JP6681376B2 - ジャイロ式ハングオフシステム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、すべての目的上参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２０１６年１０月２１日に出願した米国特許仮出願第６２／４１０，８７２号の利得を請求する。

海洋掘削及び生産作業では、海洋プラットフォームへの、油、ガス、鉱物又は海中にある他の堆積物の制御されたルーティング(routing)を容易にする一連の（a column of）パイプをよく用いる。パイプは、順次的に端と端が接続されてライザーストリング(riser string)を形成する、ライザーパイプ(riser pipe)であってよい。海洋プラットフォームは、固定プラットフォーム（例えば、掘削若しくは採鉱リグ）、又は浮動プラットフォーム（例えば、船舶）であってよい。ライザーストリングの下側端部は、海底採鉱ユニットを含む海中掘削若しくは生産設備、又は他の関連する海中設備に連結されてよく、ライザーストリングの上側端部は、海面よりも上に配置された支持構造によって支持される。典型的には、ライザーストリングは、海洋プラットフォームに据え付けられたロータリーテーブルの開口に嵌合されたスパイダによって支持される。スパイダは、スリップボウルを含むことができる。スリップボウル内には、スリップが、把持されるべきライザーストリングのセクション（例えば、ライザーパイプ）を囲繞するように周辺に分配されている。

海中作業において展開されるライザーストリングは、所望の作業深さに応じて、ライザー継手（又はライザージョイント）によって順次に連結される何百もの鉛直管を含むことができる。海洋作業環境では、必然的に、ライザーストリングは非常に大きな機械的応力に曝される。例えば、船舶を含む海洋浮動プラットフォームによって支持されているライザーストリングは、悪天候又は海況の悪いときに強い波及び潮流の力によって引き起こされるプラットフォームのピッチ及びローリングの運動により、繰り返しの屈曲応力及び引張衝撃荷重に曝される。これらの過度の機械的応力は、ライザーストリングの設置又は動作の間に起こることがあり、例外なく、応力に関連した材料疲労破壊を引き起こすことになる。

したがって、ライザーストリングの信頼性及び性能を改善するために海中作業中にライザーストリングに作用する繰り返し応力を緩和することができる支持構造を提供することが望ましい。

本開示の実施形態は、一般に、海中掘削及び生産作業を容易にする枢動支持システムに関する。一実施形態では、ジンバルアセンブリが開示される。ジンバルアセンブリは、その中を通る通路を有するジンバルフレームを備える。第１のジンバルモジュールは、ジンバルフレームの通路内に同心配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、第１のジンバルモジュールの通路内に同心配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、ジンバルフレーム及び第１のジンバルモジュールを越えて上方に延伸する。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの上方に延伸して突出している。

他の実施形態では、枢動ハングオフシステムが開示される。ハングオフシステムは、その中を通る通路を有するジンバルフレームを備える。第１のジンバルモジュールは、ジンバルフレームの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、第１のジンバルモジュールの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、ジンバルフレーム及び第１のジンバルモジュールを越えて上方に延伸する。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの上方に延伸して突出している。シャフトカラーを備える管状部材は、管状部材の外周面に着脱可能に締結され、管状部材は、第２のジンバルモジュールの通路内に摺動可能に取り付けられる。シャフトカラーは、アダプタスリーブ上に着座される。

さらに他の実施形態では、海中の天然資源を得るためのシステムが開示される。システムは、ジンバルアセンブリによって動的に支持される一連のパイプを備える。ジンバルアセンブリは、その中を通る通路を有するジンバルフレームを備える。第１のジンバルモジュールは、ジンバルフレームの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、第１のジンバルモジュールの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。第２のジンバルモジュールは、ジンバルフレーム及び第１のジンバルモジュールを越えて上方に延伸する。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの通路内に配置され、その中を通る通路を備える。アダプタスリーブは、第２のジンバルモジュールの上方に延伸して突出している。シャフトカラーは、一連のパイプに着脱可能に締結される。一連のパイプは、第２のジンバルモジュールの通路内に摺動可能に取り付けられる。シャフトカラーは、アダプタスリーブに係合する。一連のパイプは、海洋プラットフォームから海面下へと延伸し、海中の天然資源の制御されたルーティングを促進する。

本明細書に開示される実施形態の上記及びその他の利点及び特徴は、以下の説明及び添付の図面を参照すればより明らかになるであろう。さらに、本明細書に記載される様々な実施形態の特徴は、相互に排他的ではなく、様々な組み合わせ及び変形で存在することができると理解されたい。

図面において、全体的に、同様の参照符号は、異なる図面を通して同じ部材を示す。さらに、図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、全体的に、本開示の原理を示すところが強調されている。以下の説明では、以下の図面を参照して、本開示の様々な実施形態を述べる。
ジンバルアセンブリの一実施形態の斜視図である。 図１ａのジンバルアセンブリの上面図である。 図１ｂに示される面Ｂ−Ｂに沿った図１ａのジンバルアセンブリの断面図である。 図１ｃの細部域Ａの拡大図である。 図１ｂに示される面Ｃ−Ｃに沿った図１ａのジンバルアセンブリの断面図である。 図１ｅの細部域Ｂの拡大図である。 枢動ハングオフシステムの一実施形態の斜視図である。 図２ａの枢動ハングオフシステムの上面図である。 図２ｂに示される面Ｇ−Ｇに沿った図２ａの枢動ハングオフシステムの断面図である。 図２ｂに示される面Ｈ−Ｈに沿った図２ａの枢動ハングオフシステムの断面図である。 例示的な適用例における図２ａの枢動ハングオフシステムの複数の図である。

以下の説明は、本発明の様々な実施形態を対象とする。以下の説明は、広範な用途を有し、任意の実施形態の討論は、その実施形態の例示のみを意味しており、したがって、特許請求の範囲を含む本開示の範囲の限定としてみなされる、又は別のやり方で使用されるべきではないと理解されよう。

本開示の実施形態は、一般的に、海中掘削、生産及び／又は採掘作業のための動的ハングオフシステムに関する。より詳細には、いくつかの実施形態は、海洋浮動プラットフォームから下方に延伸した１又は２以上の管状部材を動的に支持するのに用いられる応力緩衝装置に関する。一実施形態では、応力緩衝装置は、管状部材のストリング（又は柱）を枢動的に支持することに用いられる。例えば、応力緩衝装置は、ライザーパイプ及び他の関連の海中設備を含む直列に連結された複数の鉛直管のためのフレキシブルなハングオフポイントをもたらす。応力緩衝装置は、ジャイロ式装置であってよい。例えば、応力緩衝装置は、第２のジンバルモジュールに回転可能に接続された第１のジンバルモジュールを有するジンバルアセンブリを含む。一実施形態では、ジンバルアセンブリは、海面下に下方に延伸した管状部材のストリングを吊り下げるように、海面よりも上方に配置される。例えば、ジンバルアセンブリは、海中作業の間に非常に大きな機械的応力に曝されることを緩和するように、支持される管状部材にコンプライアント（compliant）支持構造を与えるように、船舶上を含めて海中に据え付けることができる。リグ（例えば、石油及びガスリグ）を含む他のタイプの海洋プラットフォームにジンバルアセンブリを展開することも有用であり得る。

図１ａ〜１ｆは、本開示の１又は２以上の実施形態によるジンバルアセンブリ１００の複数の図である。具体的には、図１ａは、ジンバルアセンブリ１００の斜視図であり、図１ｂは、ジンバルアセンブリ１００の上面図であり、図１ｃは、図１ｂに示される面Ｂ−Ｂに沿ったジンバルアセンブリ１００の断面図であり、図１ｄは、図１ｃの細部域Ａの拡大図であり、図１ｅは、図１ｂの面Ｃ−Ｃに沿ったジンバルアセンブリ１００の断面図であり、図１ｆは、図１ｅの細部域Ｂの拡大図である。

図示のように、ジンバルアセンブリ１００は、その中を通る通路１０７を含む第１の円形部材１０５を含む。第１の円形部材１０５は、ジンバルアセンブリを収容するツール本体であってよい。例えば、第１の円形部材１０５は、ジンバルハウジング又はフレーム（以降、「ハウジング」）を画定する。一実施形態ではハウジング１０５は、海洋プラットフォーム上にある従来の支持構造（図示せず）に連結するように構成される。ハウジング１０５は、例えば、船舶に据え付けられたロータリーテーブルスパイダのスリップボウルに取り付けられるように構成される。リング形のハウジング１０５が図示されているが、ハウジングは、設計要件に応じて、中に通路を含むあらゆる適当な形状を含むことができると理解されたい。

一実施形態では、ハウジング１０５は、その中を通る通路を含む第２の円形部材１２０を取り囲む。第２の円形部材１２０は、例えば、ハウジング１０５よりも小さな環状寸法を備え、ハウジング１０５の通路内に同心配置される。第２の円形部材１２０は、ハウジング１０５に回転可能に接続され、ジンバルアセンブリ１００の外側ジンバルモジュールを画定する。外側ジンバルモジュール１２０及びハウジング１０５の他の構造も有用であり得る。リング形の外側ジンバルモジュール１２０が図示されているが、外側ジンバルモジュール１２０は、設計要件に応じて、その中に通路を含むあらゆる適当な形状を含むことができると理解されたい。外側ジンバルモジュール１２０は、外側ジンバルリングと呼ぶことができる。

ジンバルアセンブリ１００は、外側ジンバルモジュール１２０の通路内に同心配置される内側ジンバルモジュール１３０を含む。例えば、内側ジンバルモジュール１３０は、外側ジンバルモジュール１２０よりも小さな環状寸法を備える。内側ジンバルモジュール１３０は、中に延伸した通路１３２を有する細長い環状部材であってよい。一実施形態では、内側ジンバルモジュールは、外側ジンバルモジュール１２０の上方に部分的に露出する。例えば、内側ジンバルモジュール１３０は、外側ジンバルモジュール１２０の通路内に配置される下側部分１３０Ｌと、外側ジンバルモジュール１２０の上方に突出した上側部分１３０Ｕとを含む。内側ジンバルモジュール１３０は、外側ジンバルモジュール１２０に回転可能に接続される。外側ジンバルモジュール１２０及び内側ジンバルモジュール１３０の他の構造も有用であり得る。管状形状の内側ジンバルモジュール１３０が図示されているが、内側ジンバルモジュール１３０は、設計要件に応じて、その中に通路を含むあらゆる適当な形状を含むことができると理解されたい。内側ジンバルモジュール１３０は、内側ジンバルリングと呼ぶことができる。

内側ジンバルモジュール１３０の下側部分１３０Ｌは、外側ジンバルモジュール１２０に接続されるように構成され、内側ジンバルモジュール１３０の上側部分１３０Ｕは、アダプタスリーブ１４０を収容するように構成される。一実施形態では、アダプタスリーブ１４０は、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２内に取り付けられる円形部材である。アダプタスリーブ１４０は、例えば、中に延伸した通路１４２を含む。アダプタスリーブ１４０の通路１４２は、以下で詳細に述べるように、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２に直接隣接して連通し、１又は２以上の管状部材が摺動可能に取り付けられるジンバルアセンブリスロットを画定する。ジンバルアセンブリ１００は、中に画定される中心軸線Ｌ１を含む。ジンバルアセンブリ１００の様々な要素は、具体的に図１ｃ〜１ｄに示されるように、その中心軸線Ｌ１に沿って及び／又はその周りに径方向に形成される。ジンバルアセンブリの中心軸線Ｌ１は、ジンバルアセンブリスロットの中心を通って垂直方向に延伸する。

図１ｃ〜１ｄを参照すると、ハウジング１０５を含むジンバルアセンブリ１００内には、複数のジンバル枢動軸取付アパーチャ（以降、「枢動アパーチャ」）が配置されている。例えば、複数の枢動アパーチャは、ハウジング１０５、外側ジンバルモジュール１２０、及び内側ジンバルモジュール１３０の下側部分１３０Ｌの中に延伸する。一実施形態では、複数の枢動アパーチャは、ハウジング１０５及び外側ジンバルモジュール１２０内に配置されている第１のタイプの枢動アパーチャと、外側ジンバルモジュール１２０及び内側ジンバルモジュール１３０の下側部分１３０Ｌ内に配置されている第２のタイプの枢動アパーチャとを含む。例えば、ハウジング１０５の第１のタイプの枢動アパーチャは、外側ジンバルモジュール１２０の第２のタイプの枢動アパーチャと位置合わせし、外側ジンバルモジュール１２０の第１のタイプの枢動アパーチャは、内側ジンバルモジュール１３０の第２のタイプの枢動アパーチャと位置合わせされている。

第１及び第２のタイプの枢動アパーチャは、内側ジンバルモジュール１３０を外側ジンバルモジュール１２０に回転可能に接続し、外側ジンバルモジュール１２０をハウジング１０５に回転可能に接続する、枢動コネクタを受容するように構成される。一実施形態では、枢動コネクタは、Ｔ字形の構造プロファイルを含む。枢動コネクタは、例えば、軸方向に細長い環状本体（又はステム）を含む。この環状本体は、その一端から延伸した径方向拡大フランジ（又はカラー）を有する。枢動コネクタは、例えば、枢動ピン又はボルトを含む。枢動連結をもたらすのに他のタイプのコネクタを使用することもできる。

一実施形態では、第１の対の枢動ピン１１４は、具体的に図１ｃ及び１ｄに示されるように、互いに対して正反対に、第１及び第２のタイプの枢動アパーチャ内に配置される。第１の対の枢動ピン１１４は、例えば、ハウジング１０５の第１のタイプの枢動アパーチャの中を延伸してハウジング１０５の通路１０７を横切り、外側ジンバルモジュール１２０の第２のタイプの枢動アパーチャに着脱可能に係合する。枢動ピン１１４のフランジ形端部すなわちカラー１１４ｃは、第１のタイプの枢動アパーチャ内に、ハウジング１０５の外周面に近接して配置される。枢動ピン１１４のステム１１４ｓは、枢動ピン１１４の軸周りにおける外側ジンバルモジュール１２０の回転のためにハウジング１０５及び外側ジンバルモジュール１２０に着脱可能に係合するように、第１の水平軸に沿って内方に延伸する。第１の対の枢動ピン１１４は、ジンバルアセンブリ１００の第１の回転軸Ｒ１を画定し、外側枢動ピンと呼ぶことができる。

一実施形態では、第２の対の枢動ピン１２４は、具体的に図１ｅ及び１ｆに示されるように、互いに対して正反対に、第１及び第２のタイプの枢動アパーチャ内に配置される。第２の対の枢動ピン１２４は、例えば、外側ジンバルモジュール１２０の第１のタイプの枢動アパーチャの中を延伸して外側ジンバルモジュール１２０の通路を横切り、内側ジンバルモジュール１３０の下側部分１３０Ｌの第２のタイプの枢動アパーチャに着脱可能に係合する。枢動ピン１２４のフランジ形端部すなわちカラー１２４ｃは、第１のタイプの枢動アパーチャ内に、外側ジンバルモジュール１２０の外周面に近接して配置される。枢動ピン１２４のステム１２４ｓは、枢動ピン１２４の軸周りにおける内側ジンバルモジュール１３０の回転のために外側及び内側ジンバルモジュール１２０及び１３０に着脱可能に係合するように、第１の水平軸に沿って内方に延伸する。第２の対の枢動ピン１２４は、ジンバルアセンブリ１００の第２の回転軸Ｒ２を画定し、内側枢動ピンと呼ぶことができる。

一実施形態では、内側及び外側枢動ピン１１４及び１２４は、実質的に同じ軸（すなわち横断）平面に対して位置合わせされる。各外側枢動ピン１１４は、例えば、第１の回転軸Ｒ１がジンバルアセンブリ１００の第２の回転軸Ｒ２に対して垂直になるように、各内側枢動ピン１２４から約９０度（９０°）に配置される。第１の回転軸Ｒ１は、ジンバルアセンブリ１００の横軸に対応することができ、第２の回転軸Ｒ２は長手方向軸に対応することができる。第１及び第２の回転軸の他の指定も有用であり得る。例えば、Ｒ１が長手方向軸に対応し、Ｒ２が横軸に対応することも有用であり得る。第１及び第２の対の枢動ピン１１４及び１２４は、同じ軸平面の周りに位置合わせされるように図示されているが、それらは、本発明の趣旨から逸脱することなく、異なる軸平面上に配置されてもよいと理解されたい。

外側及び内側枢動ピン１１４及び１２４は、高い耐圧縮荷重能力をもたらすように構成される。一実施形態では、外側及び内側枢動ピン１１４及び１２４は、所望の耐圧縮荷重能力をもたらすのに十分な環状寸法（すなわち太さ）を備える。例えば、外側及び内側枢動ピン１１４及び１２４は、所望の定格荷重によって定められる（defined）、同じ又は類似の環状寸法を備える。異なる環状寸法の外側枢動ピン及び内側枢動ピンも有用であり得る。一実施形態では、外側枢動ピン１１４は、内側枢動ピン１２４よりも長い軸方向寸法を備える。外側及び内側枢動ピン１１４及び１２４は、例えば、対応する枢動アパーチャの実質的に全長を横断するのに十分な軸方向寸法（すなわち長さ）を備える。設計要件に応じて、内側及び外側枢動ピンの他の構造も有用であり得る。

図示のように、ジンバルアセンブリ１００の第１及び第２のタイプの枢動アパーチャは、枢動ピン１１４及び１２４が対応する枢動アパーチャ内に完全に着座されるように、枢動ピンを収容するように構成される。例えば、第１及び第２のタイプの枢動アパーチャは、枢動コネクタのプロファイルに対応できるように異なる構造を含むことができる。枢動コネクタのプロファイルに応じて、第１及び第２のタイプの枢動アパーチャを同じ構造にすることも有用であり得る。その場合、ハウジング１０５及び外側ジンバルモジュール１２０にある第１のタイプの枢動アパーチャは、第１のタイプの枢動アパーチャの中に延伸した円筒形ボアに隣接してそれと連通する浅い径方向溝付きで形成される。浅い径方向溝は、例えば、第１のタイプの枢動アパーチャに枢動ピンのカラー１１４ｃ及び１２４ｃの着座のための径方向拡大部分をもたらすように、円筒形ボアの外側端の周りに配置される。一実施形態では、第２のタイプの枢動アパーチャは、第１のタイプの枢動アパーチャと同じ、全体に延伸した円筒形ボアを含む。例えば、第２のタイプの枢動アパーチャには、径方向溝がない。

第１のタイプの枢動アパーチャの径方向溝は、枢動ピン１１４及び１２４のカラーの径方向エクスペンス（expense）を収容するように寸法設定され、その一方で、第１のタイプの枢動アパーチャの円筒形ボアは、枢動ピン１１４及び１２４の細長い本体を収容するように寸法設定される。したがって、第１のタイプの枢動アパーチャの円筒形ボアに対する径方向溝の環状寸法の差は、具体的に図１ｄ及び図１ｆに示されるように、第１のタイプの枢動アパーチャ内に、枢動ピンのカラー１１４ｃ及び１２４ｃの係合のための内側取付面１１６及び１２６を画定する。

枢動ピン１１４及び１２４は、それらの取り外し及び交換のしやすさを向上させる着脱可能締結具によって、対応する枢動アパーチャ内のそれらの最終（すなわち機能）位置に着脱可能に締結される。例えば、各外側枢動ピン１１４は、第１の着脱可能締結具１１８によって内側取付面１１６に締結され、各内側枢動ピン１２４は、第２の着脱可能締結具１２８によって内側取付面１２６に着脱可能に締結される。一実施形態では、着脱可能締結具１１８及び１２８は、穴付きボルト（socket head cap screw）のようなねじ付き締結具であってよい。例えば、同じタイプの締結具が、外側及び内側枢動ピン１１４及び１２４を所定位置に着脱可能に固定するのに用いられる。他の適当なタイプの着脱可能締結具を用いることもできる。外側及び内側枢動ピンに異なるタイプの着脱可能締結具を与えることも有用であり得る。

ハウジング１０５の第１のタイプの枢動アパーチャの内側取付面１１６は、外側枢動ピン１１４のカラー１１４ｃとハウジング１０５との間に表面相互作用をもたらし、その一方で、外側ジンバルモジュール１２０の第２のタイプの枢動アパーチャの内側取付面１２６は、内側枢動ピン１２４のカラー１２４ｃと外側ジンバルモジュール１２０との間に表面相互作用をもたらす。枢動アパーチャの内側取付面１１６及び１２６は、枢動ピン１１４及び１２４が所定トルクに締められるときの回転に耐えるように、枢動ピンのカラー１１４ｃ及び１２４ｃとの十分な表面相互作用をもたらすような寸法に設定される。所定トルクは、例えば、ジンバルアセンブリ１００の動作中、枢動ピン１１４及び１２４を枢動アパーチャ内のそれらの機能位置に固定するように決定される特定の摩擦要件を達成する、内側取付面１１６及び１２６における十分な圧縮荷重を引き起こす。さらに、着脱可能締結具１１８及び１２８は、枢動ピン１１４、１２４と第１のタイプの枢動アパーチャ内の対応する取付面１１６及び１２６との間の係合が緩まないようにする回転止めキー（anti-rotation key）のように機能する。

内側ジンバルモジュール１３０の上側部分１３０Ｕは、図示のように、アダプタスリーブ１４０を収容するように構成される。一実施形態では、内側ジンバルモジュール１３０の環状通路１３２は、第１の内径を有する第１のボアと、第１の内径よりも小さな第２の内径を有する第２のボアとを含む。第１のボアは、第２のボアと連通している。例えば、第１のボアは、内側ジンバルモジュール１３０の上側部分１３０Ｕ内に位置し（positioned）、アダプタスリーブ１４０を収容する径方向拡大開口をもたらし、その一方で、第２のボアは、第１のボアから下方に、内側ジンバルモジュール１３０の上側及び下側部分１３０Ｕ及び１３０Ｌの中に延伸した円筒形ボアである。通路１３２の第２のボアに対する第１のボアの環状寸法の差は、内側ジンバルモジュール１３０の上側部分１３０Ｕ内に環状ショルダ１３６を画定する。

一実施形態では、ベアリングアセンブリ１６０は、内側ジンバルモジュール１３０の第１のボア内の環状ショルダ１３６に摺動可能に取り付けられる。例えば、環状ショルダ１３６は、ベアリングアセンブリ１６０の底部に全体的に係合するように寸法設定される。ベアリングアセンブリ１６０は、中に延伸した環状通路を有する円筒形ベアリングアセンブリであってよい。円筒形ベアリングアセンブリ１６０は、内側ジンバルモジュール１３０の環状ショルダ１３６上に全体的に着座され、内側ジンバルモジュール１３０の環状通路に対して同心配置される。ベアリングアセンブリ１６０は、上側レースワッシャ１６４と下側レースワッシャ１６６との間に挟まれた複数の転がり要素１６２を含み、主に軸方向の荷重を支持するように構成される。ベアリングアセンブリ１６０は、例えば、第１及び第２の回転軸Ｒ１及びＲ２に対して垂直な垂直軸Ｒ３周りに回転可能である。垂直軸Ｒ３は、ジンバルアセンブリの中心軸線Ｌ１に対して実質的に同心に位置合わせされ、ジンバルアセンブリ１００の第３の回転軸を画定する。ベアリングアセンブリ１６０は、支持されるべき挿入材料（load）に、垂直軸Ｒ３周りの完全回転コンプライアンス（full rotational compliance）をもたらす。

一実施形態では、アダプタスリーブ１４０は、ベアリングアセンブリ１６０の頂部に取り付けられ、内側ジンバルモジュール１３０から外に突出している。アダプタスリーブ１４０は、中に延伸した環状通路１４２、及びアダプタスリーブの下側セグメントの外周よりも大きな外径（すなわち外周）を有する上側セグメントを含む。下側セグメントに対する上側セグメントの外径の差は、アダプタスリーブ１４０の径方向に延伸したフランジ形端部１４０ｆを画定する。一実施形態では、アダプタスリーブ１４０は、アダプタスリーブの上側セグメントがベアリングアセンブリ１６０上に配置され通路１３２の第１のボアを越えて上方に突出するように、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２の第１のボア内に摺動可能に取り付けられる。例えば、アダプタスリーブ１４０のフランジ形端部１４０ｆは、ベアリングアセンブリ１６０の上側レースワッシャ１６４上に着座され、アダプタスリーブ１４０の下側セグメントは、ベアリングアセンブリ１６０の環状通路内へと摺動可能に取り付けられる。一実施形態では、ベアリングアセンブリ１６０の上側レースワッシャ１６４は、アダプタスリーブ１４０のフランジ形端部１４０ｆのための回転可能インターフェースをもたらす。あるいは、ベアリングアセンブリ１６０は、アダプタスリーブ１４０を回転可能に支持するように、フランジ形端部１４０ｆと上側レースワッシャ１６４との間に、スペーサ又はワッシャを含む追加のリング部材を含むように構成することもできると理解されよう。

一実施形態では、アダプタスリーブ１４０の環状通路は、アダプタスリーブ１４０の中に下方に延伸した円筒形ボアの上側端部に配置された浅い径方向溝１４４を含む。例えば、径方向溝１４４は、円筒形ボアの内径よりも径方向に拡大された内径を含む。アダプタスリーブ１４０の円筒形ボアに対する径方向溝１４４の環状寸法の差は、アダプタスリーブ１４０の通路１４２内に、以下により詳細に述べるような管状部材の取り付けのための環状ショルダ１４６を画定する。

一実施形態では、アダプタスリーブ１４０は、中に垂直の割れ目を含む。例えば、アダプタスリーブ１４０は、２つのハーフリングからなるアセンブリである。分割アダプタスリーブ１４０は、各ハーフリングのフランジ形端部１４０ｆの開口内へと水平方向にねじ込まれる一対のねじ付きコネクタ１４８を含むことができる。一対のねじ付きコネクタ１４８は、２つのハーフリングの間に、アダプタスリーブ１４０の両方の半部部分を一緒になるように締結する圧縮力を生成するねじ連結をもたらす。一対のねじ付きコネクタ１４８は、例えば、互いに対して正反対に配置される一対の締結ねじ１４８である。２つのハーフリングを圧縮により一緒に係合してアダプタスリーブ１４０を形成するのに、他の適当な数及び種類のコネクタを用いることもできる。一対のねじ付きコネクタ１４８は、各ハーフリングのフランジ形端部１４０ｆ内に完全に引っ込められてよい。アダプタスリーブ１４０内におけるねじ付きコネクタの他の構造も有用であり得る。非分割アダプタスリーブを用いることもできると理解されよう。

アダプタスリーブ１４０は、アダプタスリーブ１４０の取り外し及び交換のしやすさを向上させる着脱可能締結具によって、その最終（すなわち機能）位置に締結されてよい。一実施形態では、アダプタスリーブ１４０は、一対のねじ付き締結具１５８及び一対の保持ブラケット１５４によって、内側ジンバルモジュール１３０に着脱可能に締結される。ねじ付き締結具は、例えば、穴付きボルトである。他のタイプの着脱可能締結具を用いることもできる。図１ｅに示されるように、一対のねじ付き締結具１５８及び保持ブラケット１５４は、互いに対して正反対に配置される。保持ブラケット１５４は、内側ジンバルモジュール１３０の頂部に着脱可能に取り付けられ、アダプタスリーブ１４０が上方に変位するのを制限する。ねじ付き締結具１５８は、保持ブラケット１５４を内側ジンバルモジュール１３０の上側部分１３０Ｕに圧縮により係合させるようにもたらされる。

内側ジンバルモジュール１３０の環状通路１３２及びアダプタスリーブ１４０の環状通路１４２は、互いに対して直接隣接するように配置される。アダプタスリーブ１４０の環状通路１４２は、内側ジンバルモジュール１３０の環状通路１３２よりも小さな内径を含む。アダプタスリーブ１４０は、一実施形態では、内側ジンバルモジュール１３０内の中心に管状部材を配置するためのシャフト（又はボア）レデューサとして機能する。例えば、アダプタスリーブ１４０の環状通路１４２は、予め決められた環状寸法を備える管状部材を受容するように、使用者定義の（user-defined）内径に構成されてよい。例えば、内側ジンバルモジュール１３０内への様々なサイズの管状部材の確実な取り付けを可能にするように、複数のアダプタスリーブ１４０を、使用者定義の環状寸法の範囲に寸法設定することができる。環状通路１４２を有するアダプタスリーブ１４０について述べたが、アダプタスリーブ１４０の通路は、支持されるべき挿入材料のプロファイルに応じて、あらゆる適当な形状を含むことができると理解されたい。例えば、アダプタスリーブ１４０の通路は、非管状プロファイルを有する細長い部材を受容するように構成することもできる。

ジンバルアセンブリ１００は、好ましくない恒久的な変形なくしてすべての動作荷重に耐え破断せずに高い軸方向衝撃荷重に耐えるのに十分な強度の材料から形成される。例えば、ジンバルアセンブリの様々な要素は、これに限定されないが、４１３０合金鋼を含む、鋼、又は他の同様の強さの材料から形成することができる。さらに、ジンバルアセンブリ１００は、メンテナンス目的で、送油スロット１９２を含むように構成することができると理解されよう。

図２ａ〜２ｄは、本開示の１又は２以上の実施形態による枢動ハングオフシステムの複数の図である。具体的には、図２ａは、管状部材２００を支持する枢動ハングオフシステムの斜視図であり、図２ｂは、図２ａの枢動ハングオフシステムの上面図であり、図２ｃは、図２ｂに示される面Ｇ−Ｇに沿った図２ａの枢動ハングオフシステムの断面図であり、図２ｄは、図２ｂに示される面Ｈ−Ｈに沿った、管状部材２００を支持するジンバルアセンブリ１００の断面図である。簡略化するため、共通の要素については述べない、又は詳細には述べないことがある。

枢動ハングオフシステムは、ジンバルアセンブリと、細長い部材をジンバルアセンブリに取り付けやすくするように細長い部材に着脱可能に締結される取付具とを含むことができる。図示のように、枢動ハングオフシステムは、図１ａ〜１ｅにて述べたようなジンバルアセンブリ１００を含むことができ、細長い部材は、内側ジンバルモジュール１３０内に同心配置される管状部材２００であってよい。例えば、管状部材２００は、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２及びアダプタスリーブ１４０の通路１４２内に摺動可能に取り付けられる。一実施形態では、管状部材は、順次的に連結されて一連の管状部材（図示せず）にされてよい。例えば、管状部材２００は、ライザーストリングのライザーパイプであってよい。他のタイプの管状部材も有用であり得る。取付具２２０は、管状部材２００に着脱可能に締結され、一連の管状部材をジンバルアセンブリ１００に取り付ける手段として機能する。取付具２２０は、例えば、シャフトカラーである。他のタイプの取付具を用いることも有用であり得る。

シャフトカラー２２０は、一実施形態では、内部に垂直割れ目を含む。例えば、シャフトカラー２２０は、２つの分割カラーからなるアセンブリである。シャフトカラー２２０は、２つの分割カラーの間にねじ連結をもたらす、円周内に引っ込められる複数の対の着脱可能締結具２１２を含むことができる。締結具の各対は、互いに対して正反対に配置され、分割カラー２２０の２つの半分部分を一緒に係合する圧縮力を生成するように締められ、それによって分割カラーは管状部材２００に取り付けられる。締結具２１２は、シャフトカラー２２０を管状部材２００の外周面に沿った一時的な取付位置に着脱可能に締結する。例えば、シャフトカラー２２０は、要望通りにシャフトカラー２２０を再配置しやすくする着脱可能締結具によって管状部材の外周面に締結される。締結具２１２は、管状部材２００に沿った異なる位置にシャフトカラー２２０を調節するように緩めることができる。あるいは、シャフトカラー２２０は、順次的に連結される一連の管状部材の中の異なる管状部材に対して再配置されてもよい。シャフトカラー２２０は、管状部材（又は一連の管状部材）に、アダプタスリーブ１４０に係合するための調節可能な取付具をもたらす。

一実施形態では、アダプタスリーブ１４０の径方向溝１４４は、管状部材２００のシャフトカラー２２０を受容する径方向拡大開口をもたらす。例えば、管状部材２００は、シャフトカラー２２０のフランジ形本体がアダプタスリーブ１４０の環状ショルダ１４６上に着座するまで、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２内に摺動可能に取り付けられる。シャフトカラー２２０がアダプタスリーブ１４０上に着座されることによって、管状部材２００の下方軸方向荷重（すなわち吊り下げ荷重）が内側ジンバルモジュール１３０に伝達されることが可能となり、それによって管状部材２００の荷重がジンバルアセンブリ１００によって完全に支持されるようになる。シャフトカラー２２０によって、ジンバルアセンブリ１００への管状部材２００の取り付けが容易になる。

図３ａ〜３ｄは、本開示の実施形態に従って動作する、図２ａ〜２ｄに記載される枢動ハングオフシステムの複数の図である。具体的には、図３ａ及び３ｂは、傾いた管状部材２００を支持する枢動ハングオフシステムの上面図であり、図３ｃは、図３ａに示される面Ｇ−Ｇに沿った枢動ハングオフシステムの断面図であり、図３ｄは、図３ｂに示される面Ｈ−Ｈに沿った枢動ハングオフシステムの断面図である。簡略化するために、共通の要素については述べない、又は詳細には述べないことがある。

例示的な一適用例では、ジンバルアセンブリ１００は、管状部材２００に、同じ軸平面に沿って第２の回転軸Ｒ２に対して垂直に配置される第１の回転軸Ｒ１を有する垂直ジャイロ式ハングオフツールをもたらす。具体的には、管状部材２００は、シャフトカラー２２０によってアダプタスリーブ１４０に取り付けられ、完全に支持される。管状部材２００は、中に画定された中心軸線Ｔ１を含む。上述したように、アダプタスリーブ１４０は、管状部材２００を内側ジンバルモジュール１３０内の中心に配置するように構成される。それによって、管状部材２００の中心軸線が、図２ｃ〜２ｄに具体的に示されるように、ジンバルアセンブリ１００の中心軸線Ｌ１に対して実質的に同心に位置合わせされ得るようになる。したがって、管状部材は、中心軸線Ｌ１に対して平行に作用する吊り下げ荷重を加えつつ、直立位置に支持される。ジンバルアセンブリ１００が海洋浮動プラットフォームに据え付けられる場合、ジンバルアセンブリ１００の回転軸Ｒ１及びＲ２は、浮動プラットフォームが傾斜又は傾いても管状部材２００を直立位置に維持するように、波又は潮流の力を含む外力による船のあらゆるピッチ及びローリングの動きに対応できる。例えば、ジンバルアセンブリ１００は、悪天候又は海況が悪いときにライザーストリングに生じる曲げ応力を含む機械的応力を防ぐ又は減少させるように、船舶から海中へと延伸するライザーストリングにコンプライアントハングオフ（又は支持）構造を与えるのに用いることができる。さらに、シャフトカラー２２０は、ライザーストリングの長さに沿った調節可能ハングオフ位置をもたらすので、管の座屈又は引張応力によってねじ切れる危険を防ぐ又は減少させるように、ライザーストリングのストロークアウト（stroked-out）長さが制御可能になると理解されたい。

他の例示的な適用例では、具体的に図３ｃ及び３ｄに示されるように、ジンバルアセンブリ１００の内側及び外側枢動ピン１２４及び１１４によって、ドリル又はライザーパイプを含む管状部材２００は、ジンバルアセンブリの第１及び第２の回転軸Ｒ１及びＲ２周りに回転することができる。例えば、ジンバルアセンブリ１００の内側及び外側ジンバルモジュール１３０及び１２０は、管状部材２００に、横軸及び長手方向軸に沿った回転コンプライアンスをもたらす。管状部材２００が海中に延伸した（例えば、ライザーストリングである）一連の管状部材に連結している場合、ジンバルモジュール１２０及び１３０によって与えられる回転軸は、一連の管状部材が、それに直接作用する波又は潮流の力を含む外力に応じて角度α偏向できるようにする。それによって、繰り返しの曲げ応力が減少する。一実施形態では、角度αは、約１２度（１２°）である。例えば、ジンバルモジュール１２０及び１３０によって、管状部材２００は、直立位置から約１２度偏向できるようになり得る。

さらに、内側ジンバルモジュール１３０の通路１３２内に配置されるベアリングアセンブリ１６０は、外力によって加えられる引張応力を減少させるように、垂直軸Ｒ３（例えば偏揺れ軸）周りの完全な回転コンプライアンスをライザーストリングにもたらす。例えば、ベアリングアセンブリ１６０によって、ライザーストリングは、垂直軸Ｒ３周りに自由に回転できるようになる。さらに、具体的に図２ｃ〜２ｄに示されるように、外力が弱まると、一連の管状部材の吊り下げ荷重に作用する重力によって、内側ジンバルモジュール１３０の自己直立が引き起こされ、それによって、管状部分２００の中心軸線Ｔ１が、ジンバルアセンブリの中心軸線Ｌ１に対して自己再位置合わせするようになることが理解されよう。

ジンバルアセンブリ１００は、有利には、枢動支持構造に鉛直荷重がかかることが避けられないあらゆる適当なタイプの海中設備用のフレキシブルなハングオフ装置を提供するのに使用することができる。ジンバルアセンブリ１００は、さらに、他の形態の鉛直荷重を枢動的に支持することに適合され得る。ジンバルアセンブリ１００は、海面よりも上方に設置されるとして記載されているが、泥マットと接続する１又は２以上の管状部材を支持するように、泥線レベル（mudline level）を含む海面下に展開されてもよいことを理解されたい。別の例示的な海中適用例では、ジンバルアセンブリ１００は、傾斜海底における掘削作業を促進することに用いることもできる。例えば、ジンバルアセンブリは、ドリルストリングを直立位置に枢動的に支持するように、傾斜した海中掘削用テンプレートのスロットに取り付けられてもよい。あるいは、ジンバルアセンブリ１００は、枢動支持システムを必要とするあらゆる適当な陸上用途に用いることもできる。

本発明は、本発明の趣旨又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化することができる。したがって、上述の実施形態は、本明細書に記載の本発明を限定するのではなく、あらゆる点において例示的であるとみなされるべきである。したがって、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、その意味及び均等物の範囲内にあるすべての変更は、本発明に包含されるものとする。

Claims (16)

1. ジンバルフレーム頂部とジンバルフレーム底部と、前記ジンバルフレーム頂部とジンバルフレーム底部を通るジンバルフレーム通路を有するジンバルフレームと、
   前記ジンバルフレーム通路内に同心配置される第１のジンバルモジュールであって、第１のジンバルモジュール頂部と第１のジンバルモジュール底部を通る第１のジンバルモジュール通路を備える、前記第１のジンバルモジュールと、
   前記第１のジンバルモジュール通路内に同心配置される第２のジンバルモジュールであって、第２のジンバルモジュール頂部と第２のジンバルモジュール底部を通る第２のジンバルモジュール通路を備え、前記第１のジンバルモジュール頂部と前記ジンバルフレーム頂部の上方に延伸する、前記第２のジンバルモジュールと、
   前記第２のジンバルモジュール通路の上側部分に配置されるアダプタスリーブであって、アダプタスリーブ頂部とアダプタスリーブ底部を通るアダプタスリーブ通路を備え、前記アダプタスリーブ頂部が、前記第２のジンバルモジュール頂部の上方及び前記ジンバルフレーム頂部の上方に突出する、前記アダプタスリーブと、
   前記ジンバルフレーム内に互いに対して正反対に配置され、前記第１のジンバルモジュールに係合するように前記ジンバルフレームを越えて内方に延伸する一対の外側枢動ピンと、
   前記第１のジンバルモジュール内に互いに対して正反対に配置され、前記第２のジンバルモジュールに係合するように前記第１のジンバルモジュールを越えて延伸する一対の内側枢動ピンと
   を備える、ジンバルアセンブリ。
2. 外側枢動ピンが、ジンバルアセンブリの第１の回転軸を画定し、内側枢動ピンが、前記ジンバルアセンブリの第２の回転軸を画定し、前記第１の回転軸が、前記第２の回転軸に対して垂直である、請求項１に記載のジンバルアセンブリ。
3. 第１及び第２の回転軸が、同じ軸平面に沿って配置される、請求項２に記載のジンバルアセンブリ。
4. 第２のジンバルモジュールの通路内に配置される円筒形ベアリングアセンブリを備え、アダプタスリーブが、前記ベアリングアセンブリ上に摺動可能に取り付けられる、請求項１〜３のいずれかに記載のジンバルアセンブリ。
5. ベアリングアセンブリが、第２のジンバルモジュールの中心軸線に対して位置合せされた垂直回転軸を備える、請求項４に記載のジンバルアセンブリ。
6. 第２のジンバルモジュールの通路が、第１の直径を有する第１のボア、及び前記第１の直径よりも小さな第２の直径を有する第２のボアを含み、アダプタスリーブが、前記第２のジンバルモジュールの前記第１のボア内に配置される、請求項１〜５のいずれかに記載のジンバルアセンブリ。
7. アダプタスリーブの通路が、前記アダプタスリーブの中を下方に延伸した円筒形ボアの上側端部に配置された径方向溝を備え、前記円筒形ボアが、第２のジンバルモジュールの第２のボアよりも小さな環状寸法を備える、請求項６に記載のジンバルアセンブリ。
8. その中を通る通路を有するジンバルフレームと、
   前記ジンバルフレームの前記通路内に配置される第１のジンバルモジュールであって、その中を通る通路を備える、前記第１のジンバルモジュールと、
   前記第１のジンバルモジュールの前記通路内に配置される第２のジンバルモジュールであって、その中を通る通路を備え、前記ジンバルフレーム及び前記第１のジンバルモジュールを越えて上方に延伸する、前記第２のジンバルモジュールと、
   前記第２のジンバルモジュールの前記通路内に配置されるアダプタスリーブであって、その中を通る通路を備え、前記第２のジンバルモジュールの上方に延伸して突出している、前記アダプタスリーブと、
   前記ジンバルフレーム内に互いに対して正反対に配置され、前記第１のジンバルモジュールに係合するように前記ジンバルフレームを越えて内方に延伸する一対の外側枢動ピンと、
   前記第１のジンバルモジュール内に互いに対して正反対に配置され、前記第２のジンバルモジュールに係合するように前記第１のジンバルモジュールを越えて延伸する一対の内側枢動ピンと
   を備えるジンバルアセンブリ、及び
   管状部材の外周面に着脱可能に締結されたシャフトカラーを備える前記管状部材であって、前記第２のジンバルモジュールの前記通路内に摺動可能に取り付けられ、前記シャフトカラーが前記アダプタスリーブ上に据付けられる、前記管状部材
   を備える、枢動ハングオフシステム。
9. 外側枢動ピンが、ジンバルアセンブリの第１の回転軸を画定し、内側枢動ピンが、前記ジンバルアセンブリの第２の回転軸を画定し、前記第１の回転軸が、前記第２の回転軸に対して垂直である、請求項８に記載のハングオフシステム。
10. ジンバルアセンブリが、第２のジンバルモジュールの通路内に配置される円筒形ベアリングアセンブリを備え、アダプタスリーブが、前記ベアリングアセンブリ上に摺動可能に取り付けられる、請求項８又は９に記載のハングオフシステム。
11. ベアリングアセンブリが、第２のジンバルモジュールの中心軸線に対して位置合せされた垂直回転軸を備える、請求項１０に記載のハングオフシステム。
12. ジンバルフレームが、前記ジンバルフレームの反対側に配置される枢動アパーチャの第１のセットを含み、前記枢動アパーチャの第１のセットが、第１の対の枢動ピンを収容し、第１のジンバルモジュールの第１の回転軸を提供するように構成され、
    第１のジンバルモジュールが、前記第１のジンバルモジュールの反対側に配置される枢動アパーチャの第２のセットを含み、前記枢動アパーチャの第２のセットが、第２の対の枢動ピンを収容し、第２のジンバルモジュールの第２の回転軸を提供するように構成され、かつ
    前記第１の回転軸が、前記第２の回転軸に対して垂直である、請求項８に記載のハングオフシステム。
13. アダプタスリーブの通路が、円筒形ボアの上側端部に配置された浅い径方向溝を備え、前記アダプタスリーブの前記浅い径方向溝が、管状部材のシャフトカラーを受容するように寸法設定される、請求項１２に記載のハングオフシステム。
14. 管状部材の軸方向荷重が、シャフトカラー及びアダプタスリーブを用いて、ジンバルアセンブリによって完全に支持される、請求項８〜１３のいずれかに記載のハングオフシステム。
15. 第２のジンバルモジュールが、リング形状を備え、管状部材が、前記第２のジンバルモジュール内に同心配置される、請求項８〜１３のいずれかに記載のハングオフシステム。
16. ジンバルアセンブリによって動的に支持される一連のパイプと、
    前記一連のパイプに着脱可能に締結されるシャフトカラーと
    を備えた、海中の天然資源を得るためのシステムであって、
    前記ジンバルアセンブリが、
    ジンバルフレーム頂部とジンバルフレーム底部と、前記ジンバルフレーム頂部と前記ジンバルフレーム底部を通るジンバルフレーム通路を有するジンバルフレーム、
    前記ジンバルフレーム通路内に同心配置される第１のジンバルモジュールであって、第１のジンバルモジュール頂部と第１のジンバルモジュール底部を通る第１のジンバルモジュール通路を備える、前記第１のジンバルモジュール、
    前記第１のジンバルモジュール通路内に同心配置される第２のジンバルモジュールであって、第２のジンバルモジュール頂部と第２のジンバルモジュール底部を通る第２のジンバルモジュール通路を備え、前記第１のジンバルモジュール頂部と前記ジンバルフレーム頂部の上方に延伸する、前記第２のジンバルモジュール、
    前記第２のジンバルモジュール通路の上側部分に配置されるアダプタスリーブであって、アダプタスリーブ頂部とアダプタスリーブ底部を通るアダプタスリーブ通路を備え、前記アダプタスリーブ頂部が前記第２のジンバルモジュール頂部の上方及び前記ジンバルフレーム頂部の上方に突出している、前記アダプタスリーブ、
    前記ジンバルフレーム内に互いに対して正反対に配置され、前記第１のジンバルモジュールに係合するように前記ジンバルフレームを越えて内方に延伸する一対の外側枢動ピン、及び
    前記第１のジンバルモジュール内に互いに対して正反対に配置され、前記第２のジンバルモジュールに係合するように前記第１のジンバルモジュールを越えて延伸する一対の内側枢動ピン
    を備え、
    前記一連のパイプが、前記第２のジンバルモジュールの前記通路内に摺動可能に取り付けられ、前記シャフトカラーが、前記アダプタスリーブに係合し、前記一連のパイプが、海洋プラットフォームから海面下へと延伸し海中の天然資源の制御されたルーティングを促進する、
    前記システム。