刚性壳体气罐浮筒可变浮力的制作方法
【专利摘要】本发明是一种涉及在气罐壳体中可变容积的气室和壳体中的水之间具有柔性屏障的可变浮力气罐浮力组件或者浮筒的设备和方法。更具体地说，本发明涉及用于自支撑立管（SSR）的可变浮力组件，其中SSR中的张力可以通过增大/减小由柔性衬里形成的室的可变容积而增大/减小，所述柔性衬里在气罐壳体中的可变容积的气室和水之间提供的屏障。
【专利说明】刚性壳体气罐浮筒可变浮力
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于自支撑立管(Self Supporting Riser, SSR)的可变浮力气罐组件。此外，本发明涉及气罐浮筒的构造，具体地涉及作为屏障、用以特别地在有效深度处的气罐浮筒中将气体与水隔离的柔性衬里(liner)。
【背景技术】
[0002]在实践中，已经将气罐浮筒用于近表面浮筒；然而，当用在海水中的越来越大的深度处时，现有技术的浮筒的效率降低。当浮筒必须部分地被压重(ballast)以改变浮力时，这一点尤其如此。海水溶解气体。近表面海水的水因其与大气接触而趋于气体饱和，其中表面水通过波浪作用而混合。在波浪区域下方，水几乎没有机会直接接触大气，使得水基本上与任何可能的另外的气体源隔离。此外，如亨利定律(Henry’s law)所表述的,水在高压下必然溶解更多的气体以达到平衡，因此饱和所需的气体量随海洋深度的增大而增大。海洋深处的水通常是因密度差而从表面沉下的水。在近表面处被气体饱和、然后沉入到更深的深度的水，承受更高的压力而没有机会溶解更多的气体。因此，海洋深处的水具有的气体通常远少于饱和所需的气体，由此可快速溶解接触到它的气体。因此，在近表面混合区域下方特别是在更大深度处使用的充气的可变浮力，要求在外界的水和气体之间设置非渗透性或非常低渗透性的衬里屏障，以避免可能因气体和外界水之间的接触而产生的气体损失(浮力损失)。
[0003]本发明的目的在于提供一种设备和方法，其中能够实现气体/水隔离和可变浮力，而不需要精密机加工的密封面同时保持刚性壳体(hull)气罐浮力组件的优点。本发明的另一目的在于提供一种用于自支撑立管(SSR)的浮力组件，如在2010年3月I日提交的题目为“立管技术(Riser Technology)”的美国申请N0.12/714，919中充分描述的。深水SSR的浮力组件的大尺寸使得提供在壳体和屏障之间的常规滑动密封所需的精密机加工平面变得不切实际。此外，用于SSR的气罐浮筒的壳体因为来自水流和其它力的载荷变化而遭受挠曲，因此壳体壁之间的距离改变。需要在气体和水之间的非渗透性边界或者屏障。更进一步的，要求可变浮力，因此边界或者屏障在壳体中必需是可移动的以允许气体容积的和浮力的增减(气体容积越大-从气罐排出的水越多-浮力越大)。
【发明内容】
[0004]本发明是一种涉及可变浮力的气罐浮力组件或者浮筒的设备和方法，所述气罐浮力组件或者浮筒在气罐壳体中的可变容积的气室和壳体中的水之间具有柔性屏障。更具体地说，本发明涉及一种用于自支撑立管(SSR)的可变浮力组件，其中通过增大/减小由柔性衬里形成的室的可变容积可以增大/减小SSR中的张力，所述柔性衬里在气罐壳体中的可变容积的气室和水之间提供屏障。
[0005]附图简述
[0006]图1是本发明的可变浮力刚性壳体气罐浮力组件或者浮筒的一个实施方式的示意图；
[0007]图2是本发明的可变浮力刚性壳体气罐浮力组件或者浮筒的另一个实施方式的示意图；
[0008]图3是本发明的可变浮力刚性壳体气罐浮力组件或者浮筒的示意图，带有用于从壳体的底部或者顶部增大/减小可变容积的气室的容积的填充/排出结构并带有典型的控制兀件；
[0009]图4和5是示出本发明的多室可变浮力刚性壳体气罐浮力组件或者浮筒的示意图；和
[0010]图4A是图4的多室可变浮力刚性壳体气罐浮力组件或者浮筒的示意图，示出了每一室中的中心圆柱(center column)可以是用于保持柔性衬里的结构。
【具体实施方式】
[0011]参考图1，刚性气罐壳体10优选地是带有圆柱形侧表面12和顶表面14的圆柱形罐。壳体10具有带着排出孔、滤网(未示出)的底部16或者开口下端16。在该实施方式中，高度近似等于壳体侧表面或者壁12的高度的柔性圆柱形壳体衬里20，在侧表面12顶部或者顶表面14的顶部附近被附接到壳体10，并被附接到内部结构(内部结构为浮动屏障22)，用以桥接间隙21 (在壳体10的侧表面12和浮动结构22之间的距离)并且用以在气罐壳体中的可变容积的气室和水之间提供屏障，所述水为通过下端16进入壳体中的海水。
[0012]衬里20由对于气体和水具有高非渗透性的柔性材料制成，诸如特克瑞亚(TEKRIA)公司的产品金属化的聚酯薄膜(Mylar)，或者是聚乙烯薄膜。该实施方式的内部结构或者浮动结构22可由诸如合成泡沫和用环氧树脂粘合的玻璃纤维的材料制成，以在壳体10内或下方的水上浮动。内部结构22在壳体10中上下自由移动，并且通过可位于中心圆柱24上的任意引导件或者通过中心圆柱24周围的滑动密封套管26保持对准。中心圆柱24的相对小的尺寸使得在实践中维持浮动结构22和所述圆柱24之间常规的滑动密封。当浮动结构22位于圆柱24上的高处时，衬里20存在游隙(slack)。该游隙存储在游隙环(slack loop) 27 (在图1中示出为U形，位于衬里20的与壳体10的顶部相连的端部以及与结构22的外端相连的端部之间)中，通过诸如砂粒或金属球28的重物来趋向(tend)或维持游隙环，以将游隙部分或者游隙环27保持在已知的位置中。环27和重物28有助于确保，当浮动结构22沿圆柱24下移时衬里20被均匀地施加到壁12。如果衬里带有褶皱被施加于壁，则游隙部分很可能在浮动屏障到达壳体的底部之前被用完。浮动结构22的上表面是倾斜的以有助于确保移置到浮动结构上的砂粒或者球28回落到衬里20的游隙环27中。该实施方式的特有结构是要处理在高的外界压力情况下必须处理的现象，即非润滑表面之间摩擦的增大。类似物是玩具吸盘，其提供了将柔性表面保持成紧密抵靠另一表面的外界压力的示例。必需克服以使吸盘滑动的摩擦力能够被计算为摩擦系数乘以将两个表面保持在一起的力，该力是外界压强乘以表面面积。在一个外界大气压力下，在玩具吸盘和其附接到的表面之间的摩擦力能够易于被克服。在海洋中刚超过300英尺的深度处，外界压力近似为10倍之多，从而摩擦力也是10倍大。随着深度的增大,特别是在大的表面面积上,该摩擦力很快地超过能够使吸盘或柔性材料滑动的力或超过柔性材料的强度。缝隙提供外界空气进入吸盘和其所接合的表面之间的通路，如可通过使玩具吸盘在缝隙之上的滑动展示的，两个表面之间的自由气体或者液体使得该摩擦力最小化或被消除。
[0013]优选地，衬里20是复合材料，包括附接到衬里的气体和水非渗透层的一侧或两侧的毡制材料层或疏松组织材料层，从而自由水总是被允许进入或通过毛细作用进入疏松组织材料的微孔，以维持液体到外界海水的连续性。这有助于确保当气体被例如通过顶表面14中的贯通管线30(其包括控制箱7)引入到衬里20中时，浮动结构22沿圆柱24下移，或者当气体被从衬里20去除或者排出时，结构22沿圆柱24上移，同时维持相对的非渗透性屏障。这些特征提供了一种方法和设备，使得可变浮力气罐具有用于防护的刚性壳体和位于水和气体之间的衬里，并且封闭气室19的容积能够以不要求精确密封表面的方式来改变，避免了在存在高外界压力的情况下使一种材料表面在另一材料表面上滑动时的粘连，并且能够包括这样的方法，该方法用以降低摩擦使得衬里材料能够保持在侧表面12上或被无损伤地移开。
[0014]现在参考图2，在该实施方式中，解决了高外界压力环境的现象及由此形成的在非润滑表面之间摩擦增大的现象，而不需要浮动屏障22。在该实施方式中，通过以直角(rightangle)从壳体20的侧表面12移动衬里20,从而从该表面将衬里移开。类似不例是从表面去除胶带。如果胶带被相对于表面以直角牵拉，则该胶带将易于克服摩擦和粘结，而不受损伤。提供了在空气和水之间的可移动的屏障的柔性圆柱形壳体衬里20，在侧表面12的顶部附近或者顶表面14处被附接到壳体10，并且附接到内部结构，如通过环3附接；在该实施方式中内部结构为中心圆柱24。柔性衬里20为气罐壳体中的任意容积的可变容积的气室19提供了在中心圆柱24与壳体侧表面或者壁12之间的气体/水屏障。通过对室19加气，增大气室19的容积，结果是增大了浮力。衬里20的长度是三个尺寸之和:L1，保持到壁12的长度；L2，在壁12和圆柱24之间的间隙的长度jPL3，保持到圆柱24的长度。应指出的是，L2保持恒定并且基本水平以将衬里20维持成相对于壁12和圆柱24都成直角。当气体在管线30被引入时，跨接L2的屏障向下移动，从而从圆柱24脱开一长度的衬里，LI的增大等于L3的长度的减小。衬里20从圆柱20以直角脱开以允许衬里无撕裂或无损伤地移动。同样，室19的容积可通过从管线30排气来减小。跨接L2的屏障在其向上移动时将一长度的衬里从壁12脱开，LI的减小等于L3的长度的增大。
[0015]在优选实施方式中，接头(joint) 13延伸通过中心圆柱24以形成用于如上所述的、如在序列号为12/714,919的美国申请中充分说明的自支撑立管(SSR)的浮力组件15。图示的接头13是典型的公母(box and pin)接头,其具有与罐10的顶表面14上的相应配件11配合的肩部9。但是，承载肩部9可以是如图1中所示的箱的底部，或者如果接头具有与接头相连的凸缘，则凸缘可以提供用于可变浮力组件10的承载肩部9。在使用中SSR被附接到海底结构，使得当浮力被改变或调节时，SSR中的升力或张力有相应的改变。如在序列号为12/714,919的美国申请中更为充分地说明的，SSR由接头和特制接头制成，诸如浮力组件15。
[0016]参考图3，气罐壳体10的另一实施方式具有通过管线31从壳体10的底部增加的气体。控制元件32位于管线31中，控制元件32可包括阀和电子设备以控制流量和/或防止过填充或者填充不足，使得在使用中能够安全地改变浮力。管线31具有竖向部分6，其可以如所示地位于圆柱24中或者位于圆柱24的侧面中的凹槽中。竖向部分6终止于位于室19中的最高点处或最高点附近的空间5中。可选地，位于壳体10的顶部处的排出管线30也可终止在空间5中。控制元件7允许以受控方式填充和排出，以控制流量和/或防止过填充或填充不足，从而在使用中能够安全地改变浮力。
[0017]现在参考图4和5，示出了多室刚性气罐壳体10的构造。在图4中，示出了壳体10中的四个圆柱形室A-D，其中每一个具有如在上述实施方式中图示的详细结构。图5示出了圆柱形壳体10可具有四个四分之一圆w-ζ。多室的优点是冗余度(redundancy)。
[0018]参考图4A，每个柔性圆柱形壳体衬里20的高度近似等于壳体侧表面或者壁12的高度，并在侧表面12或者顶表面14的顶部附近被附接到壳体10，并且被附接到内部结构(在本实施方式中内部结构为中心圆柱34)，用以提供在气罐壳体中的可变容积的气室19和水之间的屏障。
[0019]通过对室19加气，气室19的容积增大，结果是浮力增大。气体管线31可如图4A左侧所示进入壳体的顶部，或者如图4A右侧所示位于壳体10的底部处。
【权利要求】
1.一种用于自支撑立管的气罐浮筒，包括: 刚性壳体；所述壳体包括顶表面和侧表面；和 柔性的、高非渗透性衬里，所述高非渗透性衬里在所述侧表面和内部结构之间的间隙中提供屏障以在所述壳体内形成可变容积的气室。
2.根据权利要求1所述的气罐浮筒，其中所述内部结构是浮动结构。
3.根据权利要求1所述的气罐浮筒，其中所述内部结构是圆柱。
4.根据权利要求1所述的气罐浮筒，其中所述衬里是复合材料，具有层叠到所述非渗透性衬里层的至少一侧的透水层。
5.一种气罐浮筒，包括: 刚性壳体；所述壳体包括顶表面和侧表面； 中心圆柱，所述中心圆柱在所述壳体内沿轴向延伸；和 承载表面，所述承载表面位于所述圆柱的顶部上，并且成形为将力传递到所述圆柱中的立管接头。
6.根据权利要求5所 述的气罐浮筒，进一步包括: 柔性的、高非渗透性衬里，所述高非渗透性衬里在所述侧表面和所述中心圆柱之间的间隙中提供屏障以在所述壳体内形成可变容积的气室。
7.根据权利要求6所述的刚性气罐浮筒，其中所述衬里被附接在所述壳体的顶部和所述中心圆柱的底部。
8.根据权利要求5所述的刚性气罐浮筒，其中所述中心圆柱是中空的并且进一步包括: 在所述中心圆柱中的立管接头。
9.根据权利要求8所述的刚性气罐浮筒，其中所述立管接头是公母立管接头。
10.一种多室刚性气罐浮筒，包括: 刚性壳体；所述壳体包括顶表面和侧表面； 在所述壳体内的内部结构，用以形成多个室；和 可移动柔性衬里，所述可动柔性衬里在所述侧表面和所述内部结构之间延伸以在所述壳体的每个室内提供可变容积的气室。
11.一种用于增大/减小气罐浮筒中的浮力的方法，所述气罐浮筒具有在所述侧表面和内部结构之间的间隙中提供屏障以在所述壳体内形成可变容积的气室，所述方法包括: 对所述室加气/排气，由此更大/更小长度的所述衬里被保持到所述侧表面并且所述气室的容积被增大/减小。
12.根据权利要求11所述的方法，其中气罐浮筒中的浮力被增大，所述气罐浮筒具有在所述侧表面和内部结构之间的间隙中提供屏障以在所述壳体内形成可变容积的气室的柔性衬里，所述方法包括: 对所述室加气，由此更大长度的所述衬里被保持到所述侧表面并且所述气室的容积被增大。
13.一种用于增大/减小在自支撑立管(SSR)中立管接头上的载荷的方法，所述方法包括: 对气罐浮筒的壳体内的可变容积的气室加气/排气，所述气罐浮筒具有位于在所述壳体内沿轴向延伸的中心圆柱内的所述接头。
14.一种用于增大/减小在自支撑立管(SSR)中立管接头上的载荷的方法，其中所述接头是公母立管接头。
【文档编号】E21B17/01GK103732848SQ201180047041
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2011年9月9日 优先权日:2010年9月9日
【发明者】查尔斯·R·叶明登 申请人:查尔斯·R·叶明登