本发明涉及用于穿过旋转界面转移流体的环形流体转环。此外，本发明涉及配备有包括此种转环的转塔系泊系统的船舶。
背景技术：
在现有技术中，已知环形流体转环用于穿过输入流体管线与输出产品管道之间的旋转界面转移高压流体。
此种转环的应用包括例如海上石油和天然气勘探，其中，石油和/或天然气的高压流从(深海)海上油井传送到诸如浮式生产储油和卸油(FPSO)船舶的浮动船舶。
通常，此种浮动船舶配备有转塔系泊系统，该转塔系泊系统可以将容纳来自井的一个或多个立管线的系泊浮筒或“系泊结构”联接到船舶上的产品管道管。由于转塔系泊系统应该允许船舶与浮筒之间的一些旋转，因此转环同样适合于在输入流体管线和产品管道之间提供旋转。
具体地，对于深海应用，存在对这样的转环的需要：其可以承受输入流体的远超过500atm(50.6MPa)的设计压力同时能够转移高流量的流体。
通常，现有技术转环包括联接到转塔上的输入流体管线的固定(或静止)环形元件，以及联接到船舶上的输出产品管道的旋转环形元件。固定环形元件和旋转环形元件各自具有壳形形状，在它们之间形成封闭的环形体积，其中，在作为外壳的旋转元件与作为内壳的固定元件之间存在径向界面(基本上圆柱体的表面区域)。径向界面允许旋转元件相对于固定元件旋转，但是同时通过附加暴露于流体压力的另外的表面对转环外壳设计是不利的，因此需用更厚的外壳壁。
在根据现有技术的转环中，转环的外壳(即，旋转环形元件)将具有在内壳部与外壳部之间的流动路径中的压力下膨胀的性质。抵消此膨胀和相关的压力造成壁变得厚重并且面密封设计变得复杂。由于径向界面上的径向力随着直径增加而增加，因此当转环直径增加时，此策略不是无限可持续的。具体地，对于高压应用，这将导致难以管理的壁厚度和过重的转环部。这些问题对转环结构的设计和尺寸具有不利的影响，而且对维护和修理也有不利影响，并且毫无疑问的是，对成本和制造限制具有重要的影响。
另一问题涉及现有技术转环的操作模式，其涉及避免固定部与旋转部之间的摩擦接触。穿过多个转环部的负载路径通常是经过驱逐滚柱轴承(deported roller bearing)并且由密封件密封的长回路，密封件仅可以利用具有非常小的变化的非常小的挤压间隙进行操作。此外，该已知转环的正常功能仅可以通过大的转环部来获得。
本发明的目的是克服现有技术的这些缺点。
技术实现要素：
本发明的目的通过环形流体转环来实现，所述环形流体转环用于穿过围绕转环旋转轴线的旋转界面在输入流体管线与输出产品管道之间来转移流体，转环包括固定环形元件和旋转环形元件，固定环形元件和旋转环形元件各自围绕公共旋转轴线布置并且具有基本上相等的直径；固定环形元件和旋转环形元件中的一个所选元件包括环形盘，所述环形盘在其环形端面的第一环形端面中设置有环形腔，以及固定环形元件和旋转环形元件中的另一所选元件布置成具有平坦环形端面，所述平坦环形端面邻近并紧密接近所述环形盘的所述第一环形端面上方，以封闭环形腔并在环形盘内形成环形室，旋转界面由一个所选元件的邻近的第一环形表面和另一所选元件的平坦环形端面形成，旋转界面垂直于公共旋转轴线。
与现有技术的壳式转环的环形室的径向界面相反，根据本发明，固定环形元件与旋转环形元件之间的旋转界面布置成与转环的旋转轴线垂直。
此外，环形室包括环形腔，所述环形腔由仅在由旋转环形元件的平坦接触表面覆盖的固定环形元件中形成，或反之亦然：环形腔仅在由固定元件的平坦接触表面覆盖的旋转环形元件中形成。这提供与旋转轴线垂直的相对简单的旋转界面。
本发明具有这样的效果，即由高压流体产生的转环中的力基本上在轴向方向上。在具体实施方式中，在相反的径向方向上定向的施加到环形室的内直径和外直径的径向力基本上彼此抵消，并且作用在相同的转环体部上。
因此，由于受到压力的环形内直径和环形外直径之间的对应表面差异，因此大大降低任何转环部中的环向压力和环向变形。此外，此对应表面差异可通过用于环形室的多个入口和出口来减小，从而使得环形腔仅为有效转环总吞吐量的相应部分。这导致主要在轴向方向上的执行要求。此外，由于环形腔与密封布置之间的旋转界面是与旋转轴线垂直或基本上垂直(例如，锥形界面或对角线界面)的环形区而不是圆柱形表面区，因此固定环形元件和旋转环形元件上的压力(每单位面积上的力)不会由于较大的转环直径而显着增加。这允许关于转环直径的相对自由的设计(与现有技术相比)。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，一个所选元件是固定环形元件，并且另一所选元件是旋转环形元件；环形腔设置在固定环形元件中，并且平坦环形端面设置在旋转环形元件中。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，一个所选元件是旋转环形元件，并且另一所选元件是固定环形元件；环形腔设置在旋转环形元件中，并且平坦环形端面设置在固定环形元件中。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，环形盘设置有至少一个入口孔，入口孔将输入流体管线联接到环形腔，旋转环形元件设置有至少一个贯穿出口孔，所述出口孔径提供环形室与输出产品管道之间的流体连通。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，固定环形元件包括内壁和外壁；内壁在一端处连接到环形盘，并且外壁在一端处连接到固定环形盘，以形成“U形”固定环形元件，并且旋转环形元件与固定环形元件之间的旋转界面布置在固定环形元件的内壁和外壁中间。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，旋转环形元件通过保持环旋转地夹紧到固定环形元件；保持环通过螺栓附接到固定环形元件。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，固定环形元件包括环形盘和环形壁，其中，环形盘在其内边缘处设置有内壁，环形壁与环形盘平行；内壁在一端处连接到环形盘并在另一端处连接到环形壁，以形成“C形”的固定环形元件，并且旋转环形元件布置在环形盘与环形壁中间。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，至少一个入口孔与公共旋转轴线平行地从第二环形端面延伸到第一环形端面，垂直地穿过环形盘进入到环形腔中。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，至少一个出口孔与公共旋转轴线平行地垂直延伸通过旋转环形元件。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，至少一个出口孔以直角设置在旋转环形元件的内部，至少一个出口孔在环形室侧具有与公共旋转轴线平行的入口部分，以及在输出产品管道侧具有横向于公共旋转轴线的相对于公共旋转轴线径向向外定向的出口部分。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，转环还包括用于将旋转环形元件保持在内壁与外壁之间的保持元件，保持元件固定到内壁和外壁，并且将旋转环形元件保持在环形腔之上的位置中。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，转环包括密封工具，即，与在环形盘与旋转环形元件之间的环形腔的边缘邻近的一个或多个密封件。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，旋转环形元件设置有在入口开口与面向固定环形元件的环形壁的旋转环形元件的表面之间延伸的钻孔。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，至少一个入口孔包括分布在环形腔的圆圈之上的多个外部互连的入口孔，以及至少一个出口孔包括分布在环形室的圆圈之上的多个外部互连的出口孔。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，在环形腔的顶部区域中，横杆在径向方向上固定地布置在腔之上。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，横杆以恒定的中间角度分布在环形腔上。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，至少一个入口孔和/或至少一个出口孔具有沿着环形腔的长型形状。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，环形腔围绕公共旋转轴线以360°延伸。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，固定环形元件和/或旋转环形元件包括多个环形段，环形段在其端部互相连接以形成相应环形元件的环形形状。
根据一个方面，本发明涉及如上所述的转环，其中，环形腔分段成呈现为弧形腔段的均匀阵列的一系列腔段，每个腔段设置有入口孔，以及转环在旋转环形元件上包括对应数量的根据所述阵列的布局分布的出口孔，腔段设计成在入口孔中的至少一个入口孔与出口孔中的至少一个出口孔之间具有重叠通道，使得旋转环形元件和固定环形元件之间的任何角度定向都存在通过转环的流动路径。
本发明还涉及包括如上所述的至少一个转环的转环堆叠件。
此外，本发明涉及用于海上作业且包括转塔系泊系统的船舶，其中，转塔系泊系统配备有如上所述的转环。
有利的实施方式由所附权利要求进一步限定。
附图说明
本发明将参考附图在下文进行更详细地说明，在附图中示出了本发明的说明性实施方式。附图仅旨在用于说明性目的，而不是作为本发明构思的限制。本发明的范围仅由所附权利要求中存在的限定限制。
图1示出了根据本发明的实施方式的转环的旋转界面的立体图；
图2示出了根据本发明的实施方式的图1的旋转界面的剖视图；
图3示出了根据本发明的实施方式的转环的剖视图；
图4示出了根据本发明的另一个实施方式的转环的剖视图；
图5示出了根据本发明的实施方式的转环的立体剖视图；
图6A和6B示出了根据本发明的实施方式的多个同心转环的立体图和侧视图；
图7示出了根据本发明的实施方式的包括转环的转环堆叠。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的转环的旋转界面的立体图。
在FPSO船舶(未示出)中设置有转塔系泊系统(未示出)，该转塔系泊系统可以将容纳来自井的一个或多个立管线的系泊浮筒联接到船舶上的产品管道管。
在操作期间，FPSO应该允许可以由转塔系泊系统实现的风向标，从而允许船舶与浮筒之间的一些旋转。
相应地，转环适合于在输入流体管线与产品管道之间提供旋转。
根据本发明的转环10包括用于将流体从输入流体管线转移到输出产品管道的旋转界面20、30。
旋转界面包括两个环形元件：固定环形元件20，在使用中联接到转塔系泊系统；和旋转环形元件30，联接到与船舶附接的输出产品管道。
两个环形元件20、30布置成具有公共旋转轴线R并且具有基本上相同的直径。
固定环形元件20由环形盘组成，环形盘的第一环形端面22中布置有环形腔24或凹槽。
根据实施方式，环形腔加工成具有腔的内侧壁和外侧壁的环形盘，所述腔布置成容纳关于旋转轴线的方向垂直的高压流体。
固定环形元件还包括用于将输入流体管线(以箭头F指代)联接到凹槽的至少一个入口孔26。
固定环形元件和旋转环形元件通过设置在每个元件中的轴承布置保持摩擦接触或紧密无摩擦接近，使得一个元件可以沿着公共旋转轴线关于另一元件自由地旋转，同时一个元件关于另一元件的轴向位移受到轴承布置约束或限制。由两个元件形成的环形室包含与公共旋转轴线的方向基本上垂直的至少一个动态界面表面。
在优选实施方式中，至少一个入口孔26从与第一环形端面22相对的第二环形端面延伸穿过环形盘的厚度进入环形腔24。
旋转环形元件30布置有基本上平坦的环形端面32。旋转环形元件30定位成使其平坦环形端面面向并紧密接近固定环形元件的第一环形端面22，以此方式使得环形腔24的开口表面闭合并形成环形室。
因此，旋转界面20、30限定在环形盘20的第一环形端面22与旋转环形元件的相对平坦环形端面32之间，并且垂直于公共旋转轴线R延伸。
本领域的技术人员将理解的是，环形腔可替代地形成在旋转环形元件中，而固定环形盘设置有用于封闭环形腔并在固定环形元件与旋转环形元件之间形成环形室的相对的平坦环形表面。
旋转环形元件30还包括用于提供从平坦环形表面32处的入口部分(未示出)到与输出产品管道(以箭头P指代)联接的出口部分的连接的至少一个出口孔34。
在实施方式中，至少一个出口孔34从与相对环形端面36相对的平坦环形端面延伸穿过旋转环形元件30的环形厚度。
在替代实施方式中，至少一个出口孔34的出口部分位于旋转环形元件的外圆周处，这将参考图3在下文进行更详细地说明。
如果高压流体从输入流体管线F引入，则环形室将被加压，这具有在与旋转轴线平行的旋转界面上施加力的效果。
当然，高压还可在旋转平面中引起一些变形，但是本领域的技术人员将理解的是，该效果通过施加在相同的部分上的对抗平面力而大大降低，并且极大地消除了彼此的影响。此外，通过减小环形腔截面可以将这些效果保持在最小，同时优化环形腔的形状和壁厚度以避免过度的压力和压力集中。
每个转环环形体可以由单个环形段或至少两个环形段制成，至少两个环形段在其各自的端部互相连接以由此形成单个整体圆周。根据实施方式，在转环内，固定环形盘和/或旋转环形盘包括多个环形段，环形段在其端部互相连接以形成环形盘的环形形状。应注意，环形腔的圆周连续性在每个环形段的配合末端处中断，环形段消除了通常施加在整个环形腔表面上的流体静力分离力，仅留下相比之下能够忽略不计的与暴露于流体压力的转环挤压间隙表面对应的流体静力分离力。
本领域技术人员将理解的是，固定环形元件和旋转环形元件中的至少一个可以由大的圆柱形部呈现。例如，根据本发明的转环堆叠可包括具有与两个或多个外(环形)部件结合的流体管线(通道)的一个大的圆柱形内部分或内核心。
在上述实施方式中，环形腔表现为固定环形元件与旋转环形元件之间的环形且连续的通道。根据实施方式，环形腔被分段成呈现为弧形形状腔段的均匀阵列的一系列腔段，其中，每个腔段设置有入口孔。在旋转环形元件上设置有根据阵列的布局而分布的对应数量的出口孔。腔段设计成使得无论旋转环形元件和固定环形元件之间的角度定向如何，在至少一个入口孔与至少一个出口孔之间都存在重叠通道。
图2示出了根据本发明的实施方式的旋转界面20、30的剖视图。
在图2中示出了入口孔26和出口孔32对齐的情况下的旋转界面。
根据示出的实施方式，固定环形元件20的环形盘部布置有侧壁27和28。内壁27布置在环形盘的内圆周处，外壁28布置在环形盘20的外圆周处。内壁和外壁均在与旋转轴线29平行的轴向方向上朝向旋转环形元件30延伸。以此方式，固定环形元件具有“U形”。旋转环形元件位于内壁和外壁中间且旋转界面位于内壁和外壁中间的“地板”处。
在远离旋转界面的壁27、28的远端上，转环设置有用于保持位于环形盘20的第一环形端面上且与环形盘20的第一环形端面紧密接近的旋转环形元件30的保持环40。保持环40通过螺栓(在这里未示出)附接到内壁27和外壁28。
环形盘与旋转环形元件之间的旋转界面还设置有防止高压流体从环形室24沿着旋转界面泄漏的密封件42。本领域的技术人员将理解，可以使用例如零间隙密封、面密封或膜密封的多种密封类型。
密封件可以位于环形盘20的表面与旋转环形元件30的相对面之间，或旋转环形元件30与内壁27和/或外壁28之间，或保持环40与旋转环形元件的远离旋转界面的表面之间的多种位置处。
此外，旋转界面还设置有轴承，所述轴承同样可以定位在环形盘20的表面与旋转环形元件30的相对面之间，或旋转环形元件30与内壁27和/或外壁28之间，或保持环40与旋转环形元件的远离旋转界面的表面之间的多种位置处。轴承可包括摩擦轴承和/或静压轴承，或其他轴承类型。
图3示出了根据本发明的实施方式的转环15的剖视图。
转环包括固定环形元件50和旋转环形元件60。此实施方式中的固定环形元件50包括基底环形盘51、在基底环形盘的内圆周处的内壁52以及第二环形盘53。基底环形盘51具有垂直于旋转轴线R的第一环形端面22，并且在第一环形端面22中设置有环形腔24。在基底环形盘的内圆周上，内壁52设置成沿着旋转轴线的方向延伸并形成圆柱状壁。第二环形盘53平行于基底环形盘51布置，并且以形成在外圆周处具有开口的“C”形环的方式连接到圆柱形内壁。
旋转环形元件60布置在基底环形盘51与第二环形盘53之间的C形开口中。面向第一环形盘的第一环形端面的下环形表面形成旋转界面，并且封闭环形腔以形成环形室。
邻近环形室24的边缘的旋转界面设置有密封装置54、55。
至少在旋转环形元件的表面与内壁的相对面之间设置轴承布置(垂直轴承66)，并且至少在旋转环形元件的表面与第二环形盘53的相对内表面之间设置轴承布置(水平轴承67)。
具体地，当环形室中存在高压流体时，旋转界面受到沿着轴向方向的转矩。具体地，在此情况下，水平轴承67需要向第二环形盘的相对面和旋转环形元件提供足够的耐磨性，因为这些表面的接触区在环形室24上方。在图4中，将描述替代实施方式。
在图3中，入口孔26和出口孔62、64示出为在环形室24下方和上方对准。
入口孔26延伸穿过基底环形盘50的厚度并与输入流体管线F联接。
由于C形环51、52和53中的旋转环形元件60的布置，因此出口孔具有包括入口部分62和出口部分64的直角形状，其中，入口部分62通向环形室，出口部分64与旋转轴线方向垂直并且径向地向外指向以联接到输出产品管道P。出口孔的入口部分和出口部分能够由两个相交的钻孔形成。
在此实施方式中，旋转环形元件60的外圆周部分设置有异形端部分60A、60B，异形端部分60A、60B与基底环形盘和第二环形盘的异形端部分50A、50B相配合。
此种异形有利于提高机械稳定性。应注意，本领域的技术人员将理解的是，能够设想端异形60A、60B、50A、50B的多种形状。
图4示出了根据本发明的另一个实施方式的转环16的剖视图。呈现的转环16与在上文中参考图3描述的转环15基本上相同。在图4中，具有与先前图3中示出的相同的附图标记的实体指的是相似的或相同的实体，并且在这里将不进行讨论。
在此实施方式的转环16中，水平静压轴承65设置在固定环形元件的第二环形盘53与旋转环形元件60的上表面之间的旋转界面的水平部分处。此外，设置钻孔63，钻孔63从出口孔62、64延伸到水平静压轴承65的位置处的旋转环形元件的表面。在转环16的使用期间，通过向静压轴承提供高压流体，在固定环形元件的第二环形盘53与旋转环形元件60的上表面之间的旋转界面处将存在与将在环形室侧存在的压力相同的压力。以此方式，存在至少减小或最小化转环16上的扭矩的反作用力。因此，将显著地减少旋转界面上的磨损。
根据实施方式，设置与水平静压轴承65邻近的密封装置56、57以避免从静压轴承65泄漏。
图5示出了根据本发明的实施方式的转环的立体局部剖视图。
该实施方式的转环17与图3和图4中示出的实施方式15、16相似。转环包括C形环51、52、53和旋转环形元件60，其中，C形环51、52、53作为可以联接到输入流体管线的固定环形元件50布置，旋转环形元件60位于C形环内并且可以联接到输出产品管道。在C形环50与旋转环形元件60中间存在环形室24和旋转界面，这允许在旋转界面之上转移高压流体。
在此实施方式中，轴承布置70、71(在这里作为多层示出)设置在第二环形盘53与旋转环形元件60的上表面601之间。轴承布置是推力轴承类型并且包括滚珠轴承或摩擦轴承。
在与环形室24邻近的旋转界面处，多个面密封件72布置在环形室的每个边缘上。此外，竖直轴承布置在C形环50与旋转环形元件60之间的竖直界面处。
图6A和6B分别示出了根据本发明实施方式的多个同心转环的立体图和剖视图。
由于根据本发明的转环的直径对转环上的垂直压力不具有显著的影响，因此直径可以任意选择为任何实际尺寸，而不存在对于较大直径的过度增强的需求。这允许以基本上相同的操作水平面L设计一系列同心转环10的布置100。有利地，此种类型的转环布置100比现有技术转环的转环堆叠布置更紧凑，从而节省转塔系泊系统中的空间和重量。
根据本发明的转环布置可以至少按照以下方式来节约成本：保持流动歧管参数，即，较小的管道尺寸，这影响所需管道的数量，并且随后影响转环环形腔尺寸，并因此影响转环布置的整体尺寸。
图7示出了根据本发明的实施方式的包括转环的转环堆叠的示意性侧视图。
根据实施方式，多个转环10、16可以以相对优化的方式堆叠。多个转环可以在水平方向X上同心地布置。此水平布置可以与转环或多个同心布置的转环的垂直堆叠(Y)结合。
根据本发明的实施方式的转环在彼此上方布置在不同的操作水平面LL处，并且还以同心布置进行布置。由于实施和空间的要求降低，因此转环堆叠的重量和尺寸相对较低，并且转环堆叠可以设计成紧凑的。
根据此方法的堆叠使整个转环堆叠尺寸、重量和成本下降，其中，进入堆叠的固定流动管线被分成连接到多个较小的转环入口的多个较小的管道。然后，连接到较小管道的多个转环出口互连到至少一个旋转流动管线，从而重新形成与进入堆叠的固定流动管线等效的流动。
此外，包括如上所述的一个或多个转环的转环堆叠200可以在转环堆叠吞吐量修复或升级方法中使用，其中，根据本发明的至少一个新转环围绕现有的(不一定是现有技术的)转环堆叠同心地组装，并且经由流动管线连接到FPSO的固定流管线和旋转流管线，从而确保流动连续性。
此外，根据任何实施方式的转环可以在固定环形元件或旋转环形元件上装有歧管集管，以减少连接到转环的入口管道或出口管道的数量。因此，相应的集管提供了进入或离开环形腔的多个路径。
在实施方式中，根据本发明的由一个或多个转环制成的转环堆叠具有用于进入流体流动的集管系统，在进入转环之前，集管系统将进入流动线分成多个较小的流动线，并且所述转环堆叠具有另一集管系统，所述另一集管系统将流出的多个流动线集中到转环堆叠下游的至少一个较大的流出流动线中。
与在这里示出的转环堆叠布置相关的、根据本发明的实施方式的转环可包括到内部环形元件的单个输入和旋转界面的外部环形元件上的多个输出。
此外，根据本发明的转环可设计成使输入流体管线穿过旋转界面的中心，并且在转环的内部元件上与转环连接，同时输出产品管道通过转环的外部周边离开。然后，输入流体管线与转环的旋转轴线基本上重合。
替代地，可颠倒所述情况，即，一个或多个输入流体管线连接到转环的外部元件，并且输出产品管道与内部转环元件连接并穿过旋转界面的中心。在此情况下，输出产品管道与转环的旋转轴线基本上重合。
本发明已经参考优选实施方式进行描述。
在阅读和理解前述的详细描述的情况下，其他人将做出明显的修改和改变。在所有此类修改和改变落在所附权利要求的范围内的情况下，旨在将本发明解释为包括所有此类修改和改变。