NO315136B1

NO315136B1 - Flexible helm shot

Info

Publication number: NO315136B1
Application number: NO20002509A
Authority: NO
Inventors: Tom Grimseth
Original assignee: Grit Services As
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2003-07-14
Also published as: NO20002509L; NO20002509D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system av skjøteele-menter for undersjøiske rørledninger, særlig for en ubehandlet brønnstrøm fra olje/gassbrønner til en behandlingsenhet som typisk befinner seg på en plattform, eller til stigerørsforbindelser mellom en undersjøisk produksjonsstasjon for olje og gass til en flytende behandlingsenhet. The present invention relates to a system of joint elements for submarine pipelines, in particular for an untreated well flow from oil/gas wells to a treatment unit that is typically located on a platform, or to riser connections between a submarine production station for oil and gas to a floating treatment unit.

I offshoreindustrien er det et stort behov for undersjøiske rørledninger. Disse rørledningene utsettes for en rekke forskjellige belastninger, både ved nedlegging og under rørledningens driftstid. Ved nedlegging utsettes røret først og fremst for strekk-, torsjons- og bøyekrefter. Når rørledningen henger ned fra leggefartøyet, dannes det et relativt stort frispenn hvis lengde blant annet er avhengig av havdybden. Da havbunnen kan være svært kupert, vil enkelte frispenn også forkomme når rørledningen ligger på havbunnen. Denne type frispenn er uønsket blant annet fordi strømninger i vannet kan ta tak i rørledningen og utsette det for periodiske svingninger. Dette fører i tillegg til strekk- og bøyekrefter til torsjonskrefter som rørledningen må ta opp. En konvensjonell måte å bøte på dette problem er å bruke store mengder løsmasse for å fylle igjen "dale-ne" på havbunnen. Dette er som fagmannen vet meget ar-beidskrevende og krever enorme mengder masse. Ved større havdyp kreves større mengder masse fordi "nedslagsfeltet" blir større. Når rørledningen er installert utsettes røret for blant annet kompresjonkrefter som følge av store tempe-raturvariasjoner. Rørledningen vil også oppleve under- og overtrykk som følge av det store trykket ved havbunnen, indre trykk fra råoljen som føres gjennom rørledningen osv. In the offshore industry, there is a great need for submarine pipelines. These pipelines are exposed to a number of different loads, both during decommissioning and during the pipeline's operating time. When laid down, the pipe is primarily exposed to tensile, torsional and bending forces. When the pipeline hangs down from the laying vessel, a relatively large free span is formed, the length of which depends, among other things, on the sea depth. As the seabed can be very hilly, some free spans will also occur when the pipeline is on the seabed. This type of free span is undesirable, among other things, because currents in the water can catch hold of the pipeline and subject it to periodic fluctuations. In addition to tensile and bending forces, this leads to torsional forces that the pipeline must absorb. A conventional way to remedy this problem is to use large quantities of loose material to fill up the "valleys" on the seabed. As the person skilled in the art knows, this is very labor-intensive and requires enormous amounts of mass. At greater sea depths, greater amounts of mass are required because the "catchment area" becomes larger. When the pipeline is installed, the pipe is exposed to, among other things, compression forces as a result of large temperature variations. The pipeline will also experience under- and over-pressure as a result of the great pressure at the seabed, internal pressure from the crude oil that is carried through the pipeline, etc.

For temperaturekspansjonsformål kreves derfor at det monteres ettergivende elementer i systemet for å begrense mekaniske krefter eller at kreftene på annet vis kontrolleres. Den kraften som røret utøver mot undervannsstasjonen må for eksempel begrenses. Ofte vil det bli installert ekspan-sjonskontraksjonssløyfer i form av et Z-formet rør for å muliggjøre mekaniske bevegelser mellom røret og undervannsstasjonen uten at det oppstår skadelige krefter. Slike eks-pansjonskontraksjonssløyfer er gjerne forbundet med kostnader knyttet til installasjon, oppkobling og beskyttelse. Det ville være betydelig besparelser å oppnå dersom denne funksjonen kunne realiseres ved hjelp av et byggeelement som kunne legges ut fra rørledningsfartøyet som om det es-sensielt var et stykke av røret som kunne graves ned for beskyttelse på vanlig vis. Slike fleksible rørender er vanlig handelsvare, men dagens design innebærer bruk av ikke-metalliske materialer. Dette gir begrensninger i forhold til trykk, temperatur og rørdiameter og i noen tilfeller også begrensning i levetid. For temperature expansion purposes, it is therefore required that yielding elements are installed in the system to limit mechanical forces or that the forces are controlled in some other way. For example, the force exerted by the pipe against the underwater station must be limited. Expansion-contraction loops will often be installed in the form of a Z-shaped pipe to enable mechanical movements between the pipe and the underwater station without harmful forces occurring. Such expansion-contraction loops are often associated with costs related to installation, connection and protection. There would be significant savings to be achieved if this function could be realized by means of a construction element that could be laid out from the pipeline vessel as if it were essentially a piece of the pipe that could be buried for protection in the usual way. Such flexible pipe ends are a common commodity, but today's design involves the use of non-metallic materials. This gives limitations in relation to pressure, temperature and pipe diameter and in some cases also a limitation in lifetime.

Det har derfor vært et behov for rørledninger og rørled-ningsskjøter som på en fleksibel og hensiktsmessig måte kan inngå i et rørledningssystem som er lett å legge ut, lett kan tilpasses forskjellige behov med hensyn til belastninger og som lett kan tilpasses annet utstyr som anvendes i industrien for nedlegging og drift. There has therefore been a need for pipelines and pipeline joints which can be incorporated in a flexible and appropriate way into a pipeline system which is easy to lay out, which can be easily adapted to different needs with regard to loads and which can be easily adapted to other equipment used in the industry for closure and operation.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å tilveiebringe rørskjøteelementer som tåler de strekk- og bøyekrefter samt de trykk- og temperaturbelastningskrefter som rørledningen forventes å bli utsatt for henholdsvis ved nedleggingen og under drift, i tillegg til at rørskjøteelementene ved nedlegging skal kunne tilpasses de behov som måtte oppstå som følge av havbunnens topografi eller andre relevante forhold. The purpose of the present invention is to provide pipe joint elements that can withstand the tensile and bending forces as well as the pressure and temperature load forces to which the pipeline is expected to be exposed respectively during closure and during operation, in addition to the fact that the pipe joint elements during closure must be able to be adapted to the needs that may arise as a result of the topography of the seabed or other relevant conditions.

Ovennevnte formål oppnås ved en fleksibel rørskjøt omfattende en belganordning for en undersjøisk hydrokarbonrør-ledning for installasjon på havbunnen eller for et stigerør ved hjelp av kjente verktøy og teknikker, hvor den fleksible rørskjøten er utstyrt med et ytre element som omfatter et kryss, der to armer anbrakt på den éne rørende omslutter to diametralt anordnede pinner som utgjør en del av krysset, der krysset overfører eventuelle torsjons-, strekk- og kompresjonskrefter til den andre rørende via to diametralt anordnede pinner som er omsluttet av to armer anbrakt på den andre rørende, idet bøyeradien bestemmes av armenes lengde og utforming. The above purpose is achieved by a flexible pipe joint comprising a bellows device for a submarine hydrocarbon pipeline for installation on the seabed or for a riser using known tools and techniques, where the flexible pipe joint is equipped with an outer element comprising a cross, where two arms placed on one touching end encloses two diametrically arranged pins which form part of the junction, where the crossing transfers any torsional, tensile and compression forces to the other touching end via two diametrically arranged pins which are enclosed by two arms placed on the other touching end, as the bending radius is determined by the length and design of the arms.

Selv om det samme grunnleggende byggeelement utnyttes ved forskjellige betingelser, er utførelsen og de karakteris-tiske egenskaper ved de ytre element grunnleggende for-skjellig. I det følgende behandles hver av disse elementer separat. Although the same basic building element is utilized under different conditions, the execution and the characteristic properties of the outer elements are fundamentally different. In the following, each of these elements is treated separately.

I det følgende forklares oppfinnelsen nærmere under henvisning til de vedføyde tegninger, der In the following, the invention is explained in more detail with reference to the attached drawings, where

fig. 1 viser ett snitt av en konfigurasjon av skjøteelemen-tet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 1 shows a section of a configuration of the joint element according to the present invention,

fig. 2 viser en detalj ved en andre konfigurasjon av skjø-teelementet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 2 shows a detail of a second configuration of the joint element according to the present invention,

fig. 3a og 3b viser henholdsvis et snitt og et perspektiv-riss av en tredje konfigurasjon av skjøteelementet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 3a and 3b respectively show a section and a perspective view of a third configuration of the joint element according to the present invention,

fig. 4 viser et snitt av en fjerde konfigurasjon av skjøte-elementet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 4 shows a section of a fourth configuration of the joint element according to the present invention,

fig. 5a og 5b viser henholdsvis en skjematisk fremstilling og et snitt langs A-A av en konfigurasjon der foreliggende oppfinnelse kan komme til anvendelse, fig. 5a and 5b respectively show a schematic representation and a section along A-A of a configuration in which the present invention can be used,

fig. 6 viser en anvendelse av foreliggende oppfinnelse, fig. 6 shows an application of the present invention,

fig. 7 viser et snitt av en femte konfigurasjon av skjøteelementet ifølge foreliggende oppfinnelse, fig. 7 shows a section of a fifth configuration of the joint element according to the present invention,

fig. 8 viser en ytterligere anvendelse av foreliggende oppfinnelse, fig. 8 shows a further application of the present invention,

fig. 9 viser en situasjon der anvendelse av skjøteelemente-ne ifølge foreliggende oppfinnelse vil være fordelaktig. fig. 9 shows a situation where the use of the joint elements according to the present invention will be advantageous.

Undersjøiske rørledninger, særlig for ubehandlet brønn-strøm. Subsea pipelines, especially for untreated well flow.

Rørledninger for en ubehandlet brønnstrøm utføres mest økonomisk som metallrør som enten rulles ut fra en kveil på et fartøy (små rørdiametere) eller legges ut fra et fartøy hvor røret sveises opp av rette rørstykker av begrenset lengde, typisk 12 meter (større/alle rørdiameter). Når rø-rene legges ut fra et fartøy, oppstår det store krefter i røret som kan skyldes strekk, bøying og torsjon. Disse kreftene må tas opp av den ytre mekanismen. Pipelines for an untreated well stream are most economically executed as metal pipes that are either rolled out from a coil on a vessel (small pipe diameters) or laid out from a vessel where the pipe is welded up from straight pipe pieces of limited length, typically 12 meters (larger/all pipe diameters) . When the pipes are laid out from a vessel, large forces arise in the pipe which can be caused by stretching, bending and torsion. These forces must be taken up by the external mechanism.

Rørledninger gjennomgår store temperatursvingninger som følge av at havvannet setter rørtemperaturen til typisk -2 til +10 °C før produksjonstart og hvor produktet i røret kan øke temperaturen til 50-160°C etter produksjonsstart. Både når røret kobles opp i begge ender, og når temperaturen svinger etter produksjonsstart som beskrevet over, utsettes røret for store krefter. Pipelines undergo large temperature fluctuations as a result of the seawater setting the pipe temperature to typically -2 to +10 °C before the start of production and where the product in the pipe can increase the temperature to 50-160°C after the start of production. Both when the pipe is connected at both ends, and when the temperature fluctuates after the start of production as described above, the pipe is exposed to great forces.

Dersom hensikten med det fleksible rørelementet er å redusere frispenn, blir rørelementet sveiset inn i røret ombord på leggefartøyet. Rørelementet blir sveiset inn nøyaktig i en slik posisjon at det lander på havbunnen akkurat der skråningen begynner slik at fleksibilitetsfordelen benyttes fullt ut {se fig 9). Måle- og posisjoneringsmetoder som muliggjør dette er kommersielt tilgjengelig. If the purpose of the flexible pipe element is to reduce free span, the pipe element is welded into the pipe on board the laying vessel. The pipe element is welded in precisely in such a position that it lands on the seabed exactly where the slope begins so that the flexibility advantage is fully used {see fig 9). Measuring and positioning methods that enable this are commercially available.

Den foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i å utnytte i og for seg velkjente metallbelger på en ny måte, og i sammenheng med enkelte mekaniske komponenter oppnå en helme-tallisk rørlignende seksjon av en ledning som kan legges ut fra et leggefartøy uten behov for ukonvensjonelle hjelpe-midler. Det skal bemerkes i denne sammenheng at mindre mekaniske komponenter, som forårsaker endringer i rørdiameter og sogar usymmetri om lengdeaksen, kan legges ut ved å ma-nipulere bakstrekkmaskinene som regulerer strekket i røret. Dette er vanlig prosedyre. The present invention takes as its starting point the use of well-known metal bellows in a new way, and in conjunction with certain mechanical components achieve a complete tube-like section of a line that can be laid out from a laying vessel without the need for unconventional aids . It should be noted in this context that smaller mechanical components, which cause changes in pipe diameter and even asymmetry about the longitudinal axis, can be laid out by manipulating the back tensioning machines that regulate the tension in the pipe. This is normal procedure.

Fig. 1 viser et fleksibelt element for temperaturekspan-sjon. Det grunnleggende elementet er belgen 1. Den skaffer til veie det fundamentale behov for en rørlignende innretning med en kombinasjon av kapasitet for strekking og stu-king (tensile and compressive strain) samt liten bøyeradius og samtidig kapasitet for høyt internt trykk. Fig. 1 shows a flexible element for temperature expansion. The basic element is the bellows 1. It fulfills the fundamental need for a tube-like device with a combination of capacity for stretching and compressive strain as well as a small bending radius and at the same time capacity for high internal pressure.

Slike belger (med ringforsterkning) er handelstilgjengelige og utgjør et kjent bygge-element i prosessindustrien. Such bellows (with ring reinforcement) are commercially available and constitute a well-known building element in the process industry.

I sin grunnleggende form er belgelementet 1 lite egnet til anvendelse i den havbunnsbaserte olje- og gassindustri. Utstyrt med et antall hjelpe-elementer kan slike belger imidlertid tilpasses havbunnsmiljøet og de anvendelser av et mekanisk fleksibelt element som er knyttet til denne in-dustri . In its basic form, the bellows element 1 is not suitable for use in the seabed-based oil and gas industry. Equipped with a number of auxiliary elements, however, such bellows can be adapted to the seabed environment and the applications of a mechanically flexible element which are linked to this industry.

Enhver seksjon av en rørledning for en ubehandlet brønn-strøm må designes med utgangspunkt i det fundamentale behov for å kjøre et antall plugger gjennom ledningen. Slike plugger har flere hensikter, for eksempel inspeksjon av korrosjon eller rengjøring. Any section of a pipeline for an untreated well stream must be designed based on the fundamental need to run a number of plugs through the line. Such plugs have several purposes, for example inspection of corrosion or cleaning.

Til tross for at det nå bygges plugger for store variasjoner av den indre diameter, er det fortsatt ønskelig med så små variasjoner av den indre diameter som mulig. Ved en del anvendelser er det derfor et behov for et element som sik-rer at diameteren ikke varierer dramatisk fra det regulære røret til belgseksjonen. I tillegg kan det være et behov for å beskytte belgen mot sand som føres med brønnstrømmen og som potensielt kunne fylle opp de delene av belgen som ligger utenfor det indre diameter slik at fleksibiliteten reduseres. Despite the fact that plugs are now built for large variations of the inner diameter, it is still desirable to have as small variations of the inner diameter as possible. In some applications, there is therefore a need for an element which ensures that the diameter does not vary dramatically from the regular pipe to the bellows section. In addition, there may be a need to protect the bellows from sand that is carried with the well flow and which could potentially fill up the parts of the bellows that lie outside the inner diameter so that flexibility is reduced.

Disse behovene dekkes ved at det støpes en fdring 2 av et elastisk materiale som benytter belgen som ytre del av en form og en sylinder som indre del av en form (ikke vist). Et system for injeksjon av flytende materiale (ikke vist) benyttes for å fylle volumet med det elastiske materiale samtidig som luften fjernes. Sylinderen kan hensiktsmessig utgjøre en permanent del av arrangementet og beskytter slik også det elastiske elementet mot midlertidige overtykk i ringrommet under nedblødning av trykket i ledningen. These needs are met by casting a spring 2 of an elastic material which uses the bellows as the outer part of a mold and a cylinder as the inner part of a mold (not shown). A system for injection of liquid material (not shown) is used to fill the volume with the elastic material while removing the air. The cylinder can suitably form a permanent part of the arrangement and thus also protects the elastic element against temporary excess thickness in the annulus during bleeding of the pressure in the line.

Por å hindre at en nedblødning av trykket i ledningen be-virker at det holdes et volum av gass innelukket i ringrommet mellom belgen 1 og foringen 2 er det vesentlig at det ikke oppstår kjemisk binding mellom belgen 1 og foringen 2. Dette oppnås hensiktsmessig ved å påføre belgen et lag Tef-lon eller lignende materiale med særlig lav heft før det elastiske materiale injiseres. In order to prevent a drop in the pressure in the line causing a volume of gas to be kept enclosed in the annulus between the bellows 1 and the liner 2, it is essential that no chemical bond occurs between the bellows 1 and the liner 2. This is suitably achieved by apply a layer of Teflon or similar material with particularly low adhesion to the bellows before the elastic material is injected.

I de tilfellene der det ikke er formålstjenlig å bruke en fdring av et elastisk materiale kan belgen bygges inn slik at den indre diameter ikke endres meget. In those cases where it is not expedient to use a spring of an elastic material, the bellows can be built in so that the inner diameter does not change much.

Belgen 1 produseres på verk med en avslutning i begge ender i form av rørseksjoner 3. Disse rørsegmenter 3 utgjør gren-sesnittet mot det regulære røret 4. For høyere trykk er det vanlig å utstyre belgen med støtteringer 5 som tar opp The bellows 1 is produced in a factory with a termination at both ends in the form of pipe sections 3. These pipe segments 3 form the boundary section against the regular pipe 4. For higher pressures, it is common to equip the bellows with support rings 5 that take up

kreftene som skyldes indre trykk i rørledningen 4. the forces due to internal pressure in the pipeline 4.

Slike støtteringer 5 kan også monteres på innsiden av belgen i de tilfellene der det kan opptre store eksterne trykk, slik tilfelle er på dypt vann (ikke vist). Et særlig fordelaktig aspekt ved bruk av belger 1 omfattende flere lag, så som beskrevet ovenfor, er at materialer kan velges individuelt for forskjellige lag, slik at f.eks det ytters-te og innerste laget kan utføres i materialer som har gode korrosjonsegenskaper (f.eks 316 stål, 22 Cr Duplex , 25 Cr Super Duplex eller Inconel 625), mens det for det andre laget kan optimaliseres på mekaniske egenskaper. Such support rings 5 can also be mounted on the inside of the bellows in those cases where large external pressures can occur, as is the case in deep water (not shown). A particularly advantageous aspect when using bellows 1 comprising several layers, as described above, is that materials can be selected individually for different layers, so that, for example, the outermost and innermost layers can be made of materials that have good corrosion properties (e.g. .eg 316 steel, 22 Cr Duplex, 25 Cr Super Duplex or Inconel 625), while for the second layer it can be optimized for mechanical properties.

For temperaturekspansjonsformål er det ønskelig at belgen 1 monteres inn i maksimalt strukket tilstand slik at når temperaturøkningen krever kompresjon av belgen 1, kan både po-sitiv og negativ kompresjonskapasitet utnyttes fullt ut. Dette krever at belgen strekkes (forspennes) og at forspenningen utløses automatisk når temperaturen øker. Dette oppnås ved hjelp av en endestopp- og utløsermekanisme 6, 8, 9 som baserer seg på ulike termiske utvidelseskoeffisienter i to metaller for å fremskaffe en temperaturavhengig mekanisk bevegelse (bimetall). For temperature expansion purposes, it is desirable that the bellows 1 is mounted in a maximally stretched state so that when the increase in temperature requires compression of the bellows 1, both positive and negative compression capacity can be fully utilized. This requires that the bellows is stretched (prestressed) and that the prestressing is released automatically when the temperature rises. This is achieved by means of an end stop and release mechanism 6, 8, 9 which is based on different thermal expansion coefficients in two metals to provide a temperature-dependent mechanical movement (bimetal).

Det skal bemerkes at for noen måter å legge/trekke inn en rørledning på, så kan bimetallmekanismen være overflødig. Noe forspenning kan i visse tilfelle oppnås ved å sette rørledningen 4 under internt trykk i for eksempel vannfylt tilstand. Ved å regulere trykket til passende nivå kan bel-gelementene 1 holdes forspent mens rørledningen 4 graves ned. En typisk situasjon som viser inntrekning av et stivt rør er vist på fig. 5, der en undersjøisk stasjon 29 for produksjon av olje eller gass står i forbindelse med pro-duksjonsrør 34, som må legges i en kurve 35 og som må til-late bevegelser i forbindelse med inntrekning til produk-sjonsstasjonen og termisk induserte spenninger i forbindelse med produksjon. Det kreves gjerne også en trålbeskyttel-se 36, ofte utført som et større antall strukturer i GRP som beskytter røret 34 og som er montert slik at de utgjør en tunnel som røret kan bevege seg fritt i. Vannet kan strømme fritt ut og inn av strukturen, for eksempel gjennom ventiler 37. Strukturene stabiliseres gjerne med steindum-ping 38. It should be noted that for some ways of laying/retracting a pipeline, the bimetallic mechanism may be redundant. Some bias can in certain cases be achieved by placing the pipeline 4 under internal pressure in, for example, a water-filled state. By regulating the pressure to the appropriate level, the bellows elements 1 can be kept prestressed while the pipeline 4 is dug down. A typical situation showing indentation of a rigid pipe is shown in fig. 5, where a submarine station 29 for the production of oil or gas is in connection with production pipe 34, which must be laid in a curve 35 and which must allow movements in connection with drawing in to the production station and thermally induced stresses in connection with production. A trawl protection 36 is also often required, often made as a larger number of structures in GRP that protect the pipe 34 and which are mounted so that they form a tunnel in which the pipe can move freely. The water can flow freely in and out of the structure , for example through valves 37. The structures are preferably stabilized with rock dumping 38.

Ved en konfigurasjon som vist på fig. 5a, 5b kan det for eksempel benyttes en kombinasjon av rørledningselemen-ter/skjøter som er tilpasset for kompresjon/strekk samt bøyning, for eksempel en av løsningene vist på fig. 1, 2 eller 4, eller en kombinasjon av disse. I denne type anvendelse forventes ikke store torsjonskrefter, derfor er det ingen hensikt å for eksempel anvende et kryss av typen vist på fig. 3a, 3b. In a configuration as shown in fig. 5a, 5b, for example, a combination of pipeline elements/joints which are adapted for compression/stretching as well as bending can be used, for example one of the solutions shown in fig. 1, 2 or 4, or a combination of these. In this type of application, large torsional forces are not expected, therefore there is no purpose in using, for example, a cross of the type shown in fig. 3a, 3b.

Strekk- og kompresjonselementene omfatter under henvisning til figurene 1, 2, 3, 4 og 7 en kombinasjon av for eksempel følgende innretninger: With reference to Figures 1, 2, 3, 4 and 7, the tension and compression elements include a combination of, for example, the following devices:

Endestoppmekanisme 7 for å begrense strekk. End stop mechanism 7 to limit stretch.

Endestopp 6 for å begrense kompresjon. End stop 6 to limit compression.

Endestopp 8 for forspenning av belg. End stop 8 for pretensioning the bellows.

Den bimetalliske utløsermekanisme 9 frigjør forspenningen 8 (strekk) ved økning av temperatur (trigger). The bimetallic release mechanism 9 releases the bias 8 (tension) when the temperature increases (trigger).

Innretninger 6, 5, 7, 14, 15, 23, 24 for å begrense bøyemo-mentet i belgen. Devices 6, 5, 7, 14, 15, 23, 24 to limit the bending moment in the bellows.

Innretning 2 for å beskytte belgen mot sand som følger med brønnstrømmen. Device 2 to protect the bellows against sand that comes with the well flow.

Fåring 2 for å muliggjøre transport av alle vanlige typer plugger (pig), som krever relativt jevnt hydraulisk tverr-snitt . Grooving 2 to enable the transport of all common types of plugs (pigs), which require a relatively uniform hydraulic cross-section.

I det følgende beskrives strekk/kompresjonselementene under henvisning til fig. 1 og følgende byggeelementer: -4 er en seksjon av det regulære røret som kompensasjonselementet skal settes inn i, -3 er en del av kompensasjonselementet, en seksjon av rør som danner avslutning i begge ender av kompensasjonselementet og danner grensesnitt mot det regulære røret ved svei-sing, In the following, the tension/compression elements are described with reference to fig. 1 and the following construction elements: -4 is a section of the regular pipe into which the compensating element is to be inserted, -3 is a part of the compensating element, a section of pipe which forms a termination at both ends of the compensating element and forms an interface with the regular pipe by welding -sing,

-1 er belgen, -1 is the pod,

-5 er en støttering for å kompensere for store interne trykkrefter i belgen, -2 er en fåring av et mykt materiale, for eksempel tilvir-ket av en god gummikvalitet, -9 er en bimetallmekanisme som holder belgen i en forspent (strukket) tilstand ved en gitt lav temperatur og frigjør forspenningen ved en høyere temperatur, -10 er et ytre konsentrisk rør som bidrar til å gi rørskjø-ten noe bøyestivhet samt beskyttelse mot omgivelsene, -11 er en tetning mellom det ytre konsentriske rør 10 og belgavslutningsrøret 3 som hindrer inntrenging av forurensninger, -12 er et filter som tillater gjennomstrømning av vann, men ikke sandpartikler, -5 is a support ring to compensate for large internal pressure forces in the bellows, -2 is a groove of a soft material, for example made of a good quality rubber, -9 is a bimetallic mechanism that keeps the bellows in a pre-stressed (stretched) state at a given low temperature and releases the prestress at a higher temperature, -10 is an outer concentric tube which helps to give the tube joint some bending stiffness as well as protection against the environment, -11 is a seal between the outer concentric tube 10 and the bellows termination tube 3 which prevents the ingress of pollutants, -12 is a filter that allows the flow of water, but not sand particles,

-13 er en mekanisk føring for bimetallarmen, -13 is a mechanical guide for the bimetal arm,

-7 er endestoppmekanismen for strekk, -7 is the end stop mechanism for tension,

-8 er samtidig en endestoppmekanisme for kompresjon og en del av en triggermekanismen. -8 is at the same time an end stop mechanism for compression and part of a trigger mechanism.

Fig. 2 viser en versjon av samme fleksible belgelement 1 bygget inn i seksjoner av eksterne, konsentriske rør 14, slik at en rørforbindelse med særlig liten bøyeradius oppnås. De ytre rørseksjonene er forbundet med konsentriske låsemekanismer 15 som tillater en viss nedbøying. Det er altså de ytre rørseksjoner 14 sammen med låsemekanismen 14 som opptar bøyekreftene, mens belgelementet 1 flyter fritt i forhold til de ytre rørseksjoner 14. Fig. 2 shows a version of the same flexible bellows element 1 built into sections of external, concentric pipes 14, so that a pipe connection with a particularly small bending radius is achieved. The outer tube sections are connected by concentric locking mechanisms 15 which allow a certain deflection. It is thus the outer tube sections 14 together with the locking mechanism 14 that absorb the bending forces, while the bellows element 1 floats freely in relation to the outer tube sections 14.

Det er derfor mulig å også utnytte bøyeegenskapene til belgen 1 for å skape en mindre bøyeradius for rørforbindelsen ved at belgen 1 bli skjøvet ut til ytterkanten av de ytre rørseksjoner i bøyen. Ved å justere den indre diameter på de ytre rørene, kan kapasiteten for kompresjon i den fleksible delen av rørforbindelsen designes til ønsket verdi, samtidig som hele arrangementet kan legges som et vanlig rør uten spesielle prosedyrer eller verktøy. It is therefore possible to also utilize the bending properties of the bellows 1 to create a smaller bending radius for the pipe connection by the bellows 1 being pushed out to the outer edge of the outer pipe sections in the bend. By adjusting the inner diameter of the outer pipes, the capacity for compression in the flexible part of the pipe connection can be designed to the desired value, while the whole arrangement can be laid like a normal pipe without special procedures or tools.

Fig. 3a og 3b viser henholdsvis et snitt og et perspektiv-riss av et fleksibelt rørelement for vinkelfleksibilitet og stor torsjonsstivhet. Dette tilfredsstiller de funksjonelle krav til frispennreduksjon ved S-legging. Den fleksible belg 1 omfatter støtteringer 5 for høyt innvendig trykk. Belgen 1 er sveiset til rørendene 3. En arm 16 er en del av den ene rørenden og omslutter de diametralt plasserte pinnene 17. Pinnene 17 er en del av et kryss 18. Krysset 18 overfører kreftene til den andre rørenden 3' via to diametralt plasserte pinner 17' som er omsluttet av armene 16, 16' som er del av den andre rørende 3'. Strekkstopp- og kompresjonsbegrensningsfunksjoner kan ivaretas ved å til-passe kryssinnretningens maksimale bøyevinkel slik at belgelementet 1 og eventuelle andre elementer ikke blir overbe-lastet. Fig. 3a and 3b respectively show a section and a perspective view of a flexible pipe element for angular flexibility and high torsional stiffness. This satisfies the functional requirements for free span reduction in S-laying. The flexible bellows 1 includes support rings 5 for high internal pressure. The bellows 1 is welded to the pipe ends 3. An arm 16 is part of one pipe end and encloses the diametrically placed pins 17. The pins 17 are part of a cross 18. The cross 18 transfers the forces to the other pipe end 3' via two diametrically placed pins 17' which are enclosed by the arms 16, 16' which are part of the second touching 3'. Stretch stop and compression limitation functions can be ensured by adjusting the maximum bending angle of the cross device so that the bellows element 1 and any other elements are not overloaded.

Dersom torsjonskreftene er forutsigbart små, kan en løsning som vist i fig 4 brukes, der det anvendes et kule-element 19. Her kan torsjonskreftene tas opp av den fleksible belg 1, eventuelt med assistanse av torsjonspinner 20. Den ytre mekanisme består av to kuleflater 21, 21' som glir mot hverandre. Kulene 21, 21' har senter i rørsenteret. Kuleflate 21 er del av den ene rørdel 4 og kuleflate 21' er del av den andre rørdel 4'. Vinkelutslaget begrenses ved at de to halvdeler møtes ved flaten 6'. If the torsional forces are predictably small, a solution as shown in Fig. 4 can be used, where a ball element 19 is used. Here the torsional forces can be taken up by the flexible bellows 1, possibly with the assistance of torsion pins 20. The outer mechanism consists of two ball surfaces 21, 21' which slide against each other. The balls 21, 21' have their center in the tube centre. Ball surface 21 is part of one pipe part 4 and ball surface 21' is part of the other pipe part 4'. The angular range is limited by the fact that the two halves meet at the surface 6'.

Denne rørskjøt, som først og fremst har vinkelfleksibilitet, kan også benyttes til inntreknings- og temperaturekspansjonsformål. Røret legges da ut med to ledd som vist på fig 6, og har mer enn tilstrekkelig fleksibilitet til å bli trukket frem og tilbake. This pipe joint, which primarily has angular flexibility, can also be used for draw-in and temperature expansion purposes. The pipe is then laid out with two joints as shown in Fig. 6, and has more than sufficient flexibility to be pulled back and forth.

Dersom det fleksible rørelement skal benyttes til å redusere et frispenn 30, er det vinkelfleksibiliteten som er den essensielle egenskap. I tillegg kan det ofte være behov for stor torsjonsstivhet. Dette behovet kan oppstå under selve leggeprosessen. Typisk vil torsjonskreftene kunne bli store ved S-legging på grunt vann, mens de kan være mindre ved J-legging på dypere vann. Torsjonsstivheten vil også være nødvendig under drift dersom for eksempel havstrømninger fører til at frispennet "husker" på en periodisk måte. Det vil da være en fordel om rørledningen 31 ligger så nært havbunnen 32 som mulig for å unngå frispenn. Dersom det ikke er mulig å unngå et frispenn, vil det være fordelaktig om rørskjøtelementene i området av avhengningspunktene 33 kan ta opp og til en viss grad begrense torsjonsbevegelsene som "huskingen" medfører. Man ser dermed at valget av ulike rørskjøtelementer på forskjellige punkter langs rørledning-en under nedleggingen bidrar til å forenkle nedleggingsprosessen, bedre rørledningens evne til å følge havbunnens topografi samt forlenge rørledningens levetid. Levetiden forbedres fordi rørledningene er bedre egnet til å tåle de belastninger som de under de forskjellige omstendigheter er utsatt for. If the flexible pipe element is to be used to reduce a free span 30, it is the angular flexibility that is the essential property. In addition, there may often be a need for high torsional stiffness. This need can arise during the laying process itself. Typically, the torsional forces can be large with S-laying in shallow water, while they can be smaller with J-laying in deeper water. The torsional stiffness will also be necessary during operation if, for example, ocean currents cause the free span to "remember" in a periodic manner. It would then be an advantage if the pipeline 31 is as close to the seabed 32 as possible to avoid free span. If it is not possible to avoid a free span, it would be advantageous if the pipe joint elements in the area of the suspension points 33 could take up and to a certain extent limit the torsional movements that the "husking" entails. It can thus be seen that the choice of different pipe joint elements at different points along the pipeline during the decommissioning helps to simplify the decommissioning process, improve the pipeline's ability to follow the topography of the seabed and extend the life of the pipeline. The service life is improved because the pipelines are better suited to withstand the loads to which they are exposed in the various circumstances.

Man kan anvende de nevnte rørskjøtelementer ifølge oppfinnelsen i en fremgangsmåte ved legging av rørledninger på havbunnen 32 eller ved anordning av et stigerør 27 ved hjelp av kjente verktøy og teknikker, særpreget ved de trinn å: innhente informasjon om havbunnens 32 topologi, strøm- forhold, vanndybde samt andre ytre parametre av betyd-ning, - samholde denne informasjon med prosesstekniske parametre, så som fluidtrykk, fluidtemperaturer, fluidrater, One can use the aforementioned pipe joint elements according to the invention in a method when laying pipelines on the seabed 32 or by arranging a riser 27 using known tools and techniques, characterized by the steps to: obtain information about the topology of the seabed 32, current conditions, water depth and other external parameters of importance, - combine this information with process engineering parameters, such as fluid pressure, fluid temperatures, fluid rates,

fluidsammensetning osv., fluid composition, etc.,

- bestemme hvilke belastninger hver seksjon av rørledning-en vil utsettes for, det være seg strekk-, kompresjon-, torsjon- eller bøyekrefter, samt indre og ytre trykkrefter, - på grunnlag av ovennevnte informasjon samt økonomiske betraktninger med hensyn til rørskjøtkostnader, nedleg-gingskostnader samt eventuelle andre kostnader bestemme hvilken type rørskjøt som vil egne seg for hver seksjon. - determine which loads each section of the pipeline will be exposed to, be it tension, compression, torsion or bending forces, as well as internal and external pressure forces, - on the basis of the above information as well as financial considerations with regard to pipe joint costs, decommissioning ging costs as well as any other costs determine which type of pipe joint will be suitable for each section.

Denne fremgangsmåte vil gjøre nedleggingsprosessen lettere og raskere fordi behovet for fyllmasse etc. begrenses. Ved hjelp av fremgangsmåten beskrevet, kan rørskjøtene spesial-tilpasses behovet i ethvert tilfelle, noe som reduserer behovet for overdimensjonering og de kostnader dette medfø-rer. Ved hjelp av fremgangsmåten og de foreslåtte rørskjø-telementer har man et batteri av virkemidler som i hvert tilfelle kan tilpasses og ikke krever spesialløsninger, langvarig og omfattende planleggings- og forarbeid, samt konstruksjon av spesielle rørelementer som kan tåle uforut-sette belastninger. This procedure will make the decommissioning process easier and faster because the need for filler etc. is limited. Using the method described, the pipe joints can be specially adapted to the needs in any case, which reduces the need for oversizing and the costs this entails. With the help of the method and the proposed pipe joint elements, you have a battery of tools that can be adapted in each case and do not require special solutions, long-term and extensive planning and preparatory work, as well as the construction of special pipe elements that can withstand unforeseen loads.

Stigerør for å forbinde en undersjøisk produksjonsstasjon med en flytende prosessenhet (FPU). Risers to connect a subsea production station to a floating processing unit (FPU).

Fleksible stigerør er oftest utført som en kompositt-design bestående av myke materialer armert med forskjellige lag stål. Konstruksjonen er meget komplisert og er forbundet med forskjellige begrensninger i diameter, trykk og temperatur. Hittil har slike typer fleksible stigerør vært domi-nerende for halvt nedsenkbare (semisubmersible) og enskrogs type FPU. Helmetalliske stigerør i stål har vesentlig vært anvendt for TLP type FPU hvor vertikale bevegelser (hiv) er tilnærmet eliminert. Noen forsøk er gjort på å utføre dynamiske stigerør som titanrør for å oppnå tilfredsstillende dynamiske egenskaper for halvt nedsenkbare FPU'er, men er hittil ikke funnet økonomisk. Flexible risers are most often made as a composite design consisting of soft materials reinforced with different layers of steel. The construction is very complicated and is associated with various limitations in diameter, pressure and temperature. Until now, such types of flexible risers have been dominant for semi-submersible and single-hull types of FPU. All-metallic risers in steel have essentially been used for TLP type FPU where vertical movements (heave) are virtually eliminated. Some attempts have been made to make dynamic risers such as titanium tubes to achieve satisfactory dynamic characteristics for semi-submersible FPUs, but have not yet been found economical.

Mange selskaper ønsker seg helmetalliske utførelser i kjente stålkvaliteter. For å oppnå dette, er det i de fleste tilfeller nødvendig å forbedre fleksibiliteten ved å bygge inn elementer som gir redusert bøyestivhet i visse seksjoner av stigerøret, men som fremdeles muliggjør kveiling av vesentlige deler av stigerøret. På dypt vann kan nødvendig fleksibilitet i mange tilfeller oppnås ved et katenært stålrør. Dette innebærer imidlertid ofte at stigerøret må legges ut med stort strekk og store laster blir overført til den flytende prosessenhet. Many companies want all-metal designs in well-known steel qualities. In order to achieve this, in most cases it is necessary to improve the flexibility by incorporating elements which provide reduced bending stiffness in certain sections of the riser, but which still enable coiling of significant parts of the riser. In deep water, the necessary flexibility can in many cases be achieved with a catenary steel pipe. However, this often means that the riser must be laid out with a large stretch and large loads are transferred to the floating process unit.

Dynamiske stigerør omfatter typisk en av to typer og flere avarter av disse typene: Dynamic risers typically comprise one of two types and several variants of these types:

A. Katenær-stigerør (catenary), jfr. fig. 8. A. Catenary riser (catenary), cf. fig. 8.

B. Lazy wave/steep wave B. Lazy wave/steep wave

Generelt kan en si at katenær-systemet er kostnadseffek-tivt, men setter betydelige begrensninger for bevegelser i FPU, mens lazy wave/steep wave-systemet er bedre i så måte mot en høyere kostnad. Typisk finner en at en semi-type og enskrogs FPU utstyres med lazy wave eller en avart og at en TLP utstyres med katenær eller helt stive stigerør. For ut-bygging på store havdyp kan stigerørsysternet bli en vesentlig del av kostnadene for å bygge ut et felt. Det er derfor vesentlig å benytte kostnadseffektive materialer. In general, one can say that the catenary system is cost-effective, but places significant restrictions on movements in the FPU, while the lazy wave/steep wave system is better in that respect at a higher cost. Typically one finds that a semi-type and monohull FPU is equipped with a lazy wave or an avart and that a TLP is equipped with catenary or completely rigid risers. For development at great sea depths, the riser system can become a significant part of the costs for developing a field. It is therefore essential to use cost-effective materials.

I det følgende er det fokusert på katenær-type stigerør, men det skal forstås at også andre typer kan være aktuelle. In what follows, the focus is on catenary-type risers, but it should be understood that other types may also be relevant.

Det beskrevne konseptet er karakterisert ved at det i ho-vedsak benytter vanlige kvaliteter av stålrør for vesentlige deler av stigerørssysternet, men med spesielt fleksible seksjoner i strategiske posisjoner, der hvor det kreves lav bøyeradius for bestemte deler av stigerøret. Samtidig be-holdes evnen til installasjon ved hjelp av konvensjonelle leggemetoder, særlig ved hjelp av skip som er utstyrt for legging av rør fra kveil. The described concept is characterized by the fact that it mainly uses ordinary grades of steel pipe for significant parts of the riser system, but with particularly flexible sections in strategic positions, where a low bending radius is required for certain parts of the riser. At the same time, the ability to install using conventional laying methods is retained, particularly with the help of ships equipped for laying pipes from coils.

Rørelementene vist på fig. 3 og 4 egner seg også til bruk i stigerør. Begge disse kan gi løsninger med lav bøyeradius og høy fleksibilitet. Flere av disse elementene kan serie-kobles om nødvendig. Samme grunnleggende belgtype 1 er be-nyttet som beskrevet ovenfor for flowline anvendelser. Igjen er dette en noe tilfeldig valgt utførelse, andre konstruktive utførelser kan by på større fordeler for konk-rete anvendelser. I lavtemperaturanvendelser kan det støpes inn en hylse 5 av et elastisk materiale inne i belgen 1. Dette gir både korrosjonsbeskyttelse, mekanisk beskyttelse og termisk isolasjon alle egenskaper nødvendig. The pipe elements shown in fig. 3 and 4 are also suitable for use in risers. Both of these can provide solutions with a low bending radius and high flexibility. Several of these elements can be connected in series if necessary. The same basic bellows type 1 is used as described above for flowline applications. Again, this is a somewhat randomly chosen design, other constructive designs can offer greater advantages for specific applications. In low-temperature applications, a sleeve 5 of an elastic material can be cast inside the bellows 1. This gives both corrosion protection, mechanical protection and thermal insulation all the necessary properties.

I en del stigerørsanvendeIser er det behov for en demping av bevegelsene. En måte å oppnå dette på, er å legge en se-rie strekkhemmere 22 basert på fjærelementer 23 rundt belgen. Dette er vist på fig. 6. Forspenningen av fjæren be-stemmer fjæringskarakteristikken til seksjonen og en maksimalt sammenklemt fjær utgjør en strekkendestopp for beIgde-formasjon. Samtidig kan det anordnes for eksempel avstands-stykker 34 som sammen med for eksempel ringene 5 kan danne en kompresjonsendestopp, slik at alle deformasjoner ligger innenfor det elastiske området. In some riser pipe applications, there is a need to dampen the movements. One way to achieve this is to place a series of strain inhibitors 22 based on spring elements 23 around the bellows. This is shown in fig. 6. The preload of the spring determines the springing characteristic of the section and a maximally compressed spring constitutes an extension stop for double formation. At the same time, spacers 34 can be arranged, for example, which together with, for example, the rings 5 can form a compression end stop, so that all deformations lie within the elastic area.

For et katenær-stigerør er det særlig to kritiske områder: • den seksjonen som er nærmest opphengingspunktet 25 (hangoff) på plattformen 26 (fig.7}. Denne seksjonen kan være utsatt for kompresjon til tross for vekten av rør-systemet. Kompresjon kan forekomme som resultat av hiv-bevegelse ved at de kreftene som kreves for å akselerere stigerøret 27 nedover (når plattformen har bevegelse i samme retning) er store på grunn av stigerørets masse. Kompresjon må generelt unngås. Dette er i stor grad avhengig av stigerørets 27 spesifikke egenvekt i operativ tilstand og er generelt gunstig for et metallisk rør. Det kan også være hensiktsmessig under visse forhold å øke fleksibiliteten ved aksiell nedbøyning sammenlignet med den en finner i et stivt rør. Et belgbasert rørskjø-teelement ifølge foreliggende oppfinnelse byr da på fordeler i design av stigerør for dette området. • Ved store horisontale ekskursjoner 28 i plattformen 26 kan tilknytningsseksjonens 30 minste bøyeradius bli utilstrekkelig for et stivt rør. Store bevegelser av denne typen kan være knyttet til forhaling av plattformen 26 for å gi vertikal tilgjengelighet til brønner på bunnrammen under 29 for boreoperasjoner, eller de kan oppstå som følge av ekstreme værforhold. Området der stigerøret treffer havbunnen kan være et kritisk område, også der brønnene ikke ligger rett under behandlingssen-teret . For a catenary riser, there are two critical areas in particular: • the section closest to the suspension point 25 (hangoff) on the platform 26 (fig.7}. This section can be subject to compression despite the weight of the pipe system. Compression can occur as a result of heave motion in that the forces required to accelerate the riser 27 downwards (when the platform is moving in the same direction) are large due to the mass of the riser. Compression must generally be avoided. This is largely dependent on the riser 27 specific gravity in operational condition and is generally favorable for a metallic pipe. It may also be appropriate under certain conditions to increase the flexibility during axial deflection compared to that found in a rigid pipe. A bellows-based pipe joint element according to the present invention then offers advantages in the design of risers for this area • In case of large horizontal excursions 28 in the platform 26, the minimum bending radius of the connecting section 30 may become insufficient g for a rigid tube. Large movements of this type may be associated with hauling of the platform 26 to provide vertical access to wells on the bottom frame below 29 for drilling operations, or they may occur as a result of extreme weather conditions. The area where the riser hits the seabed can be a critical area, also where the wells are not located directly below the treatment centre.

Ved hjelp av fleksible elementer som beskrevet ovenfor er det mulig å redusere minste bøyeradius til lave verdier for et stigerørssystem 27 som utelukkende har trykkbærende elementer utført i metall. By means of flexible elements as described above, it is possible to reduce the minimum bending radius to low values for a riser system 27 which exclusively has pressure-bearing elements made of metal.

Samtidig oppnås gunstige verdier for spesifikk egenvekt for hele systemet fordi mesteparten av de trykkbærende elementene består av et regulært rør, mens de spesielt fleksible elementene er så godt som helmetalliske i en egenvekts-sammenheng. At the same time, favorable values for specific specific gravity are achieved for the entire system because most of the pressure-bearing elements consist of a regular tube, while the particularly flexible elements are virtually fully metallic in a specific gravity context.

Claims

1. Flexible pipe joint comprising a bellows device (1) for a subsea hydrocarbon pipeline for installation on the seabed (32) or for a riser (27) using known tools and techniques, characterized in that the flexible pipe joint is equipped with an outer element comprising a cross (18), where two arms (16) placed on one pipe end (3) enclose two diametrically arranged pins (17) which form part of the cross ( 18), where the junction (18) transfers any torsional, tensile and compression forces to the other touching end via two diametrically arranged pins (17') which are enclosed by two arms (16') placed on the other touching end (3'), as the bending radius is determined by the length and design of the arms (16, 16').

2. Pipe joint according to claim 1, characterized in that the pipe joint and the bellows (1) are protected against external mechanical damage and mechanical contamination by an external element comprising external, sectioned, concentric pipes (14) which allow a low bending radius.

3. Pipe joint according to claim 1 or 2, characterized in that the outer element optionally comprises two ball surfaces (21, 21') which slide against each other with a center in the pipe center, where one ball surface (21) is part of one pipe part (4) and the ball surface (21') is part of the second pipe part (4'), where the angular impact is limited by the two outer halves (21, 21') meeting at the surface (6'), with any torsional forces being taken by the flexible bellows (1 ), possibly with the assistance of torsion bars (20).

4. Pipe joint according to one of the preceding claims, characterized in that the bellows (1) is internally protected against the deposition of mechanical contaminants by a liner (2) of an elastic material, and in that an external mechanism (5, 7, 9, 10 , 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22) limits the movement of the bellows (1) and transfers external forces, so that the bellows only absorbs forces due to internal or external pressure and in some cases torsion.