NO336524B1 - Fremgangsmåte og anordning for å regulere stigekraft - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for å regulere stigekraft i væske (18) hvor en dykket ballasttank (1) som omfatter et fyllbart hulrom (2), er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk, og hvor fremgangsmåten omfatter å frembringe stigekraft ved 5 å å fjerne medium (4) fra ballasttanken (1) under trykkreduksjon i ballasttanken (1).

Description

FREMGANGSMÅTE OG ANORDNING FOR Å REGULERE STIGEKRAFT

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å regulere stigekraft fra et dykket legeme. Nærmere bestemt dreier det seg om en fremgangsmåte for å regulere stigekraft i væske hvor en dykket ballasttank som omfatter et fyllbart hulrom, er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk. Oppfinnelsen omfatter også en anordning ved ballasttank.

Under løfteoperasjoner på eller nær havbunnen slik det er vanlig ved for eksempel petroleumsutvinning til havs, er det vanlig å anvende såkalte WROV (Eng. Working Class Remote Operated Vehicle) til å løfte eller styre kolli.

Når et legeme senkes i en væske, utøver fortrengt væske en kraft kalt oppdrift på legemet. Oppdrift virker i motsatt retning av lokal gravitasjon og søker å løfte legemet ut av væsken. Oppdriftens størrelse bestemmes av den fortrengte væskens masse og den lokale gravitasjon (tyngdens akselerasjon på stedet).

Gravitasjon virker også på legemets masse. Siden oppdrift og gravitasjon virker i motsatt retning, vil nettovirkningen på legemet være null om de to kreftene, oppdrift og gravitasjonskraft, er like store. Legemet er da nøytralt i væsken. Hvis oppdriften er større enn gravitasjonskraften som virker på legemet, vil legemet stige i væsken. Hvis oppdriften er mindre enn gravitasjonskraften, vil legemet synke i væsken.

Differansen mellom oppdrift og gravitasjonskraft er i det følgende kalt stigekraft. Legemet stiger i væsken hvis stigekraften er større enn null, og legemet synker hvis stigekraften er mindre enn null.

Stigekraften er viktig ved alle typer fartøy, idet største tilgjengelige stigekraft er et uttrykk for fartøyets lasteevne. Oppfinnelsen er særlig rettet mot undervannsfarkoster og andre konstruksjoner som anvendes i neddykket tilstand.

En fjernstyrt undervannsfarkost av den art som blant annet brukes i forbindelse med oljevirksomhet til havs, klargjøres og styres om bord i et overflatefartøy. Farkosten forsynes typisk med oppdriftslegemer for at den skal være nøytral eller nær nøytral i neddykket tilstand. Hvis farkosten skal hente en gjenstand på bunnen og flytte gjenstanden eller bringe den til overflaten, må farkosten tilføres nok stigekraft til å løfte gjenstanden. Det kan gjøres på flere måter.

Det er mest praktisk å bruke farkostens stigepropellere, vertikale trøstere, men tilgjengelig kraft fra slike er dessverre begrenset. Dessuten hvirvler vannstrømmen fra trøsterne opp slam fra bunnen og gjør navigasjon ved hjelp av undervannskamera vanskelig eller umulig.

En annen løsning er å forsyne fartøyet med ballast, for eksempel i form av et lodd som har tilsvarende negativ stigekraft som gjenstanden som skal hentes. En griper på farkosten tar tak i gjenstanden og kopler fra loddet som forlates på bunnen.

Såkalte VBS systemer (Eng. Variable Boyancy System) baserer seg ofte på vannfylte ballasttanker. Når en gjenstand skal løftes, tømmes ballasttanken helt eller delvis ved hjelp av trykkluft fra en medbrakt trykkluftbeholder, slik det også er kjent fra beman-nede undervannsbåter. Fremgangsmåten er upraktisk og til dels dårlig egnet når en fjernstyrt undervannsfarkost skal arbeide på store dyp.

Trykket i trykkluftbeholderen må være en del større enn trykket i omgivelsene for å kunne blåse vann ut av tanken. Samtidig må luftvolumet ved det aktuelle trykket sva-re til vannvolumet som skal ut av ballasttanken. Fylling av luft før dykking innebærer komprimering av luft som inntar et svært stort volum ved atmosfærisk trykk. Det er tidkrevende og kostbart, og det er nødvendig med ekstra sikkerhetstiltak, i hvert fall så lenge en fylt trykkluftbeholder er over vannoverflaten.

En variant er å bruke trykkluft til å blåse opp en ballong for å øke oppdriften og dermed stigekraften. En ulempe med denne løsningen erat luften i ballongen ekspande-rer etter hvert som den stiger i vannmassen, fordi omgivelsestrykket avtar. Oppdriften øker tilsvarende. For å holde oppdriften konstant, må luft tappes ut av ballongen etter hvert som farkosten stiger.

Tilsvarende problemstillinger gjelder i forbindelse med operasjoner hvor utstyr, for eksempel utstyr knyttet til petroleumsvirksomhet til havs, skal plasseres på bunnen eller hentes opp fra bunnen. Det er vanlig å bruke kranfartøy på overflaten for å senke tunge undervannskonstruksjoner på plass eller for å løfte en slik konstruksjon fra bunnen for å flytte konstruksjonen eller for å heve den til overflaten. Det er kostbart å benytte store kranfartøy, men en vel så viktig faktor er at kranfartøy bare kan operere innenfor begrenset vindstyrke og bølgehøyde.

Det er kjent å avhjelpe noen av ulempene under løfteoperasjoner fra overflaten ved å bruke oppdriftslegemer og ballast på konstruksjonen. Når konstruksjonen skal senkes på plass, kan et oppdriftslegeme bidra til å redusere nødvendig løftekraft. Når konstruksjonen har landet, er det ønskelig å fjerne oppdriftslegemer eller tilføre ballast slik at konstruksjonen står trygt på bunnen uten å bli flyttet på av vannstrømmer. Når konstruksjonen skal løftes fra bunnen for å flyttes eller for å heves til overflaten, er det også ønskelig å kunne gjøre det uten å benytte et stort kranfartøy. Nødvendig løftekraft kan reduseres ved å tilføre konstruksjonen stigekraft, det vil si redusere vekten, øke oppdriften eller bruke vertikalt rettet framdriftsutstyr som stigetrøstere.

GB2,448,918A, WO2005/019021A1, US4,919,637A, GB101,790A, US3,379,156A og US3,626,881A beskriver ytterlige kjent teknikk.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å regulere stigekraft i væske, hvor en dykket ballasttank som omfatter et fyllbart hulrom er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk, og hvor fremgangsmåten kjennetegnes ved at den omfatter å frembringe stigekraft ved å fjerne medium fra ballasttanken under trykkreduksjon i ballasttanken.

Ved å fylle mediet, oftest i form av væske, i ballasttanken økes den samlede vekt. I en praktisk utførelsesform anvendes en pumpe til å tømme ballasttanken.

Hulrommet eller hulrommene i ballasttanken har et lavere trykk enn omgivelsestrykket på arbeidsstedet. Det er derved mulig å fylle hulrommet eller hulrommene ved hjelp av omgivelsestrykket uten tilførsel av ekstern energi.

Fremgangsmåten inkluderer således å regulere stigekraften ved å føre væske inn i eller ut av ballasttanken.

I en første utførelse er ballasttanken innrettet til å kunne fylles med væske fra omgivelsene, idet det omgivende væske utgjør et reservoar. Hvis ballasttanken er neddykket i sjøvann, er den nevnte væsken sjøvann.

Fremgangsmåten kan omfatte:

- å kople en ballasttank til et kolli; og

- å regulere stigekraften i ballasttanken.

Kolliet kan derved påføres en relativt stor og styrbar stigekraft.

Fremgangsmåten kan videre omfatte:

- å anordne flere ballasttanker på et kolli; og

- å regulere stigekraften i hver ballasttank individuelt.

Denne løsning er særlig anvendbar når et kolli skal trimmes og stabiliseres i en stilling i vannet. Løsningen kan også anvendes på selve WROV-en for eksempel for å kom-pensere for last som påføres i WROV-ens ene ende.

Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning ved dykket ballasttank som omfatter et fyllbart hulrom, hvor ballasttanken er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk, og hvor anordningen er konfigurert til å frembringe stigekraft ved fjerning av medium fra ballasttanken under trykkreduksjon i ballasttanken.

Hulrommet kommuniserer typisk ved sitt nedre parti med en pumpe som leverer væske til et reservoar. Pumpen, som er innrettet til å kunne pumpe mediet ut fra hulrommet, drives på kjent måte, for eksempel ved hjelp av elektrisitet eller hydraulikk fra WROV-en. Pumpen kan være forsynt med eller tilordnet en enveisventil som hindrer mediet fra å strømme til hulrommet via pumpen.

Hulrommet kommuniserer med reservoaret via en ventil. Ventilen er styrbar og anvendes til å åpne og lukke for tilbakestrømning av mediet til hulrommet.

Flere ballasttanker kan kommunisere med den samme pumpen via hver sin pumpeventil. Det er derved mulig å styre hvilket hulrom det skal pumpes medium fra, noe som er særlig aktuelt når det er tale om å trimme og stabilisere et kolli i vannet. Alternativt må hver ballasttank være forsynt med sin egen pumpe.

Etter hvert som ballasttanken tømmes og trykket synker, kan mediet i form av væske som befinner seg i ballasttanken koke. For å unngå at pumpen må arbeide med bare damp, koples pumpens sugeside til ballasttankens høydemessig laveste punkt. Hvis væsken koker, vil dampboblene stige mens væske i flytende form samles ved ballasttankens nedre parti.

Hvis væsken i ballasttanken koker, synker temperaturen i væsken fordi faseovergang-en fra væske til damp krever varme, og varmen tas fra væsken som derved avkjøles. Det kan være fare for at væsken blir så kald at den fryser og danner fast stoff i form av is. Isdannelse kan føre til at oppfinnelsen ikke virker etter hensikten, og isen kan skade pumpen. Faren for isdannelse kan reduseres ved å tilføre varme. Det kan gjøres på flere måter. En enkel løsning er å innrette ballasttanken for varmeoverføring fra omgivelsene til væsken i ballasttanken. Det kan gjøres passivt med en kontaktflate utført i et materiale med god varmeledningsevne. Ved hjelp av hensiktsmessige tiltak, se nedenfor, kan veggen være svært tynn og dermed bidra til effektiv overføring av varme gjennom tankveggen.

Varme kan også tilføres mer aktivt ved varmeveksling via en sirkulerende væske eller med en varmekolbe som aktiveres når temperaturen i væsken synker mot frysepunk-tet. Pumpen kan være anbrakt inne i hulrommet. En hensikt med dette er å anvende varme fra pumpen til å varme væsken for å forhindre eller redusere faren for frost.

Etter hvert som ballasttanken tømmes, synker som nevnt trykket i ballasttanken. Nødvendig styrke kan på kjent måte oppnås ved at ballasttanken har en egnet form og tilstrekkelig veggtykkelse. Ballasttanken kan alternativt forsynes med en innvendig støttestruktur eller avstivinger, så som et fagverk, eller den kan være fylt med et stivt porøst materiale som væsken lett kan strømme gjennom.

Innvendig støttestruktur reduserer tilgjengelig tankvolum og øker vekten, men vegg-tykkelsen kan reduseres betraktelig. I sum vil en innvendig struktur gi en lett ballasttank som tåler stort utvendig overtrykk uten å kollapse.

Ballasttanken kan omfatte mindre åpne legemer, for eksempel kuler, som omsluttes av en væskesperre hvor væskesperren utgjør tankveggen. Væskesperren kan utformes i et hensiktsmessig materiale og kan ved moderate trykk utgjøres av et fortrinns-vis armert kunststoff.

Om ønskelig kan væskesperren omslutte en støttestruktur.

I den første utførelse utgjøres reservoaret av det omgivende vann. I så fall tømmer pumpen mediet til omgivelsene. Ventilen åpner for innstrømning til hulrommet fra omgivelsene.

En andre utførelse av oppfinnelsen omfatter minst to beholdere som er innrettet til å kunne brukes neddykket, og hvor beholderne er koplet sammen til et lukket system og slik at et medium kan overføres mellom dem. Den første beholderen er en ballast tank slik som forklart i det foregående. Den andre beholderen er fleksibel slik at beholderens volum øker når mediet tilføres og slik at beholderens volum reduseres når mediet fjernes. For å forenkle beskrivelsen er den andre og fleksible beholderen, og eventuelt øvrige fleksible beholdere, betegnet ballong i det følgende. Hvis det er aktuelt å kople ytterligere beholdere til ballasttanken, er også de av fleksibel type og be-tegnes ballong.

Den andre utførelsen av oppfinnelsen egner seg for anvendelse av et medium som har mindre tetthet enn den omgivende væsken. Når en neddykket ballong fylles med slikt medium, vil ballongens oppdrift bli større enn gravitasjonskraften som virker på ballongen og dens innhold. Ballongen vil således få en positiv stigekraft. Ved å overføre et slikt medium fra ballasttanken til en ballong, kan ballasttankens samlede vekt reduseres slik at ballasttanken får positiv stigekraft samtidig som ballongen får positiv stigekraft. Ved å feste ballasttanken og ballongen til en farkost eller annet utstyr som brukes neddykket, kan stigekraften justeres ved å flytte mediet mellom ballasttanken til ballongen. Ved å tilordne ballasttanken to eller flere ballonger, kan farkosten trimmes.

Væsker som har mindre tetthet enn sjøvann er kjent for en fagmann.

Mediet kan i noen tilfeller utgjøres av faste små legemer, for eksempel fremstilt i et eventuelt porøst metall eller kunststoff. Mediets tetthet kan være mindre enn sjøvan-nets tetthet.

I noen tilfeller kan det være ønskelig å øke tilbakestrømningskapasiteten til ballasttanken ved hjelp av en fyllepumpe.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen muliggjør en vesentlig forbedring av en WROVs løfteevne. Oppfinnelsen er anvendbar sammen med de fleste typer ROV-er. Det er innlysende at ballasttanken, som kan være parkert på havbunnen, til-rettelegger for en betydelig forenkling av dykkede løfte- og transportoperasjoner.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket fremgangsmåte og ut-førelsesform som er anskueliggjort på medfølgende skjematiske tegninger, hvor: Fig. 1 viseren ballasttank ifølge oppfinnelsen; Fig. 2 viser ballasttanken i fig. 1 tømt og ved full stigekraft; Fig. 3 viser ballasttanken i en annen utførelsesform; Fig. 4 viser ballasttanken i en ytterligere utførelsesform; Fig. 5 viseren utforming av ballasttanken; Fig. 6 viseren annen utforming av ballasttanken; Fig. 7 viseren ballasttank som befinner seg på havbunnen; Fig. 8 viser ballasttanken under transport til et kolli som skal løftes; Fig. 9 viser ballasttanken etter at det er koplet til kolliet og tømt for tilstrekkelig medium til at kolliet løftes; Fig. 10 viser det samme som i fig. 8, men her utgjør ballasttanken en del av en WROV; Fig. 11 viser det samme som i fig. 9, men med samme utforming som i fig. 10;

Fig. 12 viser et planriss hvor et kolli er forsynt med flere ballasttanker; og

Fig. 13 viser et koblingsskjema for anordningen i fig. 12.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en ballasttank omfattende et hulrom 2 som i utgangspunktet er fylt med medium 4 i form av væske. Ballasttanken 1 er utformet til å kunne motstå det rådende trykk på arbeidsstedet selv når det er meget lavt trykk i ballasttanken 1.

Ved sitt nedre parti 6, normalt ved sin høydemessig laveste posisjon, er ballasttanken 1 via en forbindelse 8 koplet til en pumpe 10. Hulrommet 2 kommuniserer således med pumpen 10. Pumpen 10 kan for eksempel være en stempelpumpe med ikke viste keramiske tetninger som tåler tørrkjøring.

Pumpen 10 leverer mediet 4 via en tilbakeslagsventil 12 og et rør 14 til et reservoar 16, her i form av det omgivende vann 18. En ventil 20 kommuniserer med røret 14 og forbindelsen 8.

I fig. 1 tømmes ballasttanken 1 for mediet 4 ved at pumpen 10 pumper mediet 4 ut til reservoaret 16 samtidig som trykket i hulrommet 2 faller. Ventilen 20 er stengt. Derved øker stigekraften fra ballasttanken 1. I fig. 2 er hulrommet 2 vist i tømt tilstand og et betydelig innvendig undertrykk.

Dersom stigekraften skal reduseres, åpnes ventilen 20, hvorved væske suges fra re-

servoaret 16 og inn i hulrommet 2 og fyller om ønskelig dette helt.

I en alternativ utførelsesform, se fig. 3, leverer pumpen 10 mediet 4 til et reservoar 16 i form av en ballong 22 som befinner seg i det omgivende vann 18. Utførelsesek-semplet er hensiktsmessig dersom et annet medium 4 enn vann, eventuelt vann med tilsatsstoff og/eller et medium som har mindre tetthet enn det omgivende vann, anvendes til fylling av ballasttanken 1.

Nar mediet 4 i form av væske pumpes ut og trykket i hulrommet 2 faller, vil det fore-komme en avkoking av væsken. Hulrommet 2 vil derved ikke nå helt trykkløs tilstand, men ha et betydelig undertrykk. Avkokingen krever energi som i hovedsak kommer fra mediet 4 i hulrommet 2. Det er rimelig å forvente at den siste del av mediet 4 som skal pumpes ut, kan fryse. Fenomenet kan motvirkes ved å anordne pumpen 10 i det nedre parti 6 av hulrommet 2 slik det er vist i fig. 4. Varme som utvikles under drift av pumpen 10 motvirker frysing av mediet 4.

Dersom dette ikke er tilstrekkelig, eller som et alternativ, kan et ikke vist varmeele-ment anordnes i eller ved det nedre parti 6.

I fig. 4 har det omgivende væsketrykk ført mediet 4 tilbake fra ballongen 22 og til hulrommet 2.

Ballasttanken 1 kan utformes som en trykksterk tank slik det er vist i fig. 1-4. Det vil si at ballasttanken 1 har tilstrekkelig styrke til å motstå de rådende trykk. Det kan imidlertid være nødvendig å anordne en avstiving 24 i ballasttanken 1 slik det er indi-kert i fig. 5.

I fig. 6 utgjøres ballasttanken 1 av en mengde hule og åpne kuleformede legemer 26 som utvendig er tettende omsluttet av en, gjerne armert, væskesperre 28, her i form av en kunststoffduk. Legemene 26 er opptar det omgivende trykk og væskesperren 28 utgjør tankveggen. I fig. 5 og 6 indikerer piler det utvendige trykk som virker på ballasttanken 1.

I fig. 7 er det vist en ballasttank 1 som er anbrakt på en sjøbunn 30. En WROV 32 er i ferd med å kople seg til ballasttanken 1 ved hjelp av en såkalt «hot stab» 34, hvor-igjennom hydraulisk trykk og evt. elektriske signaler overføres. Pumpen 10 og ventilen 20 drives og styres på i og for seg kjent måte fra WROV-en 32.

I fig. 8 er ballasttanken 1 vist like før det koples til et kolli 36. I fig. 9 er ballasttanken 1 koplet til kolliet 36, og tilstrekkelig medium 4 pumpet ut av hulrommet 2 til at kolliet

36 løftes i det omgivende vann 18.

Utførelseseksemplet i fig. 10 og 11 viser en ballasttank 1 som er montert på WROV-en 32, men som opereres på samme måte som forklart overfor.

I fig. 12 er det vist et utførelseseksempel hvor fire ballasttanker 1 er montert på et kolli 36. Ved individuelt å styre væskestrømmen fra og til ballasttankene 1, kan kolliet 36 trimmes og stabiliseres i ønsket stilling i det omgivende vann 18. Fig. 13 viser et koblingsskjema for denne utførelsesform hvor det er anordnet en pumpeventil 38 mellom hver ballasttank 1 og pumpen 10 for å kunne styre hvilket av ballasttankene 1 det skal pumpes medium 4 fra. Ballasttankene 1 er forsynt med hver sin ventil 20 for fylling.

Ballasttankene 1 er i fig. 13 vist med ulikt væskenivå, idet kolliet 36 befinner seg i en trimmet og stabilisert stilling.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for å regulere stigekraft i væske (18), hvor en dykket ballasttank (1) som omfatter et fyllbart hulrom (2) er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter å frembringe stigekraft ved å fjerne medium (4) fra ballasttanken (1) under trykkreduksjon i ballasttanken (1).

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter å redusere stigekraft ved å fylle mediet (4) til ballasttanken (1) under trykkøkning i ballasttanken (1).

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter å regulere stigekraften ved å fjerne eller tilføre ønsket mediummengde fra eller til ballasttanken (1).

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 til 3,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: - å kople ballasttanken (1) til et kolli (36); og - å regulere stigekraften til ballasttanken (1).

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 til 3,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: - å anordne flere ballasttanker (1) på et kolli (36); og - å regulere stigekraften i hver ballasttank (1) individuelt.

6. Anordning ved dykket ballasttank (1) som omfatter et fyllbart hulrom (2), hvor ballasttanken (1) er tilstrekkelig avstivet til å kunne motstå et rådende omgivelsestrykk,karakterisert vedat anordningen er konfigurert til å frembringe stigekraft ved fjerning av medium (4) fra ballasttanken (1) under trykkreduksjon i ballasttanken (1).

7. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat hulrommet (2) ved sitt nedre parti (6) kommuniserer med minst en pumpe (10) som leverer mediet (4) til et reservoar (16).

8. Anordning i henhold til krav 7,karakterisert vedat hulrommet (2) kommuniserer med reservoaret (16) via en ventil (20).

9. Anordning i henhold til krav 7,karakterisert vedat flere ballasttanker (1) kommuniserer med den samme pumpen (10) via hver sin pumpeventil (38).

10. Anordning i henhold til krav 7,karakterisert vedat pumpen (10) er anbrakt inne i hulrommet (2).

11. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat ballasttanken (1) er utformet som en trykksterk beholder.

12. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat ballasttanken (1) omfatteren innvendig avstiving (24).

13. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat ballasttanken (1) omfatter mindre åpne legemer (26) som omsluttes av en væskesperre (28).

14. Anordning i henhold til krav 7,karakterisert vedat reservoaret (16) utgjøres av det omgivende vann (18).

15. Anordning i henhold til krav 7,karakterisert vedat reservoaret (16) utgjøres av en ballong (22) som befinner seg i det omgivende vann (18).