NO770299L - System for aktiv kompensering av uoenskede relativbevegelser, fortrinnsvis under forflytning av last - Google Patents

Description

System for aktiv kompensering av ubnskede relativbevegelser, fortrinnsvis under forflytning av last.

Den foreliggende oppfinnelse vedrorer et system for aktiv kompensering av ubnskede relativbevegelser, fortrinnsvis under forflytning.av last, hvor det anvendes et langperiodisk virkende tareringssystem for kompensering av den av lasten forårsakede statiske belastning og et kortperiodisk virkende system for kompensering av dynamiske belastninger forårsaket av lasten ved ubnskede relativbevegelser av lasten relativt et referansenivå.

Ved forflytning av last ved hjelp av en flytekran til en sta-sjonær installasjon kan det under sjbgang lett oppstå store relativbevegelser av lasten relativt nevnte installasjon.

Disse relativbevegelser vil også lett kunne forårsake overbe-lastning på den konstruksjon som bevirker forflytning av lasten.

Ved forflytning av stor last, f.eks. av stbrrelse flere.hundre<1>tonn, vil de krefter som utlbses ved stbt forårsaket av slike bevegelser kunne bevirke store skader både på last og installasjon. For å minske faren for slike stbt er man i dag stort sett henvist til forflytning av lasten når forholdene for minimum relativbevegelser eir tilstede, dvs. under liten sjbgang. Fblgelig må slike operasjoner gjerne utsettes inntil sjbgangs-forholdene er tilfredsstillende.

Fra tidligere er det kjent systemer for å lose problemer med ubnskede relativbevegelser. I US-patent nr. 3 314 657 er beskrevet et system som har til formål å opprettholde et forut bestemt strekk i en kabel ved hjelp av hydro pneumatiske midler. En stempelsylinder er plassert mellom to lbpeblokker og ved variasjon av stempelets bevegelser relativt sylinderen endres kabelstrekket etter behov. Patentet gir imidlertid ingén an- visning på hvordan oppgaven kan loses ved ekstremt store belastninger pluss transienter som folge av relativbevegelser.

Fra norsk patentsøknad nr. 74.3601 er det kjent et duvingskompenserende anlegg for å holde en belastning som er opphengt på en flytende i hovedsakelig konstant nivå og omfattende et passivt lastbærende system med en fjærendé lastbærende kobling som kan festes mellom en fiksert understøttelse på plattformen og en belastning som skal bæres. Anlegget er basert på et lukket system hvor okning av væsketrykket i en duvingskompenserende sylinder bevirker overforing av væske fra denne sylinder til en støtdemper sylinder og ved sistnevntes operasjon en okning av trykket i et tilknyttet lukket luftsystem. Anlegget soker således å oppnå en lastbalanse ved et lett oket væsketrykk.. Fra norsk patentsøknad nr. 74.3620 er kjent en sjbgangskompensator som tilsikter å holde belastningen eller posisjonen konstant for en gjenstand som er opphengt fra en flytende farkost når far-kosten hever og senker seg i sjoen. Kompensatoren omfatter et hydraulisk servosystem som kan gi aktiv assistanse til et passivt pneumatisk system slik at nevnte belastning eller posisjon holdes innen forutbestemte snevre grenser selv når farkostens bevegelser er meget store. Kompensatoren fordrer dog at det trykk som.står i kompensatorsylinderen er tilstrekkelig til både å holde lasten, i det viste tilfellet en borestreng, samt kompensere for de opptredende sjogangsbevegelser. Det gjor at selve det "passive" kompenseringstrykket nødvendigvis blir .< svært hbyt selv om de "aktive" kompenseringstrykkvariasjonene er små.

Den foreliggende oppfinnelse tar således sikte på å lose de problemer som er knyttet til forflytning av tung last og som ikke lar seg lose på en forsvarlig måte ved.de kjente midler.

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk vil fremgå av de etterfølgende patentkrav, samt av den etterfolgende beskrivelse under henvisning til tegningene. Fig. 1 illustrerer forflytning, av last til en fast installasjon ved hjelp av en flytekran.

Fig. 2 illustrerer systemet i fig. 1 i.forstbrret skala.

Fig. 3 viser et system ifblge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser en modifisert, praktisk utfbreisesform av systemet ifblge oppfinnelsen. Fig. 5 a og b er diagrammer til nærmere forståelse av systemet ifblge fig. 4. Fig. 6 illustrerer forflytning av last på en bevegelig, f.eks. flytende understøttelse,.ved hjelp av en flytekran.

Fig. 7 viser en modifisert utfbrelsesform av systemet i fig.

3 og 4.

Fig. 8 er en modifikasjon av systemet i fig. 7.

Fig. 9 viser et flytediagram for nærmere forståelse av fig. 8. Fig. 10 viser en sikkerhetsanordning som inngår i systemet ifblge oppfinnelsen.

I fig. 1 er vist en fast installasjon 1, f.eks. en plattform, montert på et oljeboringsfelt, hvilken plattform har et dekk 2 på hvilket det skal plasseres last 3. Lasten 3 anses her å ha en betydelig vekt, f.eks. 50-100 tonn. Lasten forflyttes ved hjelp av en flytekran 4 bestående av kranbjeikent5, operasjpns-wiren eller wirene 6, et fbrerhus 7, et dekk 8 og oppdrifts-elementer 9 og 9'. Ved bblgebevegelse vil flytekranen gis en vinkelhastighet oi. Ved en slik bevegelse vil lasten kunne bevege seg et lite stykke opp og ned slik det er anmerket ved + Ah og -Ah. Den rettlinjede bevegelsen av lasten 3 vil ha en hastighet v.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i forbindelse med fig. 2. Ved en vinkelhastighet uj som folge av f.eks. sjbgang vil laste-bommens 5 bevegelse være.som vist i figuren. Bommens ytterpunkt beveger seg tilsvarende vertikale distanser +Ah, og

-Ah^. Denne bevegelse må kompenseres og dette kan skje ved et taljesystem hvor antall parter som inngår: i systemet er lik t og hvor endringenAh^, er lik t x Al, hvor A1 er lengden av hver part.som endres. Systemet 10 består av taljeblokker 11 og 12 samt mellom blokkene beliggende trykkmidler 13. Til ytterenden av kranbommen 5 er festet et akselerometer 14 som avfoler vertikalbevegelsene av ytterenden av bommen og folgelig også vertikalbevegelsen av lasten 3. Til tross for at bommens 5 bevegelse stor sett kompenseres ved hjelp av'; systemet 10 vil

det likevel være tilstede visse vertikalbevegelser / £s. h2hos lasten 3,. hvilke vertikalbevegelser må gjbres minst mulig.

For kompensering av de nevnte ubnskede bevegelser relativt dekket 2 er det ifblge fig. 3 foreslått å ha en trykksylinder 13 bestående av et stempel 14, en sylinder 15 og en stempel-stang 16. i. Ved ytterendene 17 og 18 er de nevnte taljer respektive 11 og 12 festet. Stempelets 14 bevegelse vil i den viste utfbrelse være totalt 2 x Al. Mot stempelet 14 virker et væsketrykk V^som tilfores fra en trykkilde 19 bestående

av en trykksylinder som har et luft- eller inert gassvolum V2og et nominelt væskevolum lik V^. Ved en foretrukket utfbrei se er V2«10x V^.

For å holde bommens 5 ytterpunkt mest mulig i ro bor P» være lik P^. Dersom P2^P1bres luft eller gass ved hjelp av pumpen 20 til volumet V2>Dersom P2> P^slippes luft eller gass ut fra volumet V2. For å sikre en hurtig kompensering for selv små endringer er det anordnet en kraftig væskepumpe 21 som kan mate væske i den ene eller andre retning, slik det er angitt i figuren med piler. Pumpen drives av en motor 22.

Med II er betegnet det langperiodiske1 systemet i fig. 3, hvor periodetiden er fortrinnsvis stbrre enn 25 sek.. En logisk enhet 23 er koblet til trykkfbierene 24 (for måling av- trykket P^

og 25 (for måling av trykket P2) og logikkenhetens utganger er koblet til ventilen 26 og pumpen 20. En ytterligere inngang

i

til logikkenheten 23 er den nominelle verdi LQ som må mates inn via ledningen 27 til enheten 23, hvor LQbetegner avviket

fra stempelets 14 nominelle stilling. Logikkenheten 23 vil fortrinnsvis ha en tidforsinkelse på cå. 5 sek. for å sikre at det kun er de langperiodiske bevegelser som kompenseres.

Motoren 22 s:om driver pumpen 21 styres fra en logisk enhet 28 hvis inngangssignaler omfatter.signaler representative for den øyeblikkelige posisjon av stempelet 14, og dette signal, mates via ledningen 29. Videæ mates det via ledningen 30 kjente parametre som f.eks. elastisitet i lastekabel og kran-konstruksjon, og videre mates det signaler fra akselerometeret 14 via linjen 31.

Slik det vil fremgå blant annet av beskrivelsen i forbindelse med fig. 5 og 6 kan det via linjen 32 mates informasjon fra det lasteåk som lasten henger i og dersom understøttelsen hvorpå lasten skal plasseres er bevegelig kan det via linjen 33 gis informasjon om den bevegelige understøttelsens bevegel-sesmønster relativt den flytende kranen. Delen av systemet som således er anmerket med I er den kortperiodiske. delen med en typisk periodetid på ca. 5 sek.. Denne delen tar seg således av de små, hurtige bevegelsesvariasjonene.

Selv om systemet i fig. 3 er teknisk mulig vil det dog være problemer knyttet til pumpen 21. Relativt atmosfærisk trykk vil denne pumpen måtte stå under et så kraftig.trykk at det vil. være problemer med å holde pumpen tett.

Ifblge fig. 4 er det derfor foreslått en modifikasjon av systemet ifblge fig. 3.

I fig. 4 er den hbyre delen det langperiodiske systemet og.i prinsippet et tareringssystem. Den venstre delen er den som tar seg av den aktive kompenseringen av de ubnskede relativbevegelsene. Således er trykkmiddelet 13 i fig. 3 her erstattet av to sylindere 34 og 35 med henholdsvis stempler 36 og 37 og stempelstenger 38 og 39. ■ S<t>empelstengene 38 og 39 er festet til et felles forbindelsesledd 40. Sylinderen 35 får'tilførsel av luft eller inert gass fra en trykksylinder 41 som har en ekstra trykkbeholder 42 tilknyttet via en ventil 43. Pumpen 44 sorger for å holde trykket i sylinderen 41 på.det til enhver tid onskede trykk. Dette skjer slik det er beskrevet i forbindelse med pumpen 20 i fig. 3 og når tilforsel fra beholderen 41 til 42 skal skje åpnes ventilene 45' og 451' mens når tilforsel av luft eller gass skal skje fra beholderen 42 til beholderen 41 åpnes ventilene 46' og 46''. Relativbevegelsene i det kortperiodiske systemet ivaretas av pumpen 47 som i. dette tilfellet kan være tilknyttet et vanlig reservoar eller en væsketrykkilde med et nominelt trykk som er vesentlig mindre enn dettrykk som virket på pumpen 21 i fig. 3.

I fig. 5a er vist hvordan systemet IO ved pålastning går fra noytralstillingen LQtil det nedre anslag og som folje av okning-ene i tareringstrykket gradvis bringes tilbake til noytralstil- . lingen L .

o

Det korresponderende diagram er vist i fig. 5b hvor det i' sylinderen 35 er tilstede et lasteåk trykk, og ved pålastningen skjer det en okning åv dette trykket inntil tareringstrykket eller lastbæretrykket ved noytralstillingen Lq er. nådd. Den hydrauliske sylinderen 34 vil ta seg av de variasjoner i trykket A p som skjer på grunn av uonsket relativbeveglese.

I fig. 6 er vist en utforelse hvor lasten skal plasseres på

et bevegelig underlag f.eks. en flytende plattform.. Flyte-kranene vil her ha de samme vinkelhastigheter som tidligere diskutert, og den eneste nye parameter som trengs registrert er den øyeblikkelige bevegelse av plattformdekket 53 relativt lasten 3 som er i bevegelse. Dette kan skje ved et akselerometer 54 montert på plattformdekket 53 og hvor overforingen av data fra akselerometeret 54 til den logiske enheten 28 skjer trådlbst.

I fig. 7 vises en modifisert utforelsesform av systemet i

fig. 3 og 4. Det langperiodiske systemet innbefatter to hydrauliske sy lindre 55 , 55"'' hvis ene ende er fast forbundet med kranen eller annen fast understøttelse. Stempelstengene 55'' og 55'''

i de to sylindre er "henholdsvis forbundet med stemplene 56' og

56' ' i en pneumatisk dobbe It-, stempel sylinder 56 som inngår i det kortperiodiske systemet. Sylinderen 55 kompenserer for en belastning L.. målt ved lastmåleren 81 og sylinderen 55' kompenserer for en belastning L2 målt ved lastmåleren.82. I hvile-stilling er .avstandene a, b, c, d fortrinnsvis innbyrdes like.

For kompensering av belastningsvariasjoner ved hjelp av det kortperiodiske systemet står den pneumatiske sylinderen 56 i forbindelse med en trykkbeholder 5 7 via en ventil 60. I en foretrukket utfbrelsesform der man benytter tre reservoarer med like volum har trykkbeholderen 5 7 et nominelt trykk stort nok til å bære lasten og et volum som er stort sammenlignet med sylindervolumet. Beholderen 57 utgjor arbeidsreservoaret for sylinderen 56. Arbeidssylinderen 56 er også forbundet med et lavtrykksreservoar 58 hvis nominelle trykk er lavt. Forbindelsen fra nevnte be-holder 58 til sylinderen 56 skjer enten via ventilen 61 eller via en drosselventil og varmeveksler 74 og en ventil 80 som står i forbindelse med arbeidsreservoaret 57.

Et hoytrykksreservoar 59 er koblet til arbeidsreservoaret via

en ventil 79 samt en drosselventil og varmeveksler 75. Beholderen 59 har fortrinnsvis et hoyt nominelt trykk.

Beholderen 58 er forbundet med en trykkmåler 68. Beholderen 57 er forbundet med én trykkmåler 69. Beholderen 59 er forbundet<1>med, en trykkmåler 70.

En kompressor 71 er forsynt med en sugeledning 72 og en trykk-

n

ledning 73. For opprettholdelse av nominelt trykk i beholderene 58, 57 og 59 kan det bevirkes selektiv styring av henholdsvis ventilene 64, 65^ 62, 63$66, 67.

Måledata fra trykkmålerne 68, 69 og 70 samt fra belastningsmål-erne 81 og 82 mates inn på en inngangsblokk 76 som via en logisk anordning 77 og en utgangsblokk 78 bevirker henholdsvis åpning eller lukking av en eller flere av ventilene 64, 62, 66, 65, 63, 67, 80, 79, 60, 61 samt start eller stopp av kompressoren 71. Fig. 8 er en modifikasjon av anordningen i fig.7. Kompensasjonssylinderen 56 tilfores trykkmedium via en mateledning 83 som står i forbindelse med ventilene 61, 60 og.84. Ventilene 61, 60 og 84 står respektive i forbindelse med trykkbeholdere 58, 57 og 59. Varmeveksleren 74 mellom beholderene 58 og 57 er meget nodvendig for å kompensere for varmeutvikling eller kjSleeffekt ved store trykkutjevninger. Varmeveksleren 75

har tilsvarende funksjon.

Volumet av beholderne 58, 57 og 59 er fortrinnsvis det samme, således at er.lik R er lik Rc.

Forholdet mellom de nominelle trykk er i det valgte eksempel gitt som 1:3:6.

Arbeidsområdene for sylinderne er angitt på figuren..

For å forandre trykket i beholderen 58 eller 59 kan ventilen

85 åpnes. Dette vil tilsvare å åpne ventilene 64 og 66 i fig.7.

Mellom beholderen 58 og 59 er det anordnet en kompressor som er egnet til å operere fra et hoyt trykk til et enda hoyere trykk. Kompressoren er indikert ved operasjonspilen 86. Tilsvarende kompressor finnes mellom beholderen 58 og 57, benevnt med opera-sjohspilen 87 og mellom beholderen 57 og 59, benevnt ved operasjon spilen 88.

I det valgte eksempel er ventilen 61 egnet for f.eks. en last mellom 0 og 60 tonn,ventilen 60 for en last mellom 60 og 130 tonn og ventilen 84 for en last mellom 130 og 200 tonn. Dette er kun valgte eksempler og er nodvendigvis ikke begrensende for operasjonsområdet.

Ved at man anvender kompressorer som opererer mellom et hoyt trykk og et ennu hoyere trykk oppnås at man kan gjore bruk av moderne og rimelige kompressorer som har et moderat effektfor-bruk i forhold til kompressorer som må operere mellom atmosfære-trykk og operasjonstrykkét.

Systemet i fig. 8 anvender tre beholdere eller reservoarer som inngår i et lukket system og man kan således gjore bruk av inert gass til operasjonen.

Systemet i fig.8muliggjor at pålastingstiden blir minst mulig. Pålastingstiden er en vesentlig faktor når samme lofteanordning skal operere med minimum og maksimum belastning etter hverandre. I ekstreme tilfeller kan det ta opptil et dogn å opparbeide det tilstrekkelige arbeidstrykk. Dette problem avhjelpes i vesentlig grad ved det foreliggende system.

Ved å anvende en dobbeltvirkende kompensasjonssylinder 56 oppnås en reduksjon i stempelhastigheten, idet stempelhastighet storre enn 1 meter per sekund bor unngås;.

I fig. 9 er som eksempel vist et flytdiagram til bruk i forbindelse med systemet, som vist i fig. 8.

I fig. 10 er vist en sikkerhetsanordning i forbindelse med kompensasjonssylinderen56. På oversiden av stemplene 56' og 56'<1>

er det innfort hydraulisk olje 89 og 89' fra et lavtrykksreservoar 90. I tilforselsledningene til oljevolumene 89 og 89' inngår det en strupeventil 91 som opererer ved store gjennomstromningsnastig-heter.

t På undersiden av stemplene tilfores i en modifisert utforelse av, fig.8 væske via en gasstrykk/væsketrykkomformer 92. Omformeren 92 tjener således som et hoytrykksreservoar for sylinderen 56. Volumet av reservoaret 92 må minst være lik det totale volum av sylinderen 56. Væsken fores via ledningen 83' og en strupeventil 93 til arbeidssylinderen, slik det fremgår av fig. IQ. Gass-trykkledningen 83 forer til ventilene 61, 60 og .84 som vist i fig. 9.

Hensikten med anordningen i fig. 10 er å hindre at stemplene i sylinderen 56 ved f.eks. wirebrudd således at det ikke lenger

er noen motkraft mot stemplenes trykkvirkning, bevirkes til å nærmest bli skutt ut av sylinderen 56. Den hydrauliske oljen 89 og 89' samt strupeventilen 91 Vil virke som en effektiv stot-demper og vesentlig redusere mekaniske skader samt eventuelle

skader på mennesker. Ventilen 93 tjener samme funksjon idet ved for stor gjénnomstromning gjennom tilforselsledningen 83 vil denne blokkeres.

Claims (6)

1. System for aktiv kompensering av ubnskede relativbevegelser, fortrinnsvis under forflytning av last, hvor det anvendes et" langperiodisk virkende tareringssystem for kompensering av den av lasten forårsakede statiske belastning og ét kortperiodisk virkende system for kompensering av dynamiske belastninger forårsaket av lasten ved ubnskede relativbevegelser av lasten relativt et referansenivå, kara keri sert ved at det i det korte periodiske systemet inngår en kompenserings-sylinder (56) som er forsynt med to i motsatte retninger virkende stempler (56', 56' 1), at sylinderen (56) via tilkoblingsorganer (83, 61, 60, 84) er tilkoblingsbart til et eller flere trykklastede reservoarer (58, 57, 59), at det langperiodiske systemet er pneumatisk og at det i dette anvendes luft eller inert gass som drivmiddel.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det mellom minst to av reservoarene (58, 57; 57, 59) er anordnet en varmeveksler (74; 75). i

3. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det mellom minst to av reservoarene (58, 57; 57, 59;

58, 59) er anordnet en kompressor som komprimerer % fra et hoyt til et hoyere trykk.

4. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det på oversiden av stemplene (55', 55 <1> ') i sylinderen (56) er tilfort væske (89, 89') under lavt trykk og hvor nevnte væske-mengder ved store gjénnomstromningshastigheter gjennom en strupeventil (91) som står i forbindelse med et reservoar (90) bevirker stengning av ventilen.

5. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det kortperiodiske systemet er hydraulisk.

6... System som angitt i krav 1, karakterisert ved at det i det kortperiodiske systemet mellom nevnte organer (83, 61, 60, 84) og kompenseringssylinderen (56) inngår en pneumatisk/hydraulisk omformer (92) .