KR20020037026A - 하나 이상의 플로트에 장착된 수중 파이프를 포함하는해저면을 수면에 연결하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하나 이상의 플로트에 조립된 수중파이프라인을 포함하는 해저면-수면 연결 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 파이프주위를 둘러싸는 동축적인 캔 (1) , 및 상기 파이프 (2) 가 통과하는 상기 캔 (1) 의 상부 및 하부 오리피스 (5, 6) 에서 상기 캔을 상기 파이프에 연결하는 연결수단 (3) 을 구비한다. 본 발명은, 상기 캔의 상부 및 하부 오리피스 (5, 6) 에서 상기 파이프 (2) 주위에 조립된 연결부 (3) , 특히 박층 정지부재와 같은 가요적이고 탄성적인 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하나 이상의 플로트에 장착된 수중 파이프를 포함하는 해저면을 수면에 연결하는 장치{DEVICE CONNECTING THE SEA FLOOR WITH THE SURFACE COMPRISING A SUBMARINE PIPE LINE ATTACHED TO AT LEAST ONE FLOATER}

물의 깊이가 일단 깊어지면 생성 산지 특히, 오일 산지는 일반적으로 부유 지지물로부터 작업된다. 일반적으로 이러한 부유지지물은 물살, 바람, 및 팽창의 효과에 불구하고 자기 위치를 유지하기 위한 고정수단을 가진다. 이러한 지지물은 일반적으로 오일을 저장하고 처리하는 수단과 오일을 방출 탱커로 방출하기 위한 수단을 가진다. 이러한 탱커는 생산물을 내리기 위해 일정한 간격으로 도착한다. 이러한 부유 지지물은 머리글자를 따서 FPSO (floating, production, storage, off-loading) 라고 불린다. 현수식 고정수단에 의해 위치를 유지하는 긴 부유 시가 형상의 SPARS 나, 인장 레그들이 일반적으로 수직인 인장 레그 플랫포옴, 즉 TLPs (tension leg platforms) 와 같은 수많은 변형예가 개발되어 왔다.

갱정 헤드 (well head) 가 종종 전 산지에 걸쳐 분포되며, 감시 및 제어용케이블과 물 분사용 파이프를 포함하는 생산 파이프가 고정설비를 커버하기 위해 해저면에 위치하고, 부유 지지물은 상기 설비위에 수면에 수직하게 위치한다.

일부 갱정은 부유지지물 바로 아래에 수직하게 위치하며, 이러한 갱정의 내부는 직접 수면으로부터 접근가능하다. 이러한 환경하에서, "크리스마스 트리" 가 장착된 갱정 헤드는 수면에서 부유지지물에 탑재될 수 있다. 그런 다음, 상기 부유 지지물에 설치된 유정탑 (derrick) 을 이용하여 상기 갱정의 수명기간 내내 상기 갱정에 의하여 요구되는 드릴링, 생산 및 유지작업을 수행하는 것이 가능하다. 이것을 "드라이 (dry)" 갱정 헤드라고 부른다.

드라이 갱정 헤드를 장착한 라이저를 실질적으로 수직한 위치에 유지하기 위해, 상단부에 인접하게 견인력을 상방으로 향하게 작용시키는 것이 적절하며, 이러한 견인력은 윈치 (winch) 를 이용하는 케이블에 기초한 인장 시스템이나 상기 부유 지지물상에 장착된 유압 액추에이터, 또는 라이저를 따라 분포되고 다양한 깊이에 장착된 플로터나 혹은 이러한 두 기술의 조합에 의해 가해질 수 있다.

특허번호 제 2 754 011 호 (IFP) 에는 배와 라이저를 위한 안내 시스템이 개시되어 있으며, 이 라이저에는 플로트가 장착되어 있다.

SPARS 와 TLPs 에도 플로트에 의해 인장되는 라이저가 장착되어 있다.

플로트가 인장의 목적으로 사용되는 경우,

·라이저 주변에 절반 외피로서 장착된 신택틱 포옴 (syntactic foam) 부재를 제작하거나;

·또는, 플로트를 금속이나 복합재료로 제작하고, 이 플로트를 가스, 바람직하게는, 질소와 같은 불활성 가스로 충진하는 것이 필요하다.

신택틱 포옴은 에폭시 수지 또는 폴리우레탄 수지에 주입된 유리의 마이크로 비드 (microbead) 를 함유한다. 이러한 종류의 포옴은 압력에 견딜수 있는 예외적인 특성을 가지고 있으며 통상적으로 매우 깊은 곳에서 사용된다. 그러나, 이러한 종류의 포옴은 매우 비싸고 제작하기 어려운 단점을 가진다.

오일 산지에 대한 물의 깊이는 1500 미터 (m) 를 넘으며, 2000 m 내지 3000 m 까지 될 수 있으므로, 라이저가 위치를 유지하기 위하여는 이러한 깊이에 대한 라이저의 무게는 수백톤이상이어야 한다. 이와 같이 매우 깊은 곳 (1000 m - 3000 m ) 에서는 다양한 깊이에서 라이저상에 장착되는 "캔 (can)" 타입의 부유 부재가 사용된다. 관련된 플로트는 큰 크기를 가지며, 1.5 m 내지 5 m 의 범위에 속하는 직경 또는 5 m 보다 훨씬 더 큰 직경을 가지며, 특히, 100 톤에 달하는 부력을 얻기 위해 10 m 내지 20 m 의 길이까지 신장된다.

플로트와 파이프는 팽창과 물살의 영향을 받으며, 이들은 수면에서 FPSO 에 연결되어 있으므로 바람의 영향을 간접적으로 받는다. 이는 라이저, 플로트 및 배로 구성되는 시스템, 특히 팽창을 받는 영역에서 현저한 측면 및 수직 운동 (수 미터) 을 야기시킨다. 이 운동은 라이저와 플로트사이에 커다란 힘 차이를 발생시킨다. 또한, 라이저에 의해 흡수되는 굴곡은 매우 큰 굽힘 모멘트를 발생시키며 라이저와 플로트가 연결된 영역에서 제 2 면적 모멘트의 변화가 발생한다.

물살과 팽창에 의해 발생된 라이저와 플로트 시스템에 작용하는 힘을 최소화하기 위해, 플로트는 일반적으로 원형이고 라이저주위에 동축적으로 장착된다.

또한, 라이저와 플로트 사이의 결합이 누설방지되고 충진 가스가 플로트내에서 한정되도록, 플로트가 라이저에 일반적으로 장착된다. 통상적으로 사용되는 방법은, 플로트의 상단부 및 하단부에서 플로트와 라이저사이를 용접에 의해 서로를 중간 끼워맞춤 결합하는 것이다. 이 조립체의 충분한 강도를 보장하기 위해 수많은 보강재가 추가된다.

이러한 라이저와 플로트사이의 결합부에서는, 조립체의 제 2 면적 모멘트 (굽힘에 대한 저항) 가 라이저부에서 플로트부까지 현저하게 변한다.

이러한 제 2 면적 모멘트의 큰 변화는 불량한 응력분포를 초래하며, 따라서 응력을 수용할 수 없는 국부적 영역이 발생하며 갑작스런 파손이나 피로에 이르게 되어 결국은 균열이 나타나고 붕괴된다. 이 민감한 영역을 보강하기 위해 이러한 국부적 응력에 대해 전이 부재가 사용될 것이 요구되며, 일반적으로 "테이퍼형 조인트" 라고 불리는 큰 원추형 부재가 사용된다. 어떤 경우, 이 부재는 길이가 10 m 가 될 수 있으며, 아주 심한 경우에 고성능 강철을 사용하는 것이 요구된다. 그러나, 때때로 최고 강철보다 약 5 배 내지 10 배 더 비싼 티타늄을 사용하는 것이 필요하다. 더우기, 이러한 부재는 일반적으로 형상이 복잡하고, 통상적으로 기대되는 25 년 이상의 이러한 장비의 수명을 보장하기 위해 높은 기준으로 제작되어야 한다.

미국 제 3 952 526 호와 제 3 981 357 호에는 플로팅 탱크와 라이저 사이의 연결 시스템이 개시되어 있으며, 부품들은 엘라스토머 재료로 제작된다.

이 부유 시스템은 부유지지물에 탑재된 인장 시스템을 감소시키고, 일반적으로 깊은 물의 상당한 부분에 걸쳐 분포되고, 또한 추가적으로 수백 킬로그램, 또는 기껏해야 1 톤이나 2 톤에 상당하는 적은 부력을 나타낸다.

연결부는 플로트의 상부에 위치하며, 반면에 플로트의 하부는 일반적으로 개방되어 있다. 이러한 장치는, 제한된 길이의 파이프 무게의 감소에 해당하는 부하전달을 할 수 있으나, 해안가 오일 산지에서 500 m 내지 1000 m, 또는 그 이상의 깊이, 특히 1000 m 이상의 깊이에서 발견되는 종류의 매우 긴 길이의 라이저를 (자력으로 또는 부유 지지물에 부착된 추가적인 인장시스템의 도움없이) 지지하기 위한 플로트로는 적합하지 않다. 플로트만으로 인장력을 제공하는데 요구되는 부유는 수직방향과 횡방향으로 전달되는 상당한 힘을 요구하며, 라이저의 헤드에 가해진 상기 수직력은 수백톤에 이를 수 있으며, 특히 300 톤에서 500 톤의 범위에 달한다.

본 발명은 해저면을 수면상에 위치하는 부유 지지물에 연결하는 "라이저 (riser)" 라고 알려진 수직 수중 파이프를 포함하는 종류의 공지된 저면-수면 연결장치에 관한 것이다.

도 1 과 도 6 내지 8 은 단면과 측면이 도시된 캔이 장착된 라이저의 측면도로서, 이 라이저에는 상부에 원형 대칭의 평면형 박층 접촉부 (3₁) 가 장착되어 있으며, 하부에는 마찬가지로 원형 대칭 원통형 박층 접촉부 (3₂) 가 장착되어 있다.

도 2 내지 도 5 는 본 발명에 따른 박층 접촉부의 일부의 단면도로서, 매우 적게 처지면서 상당한 수직부하를 계속 지지할수 있는 동안 접촉부가 어떻게 측면 이동과 비틀림을 하는지를 모두 도시한다; 박층 접촉부는 상판 (9) 과 하판 (10) (혹은 외부판 (12) 과 내부판 (11)) 을 포함하며, 그 사이에는 엘라스토머층 (7) 과 박판금 보강재 (8) 가 끼워져 있다; 따라서, 도 2 내지 도 5 는 후술할 다양한 부하의 영향하에서 상판과 하판사이의 가능한 상대 운동을 도시한다; 예컨대, 엘라스토머층은 0 내지 5 cm 범위에 속하는 임의의 양만큼 압축될 수 있다.

도 2 는 힘을 받지 않는 박층 접촉부의 측면도이다.

도 3 은 압축력 F_v를 받아 두께가 감소된 동일한 박층 접촉부의 측면도이다.

도 4 는 전단력 F_h를 받아 이 힘의 방향으로 측면 변위가 발생한 동일한 박층 접촉부 (3₁) 의 측면도이다.

도 5 는 2 가지의 조합된 힘을 받는 동일한 박층 접촉부 (3₁) 의 측면도로서, 수평력 F_h는 전단을 발생시키고 수직력 F_v은 압축을 일으키며, 이 경우 도시된 바와 같이 접촉부의 수직력은 중심에서 벗어나서 우측이 처지게 되어 기울어져 있다.

도 6 은 플로트의 단면도이며, 여기에서 도면의 좌측 절반은 물방출 위치에 있는 플로트를 도시하며, 도면의 우측 절반은 가라 앉았을때 동일한 플로트를 도시하고, 수직력 F_v는 상부에서 평면형 박층 접촉부 (3₁) 을 통해 원추부 (9) 로 전달되고, 이에 의해 압축을 받으며, 원통형 접촉부 (3₂) 는 하부에서 전단만을 받는다.

도 7 은 측면과 단면을 도시하는 캔을 구비하는 라이저의 측면도로서, 캔은 플랜지를 통해 플로트에 조립된 원형 대칭 원통형 박층 접촉부를 상단부에서 가지며, 마찬가지로 플랜지를 통해 캔에 조립되는 원형 대칭 평면형 박층 접촉부를 하부에서 가진다.

도 8 은 공기중에 또는 수중에 있는 자유 플로트 (1) 의 단면도로서, 라이저(2) 는 곡률반경 R 로 굴곡되어 있으며, 이에 의해 각 접촉부 (3₁, 3₂) 는 전단력 및 압축력의 조합으로 인해 변형된다.

도 9 는 상단부에서는 라이저에 견고하게 부착 (박층 접촉부 없음) 되고, 그 하단부에는 큰 진폭으로 변위될 수 있으며 본질적으로 압축시에 작동하는 도 10 에 도시된 것과 같은 원통형 박층 접촉부 (3₂) 를 가지는 캔의 단면도이다.

도 10 은 도 9 의 캔의 단면도로서, 상부 원추형 결합부 (9) 에서 플로트 (1) 의 축에 접선방향으로 유지되는 라이저 (2) 의 굴곡이 도시되며, 상기 파이프의 축이 상기 오리피스에서 상기 캔의 축으로부터 멀어지게 회전방향으로 또는 횡방향으로 움직일 수 있도록, 하부 박층 접촉부 (3₂) 는 모든 변형을 흡수한다.

도 11 은 라이저의 상부의 단면도로서, 이 상부에서 조인트는, 저 마찰 중간 막 (22) 과 실링 가스켓 (18) 이 제공되며 플로트에 고정된 플랜지 (19) 에 조립되는 구형볼 (9) 에 의해 이루어지고, 이 조립체는 가스켓 (24) 에 의해 실링된다.

도 12 는 단조 및 기계가공에 의해 형성되고 라이저 (2) 의 일부인 원추 평면 (9) 의 단면을 도시하는 측면도로서, 엘라스토머층 (7) 과 금속 보강재 (8) 가 위치하기 전을 도시한다.

도 13 은 단조와 기계가공에 의해 형성된 라이저의 일부의 단면을 도시하는 측면도이며, 보강된 영역에서 나사부 (23) 가 제공되며, 이에 의해 라이저는원형 대칭 원통형 박층 접촉부의 하판 (11) 에 나사체결되고 고정된다.

본 발명의 목적은, 상호결합에 의해 상기 파이프 주위에 조립된 전술한 플로트의 결점을 완화하면서 큰 부하를 지지하고 전달할 수 있도록 라이저와 캔사이에 새로운 종류의 연결부를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계적인 면에서, 간단하고 가요적이고 신뢰할 수 있으며 특히, 수백톤의 부하를 받는 연결부에 작용하는 응력으로 인한 피로 및 마모현상을 감소하는 역할을 하는 라이저-플로트 연결 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 깊은 곳에서 사용되고, 본질적으로 또는 단독으로 큰 크기의 플로트에 의해 인장되는 라이저를 위한 라이저-플로트 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적으로, 본 발명에서는, 상기 파이프주위에 동축적인 캔을 가지는 하나 이상의 플로트에 조립된 수중파이프와, 상기 파이프가 통과하는 상기 캔의 상부와 하부 오리피스에서 상기 캔을 상기 파이프에 연결하는 연결수단을 구비하는 저면-수면 연결 시스템에 있어서,

상기 연결수단은, 상기 캔의 상부 및 하부 오리피스의 하나 이상에서 상기 파이프 주위에 조립된 탄성적이고 누설방지하는 가요적인 조인트를 포함하며,

상기 탄성적이고 누설방지되는 가요적인 조인트는, 상기 파이프나 상기 캔에 고정되는 제 1 판과 상기 캔이나 상기 파이프에 고정되는 제 2 판을 각각 포함하는 박층 접촉부를 구비하며, 상기 판들사이에는 엘라스토머층과 강성 보강재가 끼워지고, 상기 판들, 엘라스토머층, 및 보강재는, 상기 파이프 축과 정지중의 상기 덕트에 의해 구성되는 축에 대한 회전면을 가지며, 또한,

상기 박층 접촉부는,

중첩된 와셔의 형태인 복수의 엘라스토머층과 강성 보강재로 구성되면서,

프러스토코니컬 인벨롭 (frustoconical envelop) 면에 내접된 프러스토코니컬 형상의 강성 판을 포함하고, 상기 프러스토코니컬 판은 상기 복수의 중첩된 엘라스토머층과 보강재를 둘러 싸는 프러스토코니컬 면 박층 접촉부이거나,

또는, 인접하는 동축적인 튜브 형태의 복수의 중첩된 엘라스토머층과 보강재를 둘러 싸는 원통형 박층 접촉부인것을 특징으로 하는 저면-수면 연결수단을 제공한다.

상기 프러스토코니컬 또는 원통형 평면 박층 접촉부에서, 상기 엘라스토머층과 보강재는 연속적이거나 비연속적일수 있으며, 바람직하게는 연속적이다. 여기에서 "비연속적인" 이란 용어는, 함께 상기 와셔들중 하나 또는 상기 프러스토코니컬 또는 원통형 회전면의 하나를 구성하는 원형 부분으로 규정되는 복수의 부분으로 구성된 층을 의미한다.

다른 실시예에서, 상기 연결수단은, 상기 캔의 각 오리피스에서의 가요적이고, 탄성적이며 누설방지되는 조인트를 구비한다.

또 다른 실시예에서, 상기 연결수단은, 상기 캔의 오리피스중 하나, 특히, 상부 오리피스에 위치한 누설방지 조인트와, 다른 오리피스에 위치하는 가요적이고, 탄성적이며 누설방지되는 조인트를 구비한다.

특히, 상기 캔의 상부 및 하부 오리피스중 하나는, 상기 원통형 박층 접촉부로 구성되면서 탄성적이고 가요적이며 누설방지되는 조인트를 가지며, 다른 오리피스는 더 큰 베이스가 하면에 위치하는 프러스토코니컬 형상의 강성 판을 포함한다.

본 발명의 가요적이고, 탄성적이며 누설방지되는 조인트는,

적어도 상기 파이프 축에 수직한 축에 대한 상기 파이프의 비틀림운동에서,

상기 파이프축이 상기 오리피스에서 상기 캔축에 대해 각방향으로 벗어나도록 연결부에서 응력을 전달하며, 상기 오리피스중 하나에서 상기 파이프축과 상기 캔축사이의 각도는 바람직하게는 0 내지 10。 의 범위에서 변하고,

또한, 상기 캔축에 수직한 방향으로 상기 캔에 대해 횡방향으로 병진운동하는 부재를 포함하는 상기 파이프의 운동에 있어서, 상기 오리피스내에서 상기 캔축에 대해 횡방향으로 벗어나도록 결합부에서 응력을 전달하며, 특히 상기 파이프축이 상기 캔축에서 0 내지 5 cm 만큼 벗어난다.

바람직하게는, 상기 프러스토코니컬 판은 상기 파이프에 고정된 중앙 원통형 공동을 가지며, 중첩된 와셔형태의 상기 엘라스토머층과 강성 보강재는 프러스토코니컬 인벨롭 면에 내접한다.

바람직한 실시예에서, 상기 프러스토코니컬 판은 라이저와 일체를 이룬다.

본 발명에 따른 원추형상은, 수직력을 상기 파이프에 전진적인 방식으로 전달하는데 공헌한다. 캔에 작용하는 수직 스러스트는 박층 접촉부를 통해 상기 파이프축 방향으로 전달된다. 상기 박층 접촉부는 이 접촉부에 수직한 방향에 대해서는 훨씬 강성이 적으며, 상기 횡방향강성은 엘라스토머의 질, 다양한 엘라스토머층의 두께 및 이러한 층의 수에 따라 조절가능하다.

특히, 원통형 박층 접촉부는, 상기 파이프의 외면에 고정되는 내부 제 1 강성 원통형 판 및 상기 캔에 바람직하게는 환형 플랜지를 통해 고정되는 외부 제 2 강성 원통형 판을 구비한다.

본 발명의 박층 접촉부의 원통형 형상은, 상기 접촉부에 상기 파이프 및 상기 캔축을 따라 저 강성을 부여하고, 실질적으로 수직방향으로 아무런 힘이 전달되지 않는다. 반대로, 이 원통형 형상은, 이에 수직한 방향으로 캔과 파이프사이의 부하를 전달하는 강성을 가지며, 횡축에 대해 비틀림을 허용하며 수직축에 대하여는 약간만을 허용한다.

프러스토코니컬 판 박층 접촉부 또는 원통형 평면 박층 접촉부의 조합은, 전술한 바와 같이 오리피스에서 비틀림과 병진운동이 모두 있는 경우에 유리하며, 상기 비틀림운동은 상기 캔내에서 상기 파이프의 휨과 관련된다.

바람직하게는, 상기 수중 파이프의 부유는, 추가적인 인장 시스템없이 특히 상기 부유 지지물에 고정된 케이블에 의해 작동되는 시스템이 없는 상기 플로트에 의해 제공된다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 이하의 도면을 참조하여 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1 내지 10 의 실시예에서, 박층 접촉부는 판들사이에 엘라스토머층과 금속보강층을 포함하며, 정지상태에서 상기 파이프와 상기 캔의 축 ZZ' 으로 구성된 축에 대해 원형대칭인 면을 가진다.

본 발명의 설명을 명확히 하기 위해, 파이프-캔 조립체는, 축 ZZ' 가 정지상태에서 파이프 및 축과 일치하고, 축 XX' 가 도면의 평면상에 있고, YY' 가 도면에 수직한 평면에 있는 직각 좌표 XYZ 에 대해 기술하기로 한다.

도 1, 6, 7 및 8 에서는, 평면 박층 접촉부는, 와셔의 형태로 베이스를 통해 엘라스토머층 (7) 에 고정된 프러스토코니컬 (frustoconical) 형상의 강성 지지부 (9) 를 포함하는 평면형 박층 접촉부이며, 상기 프러스토코니컬 부재는 상기 파이프에 고정되는 중앙 원통형 공동을 가지며, 상기 엘라스터머층 (7) 과 강성 보강재 (8) 는 중첩된 와셔의 형태로 프러스토코니컬 인벨롭 면에 내접한다.

도 1 에서 장치는,

상기 캔의 상부 오리피스 (5) 위에서 상기 캔의 상단부에 위치하는 프러스토코니컬 면 박층 접촉부 (3₁) 및,

상기 캔의 하부 오리피스 (6) 밑에서 상기 캔의 하단부에 위치하는 원통형 박층 접촉부 (3₁) 를 포함한다.

도 1 내지 도 10 에서 장치는, 원통형 박층 접촉부는, 중첩된 와셔의 형태인 엘라스토머층 (7) 과 강성 보강재 (8) 를 포함하는 원통형 접촉부이다.

특히, 원통형 박층 접촉부는 상기 파이프의 외면에 고정된 내부 원통형 강성판 (11) 과, 상기 외부 원통 강성 판의 환형 플랜지 (13) 을 통해 상기 캔에 고정되는 외부 원통형 강성 판 (12) 을 포함한다.

도 7 에서 장치는,

상기 캔의 내부에 그리고 하부 오리피스 (6) 위에서 상기 캔의 하단부에 위치하는 프러스토코니컬 면 박층 접촉부 (3₁) 및,

상기 캔의 외부에 그리고 상부 오리피스 (5) 밑에서 상기 캔의 상단부에 위치하는 원통형 박층 접촉부 (3₁) 를 포함한다.

도 2 내지 5 에 도시된 상기 박층접촉부에 작용하는 압축력 및 수평전단력의 조합은, 캔에 대해 캔 축 ZZ' 에 대해 수직한 축 XX', YY' 에 대해 비틀림 이동을 발생시키며, 이와 함께 상기 오리피스에서 적은 진폭의 병진운동을 발생시킨다 (도 8 참조).

도 8 로부터 알수 있는 바와 같이, 프러스토코니컬 면 박층 접촉부 (3₁) 와 원통형 접촉부 (3₂) 를 포함하고 캔 (1) 및 파이프 (2) 를 구비하는 조립체는, 캔의 상부 및 하부오리피스의 결합부에서 가요성 및 탄성을 제공하며, 이에 의해 장치의 기밀 유지를 보장하면서 캔 (1) 과 파이프 (2) 가 분리 이동한다.

본 발명에 따르면, 설치전 수면에서의 준비부터, 설치, 작동수명기간동안의 각 작동단계에서 정 내부압력을 가지도록 플로트의 치수가 결정되어야 한다.

플로트의 바람직한 실시예에서, 윈통형 부분은 플로트의 내·외부의 압력차를 고려하여 결정된 두께의 압연 금속 박판만으로 구성되며, 상기 플로트의 단부는 파라볼로이드 (paraboloid) 의 회전체나 또는 단지 반구에 근접하는 곡선면이다. 규정에 의해 부과되는 필요한 두께와 안전계수를 결정하는 것은 가압 탱크 분야에서 숙련된 당업자의 능력의 범위에 속하며 따라서, 여기에서는 상술하지 않는다. 본 발명의 플로트는 주위의 압력보다 낮은 압력하에 있지 않으므로 내부 보강재가 요구되지 않으며, 따라서 구조물의 무게에 대해 양호한 부유비를 가진다.

상부 박층 접촉부 (3₁) 는 라이저 (2) 에 고정된 금속 원추형부 (9) 에 의해 구성되며, 상판 (9), 및 오리피스 (5) 에서 플로트의 본체에 고정된 금속 하판 (10) 을 제공한다. 나사체결, 용접 또는 구조 접착제에 의해 원추형 상판 (9) 이 라이저 (2) 에 결합된다.

나사체결이 사용되는 경우, 도시되지 않은 가스켓에 의하거나 혹은 좀더 간단하게는 최종결합전에 접착제를 나사부에 가함으로써 조립체가 실링될 수 있다.

도 12 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 상부 프러스토코니컬 판 (9) 은 라이저와 일체로 구성된다. 이러한 목적을 위해, 판 (9) 은 각 단부로부터 예컨대, 상방으로 30 cm 및 하방으로 60 cm 신장되는 라이저 (2) 의 일부로 제작될 수 있다. 이 조립체는, 바람직하게는 최종 직경보다 적은 직경의 튜브 블랭크 (tube blank) 를 포함하는 단일 괴 (ingot) 를 단조함으로써 형성된다. 단조후 부재는 최종 크기로 기계가공되며, 엘라스토머 부재는 접착 및 가황처리 (vulcanization) 또는 중합처리 (polymerization) 에 의해 당해 기술의 당업자에게 공지된 방식으로 상판 및 하판에 조립된다.

용접이나 나사체결 또는 실제로는 실링 가스켓을 구비한 플랜지와 같은 종래의 수단에 의해, 조립체는 라이저의 상부 및 하부에 조립될 수 있다.

동일한 방식으로, 하부 접촉부의 내부 판 (11) 은 라이저의 일부와 함께 단조됨으로써 형성될수 있으나, 플로트의 이 영역에서의 힘은 훨씬 적기 때문에 이 판은 도 13 에 도시된 바와 같이 단지 용접, 나사체결 또는 접착에 의해 라이저의 외벽에 고정될 수 있다.

특히 바람직한 본 발명의 실시예에서, 수직력을 라이저로 전달하는 프러스토코니컬 판 (9) 은 플로트의 하부에 설치된다. 이러한 환경하에서, 프러스토코니컬 접촉부 (9) 는 상기 플로트의 내부에 있으며, 그런 다음 원통형 접촉부가 도 7 에 도시된 바와 같이 플로트의 상부에 장착된다.

이렇게 작동됨으로써, 부력은 플로트의 벽 내부에서 수직 견인력을 발생시키며 그 결과 플로트는 라이저를 상방으로 잡아 당기며, 반면에 전술한 구성에서 부력에 의한 힘은 플로트벽에서의 압축에 의해 라이저에 고정된 원추판으로 전달된다. 그런 다음, 플로트는 라이저를 상방으로 민다. 이렇게 작동됨으로써, 플로트 벽의 휘어짐 가능성이 감소하는데, 그 이유는 상방 스러스트의 전달로 인한 응력과 상기 벽내부에서의 내압으로 인한 응력이 모두 견인상태에 있기 때문이다.

라이저는, 연속적인 구성부품을 함께 조립함으로써 배에 실을수 있도록 제작될수 있으며, 일반적으로 12 m 의 복수배이다. 단계별 조립방법은 해안가 드릴링 기술분야의 당업자에게 공지되어 있으므로 여기에서는 설명하지 않는다. 이러한 조립은 나사체결, 용접, 또는 실제로는 플랜지에 의해 수행된다.

라이저 구성부재의 대부분은 단순 튜브이며, 부재중 극히 일부는 본 발명의 이송 플로트이다. 이 부재들은 수중에서 서로 다른 깊이에 설치되며, 그 형상과 체적은 바다와 기상조건 및 그 위치의 깊이에 따라 최적화된다. 따라서, 예를 들어 설명하면, -30 m 의 깊이에 60 톤의 플로트, -50 m 의 깊이에 20 톤의 플로트, -100 m의 깊이에서 매 10 m 마다 일련의 5 개의 5 톤 플로트가 설치될 수 있다.

바람직하게는, 설치를 용이하게 하기 위해 캔의 상부에 가까운 높은 부분을 통과하여 위치하는 충진 밸브 (16) 를 가지는 제 1 오리피스와, 하부에 가깝게 위치하는 배출 밸브 (17) 가 제공된 제 2 오리피스가 캔에 마련되어 있다. 플로트가 수중에서 가라앉는 동안, 양 오리피스는 개방되고 플로트는 물로서 완전히 채워진다. 일단 라이저가 최종 위치에 있게 되면, 수면으로 올라가는 튜브형 파이프가 상부 오리피스에 연결되고, 가스는 플로트의 깊이에 상당하는 수압보다 큰 압력하에서 분출된다. 가스는 하부 오리피스를 빠져나가는 물을 방출시킨다. 일단 플로트에서 물이 제거된 다음에는 가스가 하부 오리피스로부터 방출된다. 그런 다음, 하부 밸브 (17) 가 폐쇄되고 가스는 플로트 내부의 압력이 소정의 값에 이를때까지 계속 분출된다.

예를 들어, 높이가 10 m 이고 - 50 m 의 깊이에 설치되어 있는 플로트의 상부에서 내·외부간의 압력차가 2 bar가 요구되고 상기 깊이에서의 압력이 5 bar 라는 점을 고려한다면, 가스 압력은 7 bar 이어야 한다. 플로트의 상부에서 압력차가 2 bar 일지라도, -60 m 에 상당하는 외부압력이 대락 6 bar 이므로 플로트의 하부에서는 1 bar 이상이 되지 않는다.

도 1 에서는, 캔의 내부에 있는 파이프의 일부에서 일어나는 누설 또는 상기 가요적인 조인트를 통해 캔의 외벽에서 발생하는 누설시에, 특히, +2bar 에서 "익스플로젼-방지 (anti-explosion)" 안전장치를 제공하기 위한 안전배출밸브 (20) 와, 특히, -1bar 에서 "임플로젼-방지 (anti-implosion)" 안전장치를 제공하기 위해 안전 방출 밸브 (21) 가 캔의 상부에 부착된다.

상기의 주어진 압력치는, 익스플로젼 즉, 파열로 인한 파손 또는 임플로젼 즉, 캔의 휨으로 인한 파손을 피하기 위한 최대 수용가능 내·외부간의 압력차이다.

이 두 안전장치에 대한 평가는 캔 벽의 강도에 기초한 계산에 의해 결정되는 작동 한계에 달려 있다.

주요 파라미터 (압력, 온도, 안전밸브의 작동상태) 를 실시간으로 감시하는 수단이 캔에 장착되며 이에 상당하는 정보가 수면으로 전달된다. 바람직하게는, 다양한 기계 요소에서의 응력이 수용가능한 범위로 유지되도록, 일정한 양의 물을 제거하거나 분사하고 이와 동시에 가스를 제거하거나 또는 재분사하기 위해, 상기 두 오리피스를 이용하여 플로트를 밸러스팅 (ballasting) 함으로써 부유가 조절된다. 이러한 제거 및 밸러스팅 작용은, 수면에서 제어되며 조작 아암과 같은 다양한 공구가 장착되어 있는 원격조정차량수단이나 다이버중 어느 하나에 의해 수행된다.

캔의 내부는 포옴 (foam) 으로 충진된다.

박층 접촉부는 평면이거나 원통형인 보강재 (8) 를 가지는 것으로 기재되어 있으나, 상기 접촉부 (8) 는 원추형이나 구형 또는 다른 형상을 가질수 있다. 보강재는 연속적이거나 또는 부분의 형태로 비연속적일수도 있다. 특히, 원통형 접촉부와 유사한 결과를 유체를 함유하는 토로이달 인벨롭 (toroidal envelop) 에 의해로 얻을수 있다. 이동으로 인해 토러스 (torus) 에서 변형이 일어나며, 유체는 토러스내에서 전달된다. 이는 특히 하부 결합부에 적합하며, 도 9 내지 도 10 의 실시예와 같이 큰 틈새가 요구되는 곳에서 더욱 적합하다.

박층 접촉부를 대체하는 구형 볼을 가지는 도 11 의 실시예에서, 파이프는 캔에 대해 축 ZZ' 및 이 축에 수직한 어느 축에 대한 훨씬 자유롭게 회전운동할 수 있으나, 어느 부재도 병진운동하지 않는다.

Claims (14)

1. 파이프 (2) 주위에 동축적인 캔 (1) 을 가지는 하나 이상의 플로트에 조립된 수중파이프와, 상기 파이프 (2) 가 통과하는 상기 캔 (1) 의 상부 및 하부 오리피스 (5, 6) 에서 상기 캔을 상기 파이프에 결합하는 결합수단 (3) 을 구비하는 저면-수면 연결 장치에 있어서,

   상기 결합수단은, 상기 캔 (1) 의 상부 및 하부 오리피스 (5, 6) 의 하나 이상에서 상기 파이프 (2) 주위에 조립된 탄성적이고 누설방지되며 가요적인 조인트 (3) 를 포함하며,

   상기 탄성적이고 누설방지되며 가요적인 조인트는, 상기 파이프나 상기 캔에 고정되는 제 1 판 (9, 11) 과 상기 캔이나 상기 파이프에 고정되는 제 2 판 (10, 12) 을 각각 포함하는 박층 접촉부를 구비하며, 상기 판들사이에는 엘라스토머 (7) 와 강성 보강재 (8) 로 이루어지는 층이 끼워지고, 상기 판들, 엘라스토머층, 및 보강재, 정지중에 상기 파이프와 상기 덕트의 축 (ZZ') 으로 구성되는 축에 대한 회전면을 가지며, 또한,

   상기 박층 접촉부는,

   엘라스토머 (7) 와 강성 보강재 (8) 의 복수의 층을 중첩된 와셔의 형태로 포함하되, 프러스토코니컬 인벨롭 면에 내접된 프러스토코니컬 형상의 강성 판 (9) 을 포함하고, 상기 프러스토코니컬 판이 상기 엘라스토머와 강성 보강재의 복수의 층을 둘러 싸도록 하여 형성된 프러스토코니컬 면 박층 접촉부이거나,

   또는, 엘라스토머 (7) 와 강성 보강재 (8) 의 복수의 층를 인접하는 동축적인 튜브 형태로 포함하는 원통형 박층 접촉부인 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 수단 (3) 은, 상기 각 오리피스 (5, 6) 에서 상기 탄성적이고 누설방지되며 가요적인 조인트들중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 프러스토코니컬 판 (9) 은 상기 파이프에 고정되는 중앙 원통형 공동을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 중첩된 와셔형태의 상기 엘라스토머 (7) 와 강성 보강재 (8) 의 층은, 프러스토코니컬 인벨롭 표면에 내접하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 박층 접촉부는, 상기 파이프의 외면에 고정되는 내부 원통형 강성 판 (11), 및 바람직하게는 환형 플랜지 (13) 를 통해 상기 캔에 고정되는 외부 원통형 강성 판 (12) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프러스토코니컬 면 박층 접촉부는, 상기 상부 오리피스 (5) 위에 그리고 상기 캔의 외부에서 상기 캔의 상단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프러스토코니컬 면 박층 접촉부는, 상기 하부 오리피스 (6) 아래에 그리고 상기 캔의 외부에서 상기 캔 (1) 의 하단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 캔의 상부 오리피스 (5) 위에서 상기 캔의 상단부에 위치하는 프러스토코니컬 면 박층 접촉부 (3₁), 및

   상기 캔의 하부 오리피스 (6) 아래에서 상기 캔의 하단부에 위치하는 원통형 박층 접촉부 (3₂) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 캔의 상부 및 하부 오리피스중 하나는, 상기 원통형 박층 접촉부를 포함하는 탄성적이고 가요적이며 누설방지되는 조인트를 가지며, 상기 오리피스의 다른 나머지 오리피스는 상기 프러스토코니컬 형상의 더 큰 베이스가 하단에 위치하는 프러스토코니컬 형상의 강성 판을 포함하는 접촉부를 가지며, 상기 판은 바람직하게는, 상기 박층 접촉부중 하나를 덮는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프러스토코니컬 판은 상기 파이프와 일체인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 캔의 하부 오리피스 (6) 위에 그리고 상기 캔의 내부에서 상기 캔의 하단부에 위치하는 프러스토코니컬 면 박층 접촉부 (3₁), 및

    상기 캔의 상단부에 위치하는 원통형 박층 접촉부 (3₂) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가요적인 조인트는,

    ·상기 파이프 축이 상기 오리피스에서 상기 캔 축에 대해 각방향으로 벗어날 수 있는, 적어도 상기 캔 축 (ZZ') 에 수직한 축 (XX', YY') 에 대한 상기 파이프의 비틀림운동의 경우, 및

    ·상기 파이프 축이 상기 오리피스내에서 상기 캔 축에 대해 횡방향으로 벗어날수 있는, 적어도 상기 캔 축 (ZZ') 에 수직한 방향 (XX', YY') 에 있어 상기 캔에 대해 상기 파이프로 횡방향으로 신장하는 병진운동 성분을 포함하는 운동에서, 결합부에서 응력을 전달하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 캔의 내부의 상기 파이프의 일부 또는 상기 캔의 인벨롭의 내부 또는 상기 가요적인 조인트에서 발생하는 누설시에, 상기 캔이, 적어도 익스플로젼 대비용 안전밸브 (20) 와 임플로젼 대비용 안전밸브 (21) 를 각각 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수중 파이프의 부유는 부유 지지물에 고정된 추가적인 인장수단 없이 상기 플로트에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.