NO171570B

NO171570B - BOEYBAR CONNECTION FOR USE IN A JOINT OFFSHORE CONSTRUCTION

Info

Publication number: NO171570B
Application number: NO862216A
Authority: NO
Inventors: Lyle David Finn; Leonard Douglas Power
Original assignee: Exxon Production Research Co
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1986-06-04
Publication date: 1992-12-21
Also published as: GB2178786B; NO862216D0; CA1249445A; GB8617400D0; GB2178786A; NO862216L; NO171570C; AU5944186A; BR8603033A

Description

Oppfinnelsen vedrører en bøybar forbindelse for anvendelse i en leddet offshore-konstruksjon som har en øvre seksjon og en nedre seksjon, idet nevnte øvre og nedre seksjoner er plassert langs en i alt vesentlig vertikal akse for nevnte konstruksjon, idet den bøybare forbindelsen omfatter et aksielt belastningsorgan festet til nevnte øvre og nedre seksjoner, og ledd som er plassert mellom første og andre seksjoner i nevnte konstruksjon og orientert til å ligge i et plan i alt vesentlig perpendikulært på en langsgående akse av nevnte øvre seksjon, idet nevnte ledd hindrer rotasjon av den øvre seksjonen om dens langsgående akse og tillater helning av den øvre seksjonen i forhold til den nedre seksjonen. The invention relates to a bendable connection for use in an articulated offshore structure which has an upper section and a lower section, said upper and lower sections being located along a substantially vertical axis of said structure, the bendable connection comprising an axial load member attached to said upper and lower sections, and links which are placed between first and second sections in said construction and oriented to lie in a plane substantially perpendicular to a longitudinal axis of said upper section, said links preventing rotation of the upper section about its longitudinal axis and allows tilting of the upper section relative to the lower section.

Siden dens begynnelse i slutten av 1940-tallet, har offshore petroleumsindustrien beveget seg progressivt mot dypere vann. Inntil nylig er offshore petroleumsborings- og produksjon-soperasjoner vanligvis blitt utført fra stive, bunnfunda-menterte offshore-konstruksjoner, slik som eksempelvis konvensjonelle oppjekkbare konstruksjoner, eller gravitets-konstruksjoner av betong eller stål. Slike konstruksjoner er utformet til stivt å motstå miljømessige krefter slik som vind, bølger og kraftige strømmer. I farvann med dyp mer enn 1000 fot (305 meter) vil vekten av stål og derfor kostnaden som kreves for stivt å motstå miljømessige krefter økes så hurtig at den økonomiske grense snart nås, endog med de mest gunstige økonomiske betingelser. Since its inception in the late 1940s, the offshore petroleum industry has moved progressively towards deeper waters. Until recently, offshore petroleum drilling and production operations have usually been carried out from rigid, bottom-founded offshore constructions, such as, for example, conventional jack-up constructions, or gravity constructions made of concrete or steel. Such structures are designed to rigidly resist environmental forces such as wind, waves and strong currents. In waters deeper than 1,000 feet (305 meters), the weight of steel and therefore the cost required to rigidly resist environmental forces will increase so rapidly that the economic limit is soon reached, even with the most favorable economic conditions.

Vanndybdene som er av interesse for offshore petroleumsindustrien har nå økt til det punkt hvor stive, bunnfunda-menterte offshore-konstruksjoner i mange tilfeller ikke lenger er teknisk eller økonomisk mulige. Dette problem har ført til utviklingen av nye typer av offshore-konstruksjoner som generelt er kjent som "ettergivende tårn". Ettergivende tårn er offshore-konstruksjoner som ikke stivt motstår miljømessige krefter. I stedet blir et ettergivende tårn konstruert til å gi efter for miljømessige krefter på en kontrollert måte. I grunntrekk blir tårnet tillatt å oscillere noen få grader fra vertikalen om sin basis som reaksjon på de påførte miljømessige krefter. Denne oscil-lasjon, som kan karakteriseres som en omsnudd pendel, skaper en treghetsmessig tilbakebringende kraft som motvirker de påførte miljømessige krefter. The water depths that are of interest to the offshore petroleum industry have now increased to the point where rigid, bottom-founded offshore constructions are in many cases no longer technically or economically possible. This problem has led to the development of new types of offshore structures generally known as "yielding towers". Resilient towers are offshore structures that do not rigidly resist environmental forces. Instead, a yielding tower is constructed to yield to environmental forces in a controlled manner. Basically, the tower is allowed to oscillate a few degrees from the vertical about its base in response to the applied environmental forces. This oscillation, which can be characterized as an inverted pendulum, creates an inertial restoring force which counteracts the applied environmental forces.

Et slikt ettergivende tårn er det "bardunerte tårn". I grunntrekk er et bardunert tårn en fagverkskonstruksjon av generelt jevnt tverrsnitt som strekker seg oppad fra bunnen av vannlegemet til et dekk som understøttes over vannover-flaten. Konstruksjonen holdes oppreist ved hjelp av en oppstilling av bardunliner anbragt med avstand rundt periferien av konstruksjonen og strekker seg utad og nedad til forankringspunkter plassert på vannlegemets bunn. Bardunliner tillater tårnet å dreie sideveis noen få grader om sin basis som reaksjon på overflatevind, bølge, eller strømkrefter. Se generelt Finn, L.D., "Å New Deep-Water Platform - The Guyed Tower", Journal of Petroleum Technology, April 1978, sidene 537-544. One such yielding tower is the "bardunetted tower". In basic terms, a bardune tower is a truss structure of generally uniform cross-section that extends upwards from the bottom of the body of water to a deck supported above the water surface. The structure is held upright by means of an arrangement of bar dunlines spaced around the periphery of the structure and extending outwards and downwards to anchor points located on the bottom of the body of water. Bardunliners allow the tower to turn sideways a few degrees about its base in response to surface wind, wave, or current forces. See generally Finn, L.D., "A New Deep-Water Platform - The Guyed Tower", Journal of Petroleum Technology, April 1978, pages 537-544.

En andre type av ettergivende tårn er "flytetårnet". I grunntrekk er flytetårnet en fagverkskonstruksjon tilsvarende et bardunert tårn. Imidlertid anvendes ingen bardunliner. Hele tilbakebringelseskraften for konstruksjonen tilveiebringes ved store oppdriftstanker som er plassert på konstruksjonen, fortrinnsvis på eller nær vannlegemets overflate. Se eksempelvis flytetårnet som er vist i US-patent nr. 3.636.716. Another type of yielding tower is the "floating tower". In basic terms, the floating tower is a truss construction similar to a bar-duned tower. However, no bardunliners are used. The entire restoring force for the structure is provided by large buoyancy tanks located on the structure, preferably on or near the surface of the body of water. See, for example, the floating tower shown in US patent no. 3,636,716.

Nok en annen type av ettergivende tårn, "hybridtårnet", er omhandlet i US-patentsøknad nr. 635.942 inngitt 30. juli 1984 med tittel "Hybrid Offshore Structure". I grunntrekk omfatter et hybridtårn en ettergivende øvre seksjon slik som et bardunert tårn eller et flytetårn montert på en stiv bunnfundamentert nedre seksjon. Som nærmere beskrevet i den nevnte patentsøknad blir den ettergivende øvre seksjon tillatt å dreie sideveis noen få grader om et dreiepunkt plassert på eller nær den øvre enden av den nedre seksjonen som reaksjon på påførte miljømessige krefter. Yet another type of compliant tower, the "hybrid tower", is disclosed in US Patent Application No. 635,942 filed July 30, 1984 entitled "Hybrid Offshore Structure". Basically, a hybrid tower comprises a yielding upper section such as a bardune tower or a floating tower mounted on a rigid bottom foundation lower section. As further described in the aforementioned patent application, the compliant upper section is allowed to rotate laterally a few degrees about a pivot located at or near the upper end of the lower section in response to applied environmental forces.

De ettergivende tårn som er beskrevet ovenfor blir generelt konstruert for anvendelse som produksjonsborings- og produk-sjonsplattformer. En annen type av leddet offshore-konstruksjon er "enkelt-anker benfortøyningen" (single anchor leg mooring" eller "SALM") som anvendes til å overføre hydro-karbonprodukter fra bunnen av et vannlegeme til en flytende lagringsinstallasjon eller tanker. I grunntrekk er SALM et stigerør som strekker seg fra en basis plassert på bunnen av vannlegemet til en fortøyningsbøye plassert på overflaten av vannlegemet. En flytende lagringsinstallasjon eller tanker fortøyes til fortøyningsbøyen og tillates å bevege seg med været om bøyen som reaksjon på miljømessige krefter. Vanligvis er en SALM leddet eller forbundet både ved bunnen og toppen av stigerøret. The compliant towers described above are generally constructed for use as production drilling and production platforms. Another type of articulated offshore construction is the "single anchor leg mooring" (single anchor leg mooring" or "SALM") which is used to transfer hydrocarbon products from the bottom of a body of water to a floating storage installation or tanks. Basically SALM is a riser that extends from a base located on the bottom of the body of water to a mooring buoy located on the surface of the water body. A floating storage installation or tanks is moored to the mooring buoy and allowed to move with the weather about the buoy in response to environmental forces. Typically, a SALM is articulated or connected both at the bottom and top of the riser.

Hydrokarbonprodukt strømningsledninger strekker seg fra basisen gjennom de leddete forbindelser, stigerøret og fortøyningsbøyen til den flytende lagringsinstallasjonen eller tankeren. Se eksempelvis SALM vist i fig. 1 i TJS-patent nr. 4.337.970. Hydrocarbon product flowlines extend from the base through the articulated joints, riser and mooring buoy to the floating storage installation or tanker. See, for example, SALM shown in fig. 1 in TJS patent no. 4,337,970.

Hver av de leddete offshore-konstruksjonene som er beskrevet ovenfor krever bruken av en leddet forbindelse eller pivot som vil tillate den ønskede sideveis dreiebevegelse. Typisk må den leddete forbindelsen eller pivoten også være i stand til å overføre store vertikale belastninger mellom hosliggende seksjoner av konstruksjonen. Generelt er den leddete forbindelsen eller pivoten plassert nær konstruksjonens bunn. Som imidlertid bemerket ovenfor, er en SALM typisk leddet eller forbundet både ved bunnen og toppen av stigerøret. Each of the articulated offshore structures described above requires the use of an articulated connection or pivot that will allow the desired lateral pivoting movement. Typically, the hinged connection or pivot must also be able to transfer large vertical loads between adjacent sections of the structure. Generally, the hinged connection or pivot is located near the bottom of the structure. However, as noted above, a SALM is typically jointed or connected at both the bottom and top of the riser.

Som en ytterligere komplikasjon krever leddete offshore-konstruksjoner vanligvis bruk av et middel til å overføre torsjonsbelastninger mellom hosliggende seksjoner i konstruksjonen. Offshore-konstruksjoner er sjelden, hvis noen gang, perfekt symmetrisk. Vind, bølger og havstrømmer som treffer på en asymmetrisk konstruksjon skaper ujevne krefter som har tendens til å vri konstruksjonen om dens vertikale akse. Disse vridningskrefter må overføres til og motvirkes av konstruksjonens fundament for å hindre skade på eller destruering av strømningsledninger, brønnledere, og andre komponenter i konstruksjonen. As a further complication, articulated offshore structures usually require the use of a means of transferring torsional loads between adjacent sections of the structure. Offshore structures are rarely, if ever, perfectly symmetrical. Wind, waves and ocean currents hitting an asymmetrical structure create uneven forces that tend to twist the structure about its vertical axis. These twisting forces must be transferred to and counteracted by the structure's foundation to prevent damage to or destruction of flow lines, well conductors, and other components in the structure.

Hittil er et stort antall mekaniske anordninger, slik som universalledd og kuleledd blitt foreslått for bruk som leddete forbindelser eller pivoter ved leddete offshore-konstruksjoner. Bruken av et universalledd har fordelen med å kombinere den leddete forbindelsen eller pivoten og torsjonsmidlet. Se eksempelvis fig. 10 i US-patent nr. 3.626.701. Bruken av et kuleledd (f.eks. pivot) krever bruken av et separat torsjonsmiddel. Se eksempelvis det hengsel som er omtalt i US-patent nr. 3.735.597. Andre typer av mekaniske pivoter er blitt foreslått til bruk i leddete offshore-konstruksjoner. Se eksempelvis US-patent nr. 3.636.716 og 4.231.632. To date, a large number of mechanical devices, such as universal joints and ball joints, have been proposed for use as articulated connections or pivots in articulated offshore constructions. The use of a universal joint has the advantage of combining the articulated connection or pivot and the torsional means. See, for example, fig. 10 in US Patent No. 3,626,701. The use of a ball joint (e.g. pivot) requires the use of a separate torsional means. See, for example, the hinge described in US patent no. 3,735,597. Other types of mechanical pivots have been proposed for use in articulated offshore structures. See, for example, US patent no. 3,636,716 and 4,231,632.

De mekaniske anordninger som tidligere er foreslått for bruk som leddete forbindelser eller pivoter ved leddete offshore-konstruksjoner innbefatter typisk bevegelige deler som utsettes for slitasje og som må vedlikeholdes under konstruksjonens levetid. I dype farvann er vedlikehold av slike anordninger, i beste fall, uhyre vanskelig og kostbart. Reparasjon eller utskifting av slike anordninger kan være en praktisk umulighet. For store konstruksjoner, eller konstruksjoner på dypt vann, er de belastninger som må overføres av slike anordninger så store at vanlige anvendte mekaniske forbindelser eller pivoter er upraktiske. Dessuten krever bruken av en mekanisk forbindelse eller pivot vanligvis at belastninger overføres gjennom et enkelt punkt som ikke har noen redundans. The mechanical devices that have previously been proposed for use as articulated connections or pivots in articulated offshore structures typically include moving parts that are subject to wear and tear and that must be maintained during the life of the structure. In deep waters, maintenance of such devices is, at best, extremely difficult and expensive. Repair or replacement of such devices may be a practical impossibility. For large structures, or structures in deep water, the loads that must be transferred by such devices are so great that the usual mechanical connections or pivots used are impractical. Also, the use of a mechanical connection or pivot usually requires loads to be transmitted through a single point that has no redundancy.

Følgelig eksisterer behovet for en pivot eller forbindelse som er egnet for bruk i en leddet offshore-konstruksjon, som ikke har noen bevegelige deler, som er i stand til å overføre store belastninger, som er i stand til redundans, og som krever lite eller intet vedlikehold under konstruksjonens levetid. Accordingly, the need exists for a pivot or connection suitable for use in an articulated offshore structure, which has no moving parts, is capable of transmitting large loads, is capable of redundancy, and requires little or no maintenance during the lifetime of the structure.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en bøybar forbindelse av den innledningsvis nevnte type, og som ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at nevnte ledd utgjøres av minst tre langstrakte skjær— og torsjonsledd som er orientert slik at de ligger i et plan som er i alt vesentlig perpendikulært på den i alt vesentlig vertikale akse av nevnte konstruksjon, idet hvert av nevnte ledd har en første ende som er stivt festet til nevnte øvre seksjon og en andre ende som er stivt festet til nevnte nedre seksjon, idet nevnte aksielle belastningsorgan og nevnte skjær- og torsjonsledd er tilpasset til å ivareta sideveis dreining av nevnte øvre seksjon relativt nevnte nedre seksjon ved elastisk bøyning. The present invention provides a bendable connection of the type mentioned at the outset, and which, according to the invention, is characterized by the fact that said joint consists of at least three elongated shear and torsion joints which are oriented so that they lie in a plane which is essentially perpendicular to the all substantially vertical axis of said construction, each of said joints having a first end which is rigidly attached to said upper section and a second end which is rigidly attached to said lower section, said axial loading means and said shear and torsional joints being adapted to take care of lateral rotation of said upper section relative to said lower section during elastic bending.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av den bøybare forbindelsen har den bøybare forbindelsen fire langstrakte skjær- og torsjonsledd forbundet i ende-mot-ende forhold for derved å danne en i alt vesentlig plan primær skjær- og torsjonsramme som ligger i nevnte plan, idet nevnte primære skjær- og torsjonsramme er stivt festet til nevnte øvre seksjon kun ved de motsatte ender av en første diagonal linje hos nevnte primære ramme og til nevnte nedre seksjon kun ved de motsatte ender av en andre diagonal linje hos nevnte primære ramme. According to further embodiments of the bendable connection, the bendable connection has four elongated shear and torsion joints connected in an end-to-end relationship in order to thereby form an essentially planar primary shear and torsion frame which lies in said plane, said primary shear and torsion frame is rigidly attached to said upper section only at the opposite ends of a first diagonal line of said primary frame and to said lower section only at the opposite ends of a second diagonal line of said primary frame.

Nevnte første og andre diagonale linjer kan være i alt vesentlig innbyrdes perpendikulære. Said first and second diagonal lines may be substantially mutually perpendicular.

Den bøybare forbindelsen kan dessuten omfatter en redundant skjær- og torsjonsramme som ligger i alt vesentlig i det samme plan som nevnte primære skjær- og torsjonsramme, idet nevnte redundante fjær og torsjonsramme er stivt festet til nevnte øvre seksjon kun ved de motsatte ender av en første diagonal linje hos nevnte redundante ramme og til nevnte nedre seksjon kun ved de motsatte ender av en andre diagonal linje hos nevnte redundante ramme. De geometriske sentra for nevnte primære og redundante rammer er i alt vesentlig sammenfallende og er plassert ved eller nær den i alt vesentlige vertikale akse for nevnte konstruksjon. Den nevnte første diagonale linje hos nevnte primære ramme er i alt vesentlig sammenfallende med nevnte andre diagonale linje hos nevnte redundante ramme, og nevnte andre diagonale linje hos nevnte primære ramme er i alt vesentlig sammenfallende med nevnte første diagonale linje hos nevnte redundante ramme. Nevnte første og andre diagonale linjer hos nevnte primære ramme er i alt vesentlig innbyrdes perpendikulære, og nevnte første og andre diagonale linjer hos nevnte redundante ramme er i alt vesentlig innbyrdes perpendikulære. The bendable connection may also comprise a redundant shear and torsion frame which lies substantially in the same plane as said primary shear and torsion frame, said redundant spring and torsion frame being rigidly attached to said upper section only at the opposite ends of a first diagonal line at said redundant frame and to said lower section only at the opposite ends of a second diagonal line at said redundant frame. The geometric centers of said primary and redundant frames are substantially coincident and are located at or near the substantially vertical axis of said construction. The said first diagonal line of said primary frame is essentially coincident with said second diagonal line of said redundant frame, and said second diagonal line of said primary frame is essentially coincident with said first diagonal line of said redundant frame. Said first and second diagonal lines of said primary frame are substantially mutually perpendicular, and said first and second diagonal lines of said redundant frame are substantially mutually perpendicular.

Dessuten kan nevnte aksielle belastningsorgan omfatte et langstrakt organ som er plassert i alt vesentlig sammenfallende med nevnte i alt vesentlige vertikale akse for nevnte konstruksjon. Det langstrakte organ kan omfatte et enkelt tubulært element. Eventuelt kan det langstrakte organ omfatte et flertall av konsentriske tubulære elementer, hvor hvert av disse er festet både til nevnte øvre og nedre seksjoner. In addition, said axial load member may comprise an elongated member which is placed substantially coincident with said substantially vertical axis of said construction. The elongate member may comprise a single tubular element. Optionally, the elongate body may comprise a plurality of concentric tubular elements, each of which is attached to both said upper and lower sections.

Den bøybare forbindelse omfatter dessuten minst et førings-organ som er festet til hver av nevnte øvre og nedre seksjoner, og det langstrakte organ strekker seg gjennom og ledes av nevnte føringsorganer. The bendable connection also comprises at least one guide member which is attached to each of said upper and lower sections, and the elongate member extends through and is guided by said guide members.

Det er også mulig å la nevnte aksielle belastningsorgan omfatte et flertall av langstrakte organer som er gruppert i en tett-adskilt samling rundt og i alt vesentlig parallelt med nevnte i alt vesentlig vertikale akse i nevnte konstruksjon, idet hvert av nevnte langstrakte organer er festet til både nevnte øvre og nedre seksjoner. It is also possible to let said axial load member comprise a plurality of elongated members which are grouped in a closely spaced assembly around and substantially parallel to said substantially vertical axis in said construction, each of said elongated members being attached to both said upper and lower sections.

Det bøyelige leddet, ifølge den foreliggende oppfinnelse, ivaretar den ønskede sideveis dreining av den første seksjonen ved elastisk bøyning av visse av dens elementer. Ingen bevegelige deler anvendes. The flexible joint, according to the present invention, takes care of the desired lateral rotation of the first section by elastic bending of certain of its elements. No moving parts are used.

Den faktiske operasjon og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil lettere forstås ved henvisning til den etterfølgende detaljerte beskrivelse og de vedlagte teg-ninger . The actual operation and advantages of the present invention will be more easily understood by reference to the following detailed description and the attached drawings.

Fig. 1 er et perspektivriss som viser hovedkomponentene i Fig. 1 is a perspective view showing the main components of

en første utførelsesform av oppfinnelsen. a first embodiment of the invention.

Fig. 2 er et perspektivriss som viser hovedkomponentene i Fig. 2 is a perspective view showing the main components of

en andre utførelsesform av oppfinnelsen. a second embodiment of the invention.

Fig. 3A t.o.m. 3D er enkelt-streks vertikalriss som respektivt viser defleksjonen hos hver av de fire sideelementene i skjær- og torsjonsrammen for en gitt vipperetning. Fig. 4 er et vertikalriss, delvis i snitt, tatt langs en diagonal linje for konstruksjonen og som viser en utførelsesform av det aksielle belastningselementet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 og 6 er vertikalriss som viser en utførelsesf orm av den foreliggende oppfinnelse som anvender en tett-adskilt samling av langstrakte tubulære elementer som det aksielle belastningselementet. Fig. 7 er et perspektivriss over en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse hvor flere skjær- og torsjonsrammer anvendes til å øke den maksimalt tillatelige vippevinkel. Fig. 8 er et perspektivriss som illustrerer en utførelses-form av den foreliggende oppfinnelse som anvender en redundant skjær- og torsjonsramme. Fig. 9 er et perspektivriss som viser et hjørne av skjær- og Fig. 3A up to and including 3D is a single-line vertical view which respectively shows the deflection of each of the four side elements in the shear and torsion frame for a given tilting direction. Fig. 4 is a vertical view, partly in section, taken along a diagonal line of the construction and which shows an embodiment of the axial load element according to the present invention. Figures 5 and 6 are elevational views showing an embodiment of the present invention which utilizes a closely spaced assembly of elongated tubular members as the axial load member. Fig. 7 is a perspective view of an embodiment of the present invention where several shear and torsion frames are used to increase the maximum permissible tilt angle. Fig. 8 is a perspective view illustrating an embodiment of the present invention which uses a redundant shear and torsion frame. Fig. 9 is a perspective view showing a corner of shear and

torsjonsrammen og det tilhørende støtteelementet. the torsion frame and the associated support element.

Selv om oppfinnelsen vil bli beskrevet i forbindelse med foretrukne utførelsesformer, vil det forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til slike utførelsesformer. Tvert imot er det beregningen å dekke samtlige alternativer, modifikasjoner og ekvivalenter som kan inngå innenfor oppfinnelsens idé og omfang. Although the invention will be described in connection with preferred embodiments, it will be understood that the invention is not limited to such embodiments. On the contrary, it is calculated to cover all alternatives, modifications and equivalents that can be included within the idea and scope of the invention.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en bøybar konstruksjonsmessig forbindelse eller "bøyelig ledd" som er egnet til bruk i en leddet konstruksjon, som ikke har noen bevegelige deler, lett kan overføre store belastninger, er i stand til å tilveiebringe redundans, og krever lite eller intet vedlikehold gjennom hele konstruksjonens levetid. Disse og øvrige fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse. Det bør bemerkes at selv om oppfinnelsen vil bli beskrevet i forbindelse med en leddet offshore-konstruksjon, er den også egnet til bruk i andre typer av leddete konstruksjoner. Følgelig er samtlige slike anvendelser tilsiktet å ligge innenfor oppfinnelsens omf ang. The present invention provides a flexible structural connection or "flexible joint" suitable for use in an articulated structure, which has no moving parts, can easily transfer large loads, is capable of providing redundancy, and requires little or no maintenance throughout the lifetime of the construction. These and other advantages of the invention will be apparent from the following detailed description. It should be noted that although the invention will be described in connection with an articulated offshore construction, it is also suitable for use in other types of articulated constructions. Consequently, all such applications are intended to be within the scope of the invention.

Ser man nå på fig. 1, er der vist en offshore-konstruksjon 10 som er plassert i et legeme av vann 12 og som har en øvre seksjon 14 og en nedre seksjon 16. Den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 er vist i blokkform for enkelhets skyld og for å lette forståelsen. I realiteten er det imidlertid sannsynlig at den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 ville bestå av fagverk, slik det er velkjent innenfor teknikken. Alternativt kan den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 være en hvilken som helst annen type av konstruksjon, slik som et stigerør i en SALM. Den øvre seksjonen 14 strekker seg oppad mot overflaten (ikke vist) av vannlegemet 12. Den nedre seksjonen 16 strekker seg nedad mot bunnen (ikke vist) av vannlegemet 12. Den nedre seksjonen 16 kan være basisen for konstruksjonen 10 og kan ha en høyde av kun noen få fot. Alternativt kan den nedre seksjonen 16 være den nedre seksjonen av et hybridtårn eller stigerør hos en SALM og følgelig ha en høyde av flere hundre fot. Den øvre seksjonen 14 utsettes for tverrgående belastninger som skyldes vind, bølger og strøm. Det er ønskelig å tillate at den øvre seksjonen 14 dreier seg sideveis relativt den nedre seksjonen som reaksjon på slike tverrgående belastninger. Looking now at fig. 1, there is shown an offshore structure 10 which is located in a body of water 12 and which has an upper section 14 and a lower section 16. The upper section 14 and the lower section 16 are shown in block form for convenience and for to facilitate understanding. In reality, however, it is likely that the upper section 14 and the lower section 16 would consist of trusses, as is well known in the art. Alternatively, the upper section 14 and the lower section 16 may be any other type of construction, such as a riser in a SALM. The upper section 14 extends upwards towards the surface (not shown) of the body of water 12. The lower section 16 extends downward towards the bottom (not shown) of the body of water 12. The lower section 16 may be the base of the structure 10 and may have a height of only a few feet. Alternatively, the lower section 16 may be the lower section of a hybrid tower or riser of a SALM and thus have a height of several hundred feet. The upper section 14 is exposed to transverse loads caused by wind, waves and current. It is desirable to allow the upper section 14 to rotate laterally relative to the lower section in response to such transverse loads.

Den ønskede sideveisdreining av den øvre øvre seksjonen 14 ivaretas av det bøyelige leddet, generelt angitt med henvisningstallet 18, ifølge den foreliggende oppfinnelse. Slik det vil bli beskrevet i det etterfølgende i nærmere detalj, ivaretar den bøyelige forbindelse 18 sideveis-dreiningen av den øvre seksjonen 14 ved elastisk bøyning av visse av dens elementer. Det bøyelige leddet 18 er også i stand til å overføre samtlige skjær- og torsjonsbelastninger fra den øvre seksjonen 14 til den nedre seksjonen 16. Som vist i fig. 1 består det bøyelige leddet 18 av et aksielt belastningsorgan 20 og minst tre langstrakte skjær- og torsjonsledd 21. Hvert av leddene 21 er forbundet ved en av sine ender til den øvre seksjonen 14 ved hjelp av et første støtteelement 23 og ved sin andre ende til den nedre seksjonen 16 ved hjelp av et andre støtteelement 25. Fortrinnsvis er leddene 21 og støtteelementene 23 og 25 konstruert av stålrør av den type som vanligvis anvendes for fagverkene i en offshore-konstruksjon. Andre typer av konstruksjonselementer kan også anvendes, hvis ønskelig. The desired lateral rotation of the upper upper section 14 is taken care of by the flexible link, generally indicated by the reference numeral 18, according to the present invention. As will be described hereinafter in more detail, the flexible connection 18 takes care of the lateral rotation of the upper section 14 by elastic bending of certain of its elements. The flexible joint 18 is also able to transfer all shear and torsional loads from the upper section 14 to the lower section 16. As shown in fig. 1, the flexible link 18 consists of an axial loading member 20 and at least three elongated shear and torsion links 21. Each of the links 21 is connected at one of its ends to the upper section 14 by means of a first support element 23 and at its other end to the lower section 16 by means of a second support element 25. Preferably, the joints 21 and the support elements 23 and 25 are constructed of steel pipes of the type usually used for the trusses in an offshore construction. Other types of construction elements can also be used, if desired.

Fig. 1 illustrerer et plan "P" plassert mellom den øvre seksjonen 14 og nedre seksjon 16. Planet "P" er i alt vesentlig perpendikulært på den vertikale aksen (langsgående senterlinje) for konstruksjonen 10. Fortrinnsvis er hvert skjær- og torsjonsledd 21 orientert slik at dets langsgående senterlinje ligger i alt vesentlig i plan "P". Hvis det imidlertid er ønskelig, kan ett eller flere av leddene 21 være skråstilt relativt planet "P" i en vinkel av inntil 15°. Fig. 1 illustrates a plane "P" located between the upper section 14 and the lower section 16. The plane "P" is substantially perpendicular to the vertical axis (longitudinal centerline) of the structure 10. Preferably, each shear and torsion joint 21 is oriented so that its longitudinal center line lies substantially in plane "P". However, if it is desired, one or more of the joints 21 can be inclined relative to the plane "P" at an angle of up to 15°.

De tre skjær- og tors jonsleddene kan ha lik eller ulik lengde, alt etter ønske. Dessuten er ingen spesiell orientering av leddene 21 innenfor planet "P" nødvendig. Imidlertid bør fortrinnsvis ikke mer enn to av de tre leddene 21 være kolineære. Leddene 21 kan være plassert innenfor The three shear and tors ion joints can have the same or different lengths, as desired. Moreover, no special orientation of the joints 21 within the plane "P" is necessary. However, preferably no more than two of the three links 21 should be collinear. The joints 21 can be located within

eller utenfor konstruksjonens 10 omkrets, og støtteelementene or outside the structure's 10 perimeter, and the support elements

23 og 25 på et gitt ledd 21 kan ombyttes, hvis ønskelig. I 23 and 25 on a given section 21 can be exchanged, if desired. IN

en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen vil de tre skjær- og torsjonsleddene 21 ha i alt vesentlig like lengder og vil være orientert langs sidene av en likesidet trekant plassert i alt vesentlig i plan "P". in a preferred embodiment of the invention, the three shear and torsion joints 21 will have substantially equal lengths and will be oriented along the sides of an equilateral triangle located substantially in plane "P".

Fortrinnsvis er det aksielle belastningsorganet 20 et langstrakt tubulært organ som er i alt vesentlig sammenfallende med den vertikale akse (langsgående senterlinje) for konstruksjonen 10. Hvis ønskelig, kan det aksielle belastningsorganet 20 være sideveis forskjøvet fra den vertikale aksen. Som det vil bli beskrevet nærmere i det etter-følgende, er det aksielle belastningsorganet 20 festet både til den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 og er i stand til å overføre vertikale (langsgående) belastninger mellom disse. Preferably, the axial load member 20 is an elongate tubular member which is substantially coincident with the vertical axis (longitudinal centerline) of the structure 10. If desired, the axial load member 20 can be laterally offset from the vertical axis. As will be described in more detail below, the axial load member 20 is attached to both the upper section 14 and the lower section 16 and is capable of transmitting vertical (longitudinal) loads therebetween.

Som vist i fig. 1 omfatter støtteelementene 23 og 25 fagverk konstruert av stålrør, som hver har en i alt vesentlig vertikal sentersøyle og to vinklede avstivere. Andre hensiktsmessige støtteorgan vil være innlysende for fagfolk. Fig. 2 viser en andre utførelsesform av oppfinnelsen hvor fire skjær- og torsjonsledd 22a, 22b, 22c og 22d er forbundet til å danne en i alt vesentlig plan skjær- og torsjonsramme 22. Den gjenværende del av beskrivelsen vil bli rettet mot utførelsesformen som er vist i fig. 2 og visse varianter derav. As shown in fig. 1, the support elements 23 and 25 comprise trusses constructed of steel pipes, each of which has a substantially vertical center column and two angled braces. Other appropriate supporting bodies will be obvious to those skilled in the art. Fig. 2 shows a second embodiment of the invention where four shear and torsion joints 22a, 22b, 22c and 22d are connected to form an essentially planar shear and torsion frame 22. The remaining part of the description will be directed to the embodiment which is shown in fig. 2 and certain variants thereof.

Skjær- og torsjonsrammen 22 er plassert mellom øvre seksjon 14 og nedre seksjon 16 og ligger, fortrinnsvis, i et plan som er i alt vesentlig perpendikulært på den vertikale aksen for konstruksjonen 10. Fortrinnsvis er det geometriske senter for rammen 22 plassert ved eller nær den vertikale aksen (langsgående senterlinje) for konstruksjonen 10. Som vist i fig. 2 omfatter rammen 22 en firkantet ramme. Imidlertid kan andre plane former også anvendes. Fortrinnsvis konstrueres rammen 22 av stålrør av den type som generelt anvendes for fagverk i en offshore-konstruksjon. Imidlertid kan andre typer av konstruksjonsmessige elementer også anvendes. The shear and torsion frame 22 is located between the upper section 14 and the lower section 16 and preferably lies in a plane substantially perpendicular to the vertical axis of the structure 10. Preferably, the geometric center of the frame 22 is located at or near the the vertical axis (longitudinal center line) of the structure 10. As shown in fig. 2, the frame 22 comprises a square frame. However, other planar shapes can also be used. Preferably, the frame 22 is constructed of steel tubes of the type generally used for trusses in an offshore construction. However, other types of structural elements can also be used.

Skjær- og torsjonsrammen 22 er festet til øvre seksjon 14 ved hjelp av støtteelementer 26 og 30 og til nedre seksjon 16 av støtteelementer 24 og 28. Støtteelementene 26 og 30 er festet henholdsvis til rammen 22 ved motsatte ender av den diametrale linje "X". Som her anvendt og i kravene betyr "diametral linje" et linjesegment som ligger i planet for rammen som passerer i alt vesentlig gjennom det geometriske senter for rammen og forbinder diametralt motstående punkter på rammen. Støtteelementene 24 og 28 er respektive festet til rammen 22 ved motsatte ender av den diametrale linjen "Y". Fortrinnsvis er diametrale linjer "X" og "Y" i alt vesentlig innbyrdes perpendikulære. I tilfellet av en firkantet skjær- og torsjonsramme, som vist i fig. 2, er de foretrukne støttepunktene de fire hjørnene i rammen og de diametrale linjer "X" og "Y" er diagonale linjer som forbinder motsatte hjørner. The shear and torsion frame 22 is attached to the upper section 14 by support members 26 and 30 and to the lower section 16 by support members 24 and 28. The support members 26 and 30 are respectively attached to the frame 22 at opposite ends of the diametrical line "X". As used herein and in the claims, "diametrical line" means a line segment lying in the plane of the frame that passes substantially through the geometric center of the frame and connects diametrically opposite points on the frame. The support members 24 and 28 are respectively attached to the frame 22 at opposite ends of the diametrical line "Y". Preferably, diametrical lines "X" and "Y" are substantially mutually perpendicular. In the case of a square shear and torsion frame, as shown in fig. 2, the preferred fulcrums are the four corners of the frame and the diametrical lines "X" and "Y" are diagonal lines connecting opposite corners.

Som vist i fig. 2 understøttes rammen 22 ved fire punkter som er adskilt rundt dens periferi med støtteretningen vekslende fra punkt til punkt. Således, slik som med utførelsesformen vist i fig. 1, blir hver av de individuelle sideorganer 22a, 22b, 22c og 22d forbundet ved en av dens ender til den øvre seksjonen 14 og ved sin andre ende til nedre seksjon 16. As shown in fig. 2, the frame 22 is supported at four points spaced around its periphery with the direction of support alternating from point to point. Thus, as with the embodiment shown in fig. 1, each of the individual side members 22a, 22b, 22c and 22d is connected at one of its ends to the upper section 14 and at its other end to the lower section 16.

Idet der nå vises til fig. 3A t.o.m. 3D, vil den måte hvorved skjær- og torsjonsrammen 22 bøyer seg for å oppta sideveis dreining av den øvre seksjonen 14, bli beskrevet. Fig. 3A t.o.m. 3D viser i elevasjon defleksjonen hos de respektive fire sideelementene 22a, 22b, 22c og 22d i rammen 22 for en gitt vipperetning. Vipperetningen er angitt ved toppen av hvert riss. Defleksjonen av den øvre seksjonen 14 er blitt overdrevet av hensyn til illustrasjonen. Typisk vil den maksimale defleksjon for den øvre seksjonen 14 ikke over-skride noen få grader. De ikke deflekterte posisjoner for den øvre seksjonen 14, det aksielle belastningsorganet 20, de relevante støtteelementer 26 eller 30 og det relevante sideelementet 22a, 22b, 22c eller 22d hos rammen 22 er angitt med stiplede linjer og de deflekterte posisjoner med heltrukne linjer. Som vist i fig. 3A, for den angitte vipperetning, er sideelementet 22a elastisk bøyet oppad i en enkelt jevn kurve. Som vist i fig. 3B t.o.m. 3D, for den samme vipperetning, er sideelementet 22b eleastisk bøyet nedad i en dobbeltkurve, sideelementet 22c er elastisk bøyet nedad i en enkelt kurve og sideelementet 22d er elastisk bøyet oppad i en dobbelt kurve. Since reference is now made to fig. 3A up to and including 3D, the manner in which the shear and torsion frame 22 bends to accommodate lateral rotation of the upper section 14 will be described. Fig. 3A up to and including 3D shows in elevation the deflection of the respective four side elements 22a, 22b, 22c and 22d in the frame 22 for a given tilting direction. The tilt direction is indicated at the top of each drawing. The deflection of the upper section 14 has been exaggerated for the sake of illustration. Typically, the maximum deflection for the upper section 14 will not exceed a few degrees. The undeflected positions of the upper section 14, the axial load member 20, the relevant support members 26 or 30 and the relevant side member 22a, 22b, 22c or 22d of the frame 22 are indicated by dashed lines and the deflected positions by solid lines. As shown in fig. 3A, for the indicated tilting direction, the side member 22a is elastically bent upwards in a single smooth curve. As shown in fig. 3B up to and including 3D, for the same tilt direction, the side member 22b is elastically bent downward in a double curve, the side member 22c is elastically bent downward in a single curve, and the side member 22d is elastically bent upward in a double curve.

For enkelhets skyld ble vipperetningen som er vist i fig. 3A t.o.m. 3D antatt å være perpendikulær på sideelementene 22b og 22d for rammen 22. I realiteten er vipperetningen sannsynlig skrå relativt hvert av sideelementene i rammen 22 (eller relativt de individuelle skjær- og torsjonsleddene 21 i utførelsesformen vist i fig. 1). Imidlertid kan defleksjonen for sideelementene 22a, 22b, 22c og 22d (eller leddene 21) for en hvilken som helst vipperetning bestemmes ved å oppløse den påførte belastning i dens ortogonale komponenter og addere defleksjonene som skyldes hver komponent. Så lenge som den maksimale bøyningspåkjenning i hvert av sideelementene 22a, 22b, 22c og 22d (eller leddene 21) ikke overskrider den elastiske grense for konstruksjonsmaterialet, vil sideelementene (eller leddene) gå tilbake til sine ikke-deflekterte posisjoner når den påførte belastning slippes. For simplicity, the tilting direction shown in fig. 3A up to and including 3D assumed to be perpendicular to the side members 22b and 22d of the frame 22. In reality, the tilting direction is likely oblique relative to each of the side members of the frame 22 (or relative to the individual shear and torsion members 21 in the embodiment shown in Fig. 1). However, the deflection of the side members 22a, 22b, 22c and 22d (or links 21) for any rocker direction can be determined by resolving the applied load into its orthogonal components and adding the deflections due to each component. As long as the maximum bending stress in each of the side members 22a, 22b, 22c and 22d (or joints 21) does not exceed the elastic limit of the structural material, the side members (or joints) will return to their undeflected positions when the applied load is released.

Støtteelementene 24, 26, 28 og 30 er stivt festet (f.eks. ved sveisning eller bolting) til skjær- og torsjonsrammen 22 og til øvre seksjon 14 eller nedre seksjon 16, avhengig av hva som passer. Fortrinnsvis bør forbindelsene mellom hvert individuelle støtteelement og rammen 22 utformes til å redusere spenningskonsentrasjoner (og derfor tretthet). Fig. 9 viser en mulig utformning for forbindelsen mellom støtte-elementet 30 og hjørnet på rammen 22 dannet av sideelementene 22a og 22d. Som vist, består støtteelementet 30 av en i alt vesentlig vertikal sentersøyle 30a og to vinklede avstivere 30b og 30c. Typisk vil sentersøylen 30a ha en større diameter enn hvert av sideelementene 22a og 22d eller avstiverne 30b og 30c. Forbindelsene mellom de forskjellige konstruksjonselementer er sveiset. Andre mulige forbind-elseskonstruksjoner vil være innlysende for fagfolk. The support members 24, 26, 28 and 30 are rigidly attached (eg by welding or bolting) to the shear and torsion frame 22 and to the upper section 14 or lower section 16, as appropriate. Preferably, the connections between each individual support member and the frame 22 should be designed to reduce stress concentrations (and therefore fatigue). Fig. 9 shows a possible design for the connection between the support element 30 and the corner of the frame 22 formed by the side elements 22a and 22d. As shown, the support element 30 consists of a substantially vertical center column 30a and two angled braces 30b and 30c. Typically, the center column 30a will have a larger diameter than each of the side elements 22a and 22d or the braces 30b and 30c. The connections between the various structural elements are welded. Other possible connection constructions will be obvious to those skilled in the art.

Som beskrevet ovenfor er skjær- og torsjonsrammen 22 og støtteelementene 24, 26, 28 og 30 i stand til å overføre til den nedre seksjon 16 samtlige belastninger som skyldes sideveis dreining av den øvre seksjonen 14. Disse belastninger blir primært overført ved bøyning av de individuelle sideelementer 22a, 22b, 22c og 22d hos rammen 22, som vist i fig. 3A t.o.m. 3D. Slik det vil være innlysende for fagfolk, er rammen 22 og støtteelementene 24, 26, 28 og 30 også i stand til å sende til nedre seksjon 16 samtlige torsjonsmessige belastninger som skyldes vridning av den øvre seksjonen 14 om dens vertikale (langsgående) akse. Disse torsjonsmessige belastninger overføres ved hjelp av støtte-elementene 26 og 30 til rammen 22 og så ved hjelp av støtteelementene 24 og 28 til den nedre seksjonen 16. P.g.a. den enestående fremgangsmåten for understøttelse av rammen 22, som beskrevet overfor, er imidlertid rammen 22 ikke i stand til å overføre store vertikale (langsgående) belastninger mellom den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16. Store vertikale belastninger som påføres rammen 22 gjennom støtteelementene 26 og 30 ville bevirke for stor bøyning i sideelementene 22a, 22b, 22c og 22d, hvorved rammen 22 skades eller ødelegges. Følgelig må midler tilveiebringes for å overføre vertikale belastninger mellom den øvre seksjonen 14 og nedre seksjonen 16 og for å isolere rammen 22 mot skadelige virkninger ved dette. Dessuten bør slike midler for å overføre vertikale belastninger ikke i for stor grad forstyrre bøyninger .av forbindelsen 18. As described above, the shear and torsion frame 22 and the support members 24, 26, 28 and 30 are capable of transferring to the lower section 16 all loads resulting from lateral rotation of the upper section 14. These loads are primarily transferred by bending of the individual side elements 22a, 22b, 22c and 22d of the frame 22, as shown in fig. 3A up to and including 3D. As will be apparent to those skilled in the art, the frame 22 and support members 24, 26, 28 and 30 are also capable of transmitting to the lower section 16 all torsional loads resulting from twisting of the upper section 14 about its vertical (longitudinal) axis. These torsional loads are transferred by means of the support elements 26 and 30 to the frame 22 and then by means of the support elements 24 and 28 to the lower section 16. P.g.a. however, the unique method of supporting the frame 22, as described above, the frame 22 is not capable of transferring large vertical (longitudinal) loads between the upper section 14 and the lower section 16. Large vertical loads applied to the frame 22 through the support members 26 and 30 would cause excessive bending in the side members 22a, 22b, 22c and 22d, whereby the frame 22 is damaged or destroyed. Accordingly, means must be provided to transfer vertical loads between the upper section 14 and the lower section 16 and to isolate the frame 22 from the deleterious effects thereof. Moreover, such means for transmitting vertical loads should not interfere too much with bending of the connection 18.

Det aksiale belastningsorganet 20 tilfredsstiller de foregående kriterier. Organet 20 er festet både øvre seksjon 14 og nedre seksjon 16 og er i stand til å overføre samtlige vertikale (langsgående) belastninger derimellom. Som angitt ovenfor er organet 20 fortrinnsvis et langstrakt tubulaert element som er i alt vesentlig sammenfallende med den vertikale aksen for konstruksjonen 10. For formål i tilknytning til den etterfølgende beskrivelse, skal det antas at konstruksjonens 10 vertikale akse er sammenfallende med den nøytrale bøyningsaksen for konstruksjonen 10 for en hvilken som helst vipperetning. Derfor, som vist i fig. 3A og 3C, vil organet 20 bli plassert i enkel bøyning ved sideveis dreining av den øvre seksjonen 14. Organet 20 fungerer således i alt vesentlig som en lang søyleformet-eller stangfjær og vil ikke for stor grad forstyrre bøyningen av leddet 18. Organets 20 stivhet vil primært være avhengig av dens bøyestivhet og den ikke-understøttede lengde som er utsatt for bøyning. The axial load member 20 satisfies the preceding criteria. The body 20 is attached to both the upper section 14 and the lower section 16 and is capable of transferring all vertical (longitudinal) loads therebetween. As indicated above, the member 20 is preferably an elongate tubular member which is substantially coincident with the vertical axis of the structure 10. For purposes of the following description, it shall be assumed that the vertical axis of the structure 10 is coincident with the neutral bending axis of the structure 10 for any tilt direction. Therefore, as shown in fig. 3A and 3C, the member 20 will be placed in simple bending by lateral rotation of the upper section 14. The member 20 thus functions essentially as a long columnar or bar spring and will not interfere too much with the bending of the joint 18. The member 20's stiffness will depend primarily on its bending stiffness and the unsupported length subjected to bending.

Det aksielle belastningsorganet 20 kan være et enkelt tubulært element av den type som vanligvis anvendes i offshore-konstruksjoner. Alternativt, for å tilføye ønskelig redundans, kan organet 20 bestå av et flertall konsentriske tubulaere elementer, som vist i fig. 4. Fig. 4 er et tverr-snittriss av konstruksjonen 10 tatt langs en diagonal linje slik som den diametrale linjen "X" (se fig. 2). I fig. 4 kan organet 20 bestå av tre konsentriske tubulaere elementer 20a, 20b og 20c som avsluttes på forskjellige nivåer over og under leddet 18. Det tubulære elementet 20a er det lengste av de tre konsentriske tubulære elementene. Det tubulære elementet 20b er kortere enn det tubulære elementet 20a og passer løst over dette slik at det tubulære elementet 20a strekker seg forbi øvre og nedre ender av det tubulære elementet 20b. Det tubulære elementet 20c er det korteste av de tre konsentriske tubulære elementene og passer løst over det tubulære elemetet 20b slik at begge tubulære elementer 20a og 20b strekker seg forbi øvre og nedre ende av det tubulære elementet 20c. De øvre og nedre ender av de tre konsentriske tubulære elementene er sveiset eller på annen måte festet, respektivt, til fagverket (f.eks. horisontale bjelkeelementer 36 og vinkelete støtteelementer 38) hos den øvre seksjonen 14 og nedre seksjonen 16. The axial load member 20 can be a single tubular element of the type usually used in offshore constructions. Alternatively, to add desirable redundancy, the member 20 may consist of a plurality of concentric tubular elements, as shown in fig. 4. Fig. 4 is a cross-sectional view of the construction 10 taken along a diagonal line such as the diametrical line "X" (see Fig. 2). In fig. 4, the organ 20 may consist of three concentric tubular elements 20a, 20b and 20c which terminate at different levels above and below the joint 18. The tubular element 20a is the longest of the three concentric tubular elements. The tubular member 20b is shorter than the tubular member 20a and fits loosely over it so that the tubular member 20a extends past the upper and lower ends of the tubular member 20b. The tubular member 20c is the shortest of the three concentric tubular members and fits loosely over the tubular member 20b so that both tubular members 20a and 20b extend past the upper and lower ends of the tubular member 20c. The upper and lower ends of the three concentric tubular members are welded or otherwise attached, respectively, to the framework (eg, horizontal beam members 36 and angled support members 38) of the upper section 14 and lower section 16.

Føringer 40 er stivt festet til den enden av den øvre seksjonen 14 og den øvre enden av den nedre seksjonen 16. Det aksielle belastningsorganet 20 strekker seg gjennom og ledes av føringene 40. Hvis ønskelig kan ytterligere føringer (ikke vist) festet til den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 og adskilles langs organets 20 lengde. Føringene 40 tillater det aksielle belastningsorganet 20 å spre sin bøyning over en lang distanse og, derfor, redusere bøyningspåkjenningen i organet 20. Guides 40 are rigidly attached to the end of the upper section 14 and the upper end of the lower section 16. The axial load member 20 extends through and is guided by the guides 40. If desired, additional guides (not shown) can be attached to the upper section 14 and the lower section 16 and are separated along the length of the body 20. The guides 40 allow the axial load member 20 to spread its bending over a long distance and, therefore, reduce the bending stress in the member 20.

Som angitt ovenfor, er stivheten hos det aksielle belastningsorganet 20 primært avhengig av dets bøyelige stivhet og den ikke-understøttende lengden som utsettes for bøyning. Således kan stivheten lett varieres ved å variere stedene hvor organetet 20 er festet til den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16. Eksempelvis kan organet 20 festes til den øvre seksjonen 14 kun ved eller nær dens øvre ende. I dette tilfellet ville den ikke-understøttede lengden av organet 20 være ganske stor og stivheten for organet 20 ville være ganske lav. Alternativt kan organet 20 festes til den øvre seksjonen 14 nær dens nedre ende, i hvilket tilfelle organets 20 stivhet ville være vesentlig høyere. As indicated above, the stiffness of the axial load member 20 is primarily dependent on its flexural stiffness and the non-supporting length subjected to bending. Thus, the stiffness can be easily varied by varying the places where the organ 20 is attached to the upper section 14 and the lower section 16. For example, the organ 20 can be attached to the upper section 14 only at or near its upper end. In this case, the unsupported length of the member 20 would be quite large and the stiffness of the member 20 would be quite low. Alternatively, the member 20 could be attached to the upper section 14 near its lower end, in which case the stiffness of the member 20 would be substantially higher.

Ser man nå på fig. 5 og 6, vil en alternativ utførelsesform av det aksielle belastningselementet bli beskrevet. Som vist i fig. 5 og 6 omfatter det aksielle belastningselementet et flertall av hovedpeler 42 (to er vist). Eovedpelene 42 kan være tubulære enkelt-elementer eller konsentrisk tubulære elementer, som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 4. Fortrinnsvis er hver hovedpel 42 festet til kun den øvre seksjon 14 ved eller nær den øvre enden for den øvre seksjonen 14. Hovedpelene 42 strekker seg nedad gjennom en serie av hovedpelføringer 44 adskilt langs lengden for den øvre seksjonen 14. Hovedpelføringene 44 er stivt festet til horisontale bjelkeelementer 36 som danner del av fagverket i den øvre seksjonen 14. Looking now at fig. 5 and 6, an alternative embodiment of the axial load element will be described. As shown in fig. 5 and 6, the axial load member comprises a plurality of main columns 42 (two are shown). The Eoved piles 42 can be tubular single elements or concentric tubular elements, as described above in connection with fig. 4. Preferably, each main pile 42 is attached to only the upper section 14 at or near the upper end of the upper section 14. The main piles 42 extend downwardly through a series of main pile guides 44 spaced along the length of the upper section 14. The main pile guides 44 are rigid attached to horizontal beam elements 36 which form part of the truss in the upper section 14.

Den nedre seksjonen 16 kan være en kjeglestumpformet fagverkkonstruksjon som vist i fig. 5 eller en fagverkkonstruksjon med konstant bredde, som vist i fig. 6. I det ene eller annet tilfelle er seksjonen 16 stivt festet til bunnen 46 av vannlegemet 12 ved hjelp av peler 48 (fig. 5) eller 50 (fig. 6). Alternativt kan en seksjon 16 være en tyngdebasis, slik det er velkjent innenfor teknikken. Hovedpelene 42 kan være festet til den nedre seksjonen 16 på den måte som er tidligere beskrevet i forbindelse med fig. 4. Alternativt, som vist i fig. 5, kan et flertall av hovedpel-hylser 52 være stivt festet til fagverket i den nedre seksjonen 16. Hovedpelhylsene 52 er plassert slik at de er respektivt vertikalt innrettet med hver av hovedpelene 42. De nedre endene av hovedpelene 42 strekker seg inn i hovedpelhylsene 52 og er faststøpt eller på annen måte fastgjort dertil. I en annen utførelsesform, vist i fig. 6, er hovedpelene 42 ikke festet til den nedre seksjonen 16. I stedet passerer hovedpelene 42 gjennom en eller flere ytterligere hovedpelføringer 54 festet til fagverket i den nedre seksjonen 16 og strekker seg inn i hunnen 46 av vannlegemet 12. I denne utførelsesform blir vertikale belastninger overført ved hjelp av hovedpeler 42 direkte fra den øvre seksjonen 14 til bunnen 46 for vannlegemet 12. The lower section 16 can be a frustoconical truss structure as shown in fig. 5 or a truss construction with a constant width, as shown in fig. 6. In either case, the section 16 is rigidly attached to the bottom 46 of the body of water 12 by means of piles 48 (Fig. 5) or 50 (Fig. 6). Alternatively, a section 16 can be a gravity base, as is well known in the art. The main piles 42 can be attached to the lower section 16 in the manner previously described in connection with fig. 4. Alternatively, as shown in fig. 5, a plurality of main pile sleeves 52 may be rigidly attached to the truss in the lower section 16. The main pile sleeves 52 are positioned so that they are respectively vertically aligned with each of the main piles 42. The lower ends of the main piles 42 extend into the main pile sleeves 52 and is cast or otherwise attached thereto. In another embodiment, shown in fig. 6, the main piles 42 are not attached to the lower section 16. Instead, the main piles 42 pass through one or more additional main pile guides 54 attached to the truss in the lower section 16 and extend into the female 46 of the body of water 12. In this embodiment, vertical loads transferred by means of main pillars 42 directly from the upper section 14 to the bottom 46 of the body of water 12.

I utførelsesformen ifølge oppfinnelsen vist i fig. 5 og 6, er det sannsynlig at en samling av hovedpeler 42 ville bli anvendt til å tilveiebringe den ønskelige redundans. Slik en samling kan omfatte så mange som åtte eller flere peler 42. I denne utførelsesform vil påkjenningen i en hvilken som helst individuell hovedpel bli avhengig av motstandsmomentet for hele samlingen. Følgelig bør samlingen av hovedpeler grupperes så tett som mulig rundt konstruksjonens 10 vertikale akse slik at intet individuelt aksielt belastningselement i for stor grad vil bli belastet ved bøyningen av leddet 18. Når den øvre seksjonen 14 dreier seg sideveis, vil visse av hovedpelene 42 bli plassert i strekk, mens andre vil bli plassert i kompresjon. Ettersom imidlertid hovedpelene 42 er ganske lange, bør ikke de resulterende strekk og kompresjonskrefter bli for stor. In the embodiment according to the invention shown in fig. 5 and 6, it is likely that a collection of main pillars 42 would be used to provide the desired redundancy. Such an assembly may comprise as many as eight or more piles 42. In this embodiment, the stress in any individual main pile will depend on the moment of resistance of the entire assembly. Accordingly, the collection of main piles should be grouped as closely as possible around the vertical axis of the structure 10 so that no individual axial load element will be excessively stressed by the bending of the joint 18. As the upper section 14 rotates laterally, certain of the main piles 42 will be placed in tension, while others will be placed in compression. However, since the main piles 42 are quite long, the resulting tension and compression forces should not be too great.

Utførelsesformen vist i fig. 6 omfatter ytterligere pel-føringer 56 festet til den øvre seksjonens 14 utside. Under utsetting og oppreisning av konstruksjonen 10, blir søylene 50 trukket tilbake til den posisjonen som er vist ved de stiplede linjer og festes til både den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16. Dette vil hindre skadelig over-bøyning av leddet 18 under utsetting og oppreisning av konstruksjonen 10. Etter at konstruksjonen 10 er blitt plassert på bunnen 46 av vannlegemet 12, drives pelene 50 gjennom ben 58 inn i bunnen 46, hvorved leddet 18 frigis og konstruksjonen 10 sikres til bunnen 46. Andre midler for midlertidig å feste leddet 18 under utsetting og oppreisning av konstruksjonen 10 vil være innlysende for fagfolk. The embodiment shown in fig. 6 comprises further pile guides 56 attached to the upper section 14's outside. During deployment and erection of the structure 10, the columns 50 are retracted to the position shown by the dashed lines and attached to both the upper section 14 and the lower section 16. This will prevent harmful over-bending of the link 18 during deployment and erecting the structure 10. After the structure 10 has been placed on the bottom 46 of the body of water 12, the piles 50 are driven through legs 58 into the bottom 46, thereby releasing the link 18 and securing the structure 10 to the bottom 46. Other means of temporarily fixing the link 18 during setting out and erecting the structure 10 will be obvious to those skilled in the art.

Fig. 7 illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen i hvilken flere skjær- og torsjonsrammer (to er vist) anvendes til øke den maksimalt tillate vippevinkel for den øvre seksjonen 14 relativt den nedre seksjonen 16. Som vist i fig. 7 består konstruksjonen 10 av den øvre seksjonen 14, den nedre seksjonen 16 og en midtre seksjon 60. To bøyelige ledd 18 er plassert henholdsvis mellom den øvre seksjonen 14 og den midtre seksjonen 60, samt mellom den midtre seksjonen 60 og den nedre seksjonen 16. Hvert av de bøyelige ledd 18 består av en skjær- og torsjonsramme 22 og fire støtter 24, 26, 28 og 30 som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 2. Det aksielle belastningsorganet 20 strekker seg gjennom den øvre seksjonen 14, den midtre seksjonen 60, og den nedre seksjonen 16 og er festet til den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 som tidligere beskrevet. Fortrinnsvis omfatter den midtre seksjonen 60 en eller flere føringer (ikke vist) av den type som er vist i fig. 4 til å lede organet 20. Fig. 7 illustrates an embodiment of the invention in which several shear and torsion frames (two are shown) are used to increase the maximum allowable tilt angle for the upper section 14 relative to the lower section 16. As shown in fig. 7, the construction 10 consists of the upper section 14, the lower section 16 and a middle section 60. Two flexible joints 18 are placed respectively between the upper section 14 and the middle section 60, as well as between the middle section 60 and the lower section 16. Each of the flexible joints 18 consists of a shear and torsion frame 22 and four supports 24, 26, 28 and 30 as described above in connection with fig. 2. The axial load member 20 extends through the upper section 14, the middle section 60, and the lower section 16 and is attached to the upper section 14 and the lower section 16 as previously described. Preferably, the middle section 60 comprises one or more guides (not shown) of the type shown in fig. 4 to lead the body 20.

Utførelsesformen som er vist i fig. 7 vil tillate større vippevinkler enn hva er mulig under anvendelse av et enkelt bøyelig ledd 18. Flere ledd eller forbindelser kan anvendes hvis ønskelig. Som vist i fig. 7, har hvert av leddene den samme vinkelmessige orientering, selv om dette imidlertid ikke er nødvendig. Med andre ord kan hvert av leddene 18 dreies om konstruksjonens 10 vertikale akse til en hvilken som helst posisjon slik at de korresponderende støtte-elementene (f.eks. støtteelementene 24) i hvert ledd ikke er vertikalt innrettet. The embodiment shown in fig. 7 will allow greater tilting angles than is possible using a single flexible joint 18. Several joints or connections can be used if desired. As shown in fig. 7, each of the joints has the same angular orientation, although this is not necessary. In other words, each of the links 18 can be rotated about the vertical axis of the construction 10 to any position so that the corresponding support elements (e.g. the support elements 24) in each link are not vertically aligned.

For å hindre for stor påkjenning som kan være skadelig på det bøyelige leddet 18 (i hvilken som helst av utførelsesformene som her er beskrevet), kan det være ønskelig å tilveiebringe organ for å begrense den maksimalt tillatelige vippevinkel for hvert individuelle ledd. Et slikt hensiktsmessig organ er det mekaniske stopporganet 62 som er plassert under støtteelementet 30 hos det nedre bøyelige leddet 18 i fig. 7 (vist med stiplede linjer). Som vist, består det mekaniske stopporganet 62 av et tre-benet fagverk som har en plate 64 festet til dets øvre ende. Lignende mekaniske stopporgan (ikke vist) ville kunne plasseres under støtteelementet 26 og over støtteelementene 24 og 28. Platene 64 er plassert i en avstand under eller over rammen 22, slik det passer. Den maksimalt tillatelige bøyning av rammen 22 (og derfor den maksimalt tillatelig bøyningspåkjenning i de individuelle sideelementene for rammen 22) vil være bestemt av avstanden mellom rammen 22 og platene 64. Andre egnete midler for å begrense vippevinkelen vil være innlysende for fagfolk. Fig. 7 kan også anvendes for å illustrere bruken av den foreliggende oppfinnelse i en SALM. I en SALM ville midtseksjonen 60 tilsvare stigerøret og følgelig være ganske langt. Den nedre seksjonen 16 ville tilsvare basisen for SALM og den øvre seksjonen 14 ville tilsvare bøyen. Vipperetningen for det øvre bøyelige ledd eller forbindelse vil typisk være den motsatte av vipperetningen for det nedre bøyelige leddet, slik det er velkjent innenfor teknikken. Fig. 8 illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen hvor det bøyelige leddet omfatter en andre redundant skjær- og torsjonsramme 66 og dens fire støtteelementer 68, 70, 72 og 74. For tydelighetsskyld er støtteelementet 30 og et hjørne av rammen 22 blitt utelatt og erstattet av stiplede linjer. Som vist, har den redundante rammen 66 firkantet form. Lengden av hvert av sideelementene i den redundante rammen 66 er kortere enn lengden av sideelementene i rammen 22. Den redundante rammen 66 er plassert innenfor rammen 22 og ligger i alt vesentlig i det samme planet som rammen 22. Fortrinnsvis er de geometriske sentra for den redundante rammen 66 og rammen 22 i alt vesentlig sammenfallende. Den redundante rammen 66 er koplet til den øvre seksjonen 14 og den nedre seksjonen 16 på den samme måten som rammen 22. Støtte-elementene 68, 70, 72 og 74 er fortrinnsvis plassert på de samme diametrale linjer som støtteelementene 24, 26, 28 og 30. Imidlertid er støtteretningen ved hvert forbindelses-punkt motsatt støtteretningen ved det tilsvarende forbind-elsespunktet på rammen 22. Således er støtteelementene 68 og 72 plassert på diametral linje "Y" og er koplet til den øvre seksjonen 14, og støttelementene 70 og 74 er plassert på diametral linje "X" og er koplet til nedre seksjon 16. Ytterligere redundante skjær- og torsjonsrammer kan anvendes, hvis ønskelig, med den tredje rammen som har støtteretninger som tilsvarer den første rammen, den fjerde rammen som har støtteretninger som tilsvarer den andre rammen, osv. To prevent excessive stress which may be detrimental to the flexible link 18 (in any of the embodiments described herein), it may be desirable to provide means to limit the maximum allowable angle of tilt for each individual link. Such an appropriate device is the mechanical stop device 62 which is placed under the support element 30 of the lower flexible joint 18 in fig. 7 (shown by dashed lines). As shown, the mechanical stop member 62 consists of a three-legged truss having a plate 64 attached to its upper end. Similar mechanical stops (not shown) could be placed below the support member 26 and above the support members 24 and 28. The plates 64 are spaced below or above the frame 22, as appropriate. The maximum allowable bending of the frame 22 (and therefore the maximum allowable bending stress in the individual side members of the frame 22) will be determined by the distance between the frame 22 and the plates 64. Other suitable means of limiting the tilt angle will be apparent to those skilled in the art. Fig. 7 can also be used to illustrate the use of the present invention in a SALM. In a SALM, the middle section 60 would correspond to the riser and thus be quite long. The lower section 16 would correspond to the base of the SALM and the upper section 14 would correspond to the buoy. The rocking direction of the upper flexible link or connection will typically be the opposite of the rocking direction of the lower flexible link, as is well known in the art. Fig. 8 illustrates an embodiment of the invention where the flexible joint comprises a second redundant shear and torsion frame 66 and its four support elements 68, 70, 72 and 74. For clarity, the support element 30 and a corner of the frame 22 have been omitted and replaced by dashed lines. As shown, the redundant frame 66 has a square shape. The length of each of the side members of the redundant frame 66 is shorter than the length of the side members of the frame 22. The redundant frame 66 is located within the frame 22 and lies substantially in the same plane as the frame 22. Preferably, the geometric centers of the redundant the frame 66 and the frame 22 substantially coinciding. The redundant frame 66 is connected to the upper section 14 and the lower section 16 in the same manner as the frame 22. The support members 68, 70, 72 and 74 are preferably located on the same diametrical lines as the support members 24, 26, 28 and 30. However, the direction of support at each connection point is opposite to the direction of support at the corresponding connection point on the frame 22. Thus, the support members 68 and 72 are located on diametrical line "Y" and are connected to the upper section 14, and the support members 70 and 74 are located on diametrical line "X" and is connected to lower section 16. Additional redundant shear and torsion frames may be used, if desired, with the third frame having support directions corresponding to the first frame, the fourth frame having support directions corresponding to the second the frame, etc.

Som beskrevet ovenfor overvinner det bøyelige ledd (forbindelsen) ifølge den foreliggende oppfinnelse samtlige av de mangler som er naturlige i mekaniske pivoter som er tidligere foreslått for anvendelse i leddete offshore-konstruksjoner. Andre fordeler vil lett forstås av fagfolk. Eksempelvis tilveiebringer det bøyelige leddet tilstrekkelig rom for føringen av strømningsledninger, brønnledere, og andre vertikale elementer gjennom leddet. Ett av de primære problemer ved konstruksjon av en SALM er passasjen for flere strømningsledninger gjennom leddete forbindelser. Det bøyelige leddet ifølge den foreliggende oppfinnelse løser dette problem. As described above, the flexible link (connection) according to the present invention overcomes all of the shortcomings that are inherent in mechanical pivots that have previously been proposed for use in articulated offshore constructions. Other advantages will be readily understood by those skilled in the art. For example, the flexible joint provides sufficient space for guiding flow lines, well conductors and other vertical elements through the joint. One of the primary problems in the construction of a SALM is the passage of multiple flow lines through articulated connections. The flexible joint according to the present invention solves this problem.

Claims

1. Flexible connection (18) for use in an articulated offshore structure (10) having an upper section (14) and a lower section (16), said upper and lower sections (14, 16) being located along a substantially vertical axis of said structure (10), the bendable connection (18) comprising an axial load member (20) attached to said upper and lower sections, and joints placed between first and second sections (14, 16) of said structure ( 10) and oriented to lie in a plane substantially perpendicular to a longitudinal axis of said upper section, said link preventing rotation of the upper section (14) about its longitudinal axis and allowing tilting of the upper section in relation to the lower section (16), characterized in that said joint consists of at least three elongated shear and torsion joints (21) which are oriented so that they lie in a plane which is essentially perpendicular to the essentially vertical axis of said construction ( 10), id each of said links (21) has a first end which is rigidly attached (23) to said upper section (14) and a second end which is rigidly attached (25) to said lower section (16), said axial loading means and said shear and torsion joints are adapted to ensure lateral rotation of said upper section relative to said lower section during elastic bending.

2. Bendable connection (18) as stated in claim 1, character characterized in that the bendable connection (18) has four elongated shear and torsion joints (22a, 22b, 22c, 22d) connected in an end-to-end relationship to thereby form an essentially planar primary shear and torsion frame (22) which lies in said plane, said primary shear and torsion frame (22) being rigidly attached to said upper section (14) only at the opposite ends (26, 30) of a first diagonal line of said primary frame (22) and to said lower section (16) only at the opposite ends (24, 28) of a second diagonal line of said primary frame (22).

3. Bendable connection (18) as stated in claim 2, characterized in that said first and second diagonal lines are substantially mutually perpendicular.

4. Bendable connection (18) as stated in claim 2, characterized in that the bendable connection (18) also comprises a redundant shear and torsion frame (66) which lies substantially in the same plane as said primary shear and torsion frame (22) , said redundant spring and torsion frame (66) being rigidly attached to said upper section (14) only at the opposite ends (68, 72) of a first diagonal line of said redundant frame (66) and to said lower section (16) only at the opposite ends (70, 74) of a second diagonal line of said redundant frame (66).

5. Bendable connection (18) as stated in claim 4, characterized in that the geometric centers of said primary and redundant frames (22, 66) are essentially coincident and are located at or near the essentially vertical axis of said construction (10 ).

6. Bendable connection (18) as stated in claim 5, characterized in that said first diagonal line of said primary frame (22) substantially coincides with said second diagonal line of said redundant frame (66), and said second diagonal line of said primary frame (22) essentially coincides with said first diagonal line of said redundant frame (66).

7. Bendable connection (18) as specified in claim 4, 5 or 6, characterized in that said first and second diagonal lines of said primary frame (22) are substantially mutually perpendicular, and said first and second diagonal lines of said redundant frame ( 66) are essentially mutually perpendicular.

8. Bendable connection (18) as specified in claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized in that said axial loading member (20) comprises an elongated member which is placed substantially coincident with said substantially vertical axis for said construction (10).

9. Bendable connection (18) as specified in claim 8, character characterized in that said elongated organ comprises a single tubular element.

10. Bendable connection (18) as stated in claim 8, characterized in that said elongate body comprises a plurality of concentric tubular elements (20a, 20b, 20c), each of which is attached to both said upper and lower sections (14, 16) .

11. Bendable connection (18) as stated in claim 8, characterized in that said bendable connection also comprises at least one guide member (40) which is attached to each of said upper and lower sections (14, 16), and that said elongate member extends through and is guided by said guide means (40).

12. Bendable connection (18) as stated in claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized in that said axial loading member (20) comprises a plurality of elongated members (42) which are grouped in a closely spaced assembly around and substantially parallel to said substantially vertical axis in said structure (10), each of said elongate members (42) being attached to both said upper and lower sections (14,16).