Соединитель, используемый для соединения и разъединения трубопроводов, транспортирующих текучую среду

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СОЕДИНИТЕЛЬ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ И РАЗЪЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ ТЕКУЧУЮ СРЕДУ(72) Авторы Дэвид Эрик Эплфорд, Колин Джордж Миллум, Данкен Мак Рей Скотт, Майкл Джон Риммер(57) 1. Соединитель, используемый для соединения и разъединения трубопроводов, транспортирующих текучую среду, содержащий охватывающую часть с множеством отверстий, каждое из которых одним концом сообщено с трубопроводом текучей среды, а другой выведен на поверхность вращения вокруг центральной оси охватывающей части, охватываемую часть, соединяемую с охватывающей частью и имеющую множество отверстий, сообщенных одним концом с другим трубопроводом текучей среды, а другой их конец выведен на поверхность вращения 1849 1 Фиг. 1 вокруг центральной оси охватываемой части, причем центральные оси охватывающей и охватываемой частей при их соединении совпадают, и средство для сообщения и разобщения отверстий охватываемой и охватывающей частей, отличающийся тем, что указанное средство выполнено в виде двух муфт, каждая из которых установлена соответственно на поверхности вращения охватывающей и охватываемой частей с возможностью поворотного перемещения на ней между одним крайним положением, соответствующим сообщению упомянутых выше отверстий частей, и другим положением, соответствующим разобщению этих отверстий, причем соединитель снабжен устройством блокировки, предотвращающим разъединение охватывающей и охватываемой частей в момент сообщения отверстий, защелкивающим механизмом для взаимного зацепления охватывающей и охватываемой частей и создания предопределенного усилия для их соединения и зажимным механизмом для удержания первоначального разделения охватывающей и охватываемой частей для промывки струей жидкости совмещаемых поверхностей перед защелкиванием частей. 2. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством взаимозацепления между муфтами для препятствия муфтам перемещаться согласованно в момент их соединения. 3. Соединитель по п.2, отличающийся тем, что в муфте выполнены каналы, причем в одном крайнем положении каналы муфт совмещены попарно с соответствующими отверстиями охватывающей и охватываемой частей для прохода текучей среды, а в другом крайнем положении каналы остаются попарно совмещенными, но разобщенными соответствующими отверстиями. 4. Соединитель по п.3, отличающийся тем, что на охватывающей и охватываемой части между каждым отверстием и каналом муфты установлено уплотнение. 5. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнение выполнено грушеобразной формы в направлении поворотного перемещения муфт для герметизации вокруг отверстий охватывающей и охватываемой частей и каналов муфт в их разобщенном положении. 6. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что защелкивающий механизм выполнен в виде лапок на охватываемой части и выступов в форме кулачка на охватывающей части, входящих при соединении частей путем поворота в зацепление с лапками, которые находятся под натяжением для создания усилия натяжения при стягивании двух частей. 7. Соединитель по п.6, отличающийся тем, что в охватываемой части установлены натяжные стержни,соединенные с лапками для их натяжения. 8. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что устройство блокировки соединено с устройством для сообщения и разобщения охватывающей и охватываемой частей для приведения в действие его поворотом. 9. Соединитель по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность муфты охватываемой части выполнена конически сужающейся и входит в зацепление с конически расширяющейся поверхностью муфты охватывающей части. Настоящее изобретение касается соединителя, используемого для соединения и разъединения трубопроводов, транспортирующих текучую среду, таких, как линии трубопроводов и линии потоков, например, используемых для нефти и/или газа, более конкретно, но не исключительно для подводных местоположений, где,например, необходимо соединять и разъединять такие трубопроводы с и от подводных производственных модулей и трубопроводов. Известные способы, используемые в Северном море, применяются для соединения/разъединения этих модулей, используя многореперные соединения. Для соединения и разъединения этих многореперных модулей требуются значительные усилия для соосного выравнивания трубопроводов, часто приводящие к последующим повреждениям уплотнений и кожухов, что ведет к простою рабочего времени. Тепловые расширения также вызывают ненужные напряжения в соединениях. Существующий многосоединительный подводный модуль, используемый в настоящее время в Северном море, представляет собой примерно 20 индивидуальных соединителей, основанных на дорогостоящих оправках и зажимах для обеспечения целостности соединения 1. Далее, наличие клапанов необходимо на каждой стороне соединения для сдерживания жидкостей. В основном это означает, что для каждого соединителя мест стыкования межфазных границ раздела требуется пара отсечных клапанов, что дорого и снижает надежность системы. Задача, на решение которой направлено изобретение, состояла в создании соединителя, который не только устраняет недостатки соединения/разъединения и потребность во внешних отсечных клапанах, но и также 1849 1 обеспечивает повышенную надежность при стоимости, которая может быть снижена примерно до такой малой величины, как четверть стоимости систем текущих соединителей. Для этого настоящее изобретение включает в себя соединитель, используемый для соединения и разъединения трубопроводов, транспортирующих текучую среду, содержащий охватывающую часть со множеством отверстий, каждое из которых одним концом сообщено с трубопроводом текучей среды, а другой выведен на поверхность вращения вокруг центральной оси охватывающей части, охватываемую часть,соединяемую с охватывающей частью и имеющую множество отверстий, сообщенных одним концом с другим трубопроводом текучей среды, а другой их конец выведен на поверхность вращения вокруг центральной оси охватываемой части, причем центральные оси охватывающей и охватываемой частей при их соединении совпадают, и средство для сообщения и разобщения отверстий охватываемой и охватывающей частей, выполненное в виде двух муфт, каждая из которых установлена соответственно на поверхности вращения охватывающей и охватываемой частей с возможностью поворотного перемещения на ней между одним крайним положением, соответствующим сообщению упомянутых выше отверстий частей, и другим положением, соответствующим разобщению этих отверстий, причем соединитель снабжен устройством блокировки, предотвращающим разъединение охватывающей и охватываемой частей в момент сообщения отверстий, защелкивающим механизмом для взаимного зацепления охватывающей и охватываемой частей и создания предопределенного усилия для их соединения и зажимным механизмом для удержания первоначального разделения охватывающей и охватываемой частей для промывки струей жидкости совмещаемых поверхностей перед защелкиванием частей соединитель снабжен устройством взаимозацепления между муфтами для препятствия муфтам перемещаться согласованно в момент их соединения в муфте выполнены каналы, причем в одном крайнем положении каналы муфт совмещены попарно с соответствующими отверстиями охватывающей и охватываемой частей для прохода текучей среды, а в другом крайнем положении каналы остаются попарно совмещенными, но разобщенными соответствующими отверстиями на охватывающей и охватываемой части между каждым отверстием и каналом муфты установлено уплотнение уплотнение выполнено грушеобразной формы в направлении поворотного перемещения муфт для герметизации вокруг отверстий охватывающей и охватываемой частей и каналов муфт в их разобщенном положении защелкивающий механизм выполнен в виде лапок на охватываемой части и выступов в форме кулачка на охватывающей части, входящих при соединении частей путем поворота в зацепление с лапками, которые находятся под натяжением для создания усилия натяжения при стягивании двух частей в охватываемой части установлены натяжные стержни, соединенные с лапками для их натяжения устройство блокировки соединено с устройством для сообщения и разобщения охватывающей и охватываемой частей для приведения в действие его поворотом наружная поверхность муфты охватываемой части выполнена конически сужающейся и входит в зацепление с конически расширяющейся поверхностью муфты охватывающей части. Посредством настоящего изобретения все соединения и клапаны, относящиеся к соединению существующих подводных производственных модулей, могут быть заменены одним реперным содержащим много отверстий соединителем, требующим только одной соединительной операции, которая может быть осуществлена в разных условиях путем дистанционного управления или с помощью соответствующих подводных роботов, дистанционных профилактических систем или дистанционно функционирующих транспортных средств. Путем использования средства для образования сообщения и прекращения сообщения между отверстиями можно просто и легко образовать поток, когда две части соединены, и прекратить поток перед разъединением, так что разъединение двух частей может произойти только в случае, когда отверстия выводятся из сообщения друг с другом, и поток через соединитель прекращается. Таким образом, средство для приведения в сообщение и выведения из сообщения отверстий действует фактически как один внутренний клапан, содержащийся в двух частях соединителя, который обеспечивает целостность давления с каждой стороны раздела между частями соединителя. Хотя части соединителя могут быть образованы с любым соответствующим числом отверстий, чтобы соответствовать индивидуальным требованиям, в одном варианте реализации предлагается образовать каждую часть с 10 отверстиями. Фиг.1 - вид типа художественного изображения, показывающий одно применение соединителей, выполненных в соответствии с изобретением, в нефтедобывающей системе (установке) в открытом море. Фиг.2 - вид типа художественного изображения другого применения соединителей в другой нефтепромысловой системе в открытом море. Фиг.3 и 4 - боковые вертикальные виды взаимодействующих охватываемой и охватывающей частей соединителя, который используется на фиг.1 и 2. Фиг.5 - вертикальное сечение соединителя по линии А-А на фиг.6, показывающее соединитель закрытый на левой стороне фигуры и открытый на правой стороне фигуры. Фиг.6 - поперечное сечение по линии В-А на фиг.5. Фиг.7 - вертикальное сечение по линии С-С на фиг.6. 1849 1 Фиг. с 8 а по 8 показывают последовательные схематичные виды в поперечном сечении соединителя во время соединения частей и Фиг.9 - вид в сечении в увеличенном масштабе отличительного средства соединителя. Обращаясь к фиг.1, нефтепромысловая установка в открытом море включает в себя множество подводных производственных модулей 1, которые раздельно поддерживаются в конструкции 2 морским дном 3 и установлены, чтобы собирать через трубопроводы 4, разделять и транспортировать нефть, газ и воду из нефтяных скважин 5 на поверхностную буровую установку 6 через трубопроводы 7. Для соединения поточных линий 4 и 7 с нефтепромысловыми модулями 1, которые могут опускаться или извлекаться из конструкции 2 судном 8, каждый модуль снабжен соединителем, который показан на фиг. с 3 по 9 и в целом обозначен под позицией 9. На фиг.2 показано другое применение соединителя 9, в котором множество подводных промысловых модулей 10 соединено с полупогруженной плавающей платформой 11 с помощью гибких шлангов 12. Каждый из шлангов 12 соединен на уровне платформы посредством одного из соединителей 9, чтобы образовать быстрое соединение/разъединение трубопроводов от платформы при необходимости. Соединитель 9 является соединителем типа вилки и гнезда, который содержит взаимодействующие части в форме охватывающей части 13, монтируемой, например, на подводном модуле, и вспомогательной охватываемой части 14, на которой крепится охватывающая часть 13, как показано на фиг.5, причем каждая из охватывающей и охватываемой частей образована со множеством отверстий 15 и 16 соответственно, при этом отверстия 16 предназначены для соединения с трубопроводами, транспортирующими текучую среду, такими, как 4 (фиг. 1), и предусмотрено средство, образуемое конусными цилиндрическими муфтами 17 и 18 на охватывающей и охватываемой частях соответственно, снабженные соответствующими каналами 19 и 20 для сообщения с соответствующими отверстиями 15 и 16, как показано на фиг.3 и 6 (иллюстрация на правой стороне) для возможности образования потока текучей среды через сообщающиеся отверстия и тем самым через соединитель 9, и для разобщения отверстий 15 и 16, чтобы остановить поток текучей среды через отверстия 15 и 16 и тем самым через соединитель 9 (иллюстрация на левой стороне). Муфты 17 и 18 соединены средством (не показано) для поворотного движения (также с помощью средства, которое не показано) между первым положением, показанным на правых сторонах фиг.5 и 6, при котором соосно выравненные каналы 19 и 20 соосно выравниваются с отверстиями 15 и 16 соответственно, и вторым положением (показанным на левых сторонах фиг.5 и 6), при котором каналы 19 и 20 выходят из соосного положения с соответствующими отверстиями 15 и 16. Ряд уплотнений, как показано на фиг.5 и 7, предусмотрен между отверстиями 15 и муфтовыми каналами 19 охватывающей части 13 и между отверстиями 16 и муфтовыми каналами 20 охватываемой части 14. Эти уплотнения установлены вокруг отверстий в каждой части 13, 14 и состоят из первичного уплотнения 21 кольцевой формы для удерживания внутреннего давления, вторичного уплотнения 22 также кольцевой формы, чтобы удерживать внешнее давление, и грушеобразные опоясывающие уплотнения 23 для удерживания внутреннего давления во время соосного выравнивания/отклонения от выравнивания каналов с отверстиями. Кольцевые уплотнения 24 также образованы между соосно выравненными каналами двух муфт 17, 18, когда части 13, 14 соединены. Барьерные уплотнения 25 также предусмотрены на каждом конце муфт 17, 18 для предотвращения утечки наружу в результате любого пропускания из других уплотнений и для предотвращения попадания морской воды в случае образования более высокого внешнего давления. Перед соединением двух частей 13, 14 обе части находятся в закрытом положении, как показано слева на фиг. 5 и 6. Охватываемая часть 14, как показано на фиг. 8 а, снабжена блокировкой (не показано) в форме стопорного штифта (также не показан) для обеспечения, чтобы муфта 18 не вращалась при разъединении для открывания отверстий 16. В результате этого разъединение может производиться без протекания текучей среды,и муфта будет блокирована в безопасности или иначе закреплена в положении закрытого отверстия, когда две части разъединены. Во время соединения частей охватывающая часть опускается на охватываемую часть, и две части первоначально удерживаются на расстоянии зажимными пальцами 26 для возможности фильтрованной воде омыть сопряженные поверхности частей для удаления захваченных частиц песка, грязи и т. д., которые могут помешать герметизации. Когда промывка завершена, приводится в действие механизм блокировки 27 для удерживания в зацепленном друг с другом состоянии частей. Механизм 27 содержит кулачковую шайбу 28, предусмотренную на охватывающей части 13, которая вращается для зацепления с лапками 29 на охватываемой части 14, в то время как также отводятся зажимные пальцы 26 и деблокируется блокировка в охватываемой части. Лапки 29 соединены с тягами 30, которые проходят продольно через охватываемую часть, и когда кулачковая шайба зацепляется с лапками, стягивает две части 13, 14 вместе. Соединенные части оказываются, как показано на фиг.8, с соосно выравненными каналами 19, 20 вне соосности с отверстиями 15, 16. Соосно выравнивающая и приводная шпонка (не показана) также предусмотрена между двумя муфтами 17, 18 для обеспечения условия, что они всегда могут вращаться вместе для поддержания соосности каналов 19, 20. 1849 1 В то же время, когда части 13, 14 остаются неподвижными, муфты могут вращаться (поворачиваться),как показано на фиг.8 с, так что каналы 19, 20 переводятся в соосное положение с отверстиями 15, 16 для образования сообщения отверстий друг с другом, тем самым давая возможность текучей среде течь через соединитель. Во время вращения (поворота) муфт грушеобразные уплотнения 23 обеспечивают условие, что герметизация поддерживается между отверстиями и муфтовыми каналами каждой из частей. На фиг.8 показано полностью открытое положение, при котором отверстия 15, 16 взаимно сообщаются в результате соосно выравненных каналов 19, 20, и в этом положении кольцевые уплотнения 21 и 24 теперь удерживают все давление, и грушеобразные уплотнения 23 не используются. Механизм блокировки тогда блокируется в этом положении посредством блокировки 31, показанной в увеличенном масштабе на фиг. 9, чтобы предотвратить разъединение двух частей 13 и 14, когда муфты 17 и 18 находятся в открытом (действующем) положении. Блокировка содержит первый подпружиненный штифт 32, который срабатывает в результате вращения/поворота муфт 17, 18, что в свою очередь приводит к срабатыванию второй подпружиненный штифт 33, который приводит в действие срезной штифт 34 для вхождения в контакт с отверстием 35, образованным в кулачковой шайбе 36. В результате это предотвращает кулачковую шайбу 36 от вращения в обратном направлении для отцепления от лапок 29. Для разъединения двух частей вышеописанный порядок действий просто реверсируется, сначала путем вращения муфт в обратном направлении для разобщения отверстий и деблокировки механизма блокировки,и затем путем вращения механизма блокировки для расцепления охватываемой и охватывающей частей. Следует отметить, что отверстия двух частей будут только открыты одновременно в результате вращения вместе конусных муфт, пока не будут соосно выравнены отверстия и муфтовые каналы, после того, как части сцеплены в результате действия последующей блокировки блокирующего механизма. Такой блокирующий механизм является соответственно сильным, чтобы выдерживать нагрузки модуля и боковые текущие нагрузки. Соединитель также выгодно включает в себя систему направления и соосного выравнивания, которая содержит направляющий штырь 37, прикрепленный к охватывающей части 13. Штырь 37 имеет конический конец 38, который крепится во входном конусе в охватываемой части 14 для предотвращения несоосности,когда направляющий штырь вставляется в центральный направляющий проход 39 охватываемой части. Во время вставления винтовая линия 40 ориентации на другом конце направляющего штыря опирается на выравнивающую шпонку 41, которая вращает охватывающую часть, пока шпонка не войдет в свою сопряженную шпоночную канавку 42. Тонкое соосное выравнивание затем достигается с помощью буртика (выступа) 43 и штифта ориентации 44. Как лучше показано на фиг.5, отверстия 16 имеют осевые направленные вверх потока участки 45 и радиальные направленные вниз потока участки 46, расположенные под углом 90 относительно оси охватываемой части 14. Все функциональные операции, такие, как поворот/вращение соединенных муфт 17 и 18, и блокирование открытого и закрытого режимов обычно в основном являются гидравлическими, и такие функции предпочтительно имеют вторичные механические управляющие устройства (не показано), соответствующие для вмешательства посредством дистанционно функционирующих транспортных средств или дистанционных профилактических систем. Хотя соединитель согласно настоящему изобретению здесь описан в применении к системам в открытом море, следует отметить, что он также может использоваться в эквивалентных системах на суше и для других применений. Заказ 9043 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 9