剛性殼體氣罐浮筒可變浮力的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種涉及在氣罐殼體中可變?nèi)莘e的氣室和殼體中的水之間具有柔性屏障的可變浮力氣罐浮力組件或者浮筒的設(shè)備和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及用于自支撐立管（SSR）的可變浮力組件，其中SSR中的張力可以通過增大/減小由柔性襯里形成的室的可變?nèi)莘e而增大/減小，所述柔性襯里在氣罐殼體中的可變?nèi)莘e的氣室和水之間提供的屏障。
【專利說明】剛性殼體氣罐浮筒可變浮力
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于自支撐立管(Self Supporting Riser, SSR)的可變浮力氣罐組件。此外，本發(fā)明涉及氣罐浮筒的構(gòu)造，具體地涉及作為屏障、用以特別地在有效深度處的氣罐浮筒中將氣體與水隔離的柔性襯里(liner)。
【背景技術(shù)】
[0002]在實(shí)踐中，已經(jīng)將氣罐浮筒用于近表面浮筒；然而，當(dāng)用在海水中的越來越大的深度處時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的浮筒的效率降低。當(dāng)浮筒必須部分地被壓重(ballast)以改變浮力時(shí)，這一點(diǎn)尤其如此。海水溶解氣體。近表面海水的水因其與大氣接觸而趨于氣體飽和，其中表面水通過波浪作用而混合。在波浪區(qū)域下方，水幾乎沒有機(jī)會(huì)直接接觸大氣，使得水基本上與任何可能的另外的氣體源隔離。此外，如亨利定律(Henry’s law)所表述的,水在高壓下必然溶解更多的氣體以達(dá)到平衡，因此飽和所需的氣體量隨海洋深度的增大而增大。海洋深處的水通常是因密度差而從表面沉下的水。在近表面處被氣體飽和、然后沉入到更深的深度的水，承受更高的壓力而沒有機(jī)會(huì)溶解更多的氣體。因此，海洋深處的水具有的氣體通常遠(yuǎn)少于飽和所需的氣體，由此可快速溶解接觸到它的氣體。因此，在近表面混合區(qū)域下方特別是在更大深度處使用的充氣的可變浮力，要求在外界的水和氣體之間設(shè)置非滲透性或非常低滲透性的襯里屏障，以避免可能因氣體和外界水之間的接觸而產(chǎn)生的氣體損失(浮力損失)。
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)備和方法，其中能夠?qū)崿F(xiàn)氣體/水隔離和可變浮力，而不需要精密機(jī)加工的密封面同時(shí)保持剛性殼體(hull)氣罐浮力組件的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于自支撐立管(SSR)的浮力組件，如在2010年3月I日提交的題目為“立管技術(shù)(Riser Technology)”的美國(guó)申請(qǐng)N0.12/714，919中充分描述的。深水SSR的浮力組件的大尺寸使得提供在殼體和屏障之間的常規(guī)滑動(dòng)密封所需的精密機(jī)加工平面變得不切實(shí)際。此外，用于SSR的氣罐浮筒的殼體因?yàn)閬碜运骱推渌Φ妮d荷變化而遭受撓曲，因此殼體壁之間的距離改變。需要在氣體和水之間的非滲透性邊界或者屏障。更進(jìn)一步的，要求可變浮力，因此邊界或者屏障在殼體中必需是可移動(dòng)的以允許氣體容積的和浮力的增減(氣體容積越大-從氣罐排出的水越多-浮力越大)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是一種涉及可變浮力的氣罐浮力組件或者浮筒的設(shè)備和方法，所述氣罐浮力組件或者浮筒在氣罐殼體中的可變?nèi)莘e的氣室和殼體中的水之間具有柔性屏障。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于自支撐立管(SSR)的可變浮力組件，其中通過增大/減小由柔性襯里形成的室的可變?nèi)莘e可以增大/減小SSR中的張力，所述柔性襯里在氣罐殼體中的可變?nèi)莘e的氣室和水之間提供屏障。
[0005]附圖簡(jiǎn)述
[0006]圖1是本發(fā)明的可變浮力剛性殼體氣罐浮力組件或者浮筒的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；
[0007]圖2是本發(fā)明的可變浮力剛性殼體氣罐浮力組件或者浮筒的另一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；
[0008]圖3是本發(fā)明的可變浮力剛性殼體氣罐浮力組件或者浮筒的示意圖，帶有用于從殼體的底部或者頂部增大/減小可變?nèi)莘e的氣室的容積的填充/排出結(jié)構(gòu)并帶有典型的控制兀件；
[0009]圖4和5是示出本發(fā)明的多室可變浮力剛性殼體氣罐浮力組件或者浮筒的示意圖；和
[0010]圖4A是圖4的多室可變浮力剛性殼體氣罐浮力組件或者浮筒的示意圖，示出了每一室中的中心圓柱(center column)可以是用于保持柔性襯里的結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]參考圖1，剛性氣罐殼體10優(yōu)選地是帶有圓柱形側(cè)表面12和頂表面14的圓柱形罐。殼體10具有帶著排出孔、濾網(wǎng)(未示出)的底部16或者開口下端16。在該實(shí)施方式中，高度近似等于殼體側(cè)表面或者壁12的高度的柔性圓柱形殼體襯里20，在側(cè)表面12頂部或者頂表面14的頂部附近被附接到殼體10，并被附接到內(nèi)部結(jié)構(gòu)(內(nèi)部結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)屏障22)，用以橋接間隙21 (在殼體10的側(cè)表面12和浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22之間的距離)并且用以在氣罐殼體中的可變?nèi)莘e的氣室和水之間提供屏障，所述水為通過下端16進(jìn)入殼體中的海水。
[0012]襯里20由對(duì)于氣體和水具有高非滲透性的柔性材料制成，諸如特克瑞亞(TEKRIA)公司的產(chǎn)品金屬化的聚酯薄膜(Mylar)，或者是聚乙烯薄膜。該實(shí)施方式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22可由諸如合成泡沫和用環(huán)氧樹脂粘合的玻璃纖維的材料制成，以在殼體10內(nèi)或下方的水上浮動(dòng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)22在殼體10中上下自由移動(dòng)，并且通過可位于中心圓柱24上的任意引導(dǎo)件或者通過中心圓柱24周圍的滑動(dòng)密封套管26保持對(duì)準(zhǔn)。中心圓柱24的相對(duì)小的尺寸使得在實(shí)踐中維持浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22和所述圓柱24之間常規(guī)的滑動(dòng)密封。當(dāng)浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22位于圓柱24上的高處時(shí)，襯里20存在游隙(slack)。該游隙存儲(chǔ)在游隙環(huán)(slack loop) 27 (在圖1中示出為U形，位于襯里20的與殼體10的頂部相連的端部以及與結(jié)構(gòu)22的外端相連的端部之間)中，通過諸如砂?；蚪饘偾?8的重物來趨向(tend)或維持游隙環(huán)，以將游隙部分或者游隙環(huán)27保持在已知的位置中。環(huán)27和重物28有助于確保，當(dāng)浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22沿圓柱24下移時(shí)襯里20被均勻地施加到壁12。如果襯里帶有褶皺被施加于壁，則游隙部分很可能在浮動(dòng)屏障到達(dá)殼體的底部之前被用完。浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22的上表面是傾斜的以有助于確保移置到浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上的砂?；蛘咔?8回落到襯里20的游隙環(huán)27中。該實(shí)施方式的特有結(jié)構(gòu)是要處理在高的外界壓力情況下必須處理的現(xiàn)象，即非潤(rùn)滑表面之間摩擦的增大。類似物是玩具吸盤，其提供了將柔性表面保持成緊密抵靠另一表面的外界壓力的示例。必需克服以使吸盤滑動(dòng)的摩擦力能夠被計(jì)算為摩擦系數(shù)乘以將兩個(gè)表面保持在一起的力，該力是外界壓強(qiáng)乘以表面面積。在一個(gè)外界大氣壓力下，在玩具吸盤和其附接到的表面之間的摩擦力能夠易于被克服。在海洋中剛超過300英尺的深度處，外界壓力近似為10倍之多，從而摩擦力也是10倍大。隨著深度的增大,特別是在大的表面面積上,該摩擦力很快地超過能夠使吸盤或柔性材料滑動(dòng)的力或超過柔性材料的強(qiáng)度。縫隙提供外界空氣進(jìn)入吸盤和其所接合的表面之間的通路，如可通過使玩具吸盤在縫隙之上的滑動(dòng)展示的，兩個(gè)表面之間的自由氣體或者液體使得該摩擦力最小化或被消除。
[0013]優(yōu)選地，襯里20是復(fù)合材料，包括附接到襯里的氣體和水非滲透層的一側(cè)或兩側(cè)的氈制材料層或疏松組織材料層，從而自由水總是被允許進(jìn)入或通過毛細(xì)作用進(jìn)入疏松組織材料的微孔，以維持液體到外界海水的連續(xù)性。這有助于確保當(dāng)氣體被例如通過頂表面14中的貫通管線30(其包括控制箱7)引入到襯里20中時(shí)，浮動(dòng)結(jié)構(gòu)22沿圓柱24下移，或者當(dāng)氣體被從襯里20去除或者排出時(shí)，結(jié)構(gòu)22沿圓柱24上移，同時(shí)維持相對(duì)的非滲透性屏障。這些特征提供了一種方法和設(shè)備，使得可變浮力氣罐具有用于防護(hù)的剛性殼體和位于水和氣體之間的襯里，并且封閉氣室19的容積能夠以不要求精確密封表面的方式來改變，避免了在存在高外界壓力的情況下使一種材料表面在另一材料表面上滑動(dòng)時(shí)的粘連，并且能夠包括這樣的方法，該方法用以降低摩擦使得襯里材料能夠保持在側(cè)表面12上或被無損傷地移開。
[0014]現(xiàn)在參考圖2，在該實(shí)施方式中，解決了高外界壓力環(huán)境的現(xiàn)象及由此形成的在非潤(rùn)滑表面之間摩擦增大的現(xiàn)象，而不需要浮動(dòng)屏障22。在該實(shí)施方式中，通過以直角(rightangle)從殼體20的側(cè)表面12移動(dòng)襯里20,從而從該表面將襯里移開。類似不例是從表面去除膠帶。如果膠帶被相對(duì)于表面以直角牽拉，則該膠帶將易于克服摩擦和粘結(jié)，而不受損傷。提供了在空氣和水之間的可移動(dòng)的屏障的柔性圓柱形殼體襯里20，在側(cè)表面12的頂部附近或者頂表面14處被附接到殼體10，并且附接到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如通過環(huán)3附接；在該實(shí)施方式中內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中心圓柱24。柔性襯里20為氣罐殼體中的任意容積的可變?nèi)莘e的氣室19提供了在中心圓柱24與殼體側(cè)表面或者壁12之間的氣體/水屏障。通過對(duì)室19加氣，增大氣室19的容積，結(jié)果是增大了浮力。襯里20的長(zhǎng)度是三個(gè)尺寸之和:L1，保持到壁12的長(zhǎng)度；L2，在壁12和圓柱24之間的間隙的長(zhǎng)度jPL3，保持到圓柱24的長(zhǎng)度。應(yīng)指出的是，L2保持恒定并且基本水平以將襯里20維持成相對(duì)于壁12和圓柱24都成直角。當(dāng)氣體在管線30被引入時(shí)，跨接L2的屏障向下移動(dòng)，從而從圓柱24脫開一長(zhǎng)度的襯里，LI的增大等于L3的長(zhǎng)度的減小。襯里20從圓柱20以直角脫開以允許襯里無撕裂或無損傷地移動(dòng)。同樣，室19的容積可通過從管線30排氣來減小?？缃覮2的屏障在其向上移動(dòng)時(shí)將一長(zhǎng)度的襯里從壁12脫開，LI的減小等于L3的長(zhǎng)度的增大。
[0015]在優(yōu)選實(shí)施方式中，接頭(joint) 13延伸通過中心圓柱24以形成用于如上所述的、如在序列號(hào)為12/714,919的美國(guó)申請(qǐng)中充分說明的自支撐立管(SSR)的浮力組件15。圖示的接頭13是典型的公母(box and pin)接頭,其具有與罐10的頂表面14上的相應(yīng)配件11配合的肩部9。但是，承載肩部9可以是如圖1中所示的箱的底部，或者如果接頭具有與接頭相連的凸緣，則凸緣可以提供用于可變浮力組件10的承載肩部9。在使用中SSR被附接到海底結(jié)構(gòu)，使得當(dāng)浮力被改變或調(diào)節(jié)時(shí)，SSR中的升力或張力有相應(yīng)的改變。如在序列號(hào)為12/714,919的美國(guó)申請(qǐng)中更為充分地說明的，SSR由接頭和特制接頭制成，諸如浮力組件15。
[0016]參考圖3，氣罐殼體10的另一實(shí)施方式具有通過管線31從殼體10的底部增加的氣體?？刂圃?2位于管線31中，控制元件32可包括閥和電子設(shè)備以控制流量和/或防止過填充或者填充不足，使得在使用中能夠安全地改變浮力。管線31具有豎向部分6，其可以如所示地位于圓柱24中或者位于圓柱24的側(cè)面中的凹槽中。豎向部分6終止于位于室19中的最高點(diǎn)處或最高點(diǎn)附近的空間5中?？蛇x地，位于殼體10的頂部處的排出管線30也可終止在空間5中?？刂圃?允許以受控方式填充和排出，以控制流量和/或防止過填充或填充不足，從而在使用中能夠安全地改變浮力。
[0017]現(xiàn)在參考圖4和5，示出了多室剛性氣罐殼體10的構(gòu)造。在圖4中，示出了殼體10中的四個(gè)圓柱形室A-D，其中每一個(gè)具有如在上述實(shí)施方式中圖示的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖5示出了圓柱形殼體10可具有四個(gè)四分之一圓w-ζ。多室的優(yōu)點(diǎn)是冗余度(redundancy)。
[0018]參考圖4A，每個(gè)柔性圓柱形殼體襯里20的高度近似等于殼體側(cè)表面或者壁12的高度，并在側(cè)表面12或者頂表面14的頂部附近被附接到殼體10，并且被附接到內(nèi)部結(jié)構(gòu)(在本實(shí)施方式中內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中心圓柱34)，用以提供在氣罐殼體中的可變?nèi)莘e的氣室19和水之間的屏障。
[0019]通過對(duì)室19加氣，氣室19的容積增大，結(jié)果是浮力增大。氣體管線31可如圖4A左側(cè)所示進(jìn)入殼體的頂部，或者如圖4A右側(cè)所示位于殼體10的底部處。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自支撐立管的氣罐浮筒，包括: 剛性殼體；所述殼體包括頂表面和側(cè)表面；和 柔性的、高非滲透性襯里，所述高非滲透性襯里在所述側(cè)表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的間隙中提供屏障以在所述殼體內(nèi)形成可變?nèi)莘e的氣室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣罐浮筒，其中所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)是浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣罐浮筒，其中所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)是圓柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣罐浮筒，其中所述襯里是復(fù)合材料，具有層疊到所述非滲透性襯里層的至少一側(cè)的透水層。
5.一種氣罐浮筒，包括: 剛性殼體；所述殼體包括頂表面和側(cè)表面； 中心圓柱，所述中心圓柱在所述殼體內(nèi)沿軸向延伸；和 承載表面，所述承載表面位于所述圓柱的頂部上，并且成形為將力傳遞到所述圓柱中的立管接頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所 述的氣罐浮筒，進(jìn)一步包括: 柔性的、高非滲透性襯里，所述高非滲透性襯里在所述側(cè)表面和所述中心圓柱之間的間隙中提供屏障以在所述殼體內(nèi)形成可變?nèi)莘e的氣室。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的剛性氣罐浮筒，其中所述襯里被附接在所述殼體的頂部和所述中心圓柱的底部。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的剛性氣罐浮筒，其中所述中心圓柱是中空的并且進(jìn)一步包括: 在所述中心圓柱中的立管接頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的剛性氣罐浮筒，其中所述立管接頭是公母立管接頭。
10.一種多室剛性氣罐浮筒，包括: 剛性殼體；所述殼體包括頂表面和側(cè)表面； 在所述殼體內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用以形成多個(gè)室；和 可移動(dòng)柔性襯里，所述可動(dòng)柔性襯里在所述側(cè)表面和所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間延伸以在所述殼體的每個(gè)室內(nèi)提供可變?nèi)莘e的氣室。
11.一種用于增大/減小氣罐浮筒中的浮力的方法，所述氣罐浮筒具有在所述側(cè)表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的間隙中提供屏障以在所述殼體內(nèi)形成可變?nèi)莘e的氣室，所述方法包括: 對(duì)所述室加氣/排氣，由此更大/更小長(zhǎng)度的所述襯里被保持到所述側(cè)表面并且所述氣室的容積被增大/減小。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中氣罐浮筒中的浮力被增大，所述氣罐浮筒具有在所述側(cè)表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的間隙中提供屏障以在所述殼體內(nèi)形成可變?nèi)莘e的氣室的柔性襯里，所述方法包括: 對(duì)所述室加氣，由此更大長(zhǎng)度的所述襯里被保持到所述側(cè)表面并且所述氣室的容積被增大。
13.一種用于增大/減小在自支撐立管(SSR)中立管接頭上的載荷的方法，所述方法包括: 對(duì)氣罐浮筒的殼體內(nèi)的可變?nèi)莘e的氣室加氣/排氣，所述氣罐浮筒具有位于在所述殼體內(nèi)沿軸向延伸的中心圓柱內(nèi)的所述接頭。
14.一種用于增大/減小在自支撐立管(SSR)中立管接頭上的載荷的方法，其中所述接頭是公母立管接頭。
【文檔編號(hào)】E21B17/01GK103732848SQ201180047041
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2010年9月9日
【發(fā)明者】查爾斯·R·葉明登 申請(qǐng)人:查爾斯·R·葉明登