KR100487722B1 - 미끄럼식죠인트 - Google Patents

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KR100487722B1
KR100487722B1 KR10-1998-0709074A KR19980709074A KR100487722B1 KR 100487722 B1 KR100487722 B1 KR 100487722B1 KR 19980709074 A KR19980709074 A KR 19980709074A KR 100487722 B1 KR100487722 B1 KR 100487722B1
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마리타임 하이드로릭스 아/에스
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Abstract

해저와 플랫폼간의 거리의 변화를 보상하도록 서로에 대해 포개어 끼워지는 외부관(12) 및 내부관(11)을 포함하고 있는, 오일 플랫폼과 같은 부유 석유 설비와 유정 사이의 라이저(16)를 위한 미끄럼식 죠인트(10)가 개시된다. 내부관(11)은 라이저(16)상에 견인력을 제공하기 위하여 유압에 의해 작동에 반응하는 피스톤(27)에 고정적으로 연결되어 있다. 내부관(11)의 외경은 내부관(11)과 외부관(12) 사이에 환형부(25)를 형성할 수 있도록 외부관(12)의 직경에 재해 적절하게 형성되어 있다. 피스톤(27)은 내부관(11)의 하단부 또는 그 근처에서 내부관(11)에 고정적으로 연결되어 있으며, 피스톤(27) 상부의 환형부(25)는 유압에 영향을 받는다. 외부관(12) 내부에 활주 가능하게 배치되는 보호 슬리브(29)가 피스톤(27)의 아래에 제공되어 있다.

Description

미끄럼식 조인트 {SLIP JOINT}
본 발명은 라이저와 플랫폼간의 거리의 변화를 보상하도록 서로에 대해 신축가능하게 이동가능한 외측 파이프 및 내측 파이프를 포함하는, 오일 플랫폼과 같은 부유 석유 설비와 유정(well) 사이의 라이저(riser)를 위한 미끄럼식 조인트(slide joint)에 관한 것이다.
공지되어 있는 형태의 미끄럼식 조인트가 도 1에 도시되어 있다. 라이저 내의 장력을 유지하기 위해서 외측 파이프의 상측 단부에 다수의 와이어가 부착되어 있으며, 이들 와이어는 라이저에 일정한 장력을 가하는 다수의 장력 장치에 연결되어 있다. 라이저용 장력 장치와 관련된 와이어, 장력장치, 부속 수집 릴 라이저 등은 상당한 공간을 필요로 하며 또한 중량이 많이 나간다. 더욱이, 와이어는 상당한 긴장상태에 놓이게 되므로 자주 검사를 해서 교환해 주어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 미끄럼식 조인트를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 미끄럼식 조인트를 도시한 도면이고,
도 3은 미끄럼식 조인트를 상세하게 도시한 도면이고,
도 4는 미끄럼식 조인트를 갖춘 라이저를 상세하게 도시한 도면이고,
도 5a 내지 도 5f는 미끄럼식 조인트와 라이저의 각종 부품의 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 유압 시스템의 개략도이고,
도 6a는 보호 슬리브와 내측 파이프사이의 연결의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 미끄럼식 조인트 11 : 내측 파이프
12 : 외측 파이프 13 : 가요성 연결기
14 : 유압 축적기 15 : 유압 호스
16 : 라이저(riser) 17 : 매니폴드 링
18 : 개구부 19 : 외측 파이프의 상부관
20 : 외측 파이프의 하부관 21 : 플랜지 연결부
24 : 제 1 패커 25 : 제 1 환형부
26 : 자동 차단 밸브 27 : 제 1 피스톤
28 : 제 2 패커 29 : 보호 슬리브
30 : 상부 패커 31 : 제 2 환형부
32 : 보링 33 : 하부 패커(lower packer)
34 : 통로 36 : 스크레이프 링(scrape ring)
37 : 펌프 38 : 공기 탱크
39 : 예비 압력 탱크 40 : 축적기
41, 42 : 밸브 43 : 압력 탱크
44 : 호스
본 발명의 목적은 와이어, 장력장치, 수집 릴 및 이들에 연결되는 다른 장비들을 보다 적은 공간을 차지하면서도 훨씬 간단하고 경량인 장비로 대체하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 개선된 기능적 능률과 보다 큰 신뢰도를 갖는 미끄럼식 조인트를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 라이저 상에 견인력을 제공하도록 유압 유체로 작용하는 피스톤을 내측 파이프에 연결함으로써 달성된다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 미끄럼식 조인트(1)를 도시하고 있다. 미끄럼식 조인트(1)는 내측 파이프(2)와 외측 파이프(3)로 구성된다. 외측 파이프(3)는 유정(도시 안함) 내로 연장되는 라이저(4)의 받침대에 연결된다. 외측 파이프(3)는 상측 단부에 칼라(5)를 구비하고, 상기 칼라는 장력장치(7)에 연결된 다수의 와이어(6)에 연결된다. 또한, 와이어(6)용 수집 릴(8)이 구비된다. 내측 파이프(2)는 가요성 연결기(9)를 통해 플랫폼 상의 생산 설비(도시 안함)에 연결된다. 또한, 도 1에는 라이저(4) 내의 덕트를 통해 분출 방지장치(BOP;blowout preventer)에 연결된 두 개의 호스가 도시되어 있는데, 상기 호스들 중 하나는 유정으로부터의 복귀물을 억제하고 다른 하나는 유정 내로 진흙을 펌핑시킬 수 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 미끄럼식 조인트(10)가 도시된다. 여기에서의 미끄럼식 조인트(10)도 내측 파이프(11)와 외측 파이프(12)로 구성된다. 또한, 내측 파이프(11)는 가요성 연결기(13)를 통해 플랫폼의 생산 설비에 연결된다. 그러나, 여기에서의 미끄럼식 조인트(10)는 유압 호스(15)를 통해서, 미끄럼식 조인트(10)에 유압을 공급함으로써 라이저(16)의 긴장상태(tension)를 유지하는 유압 축적기(14)(hydraulic accumulator)에 부착된다.
도 3에는 미끄럼식 조인트(10)가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 여기에는 또한 내측 파이프(11), 외측 파이프(12) 및 가요성 연결기(13)가 도시되어 있다. 유압 호스(15)는 외측 파이프(12)의 상측 단부에 연결되어 있는 매니폴드 링(17)에 부착된다. 도 4에는, 측방향으로 10??만큼 흔들린 위치에 있는 라이저와 미끄럼식 조인트(10)가 도시되어 있다. 이러한 외측으로의 흔들림은 와이어나 다른 장비의 방해 없이 이루어진다. 따라서, 미끄럼식 조인트(10)는 개구부(18)의 모서리에 매우 가깝게 인접하기 전까지 외측으로 흔들릴 수 있다.
도 5에는, 미끄럼식 조인트가 더욱 상세하게 도시된다. 외측 파이프(12)는 플랜지 연결(21)에 의해 서로 결합되는 두 개의 부품, 즉 상부관(19)와 하부관(20)로 구성된다. 상기 하부관(20)의 내경은 하측 단부(22)에서 좁아지도록 형성된다.
도 5a 내지 도 5f에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 5a는 외측 파이프(12)의 상측 단부(23)에 대한 단면도이며, 내측 파이프(11)와 외측 파이프(12)의 일부를 도시하고 있다. 외측 파이프(12)의 내측 표면과 내측 파이프(11)의 외측 표면 사이에 밀봉을 형성하는 제 1 패커(packer, 24)가 외측 파이프(12)의 상측 단부(23)에 장착된다. 상기 제 1 패커(24)의 밑에서는 매니폴드 링(17)이 자동 차단밸브(26)를 통해 내측 파이프(11)와 외측 파이프(12) 사이의 제 1 환형부(25)와 유체 소통한다.
도 5b는 내측 파이프(11)의 하측 단부에서의 미끄럼식 조인트의 일부를 도시하고 있다. 여기에는 또한 내측 파이프(11)에 연결된 제 1 피스톤(27)이 도시되어 있다. 제 1 피스톤(27)은 제 2 패커(28)에 의해 외측 파이프(12)의 내측 표면에 대해 밀봉된다. 따라서, 제 1 환형부(25)는 호스(15)와 유체 소통하는 것을 제외하고는, 격리되어 있다. 또한, 도 5b에는 보호 슬리브(29)의 상측 단부가 도시되어 있으며, 보호 슬리브(29)의 상측 단부에는 외측 파이프(12)의 내측 표면에 대해 밀봉을 형성하는 피스톤 및 이와 결합된 상부 패커(30)가 제공된다. 도 5e에는, 상기 상부 패커(30)가 상세하게 도시된다. 상부 패커(30)는 외측 파이프(12)의 내측 표면에 대한 완벽한 밀봉을 형성하지 않고, 진흙 및 석유 산물의 이송을 위하여, 보호 슬리브(29)와 제 1 피스톤(27) 사이에서 보링(32)으로 약간의 누출과 보호 슬리브(29)와 외측 파이프(12) 사이에 형성되어 있는 제 2 환형부(31)로부터의 약간의 누출을 허용한다. 보호 슬리브(29)는 상부 피스톤(30a)을 구비하고, 상기 제 2 환형부(31) 쪽의 상부 피스톤(30a)의 환형 영역이 상부 피스톤(30a)의 대향측면 상의 제 3 환형부(30b) 쪽의 상부 피스톤(30a)의 환형 영역보다 크기 때문에, 상기 제 2 환형부(31)로부터 상부 피스톤(30a)의 대향측면 상의 제 3 환형부(30b)로의 방향으로 상부 피스톤(30a)을 통과하는 유체의 누출이 발생한다(도 6a 참조). 이러한 약간의 누출을 허용하는 이유는 아래에서 설명된다. 도 5c에는 상부관(19)과 하부관(20) 사이의 플랜지 연결부(21)에서의 외측 파이프(12)의 일부와 자체 상측 단부에서 약간 아래쪽의 보호 슬리브(29)의 일부가 도시되어 있다. 여기에서, 외측 파이프(12)는 도 5f에서 상세하게 도시되는 하부 패커(33)를 구비하고 있다. 하부 패커(33)는 보호 슬리브(29)에 대한 밀봉을 형성한다. 하부 패커(33)의 바로 위에는 제 2 환형부(31)를 가압하는 공기 또는 물과 같은 압력 매체를 공급하기 위한 통로(34)가 형성된다. 이것 또한 하기에서 설명된다. 도 5d에는 외측 파이프(12)의 하측 단부 근처의 일부와 보호 슬리브(29)의 하측 단부가 도시되어 있다. 상기 도면으로부터 외측 파이프(12)가 특정 지점(35)에서 좁아지기 시작함을 알 수 있다. 보호 슬리브(29)의 하측 단부에는 유도 및 스크레이프 링(guide and scrape ring, 36)이 제공되고, 상기 링은 상기 특정 지점(35)에서 외측 파이프(12)의 가장 작은 직경보다 큰 외경을 갖는다.
유압이 유압 호스(15)를 통해 내측 파이프(11)와 외측 파이프(12) 사이의 제 1 환형부(25)로 공급되면, 내측 파이프(11)와 외측 파이프(12)는 서로 신축가능하게 미끄러진다. 그 결과, 라이저(16)는 긴장 상태에 놓인다. 유압을 증감함으로써 상기 긴장 상태를 조절할 수 있다. 비교적 무거운 라이저를 사용하여 보다 깊은 바다에서 작업하려면, 낮은 바다에서 사용되는 라이저에 필요한 압력보다 훨씬 큰 압력이 필요하게 된다.
제 1 피스톤(27)이 외측 파이프(12)의 내면을 따라 어려움 없이 미끄러질 수 있도록 진흙, 석유 산물, 또는 드릴 헤드와 같은 공구가 외측 파이프(12)의 내면을 긁거나 또는 다른 방식으로 손상을 주는 것을 피하기 위하여, 보호 슬리브(29)가 외측 파이프(12)의 내부 표면을 보호하도록 제공된다. 통로(34)를 통해 유체를 공급함으로써, 상기 보호 슬리브(29)는 제 1 피스톤(27)과 항상 접촉 상태로 유지된다. 통로(34)를 통해 제 2 환형부(31)로 제공되는 압력은 일정한 것이 바람직하다. 상부 패커(30)를 지나 약간의 누출을 허용하는 것은 진흙 또는 석유 산물이 제 2 환형부(31) 내로 침투하는 것을 방지한다. 보호 슬리브(29)가 상당히 길기 때문에 스크레이프 링(36)을 갖춘 하측 단부는 결코 제 1 피스톤(27)의 최하위치 이상 이동하지 않는다.
도 6에는 유압 시스템이 도시되어 있다. 또한 도 6에는 내측 파이프(11) 및 외측 파이프(12)를 갖춘 미끄럼식 조인트(10)와 보호 슬리브(29)가 도시되어 있다. 펌프(37)가 다수의 공기 탱크(38)로 공기를 전달한다. 상기 공기 탱크(38) 중의 하나가 예비 압력 탱크(39)의 기능을 하며, 내측 파이프(11)가 외측 파이프(12)에 대해 빠르게 움직여야 하는 경우를 위해 210 바아의 압력을 항상 유지한다. 탱크(38, 39)는 밸브(41)를 통해 축적기(40)에 연결된다. 또한, 밸브(42)가 예비 압력 탱크(39)와 공기 탱크(38) 사이에 설치된다. 축적기(40)는 각각의 단부에 자동 차단밸브(26)가 설치된 유압 호스(15)를 통해 제 1 환형부(25)에 연결된다.
또한, 내측 파이프(11)에 대한 보호 슬리브(29)의 접촉을 유지하도록 제 2 환형부(31)를 적당한 압력 하에 놓는 압력 탱크(43)가 호스(44)를 통해 제공된다.
정상적으로 작동하는 동안, 미끄럼식 조인트(10)가 움직여야 하는 특정 속도 및 발생하는 힘의 크기에 따라 공기 탱크(38) 내의 압력은 20 내지 210 바아 사이에서 변할 수 있다. 그러나, 필요시 예비 압력 탱크(39) 내의 압력은 210 바아일 수 있다.
도 6a에는 보호 슬리브(29)와 내측 파이프(11) 사이를 연결하는 연결부의 다른 실시예가 도시되어 있다.
보호 슬리브(29)가 내측 파이프(11)에 영구 고정될 수도 있지만, 이는 운송 및 장착의 단계에서 미끄럼식 조인트의 취급을 어렵게 만들 수 있다.
외측 파이프(12)가 두 개의 부품, 즉 상부관(19) 및 하부관(20)으로 나누어지기 때문에, 외측 파이프(12)는 플랜지 연결부(21)에서 분할될 수 있다. 이와 같은 경우, 보호 슬리브(29)가 하부관(20) 내에 놓여지는 동시에, 내측 파이프(11)가 상부관(19) 내에 놓여져야 한다. 따라서, 미끄럼식 조인트가 두 개의 부분으로 될 수 있으며 라이저(16)와 함께 하부관(20)을 먼저 설치함으로써 장착될 수 있어서, 라이저는 플랜지 연결부(21)가 적당한 레벨에 놓일 때까지 하강한다. 그 후 상부관(19)은 하부관(20)과 함께 놓일 수 있다.
취급하는 동안 가능한 한 내측 파이프를 보호하기 위하여, 하강 절차(lowering procedure)는 BOP가 미끄럼식 조인트와 함께 장착되도록 이루어지고, 이 때 BOP는 수축 위치에서 유지되고 유압식으로 고정된다. 또한, 상기 절차는 BOP의 장착에 앞서 적당한 수준에 드로틀 및 차단 호스는 물론, 유압 호스를 연결하는 것을 가능하게 한다. 모든 호스는 주 매니폴드 링(17) 상에서 모이게 된다. 매니폴드 링(17)은 미끄럼식 조인트가 회전 보어를 통해 미끄러질 때 제 위치에 고정된다. 특별한 처리 공구가 BOP를 장착하고 미끄럼식 조인트를 매다는데 사용된다. BOP가 해저에 고정되는 경우, 미끄럼식 조인트 상에 견인력이 작용하고, 내측 파이프(11)가 빼내진 후, 서스펜션 헤드가 서스펜션 소켓에 장착 고정된다.
본 발명에 따른 장치는 대형 오일 플랫폼에서조차도 상당한 중량인 100톤의 장비 중량을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 장치는 공간의 제약을 덜 받으며, 팽팽한 와이어에 의한 장애 없이 수직 평면 내에서 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 기능적인 능률이 향상된다. 라이저 상에 가해지는 견인력이 전적으로 축방향으로 이루어지기 때문에, 반대의 축방향 힘은 라이저 상에 발생하지 않는다. 자주 교체해야하는 부품은 유압 호스뿐이기 때문에, 유지 및 관리 또한 매우 간단하다. 또한 유압 호스가 이중 세트로 되어 있기 때문에, 시스템을 중단하지 않고서도 차례로 호스를 교체할 수 있다.

Claims (5)

  1. 플랫폼을 구비한 석유 설비 및 유정 사이의 라이저(16)용 미끄럼식 조인트(10)로서,
    상부관(19)과 하부관(20)을 구비한 외측 파이프(12)와;
    상기 외측 파이프의 상기 상부관 안에 수용되는 내측 파이프(11)로서, 상기 유정과 상기 플랫폼의 상대적인 위치 변화를 보상하기 위해 상기 외측 파이프(12)에 대하여 상대적으로 신축가능하게 이동가능한 내측 파이프(11)와;
    상기 내측 파이프의 하측 단부에 연결되고, 상기 라이저(16)에 견인력을 제공하도록 유압 유체의 작용에 반응하는 제 1 피스톤(27)과;
    상기 내측 파이프(11) 및 상기 외측 파이프(12) 사이에 형성되고, 유정 유체 및 주위 유체로부터 고립되어 상기 제 1 피스톤(27) 상에서 유압의 영향을 받는 제 1 환형부(25)와;
    상기 제 1 피스톤(27) 아래에서 상기 외측 파이프(12)의 하부관(20) 안에 미끄럼 가능하게 배치된 보호 슬리브(29)로서, 상기 내측 파이프(11)의 하측 단부에 접촉하도록 압력을 받으며, 상부 피스톤(30a)을 구비한 보호 슬리브(29)와; 그리고
    상기 보호 슬리브(29)와 상기 외측 파이프(12)의 사이에 형성되고, 상기 보호 슬리브(29)가 상기 내측 파이프(11)의 하측 단부에 접촉할 때, 상기 유정 유체와의 접촉에 대항하여 상기 제 1 피스톤(27)을 밀봉하는 압력이 작용하는 제 2 환형부(31)를 포함하고;
    상기 제 2 환형부(31)에 대한 상기 상부 피스톤(30a)의 환형 영역이 상기 상부 피스톤의 반대면에 위치한 제 3 환형부(30b)에 대한 상부 피스톤(30a)의 환형 영역보다 크고, 그 결과, 상기 상부 피스톤(30a)을 지나는 유체의 누출이 상기 제 2 환형부(31)로부터 상기 상부 피스톤(30a)의 반대면에 위치한 상기 제 3 환형부(30b) 방향으로 발생하는 미끄럼식 조인트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보호 슬리브(29)는 상기 보호 슬리브의 상측 단부에서 외측 파이프(12)에 대해 밀봉하는 상부 패커(30)를 구비하고, 상기 제 1 피스톤(27)과 상기 내측 파이프(11) 중 하나 이상에 대하여 밀봉하는 제 2 패커(28)를 구비하고, 상기 외측 파이프(12)에는 상기 제 2 패커(28)의 아래 위치에서 상기 보호 슬리브(29)에 대해 밀봉하는 하부 패커(33)가 제공되는, 미끄럼식 조인트.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보호 슬리브(29) 및 상기 내측 파이프(11) 사이의 상기 제 2 패커(28) 및 상기 상부 패커(30)는 상기 보호 슬리브(29) 및 상기 외측 파이프(12) 사이의 상기 제 2 환형부(31)로부터 적은 양의 유체가 지나는 것을 허용하도록 설계되는, 미끄럼식 조인트.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보호 슬리브와 상기 외측 파이프 사이의 상기 제 2 환형부(31)로부터 유체가 통과하는 것을 허용하도록 하는, 상기 외측 파이프(12)에 대하여 밀봉하는 상부 패커(30)와 상기 보호 슬리브(29) 및 상기 내측 파이프(11)의 사이에 위치한 제 2 패커(28)를 더 포함하는, 미끄럼식 조인트.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 피스톤(27)의 상부면과 유체 소통하는 이중 세트의 유압 호스(15) ; 및
    상기 유압 호스(15) 안에서 누출이 발생하는 경우 유체 소통을 차단함으로써, 상기 미끄럼식 조인트(10)가 단지 하나의 호스만으로도 만족스럽게 기능하도록 제공되는, 상기 유압 호스의 각 단부에 위치한 차단 밸브(26)를 더 포함하는, 미끄럼식 조인트.
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