无旋转接头连接设备的制作方法

专利名称:无旋转接头连接设备的制作方法
在海底石油和海底天然气的开采中，烃类通过管形提升器，从海底的井中输送到一艘船只或一个采油浮动容器，把烃类引进船舱内。当船舱装满后，典型的办法是把船舶和提升管的连接断开，向海岸储存槽附近的地点或地面运输设备转运。由于船舶在和提升管连接时，它的线必须和环境海面的波前垂直，因此必须设置条件，使船舶可以绕一条垂直轴线相对于提升管接头旋转。这点是必需的，因为采到的烃类流动必须从提升管转运到船只的舱里去，由于海面的波浪的作用，船只必须连续绕提升管旋转。
一般使用旋转接头作提升管和船只之间的旋转连接。这种旋转接头要求有一个密封件，并且一般在任何时间都承受机械应力。保持密封的完整，和承受机械应力是困难因素，尤其是在高压下把烃类流体从提升管向船只输送的时候。用有旋转密封件的旋转接头，不如使用有刚性无滑动压力密闭接头的软管或挠性钢管。但是挠性管系统和旋转接头不同，在一个方向只能旋转几度。
在先有技术领域：
里，有许多类型的挠性接头器件，只允许在每一个方向上作有限的旋转。这种器件一般只允许在两个方向上作圆弧的一个小分数的旋转。在顺时针方向尽头和逆时针方向尽头之间的中间位置上移动的挠性管的松散圈，会产生机械性和结构形式上的问题。挠性管的“五月柱”(Maypole)或“肥皂箱导向”(Soap Box Steering)的结构形式，对绕性管施加张力负荷和扭力负荷，更把问题复杂化。
由于伴随流体提升管和从提升管接受流体的浮动容器之间传统接头结构所出现的问题，有需要改进这种提升管和一个活动容器之间的机械连接。本发明由于提供了把提升管和容器连接的下述无旋转接头设备而满足了这种需要。
本发明的设备包括一对在垂直方向上有距离的可相对旋转的元件，最好形式为一对有同轴线的圆盘。下面的元件和提升管连接，上面的元件和一个活动支承件连接，并随之活动，这活动支承件例如是在环境海面飘浮的容器。提升管可以是一根挠性钢管，或挠性软管，或挠性电缆。
有一根导管段和提升管的上端连接，或者是安装设备上的提升管的一部分，当两旋转元件互相作相反方向的旋转，转过大于360°的圆弧，例如作两周或周以上的旋转时，便把导管送到元件上面，或从元件上退下。导管围绕一个圆盘形元件的半圆部分通过，这元件的轴线和相对旋转的元件的轴线垂直。并且，这元件围绕有滚动关系的两元件的共同轴线旋转。当这元件围绕这共同轴线向一个方向旋转时，导管段离开下元件而放到上元件上。相反，假如这元件向相反方向转动时，则导管段离开上元件而绕到下元件上面去。这样，假如导管有足够的长度，并且两元件相当大，便可以使支承件在一个方向上旋转，通过一个大于360°的圆弧，例如两用或两用以上，然后支承件可以反转。这个目的可以不用传统的旋转接头，密封件等之类而达到。
在典型的安排中，在把导管段放在下元件的上表面上时，就被下元件支承，当把导管段放到上元件时，则由上元件下表面附近的有间隔的支承件支承。当上元件相对于下元件旋转时，旋转件在上下元件的外周边附近，绕两元件的中心轴旋转。现举例说明，当上元件围绕它的中心轴线，相对于下元件旋转一周时，旋转件便在相应的方向上，绕中心轴前进了半周。当上元件通过第二周后，这元件就绕中心轴转满一周，便把导管全部放在两个元件中之一个上。使两元件向相反的方向旋转，那么在两元件作相对的两周旋转以后，就把导管放到另一元件上面了。在这过程中，导管的进和出需要有相对的两满周的旋转。
在同样的两个元件之间，可以安排多根导管，方法是把导管放在元件的同心的路程上。此外，在垂直方向上累叠一对以上的元件，可以使导管作两周以上的进退，全部旋转元件除最下面的一个外，都相对于提升管或导管旋转，上面连接一个活动支承件。
本发明的主要目的，是提出一种改进的设备，把一个导管和一个可以相对于导管并围绕导管旋转的支撑件连接，使支承可以向两个相反的方向之中一个方向，通过一个相当长的弧线距离旋转，从而不需要用旋转接头和其他的限动器件，因此这设备适合作各种不同用途，包括把流体烃从海底，通过提升管，输送到环境海面上的一个飘浮的容器。
本发明的其他目的，随着下文说明书的叙述，参考对本发明作说明的附图，便可以有所了解。
附图内容如下图1是本发明的用于把一个提升管或导管和一个浮在环境海面上的容器连接的设备，本图为其简略透视图;
图2为设备的剖面放大透视图;
图3a，3b及3c为设备的简图，表示使图1中的容器，在一对相反的方向中的一个方向上，相对于提升管或导管作两全周运转的过程;
图4a，4b，4c，4d及4e为与图3a，3b及3c相似的视图，但用简略方式示出设备的另一种形式，图中的设备使图1中的容器可以相对于导管作两全周以上的旋转。
图5是本发明的设备使用时的透视图。
本发明的无旋转接头设备用号码10作一般表示，为了作说明，在图1中示出的是把它用于将一根从海底14向上伸展的提升管或导管11，和一个活动支承件连接，这支承件有如浮在环境海面上的一艘船舶或油槽船16。为了说明起见，提升管11是一根流体导管，如一根直立管或软管，使液态烃或气态烃，或其它矿物，从以适当的方式与钻在海底14上的油井或气井连接关一个端部18流出。但是如有需要，可以把提升管11改为电缆。在以下的本文中，设备10将被考虑为一个流体提升管11，和航海油槽船或船舶的流体运输设备之间的连接装置，这种油槽船或船舶可以把烃类流体盛放在它的舱内，通过长距离把这种流体运送到海岸设备作储藏或提炼。
设备10中有一对在垂直方向上有间距的元件22及24，典型为圆盘形状，基本上有相同的外径，沿一条中心轴线基本上相互同轴。下元件22和提升管11的上端连接，有一个挠性导管12，其进口端和提升管11的上端连接，或一体构成。导管段12有一个挠性段12a(见图1，3a，3b和3c)，提升管11从下元件22的中心孔26中穿过。导管12的管段12a，以适合的方式，基本和下元件22的上表面28固定。下元件22可以考虑为相对于提升管11的上端，和相对于船舶16的空间固定。有一个转矩限制架30(见图1)和下元件22的下侧连接，并从下侧向伸出。限制架30以通常的方式，和提升管11的上端连接。除限制架30外，下元件22上还可以设置提升管张紧器(图中未示)和系留绞盘(图中未示)。假使有若干提升管从海底14向上伸，那么提升管可以和固定在下元件22的上表面上的一个歧管(图中未示)连接，作混流用。
为了支持下元件22的重量，船舶16上设有用号码32作一般表示的一个支架，支架中有若干垂直柱34，固定在船舶16的下侧，从下侧向下伸展。有一个支承环36，在它的圆周的有间隔的位置上，和垂直柱34的下端固定，板36在它的上表面40上(见图2)有若干有间隔的带突缘的滚轮38，接触并支持下元件22的下外周边上的一条环形轨道42，如图2所示。因此，当船舶的轴线由于海浪的作用，在和环境海面的波前垂直对正的时候，板36可以随着船舶16，围绕下元件22的中心轴旋转。
上元件24用在它的圆周上的有间隔的柱42(图1)和船舶16的下部固定，使元件24处在一个基本与元件22的平面平行的平面内，和元件22保持同轴。否则，可以用壁39(图2)把板36和上元件24连接，使上元件24通过柱34，连接在船舶上。由于上元件24和船舶16连接，上元件24将随着船舶16，相对于、并环绕于下元件22的中心轴旋转。
上元件24有一条刚性的环形裙壁44(见图2)从上元件的外周边附近向下伸出。裙壁44有一对倾斜突缘46及48，突缘48是一个齿环，上面有若干齿50，和滚动件或齿轮54的外缘齿52啮合，滚动件或齿轮54有一根中心短轴56，用一个设有一对上伞形滚轮60的吊挂件58支持，伞形滚轮在元件58上端的一个支架62上，如图2所示。元件58的下端上有一个支架64，上面设有伞形的下滚轮66，和下元件22上表面外周边上的倾斜环形表面68接触。下元件22外周边上的一组齿环齿70，也和齿轮54的齿52啮合。这样，齿轮54就在相对于元件22的一对相反方向中的一个方向上，随上元件24相对于下元件22的旋转而转动。例如，假使上元件24在(图2)箭头72的方向上，相对于下元件22而转动，那么齿轮54便将围绕它的短轴56的轴线，向(图2)的箭头74的方向转动。与与此相似，假使上元件24在与箭头72所指方向的相反方向上转动，那么齿轮54便将围绕它的中心轴线在与箭头74所指的方向的相反方向上转动。
当齿轮在箭头74的方向上转动时，短轴52也在同一方向上转动，就是和箭头72的方向一致，随上元件24运动。与此相似，当齿轮54在与箭头74所示的方向相反的方向上旋转时，轴56将向相反的方向，围绕下元件22的中心轴线转动。这样，齿轮54随着上元件24相对于元件22的旋转而运动。
当齿轮54向一个方向动，也就是向箭头72所指的方向运转时，便被放到下元件22的上表面上。理由是导管段12b被通过一个图中未示的装置，例如无摩擦滚轮等，承载在齿轮54的一侧。当齿轮54向相反的方向活动时，也就是向与箭头72所指的方向相反，导管12便被从下元件22的上表面28上提高，被“放”到上元件24的下外周边“上面”。当管件没有被放到元件24的下表面上时，管件由有间隔地放在圆周上的滚轮80支撑，滚轮80有臂82，其端部上放置端部滚轮84，滚轮84由一条环形带83承载，并由突缘46及48(图2)的上表面支承，导管12在图2中用虚线表示，由一对滚轮80承托。
在运转时，设备10允许船舶16因为环境海面的波浪作用，作两个全周的旋转，然后才促动船舶的驾驶装置，使船舶作相反方向的旋转。取得这种效果的设备的运动过程，如图3a，3b和3c所示。
假设导管12如图3a所示，和下元件22连接，齿轮54在图3a所示的位置上，导管12便有一个弯曲段12b，围绕齿轮54的半圆周伸展，而导管12的其余部分的形式是12c，基本围绕上元件24的全部外周，导管有垂直段12d，用于和船舶16上的设备连接。
当上元件24随船舶16向箭头90(图3a)所指的方向旋转时，齿轮54围绕自己的轴，也就是绕轴56旋转，方向如箭头92所示，并且也按箭头90所示的方向，绕下元件22的轴旋转。当齿轮54向箭头90所指的方向活动时，便使管段12c的弧形长度减短，便把导管12放到下元件22的上表面28上，形成图3b中所示的导管管段12e。当船舶和上元件24在箭头90的方向上旋转完全一周时，齿轮54只围绕下元件22的轴前进一半的距离。因此，图3b所示是在船舶16旋转完全一周后，齿轮54所在的位置，在这情况下，管段12e只一部分在下元件22上围绕约外圆周的一半伸展，而管段12c约围绕上元件24的一半伸展。导管12的管段12c则可能从上元件24的下外圆周上离开，因为图3a中所示的管段12c将被引导围绕齿轮54的外周边部分，放到下面，形成图3b所示的管段12e。
船舶16在箭头90的方向上继续旋转第二周，就会使齿轮54在箭头90的方向上，继续围绕下元件22的垂直轴线前进。这状况继续到船舶和上元件24旋转过第二周，这时齿轮54将几乎达到它相对于下元件22的开始位置上。这现象发生时，全部管段12c离开上元件24的外周边，管段12e的长度将增加到大致占据了下元件22的全部外周边，如图3c所示。这时，举例说，假如环境海面继续倾向于使船舶按箭头90的方向旋转，便必须用船舶的动力把它向与箭头90相反的方向旋转，把导管恢复到图3a所示的开始运转的状态。
当船舶按上面所述作旋转时，假如提升管11是管形件，并从海底提升如烃之类的流体，那么便将流体引导，从导管12中通过。假使提升管11改为电缆，那么电力便可以通过导管12输送，当上元件相对于上元件旋转时，导管便改为电缆。
这样，便可以看到设备10用固定软管，管件或缆索接头，代替了流体管旋转接头和滑环，把流体或电流从一个旋转连接器中通过，允许在两个极限之间作大角度的旋转。
虽然关于设备10，已在上面按照单个的提升管11和导管12作了图示和叙述，但在两个元件22及24之间，可以安排一个以上的这种提升管和导管。这是通过把导管放在下元件和上元件22及24的外周内的同心圆周上所取得的。这种安排可以将若干股流体和电流，在端点14和船舶16之间输送。
在有需要时，按本发明的理论的实施，可允许船舶相对于下元件22作两周以上的旋转。例如，如图4a-4e所示，在设备10上可在元件22及24的上方，配置同轴线的第三元件100。在元件24和100之间有第二个齿轮102，导管12沿齿轮102的半个外周和元件100的外周边伸展。为了把导管12支撑在元件100上，在元件上将配置如图2所示的滚轮80类型的支撑轮。元件24可能随元件100相对于下元件22旋转，元件100可能随船舶16作相对于元件22及24的旋转。这样，元件100便通过如柱42之类的柱杆，和船舶16连接，而元件24则通过柱杆或其他结构(图中未示)，以可旋转的方式和元件100连接。
为了说明使用元件22，24及100的设备10的运转，假设导管12如图4a所示，有管段12a在元件22中心轴线的径向上，放在下元件22的上表面28上，管段12b沿齿轮54的一半外周边放置，而最大管段12c大致沿元件24的下表面的整个周边放置。短管段12d从元件24底部上的一个孔104中穿过，然后形成一个短段12f(图4a)，再沿管段12g伸展，继而在元件100的外周边上形成管段12h。导管12的出口端12i如图4a所示。
当船舶16作第一周旋转时，元件24和100如图4b所示，作为一个单元围绕元件22的中心轴线旋转，直到齿轮54围绕元件22的中心轴线，进行了半周的旋转。由于元件24及100作为一个单元围绕下元件22的中心轴线旋转，或共同旋转，车辆102如果不绕的轴旋转，将会前进一全周。并且，导管段12h不会从元件100上离开。船舶16继续通过第二周旋转，使齿轮54围绕元件22的周边旋转，回到图4c中所示的开始位置上去，而齿轮102又和元件24及100作为一个单元，围绕下元件22的中心轴线，作第二周的旋转。图4c表示在第二周旋转结束后，各齿轮和元件22，24及100的相对位置。
船舶16继续通过第三周旋转，将使元件100及102，作为一个单元，绕元件22及24的中心轴线旋转，而因为管段12d从孔104中通过，元件24不能进一步相对于下元件22旋转，故保持静止。于是在船舶16作第三周的旋转时，齿轮102便将绕元件22的中心轴线旋转半周，在这第三周中，已经在元件100外周边上的导管12的一半，将如图4d所示，被转移到元件24的下表面上。
当船舶继续作第四周的旋转时，齿轮102将回到它的原来的开始位置上去，这时，导管12将被放到元件24的大致的整个一周外边缘上，并将从上元件100的外周边上离开。然后要求把船舶驾驶，根据环境海面的不同状况，向相反的方向作完全四周的旋转，把设备10恢复到开始的条件下，如图4a所示。
虽然已经说明了怎样利用设备10，允许船舶16作两周或四周的旋转，明显可见可能在元件22，24及100上累叠额外的元件，在有需要时使船舶可以作许多周的旋转。
图5是一个浮筒200的透视图，上面有一个下底202，与提升管204的上端，作有距离的固定。下底202用支腿206和一个环208固定，环208有依靠支承件210，以可旋转的方式支承环212，环212有支撑件214支撑与提升管连接的导管216。这样导管216便允许环211在必须倒转前，相对下底202旋转两周。
权利要求
1.一种把一个相对固定的导管和一个活动支承件连接的设备，其特征为包括有以下各项一对在垂直方向上有间距的元件，上元件围绕一根一般为垂直的第一轴线，相对于下元件旋转，上元件用于和支承件连接，随同支承接作相对于下元件的活动；一个滚轮件设在上下元件之间，围绕一条与第一轴垂直的第二轴作相对于上下元件的旋转，并随上下元件的相对旋转的变化而变化；有一根挠性导管在上下元件之间伸展，并部分围绕上述滚轮件，导管段有第一端与导管连接，第二端和支承件连接，当滚轮件向一个方向围绕第一轴旋转时，上述导管段可以向下元件上移动而离开上元件，当滚轮件向相反的方向围绕第一轴旋转时，上述导管段离开下元件而移到上元件上去，导管段的长度足够允许上元件和下元件，在两个方向上围绕上述第一轴，通过大于360°的弧旋转。
2.如权利要求
第1项中之设备，特征为有装置把上述滚轮件和上元件连接，以便作围绕第一轴的旋转。
3.如权利要求
第2项中之设备，特征为上述滚轮件的连接装置中有一个在滚轮件和上元件之间的齿轮装置，使滚轮件相对于下元件的旋转和平移，随着上元件相对于下元件运动的变化而变化。
4.如权利要求
第3项中之设备，特征为上述齿轮装置中有上元件上的一个齿环，上述滚轮件形成一个与齿环啮合的正齿轮。
5.如权利要求
第3项中之设备，特征为上述齿轮装置中有下元件上的一个齿环，上述滚轮件形成一个与齿环啮合的正齿轮。
6.如权利要求
第1项中之设备，特征为有一个装置和上述上元件的下表面相邻，把导管支承在上元件上。
7.如权利要求
第1项中之设备，特征为有装置把下元件和支撑件连接，由于下元件由连接装置从下面支撑，所以允许支撑件相对于下元件旋转。
8.如权利要求
第1项中之设备，特征为有一对导管，每一导管分别备有一个旋转件，各旋转件在第一轴的径向互相隔开，导管沿同心路径向元件上移动或离开元件。
9.如权利要求
第1项中之设备，特征为有第三元件在上元件的上方离开一段距离，用于连接上述支承件，在上述上元件和第三元件之间有一个第二滚轮件，上述第一滚轮件和第三元件连接，随之绕第一轴旋转，上述导管的长度足以允许导管随着支撑件在一个方向上运动，从围绕上元件和第三元件伸展的位置，移动到导管围绕下元件和上元件的位置。
10.一种把一个固定的导管和一个活动支承件连接的方法，其特征在于该方法包括把一根导管和一对垂直间隔一定距离并可相对转动的表面连接，导管的一端和提升管连接，导管另一端及上元件和支承件连接，导管的长度要足以在其中一个元件上延伸，使导管随支承件在一个方向上转过第一弧度，从上元件的半个外周边上离开，移到上元件的半个外周边上，使导管随支承件在上述一个方向上转过第二弧，从上元件的其余半个外周边上离开，移到上元件的其余半个外周边上，上述第一弧度和第二弧度是360°。
专利摘要
一种把一个流体提升管或电缆之类的固定组件和环境海面上的浮动开采容器之类的活动装置连接的改良设备，提升管或电缆从海底上升，有距离地和浮动容器连接。这设备有一对垂直间隔的、并可相对同轴转动的圆盘，下圆盘和提升管或电缆连接，上圆盘和浮动容器连接。导管在两圆盘之间伸展，可以随浮动容器由于波浪作用作旋转，把导管放上圆盘或取下。上下圆盘的运动，可以使导管随船舶在一个方向上，至少旋转两周，从一个圆盘的外周上离开，移到另一个圆盘的外周上去。
文档编号F16L27/00GK86101212SQ86101212
公开日1986年9月24日 申请日期1986年2月24日
发明者诺曼·R·华莱士 申请人:贝迟泰尔国际公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan