NO324798B1 - Hybridstigeror-konfigurasjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hybridstigerør-konfigurasjon, primært for hydrokarbontjenester til havs, som definert i innledningen av krav 1.

Bakgrunn

Hybridstigerør-konseptet er utviklet fra stigerør med toppstrekk. Den vesentligste egenskap er at det tillater relativ bevegelse mellom en flytende konstruksjon og et stivt stigerør av metall ved at de forbindes med hverandre med fleksible rørledninger. Det første og hittil eneste installerte hybridstigerør var et enkelt stigerør som ble forankret til konstruksjonen med en strekkabel. Dagens konsepter involverer hovedsakelig flere stigerør hvor strekket tilveiebringes av neddykket oppdrift forankret ved hjelp av en fortøyning.

Fra US 4462717 er det kjent et slikt konsept hvor flere stigerør er anbrakt i hvert sitt lederør i en omsluttende kappe. Lederørene og kappen er avsluttet et stykke over sjøbunnen og er åpne nedentil, hvorfra stigerørene er forbundet med den tilhørende brønn på sjøbunnen med en fleksibel ledning. Stigerørene må her være sterk nok til å bære sin egen vekt.

Den største fordel med hybridstigerør som holdes under strekk ved hjelp av neddykket oppdrift er at de er mye mindre utsatt for bølgeinduserte, sykliske belastninger og heller ikke blir eksitert av betydning av fartøyets bevegelser. Utfordringen ved slike konstruksjoner er å oppta den relative deformasjon mellom den sentrale fortøyning og stigerørene. Stigerørene utsettes for temperatur, innvendig trykk og sideveis avbøyning, noe som gir opphav til relativ deformasjon.

Man kan se for seg flere løsninger for å oppta disse relative deformasjoner. Den mest effektive løsning vil avhenge av de spesifikke prosjektbetingelser, og det behøver ikke være en enkelt konstruksjonsløsning som er mer kostnadsoptimal for alle tilfeller. Den mest attraktive løsning vil være den som minimaliserer de store kostnadsdriverne, som er syntaktiske skum for isolasjon, koblinger for fleksible strømningsledninger, fleksible forbindelsesledninger, montering til havs, uttauing og installasjon til havs.

Oppfinnelsens formål

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å oppta relativ ekspansjon av stigerørene på en enkel og pålitelig måte, og å redusere kostnads- og risikoeksponeringen i forbindelse med fremstilling og installasjon av en hybridstigerør-konfigurasjon.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Disse og andre formål oppnås ved hjelp av et arrangement som er karakterisert ved de trekk som er angitt i krav 1. Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte som definert i krav 6.

Ytterligere trekk og utførelser er angitt i de uselvstendige krav og følgende beskrivelse og tegninger vedrørende utførelseseksempler på oppfinnelsen.

Kort tegningsbeskrivelse

Figur 1 viser et oppriss av et overflatefartøy som er forbundet med utstyr på havbunnen ved hjelp av et hybridstigerør ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et fragmentarisk perspektivbilde, delvis i snitt, av et midtparti av stigerøret på figur 1,

figur 3 er et fragmentarisk perspektivbilde av den nedre del av stigerøret på figur 1,

figur 4 er et vertikalt snitt gjennom en endeforbindelse for bruk i stigerøret på figur 1, og

figur 5 er et skjematisk oppriss som illustrerer en fremgangsmåte for installasjon av stigerøret på figur 1.

Detaljert tegningsbeskrivelse

Med henvisning til tegningene viser figur 1 et overflatefartøy 1, for eksempel et produksjonsskip for råolje, som er forbundet med utstyr (ikke vist) på havbunnen 2 gjennom et hybridstigerør som er generelt betegnet med 3 og innbefatter foreliggende oppfinnelse. Stigerøret 3 omfatter et stigerørstårn 4, som ved sin nedre ende er forbundet med en sokkel 5 på havbunnen 2 og ved sin øvre ende med en oppdriftsinnretning med såkalt myk tank, som holder stigerørstårnet 4 i tilstrekkelig strekk til å unngå global knekning av dette.

Ved bøyene 6 er tårnets 4 flerhet av stigerør forbundet med fleksible forbindelsesslanger 7, 8, hvilke forbindelsesslanger 7 fører den produserte råolje til produksjonsskipet 1 og forbindelsesslangene 8 fører behandlet produkt fra skipet 1 til et oljeeksportsystem.

Detaljer ved stigerørstårnet 4 er vist på figurene 2 og 3, idet figur 3 viser den nedre del av tårnet forbundet med sokkelen 5 og figur 2 viser et parti av tårnet, for eksempel noe i likhet med den øvre del på figur 3, delvis bortbrutt og delvis i snitt.

Tårnet omfatter åtte lederør 9, fortrinnsvis laget av aluminium eller en aluminiumslegering så som Al 6082, hvorav fem er vist på figur 2. En flerhet av disse rør, for eksempel syv av dem, inneholder et stigerør 10 av betydelig mindre diameter, slik det er vist i det gjennomskårne rør i den venstre del av figur 2. Det rør som ikke inneholder et stigerør kan inneholde en navlestreng eller andre hjelpeledninger som fører til utstyr på havbunnen. Diameteren av lederørene 9 og stigerørene 10 kan være henholdsvis 20 cm og 10 cm.

Sentralt plassert i røret 4 befinner det seg et rør 11, for eksempel laget av stål, som kan tjene som et eksportrør for produkter fra produksjonsskipet 1. Det sentrale rør 11

bærer flere ledeplater 12, som er anordnet med jevne mellomrom langs stigerørstårnet 4 og er fastklemt mellom forbindelsesflenser på det sentrale rør 11, hvilke ledep later bærer ledehylser 13 for lederørene 9 for å holde rørene adskilt når de avbøyes på grunn av strømkrefter. Ledehylsene kan inneholde et lavfriksjonsmateriale for å lette aksial bevegelse av lederørene 9 i forhold til ledep laten 12.

Den myke oppdriftstank 6 som utgjør toppen av stigerørskonifgurasjonen ifølge oppfinnelsen, bærer lederørene 9 og deres stigerør 10. Den øvre del av lederørene er forsynt med en økende veggtykkelse for å kunne virke som en spenningsfordelende forbindelse. Denne spenningsfordelende forbindelse er stivt forbundet med tanken 6. En lignende type spenningsfordelende forbindelse utgjør den nedre del av lederørene 9 og strekker seg for eksempel mellom ledep laten 12 og sokkelen 5 vist på figur 3. Således er lederørene 9 stivt forbundet med sokkelen 5, slik at det ikke blir nødvendig med dyre fleksible koplinger i dette området.

Også de innvendige stigerør 10 er stivt forbundet med sokkelen 5 og de innvendige rør som fører til respektive ytre tilkoplinger 14 anbrakt med mellomrom langs periferien av sokkelen 5. Den faste sokkel 5 og de stive tilkoplinger 14 er kostnadseffektive ved at de tillater konvensjonell inntrekking og tilkopling av rørledninger.

Et vesentlig trekk ved foreliggende oppfinnelse er den doble funksjon som lederørene 9 av aluminium har. For det første vil lederøret holde stålstigerøret 10 som er innesperret i dette på plass, slik at det kan tillates å knekke ved elastisk deformasjon når det utsettes for forlengelse bevirket av høy temperatur og indre trykk. Denne knekning skjer i to ortogonale plan med 90° faseforskyvning, slik at det dannes en spiral i henhold til Eulers ligning. Denne spiralform som stigerøret 10 inntar er antydet på figur 2. Som et resultat vil denne kontrollerte knekking tillate bruk at et relativt tynnvegget stigerør som ikke trenger noen separat strekkinnretning. Videre kan de individuelle stigerør 10 i stigerørskonfigurasjonen ifølge oppfinnelsen operere ved forskjellige temperaturer og trykk, og dermed forskjellig grad av forlengelse, uten å skape understøttelsesproblemer fordi de forskjellige forlengelser kun vil føre til varierende bølgelengde i spiralene.

For det andre tjener aluminiumslederørene 9 som fortøyning for oppdriftstanken 6 og eliminerer således de dedikerte fortøyninger benyttet i tidligere kjente hybridstigerør. Videre vil de relativt rimelige aluminiumsrør gi nødvendig oppdrift til en mye lavere kostnad enn skumoppdriften som ellers ville være nødvendig for utsleping og installasjon.

I normal service kan lederørene 9 trykksettes med en gass så som luft eller nitrogen for å forhindre implosjon på grunn av det utvendige hydrostatiske trykk. Man tenker seg også å fylle ringrommet mellom stigerøret 10 og lederøret 9 med en gel, for eksempel en parafingel, for å redusere varmeoverføringen mellom stigerøret 10, som fører varm produsert olje, og det kjøligere lederør 9, som har samme temperatur som det omgivende sjøvann. Det kan tas flere forhåndsregler for å unngå korrosjon av materialene i ringrommet, så som å forsyne stigerøret 10 med et belegg av et polymermateriale, eller sprøytebelegge det med aluminium. Innsiden av lederøret 9 av aluminium (legering) kan gjøres til gjenstand for en anodiseringsprosess. Dertil kan en avstandsholderring av et isolerende materiale installeres med jevne mellomrom inne i lederøret for å forhindre metallisk kontakt med stigerøret.

Selv om lederørene av aluminium kan forsynes med tilstrekkelig korrosjonstillegg til at de kan fungere som anoder for stigerørenes og fleksible forbindelsesrørs fittings av stål, er det vanligvis enklere å benytte offeranoder for å beskytte hele konstruksjonen. En inngående analyse har vist at det i motsetning til den vanlige oppfatning innen industrien, vil være ganske trygt å blande stål og aluminium i undervannskonstruksjoner av den type som foreliggende oppfinnelse gjelder.

Det skal nå henvises til figur 4, hvor det er vist den nedre avslutning av et stigerør 10 og dets lederør 9 ved sokkelen 5. Den avsmalnende veggtykkelse av den

spenningsfordelende forbindelse som danner den nedre del av lederøret 9 vil fremgå av figuren. Både lederøret 9 og stigerøret 10 er forsynt med kompakte endeflenser, som er boltet til flensen 15 av et forbindelsesrør som er støpt inn i sokkelen 5 og fører til en av forbindelsene 14 vist på figur 3. De kompakte flenser kan ha et tetningssystem (ikke vist) som tillater sammenstilling av forskjellige materialer uten å gi opphav til galvanisk korrosjon eller spaltekorrosjon på de sammenpassende flater.

Figur 4 viser også en ventil 16 som er koplet til ringrommet mellom lederøret 9 og røret 10. Denne ventil regulerer differensialtrykket mellom ringrommet og det omgivende sjøvann, og er innstilt slik at den vil tillate innstrømning av vann inn i ringrommet i god tid før differensialtrykket blir høyt nok til å knuse lederøret 9. Ventilen 16 tjener også til å tillate strømning ut av ringrommet dersom trykket i dette skulle overskride det utvendige trykk med en forutbestemt størrelse, for eksempel for å tillate spyling av ringrommet for sjøvann som måtte ha trengt inn i ringrommet. Dette kan skje under installasjon av stigerørskonfigurasjonen, slik det vil bli beskrevet nedenfor.

Den øvre avslutning av lederøret 9 og stigerøret 10 kan være ganske lik den som er vist på figur 4, selv om betongsokkelen naturligvis vil være erstattet av en annen egnet konstruksjon som ville være nærliggende for fagmannen på den myke tank 6.

Stigerørstårnet ifølge oppfinnelsen kan fortrinnsvis være fremstilt på et rulle- eller skinneunderlag, fra hvilket det kan sjøsettes. Tilkoplingene til oppdriftstanken 6 og sokkelen 5 foretas under sjøsettingsprosessen. Stigerøret vil bli gjort tilnærmet nøytralt flytende. For å oppnå dette, vil i det minste noen av lederørene 9, og fortrinnsvis alle stigerørene 10, blir benyttet for oppdrift. En hivkompensator vil bli anbrakt ved oppdriftstanken, som vil bli fylt med vann for å virke som en klumpvekt.

Utslepingen vil til å begynne med bli utført som et slep i overflaten eller nær overflaten. På dypere vann kan slepet senkes og fullføres som et undervannsslep for å redusere effekten av bølgekreftene, slik det er illustrert på figur 5. Her tilveiebringer overflatefartøyer 17 et betydelig strekk i slepevaierne 18, for derved å bevirke tilstrekkelig strekk i tårnet 4 til å forhindre at dets netto oppdrift, enten denne er litt negativ eller positiv, bøyer tårnet i alvorlig grad. Når slepet når frem til installasjonsstedet, fires slepevaieren ved sokkelens 5 ende ut slik at tårnet 4 langsomt bringes i riktig stilling mens det er opphengt i den hivkompenserte slepevaier 18 ved tankens 6 ende. Når sokkelenden av tårnet har nådd en viss dybde, vil det hydrostatiske trykk være slik at differensialtrykkventilene 16 (fig. 4) vil åpne for å slippe vann inn i ringrommet mellom lederøret 9 og stigerøret 10 for å forhindre at det utvendige hydrostatiske trykk imploderer lederørene 9 under den gjenværende nedsenkning mot havbunnen 2.

Når stigerørstårnet er vertikalt, frigjøres sokkelendens slepevaier, og nedsenkningen vil fortsette fra den øvre ende slik at sokkelen 5, som kan være forsynt med et sugeskjørt, kan penetrere havbunnsnivået, etterfulgt av bruk av sugekraft for å fullføre installasjonen av sokkelen. Når sokkelen 5 er på plass, fylles oppdriftstanken 6 med trykkluft eller annen gass for å fortrenge ballastvannet og skape strekk i de kombinerte lederør og fortøyninger 9. Det siste trinn som innebærer å koble de fleksible forbindelsesslanger 7 og 8 mellom oppdriftstanken 6 og produksjonsskipet 1 for å fullføre hybridstigerøret, utgjør ingen del av foreliggende oppfinnelse. Basert på historiske data fra den tidligere kjente teknikk er den største risiko under utsleping og installasjon tap av midlertidig oppdrift. I foreliggende oppfinnelse er midlertidig oppdrift ikke nødvendig fordi tilstrekkelig oppdrift tilveiebringes av konstruksjonen selv. Hvert lederør 9 består av to rom, stålstigerøret 10 inne i dette og det ringformede rom mellom stigerøret og innsiden av lederøret. Under utsleping og installasjon, og også i drift, kan vannfylling av et av rommene tillates uten at det får konsekvenser for konstruksjonen.

Selv om den ikke anses for å være mest fordelaktig, er en alternativ tilnærming til installasjonen sammenstilling til havs fra en boreplattform. I dette tilfellet blir stigerørets sokkel 5 først hengt opp i en spider på kjellerdekket. Seksjoner med lederør og stigerør blir så installert ved hjelp av boreplattformens boretårn.

Det vil forstås at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til de utførelseseksempler som er vist på tegningene og omtalt ovenfor, men at den kan varieres og modifiseres av fagmannen innenfor rammen av oppfinnelsen definert av de påfølgende krav. Videre vil det forstås at foreliggende oppfinnelse tilveiebringer flere betydelige fordeler, som kan oppsummeres som følger:

• Bruk av dyrt oppdriftsmateriale, så som syntaktisk skum, elimineres.

• Bruk av temporært oppdriftsmateriale er ikke nødvendig under noen fase av utsleping eller installasjon. • Aluminiumsrør er lette av vekt, noe som ytterligere reduserer kravene til oppdrift. • Aluminiumslederør gir katodisk beskyttelse til andre deler av den stive stigerørskonstruksjon. • Bruken av fleksible rør og forbindelser til rørledninger ved stigerørets sokkel elimineres. Direkte inntrekning av stive strømningsledninger og rørledninger kan gjøres ved bruk av feltutprøvet utstyr. • Det sentrale rørformede element i det stive stigerør som benyttes som strukturelt strekkorgan i tidligere eksempler på hybridstigerør, elimineres. I stedet for kan ett eller flere eksportstigerør inkluderes i sentrum av konstruksjonen. • Utsleping og installasjon av det stive stigerørsparti kan nå utføres i én enkelt operasjon. Konseptet er også mulig å tilpasse for installasjon fra en boreplattform eller lignende.

• Alt monteringsarbeid til havs kan elimineres.

• Varmt vann kan sirkuleres gjennom lederørene for å varme opp stigerørene.

Claims (10)

1. Hybridstigerør-konfigurasjon som har et neddykket tårn (4) som omfatter flere stigerør (10) hovedsakelig innsatt i lederør (9) og som også har oppdriftsmidler (6) og fortøyende strekkorgan, idet stigerørene (10) og lederørene (9) er forbundet med en sokkel (5) som er forankret til havbunnen, karakterisert ved at en flerhet av lederørene (9) virker som fortøyninger, idet hvert lederør (9) videre virker som en radial sperring ved elastisk deformasjon (Euler) av stigerøret (10) inne i dette.

2. Hybridstigerør-konfigurasjon ifølge krav 1, karakterisert ved at stigerørene (10) og lederørene (9) er stivt forbundet både med sokkelen (5) og oppdriftsmidlene (6) av stigerør-konfigurasjonen.

3. Hybridstigerør-konfigurasjon ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at materialet i lederørene (9) omfatter aluminium eller et lignende lett metall.

4. Hybridstigerør-konfigurasjon ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den er beskyttet av offeranoder.

5. Hybridstigerør-konfigurasjon ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at under utsleping og installsjon tilveiebringer lederørene (9) nødvendig oppdrift for å gjøre stigerør-konfigurasjonen, med unntak av sokkelen (5) og oppdriftsmidlene (6), nær nøytralt flytende.

6. Fremgangsmåte for installasjon av en stigerør-konfigurasjon som har et neddykket tårn (4) som omfatter en flerhet stigerør (10) hovedsakelig innsatt i lederør (9) og som også har en oppdriftstank (6) og en gravitasjonssokkel (5) som er forbundet med nevnte stigerør (10) og lederør (9), omfattende de trinn å: - fremstille en bunt (4) av lederør (9) og stigerør (10) på et rulle- eller skinneunderlag hvorfra den kan sjøsettes, - forbinde oppdriftstanken (6) og gravitasjonssokkelen (5) med motsatte ender av nevnte bunt, - tette i det minste en flerhet av lederørene (9) og stigerørene (10) av bunten (4), - sjøsette den resulterende konstruksjon og forbinde oppdriftstanken og gravitasjonssokkelens ender av konstruksjonen med respektive slepefartøyer (17) via slepevaiere (18), - fylle oppdriftstanken (6) med vann for å gi den en betydelig negativ oppdrift slik at både tanken (6) og sokkelen (5) vil virke som klumpvekter, - slepe konstruksjonen (4,5,6) til dens installasjonssted til havs som et undervannsslep mens det opprettholdes tilstrekkelig vinkel og strekk i slepevaierne (18) til å opprettholde et betydelig strekk i rørbunten (4), - senke sokkelens (5) ende av konstruksjonen (4-6) ved å fire ut den slepevaier som er forbundet med sokkelen (5), - tillate vann å trenge inn i rommet mellom stigerørene (10) og deres respektive lederør (9) når sokkelen (5) har nådd en forutbestemt dybde for å begrense differensialtrykket over veggen av lederørene (9), - fortsette nedsenkningen av konstruksjonens sokkelende inntil konstruksjonen er loddrett og opphengt i slepevaieren (18) som er forbundet med oppdriftstanken (6), og - senke konstruksjonen for å tillate sokkelen (5) å penetrere bunnens (2) nivå og forankre sokkelen til havbunnen, og fjerne ballastvannet og slepevaieren (18) fra oppdriftstanken for derved å tilveiebringe strekk i lederørene (9).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor et bevegelseskompen-sasjonssystem benyttes i slepevaieren (18) mellom oppdriftstanken (6) og overflatefartøyet (17).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, hvor lederørene (9) fremstilles ved sammensveising av seksjoner av aluminiumsrør ved bruk av friksjonsomrøringssveising.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 6-8, hvor nevnte lederør (9) lages ved det å forbinde seksjoner av aluminiumsrør som er laget med en langsgående søm sveiset ved hjelp av friksjonsomrøringssveising.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 6-9, hvor i det minste noen av de ringformede rom mellom stigerørene (10) og de tilhørende lederør (9) fylles med en gel etter utdrivning av eventuelt vann som måtte ha trengt inn i nevnte rom under konstruksjonens installasjon.