NO330823B1

NO330823B1 - connector

Info

Publication number: NO330823B1
Application number: NO20014558A
Authority: NO
Inventors: Blake T Deberry; Morris B Wade
Original assignee: Dril Quip Inc
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2011-07-25
Also published as: NO20014558L; NO20014558D0

Description

Denne oppfinnelsen angår generelt konnektorer for å forbinde rørformede elementer ende mot ende. Nærmere bestemt angår den en forbedret konnektor som særlig er velegnet til bruk for å forbinde stigerør med undervanns brønnhodesystemer. This invention relates generally to connectors for connecting tubular elements end to end. More specifically, it relates to an improved connector which is particularly suitable for use in connecting risers to subsea wellhead systems.

Tidligere konnektorer av denne typen har krevet bare minimal kapasitet fordi stige-rørene var koblet til faste strukturer ved vannoverflatene. Med fremkomsten av flytende produksjonsfartøyer (TLP eller SPAR) øket imidlertid den nødvendige kapa-siteten til konnektorene på grunn av bevegelsen til borefartøyet. Derfor var konnektorene som ble benyttet i disse anvendelser vanligvis modifiserte borekonnektorer med store ytterdiametere. Previous connectors of this type have required only minimal capacity because the risers were connected to fixed structures at the water surfaces. However, with the advent of floating production vessels (TLP or SPAR), the required capacity of the connectors increased due to the movement of the drilling vessel. Therefore, the connectors used in these applications were usually modified drill connectors with large outer diameters.

På et fartøy av SPAR-typen er stigerørene understøttet øverst av et oppdriftssystem med luftkasser. Innerdiametrene til disse luftkasser må være dimensjonert slik at konnektoren kan passere gjennom, og bruken av disse konnektorer med stor ytterdiameter medførte store indre stenger i luftkassene som øket luftkassevekten og minsket oppdriften. Resultatet var et økende behov for en utvendig slank konnektor etterhvert som vanndybdene øket og stigerørvekten ble høyere. On a SPAR-type vessel, the risers are supported at the top by a buoyancy system with air boxes. The inner diameters of these air boxes must be dimensioned so that the connector can pass through, and the use of these connectors with a large outer diameter resulted in large internal rods in the air boxes which increased the air box weight and reduced buoyancy. The result was an increasing need for an external slim connector as the water depths increased and the riser weight became higher.

GB 2 234 794 omhandler en undervanns brønnhodekonnektor som omfatter et nedre rørformet element montert på den øvre enden av et nedre brønnhodeelement, og et øvre rørformet element hengende fra et øvre brønnhodeelement for å senkes i ende til ende forbindelse med det nedre rørformede elementet. GB 2 234 794 relates to an underwater wellhead connector comprising a lower tubular member mounted on the upper end of a lower wellhead member, and an upper tubular member suspended from an upper wellhead member to be lowered into end-to-end connection with the lower tubular member.

GB 2 129 895 omhandler en undervanns brønnhodekonnektor for å forbinde den nedre enden av et brønnhodeelement til den øvre enden av et annet brønnhodeelement som er montert i en stående stilling under vannflaten. GB 2 129 895 relates to an underwater wellhead connector for connecting the lower end of a wellhead element to the upper end of another wellhead element which is mounted in an upright position below the water surface.

Det primære formål med oppfinnelsen er således å komme frem til en utvendig slank konnektor for dette og andre formål. The primary purpose of the invention is thus to arrive at an external slim connector for this and other purposes.

Et annet formål er å komme frem til en konnektor som er meget effektiv ved at den krever minimalt driftstrykk. Another purpose is to arrive at a connector that is very efficient in that it requires minimal operating pressure.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en konnektor som omfatter et første og andre rørformet element innrettet til å anbringes ende mot ende, idet hvert element har rundtgående sperrespor nær endene, en første hylse som med en ende holdes rundt det første elementet for aksial resiprokering i forhold til dette, idet den motsatte enden omgir enden av det andre elementet når elementene er anordnet ende mot ende, og en radialt ekspanderbar og sammentrekkbar ring som har en første og andre tann i aksial avstand rundt innsiden, kjennetegnet ved en andre hylse som med en ende holdes rundt det første elementet og inne i den første hylsen for vertikal resiprokering i forhold til denne, og ringen holdes inne i den første og andre hylsen, slik at i den normalt ekspanderte stillingen kan den første hylsen og ringen beveges utenpå enden av det andre elementet og derved anbringe den første og andre tannen motsatt av henholdsvis det første og andre sporet, og hylsene har indre kamflater nær de andre ender som er forskyvbare utenpå kamflater rundt utsidene av ringen, for å bevege ringen og tennene innover til sperret stilling i sporene rundt de rørformede elementer når hylsene er beveget aksialt mot hverandre, og å muliggjøre at ringen kan ekspandere til usperret stilling når hylsene er beveget aksialt bort fra hverandre, og operative midler som forbinder de motsatte ender av hylsene for selektiv bevegelse av disse aksialt mot og bort fra hverandre for å bevege ringen mellom sperret og usperret stilling. The present invention relates to a connector comprising a first and second tubular element arranged to be placed end to end, each element having circumferential locking grooves near the ends, a first sleeve which is held at one end around the first element for axial reciprocation in relation to it , the opposite end surrounding the end of the second member when the members are arranged end-to-end, and a radially expandable and contractible ring having a first and second tooth axially spaced around the inside, characterized by a second sleeve which is held around by one end the first member and inside the first sleeve for vertical reciprocation relative thereto, and the ring is held inside the first and second sleeves, so that in the normally expanded position the first sleeve and the ring can be moved outside the end of the second member and thereby place the first and second teeth opposite the first and second grooves, respectively, and the sleeves have internal cam surfaces close to the other ends displaceable outside cam surfaces around the outsides of the ring, to move the ring and teeth inwardly into a locked position in the grooves around the tubular members when the sleeves are moved axially toward each other, and to enable the ring to expand to an unlocked position when the sleeves are moved axially away from each other, and operative means connecting the opposite ends of the sleeves for selective movement thereof axially toward and away from each other to move the ring between locked and unlocked positions.

Andre utførelsesformer av konnektoren i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav. Other embodiments of the connector according to the invention appear from the independent patent claims.

Konnektoren har således høy kapasitet mens de operative krefter som kreves er minsket. The connector thus has a high capacity while the operative forces required are reduced.

Som vist, og i samsvar med behovet for en liten ytterdiameter, omfatter de operative midler fortrinnsvis radialt utoverragende vegger på den ene enden av den andre hylsen, tettende forskyvbart inne i den ene enden av den første hylsen, for å danne et ringformet rom mellom disse. Et radialt innoverragende stempel på den ene enden av den første hylsen mellom endeveggene er tettende forskyvbart omkring den andre hylsen for å inndele rommet i trykkammere på de motstående sider, og midler er anordnet med hvilke drivfluid kan føres til og fra kamrene for selektivt å ekspandere og trekke sammen kamrene og dermed bevege ringen mellom sperret og usperret stilling. As shown, and in accordance with the need for a small outer diameter, the operative means preferably comprise radially projecting walls on one end of the second sleeve, sealing displaceably within one end of the first sleeve, to form an annular space therebetween . A radially inwardly projecting piston on one end of the first sleeve between the end walls is sealingly displaceable about the second sleeve to divide the space into pressure chambers on opposite sides, and means are provided by which driving fluid can be passed to and from the chambers to selectively expand and pull the chambers together and thus move the ring between the locked and unlocked position.

Fortrinnsvis har de indre og ytre sider av den første og andre hylsen overlappende kamflater som er forskyvbare langs hverandre når ringen beveges til sperret stilling. Det foretrekkes også at konnektoren omfatter midler for å hindre utilsiktet forskyvning fra sperret stilling av sperretenner og spor på sidene av hylsene som ligger nær hverandre. Preferably, the inner and outer sides of the first and second sleeve have overlapping cam surfaces which are displaceable along each other when the ring is moved to the locked position. It is also preferred that the connector includes means to prevent accidental displacement from the locked position of the ratchet teeth and grooves on the sides of the sleeves that are close to each other.

I henhold til andre trekk kan konnektoren være utstyrt med midler på utsiden av trykkamrene for å bevege hylsene til frigjørende stilling. Som vist omfatter disse et første anslag på den første hylsen og et andre anslag på den andre hylsen som er i aksial avstand fra det første anslaget, slik at en forlengbar og forkortbar aktuator kan monteres mellom anslagene for å bevege disse aksialt fra hverandre. According to other features, the connector may be provided with means on the outside of the pressure chambers for moving the sleeves to the releasing position. As shown, these comprise a first abutment on the first sleeve and a second abutment on the second sleeve which is at an axial distance from the first abutment, so that an extendable and shortenable actuator can be mounted between the abutments to move them axially apart.

Pa tegningene er like henvisningstall benyttet for å angi like deler. In the drawings, like reference numbers are used to indicate like parts.

Fig. IA, IB, 2A, 2B, 3A og 3B er vertikale, halve snitt gjennom venstre og høyre sider av toppen, midtpartiet og bunnen av konnektoren, idet den venstre siden viser konnektoren i usperret stilling og den høyre siden viser den i sperret stilling. Fig. 4 viser forstørret detaljer ved sperremekanismen vist i fig. 2B for montering mellom hylsene, for å hindre utilsiktet forskyvning av konnektoren fra sperret stilling. Med henvisning til detaljene ved den ovenfor beskrevne konnektor omfatter denne et øvre og nedre rørformet element 10 og 11 anordnet ende mot ende, slik som vist, og med avfasede flater rundt innsiden av endene som ligger nær hverandre, for anbring-else av en tetningsring 13 mellom disse. I tilstanden som er angitt ovenfor vil det nedre av de rørformede elementer bli forbundet med et undervanns brønnhodeele-ment, og det øvre av de rørformede elementer med en forbindelse innrettet til å rage oppover til en stigerør- eller foringsrørstreng innrettet til å forlenges oppover til et overflatebrønnhode. Figures IA, IB, 2A, 2B, 3A and 3B are vertical half-sections through the left and right sides of the top, middle and bottom of the connector, the left side showing the connector in the unlocked position and the right side showing it in the locked position . Fig. 4 shows enlarged details of the locking mechanism shown in fig. 2B for mounting between the sleeves, to prevent accidental displacement of the connector from the locked position. With reference to the details of the connector described above, this comprises an upper and lower tubular element 10 and 11 arranged end to end, as shown, and with chamfered surfaces around the inside of the ends which are close to each other, for the placement of a sealing ring 13 between these. In the condition indicated above, the lower of the tubular members will be connected to a subsea wellhead member, and the upper of the tubular members with a connection arranged to project upwardly to a riser or casing string arranged to extend upwardly to a surface wellhead.

En første hylse 14 holdes med sin øvre ende rundt det øvre rørformede elementet for å rage nedover utenpå det øvre partiet av det nedre rørformede elementet. Nærmere bestemt har den nedre enden av den første hylsen et innover fortykket parti 14A som styres forskyvbart utenpå utsiden av det nedre rørformede elementet, og holder en ring rundt innsiden for å hindre avfall i å komme inn i rommet mellom den første hylsen og utsidene av de rørformede elementer. En andre hylse 15 holdes rundt det øvre rørformede elementet inne i den første hylsen, for vertikal resiprokering i forhold til denne og det øvre rørformede elementet. A first sleeve 14 is held with its upper end around the upper tubular member to project downwardly outside the upper portion of the lower tubular member. Specifically, the lower end of the first sleeve has an inwardly thickened portion 14A which is slidably guided outside the lower tubular member, and holds a ring around the inside to prevent debris from entering the space between the first sleeve and the outsides of the tubular elements. A second sleeve 15 is held around the upper tubular element inside the first sleeve, for vertical reciprocation in relation to this and the upper tubular element.

Det øvre elementet 10 er utformet med spor 16 rundt den nedre enden, og det nedre elementet 11 er utformet med spor 17 rundt den øvre enden. En splittet sperrering R som holdes på innsidene av hylsene har tenner 16A og 17A og er radialt ekspanderbar og sammentrekkbar mellom usperret stilling der tennene er i avstand fra sporene rundt de rørformede elementer, og en sperret stilling der ringen er drevet innover for inngrep mellom tennene og sporene og derved sperre forbindelsen. Ringen er således radialt bevegelig mellom en normalt ekspandert, usperret stilling og en radialt sammentrukket sperret stilling. Fortrinnsvis er sperreringen splittet rundt omkretsen slik at den normalt ekspanderer utover til usperret stilling. Alternativt kan sperreringen bestå av segmenter som er sammenføyd med hverandre, for å bevirke at den normalt inntar en radialt ytre stilling men kan trykkes sammen til sammentrukket stilling. The upper element 10 is designed with a groove 16 around the lower end, and the lower element 11 is designed with a groove 17 around the upper end. A split locking ring R held on the insides of the sleeves has teeth 16A and 17A and is radially expandable and contractible between an unlocked position where the teeth are spaced from the grooves around the tubular members, and a locked position where the ring is driven inward for engagement between the teeth and the tracks and thereby blocking the connection. The ring is thus radially movable between a normally expanded, unblocked position and a radially contracted blocked position. Preferably, the locking ring is split around the circumference so that it normally expands outwards to the unblocked position. Alternatively, the locking ring can consist of segments which are joined together, to cause it to normally assume a radially outer position but can be pressed together into a contracted position.

Som det kan sees av en sammenligning mellom fig. 3A og 3B beveges sperreringen mellom sin ytre eller usperrede stilling, der det øvre rørformede elementet kan senkes til eller fjernes fra anlegg ende mot ende med det nedre rørformede elementet, og en sperret stilling ved hjelp av kamflater rundt de indre sider av den første og andre hylsen som er forskyvbare utenpå kamflater på ringen, slik at bevegelse av hylsene i motsatte retninger vil drive ringen innover til sperret stilling. As can be seen from a comparison between Figs. 3A and 3B, the lock is moved between its outer or unlocked position, where the upper tubular member can be lowered into or removed from end-to-end engagement with the lower tubular member, and a locked position by means of cam surfaces around the inner sides of the first and second the sleeve which is displaceable outside cam surfaces on the ring, so that movement of the sleeves in opposite directions will drive the ring inwards to the locked position.

Den øvre enden av den første hylsen har en innover ragende flens 25 som understøttes på en skulder rundt det øvre rørformede elementet når den er i sin nederste stilling, i hvilken den frigir sperreringen for ekspansjon til usperret stilling, det øvre rørformede elementet. På den annen side vil hevning av flensen etter bevegelse oppover av den første hylsen drive sperreringen til sperret anlegg. The upper end of the first sleeve has an inwardly projecting flange 25 which is supported on a shoulder around the upper tubular member when in its lowest position, in which it releases the restriction for expansion to an unrestricted position, the upper tubular member. On the other hand, raising the flange after upward movement of the first sleeve will drive the locking device into a locked system.

Den andre hylsen 15 holdes av det øvre rørformede elementet, og har en kamflate 27 rundt den indre siden av sin nedre ende, innrettet til å beveges nedover utenpå en øvre kamflate på sperreringen. Den andre hylsen er innrettet til å beveges oppover for å muliggjøre at den øvre enden av sperreringen kan ekspandere, og nedover til en stilling der kamflaten på innsiden forskyves utenpå kamflaten rundt den øvre yttersiden av sperreringen, for å samvirke med den første hylsen for å bevege ringen innover til sperret stilling. I den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen, og som vist i fig. 3B, er utsiden av den nedre enden av den andre hylsen skrådd nedover og innover for forskyvning inne i den øvre forlengelsen av kamflaten på den første hylsen. The second sleeve 15 is held by the upper tubular member, and has a cam surface 27 around the inner side of its lower end, adapted to move downwardly outside an upper cam surface of the locking ring. The second sleeve is adapted to move upwardly to allow the upper end of the locking ring to expand, and downwardly to a position where the cam surface on the inside is displaced outside the cam surface around the upper outer side of the locking ring, to cooperate with the first sleeve to move the ring inward to the locked position. In the preferred embodiment of the invention, and as shown in fig. 3B, the outside of the lower end of the second sleeve is sloped downwardly and inwardly for displacement within the upper extension of the cam surface of the first sleeve.

Den andre hylsen har en ytterside som er vertikalt forskyvbar inne i innsiden av den første hylsen, og forlengelser innover med vertikal avstand forskyves inne i den første hylsen og utenpå et radialt innsnevret parti av utsiden av det øvre, rørformede elementet, for å danne et ringformet rom mellom disse. I den usperrede stillingen av konnektoren er den nedre siden av den indre forlengelsen i avstand over oversiden av den utvidede, nedre enden av det øvre rørformede elementet, for å muliggjøre at den andre hylsen kan beveges nedover til sperret stilling. Et stempel 31 på innsiden av den første hylsen er tettende forskyvbar inne i det ringformede rommet som er dannet mellom den øvre og nedre ytre forlengelsen av den andre hylsen, for å danne et øvre og nedre trykkammer UC og LC. The second sleeve has an outer face which is vertically displaceable within the interior of the first sleeve, and vertically spaced inward extensions are displaced within the first sleeve and outwardly of a radially constricted portion of the exterior of the upper tubular member to form an annular space between these. In the unlocked position of the connector, the lower side of the inner extension is spaced above the upper side of the extended lower end of the upper tubular member to enable the second sleeve to be moved downwardly to the locked position. A piston 31 on the inside of the first sleeve is sealingly displaceable inside the annular space formed between the upper and lower outer extensions of the second sleeve, to form an upper and lower pressure chamber UC and LC.

En kanal 40 forløper gjennom den andre hylsen 15 og en av stengene ved den øvre enden, for å danne forbindelse til det nedre trykkammeret LC. En kanal 41 i den andre hylsen og den andre stangen 70 danner forbindelser til det øvre trykkammeret UC. Den andre hylsen beveges således mellom den øvre usperrede stillingen og den nedre sperrede stillingen som respons på vekselvis tilførsel og utslipp fra et forråd med trykk-fluid fra og til kamrene. A channel 40 extends through the second sleeve 15 and one of the rods at the upper end, to form a connection to the lower pressure chamber LC. A channel 41 in the second sleeve and the second rod 70 form connections to the upper pressure chamber UC. The second sleeve is thus moved between the upper unblocked position and the lower blocked position in response to alternating supply and discharge from a supply of pressurized fluid from and to the chambers.

Som det vil fremgå, i tillegg til den store mekaniske fordelen, minsker de ovenfor beskrevne operative midler sammen ytterdiameteren til verktøyet. As will be seen, in addition to the great mechanical advantage, the operative means described above together reduce the outer diameter of the tool.

En sperrenng 50 holdes rundt utsiden av den andre hylsen, for å gripe sperrende uten-for tenner på innsiden av den første hylsen. Resultatet er at hylsene vil holdes mot utilsiktet vertikal forskyvning. Tennene er imidlertid utformet slik at de frakobles som respons på en kraft oppover som utøves mot den andre hylsen. Ringen og dens samvirke med hylsene er i fig. 4 vist i forstørret målestokk. A locking ring 50 is held around the outside of the second sleeve, to engage locking outside teeth on the inside of the first sleeve. The result is that the sleeves will be held against accidental vertical displacement. However, the teeth are designed to disengage in response to an upward force applied to the second sleeve. The ring and its cooperation with the sleeves are in fig. 4 shown on an enlarged scale.

De øvre ender av stengene 70 holder et ringformet anslag 80 som omgir det andre elementet, slik at det er dannet motsatt vendende, radiale flater mellom den første og andre hylsen, for å muliggjøre at en forlengbar og forkortbar aktuator (ikke vist) kan anbringes mellom disse. Dersom det er nødvendig å frakoble konnektoren mekanisk kan således en eller flere aktuatorer, når den eller de er anordnet, forlenges. The upper ends of the rods 70 support an annular abutment 80 which surrounds the second element, so that opposite radial surfaces are formed between the first and second sleeves, to enable an extendable and shortenable actuator (not shown) to be placed between these. If it is necessary to disconnect the connector mechanically, one or more actuators, once they are arranged, can thus be extended.

Som vist i fig. 3A og 3B har det øvre elementet en nedre, rørformet forlengelse 10B som er ført inn i den øvre enden av det øvre elementet, for å passe tett mn i den øvre enden av en fonngsrørhenger som er innført i den øvre enden av en foringsrørhenger innført i den øvre enden av det undervanns brønnhodeelementet som det nedre elementet er montert på. As shown in fig. 3A and 3B, the upper member has a lower tubular extension 10B which is inserted into the upper end of the upper member, to closely fit the upper end of a casing hanger which is inserted into the upper end of a casing hanger inserted into the upper end of the subsea wellhead element to which the lower element is mounted.

Claims

1. Connector comprising a first and second tubular element (10, 11) arranged to be placed end to end, each element having circumferential locking grooves (16, 17) near the ends, a first sleeve (14) which is held around with one end the first element for axial reciprocation relative thereto, the opposite end surrounding the end of the second element (11) when the elements are arranged end to end, and a radially expandable and contractible ring (R) having a first and second tooth ( 16A, 17A) in axial distance around the inside, characterized by the second sleeve (15) which is held with one end around the first element (10) and inside the first sleeve (14) for vertical reciprocation in relation to this, and the ring is held inside the first and second sleeves (14, 15 ), so that in the normally expanded position the first sleeve (14) and the ring (R) can be moved outside the end of the second element (11) and thereby place the first and second teeth (16A, 17A) opposite to the first and the second slot (16, 17), and the sleeves (14, 15) have internal cam surfaces (27) near the other ends which are displaceable outside the cam surfaces around the outsides of the ring (R), to move the ring and teeth inwardly into a locked position in the slots around the tubular elements (10, 11) when the sleeves (14, 15) are moved axially towards each other, and to enable the ring (R) to expand to an unblocked position when the sleeves (14, 15) are moved axially away from each other, and operative means (40, 41) connecting the opposite ends of the sleeves (14, 15), for selec iv movement of these axially towards and away from each other to move the ring (R) between locked and unlocked position.

2. A connector as set forth in claim 1, wherein the operative means comprise radially outwardly projecting walls on the second end of the second sleeve (15), sealingly displaceable inside the second end of the first sleeve (14), to form a annular space between these, a piston (31) on the other end of the first sleeve (14), between the walls of the second sleeve, sealing displaceably axially around the second sleeve to divide the space into pressure chambers on its opposite side, and means ( 40, 41) with which a drive fluid can be fed to and from each of the chambers to move the ring (R) between the blocked and unlocked position.

3. A connector as set forth in claim 1, in which the first and second sleeves (14, 15) have overlapping cam surfaces (27) which are displaceable along each other, to drive the ring (R) inwards when the ring is moved to the locked position.

4. Connector as stated in claim 1, comprising means (50) for releasably holding the sleeves (14, 15) in the locked position.

5. Connector as stated in claim 4, in which the releasable holding means (50) comprise ratchet teeth and grooves on the sides of the sleeves which are close to each other.

6. Connector as stated in claim 2, comprising means (80) outside the pressure chambers, for moving the sleeves (14, 15) to the releasing position.

7. Connector as set forth in claim 6, in which the means for movement comprise a first abutment on the first sleeve (14) and a second abutment on the second sleeve (15) which is at an axial distance from the first abutment, so that an extendable and shortenable actuator can be mounted between the stops to move them axially apart.