NO321184B1

NO321184B1 - Device for safety rudder for a rudder

Info

Publication number: NO321184B1
Application number: NO20043675A
Authority: NO
Inventors: Petter Eriksen
Original assignee: Fmc Kongsberg Subsea As
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-04-03
Also published as: NO20043675D0; WO2006025744A1

Description

Oppfinnelsen omhandler en anordning ved sikkerhetsskjøt for et rør, spesielt et stigerør som strekker seg mellom et fartøy og en undervannsinstallasjon, hvilken skjøt omfatter to teleskoperende deler som er sammenbundet ved hjelp av midler som er innrettet til å brytes ved en bestemt aksial påkjenning. The invention relates to a device for a safety joint for a pipe, in particular a riser extending between a vessel and an underwater installation, which joint comprises two telescoping parts which are connected by means of means which are arranged to break under a certain axial stress.

Operasjoner i havbunnsbrønner foregår vanligvis ved at det etableres en lukket søyle som forbinder brønnen med et fartøy på overflaten som vil gi en sikker adgang til brønnen. En slik søyle betegnes vanligvis som et stigerør eller stigerørsystem og omfatter ikke bare selve røret men også flere andre innretninger som i tillegg til selve røret er nødvendig for sikker adgang til brønnen. Alle operasjoner nede i brønnen foregår gjennom stigerøret idet dette danner en barriere mellom brønnfluider og det omgivende sjøvann. Arbeidene utføres på en "levende" brønn, dvs. at brønnen er åpen helt opp til fartøyet med brønnfluider som har et trykk tilsvarende formasjonstrykket. Stigerøret må derfor være dimensjonert for å kunne motstå høye brønntrykk. Motsatt kan en ukontrollert utblåsning gjøre at stigerøret fylles med gass fra brønnen noe som vil føre til at trykket inne i stigerøret synker tilnærmet mot null. Operations in seabed wells usually take place by establishing a closed column that connects the well with a vessel on the surface that will provide safe access to the well. Such a column is usually referred to as a riser or riser system and includes not only the pipe itself but also several other devices which, in addition to the pipe itself, are necessary for safe access to the well. All operations down in the well take place through the riser, as this forms a barrier between well fluids and the surrounding seawater. The work is carried out on a "live" well, i.e. the well is open right up to the vessel with well fluids that have a pressure corresponding to the formation pressure. The riser must therefore be sized to withstand high well pressures. Conversely, an uncontrolled blowout can cause the riser to be filled with gas from the well, which will cause the pressure inside the riser to drop almost to zero.

Stigerørsystemet omfatter vanligvis en nedre stigerørspakke LRP (Lower Riser Package) med et antall ventiler for å stenge ned brønnen, og som dermed funksjonsmessig tilsvarer en boresikringsventil (BOP). Videre er det anordnet en nødfrakoblingspakke EQDP (Emergency Quick Disconnect Package) og en bøyeskjøt (stress joint). I øvre ende av stigerøret, dvs. i fartøyet, er det vanligvis anordnet en overflate BOP. I tillegg kan stigerøret være utstyrt med bøyeledd, oppdriftselementer samt eventuelle andre innretninger for operasjoner på en havbunnsbrønn. The riser system usually comprises a lower riser package LRP (Lower Riser Package) with a number of valves to shut down the well, and which is thus functionally equivalent to a well protection valve (BOP). Furthermore, an emergency disconnection package EQDP (Emergency Quick Disconnect Package) and a bending joint (stress joint) have been arranged. At the upper end of the riser, i.e. in the vessel, a surface BOP is usually arranged. In addition, the riser can be equipped with flexures, buoyancy elements and any other devices for operations on a seabed well.

Når operasjoner skal gjøres på brønner plassert på større havdyp, benyttes et fartøy som holdes i riktig posisjon ved hjelp av propeller og/eller trustere. Slike fartøy kalles dynamisk posisjonerte (DP) fartøy. Slike fartøy er svært avhengige av at alle systemer fungerer tilfredsstillende og vanlig praksis krever at de er utstyrt med flere systemer som sikkerhet mot at fartøyet ikke driver av fra sin posisjon. When operations are to be carried out on wells located at greater sea depths, a vessel is used which is held in the correct position by means of propellers and/or thrusters. Such vessels are called dynamically positioned (DP) vessels. Such vessels are highly dependent on all systems functioning satisfactorily and common practice requires them to be equipped with several systems as security against the vessel not drifting away from its position.

Under operasjoner fra et dynamisk posisjonert fartøy vil det kunne oppstå situasjoner hvor det blir nødvendig raskt å forlate posisjonen over brønnen. Dette kan være kontrollert, såsom et varsel om forverrede værforhold gjør det nødvendig å evakuere posisjonen, eller ukontrollert, i tilfelle noen av systemene feiler og fartøyet begynner å drive av posisjonen. En slik situasjon kan også oppstå ved plutselig dårlig vær, men spesielt i situasjoner hvor fartøyets systemer ikke er i stand til å holde fartøyet i korrekt posisjon over brønnen. Konsekvensene av en slik situasjon kan være at hivkompenseringssystemet bunner ut eller at stigrøret kommer i en uakseptabel vinkel som medfører belastninger over stigerørets designlast. Fartøyets hivkompenseirngssystem, som sørger for at stigerørssystemet holder seg i ro vertikalt i forhold til havbunnen mens fartøyet hiver på seg pga. bølger og vær, kan også i enkelte tilfeller låse seg og vil da påføre høye strekkrefter på stigerør og medføre fare for tap av brønnbarrieren(e). During operations from a dynamically positioned vessel, situations may arise where it becomes necessary to quickly leave the position above the well. This can be controlled, such as a warning of deteriorating weather conditions making it necessary to evacuate the position, or uncontrolled, in the event that any of the systems fail and the vessel begins to drift off position. Such a situation can also arise in the event of sudden bad weather, but especially in situations where the vessel's systems are unable to keep the vessel in the correct position over the well. The consequences of such a situation can be that the heave compensation system bottoms out or that the riser comes at an unacceptable angle which causes loads above the riser's design load. The vessel's heave compensation system, which ensures that the riser system remains vertical in relation to the seabed while the vessel is heaving due to waves and weather, can also in some cases lock and will then apply high tensile forces to the riser and cause the risk of loss of the well barrier(s).

Slike situasjoner kan forårsake brudd i stigerøret. I slike situasjoner er det viktig at bruddet kontrolleres, dvs. at det kommer på et sted hvor brønnens barrierer forblir intakte. Such situations can cause a break in the riser. In such situations, it is important that the break is controlled, i.e. that it occurs in a place where the well's barriers remain intact.

Brudd på stigerøret kan forårsake skade på fartøyet og være farlig for personell i tillegg til å kunne forårsake miljøskader, dvs. utslipp av hydrokarboner, hydraulisk fluid eller lignende. Dette kan skje på grunn av energien i det strekte stigerør og innholdet i stigerøret. En kompliserende faktor vil være til stede dersom stigerøret har et innvendig trykk med et ustabilisert fluid eller en blanding av gass og fluid. Fluidet som da strømmer ut av stigerørets nedre ende vil forårsake en oppoverrettet kraft som søker å presse stigerøret opp i riggen mot hivkompenseringen og dermed gjøre situasjonen mer ustabil. I sin ytterste konsekvens kan stigerøret presses oppover med en slik kraft at utstyret i fartøyet påføres store skader og til og med havarere. En slik situasjon kan også medføre tap av menneskeliv. A break in the riser can cause damage to the vessel and be dangerous for personnel in addition to being able to cause environmental damage, i.e. release of hydrocarbons, hydraulic fluid or the like. This can happen due to the energy in the stretched riser and the contents of the riser. A complicating factor will be present if the riser has an internal pressure with an unstable fluid or a mixture of gas and fluid. The fluid that then flows out of the lower end of the riser will cause an upward force that seeks to push the riser up into the rig against the heave compensation and thus make the situation more unstable. In its extreme consequence, the riser can be pushed upwards with such force that the equipment in the vessel is severely damaged and even damaged. Such a situation can also result in the loss of human life.

Det er tidligere kjent å utstyre rør med en sikkerhetsskjøt som brytes dersom røret blir utsatt for et strekk over en forhåndsbestemt verdi. Disse omfatter skjærpinner som brytes ved et strekk i røret. I enkelte applikasjoner, som eksempelvis stigerør som er forbundet mellom en flytende plattform og havbunnen, kan det imidlertid være et større problem at det kan utsettes for store bøyemomenter dersom fartøyet driver av posisjonen. It is previously known to equip pipes with a safety joint that breaks if the pipe is exposed to a stretch above a predetermined value. These include shear pins that break when the pipe is stretched. In some applications, such as risers that are connected between a floating platform and the seabed, however, it can be a bigger problem that it can be exposed to large bending moments if the vessel drifts off position.

Oppfinnelsen søker å avhjelpe dette problemet ved å utstyre stigerøret med en anordning som gjør at røret brytes på et forhåndsbestemt sted når det utsettes for et bøyemoment av en bestemt verdi. The invention seeks to remedy this problem by equipping the riser with a device that causes the pipe to break at a predetermined location when it is subjected to a bending moment of a certain value.

Dette oppnås ved at skjøten omfatter midler for translasjon av bøyningsmoment til aksial last, som angitt i de vedføyde krav. This is achieved by the joint comprising means for translation of bending moment to axial load, as specified in the attached requirements.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til de vedlagte tegninger hvor; The invention shall be described in more detail in the following with reference to the attached drawings where;

Fig. 1 viser et snitt gjennom en skjøt i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 1 shows a section through a joint according to the invention, and

Fig. 2-5 viser skjøten på ulike stadier av bøyning. Fig. 2-5 shows the joint at various stages of bending.

På fig. 1 er vist en skjøt 10. Denne er utformet som en separat del med koblingsender 12, 14 for innkobling i et rør. Den kan være plassert hvor som helst der det er hensiktsmessig, men fordelaktig er den plassert like over skjøten for nødfrakobling. Eventuelt kan skjøten være en del av nødfrakoblingsenheten. I utførelsen vist på tegningen er skjøten brukt i et to-løps stigerør og har dermed en gjennomgående hovedkanal eller indre passasje 16 og en sidekanal 18, 18' som er forbundet med hverandre med en fleksibel slange 19. In fig. 1 shows a joint 10. This is designed as a separate part with connecting ends 12, 14 for connection in a pipe. It may be located anywhere convenient, but advantageously it is located just above the joint for emergency disconnection. Optionally, the joint can be part of the emergency disconnection unit. In the embodiment shown in the drawing, the joint is used in a two-pass riser and thus has a continuous main channel or inner passage 16 and a side channel 18, 18' which are connected to each other by a flexible hose 19.

Skjøten omfatter et nedre hus 20 som omfatter et parti med en utvidet diameter for den indre passasje 16, til mottak av en rørstuss 22.1 sin øvre ende er på huset 20 påskrudd en koppformet flens 24 som er utkraget oppover og har en ringformet endeflate 26. Mellom huset 20 og rørstussen 22 er anordnet tetningselementer 23 og 25.1 en utskjæring 28 er anordnet et flytende stempel 30. Volumet over stempelet 30 står via en kanal 31 i forbindelse med passasjen 16, og volumet under stempelet står via en kanal (ikke vist) i forbindelse med omgivelsene. Stempelet fungerer dermed som en strekkutligning som gjør separasjonskraften mellom rørstuss 22 og hus 20 uavhengig av varierende trykk inne i passasjen 16. Rørstussen 22 fastholdes i huset 20 ved hjelp av to sett bruddpinner 32, 34. Disse kan være pinner jevnt fordelt rundt omkretsen eller være formet som en ring. Bruddpinnene er innrettet til å brytes når de blir utsatt for en forhåndsbestemt kraft. The joint comprises a lower housing 20 which comprises a part with an enlarged diameter for the inner passage 16, to receive a pipe socket 22.1 its upper end is screwed onto the housing 20 a cup-shaped flange 24 which is cantilevered upwards and has an annular end surface 26. Between the housing 20 and the pipe connection 22 are arranged with sealing elements 23 and 25.1 a cutout 28 is arranged with a floating piston 30. The volume above the piston 30 is connected via a channel 31 to the passage 16, and the volume below the piston is connected via a channel (not shown) with the surroundings. The piston thus functions as a strain compensation which makes the separation force between the pipe socket 22 and housing 20 independent of varying pressure inside the passage 16. The pipe socket 22 is held in the housing 20 by means of two sets of break pins 32, 34. These can be pins evenly distributed around the circumference or be shaped like a ring. The break pins are designed to break when subjected to a predetermined force.

Rørstussen 22 har et øvre utkraget parti 36 med nedovervendt 37 og øvre 38 flater, som danner endeflater. Disse flater er fordelaktig sfæriske flater. The pipe spigot 22 has an upper cantilevered part 36 with downward facing 37 and upper 38 surfaces, which form end surfaces. These surfaces are advantageously spherical surfaces.

Skjøten omfatter videre et øvre hus 40 som har en nedre del 42 som er et parti med en utvidet ytre diameter, som danner en utkraging. I utkragingen 42 er anordnet et hulrom 44 til mottak av rørstussens 22 utkragede parti 36. Hulrommet avgrenses av en indre sylindrisk del 46 med en endeflate 47 som er beregnet på å ligge an mot endeflaten 38, og en ytre sylindrisk del 48 hvori er anordnet et antall utboringer 49, 50 (kun to er vist) for mottak av bolter 51, 52. Til enden av delen 42 er ved hjelp av boltene 51, 52 påskrudd en flens 54. Flensens 54 ytterdiameter er omtrentlig lik den ytre diameter av den koppformede flens 24. Flensens innerside er utformet med en oppovervendt sfærisk flate 56. En gummihylse 60 er anordnet slik at den ligger mellom flatene 56 og 37. Gummihylsen fungerer som en bøyningsbegrenser for å minske påkjenningene på stigerøret under vanlig bruk samt er trykkbarriere mellom passasje 16 og omgivelsene noe som er vel kjent. Flensens ytterside er utformet med en nedadvendt sirkulær flate 55, som danner en flensflate. The joint further comprises an upper housing 40 which has a lower part 42 which is a part with an enlarged outer diameter, which forms a cantilever. In the cantilever 42, a cavity 44 is arranged to receive the cantilevered part 36 of the pipe socket 22. The cavity is delimited by an inner cylindrical part 46 with an end surface 47 which is designed to rest against the end surface 38, and an outer cylindrical part 48 in which a number of bores 49, 50 (only two are shown) for receiving bolts 51, 52. A flange 54 is screwed onto the end of the part 42 with the help of bolts 51, 52. The outer diameter of the flange 54 is approximately equal to the outer diameter of the cup-shaped flange 24. The inner side of the flange is designed with an upwardly facing spherical surface 56. A rubber sleeve 60 is arranged so that it lies between the surfaces 56 and 37. The rubber sleeve functions as a bending limiter to reduce the stresses on the riser during normal use and is a pressure barrier between passage 16 and the surroundings something that is well known. The outer side of the flange is designed with a downward facing circular surface 55, which forms a flange surface.

En eller flere låseanordninger 70 kan være anordnet for å stive opp leddet som utgjøres av 40, 22 og 60 og for å holde skjøten sammen i tilfeller der man hverken ønsker bøybarhet eller å ha sikkerhetsskjøten aktivisert. Dette kan være under installasjon og trekking av stigerørsystemet, og under håndtering av sikkerhetsskjøten og dens motstående komponenter. One or more locking devices 70 can be arranged to stiffen up the joint formed by 40, 22 and 60 and to hold the joint together in cases where one does not want either bendability or having the safety joint activated. This can be during installation and pulling of the riser system, and during handling of the safety joint and its facing components.

Når stigerøret utsettes for et strekk utover en forhåndsbestemt verdi vil bruddpinnene 32 ryke slik at den øvre del begynner å separeres fra den nedre del. Denne separasjonen vil fortsette til stempelet 30 møter øvre vegg i utskjæring 28, hvorpå bruddpinner 34 ryker med påfølgende komplett separasjon. De øvre bruddpinnene 32 er dimensjonert for ikke å ryke før strekk i stigerøret har overskredet tillatt verdi, men før man påfører skade på brønnkontrollelementene eller andre deler av stigerørssystemet. Bruddpinner 34 er dimensjonert for å motstå strekkrefter som følge av separasjonskraften trykket i passasje 16 påfører, hvilket vil være mye lavere enn kapasiteten til bruddpinner 32. Dermed kan man sikre seg at stigerøret brytes på et forhåndsbestemt sted. When the riser is subjected to a stretch beyond a predetermined value, the breaking pins 32 will break so that the upper part begins to separate from the lower part. This separation will continue until the piston 30 meets the upper wall in the cut-out 28, whereupon the breaking pins 34 break with subsequent complete separation. The upper break pins 32 are dimensioned so as not to break before tension in the riser has exceeded the permitted value, but before damage is inflicted on the well control elements or other parts of the riser system. Rupture pins 34 are dimensioned to withstand tensile forces as a result of the separation force applied by the pressure in passage 16, which will be much lower than the capacity of rupture pins 32. Thus, it can be ensured that the riser breaks at a predetermined location.

Når stigerøret utsettes for et bøyningsmoment utover det tillatte som opptas i fleksileddet vil stigerørets øvre del stå i en vinkel i forhold til den nedre del, slik som vist på fig. 2. Flensflaten 55 vil dermed støte an mot flaten 26. Fortsatt avbøyning vil bevirke at flensen 54 virker som en momentarm som gir en oppoverrettet kraft mot gummihylsen 60. Dermed vil rørstussen 22 tvinges aksialt oppover slik at det oppstår et strekk i rørstussen 22. Dersom avbøyningen blir stor nok vil dette medføre at bruddpinnene 32 brytes, fig. 3. Rørstussen 22 vil så ta med seg stempel 30 og bruddpinner 34 til stempel 30 går i endestopp og bruddpinner 34 ryker (fig. 4). Den øvre delen 40 av skjøten vil dermed bli adskilt fra den nedre delen 20 og kan trekkes opp, som vist på fig. 5. When the riser is subjected to a bending moment in excess of the permitted amount absorbed by the flexible joint, the upper part of the riser will be at an angle in relation to the lower part, as shown in fig. 2. The flange surface 55 will thus come into contact with the surface 26. Continued deflection will cause the flange 54 to act as a moment arm which provides an upward force against the rubber sleeve 60. Thus, the pipe spigot 22 will be forced axially upwards so that a stretch occurs in the pipe spigot 22. if the deflection is large enough, this will cause the breaking pins 32 to break, fig. 3. The pipe socket 22 will then take piston 30 and breaking pins 34 with it until piston 30 reaches its end stop and breaking pins 34 break (fig. 4). The upper part 40 of the joint will thus be separated from the lower part 20 and can be pulled up, as shown in fig. 5.

Stigerøret er innrettet til, under normal drift, å kunne deflektere (bøye seg) innenfor visse grenser. Denne defleksjonen blir tatt opp av fleksileddet som utgjøres av gummihylsen 60. Stigerøret må betraktes som en stiv søyle og på grunn av fartøyets bevegelser med bølger og vind vil stigerøret alltid være utsatt for en viss defleksjon som kan medføre en fare for tretthetsbrudd i røret, og som gjør at et bøyeledd er nødvendig. Fartøyets dynamiske posisjoneirngssystem vil normalt sørge for å holde fartøyet i en posisjon som ligger innenfor de tillatte grenser som kan opptas av fleksileddet. Imidlertid kan det skje at posisjoneringssystemet svikter og at fartøyet beveger seg utover sin sikre posisjon. En slik situasjon kan oppstå uventet og utvikle seg meget raskt slik at det ikke blir tid til å aktivere de normale prosedyrene for nødfrakobling, dvs. frakobling ved hjelp av EQDP. Oppfinnelsen vil gjøre at stigerøret brytes på et forhåndsbestemt punkt som unngår ødeleggelse av annet utstyr eller brønnen. The riser is designed to deflect (bend) within certain limits during normal operation. This deflection is taken up by the flexible joint which is made up of the rubber sleeve 60. The riser must be regarded as a rigid column and due to the vessel's movements with waves and wind, the riser will always be exposed to a certain deflection which may entail a risk of fatigue fracture in the pipe, and which means that a flexure joint is necessary. The vessel's dynamic positioning system will normally ensure that the vessel is kept in a position that lies within the permitted limits that can be occupied by the flexible joint. However, it can happen that the positioning system fails and that the vessel moves beyond its safe position. Such a situation can arise unexpectedly and develop very quickly so that there is no time to activate the normal procedures for emergency disconnection, i.e. disconnection using EQDP. The invention will cause the riser to break at a predetermined point which avoids destruction of other equipment or the well.

Den gjenstående del av skjøten kan siden hentes opp til overflaten og skjøten klargjøres for fortsatt bruk. The remaining part of the joint can then be brought up to the surface and the joint prepared for continued use.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til et stigerør for bruk til havs er det klart at oppfinnelsen kan finne anvendelse i enhver applikasjon hvor et rør utsettes for store bøyemomenter og hvor det er ønskelig at røret ryker på et forhåndsbestemt punkt. Although the invention has been described with reference to a riser pipe for use at sea, it is clear that the invention can find application in any application where a pipe is exposed to large bending moments and where it is desirable that the pipe breaks at a predetermined point.

Claims

1. Device for a safety joint for a pipe, in particular a riser extending between a vessel and an underwater installation, which joint comprises two telescoping parts (20, 22, 40) which are connected by means (32, 34) arranged to be broken by a specific axial tensile stress, characterized in that the joint comprises means (26, 55) for translation of bending moment to axial tensile stress.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that said means (26, 55) comprise a torque arm.

3. Device as stated in claim 2, characterized in that the torque arm is made up of two flanges (26, 55) arranged on the first and second telescoping parts (20, 22), respectively, which flanges come into contact with each other during deflection.

4. Device as stated in claim 1, characterized in that the joint comprises a flexible link (60).

5. Device as stated in claim 1, characterized in that the joint comprises a piston (30) which neutralizes separation forces due to pressure in the bore (16)

6. Device as stated in claim 1, characterized in that the breaking means are breaking pins (32, 34).

7. Device as stated in claim 1, characterized in that the breaking means are breaking rings.