelastungen so wie Reibungen und andere parasitäre Faktoren auszugleichen und eine Lageregelung der Last mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen.The compensation system 4 consists essentially of a hydropneumatic accumulator 6 and an active cylinder 8 designed as a synchronous cylinder, which is integrated in the hydropneumatic accumulators. The unit of hydropneumatic accumulator 6 and active cylinder 8 is referred to as an active storage. Of the Hydropneumatic accumulator 6 is designed to be able to support load L statically, ie without supporting the dynamic cycling due to sea state, while the active cylinder is intended to balance the dynamic alternating loads such as friction and other parasitic factors and to provide position control to enable the load at high speed.
Der aus dem Speicher 6 und dem Aktivzylinder 8 bestehende Aktivspeicher hat ein gemeinsames Zylindergehäuse 10, in dem ein Kolben 12 axial verschiebbar geführt ist. Dieser hat zwei außen liegende Kolbenbünde 14, 16, die durch einen Kolbensteg 18 miteinander verbunden sind. Dieser durchsetzt eine Gehäusetrennwand 20 des Zylindergehäuses, so dass dieses durch den Boden des Kolbenbunds 16 in einen Gasraum 22 und den Boden des Kolbenbunds 14 in einen Arbeitsraum 24 unterteilt ist. Durch die Ringstirnfläche des Kolbenbundes 16 und die Trennwand 20 wird ein erster Steuerraum 26 und durch die Ringstirnfläche des Kolbenbundes 14 und die Gehäusetrennwand 20 ein zweiter Steuerraum 28 begrenzt. Im Bereich der Durchführung der Kolbenstange 18 durch die Gehäusetrennwand 20 und am Außenumfang der beiden Kolbenbünde 14, 16 sind in der Darstellung gemäß Figur 1 nicht gezeigte Dichtungen angeordnet, über die die vorgenannten Räume des Zylindergehäuses von einander getrennt sind. Der Gasraum 22 ist über eine Gasleitung 30 mit einem Gasspeicher 32 verbunden, so dass auf die Bodenfläche des Kolbenbundes 16 der Gasdruck wirkt. Die beiden Steuerräume 26, 28 sind über Anschlüsse A, B mit einer im Folgenden näher beschriebenen Regelven- tileinrichtung und einer Druckmittelquelle bzw. einem Tank verbindbar, so dass die Ringstirnfläche des Kolbenbundes 16 oder die Ringstirnfläche des Kolbenbundes 14 aktiv mit einem Druck beaufschlagbar ist, um den Kolben 12 in Abhängigkeit von der Bewegung der Last L zu ver- schieben. Die Anschlüsse A, B können auch kurzgeschlossen werden, um den Aktivzylinder in "Freigang" zu schalten; dann funktioniert die Anlage als passiver Speicher.The existing from the memory 6 and the active cylinder 8 active storage has a common cylinder housing 10 in which a piston 12 is guided axially displaceable. This has two outer piston collars 14, 16, which are interconnected by a piston web 18. This passes through a housing partition 20 of the cylinder housing, so that it is divided by the bottom of the piston collar 16 in a gas space 22 and the bottom of the piston collar 14 in a working space 24. By the annular end face of the piston collar 16 and the partition wall 20, a first control chamber 26 and the second annular space 28 is limited by the annular end face of the piston collar 14 and the housing partition 20. In the area of the passage of the piston rod 18 through the housing partition wall 20 and on the outer circumference of the two piston collars 14, 16 not shown seals are arranged in the illustration of Figure 1, via which the aforementioned spaces of the cylinder housing are separated from each other. The gas space 22 is connected via a gas line 30 to a gas reservoir 32, so that acts on the bottom surface of the piston collar 16 of the gas pressure. The two control chambers 26, 28 can be connected via connections A, B to a control valve device described in more detail below and to a pressure medium source or a tank, so that the annular end face of the piston collar 16 or the annular end face of the piston collar 14 can be actively pressurized. around the piston 12 in response to the movement of the load L. slide. The terminals A, B can also be short-circuited to put the active cylinder in "clearance"; then the system works as a passive memory.
Der Arbeitsraum 24 ist über eine Druckleitung 34 mit einem Ringraum 36 des Hydraulikzylinders 2 verbunden um beim Anheben von Lasten von einem beweglichen Standort (z. B. Deck eines im Seegang befindlichen Schiffes) Stoßbelastungen vorzubeugen, kann in der Druckleitung 34 ein gestrichelt angedeutetes schnell schaltendes Absperrventil 38 vorgesehen werden, über das die Ölseite des Aktivspeichers vom Hydraulikzylinder 2 trennbar ist. Über dieses Absperrventil 38 kann auch die Speicherfunktion ausser Betrieb gesetzt werden.The working space 24 is connected via a pressure line 34 to an annular space 36 of the hydraulic cylinder 2 in order to prevent shock loads when lifting loads from a movable location (eg deck of a ship in sea state), in the pressure line 34 a dashed line indicated fast switching Shut-off valve 38 may be provided, via which the oil side of the active storage of the hydraulic cylinder 2 is separable. About this shut-off valve 38 and the memory function can be disabled.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird somit der passive hydropneumatische Speicher durch den Gasspeicher 32, den Gasraum 22 und den Arbeitsraum 24 gebildet, während der Aktivzylinder durch die beiden ringförmigen Steuerräume 26, 28 gebildet ist, die von der Gehäusetrennwand 20 von einander getrennt sind und die über die Anschlüsse A, B mit Druckmittel beaufschlagbar sind.In the embodiment according to FIG. 1, the passive hydropneumatic accumulator is thus formed by the gas accumulator 32, the gas space 22 and the working space 24, while the active cylinder is formed by the two annular control spaces 26, 28 which are separated from one another by the housing dividing wall 20 which can be acted upon via the connections A, B with pressure medium.
Es sei nun angenommen, dass sich die Last L aufgrund des Seegangs relativ zum am Schiff abgestützten Zylindergehäuse 2 nach rechts (Ansicht nach Figur 1) bewegt. Dadurch wird Druckmittel aus dem Ringraum 36 über die Druckleitung 34 in den Arbeitsraum 24 verdrängt, so dass der Kolben 12 des Aktivspeichers in der Darstellung gemäß Figur 1 nach links bewegt wird, wobei der Druck im Gas- raum 22 und somit im Gasspeicher 32 der Verschiebung der Last L entgegen wirkt. In dem Fall, in dem die beiden Arbeitsanschlüsse A, B mit einander verbunden sind, wirkt der Aktivspeicher wie ein passiver, herkömmlicher hydropneumatischer Speicher. Die Lastposition ist hierbei nicht direkt beeinflussbar. In dem Fall, in dem die Kompensationsregelung aktiv ist, können die Steuerräume 26 und 28 in Figur 1 über die Anschlüsse A bzw. B mit Druckmittel beaufschlagt werden. Durch die Verschiebung des Kolbens 12 nach links oder rechts wird der Arbeitsraum 24 aktiv vergrössert oder verkleinert, so dass das Druckmittel aus dem Ringraum 36 überströmt und die Last L ihre gewünschte Relativposition beibehält. Die Regelung der Druckmittelzufuhr und Druckmittelabfuhr zu bzw. aus den beiden Steuerräumen 26, 28 erfolgt so, dass die Last L nach einem vorbestimmten Geschwindigkeitsprofil bewegt oder in ihrer Relativposition gehalten wird.It is now assumed that the load L moves due to the seaway relative to the cylinder housing 2 supported on the ship to the right (view of Figure 1). As a result, pressure medium from the annular space 36 is displaced via the pressure line 34 into the working space 24, so that the piston 12 of the active storage is moved to the left in the representation according to FIG. 1, the pressure in the gas space 22 and thus in the gas storage 32 being shifted the load L counteracts. In the case where the two working ports A, B are connected to each other, the active reservoir acts as a passive, conventional hydro-pneumatic accumulator. The load position can not be influenced directly here. In the case in which the compensation control is active, the control chambers 26 and 28 in Figure 1 can be acted upon via the ports A and B with pressure medium. By the displacement of the piston 12 to the left or right of the working space 24 is actively enlarged or reduced, so that the pressure medium flows from the annular space 36 and the load L maintains its desired relative position. The regulation of the pressure medium supply and pressure medium discharge to and from the two control chambers 26, 28 takes place in such a way that the load L is moved according to a predetermined velocity profile or held in its relative position.
Die in Figur 1 dargestellte Lösung zeigt gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik, insbesondere der US 3,946,559 erhebliche Vorteile. So sind beim Stand der Technik vier Dichtungen erforderlich (zwei an den Kolbenbünden, eine an einer Trennwand und eine vierte an der Durchführung einer Kolbenstange des Kolbens durch die Stirnfläche des Aktivzylindergehäuses) , während bei der in Figur 1 dargestellten Lösung nur drei DichtungenThe solution shown in Figure 1 shows over the aforementioned prior art, in particular US 3,946,559 significant advantages. Thus, in the prior art four seals are required (two on the piston collars, one on a partition and a fourth on the passage of a piston rod of the piston through the end face of the active cylinder housing), while in the solution shown in Figure 1 only three seals
(Kolbenbünde 16, 14 und Trennwand 20) vorgesehen sein müssen. Da keine Kolbenstange aus dem Zylinder heraus ragt, baut die erfindungsgemäße Lösung auch wesentlich kürzer. Der Kolben ist beim Stand der Technik entlang vier Gleitführungen (zwei Kolbenbünde, Durchführung durch Gehäusetrennwand und Durchführung durch Aktivzylinder- stirnfläche) geführt, während beim in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nur drei Gleitführungen(Piston collars 16, 14 and partition 20) must be provided. Since no piston rod projects out of the cylinder, the solution according to the invention also builds up considerably shorter. The piston is guided in the prior art along four sliding guides (two piston collars, passage through the housing partition wall and passage through Aktivzylinder- end face), while in the embodiment shown in Figure 1, only three sliding guides
(Kolbenbünde 14, 16, Gehäusetrennwand 20) vorgesehen sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim Stand der Technik gemäß der US-Patentschrift ein externes bewegliches Teil (Kolbenstange) vorgesehen ist, während bei der Lösung gemäß Figur 1 der Aktivspeicher ohne externe bewegliche Teile auskommt. Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel mit einem linearen Antrieb ist für vergleichsweise geringe Wege der Last L ausgelegt. In dem Fall, dass die Last L über größere Strecken bewegt werden soll, wird anstelle eines Linearantriebes eine Winde eingesetzt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 dargestellt.(Piston collars 14, 16, housing partition 20) are provided. Another advantage is that in the prior art according to the US patent an external movable part (piston rod) is provided, while in the solution according to Figure 1, the active storage requires no external moving parts. The above-described embodiment with a linear drive is designed for comparatively small paths of the load L. In the event that the load L is to be moved over long distances, a winch is used instead of a linear drive. Such an embodiment is shown in FIG.
Dabei wird die Last L mittels einer Winde 40 bewegt, die über einen oder mehrere Hydromotoren 42 angetrieben ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hydromotor 42 in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet und wird über eine von einem Motor M angetriebene Verstellpumpe 44 mit Druckmittel versorgt. Dabei ist ein Druckanschluss P der Verstellpumpe 44 über eine Hochdruckleitung 47 mit einem Druckanschluss P' des Hydromotors und ein Sauganschluss S der Verstellpumpe 44 über eine Saugleitung 49 mit einem Niederdruckanschluss T des Hydromotors 42 verbunden.In this case, the load L is moved by means of a winch 40, which is driven via one or more hydraulic motors 42. In the illustrated embodiment, the hydraulic motor 42 is arranged in a closed circuit and is supplied via a driven by a motor M variable 44 with pressure medium. In this case, a pressure port P of the variable displacement pump 44 is connected via a high pressure line 47 to a pressure port P 'of the hydraulic motor and a suction port S of the variable displacement pump 44 via a suction line 49 to a low pressure port T of the hydraulic motor 42.
Selbstverständlich kann anstelle des geschlossenen Kreislaufs auch ein offener Druckmittelkreislauf verwendet werden, wobei die Verstellpumpe Druckmittel aus einem Tank T ansaugt und das Druckmittel über den Niederdruckanschluss T des Hydromotors 42 zum Tank T zurückgeführt wird.Of course, instead of the closed circuit and an open pressure fluid circuit can be used, wherein the variable pressure sucks pressure medium from a tank T and the pressure medium via the low pressure port T of the hydraulic motor 42 is returned to the tank T.
Das Kompensationssystem 4 besteht im Wesentlichen wiederum aus einem hydropneumatisehen Speicher 6 und einem als Gleichgangzylinder ausgebildeten Aktivzylinder 8, die wiederum als Einheit (Aktivspeicher) ausgeführt sind. In dem gemeinsamen Zylindergehäuse 10 ist ein Kolben 12 geführt, der bei dem dargestellten Ausführungs- beispiel zwei außen liegende Kolbenbünde 14, 16 sowie einen mittleren Ringbund 46 aufweist. Der Ringbund 46 und der Kolbenbund 14 sind von einem ersten Kolbensteg 48 und der Ringbund 46 und der Kolbenbund 16 über einen zweiten Kolbensteg 50 miteinander verbunden, wobei dieser beispielsweise einen geringeren Durchmesser als der erste Kolbensteg 48 hat. Der Kolbensteg 48 durchsetzt eine erste Gehäusetrennwand 52 und der zweite Kolbensteg 50 durchsetzt eine weitere Gehäusetrennwand 54. Durch den mit drei Bünden ausgeführten Kolben 12 wird das Zylindergehäuse 10 somit in sechs Druckräume unterteilt, wobei der in Figur 2 rechte Druckraum der Gasraum 22 ist. Die beiden Steuerräume 26, 28 sind durch die Gehäusetrennwand 52 und den Ringbund 46 bzw. den Kolbenbund 14 begrenzt. Ein weiterer Arbeitsraum 56 ist durch die weitere Gehäusewand 54 und den mittleren Ringbund 46 sowie der Arbeitsraum 24 durch die Gehäusetrennwand 54 und den rechten Kolbenbund 16 begrenzt. Der Gasraum 22 ist wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel über eine Gasleitung 30 mit dem Gasspeicher 32 verbunden, so dass der Gasdruck auf die Bodenfläche des Kolbenbundes 16 wirkt . Durch die Bodenfläche des weiteren Kolbenbundes 14 und der Innenstirnfläche des Gehäuses 10 wird ein Raum 58 begrenzt, der z. B. mit der Umgebung oder dem Niederdruckraum verbunden oder abgeschlossen sein kann.The compensation system 4 essentially consists in turn of a hydropneumatic accumulator 6 and a synchronous cylinder 8 formed as a synchronous cylinder, which in turn are designed as a unit (active accumulator). In the common cylinder housing 10, a piston 12 is guided, which in the illustrated embodiment has two outer piston collars 14, 16 and a central annular collar 46. The annular collar 46 and the piston collar 14 are of a first piston ridge 48 and the annular collar 46 and the piston collar 16 connected to each other via a second piston ridge 50, which, for example, has a smaller diameter than the first piston ridge 48. The piston web 48 passes through a first housing partition wall 52 and the second piston web 50 passes through a further housing partition 54. The cylinder housing 10 is thus subdivided into six pressure chambers by the piston 12, which is designed with three collars, the pressure chamber being the gas chamber 22 in FIG. The two control chambers 26, 28 are limited by the housing partition wall 52 and the annular collar 46 and the piston collar 14. Another working space 56 is limited by the further housing wall 54 and the middle annular collar 46 and the working space 24 through the housing partition wall 54 and the right piston collar 16. The gas space 22 is connected to the gas reservoir 32 via a gas line 30, as in the previously described embodiment, so that the gas pressure acts on the bottom surface of the piston collar 16. By the bottom surface of the further piston collar 14 and the inner end face of the housing 10, a space 58 is limited, the z. B. connected to the environment or the low-pressure room or can be completed.
Gemäß Figur 2 ist der Arbeitsraum 24 über die Druckleitung 34 mit der Hochdruckleitung 47 und der weitere Arbeitsraum 56 über eine Niederdruckleitung 60 mit der Saugleitung 49 verbunden. In der Niederdruckleitung 60 und/oder der Druckleitung 34 können wiederum schnell schließende Sperrventile 38 vorgesehen werden. Durch diese Sperrventile 38 kann die Übertragung von Stoßbelastungen (Shock Loads) verhindert werden, die beispielsweise beim Aufnehmen einer Last von einem sich bewegenden Deck auftreten können. Über die Absperrventile 38 kann auch die Speicherfunktion ausser Betrieb gesetzt werden. Die beiden Steuerräume 26, 28 lassen sich wiederum wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel über die Anschlüsse A, B und eine nicht dargestellte Regelventilanordnung mit einer Druckmittelquelle oder einem Tank verbinden, um eine aktive Positionsregelung des Speicherkolbens, und damit der Last, durchzuführen.According to FIG. 2, the working space 24 is connected via the pressure line 34 to the high-pressure line 47 and the further working space 56 is connected via a low-pressure line 60 to the suction line 49. In the low-pressure line 60 and / or the pressure line 34 in turn fast closing check valves 38 may be provided. By these check valves 38, the transmission of shock loads (shock loads) can be prevented, which can occur, for example, when picking up a load from a moving deck. About the shut-off valves 38 and the memory function can be disabled. The two control chambers 26, 28 can in turn, as in the above embodiment via the terminals A, B and a control valve assembly, not shown, connect to a pressure medium source or a tank to perform an active position control of the accumulator piston, and thus the load.
Zum Anheben oder Absenken einer Last unter normalen Betriebsbedingungen, d.h. ohne Seegangskompensation sind diese beiden Anschlüsse A, B geschlossen und/oder die Absperrventile 38 geschlossen, so dass der Aktivzylinder 8 unwirksam ist und die Geschwindigkeit und Drehrichtung der Winde durch den Schwenkwinkel der Verstellpumpe 44 vorgegeben ist.To raise or lower a load under normal operating conditions, i. without swell compensation these two ports A, B are closed and / or the shut-off valves 38 are closed, so that the active cylinder 8 is ineffective and the speed and direction of rotation of the winch is determined by the pivot angle of the variable 44.
In dem Fall, in dem kein Anheben oder Absenken der Last erforderlich ist, jedoch eine Seegangskompensation erforderlich ist, um die Last in einer vorbestimmten Relativposition zu einem Zielobjekt zu halten, fördert die Verstellpumpe 44 kein Druckmittel zum Hydromotor 42. Der Kolben 12 wird jedoch durch die Regelung des Aktivzylinders 8 in Abhängigkeit von der Vertikalbewegung des Schiffs verschoben, so dass entsprechend aus den Arbeits- räumen 24 oder 56 Druckmittel zum Motor 42 geführt wird, so dass dieser die Winde 40 entsprechend antreibt, um die Kompensationsbewegung zu ermöglichen. Die Last L durch den Druck im hydropneumatisehen Speicher 6 abgestützt. Der Aktivzylinder muss Druckunterschiede durch Gascharakteristik, Reibungen und dynamische Einflüsse aufbringen.In the case in which no lifting or lowering of the load is required, but a sea state compensation is required to hold the load in a predetermined relative position to a target object, the variable displacement pump 44 does not promote pressure means to the hydraulic motor 42. However, the piston 12 is the control of the active cylinder 8 is shifted as a function of the vertical movement of the ship, so that correspondingly from the working spaces 24 or 56 pressure medium to the motor 42 is guided so that it drives the winch 40 accordingly to allow the compensation movement. The load L is supported by the pressure in the hydropneumatic accumulator 6. The active cylinder must apply pressure differences due to gas characteristics, friction and dynamic influences.
In dem Fall, in dem die Seegangskompensation gleichzeitig zu einem Anheben oder Absenken der Last durchgeführt werden soll - dies ist der häufigste Anwendungsfall - überlagert die Regelung der Verstellpumpe 44 die An- Steuerung des Aktivspeichers (Aktivzylinder 8, hydropneu- matischer Speicher 6) und umgekehrt.In the case in which the sea state compensation is to be carried out simultaneously with a raising or lowering of the load - this is the most frequent application case - the control of the variable-displacement pump 44 superimposes the Control of the active accumulator (active cylinder 8, hydropneumatic accumulator 6) and vice versa.
Wie eingangs erwähnt, soll der Gasdruck so ausgelegt sein, dass er die Last abstützen kann. In dem Fall, in dem stark unterschiedliche Lasten gehandhabt werden sollen, kann es vorteilhaft sein, wenn der Gasdruck im Gasspeicher 32 in Abhängigkeit von dieser Last veränderbar ist. Dazu wäre beispielsweise ein Kompressor mit den zugehörigen Regeleinrichtungen zur Einstellung des Gasdrucks vorzusehen.As mentioned above, the gas pressure should be designed so that it can support the load. In the case where highly different loads are to be handled, it may be advantageous if the gas pressure in the gas storage 32 is variable in dependence on this load. For this purpose, for example, a compressor with the associated control devices for adjusting the gas pressure should be provided.
Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung der Kompensationskraft an die zu handhabende Last auch dadurch erfolgen, dass der Hydromotor 42 der Winde 40 mit einem variablen Verdrängungsvolumen ausgeführt ist oder dass mehrere Hydromotoren 42 mit variablem Verdrängungs- volumen parallel geschaltet werden. Das Verdrängungsvolumen wird dann in Abhängigkeit von der Last eingestellt, wobei der Druck an der Gasseite des Aktivspeichers, d.h. der Druck im Gasraum 22 und in dem Gasspeicher 32 konstant gehalten werden kann, so dass kein eigener Kompressor und keine Gasdruckregeleinrichtung erforderlich sind.Alternatively or additionally, the adjustment of the compensation force to the load to be handled can also take place in that the hydraulic motor 42 of the winch 40 is designed with a variable displacement volume or in that a plurality of hydraulic motors 42 with variable displacement volume are connected in parallel. The displacement volume is then adjusted as a function of the load, the pressure at the gas side of the active reservoir, i. the pressure in the gas space 22 and in the gas storage 32 can be kept constant, so that no separate compressor and no gas pressure regulating device are required.
Der die Pumpe 44 und den Hydromotor 42 enthaltende hydraulische Kreislauf ist noch mit allen üblichen Vorrichtungen, wie beispielsweise Druckbegrenzungsventilen, Spülkreislauf, Kühlern, Filtern ausgeführt, wie sie bei herkömmlichen geschlossenen Kreisläufen eingesetzt werden. Eine Leckage lässt sich auf gleiche Weise ausgleichen, wie dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist.The hydraulic circuit containing the pump 44 and the hydraulic motor 42 is still performed with all conventional devices, such as pressure relief valves, rinse cycle, coolers, filters, as used in conventional closed circuits. Leakage can be compensated in the same way as conventional systems.
Prinzipiell können die Funktionen der einzelnen Druckräume des Aktivspeichers getauscht werden. So kann beispielsweise der Steuerraum 28 mit dem Arbeitsraum 24 vertauscht werden.In principle, the functions of the individual pressure chambers of the active storage can be exchanged. So can For example, the control chamber 28 are interchanged with the working space 24.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Kolben 12 einteilig ausgeführt, prinzipiell könnte dieser Kolben auch mehrteilig ausgelegt werden.In the above-described embodiment, the piston 12 is made in one piece, in principle, this piston could also be designed in several parts.
Figur 3 zeigt eine konkrete Anwendung der in Figur 1 dargestellten Seegangskompensationseinrichtung für einen die Last L bildenden Bohrstrang, wobei ein Bohrkopf von einem Schiff 62 aus auf den Meeresgrund abgelassen werden soll, um beispielsweise eine Meeresbodenprobe zu entnehmen oder nach Öl zu bohren. Beim konkreten Ausführungs- beispiel ist eine Hydraulikzylinderanordnung 2 durch zwei oder mehrere parallel geschaltete Hydraulikzylinder gebildet, wobei die Kolbenstangen 39 an einem auf dem Schiff 62 abgestützten Bohrgerüst 64 gelagert und die Last L (Bohrstrang) an den vertikal verschiebbaren Zylindern befestigt ist. Am Bohrgerüst 64 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lasermesseinrichtung 66 angeordnet, über die die Position des Schiffes erfassbar ist. Die Position der Zylinder 2 wird über Wegaufnehmer 68 erfasst.FIG. 3 shows a concrete application of the sea state compensation device shown in FIG. 1 for a drill string forming the load L, wherein a drill head is to be lowered from a ship 62 to the ocean floor in order, for example, to remove a seabed sample or to drill for oil. In the concrete embodiment example, a hydraulic cylinder arrangement 2 is formed by two or more hydraulic cylinders connected in parallel, wherein the piston rods 39 are mounted on a drilling stand 64 supported on the ship 62 and the load L (drill string) is fastened to the vertically displaceable cylinders. On the drill frame 64, a laser measuring device 66 is arranged in the illustrated embodiment, via which the position of the ship can be detected. The position of the cylinder 2 is detected by displacement transducer 68.
Figur 3 zeigt die wesentlichen Bauelemente der Regel- einheit zur Ansteuerung des Aktivzylinders 8, über den die Bewegungen, bzw. die Druckschwankungen an den Hydraulikzylindern 2 aufgrund des Seegangs aktiv ausgeglichen werden. Wie im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnt, wird die Last L, d.h. das Gewicht der Zylinder sowie des Bohrstranges durch den hydropneumatisehen Speicher 6 statisch abgestützt, indem der Gasdruck im Gasraum 22 und damit im Gasspeicher 32 entsprechend eingestellt ist. Die Einstellung des Gasdrucks im Gasspeicher 32 erfolgt über eine Gasdruckregeleinheit 70, über die der Gasspeicher 32 mit einem Vorratsspeicher 72 verbindbar ist, der wiederum über einen Kompressoranordnung 74 aufgeladen werden kann. Selbstverständlich kann der Gasspeicher 32 auch direkt über die Kompressoreinheit 74 und die Gasdruckregeleinheit 70 aufgeladen werden, wobei der Gasdruck in Abhängigkeit vom Gewicht des Bohrstranges und ggf. vom Seegang veränderbar ist.Figure 3 shows the essential components of the control unit for controlling the active cylinder 8, over which the movements, or the pressure fluctuations on the hydraulic cylinders 2 are actively compensated due to the sea state. As mentioned in connection with Figure 1, the load L, ie the weight of the cylinder and the drill string is statically supported by the hydropneumatic storage 6 by the gas pressure in the gas chamber 22 and thus in the gas storage 32 is set accordingly. The setting of the gas pressure in the gas reservoir 32 via a gas pressure regulating unit 70, via which the gas storage 32 with a storage 72nd is connectable, which in turn can be charged via a compressor assembly 74. Of course, the gas storage 32 can also be charged directly via the compressor unit 74 and the gas pressure control unit 70, wherein the gas pressure is variable depending on the weight of the drill string and possibly the sea state.
Die Druckmittelversorgung des Aktivzylinders 8, der Hydraulikzylinder 2 und des Arbeitsraumes 24 erfolgt über eine Verstellpumpe 76, über die Druckmittel aus einem Tank T angesaugt und in die Druckleitung 34 gefördert werden kann. Diese Druckleitung 34 ist über ein Hebeventil 78 mit einer mit der Pumpe 76 verbundenen Pumpenleitung 80 und über ein Senkenventil 82 mit einer mit dem Tank T verbundenen Tankleitung 84 verbindbar. Beide Ventile 78, 80 sind leckagefrei in eine Sperrstellung vorgespannt. Das Hebenventil 78 ist ein Schaltventil, während das Senkenventil 82 ein stetig verstellbares Wegeventil ist, bei dem eine Ablaufblende proportional verstellbar ist.The pressure medium supply of the active cylinder 8, the hydraulic cylinder 2 and the working chamber 24 via a variable displacement pump 76, can be sucked via the pressure medium from a tank T and conveyed into the pressure line 34. This pressure line 34 is connectable via a lifting valve 78 with a pump line 80 connected to the pump 76 and via a drain valve 82 with a tank line 84 connected to the tank T. Both valves 78, 80 are biased leak-free in a blocking position. The lifting valve 78 is a switching valve, while the lowering valve 82 is a continuously variable directional control valve, in which a drain aperture is proportionally adjustable.
Von der Pumpenleitung 80 zweigt eine Vorlaufleitung 86 und von der Tankleitung 84 eine Ablaufleitung 88 ab, die zu zwei Eingangsanschlüssen P, T eines proportional verstellbaren Aktivspeicherregelventils 90 führen. Zwei Arbeitsanschlüsse A, B des Aktivspeicherregelventils 90 sind über eine Zulaufleitung 92 und eine Ablaufleitung 94 mit den Arbeitsanschlüssen A bzw. B des Aktivzylinders 8 verbunden. Die Zulaufleitung 92 und die Ablaufleitung 94 können über ein Bypassventil 97 kurzgeschaltet werden, so dass der Aktivzylinder 8 dann wirkungslos ist und der Speicher 4 nur als passiver Speicher arbeitet. Über das proportional verstellbare Aktivspeicherregelventil 90 können die beiden Steuerräume 26, 28 des Aktivzylinders 8 in Abhängigkeit von der Schiffsbewegung mit Druckmittel beaufschlagt bzw. mit dem Tank T verbunden werden. Das Aktivspeicherregelventil 90 ist in seiner federvorgespannten Grundposition mit einer Schwimmstellung ausgeführt und lässt sich über proportional verstellbare Elektromagnete so verstellen, dass entweder der Steuerraum 26 oder der Steuerraum 28 mit der Verstellpumpe 76 verbunden ist, während das Druckmittel vom jeweils anderen Druckraum zum Tank T hin verdrängt wird.A feed line 86 branches off from the pump line 80 and a drain line 88 branches off from the tank line 84, leading to two input connections P, T of a proportionally adjustable active storage control valve 90. Two working ports A, B of the active storage control valve 90 are connected via a supply line 92 and a drain line 94 to the working ports A and B of the active cylinder 8. The supply line 92 and the drain line 94 can be switched via a bypass valve 97, so that the active cylinder 8 is then ineffective and the memory 4 only works as a passive memory. About the proportionally adjustable active storage control valve 90, the two control chambers 26, 28 of the active cylinder 8 in response to the ship movement with pressure medium be charged or connected to the tank T. The Aktivspeicherregelventil 90 is executed in its spring-biased home position with a floating position and can be adjusted via proportionally adjustable electromagnets so that either the control chamber 26 or the control chamber 28 is connected to the variable displacement 76, while the pressure medium from the other pressure chamber to the tank T displaces becomes.
Die Befüllung des Arbeitsraumes 24 des hydropneumati- schen Speichers 6 und der Ringräume 36 der Hydraulikzylinderanordnung 2 erfolgt über ein Füllregelventil 96, dessen einziger Arbeitsanschluss A über eine Füllleitung 98 mit einer Verbindungsleitung 100 zwischen dem Arbeitsraum 24 und der Druckleitung 34 verbunden ist. In dieser Verbindungsleitung 100 ist das vorbeschriebene Sperrventil 38 angeordnet, über das die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 24 und der Hydraulikzylinderanordnung 2 abgesperrt oder geöffnet werden kann. Ein Druckanschluss P des Füllregelventils 96 ist über eine Pumpenzweigleitung 102 mit der Pumpenleitung 80 und ein Tankanschluss T des Füllregelventils 96 über eine Tankzweigleitung 104 mit der Tankleitung 84 verbunden, in der des weiteren noch Einrichtungen zum Kühlen, Filtern, etc. des Druckmittels vorgesehen sind.The filling of the working space 24 of the hydropneumatic accumulator 6 and the annular spaces 36 of the hydraulic cylinder arrangement 2 takes place via a filling control valve 96 whose single working port A is connected via a filling line 98 to a connecting line 100 between the working space 24 and the pressure line 34. In this connection line 100, the above-described check valve 38 is arranged, via which the connection between the working space 24 and the hydraulic cylinder assembly 2 can be shut off or opened. A pressure port P of the Füllregelventils 96 is connected via a pump branch line 102 to the pump line 80 and a tank port T of the Füllregelventils 96 via a tank branch line 104 with the tank line 84, in which further means for cooling, filtering, etc. of the pressure medium are provided.
Zum besseren Verständnis sei im Folgenden das Absenken und Aufholen eines Bohrkopfes erläutert.For a better understanding, the lowering and catching up of a drill head are explained below.
In einer ersten Vorbereitungsphase wird der hydropneumatische Speicher 6 zunächst in eine Ausgangsposition verfahren und der Gasdruck im Gasraum 22 in Abhängigkeit vom Gewicht des Bohrstranges eingestellt, wobei diese Einstellung proportional zu dem zu erwartenden abzusenkenden Gewicht minus der auf den Bohrkopf wirkenden gewünschten Vorschubkraft eingestellt wird. Diese Einstellung des Aktivspeichers 8 erfolgt über das Füllregelventil 96, über das der Arbeitsraum 24 mit Druckmittel versorgt wird, während das Sperrventil 38, das Hebenventil 78, das Senkenventil 82 geschlossen sind und das Bypassventil 97 geöffnet ist, so dass die beiden Steuerräume 26 und 28 des Aktivzylinders 8 verbunden sind.In a first preparatory phase, the hydropneumatic accumulator 6 is first moved to a starting position and the gas pressure in the gas space 22 is set as a function of the weight of the drill string, this setting being set proportionally to the expected weight to be lowered minus the desired feed force acting on the drill head. These Setting of the active accumulator 8 via the filling control valve 96, via which the working space 24 is supplied with pressure medium, while the check valve 38, the lifting valve 78, the drain valve 82 are closed and the bypass valve 97 is opened, so that the two control chambers 26 and 28 of the Active cylinder 8 are connected.
In einer zweiten Phase wird der Bohrkopf zum Meeresboden abgesenkt. Dabei bleibt das Absperrventil 38 geschlossen und die Ventile 78 und 82 werden dazu verwendet, um durch Einfahren und Ausfahren der Hydraulikzylinderanordnung 2 das Zusammensetzen des Bohrstranges zu ermöglichen und den Bohrkopf abzusenken. Die Hydraulikzylinderanordnung 2 soll bei abgesenktem Bohrkopf so eingestellt sein, dass noch genügend Verfahrweg zur Seegangs- kompensation verbleibt. Während dieses Absenkvorganges können die Drücke im Gasraum 22 und im Arbeitsraum 24 noch entsprechend über das Füllventil 96 bzw. die Gasdruckregeleinheit 70 eingestellt werden, um das Gewicht des Bohrstrangs auszugleichen.In a second phase, the drill head is lowered to the seabed. The shut-off valve 38 remains closed and the valves 78 and 82 are used to allow by retracting and extending the hydraulic cylinder assembly 2, the assembly of the drill string and lower the drill head. When the drill head is lowered, the hydraulic cylinder arrangement 2 should be adjusted in such a way that there is still sufficient travel path for the sea state compensation. During this lowering process, the pressures in the gas space 22 and in the working space 24 can still be adjusted correspondingly via the filling valve 96 or the gas pressure regulating unit 70 in order to compensate for the weight of the drill string.
In dem Moment, in dem der Bohrkopf den Meeresboden erreicht, wird zunächst eine passive Seegangskompensation eingeschaltet, wobei der Lastdruck der Hydraulikzylinderanordnung 2 erfasst wird. Während dieser passiven Regelung werden die Ventile 78, 82 in ihre Sperrposition verfahren, das Aktivspeicherregelventil 90 ist noch in seiner Grundposition und das Sperrventil 38 ist geöffnet. Der Aktivspeicher 8 ist noch unwirksam, da das Bypassventil 97 noch in seiner Durchgangsstellung verbleibt.At the moment when the drill head reaches the seabed, a passive sea state compensation is first switched on, whereby the load pressure of the hydraulic cylinder arrangement 2 is detected. During this passive control, the valves 78, 82 are moved to their locked position, the active storage control valve 90 is still in its home position and the check valve 38 is open. The active storage 8 is still ineffective, since the bypass valve 97 still remains in its passage position.
Beim eigentlichen Bohren werden drei Methoden unterschieden-.In actual drilling, three methods are distinguished.
1. Beim sogenenannten Normalbohren wird der Bohrdruck passiv "geregelt" . Es werden Bohrdruckschwankungen aufgrund der Schiffsbewegungen und deshalb Zylinderbewegungen und Speicherkolbenbewegungen sowie Gasdruckschwankungen bewußt zugelassen. Bei dieser Bohrart ist der Aktivzylinder kurzgeschlossen, in dem das Bypassventil 97 in seine Durchgangsstellung und das Aktivspeieherregelventil 90 in seine Neutralstellung (Auf) gebracht werden.1. In so-called normal drilling, the drilling pressure is passively "regulated". There are drilling pressure fluctuations due to the ship movements and therefore cylinder movements and accumulator piston movements and gas pressure fluctuations deliberately allowed. In this type of drilling the active cylinder is short-circuited, in which the bypass valve 97 are brought into its passage position and the Aktivspeieherregelventil 90 in its neutral position (up).
2. Beim "verbesserten Normalbohren" werden die Bohrdruckschwankungen und entsprechend Drehmoment- und DrehgeschwindigkeitsSchwankungen und der2. "Improved normal drilling" is the Bohrdruckschwankungen and according to torque and rotational speed fluctuations and the
Bohrkopfverschleiß sowie ein Bohrkopfabheben reduziert oder weitestgehend vermieden, in dem der Druck im Arbeitsraum 24 oder, bevorzugt, im Ringraum 36 konstant gehalten wird. Dies erfolgt durch eine Druckregelung des Aktivzylinders 8, wobei das Bypassventil 97 in seine Sperrstellung gebracht wird und das Aktivspeicherregelventil 90 auf der Basis eines geeigneten Regelprozesses so angesteuert wird, dass der Druck in den genannten Druckräumen 24 oder, 36 praktisch konstant bleibt .Drill head wear and a Bohrkopfabheben reduced or largely avoided, in which the pressure in the working chamber 24 or, preferably, in the annular space 36 is kept constant. This is done by a pressure control of the active cylinder 8, wherein the bypass valve 97 is brought into its blocking position and the Aktivspeicherregelventil 90 is driven on the basis of a suitable control process so that the pressure in said pressure chambers 24 or, 36 remains practically constant.
3. Beim sogenannten "Kernbohren" werden mit einem am Bohrstrang befestigten Sondergerät Bodenproben gebohrt. Bei diesem Vorgang müssen die Positionen mit relativ hoher Genauigkeit geregelt werden, um den Seegang und eventuelle Schiffsbewegungen zu kompensieren. Das Gesamtgewicht des Bohrstrangs wird, wie bereits erläutert, in etwa durch den Gasdruck im Gasraum 22 kompensiert. Die Position der Hydraulikzylinder 2 wird durch den Aktivzylinder 8 so geregelt, dass die Schiffsbewegung kompensiert wird, dabei befindet sich das Bypassventil 97 in seiner Sperrstellung und das Aktivspeicherregelventil 90 wird entsprechend geregelt. Nach der Beendigung des Bohrvorgangs wird der Bohrkopf aus dem Boden herausgzogen und angehoben. Dieses Herausziehen kann im Prinzip ebenfalls nach den drei vorbeschriebenen Methoden erfolgen. In dem Fall, in dem ein kontinuierliches Herausziehen des Bohrkopfs oder des daran angebauten Geräts gewünscht wird, kann die aktive Seegangskompensationsregelung in eine Positionsregelung umgeschaltet werden, um die Schiffsbewegungen auszugleichen.3. In so-called "core drilling", soil samples are drilled using a special device attached to the drill string. In this process, the positions must be controlled with relatively high accuracy to compensate for the sea state and possible ship movements. The total weight of the drill string is, as already explained, compensated approximately by the gas pressure in the gas space 22. The position of the hydraulic cylinder 2 is controlled by the active cylinder 8 so that the ship's motion is compensated, while the bypass valve 97 is in its blocking position and the active storage control valve 90 is controlled accordingly. After completion of the drilling operation, the drill head is pulled out of the ground and lifted. This extraction can also be done in principle according to the three methods described above. In the case where continuous extraction of the drill bit or the attached equipment is desired, the active swell compensation control can be switched to a position control to compensate for the ship movements.
Dieses geregelte Herausziehen des Bohrkopfes aus dem Boden erfolgt dadurch, dass über das Füllregelventil 96 bei geöffnetem Bypassventil 97 Druckmittel in die Ringräume 36 der Hydraulikzylinderanordnung 2 gefördert wird, so dass der Bohrkopf mit konstanter Geschwindigkeit aus dem Boden herausgezogen wird. Wie gesagt, erfolgt dabei eine aktive Seegangskompensation mittels der Einstellung des Aktivspeicherregelventils 90, über das der zur Seegangskompensation erforderliche Druck in den Steuerräumen 26, 28 eingestellt wird, um den Bohrkopf mit konstanter Geschwindigkeit aus dem Boden heraus zu ziehen.This controlled extraction of the drill head from the ground is effected in that via the fill control valve 96 when the bypass valve 97 is open, pressure medium is conveyed into the annular spaces 36 of the hydraulic cylinder arrangement 2, so that the drill head is pulled out of the ground at a constant speed. As mentioned, an active sea state compensation takes place by means of the setting of the active storage control valve 90, via which the pressure required for sea state compensation in the control chambers 26, 28 is adjusted in order to pull the drill head out of the ground at a constant speed.
Nachdem der Bohrkopf aus dem Boden heraus gezogen ist, kann über die vorbeschriebenen Regelungsarten verhindert werden, dass dieser in unkontrollierter Weise angehoben wird. Der Zeitpunkt des Herausziehens des Bohrkopfes aus dem Boden kann sehr einfach erfasst werden, da dann die erforderliche Auszugskraft schlagartig absinkt. Um eine Kollision des Bohrkopfes mit dem Boden zu verhindern, wird dieser dann vergleichsweise schnell in einen Abstand zum Boden gebracht. Sobald der Kolben 12 des Aktivspeichers seine voreingestellte Ausgangsposition erreicht hat, wird dieAfter the drill head is pulled out of the ground, can be prevented on the above-described types of control that this is raised in an uncontrolled manner. The time of extraction of the drill head from the ground can be very easily detected, since then the required pull-out force drops abruptly. In order to prevent a collision of the drill head with the ground, this is then brought relatively quickly in a distance to the ground. Once the piston 12 of the active storage has reached its default starting position, the
Seegangskompensation abgeschaltet, dabei wird das Sperrventil 38 geschlossen und das Füllregelventil 96 sowie wie das Aktivspeicherregelventil 90 in ihre Grundpositionen zurück verfahren. Das Bypassventil 97 wird in seine Durchgangsstellung gebracht, so dass der Aktivzylinder 8 abgeschaltet ist. Die beiden Ventile 78, 82 bleiben geschlossen.Seegangskompensation off, while the check valve 38 is closed and the filling control valve 96 and how the Aktivspeicherregelventil 90 in their Move back to basic positions. The bypass valve 97 is brought into its passage position, so that the active cylinder 8 is turned off. The two valves 78, 82 remain closed.
Anschließend wird der Bohrstrang abgebaut und der Bohrkopf dabei zurück zum Schiff angehoben. Während dieses Anhebens bleibt das Sperrventil 38 geschlossen, das Bypassventil 97 ist geöffnet und die beiden Regel- ventile 96, 90 befinden sich weiterhin in ihrer Grundposition. Während des Anhebens des Bohrkopfes und der Demontage des Bohrstranges erfolgt das erforderliche Anheben und Absenken des an den Zylindermänteln der Hydraulikzylinderanordnung 2 befestigten, den Bohrstrang tragenden Führungsbalken über das Hebenventil 78 bzw. das Senkenventil 82. Dabei kann der Gasdruck im Gasraum 22 wieder über die Gasdruckregeleinheit 70 an das sich verringernde Gewicht des Bohrstranges angepasst werden.The drill string is then removed and the drill head is raised back to the ship. During this lifting, the check valve 38 remains closed, the bypass valve 97 is open and the two control valves 96, 90 are still in their basic position. During the lifting of the drill head and the disassembly of the drill string, the required raising and lowering of the attached to the cylinder jackets of the hydraulic cylinder assembly 2, the drill string carrying guide bar via the lifting valve 78 and the drain valve 82. In this case, the gas pressure in the gas chamber 22 again via the gas pressure regulating unit 70 adapted to the decreasing weight of the drill string.
Offenbart ist eine Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System) , bei dem die Kompensation einer durch den Seegang erzeugten Relativbewegung einer Last mit Bezug zu einer Sollposition über einen passiven hydropneumatisehen Speicher und einen aktiv geregelten Aktivzylinder erfolgt. Erfindungsgemäß ist der Aktivzylinder in den hydropneumatisehen Speicher integriert, so dass die Kompensationseinrichtung äußerst kompakt und einfach aufgebaut ist. Bezugszeichenliste:Disclosed is a Seegangskompensationseinrichtung (Heave Compensation System), in which the compensation of a generated by the sea relative movement of a load with respect to a desired position via a passive hydropneumatic storage and an actively controlled active cylinder takes place. According to the invention, the active cylinder is integrated in the hydropneumatic accumulator, so that the compensation device is constructed extremely compact and simple. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Seegangskompensationseinrichtung1 sea state compensation device
2 Hydraulikzylinder2 hydraulic cylinders
4 Kompensationssystem4 compensation system
6 hydropneumatischer Speicher6 hydropneumatic storage
8 Aktivzylinder8 active cylinders
10 Zylindergehäuse10 cylinder housing
12 Kolben12 pistons
14 Kolbenbund14 piston collar
16 Kolbenbund16 piston collar
18 Kolbensteg18 piston ridge
20 Gehäusetrennwand20 housing partition
22 Gasräum22 gas room
24 Arbeitsräum24 workroom
26 Steuerräum26 tax area
28 Steuerräum28 tax area
30 Gasleitung30 gas line
32 Gasspeicher32 gas storage
34 Druckleitung34 pressure line
35 Differentialkolben35 differential pistons
36 Ringraum36 annulus
38 Sperrventil38 check valve
40 Winde40 winds
42 Hydromotor42 hydraulic motor
44 Verstellpumpe44 variable pump
46 Ringbund46 ring collar
47 Hochdruckleitung47 high pressure line
48 1. Kolbensteg48 1. Piston ridge
49 Saugleitung49 suction line
50 2. Kolbensteg50 2nd piston ridge
52 1. Gehäusetrennwand52 1. Housing partition
54 2. Gehäusetrennwand54 2. Housing partition
56 weiterer Arbeitsraum56 more working space
58 Raum58 room
60 Niederdruckleitung Schiff Bohrgerüst Lasermesseinrichtung Wegaufnehmer Gasdruckregeleinheit Vorratsspeicher Kompressoreinheit Pumpe Hebenventil Pumpenleitung Senkenventil Tankleitung Vorlaufleitung Ablaufleitung Aktivspeicherregelventil Zulaufleitung Ablaufleitung Füllregelventil Bypassventil Füllleitung Verbindungsleitung Pumpenzweigleitung Tankzweigleitung 60 low pressure line Ship Drilling rig Laser measuring device Displacement sensor Gas pressure regulating unit Storage tank Compressor unit Pump Lifting valve Pump line Sink valve Tank line Supply line Drain line Active storage control valve Inlet line Drain line Fill control valve Bypass valve Fill line Connecting line Pump branch line Tank branch line

Claims

Patentansprüche claims
1. Hydraulische Seegangskompensationseinrichtung zum Ausgleich von durch Seegang verursachten Relativbewegungen zwischen einer Last (L) und einer Zielposition, mit einem KompensationsSystem (4) , das einen die Last (L) abstützenden hydropneumatisehen Speicher (6) und eine damit in Wirkverbindung stehende Aktivzylindereinrichtung (8) aufweist, die zwei Steuerräume (26, 28) hat, die zumA hydraulic sea state compensating device for compensating for relative movements between a load (L) and a target position caused by sea conditions, comprising a compensation system (4) having a hydropneumatic accumulator (6) supporting the load (L) and an active cylinder device (8) operatively connected thereto ) having two control spaces (26, 28) connected to
Betätigen der Aktivzylindereinrichtung (8) mit einem Druck beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivzylindereinrichtung (8) in den hydropneumatischen Speicher (6) integriert ist, wobei eine gemeinsame Kolbenanordnung (12) in einem gemeinsamen Zylindergehäuse (10) aufgenommen ist, das mit seinen beidseitigen Gehäusestirnflächen und benachbarten Kolbenbodenflächen jeweils einen Druckraum begrenzt, von denen einer ein Gasraum (22) des hydropneumatischen Speichers (6) ist.Actuating the active cylinder device (8) can be acted upon with a pressure, characterized in that the active cylinder device (8) in the hydropneumatic accumulator (6) is integrated, wherein a common piston assembly (12) in a common cylinder housing (10) is accommodated with its two-sided housing end faces and adjacent piston bottom surfaces bounded in each case a pressure chamber, one of which is a gas space (22) of the hydropneumatic accumulator (6).
2. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 1, mit einem Hydraulikzylinder (2) zum Verfahren der Last (L) , der zumindest einen Druckraum (36) hat, der über eine Druckleitung (34) mit dem zweiten, einen Arbeitsraum (24) ausbildenden Druckraum im Zylindergehäuse verbunden ist .2. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 1, comprising a hydraulic cylinder (2) for moving the load (L) having at least one pressure chamber (36) via a pressure line (34) with the second, a working space (24) forming the pressure chamber in the cylinder housing connected is .
3. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 2, wobei die Kolbenanordnung (12) zwei endseitige, die Kolbenbodenflächen ausbildende Kolbenbünde (14, 16) hat, die von einem Kolbensteg (18) verbunden sind, der eine Gehäusetrennwand (20) dichtend durchsetzt, so dass durch die Ringstirnflächen der Kolbenbünde (14, 16) einerseits und die Gehäusetrennwand (20) andererseits die beiden Steuerräume (26, 28) des Aktivzylinders (8) begrenzt sind.3. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 2, wherein the piston assembly (12) has two end, the piston bottom surfaces forming piston collars (14, 16), which are connected by a piston web (18) which passes through a housing partition (20) sealingly, so that through the Ring end faces of the piston collars (14, 16) on the one hand and the housing partition (20) on the other hand the both control spaces (26, 28) of the active cylinder (8) are limited.
4. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 3, wobei an den beiden Kolbenbünden (14, 16) und der Gehäusetrennwand (20) Dichtungen angeordnet sind.4. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 3, wherein at the two piston collars (14, 16) and the housing partition wall (20) seals are arranged.
5. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 1, mit einer von einem Hydromotor (42) angetriebenen, die Last (L) abstützenden Winde (40) , wobei eine Druckseite des Hydromotors (42) mit einem Arbeitsraum5. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 1, with one of a hydraulic motor (42) driven, the load (L) supporting the winch (40), wherein a pressure side of the hydraulic motor (42) having a working space
(24) im Zylindergehäuse verbunden ist.(24) is connected in the cylinder housing.
6. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 5, wobei die Kolbenanordnung (12) zwei endseitige Kolbenbünde (14, 16) und einen mittleren Ringbund (46) hat, die über zwei Kolbenstege (48, 50) miteinander verbunden sind, die jeweils eine Gehäusetrennwand (52, 54) durchsetzen, so dass durch eine Gehäusetrennwand (52) und die benachbarten Ringstirnflächen der Kolbenanordnung6. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 5, wherein the piston assembly (12) has two end piston collars (14, 16) and a central annular collar (46), which via two piston webs (48, 50) are interconnected, each having a housing partition (52, 54) pass through, so that by a housing partition (52) and the adjacent annular end faces of the piston assembly
(12) die beiden Steuerräume (26, 28) des Aktivzylinders (8) und durch die weitere Gehäusetrennwand (54) und die benachbarten Ringstirnflächen der Arbeitsraum (24) und ein weiterer Arbeitsraum (56) begrenzt sind.(12) the two control chambers (26, 28) of the active cylinder (8) and by the further Gehäusetrennwand (54) and the adjacent annular end faces of the working space (24) and a further working space (56) are limited.
7. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 8, wobei der vom Gasraum (22) entfernte Druckraum (58) mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist.7. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 8, wherein the from the gas space (22) remote pressure chamber (58) is acted upon by ambient pressure.
8. Seegangskompensationseinrichtung nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, wobei der Hydromotor (42) mit konstantem oder variablem Verdrängungsvolumen ausgeführt ist .8. Seegangskompensationseinrichtung according to one of the claims 5 to 7, wherein the hydraulic motor (42) is designed with a constant or variable displacement volume.
9. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 8, wobei der Hydromotor (42) in einem geschlosse- nen oder auch offenen Druckmittelkreislauf angeordnet ist.9. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 8, wherein the hydraulic motor (42) in a closed NEN or open pressure fluid circuit is arranged.
10. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 9, erste Alternative, wobei eine Pumpe (44) mit variablem Fördervolumen von einem Elektromotor (M) angetrieben ist und ein Sauganschluss (S) der Pumpe (44) über eine Saugleitung (49) mit einem Niederdruckanschluss (T) des Hydromotors (42) sowie ein Druckanschluss (P) der Pumpe über eine Hochdruckleitung (47) mit einem Druckanschluss (P1) des Hydromotors (42) verbunden ist.10. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 9, the first alternative, wherein a pump (44) with a variable displacement of an electric motor (M) is driven and a suction port (S) of the pump (44) via a suction line (49) with a low-pressure connection (T) the hydraulic motor (42) and a pressure port (P) of the pump via a high pressure line (47) with a pressure port (P 1 ) of the hydraulic motor (42) is connected.
11. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 10, wobei der Arbeitsraum (24) über eine Druckleitung (34) mit der Hochdruckleitung (47) und der weitere Arbeitsraum (56) über eine Niederdruckleitung (60) mit der Saugleitung (49) verbunden sind.11. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 10, wherein the working space (24) via a pressure line (34) to the high pressure line (47) and the further working space (56) via a low pressure line (60) to the suction line (49) are connected.
12. Seegangskompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Kolbenbünde12. Seegangskompensationseinrichtung according to any one of the preceding claims, wherein the piston collars
(14, 16) bzw. Kolbenstege (48, 50) mit jeweils unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt sind.(14, 16) and piston webs (48, 50) are each designed with different diameters.
13. Seegangskompensationseinrichtung nach einem der Patentansprüche 5 bis 12, wobei die beiden Steuerräume (26, 28) mittels eines Bypassventils (97) verbindbar oder vom Hydromotorkreislauf trennbar sind.13. Seegangskompensationseinrichtung according to one of the claims 5 to 12, wherein the two control chambers (26, 28) by means of a bypass valve (97) are connectable or separable from the hydraulic motor circuit.
14. Seegangskompensationseinrichtung nach Patentanspruch 2 oder 11, wobei in der Druckleitung (34) oder den Hochdruck-/Saugleitungen (47, 49) schnell schaltende Sperrventile (38) angeordnet sind. 14. Seegangskompensationseinrichtung according to claim 2 or 11, wherein in the pressure line (34) or the high-pressure / suction lines (47, 49) fast-switching shut-off valves (38) are arranged.
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