DE2818737A1

DE2818737A1 - Gegengewicht- und stossdaempfungssystem

Info

Publication number: DE2818737A1
Application number: DE19782818737
Authority: DE
Inventors: John S Andrepont
Original assignee: Chicago Bridge and Iron Co
Current assignee: Chicago Bridge and Iron Co
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1979-01-11
Also published as: NL7805042A; NO782190L; DK277878A; BR7803058A; JPS5412078A; US4091897A; FR2395435A1

Description

Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystem

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystem, insbesondere zum Abstützen eines Elementes eines starren Schnelltrenn-Verankerungsarmes zwischen einem Schwimmturm und einem Schiff.

Beim Betrieb von küstenfernen Ölbohrungen ist es üblich, einen Schwimmturm zu benutzen, an dem ein Schiff oder ein anderes Wasserfahrzeug, z.B. ein Tanker oder eine schwimmende Raffinerie, verankert .werden, können. Bei einem solchen System ist es erwünscht, eine starre Verbindung zwischen dem Wasserfahrzeug und dem Schwimmturm zu erzielen, der mit einer "Schnelltrenneinrichtung" ausgerüstet ist, damit das Schiff von dem Schwimmturm abgekuppelt werden kann, wenn dies erforderlich ist. Ein typisches Schnelltrennsystem weist einen ersten Teil auf, der dauernd mit 5 dem Schwimmturm verbunden und um senkrechte und waagerechte Achsen drehbar ist, damit sich das Schiff sowohl um die Anschlußstelle am Turm drehen als auch als Reaktion auf vorherrschende:. Wind- und Wasserbedingungen rollen und stampfen kann. Ein zweiter Teil des Schnelltrennsystems ist mit dem Schiff im allgemeinen an seinem Bug verbunden. Die beiden Teile sind miteinander verriegelbar und bilden eine starre Verbindung zwischen Schiff und Schwimmturm.

Während des Normal-betriebes der Schwimmturmverankerung ist es erwünscht, daß der an dem Schwimmturm angebrachte Teil des Verankerungssystem³ der freien Bewegung des Schiffes keinen Widerstand entgegensetzt; das Gewicht des dem Turm zugehörigen Teils des Verankerungssystems wird über die starre Verankerungsarmkonstruktion von dem Schiff getragen. Es müssen jedoch einige Vorkehrungen getroffen werden, damit"das Gewicht des dem Turm zugehörigen Teiles

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des Verankerungssystems abgestützt wird, wenn kein Schiff angekuppelt ist, insbesondere unmittelbar nachdem ein Schiff von der Verankerung gelöst wurde, damit verhindert wird, daß der Verankerungssystemteil des Turms unter seinem beträchtlichen Eigengewicht herabfällt, nachdem das Schiff abgelegt hat und dabei entweder den Schwimmturm oder das System selbst beschädigt wird.

Gemäß der Erfindung wird ein hydraulisches Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystem vorgeschlagen, das an dem dem Schwimmturm zugehörigen Teil der Verankerung angebracht ist und auf jede von drei verschiedenen Arten arbeiten kann. Zum normalen Betrieb, d.h. bei an den Schwimmturm angeschlossenem Schiff, befindet sich die erfindungsgemäße Einrichtung in einem Zustand freier Bewegung, der den Stampfbewegungen des Schiffes keinen wesentlichen Widerstand entgegengesetzt. Während eines normalen Anschlußvorganges wird das Gegengewichtsystem auf eine zweite Art betrieben, gemäß der das System den dem Turm zugehörigen Teil der Einrichtung auf einer gewünschten Höhe abstützt, wodurch der Anschluß des Schiffes an diesen Teil erleichtert wird. Während dieses Vorganges erlaubt das Gegengewichtsystem Bewegungen des turmseitigen Teiles der Einrichtung über und unter die gewünschte Ruhelage, während es als stoßdämpfendes System wirkt, das Beschädigungen des Turmes oder des Schiffes verhindert. Im Verlauf eines Schnelltrennvorganges arbeitet das erfindungsgemäße System auf eine dritte Art und Weise, gemäß der es eine ausreichende, nach oben gerichtete Kraft zum Abstützen des Gewichts des turmseitigen Teiles der Verankerungsanordnung hervorruft, wodurch er" daran gehindert wird, unter dem Einfluß der Schwerkraft herabzufallen und nach Ablegen des Schiffes Schaden anzurichten. Wenn das Schiff eine nach unten gerichtete Kraft vorbestimmter Größe auf den turmseitigen Teil der Einrichtung ausübt, erlaubt das System jedoch während

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eines solchen Vorganges eine Abwärtsbewegung des turmseitigen Teiles während der Dauer der Krafteinwirkung. Gleichzeitig ist jedoch eine Aufwärtsbewegung der Turmeinrichtung ohne wesentliche Einschränkung möglich. Wenn daher das Schiff abgekuppelt ist, dient das System zur Verhinderung des Herabfallens des turmseitigen Teiles der Einrichtung, obwohl es während des Trennvorganges eine Auf- und Abwärtsbewegung des turmseitigen Teiles zur Anpassung an die Schiffsbewegungen zuläßt.

Kurz gesagt besteht die erfindungsgemäße Einrichtung aus einem Hydraulikzylinder mit einem hin- und herbewegbaren Kolben, der an einer Stange befestigt ist, die die Stellung einer Last, z.B. eines Turmjoches, steuert. Der Hydraulikzylinder ist mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt und mit einer ventilbestückten Bypass-Leitung versehen, die wahlweise so betrieben werden kann, daß eine freie Bewegung des Kolbens in "freier Bewegungsart" möglich ist. Ein teilweise mit Hydraulikflüssigkeit unter einer Hochdruckgasphase gefüllter Druckspeicher ist mit dem Stangenende des Zylinders verbunden, um während einer "Anschlußbetriebsart" eine stoßdämpfende Funktion auszuüben. Bei einer "Trennbetriebsart" erlauben mit einem Rückschlagventil und einem stoß- oder druckgesteuerten Ventil ausgestattete Bypass-Leitungen eine ungehinderte Aufwärtsbewegung der Last als Reaktion auf eine von außen einwirkende Kraft, jedoch verhindern sie eine Abwärtsbewegung der Last, solange keine Kraft angreift, dia größer ist als das'Gewicht der Last.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Es zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht des turmseitigen Teiles eines Schnelltrennsystems zur Befestigung eines Schiffes an einem schwimmenden Turm zur Veranschaulichung des an Ort und Stelle angebrachten erfindungsgemäßen Systems, und

Fig. 2 ein schematisches Schaubild, das den Betrieb des Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystems gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt den turmseitigen ..Teil des Schnelltrennsystems eines Schiffes, bestehend aus einem U-förmigen Joch 1o, das mit dem oberen Ende eines schwimmenden Turmes 11 mit Hilfe waagerechter Bolzen 12 verbunden ist, um die das Joch sich drehen kann. An dem äußeren Ende des Joches 1o ist ein hohler Führungskonus 13 eines Schnelltrennmechanismus befestigt, der für sich keinen Teil der Erfindung bildet. Es ist verständlich, daß der Führungskonus 13 mit einem nicht gezeichneten vorstehenden Steckerteil zusammenwirkt, der an einem ebenfalls nicht dargestellten Schiff oder anderen Wasserfahrzeug angebracht ist und eine starre Verbindung zu dem Joch 1o herstellt. Ferner wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung zwar in Anwendung auf ein Schiffsverankerungssystem beschrieben ist, jedoch nicht hierauf beschränkt werden kann. Die Erfindung läßt sich für jede Last anwenden, deren waagerechte Position gesteuert werden soll, während Eigenschaften der freien Drehbarkeit und der Stoßdämpfung vermittelt werden.

Mit dem oberen Ende des Turmes 11 ist ein starrer Rahmen verbunden, der zwei Hydraulikzylinder 16 trägt, von denen jeweils eine Stange 17 ausgeht, deren Enden mittels Kupplungen 18 an die Oberfläche des Joches 1o angeschlossen sind.

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Während des nachfolgend beschriebenen Betriebes verschieben sich die Stangen 17 in den Zylindern hin und her, um das Anheben des Joches Io zu steuern und sein Gewicht zu tragen, wenn kein Schiff mit dem Verankerungssystem verbunden ist.

Das hydraulische Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystem gemäß der Erfindung ist geeignet für drei verschiedene Betriebsarten. Bei einem Anschluß IftooR-up mode), bei dem ein Schiff in die zum Anschluß an den Führungskonus 13 geeignete Stellung gebracht wird, bringt das Hydrauliksystem gemäß der Erfindung das Joch Io in eine etwa waagerechte Höhenstellung, wobei Schwankungen über und unter der Einstellung als Reaktion auf Bewegungen des Schiffes vor der Erzielung einer starren Verriegelung möglich sind.

Nach Herstellung der Verbindung zwischen 'dem Joch 1 ο und dem Schiff wird das erfindungsgemäße System im Zustand freier Bewegung betrieben, in dem es die Drehung des Joches 1o um die Bolzen 12 nicht behindert und das unausgeglichene Gewicht des Joches von dem an den Turm 11 angeschlossenen Schiff abgestützt wird.

Während eines Schnelltrennvorganges, bei dem die genaue Zeit der Abkupplung des Schiffes von dem Turm nicht exakt bekannt ist, arbeitet das Hydrauliksystem auf eine dritte Weise, derart, daß eine Aufwärtsbegwegung des Joches 1o mit geringer oder keiner Einschränkung möglich ist. Die Abwärtsbewegung des Joches erfordert jedoch eine Gesamtsenkkraft, die größer als das nicht abgestützte Gewicht des Joches ist. Während eines Schnelltrennvorganges ist daher die Abwärtsbewegung des Joches so lange erlaubt, wie das Schiff an den Führungskonus 13 angeschlossen ist und eine nach unten wirkende Kraft ausübt, die größer als ein ~

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vorbestimmter Wert ist. Sobald jedoch das Schiff von dem Turm abgekuppelt ist, werden die von dem Schiff ausgeübte Kraft nach unten und damit die Abwärtsbewegung des Joches unterbrochen und in diesem Moment verhindert das Hydrauliksystem, daß das Joch unter seinem Eigengewicht nach unten fallen und entweder selbst Schaden nehmen oder den Turm, an dem es befestigt ist, beschädigen kann.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau und Betrieb einer typischen Ausführungsform des Hydrauliksystems nach der Erfindung, das in Übereinstimmung mit der Darstellung nach Fig. 1 zwei einzelne Zylinder 16 aufweist. Die Anzahl der Zylinder ist jedoch nicht bindend und hängt allein von den Erfordernissen bei einer speziellen Anlage ab.

In jedem Zylinder 16 ist ein hin- und herbeweglicher Kolben 21 vorgesehen, der im Zylinder einen fluiddichten Verschluß bildet und den Zylinder in zwei Abschnitte einteilt, und- 'Zwar ein oberes oder Kappenende 22, das bis auf die Leitung 23 abgeschlossen ist und ein unteres oder Stangenende 24, das eine Öffnung aufweist, die dem fluiddichten Durchlaß einer mit dem Kolben 21 verbundenen Stange 17 dient. Das Stangenende 24 des Zylinders 16 ist daher bis auf eine Leitung 27 abgeschlossen.

Die Leitungen 23 und 27 sind über eine Leitung 28 verbunden, die ein Rückschlagventil 29 enthält, das einen Fluidstrom von der Leitung 23 zur Leitung 27 zuläßt und ihn in entgegengesetzter Richtung verhindert.

Eine weitere die Leitungen 23 und 27 verbindende Leitung ist mit einem Steuerventil 32 ausgestattet, das wahlweise eine von zwei Stellungen einnehmen kann. In einer ersten

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Stellung kann das Steuerventil 32 vollkommen geöffnet werden, damit der Fluidstrom es in beiden Richtungen durchströmen kann. In einer zweiten Stellung ist das Steuerventil 32 normalerweise geschlossen; öffnet jedoch zum Durchlaß des Fluidstromes von der Leitung 27 zur Leitung (jedoch nicht in umgekehrter Richtung), sobald der Druck in der Leitung 27 eine vorbestimmte Höhe überschreitet.

An die Leitung 27 ist ein Druckspeicher 33 angeschlossen, der einen Hochdruckbehälter auf v/eist, der über ein übliches Ventil 34 an die Leitung 27 angeschlossen ist. Das obere Ende des Druckspeichers 33 ist über ein Ventil 36 an eine Hochdruck-Gasquelle angeschlossen.

Mit der Leitung 23 ist über eine Leitung 37 ein zweiter Druckspeicher 38 verbunden, dessen oberes Ende über ein Ventil 39 an eine Gasquelle angeschlossen ist, deren Druck beträchtlich niedriger ist als der auf den Druckspeicher 33 einwirkende Druck. Während des Betriebes des Systems sind sowohl die beiden Enden des Zylinders 16 als auch die Leitungen 23, 27, 28 und 31 mit einer übliehen Hydraulikflüssigkeit 35 gefüllt. Die Druckspeicher 33 und 38 sind ebenfalls teilweise mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt.

Der Betrieb des Systems in jeder seiner drei Stadien wird nun beschrieben.

während eines normalen Anschlußvorganges ist das Ventil 34 offen, während das Steuerventil 32 und das Rückschlagventil 29 normalerweise geschlossen sind. Das Hochdruckgas über der Flüssigkeit 3 5 in dem Druckspeicher 33 überträgt den Druck durch die Leitung 27 auf das Stangenende-24 des Zylinders 16. Der Druck in dem Kappenende 22

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des Zylinders 16, der durch den verhältnismäßig niedrigen Druck des Gases über der Flüssigkeit in dem Druckspeicher 38 hervorgerufen wird, ist im wesentlichen geringer als der Druck im Stangenende 24 und eine resultierende, nach oben gerichtete, auf den Kolben 21 wirkende Kraft wird über die Stange 17 auf das Joch 1o übertragen. Durch geeignete Regulierung des Flüssigkeitsvolumens in dem Druckspeicher 33 und der Drücke der Gasphasen in den Druckspeichern 33 und 38 kann die Stange 17 zur Abstützung des Joches 1o in einer gewünschten Höhe eingestellt werden. Wenn die gewünschte Höhe erreicht ist, werden die Ventile 36 und 3 9 geschlossen und die Gasphasen in den Druckspeichern 33 und 38 eingeschlossen. Die Gasphasen in jedem Druckspeicher wirken anschließend als Schnelldruckfedern, die eine begrenzte Auf- oder Abbewegung des Kolbens 21 in dem Zylinder 16 als Reaktion auf die Bewegung des Joches 1o zulassen, die durch die Berührung mit dem Schiff während des Anschlußvorganges hervorgerufen wurde. Wenn der Kolben 21 als Reaktion auf eine Aufwärtsbewegung des das Joch berührenden Schiffes steigt, wird die Gasphase im Druckspeicher 38 zunehmend zusammengedrückt, wodurch sie der Aufwärtsbwegung allmählich entgegenwirkt, während die Gasphase in dem Druckspeicher 33 sich ausdehnt, wobei sie die auf den Kolben 21 ausgeübte, nach oben gerichtete Kraft allmählich verringert. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens sind die Wirkungen umgekehrt. Das komprimierte Gas im Druckspeicher 33 widersetzt sich zunehmend der Abwärtsbewegung, während die sich ausdehnende Gasphase im Druckspeicher 38 ihren Druck verringert und damit die abwärts gerichtete Kraft geg^eäie Oberfläche des Kolbens 21 nachläßt. Auf diese Weise werden zufällige Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Joches wirksam unterbunden ohne Beschädigung der Einrichtung.

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Während des normalen Betriebes des Systems wird nach einer starren Verbindung des Schiffes und des Joches 1o das Steuerventil 32 geöffnet, damit in der Leitung 31 ein Flüssigkeitsstrom in beiden Richtungen zwischen den Leitungen 23 und 27 strömen kann und das Ventil 34 wird geschlossen, wodurch der von dem Druckspeicher 33 auf die Hydraulikflüssigkeit in dem Zylinder 16 ausgeübte Druck wirksam abgebaut wird. Auf diese Weise erlaubt die Bypass-Verbindung über die Leitung 31 und das Ventil 32 zwischen dem Kappenende 22 und dem Stangenende 24 des Zylinders 16 eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens 21 mit geringem Widerstand. Wegen des Vorhandenseins der Stange 17 in dem Stangenende des Zylinders 16 entspricht jedoch die zusätzliche Volumenänderung des Kappenendes 22, die durch eine gegebene Bewegung des Kolbens 21 hervorgerufen wird, nicht einer zusätzlichen VolumenänderuncT des Stangenendes 24. Beispielsweise kann die durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 21 bewirkte Volumenverringerung des Kappenendes 22 beträchtlich größer als die Volumenzunahme am Stangenende 24 sein. Die bei solcher Bewegung verdrängte überflüssige Flüssigkeit strömt kurzzeitig zum Druckspeicher 38, aus dem sie bei Abwärtsbewegung des Kolbens zum Kappenende 22 zurückkehrt.

Während eines Schnell- oder Nottrennvorganges sind beide Ventile 34 und 32 geschlossen. Die unterhalb des Kolbens 21 eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit verhindert eine Abwärtsbewegung der Stange 17, bis die von der Stange ausgeübte, nach unten gerichtete Kraft einen vorbestimmten Wert überschreitet, der größer als das unausgeglichene Gewicht des Joches 1o ist, woraufhin das Ventil 32 öffnet und eine Abwärtsbewegung des Kolbens 21 als Reaktion auf die Kraft zuläßt. Bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 21 und der Zusammendrückung der Flüssigkeit im Kappenende 22 öffnet das Rückschlagventil 29 und die Aufwärtsbewegung kann mit verhältnis-

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mäßig kleinem Widerstand stattfinden. Während eines solchen Trennvorganges ist deshalb eine Aufwärtsbewegung des Joches 1o durch das Schiff ohne weiteres möglich, während zur Abwärtsbewegung eine Kraft benötigt wird, die größer als das Gewicht des Joches 1o alleine ist. Sobald daher das Schiff von dem Joch völlig abgekuppelt ist, so daß es nicht länger irgendwelche Kräfte auf dieses ausüben kann, wird das Gewicht des Joches abgestützt, wodurch eine Beschädigung irgendeines Teiles des Turmes oder des Joches selbst verhindert wird.

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Claims

Ansprüche

1. Hydraulisches Gegengewicht- und Stoßdämpfungssystem, gekennzeichnet durch wenigstens einen hohlen Zylinder (16) mit einem geschlossenen Ende (22) und einem Ende (24), das eine Öffnung zur Aufnahme einer Stange (17) aufweist;

durch einen in dem Zylinder (16) hin- und herbeweglichen und mit seinem Innenraum einen flüssigkeitsdichten Verschluß bildenden Kolben (21);

durch eine Stange (17), deren eines Ende mit dem Kolben (21) verbunden ist und die durch das öffnungsende des Zylinders (16) flüssigkeitsdicht hindurchgeführt ist, wobei das andere Ende der Stange (17) mit einer Last verbindbar ist "

durch einen ersten Druckspeicher (33), dessen Druckbehälter eine untere Flüssigkeitsphase aus einer Hydraulikflüssigkeit und eine obere Phase aus einem komprimierten Gas enthält ;

durch eine erste Leitung(27)· ,durch die die Hydraulikflüssigkeit zwischen dem unteren Ende des ersten Druck-

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Speichers (33) und dem öffnungsende des Zylinders (16) strömt;

durch ein Ventil (34) in der ersten Leitung (27), das den Flüssigkeitsstrom durch diese Leitung regelt; durch eine zweite Leitung (28), durch die die Hydraulikflüssigkeit zwischen dem geschlossenen Ende und dem offenen Ende des Zylinders (16) hindurchströmt; durch ein Rückschlagventil (29) in der zweiten Leitung (28), das den Hydraulikfluidstrom in der Leitung von dem geschlossenen Ende zum Öffnungsende des Zylinders (16) ermöglicht und ihn in entgegengesetzter Richtung sperrt; durch eine dritte Leitung (31), durch die die Hydraulikflüssigkeit zwischen dem geschlossenen Ende und dem Öffnungsende des Zylinders (16) strömt; durch ein Steue^entil (32) in der dritten Leitung (31), das den Flüssigkeitstroin in dieser Leitung regelt und das zur Öffnung und Schließung betätigbar ist und in Schließstellung öffnet, wenn der Druck in dem Öffnungsende des Zylinders (16) einen vorbestimmten Wert überschreitet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Druckspeicher (38) mit einem zweiten Druckbehälter vorhanden ist, und daß eine vierte Leitung (23) das untere Ende des zweiten Druckbehälters mit dem geschlossenen Ende des Zylinders (16) verbindet.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckspeicher (33, 38) an Gasquellen angeschlossen sind, die unter erhöhtem Druck stehen, und daß der auf den ersten Druckspeicher (33) einwirkende Druck größer ist als der auf den zweiten Druckspeicher (38) zur Einwirkung kommende Druck.

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