NO332448B1 - Mekanisk boyelig svakt ledd - Google Patents

Description

Mekanisk bøyelig svakt ledd

Oppfinnelsens tekniske område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en sikkerhetsanordning for nødfrakobling av et stigerør eller en slange, vanligvis i forbindelse med stigerørssystemer for brønnintervensjon, stigerørssystemet for komplettering/overhaling osv. Teknolo-gien/konseptet kan også gjelde for produksjonsstigerør, herunder fleksible stige-rør og dessuten lossesystemer til havs og andre stigerør- eller slangesystemer som benyttes offshore i dag.

Bakgrunn

De konvensjonelle frakoblingssystemene for stigerør er basert på enten et ope-ratørstyrt nødfrakoblingssystem som krever aktiv intervensjon fra en operatør (ved trykk på en knapp) og automatiske frakoblingssystemer basert på et svakt ledd i stigerørssystemet, hvilket er konstruert for å svikte mekanisk i et nødstil-felle før eventuelle andre viktige komponenter svikter. Slike frakoblingssystemer kalles ofte "svake ledd" ("weak link").

NO 327407, NO 324137 og US 6568476 omtaler kjente frakoblingssystemer for stigerør, som ved første og andre rør danner en aksial gjennomgående åpning gjennom en kobling. Frakoblingsystemer for stigerør av denne typen er konstruert for å frigjøre koblingen mellom første og andre rør i aksialretningen på koblingen. Slike systemer kan oppleve problemer når de utsettes for aksiale krefter og vin kei krefter, for eksempel en relativ hivbevegelse mellom et stigerør og et fartøy.

Hovedhensikten med et svakt ledd er å beskytte brønnbarrieren eller -barrierene eller en eller flere andre viktige strukturer som er koblet til stigerøret i ulykkestilfeller, slik som låsing av hivkompensatoren eller tap av riggposisjon, hvilket kan skyldes tap av et anker (drivende anker), drift-off, hvor riggen eller skipet driver bort fra posisjonen fordi riggen eller skipet mister effekt, eller drive-off, som er en situasjon hvor det dynamiske posisjonssystemet på riggen eller skipet svikter av en eller annen grunn, slik at skipet kommer bort fra posisjonen i en vilkårlig retning. I slike ulykkestilfeller vil operatørene ha svært begrenset tid til å innse at en ulykke er i ferd med å skje, og til å sette i gang frakobling av stige-røret fra brønnen eller en eller flere andre viktige strukturer koblet til stigerøret. I slike ulykkestilfeller hvor operatørene ikke har nok tid til å reagere på en ulyk ke, skal det svake leddet sikre at brønnbarrierens eller -barrierenes eller en eller flere andre viktige strukturers integritet er beskyttet.

Nar et stigerør er koblet til et brønnhode, forankres og låses et ventiltre (eller en lavere stigerørspakke) på brønnhodet. Stigerørssystemet festes deretter til brønnen på havbunnen i den nedre enden. Den øvre enden av stigerøret henger vanligvis fra en såkalt hivkompensator 1 og/eller et strekksystem for stigerør i øvre ende som angitt på figur 1. Strekksystem et for stigerør holder stigerøret 2 i strekk og er koblet til en hivkompensator 1 som kompenserer for den relative hivbevegelsen mellom fartøyet 3 (f.eks. en rigg eller et skip) som beveger seg i bølgene, og stigerøret som er festet til havbunnen 4. Hivkompensatorsystemet 1 er vanligvis basert på en kombinasjon av hydrauliske stempler og trykkluftak-kumulatorer (vises ikke). De hydrauliske stemplene drives aktivt opp og ned av et hydraulikkaggregat for å kompensere for fartøyets 3 vertikale bevegelse i bøl-gene. Luftakkumulatorene er koblet til det samme systemet og brukes til å holde systemet i relativt konstant strekk. Dette gjøres ved at stigerørene henger fra sylindre som hviler på en trykkluftsøyle, hvor trykket er satt i henhold til belastningen i systemet. Luftakkumulatorenes volum og sylindrenes slag vil deretter definere bevegelsens hysterese, og dermed strekken i systemet når fartøyet 3 beveger seg vertikalt i bølgene.

Låsing av en kompensator viser til en situasjon hvor hivkompensasjonssystemet svikter, slik at hivkompensatorens sylindre låser seg og dermed ikke klarer å kompensere for hivbevegelsen mellom stigerør 2 og fartøy 3, se figur 2. Dette kan resultere i overbelastning (snag loads) og svært store strekkrefter på stige-røret 2. Slik overbelastning kan skade brønnbarrieren eller -barrierene 5 eller en eller flere andre tilkoblede strukturer. Et svakt ledd i stigerøret 2 vil, når det er riktig konstruert, beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5 mot skade i tilfeller hvor det forekommer låsing av en kompensator.

Tap av posisjon forekommer når fartøyet 3 ikke klarer å opprettholde sin posisjon innenfor definerte grenser over brønnhodet. Forankrede fartøy 3 opplever vanligvis tap av posisjon forårsaket av tap av ett eller flere ankre. For dynamisk posisjonerte (DP) fartøy skyldes tap av posisjon normalt DP-svikt eller operatør-feil, slik at fartøyet 3 kommer bort fra sin tiltenkte posisjon. I en drift-off-situasjon har fartøyet enten ikke nok effekt til å forbli i posisjon i og med de aktuelle værforholdene, eller fartøyet har mistet effekten og vil drive bort i vin-dens, bølgenes og havstrømmenes retning. Alle slike ulykkessituasjoner resulte- rer i en svært stor forskyvning av fartøy 3 i forhold til brønnbarrieren eller - barrierene 5, se figur 3. Når fartøyets posisjon beveger seg utenfor de tillatte grensene, vil stigerørets resulterende vinkel a sammen med stigerørets strekk gi høye bøyemomenter i den nedre og øvre delen av stigerøret 2. Etter hvert som den relative avstanden mellom fartøyet 3 og brønnbarrieren eller -barrierene 5 på havbunnen øker, vil hivkompensatorens sylinder videre slå ut for å kompensere for det som ellers ville bli en strekkøkning. Deretter vil hivkompensatoren 1 slå ut, hvilket fører til en rask økning i stigerørets strekk. Når dette skjer, vil den relative vinkelen a mellom brønnbarrieren eller -barrierene 5 på havbunnen 4 og fartøyet 3 ha økt betraktelig, og den raske strekkøkningen vil forårsake høye bøyemomenter i brønnbarrieren eller -barrierene 5.

For å beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5 i de nevnte ulykkessituasjonene må et svakt ledd koble stigerøret 2 fra brønnbarrieren eller barrierene 5 før bøyekapasiteten til brønnbarrieren eller -barrierene 5 overskrides, se figur 5.

Overskridelse av brønnbarrierens eller -barrierenes 5 belastningskapasitet kan medføre skade på brønnhodet, skade inne i brønnen, skade på stigerøret 2 osv., hvorav alle anses for å være alvorlige ulykkessituasjoner med høy risiko for per-sonell og miljøet.

Skade på brønnbarrieren eller -barrierene 5 kan resultere i dyrt og tidkrevende reparasjonsarbeid, dyre forsinkelser på grunn av mangel på fremgang i opera-sjonen, og sist, men ikke minst, risiko for miljøet og menneskene i form av for-urensing, utblåsninger, eksplosjoner, branner osv. I ytterste konsekvens kan en skade på brønnbarrieren medføre en undervannsutblåsning i full skala, hvor olje og gass fra reservoaret slippes direkte og ukontrollert ut i havet. Hvis produk-sjonssikringsventilen skulle svikte eller bli skadet i ulykken, finnes det ikke flere organer for å stenge av brønnen uten å bore en ny sidebrønn for å komme inn i og tette den skadde brønnen.

Utfordringene ved dagens svakleddkonstruksjoner er knyttet til kombinasjonen av å oppfylle alle konstruksjonskrav (sikkerhetsfaktorer osv.) under normal drift av systemet og samtidig sikre pålitelig frakobling av systemet i en ulykkessituasjon.

De vanligste svakleddkonseptene i dag er basert på strukturell svikt i en komponent eller komponenter. Vanlige konstruksjoner omfatter en flens med bolter som er konstruert for å brytes ved en bestemt belastning, eller en rørdel som er maskinert ned over en kort lengde for å forårsake et kontrollert brudd av stige-røret på det aktuelle stedet.

De fleste konvensjonelle svake ledd som brukes i dag, er kun basert på strekkrefter, dvs. et bestemt svakt ledd er konstruert for å brytes ved en viss forhåndsdefinert strekkbelastning. Men nødstilfellene som oppstår, omfatter ikke bare strekkrefter. Ved for eksempel drift-off vil betydelige bøyemomenter intro-duseres i brønnbarrieren eller -barrierene 5 i tillegg til strekkreftene. Også i en situasjon med låsing av en hivkompensator kan bøyemomenter som virker på brønnbarrieren eller -barrierene 5, være betydelige på grunn av forskyvningen av riggen/fartøyet innen det tillatte driftsvinduet. Det er ikke uvanlig at værvin-duet for en operasjon er begrenset fordi det svake leddet kun er tilpasset en viss forskyvning av fartøyet under normal drift. Fartøyets evne til å holde seg stasjo-nært over brønnen vil bli redusert med økende vinddrag og bølger, og normale variasjoner i riggens posisjon over brønnen vil øke. Hvis forskyvningen overskred en viss grense, vil ikke det svake leddet beskytte brønnbarrieren eller - barrierene 5 ved låsing av en hivkompensator. Derfor kan det svake leddets evne til å svikte på grunn av bøying påvirke operasjonens værvindu.

Figur 4 illustrerer utfordringene som er knyttet til å konstruere et svakt ledd som er basert på strukturell svikt, f.eks. det konvensjonelle bruddet på svekkede flensbolter eller lignende. Illustrasjonen viser et system hvor nominell system-strekk i det svake leddet er 100 T (1 T = 1 tonn = 1000 kg). Systemet skal fungere under trykk, og trykkets endehetteeffekt øker strekken til mer enn 200 T, hvilket det svake leddet må være konstruert for. Under konstruksjonen av det svake leddet må sikkerhetsfaktorer og spredning i materielle egenskaper tas i betraktning, slik at delens faktiske kapasitet økes til mer enn 400 T. Det svake leddet vil normalt også måtte tilpasses et visst bøyemoment under normal drift, hvilket på illustrasjonen ovenfor har økt det svake leddets strukturelle kapasitet til rundt 500 T. Dette betyr at i eksemplet ovenfor kan ikke et svakt ledd konstruert for en maksimal strekk under drift på 100 T og et bestemt bøyemo-ment være konstruert med en lavere bruddbelastning enn 500 T. I noen tilfeller er forskjellen mellom konstruksjonsbelastningen og den minste mulige bruddbelastningen større enn den tillatte kapasiteten i brønnbarrieren eller -barrierene og krever derfor en reduksjon i driftskapasiteten, hvilket igjen reduserer drifts-vinduene. Som eksemplene viser, vil det at det svake leddet skal konstrueres for fullt trykk, men samtidig skal fungere som et svakt ledd når det ikke finnes trykk i systemet, for et høytrykkssystem bidra vesentlig til å øke forskjellen mellom konstruksjonsbelastningen under drift og den minste bruddbelastningen i et svakt ledd basert på strukturell svikt.

I tillegg til de tekniske utfordringene i forbindelse med eksisterende svakleddløs-ninger basert på strukturell svikt er det også planleggings- og kostnadsmessige utfordringer knyttet til de konvensjonelle systemene. Et svakt ledd basert på strukturell svikt krever et omfattende kvalifiseringsprogram for hvert prosjekt og innebærer vanligvis strenge krav til leveranser av materiell for å kontrollere ma-terialegenskapene til delene som er konstruert for å svikte. Disse kvalifiserings-programmene og tilleggskravene til bestemte materialegenskaper er ofte en ut-fordring i forbindelse med prosjektplanlegging. Figur 5 viser en vanlig kapasitetskurve for kombinert belastning for en brønnbar-riere eller brønn barrierer 5 definert av en rett linje langs hvilken alle sikkerhetsfaktorer i brønnbarrierekonstruksjonen er brukt fullt ut. Denne linjen representerer ikke den strukturelle svikten i brønnbarrieren eller -barrierene, men indikerer brønnbarrierens eller -barrierenes 5 beregnede tillatte kapasitet. Hvis den kombinerte belastningen overskrider denne linjen, finnes det ingen garanti for brønnbarrierens eller -barrierenes integritet, og det er trolig at barrieren eller barrierene er skadet, og mulige lekkasjer kan forekomme. Figur 6 illustrerer hvordan belastningene i stigerøret 2 og brønnbarrieren eller - barrierene 5 utvikles i en situasjon med tap av posisjon. Når riggen 3 mister sin posisjon, vil belastningen i stigerøret 2 innledningsvis forbli konstant, siden hivkompensatoren vil slå ut for å opprettholde en konstant belastning i stigerøret. Når hivkompensatoren 1 slår ut, vil strekken i stigerøret 2 øke raskt som angitt i det øvre belastningsdiagrammet. Belastningen i brønnbarrieren eller -barrierene 5 vil også forbli nesten konstant mens hivkompensatoren 1 slår ut (det vil være noe økning i bøyebelastningen i barrieren eller barrierene), og når hivkompensatoren 1 stopper, vil aksialbelastningen i stigerøret 2 øke raskt og forårsake svært høy bøyebelastning i brønnbarrieren eller -barrierene 5. I slike ulykkessituasjoner vil eksisterende svake ledd som er avhengige av strukturell svikt i en stige-rørskomponent, vanligvis nå sin strukturelle kapasitetskurve lenge etter at brønnbarrierens eller -barrierens kapasitetskurve for konstruksjonsbelastning er overskredet.

Oppfinnelsens formål

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å stille til rådighet en driftssik-ker, uavhengig anordning som vil beskytte brønnbarrierens eller -barrierenes integritet i en hvilken som helst ulykkessituasjon som kan føre til svært høyt bøyemoment på brønnbarrieren eller -barrierene 5, og som kunne skade brønn-barrieren eller -barrierene.

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å stille til rådighet en anordning og fremgangsmåte for sikker, pålitelig og forutsigbar frakobling i forskjellige typer bruksområder for stigerør, f.eks. borestigerørssystemer, stigerørssystemer for brønnintervensjon, stigerørssystemer for komplettering/overhaling, fleksible produksjonsstigerør og losseslanger osv.

Et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelsen er å stille til rådighet en anordning og fremgangsmåte for sikker, pålitelig og forutsigbar frakobling i forskjellige typer bruksområder for stigerør og slanger, hvor anordningen og fremgangsmåten stiller til rådighet et økt driftsvindu for stigerøret.

Enda et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelsen er å stille til rådighet en anordning og fremgangsmåte som oppfyller alle konstruksjonskrav (sikkerhetsfaktorer osv.) under normal drift, mens den samtidig sikrer pålitelig frakobling av stigerørssystemet i en ulykkessituasjon som fører til for store bøye-momenter i brønnbarrieren eller -barrierene eller en eller flere andre viktige komponenter.

Et mulig formål med den foreliggende oppfinnelsen er å stille til rådighet en sikkerhetsanordning som er beregnet på bruk i kombinasjon med eksisterende svakleddkonstruksjoner som er konstruert for å beskytte brønnbarrieren eller - barrierene mot for stor aksial belastning.

Enda et annet mulig formål med oppfinnelsen er å stille til rådighet et svakt ledd hvor frakoblingen ikke er avhengig av noen form for mekanisk svikt i det svake leddet, hvilket betydelig reduserer behovet for prosjektspesifikke kvalifiserings-programmer for å dokumentere frakoblingsbelastning.

Et annet mulig formål med oppfinnelsen er å stille til rådighet et svakt ledd hvor frakoblingsgrensen er definert av krumningen i stigerøret, og hvor den begren sende krumningen enkelt kan justeres, hvorved tiden med hensyn til å kvalifise-re anordningen for et spesifikt prosjekt reduseres vesentlig.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Disse og andre formål oppnås med en sikkerhetsanordning ifølge det uavhengige patentkravet 1, og en fremgangsmåte ifølge det uavhengige patentkravet 8. Ytterligere fordelaktige trekk og utførelsesformer er angitt i de avhengige patent-kravene.

Kort beskrivelse av tegningen

Det følgende er en detaljert beskrivelse av fordelaktige utførelsesformer med henvisning til figurene, hvor: Figur 1 viser et fartøy 3 under en overhalingsoperasjon, hvor et stivt stigerør 2 henger fra en hivkompensator 1 på riggen og er stivt festet til et brønnhode (brønnbarriere eller brønnbarrierer 5) på havbunnen 4. Hivkompensatoren 1 slår opp og ned for å kompensere for fartøyets 3 hivbevegelse i bølgene. Figur 2 illustrerer ulykkessituasjonen som omtales som "låsing av hivkompensator", hvilket forårsaker en strekkøkning i stigerøret 2 når bølgene løfter fartøyet oppover. Den raske økningen i strekken i stigerøret vil vanligvis resultere i svært høy aksial belastning av brønnbarrieren eller -barrierene 5. Figur 3 illustrerer ulykkessituasjonen som omtales som tap av posisjon (på grunn av tap av et anker, drive-off eller drift-off), og angir hvordan dette vil forårsake svært høy bøying i brønnbarrieren eller -barrierene 5 når hivkompensatoren 1 har slått ut. Figur 4 illustrerer utfordringen ved å konstruere et svakt ledd som oppfyller alle sikkerhetskriterier under normal drift, men som samtidig sikrer pålitelig frakobling i en ulykkessituasjon før brønnbarrieren eller -barrierene blir skadet. Figuren illustrerer problemet forbundet med bredden på båndet mellom det svake leddet som oppfyller alle konstruksjonskrav, og det samme svake leddets evne til strukturell svikt. Figur 5 illustrerer en vanlig definert kombinert belastningskapasitetskurve for en brønnbarriere eller brønnbarrierer 5. Belastningskapasitetskurven representerer ikke et faktisk brudd på brønnbarrieren eller -barrierene, men indikerer konst- ruksjonskurven som er brukt i ulykkessituasjoner hvor alle sikkerhetsfaktorer er fjernet. Nar den kombinerte belastningen i brønnbarrieren eller -barrierene 5 overskrider denne kurven, finnes det ingen garanti for brønnbarrierens eller - barrierens integritet, og det er en betydelig risiko for å ha skadet tetningene eller forårsaket en slags permanent skade på brønnbarrieren eller -barrierene 5. Figur 6 illustrerer problemet med å bruke et svakt ledd basert på strukturell svikt i en stigerørskomponent for å beskytte brønnbarrieren eller -barrierene i tilfelle en ulykkessituasjon som følge av posisjonstap. Figuren viser hvordan strekken i stigerøret 2 forblir konstant inntil hivkompensatoren 1 slår ut. På dette tidspunktet vil strekken øke raskt, og vinkelen a vil forårsake høy bøyebelastning i brønnbarrieren eller -barrierene 5, hvilket fører til at brønnbarrierens eller - barrierenes 5 belastningskapasitet overskrides lenge før den strukturelle svikten i stigerørets svake ledd konstruert til å svikte i strekk nås. Figur 7 viser hvordan den foreliggende oppfinnelsen ville fungere for å beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5 hvis fartøyet mister sin posisjon på grunn av en drive-off- eller drift-off-situasjon. Figuren viser hvordan det svake leddets bøyebelastningskapasitet er definert for å være rett innenfor kapasiteten til brønnbarrieren eller -barrierene 5. Slik vil oppfinnelsen for alle bøyebelastninger påført brønnbarrieren eller -barrierene 5 sikre en kontrollert frakobling av stige-røret 2 før kapasitets kurven til brønnbarrieren eller -barrierene 5 overskrides. Figur 8 viser et tverrsnitt av en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen med en frakoblingsbar kobling 6, et krumningsdeteksjonssystem bestående av en stiv hoveddel 18 som er stivt festet til stigerøret 2 og omfattende en eller flere mekaniske utløsermekanismer 12 plassert på enden av den stive hoveddelen 18 og i/med en viss avstand fra festepunktet til stigerøret 2. Det begrensende bøyemomentet i stigerøret 2 detekteres ved at krumningen er proporsjonal med bøyemomentet i stigerøret 2. Når det begrensende bøyemomentet nås, vil stigerørets krumning kontakte utløsermekanismen 12 mellom den stive hoveddelen 18 og stigerøret 2 og dermed starte frakobling av den frakoblingsbare koblingen 6. Figur 9 illustrerer hvordan anordningen fungerer i en situasjon hvor et fartøy mister posisjon, og hvor krumningen i stigerøret vil utløse en frakobling av sik-kerhetsa nord ni ngen. Figur 10 viser en mulig utførelsesform av oppfinnelsen med mekanismen for frakobling av koblingen 6 når krumningen i stigerøret 2 overstiger den forhåndsdefinerte grensen. Frakoblingen settes i gang av en rekke oversentermekanismer 12 som ved kontakt med stigerøret 2 vil vippe over, og roterer en roterende låseskive 13. Denne låseskiven 13 sikrer en fjærbelastet låsebolt 8 som låser kammen eller kamringen 7 rundt koblingen. Når stigerøret 2 kontakter en eller flere av oversentermekanismene eller utløserne 12, hvor disse 12 vil vippe over, vil låseskiven 13 rotere og den fjærbelastede låsebolten 8 trekkes tilbake fra kamringen 7, hvorved den frakoblingsbare koblingen 6 frakobles. Figurene 11A-C viser alternative konfigurasjoner for mekanismen eller mekanismene for å utløse en frakobling av den frakoblingsbare koblingen når krumningen i stigerøret overstiger den forhåndsdefinerte bøyemomentgrensen. Figur 11A viser en alternativ konfigurasjon som bruker flere låsebolter 8 rundt omkretsen til stigerøret 2. I dette tilfellet innholder hver oversentermekanisme en låseanordning 14 for direkte sikring av en låsebolt 8. Figur 11B illustrerer en annen mulig utførelsesform av oppfinnelsen som bruker en eller flere oversentermekanismer tilkoblet en elektrisk bryter som frakobler låsebolten 8 med en elektrisk aktuator 15. Figur 11C viser enda en annen mulig utførelsesform for oppfinnelsen hvor oversentermekanismen 12 er tilkoblet en elektrisk bryter 15 som åpner en hydraulisk ventil tilkoblet en akkumulator 17 som hydraulisk trekker tilbake låsebolten 8 for å åpne den frakoblingsbare koblingen. Figur 12 viser en frakoblingssekvens for en mulig utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen fra tidspunktet hvor krumningen i stigerøret 2 utløser oversentermekanismen eller -mekanismene 12, låseskiven 13 roteres og den fjærbelastede låsebolten 8 frakobles. Den fjærbelastede låsebolten 8 trekkes ut fra koblingens kamring 7 ved hjelp av kraften i den spente fjæren 10. Når låsebolten 8 er fjernet, vil kamringen 7 åpnes på grunn av strekkreftene i systemet eller ved hjelp av en bladfjær i kamringen 7. Når kamringen åpnes, vil den øvre og nedre delen av rørfatningene i koblingen trekkes fra hverandre og koblingsmed-bringerne 9 kan rotere fritt. Figur 13 er en 3D-illustrasjon av en frakoblingssekvens for en mulig utførelses-form av den foreliggende oppfinnelse som beskrevet ovenfor.

Detaljert beskrivelse

Sikkerhetsanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelsen beskytter integrite-ten til stigerørssystemet, herunder brønnbarrieren eller -barrierene 5, mot svært store bøyebelastninger. For å beskytte systemet fullstendig mot kombinert belastning er anordningen beregnet brukt i kombinasjon med allerede tilgjengelige sva kledd konstruksjoner som beskytter systemet mot svært store aksiale krefter. Eksisterende svake ledd avhenger vanligvis av en strukturell svikt i en rørdel eller i flensbolter med redusert areal, idet begge tilfeller avhenger av svikt på grunn av aksiale krefter i delen som er konstruert for å brytes. For å optimalisere konstruksjonen av det svake leddet og dermed optimalisere driftskriteriene for en overhalingsstigerørsoperasjon er det fordelaktig å ha et svakt ledd konstruert for å beskytte stigerørssystemet bare mot aksial belastning, og ha et separat svakt ledd som beskytter barrieren eller barrierene mot for høye bøyemomenter.

I et vanlig overhalingsstigerørssystem 2 er den foreliggende oppfinnelse plassert nær brønnbarrieren eller -barrierene 5 hvor bøyemomentet er nær sitt maksi-mum og det aksiale svake leddet (vanligvis basert på eksisterende konstruksjoner) er plassert høyere oppe i stigerørsdelen 2 hvor hovedbelastningen i systemet er aksial.

For andre ulykkessituasjoner, som låsing av hivkompensator, vil eksisterende sva kledd konstruksjoner beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5 mot svært stor aksial belastning. Den foreliggende oppfinnelsen er overdimensjonert med hensyn til aksial belastning og er derfor upåvirket av svært stor aksial belastning.

En utførelsesform av foreliggende oppfinnelse omfatter en stigerørsdel med bøyekapasitet som ligner den til stigerøret 2. Bøyningen i stigerørssystemet detekteres av en krumningsendring i en stigerørsdel 2. I en utførelsesform av oppfinnelsen er det en frakoblingsbar kobling 6 under krumningsdeteksjonsanord-ningen. Når svært stor bøyning i stigerøret 2 detekteres av en utløsermekanisme 12, vil denne sette i gang en frakobling av den frakoblingsbare koblingen 6.

Krumningsendringen detekteres ved at den relative avstanden mellom en ubelastet stiv hoveddel 18 festet til stigerøret 2 måles i en viss avstand fra feste punktet til den ubelastede stive hoveddelen, se figur 8, 9, 11, 12 og 13. I en utførelsesform av oppfinnelsen er den ubelastede stive hoveddelen 18 en rørdel utenfor stigerøret. Men den stive hoveddelen kan ha en hvilken som helst form, med et hvilket som helst antall hjørner, eller den kan også være flere atskilte stive hoveddeler festet til stigerørsdelen 2. Siden den stive hoveddelen 18 ikke utsettes for stigerørsbelastningene, vil denne hoveddelen bare få en vinklet rotasjon når den utsettes for stigerørets bøyemomenter. Det lastbærende stigerøret 2 vil ha en bevegelse av den stive hoveddelen som vil være identisk med bevegelsen av den ubelastede stive hoveddelen 18, men vil i tillegg være bøyd, hvilket forårsaker en krumning i det lastbærende stigerøret 2 som forårsakes av og er proporsjonal med bøyemomentet i stigerøret. Derfor vil endringen i avstanden d mellom den ubelastede stive hoveddelen 18 og det lastbærende stigerøret 2 på et sted med en viss avstand fra festepunktet til stigerøret gi en representasjon av bøyemomentet i stigerøret 2.

Forholdet mellom stigerørskrumningen og bøyemomentet i stigerøret 2 er angitt med:

Siden krumningen i stigerøret 2 inne i den stive hoveddelen 18 nærmer seg en definert grense som er beregnet på prosjektbasis for å beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5, vil krumningen i stigerøret 2 gi kontakt mellom stigerørsde-len 2 og den ubelastede stive hoveddelen 18. Ved å sørge for et antall utløser-mekanismer 12 rundt omkretsen til toppen av den ubelastede stive hoveddelen 18 stilles det til rådighet organer for å detektere en kritisk bøyebelastning i eller mellom brønnbarrieren eller -barrierene 5 og/eller stigerør 2 og en forhåndsdefinert kritisk avstand dc. Det forstås at ved å endre utløsermekanismen 12 er det også mulig å bruke kun én utløsermekanisme 12 hvis denne holder en ring rundt stigerøret, hvorved kontakt i enhver retning detekteres. I et slikt tilfelle skal ut-løsermekanismen 12 kunne rotere i alle retninger. Når den kritiske bøyebelast-ningen og/eller den forhåndsdefinerte kritiske avstanden dc er nådd, kan organer for å starte frakobling av en frakoblingsbar stigerørskobling 6 aktiveres, hvorved stigerøret 2 frakobles brønnbarrieren eller -barrierene 5. Ifølge foreliggende opp finnelse kan antallet utløsermekanismer med fordel være høyere enn 4, og kan vanligvis være i området 10-12 utløsermekanismer rundt rørets omkrets.

I en mulig utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse består utløsermeka-nismene 12 av en oversentermekanisme festet til en kjegleformet tann. Når sti-gerørsdelen 2 kontakter utløsermekanismen 12, vil denne vippe over midten og den kjegleformede tannen vil rotere en låseskive 13 som støtter en fjærbelastet låsebolt 8 som sikrer en delt kamring 7. Når låseskiven 13 roteres av utløserme-kanismen eller -mekanismene 12, utløses den fjærbelastede låsebolten 8, hvilket frakobler den frakoblingsbare koblingen 6.

For å justere bøyemomentet som setter i gang en utløsing av koblingen 6, justeres mellomrommet mellom stigerørsdelen 2 og utløsermekanismen 12 festet til toppen av den stive hoveddelen 18. Et lite mellomrom vil indikere at et lavt bøyemoment setter i gang frakoblingen, og et større mellomrom vil indikere at et høyere bøyemoment setter i gang en frakobling av koblingen.

For stigerørsdelen 2 inne i den stive hoveddelen 18 vil radiusen langs det ubelastede røret 18 variere etter som systemstivheten varierer. Forholdet mellom sti-gerørsmoment og forskyvning på toppen av den stive hoveddelen 18 vil være prosjektspesifikt. Prosjektspesifikke analyser er nødvendig for å beregne korrekt avstand mellom stigerøret 2 og utløseren 12 for at det svake leddet skal sette i gang en frakobling av stigerøret 2 ved et visst prosjektspesifikt maksimalt tillatt bøyemoment.

Figur 10 viser hvordan andre mulige utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse også kan inkludere bruk av flere atskilte mekaniske utløsermekanismer. Alternativt kan en elektrisk bryter 15 brukes til å sette i gang en frakobling av koblingen eller utløser som starter en hydraulisk 17 frakobling av koblingen, se figur 11B.

Den frakoblingsbare koblingen 6 kan være basert på et standard koblingsprin-sipp som endres med en utløsermekanisme som bruker en hengslet og delt kamring 7, og en fjærbelastet låsebolt 8 som illustrert på figur 12 og 13.

Låsebolten 8 kan også aktiveres ved hjelp av en hvilken som helst form for hydraulisk system. Den delte kamringen 7 er forspent for å gripe koblingsmedriverne 9 med tilstrekkelig kraft som ved en normal koblingskonstruksjon. For å til passes en frakoblingsfunksjon er den delte kamringen 7 hengslet på to eller flere steder. Det forstås at antallet hengsler kan være høyere eller lavere, for eksempel 3, 4, 5, 6, eller et annet egnet antall. Minst én av hengslene er forbundet med en aktivert låsebolt 8. Låsebolten 8 er ladet med tilstrekkelig kraft til å påse at låsebolten kan trekkes tilbake fra den delte kamringen 7 når denne er forspent til sin maksimale konstruksjonsbelastning. Ifølge én utførelsesform er låsebolten 8 aktivert av en spent mekanisk fjær 10. Alternativt kan også et trykk-satt hydraulisk system med elektronisk betjente ventiler brukes. Ren elektrisk tilbaketrekning av låsebolten 8 kan være en annen løsning. Låsebolten 8 holder den delte kamringen 7 sammen så lenge låsebolten 8 er på plass. For å koble fra stigerøret 2 løses låsebolten 8 i kamringen 7 ut ved at den mekaniske fjæren 10 frakobles, alternativt ved at en hydraulisk ventil åpnes, eller ved hjelp av en annen egnet fremgangsmåte for å trekke ut låsebolten 8. Låsebolten 8 trekkes deretter ut og fjernes fra den delte kamringen 7, hvilken deretter vil åpnes på grunn av strekkreftene i systemet. Koblingsmedriverne 9, hvilke holder flensene 1 to stigerørsdeler sammen, kan da rotere fritt, og strekken i stigerøret 2 vil sikre at fronten på flensene 11 på stigerørsdelene trekkes fra hverandre, og stigerøret 2 kobles fra brønnen. Radialfjærer (vises ikke) kan bygges inn i den delte kamringen 7 for å sikre at den delte kamringen 7 åpnes når låsebolten 8 trekkes ut. Det forstås at en frakoblingsbar låsemekanisme (vises ikke) kan brukes i stedet for låsebolt 8.

Figurene 12 og 13 illustrerer mulige frakoblingssekvenser.

I tilfelle endringen i krumningen i stigerøret 2 detekteres ved hjelp av en oversentermekanisme 12 som vil vippe over ved stigerørets 2 berøring, kan oversentermekanismen plasseres på det lastbærende stigerøret 2 eller på den ubelastede stive hoveddelen 18 eller på et annet egnet sted hvor en endring i krumningen til stigerøret kan forårsake at en forskyvning vipper oversentermekanismen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse kan ulike typer deteksjonsmidler til å detektere dc brukes. I tillegg til mekaniske deteksjonsmidler kan optiske eller elektro-niske deteksjonsmidler brukes. Et optisk eller elektronisk signal kan deretter brukes til å aktivere utløsermekanismen.

Mulige fordeler med den foreliggende oppfinnelsen kan oppsummeres som: Behovet for beskyttelse av en brønnbarriere eller -barrierer 5 mot svært stor bøyebelastning vil vanligvis forårsakes av ulykkessituasjoner hvor fartøy mister posisjonen. Oppfinnelsen vil i kombinasjon med eksisterende sva kledd konstruksjoner beskytte brønnbarrieren eller -barrierene 5 mot ulykkessituasjoner som skaper svært store aksiale krefter og for høye bøyemomenter som i motsatt fall har vært skadelige for brønnbarrieren eller -barrierene 5. I tillegg kan driftsvinduet til stigerøret og brønnbarrieren eller -barrierene øke vesentlig fordi funksjo-naliteten til det svake leddet med bøyemoment og det svake leddet med aksial-strekk er atskilt og påvirker derfor ikke hverandre.

Ifølge et aspekt av fremgangsmåten og sikkerhetsanordning ifølge foreliggende oppfinnelse kan sikkerhetsanordningens bøyemomentgrense justeres for å mu-liggjøre bruk av én sikkerhetsanordning i flere forskjellige stigerørssystemer 2 med forskjellige bøyekapasiteter. Justeringen av bøyemomentgrensen kan skje ved at avstanden mellom den ubelastede stive hoveddelen 18 og det lastbærende stigerøret 2, og/eller stedet hvor utløsersystemet er festet, justeres. Utløser-mekanismen kan anbringes på det lastbærende stigerøret 2 og/eller på den ubelastede stive hoveddelen 18, og det forstås at avstanden mellom utløsermeka-nismen kan justeres fra én side eller fra begge sider.

Ifølge et ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelsen kan et egnet mellomrom mellom det lastbærende stigerøret 2 og den ubelastede stive hoveddelen 18 bestemmes på prosjektbasis ved at forholdet mellom bøyemomentet eller -momentene i den lastbærende stigerøret 2 sammenlignet med det eller de begrensende momentene i brønnbarrieren eller -barrierene 5.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen kan krumningen i det lastbærende stigerøret 2 som tidligere nevnt måles ved at den relative avstanden d mellom det lastbærende stigerøret 2 og en ubelastet stiv hoveddel 18 overvåkes. En ende av den ubelastede stive hoveddelen 18 kan ifølge foreliggende oppfinnelse bli festet til det lastbærende stigerøret 2. Et bøyemoment i det lastbærende sti-gerøret 2 vil forårsake en rotasjon i den stive hoveddelen samt en krumning i det lastbærende stigerøret 2, hvor krumningen på det lastbærende stigerøret 2 vil være vesentlig proporsjonal med momentet i det lastbærende stigerøret 2. Forholdet mellom momentet i det lastbærende stigerøret 2 og bøyemomentet på brønnbarrieren eller -barrierene 5 eller noen andre kritiske system kom po nente r kan da brukes til å bestemme det begrensende momentet i stigerøret 2. Den ubelastede stive hoveddelen 18 som i en ende er festet til stigerøret, vil følge bevegelsen til den stive hoveddelen til stigerørsstrengen på grunn av bøyning, hvor krumningen i stigerøret som er forårsaket av bøyemomentet, ikke vil forekomme i den stive hoveddelen 18 siden den er ubelastet. Derfor gir den relative forskyvningen eller avstanden d mellom den stive hoveddelen og det lastbærende stigerøret 2 en proporsjonal måling av bøyemomentet i stigerøret.

Det bøyelige svake leddet ifølge den foreliggende oppfinnelsen er ikke-destruktiv, hvilket muliggjør enkel multippel testing for å dokumentere pålite-lighet og nøyaktig frakoblingsbelastning. Kvalifiseringstiden for det svake leddet for ethvert prosjekt vil bli vesentlig redusert sammenlignet med konstruksjoner som er avhengig av strukturell svikt i lastbærende deler.

Mulige fordeler og forbedringer fremfor kjent teknikk kan oppsummeres som: Eksisterende svake ledd er konstruert for å svikte i strekk, og de er derfor egnet til å beskytte en eller flere brønnbarrierer 5 mot ulykkessituasjoner som omfatter høye aksiale belastninger. For situasjoner som involverer stor bøying, vanligvis fordi stigerørsstrekken skjer i en vinkel, kan ikke den eksisterende svakledd-konstruksjonen beskytte brønnbarrieren eller -barrierene mot svært store bøye-belastninger. Den foreliggende oppfinnelsen er konstruert for å beskytte brønn-barrieren eller -barrierene mot svært store bøyebelastninger. Eksisterende svakleddkonstruksjoner er vanligvis avhengig av strukturell svikt i en komponent. Den foreliggende oppfinnelsen er konstruert med en frakoblingsbar kobling 6 som er overdimensjonert. Frakoblingsgrensen er justerbar fra prosjekt til prosjekt og sparer dermed mye tid og kostnader for prosjektspesifikk kvalifisering av et svakt ledd.

Det forstås at et bøyelig svakt ledd ifølge den foreliggende oppfinnelsen kan brukes i stigerørssystemer under boring etter at BOP er plassert på havbunnen, under brønnintervensjonsoperasjoner og under fullførings- og overhalingsoperasjo-ner. Fagpersonen vil også forstå at et bøyelig svakt ledd ifølge den foreliggende oppfinnelsen kan brukes til losseslanger og andre bruksområder for stigerør, både stive og fleksible.

Teqninqsreferanser

I tegningfigurene er forkortelsene, symbolene, merknadene og teksten definert på følgende måte;

Figur 4

Pil Konstruksjonsbelastning - faktisk sviktbelastningBøyemomenteffekt

Spredning i materielle data

Forhold mellom flytespenning og strekkspenning ÉHH Sikkerhetsfaktor i konstruksjon i henhold til forskrifter Endehettebelastning fra internt overtrykk Strekkapasitet under normal drift

Figur 5

y/ Æi Normal drift

Tc Strekkapasitet

Mc Momentkapasitet

Figur 6

Diagram for stigerørsbelastning

Konstruksjonskurve - normal drift Konstruksjonskurve - ulykkessituasjon Strukturell kapasitet - svikt

o Stigerørsbelastning - normal drift Stigerørsbelastning - kompensatorutslag Stigerørsbelastningen nar det svake leddets sviktkapasitet Diagram for brønnbarrierebelastning Konstruksjonskurve - normal drift Konstruksjonskurve - ulykkessituasjon

o Brønnbarrierebelastning - normal drift Brønnbarrierebelastning - kompensatorutslag Brønnbarrierebelastning nar et svakt ledd for strekk nar sin sviktkapasitet

Figur 7

Diagram for stigerørsbelastning

Konstruksjonskurve for stigerørsrør - normal drift Konstruksjonskurve for stigerørsrør - ulykkessituasjon Stigerørssystemets faktiske strukturelle kapasitet

o Stigerørsbelastning - normal drift

Stigerørsbelastning - kompensatorutslag

Stigerørsbelastning - brønnbarrierens definerte grensekurve er nadd, og den foreliggende oppfinnelsen kobler fra stigerøret

Diagram for brønnbarrierebelastning

Konstruksjonskurve for brønnbarriere - normal drift Konstruksjonskurve for brønnbarriere - ulykkessituasjon

Definert grensekurve ifølge den foreliggende oppfinnelsen for å beskytte brønnbarrieren mot svært høy kombinert belastning

o Brønnbarrierebelastning - normal drift

Brønnbarriere - kompensatorutslag

Den foreliggende oppfinnelsen nar grensekurven og utløser frakobling av stigerøret

Claims (10)

1. Sikkerhetsanordning for beskyttelse av brønnbarriere eller -barrierer (5) mot for høye bøyemomenter fra et stigerør (2), hvor sikkerhetsanordningen omfatter en svakleddskonstruksjon og organer for å detektere kritiske bøyebelastninger i eller mellom brønnbarrieren eller -barrierene (5) og/eller stigerøret (2),karakterisert vedat sikkerhetsanordningen omfatter: - organer for å detektere endringer i en krumning mellom et lastbærende stigerør (2) og en ubelastet stiv hoveddel (18) festet til eller i nærheten av stigerøret (2), idet nevnte organer for detektering av endringer i krumningen er konstruert for å måle en relativ avstand (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18), - organer for å utløse frakobling av en frakoblingsbar stigerørskobling (6) når avstanden (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) når en forhåndsdefinert kritisk avstand (dc).

2. Sikkerhetsanordning ifølge patentkrav 1, hvor organene for å utløse frakobling av den frakoblingsbare stigerørskoblingen (6) når nevnte kritiske avstand (dc) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) er nådd, er valgt fra en gruppe bestående av: - en mekanisk utløser (12), - en elektronisk utløser (15), - en hydraulisk utløser (17), eller - enhver kombinasjon av disse.

3. Sikkerhetsanordning ifølge patentkrav 2, hvor nevnte mekaniske utløser (12) omfatter en oversentermekanisme som er konstruert for å vippe over ved stigerørets berøring, og hvor oversentermekanismen er konstruert for å bli rotert og dermed rotere låseskiven (13) som muliggjør en ut-løsing av en fjærbelastet låsebolt (8) som holder stigerørskoblingen (6) sammen.

4. Sikkerhetsanordning ifølge patentkrav 3, hvor den mekaniske utløseren (12) omfatter en elektrisk bryter som ved kontakt med stigerøret (2) au-tomatisk er konstruert for å starte en elektrisk aktuator (15) som starter en frakoblingssekvens for den frakoblingsbare koblingen (6).

5. Sikkerhetsanordning ifølge patentkrav 2 eller 3, hvor den mekaniske utlø-seren (12) omfatter en oversentermekanisme som er konstruert for å vippe over ved stigerørets berøring, og hvor oversentermekanismen (12) er konstruert for å bli rotert og dermed åpne en hydraulisk ventil, hvorved trykket i en hydraulisk akkumulator (17) frigjøres, hvilken er konstruert for hydraulisk å skyve ut en hydraulisk låsebolt (8) som holder sti-gerørskoblingen (6) sammen.

6. Sikkerhetsanordning ifølge et hvilket som helst av de foregående patent-kravene, hvor den ubelastede stive hoveddelen (18) omfatter et antall diskrete hoveddeler som er festet til stigerørsdelen (2).

7. Sikkerhetsanordning ifølge et hvilket som helst av de foregående patent-kravene, hvor organene for å detektere endringer i krumningen mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18), og middelet til å utløse frakobling av den frakoblingsbare stigerørskob-lingen (6) når avstanden (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) når en forhåndsdefinert kritisk avstand (dc), er plassert på den ubelastede stive hoveddelen (18), det lastbærende stigerøret (2), eller en kombinasjon av de to.

8. Fremgangsmåte for beskyttelse av brønnbarriere eller -barrierer (5) mot for høye bøyemomenter fra et stigerør (2),karakterisert vedde trinn: - å detektere endringer i en krumning mellom et lastbærende stigerør (2) og en ubelastet stiv hoveddel (18) festet til eller i nærheten av stigerøret (2), - å utløse frakobling av en frakoblingsbar stigerørskobling (6) når avstanden (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) når en forhåndsdefinert kritisk avstand (dc).

9. Fremgangsmåte ifølge patentkrav 8, hvor en frakoblingssekvens for den frakoblingsbare koblingen (6) startes når avstanden (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) når en forhåndsdefinert kritisk avstand (dc), idet frakoblingssekvensen omfatter det å utløse en fjærbelastet låsebolt (8) som holder sammen stigerørs-koblingen (6).

10. Fremgangsmåte ifølge patentkrav 8, hvor en frakoblingssekvens for den frakoblingsbare koblingen (6) startes når avstanden (d) mellom det lastbærende stigerøret (2) og den ubelastede stive hoveddelen (18) når en forhåndsdefinert kritisk avstand (dc), idet frakoblingssekvensen omfatter å åpne en hydraulisk ventil, hvorved trykket i den hydrauliske akkumula-toren (17) frigjøres, hvilken hydraulisk skyver ut en hydraulisk låsebolt (8) som holder sammen stigerørskoblingen (6).