플랜지와 외부 로킹 링을 구비한 라이저 섹션 커넥터

플랜지와 외부 로킹 링을 구비한 라이저 섹션 커넥터{RISER SECTION CONNECTOR WITH FLANGES AND EXTERNAL LOCKING RING}

본 발명은 고 심해 시추 및 유전 개발 영역에 관한 것이다. 이것은 2 개의 라이저 파이프 섹션들을 조립하기 위한 커넥터에 관련된다.

라이저 파이프는 커넥터들에 의해 조립된 관형 요소들의 조립체로 구성된다. 관형 요소들은 일반적으로 그것의 각 단부에 커넥터를 구비한 메인 관으로 이루어진다. 메인 관은 통상적으로 "킬 라인 (kill line)", "초크 라인 (choke line)", "부스터 라인 (booster line)" 및 "유압 라인" 이라고 하는 보조 라인들을 구비하는데, 이것은 유정 (well) 으로의 공업 유체의 순환과 표면으로의 형성 유체의 순환을 허용한다. 관형 요소들은 부유 시설 (floater) 로부터 시추 위치에 조립된다. 해저에 위치한 유정 헤드 (wellhead) 에 도달할 때까지, 관형 요소들이 조립됨에 따라 라이저 파이프는 수심으로 하강하게 된다.

3,500 m 이상에 달할 수 있는 수심에서의 시추와 관련하여, 라이저 파이프의 중량은 매우 불리하게 된다. 이 현상은, 압력 강하를 제한할 필요성을 고려하면, 동일한 최대 작동 압력에 대해, 라이저의 길이는 보조 라인들을 위해 더 큰 내경을 요구한다는 사실에 의해 증가된다.

그리고, 수심 및 라이저 길이가 크기 때문에 라이저 파이프 조립 시간을 감소시키는 필요성이 더욱더 중요하다.

문헌 FR-2,891,577 (US 7,762,337), FR-2,891,578 및 FR-2,891,579 (US 8,037,939) 는 라이저 파이프에 의해 가해진 종방향 응력을 받을 때, 메인 관과 함께, 보조 라인들을 참여시키는 것을 특히 목표로 하는 다양한 해결책들을 기술한다.

본 발명은 즉 2,000 미터를 초과하는 깊이에 위치한 심해 라이저에 아주 적합한 콤팩트한 커넥터 설계를 제공하는 대안적인 해결책을 기술한다.

일반적으로, 본 발명은 해상 유정 (offshore well) 시추 작업을 위한 2 개의 라이저 파이프 섹션들을 조립하기 위한 커넥터에 관한 것이다. 커넥터는 보조 관 요소가 고정되는 적어도 하나의 오리피스에 의해 관통되는 수형 (male) 플랜지를 구비한 수형 커넥터 요소를 연장부로서 가지는 제 1 메인 관 요소, 및 제 2 보조 관 요소가 고정되는 적어도 하나의 오리피스에 의해 관통되는 암형 (female) 플랜지를 구비한 암형 커넥터 요소를 연장부로서 가지는 제 2 메인 관 요소를 포함한다. 수형 커넥터 요소는 2 개의 메인 관 요소들 및 2 개의 보조 관 요소들을 연결하기 위해서 암형 커넥터 요소로 끼움장착된다. 커넥터는, 로킹 링이 수형 플랜지와 암형 플랜지를 조립하고, 로킹 링은 수형 플랜지의 외부면에 회전 운동할 수 있게 장착되고 로킹 링은 수형 플랜지와 암형 플랜지의 외부면들과 협력작동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 로킹 링은 수형 플랜지에 구비된 축선 방향 쇼울더에 의해 병진 운동이 고정될 수 있고, 링은 암형 플랜지의 외부면에 배치된 장부들 (tenons) 과 협력작동하는 장부들을 구비할 수 있다.

로킹 링의 장부들은 링의 내부면에 배치될 수 있다.

링은 수형 플랜지의 둘레에 위치한 원통면 부분과 협력작동하는 원통면 부분을 가질 수 있다.

링은 수형 플랜지에 대한 링의 병진 운동을 고정하고 링이 분해될 수 있도록 수형 플랜지의 외부면에 배치된 치형부와 협력작동하는 치형부를 포함할 수 있다.

링은 수형 플랜지에 대한 로킹 링의 병진 운동을 고정하도록 링의 치형부와 협력작동하는 적어도 하나의 착탈식 핀을 포함할 수 있다.

수형 커넥터 요소는 암형 커넥터 요소와 협력작동하는 중간 부분을 연장부로서 가질 수 있다.

각각의 보조 관 요소는 오리피스들에 구비된 쇼울더에 축선 방향으로 접하게 장착될 수 있다.

로킹 링은 링을 회전 운동시키기 위한 작동 수단을 포함할 수 있다.

커넥터는, 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 로킹 링의 회전을 제한하기 위한 스러스트들, 및 적어도 개방 위치와 폐쇄 위치에서 링을 회전에 대해 고정하기 위한 고정 수단을 포함할 수 있다.

메인 관 요소와 보조 라인 요소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 요소는 복합재 스트립들에 의해 테두리 처리된 (hooped) 강관을 포함할 수 있다. 상기 복합재 스트립들은 폴리머 매트릭스로 코팅된 유리, 탄소 또는 아라미드 섬유를 포함할 수 있다.

메인 관 요소와 상기 보조 라인 요소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 요소는 폴리머 매트릭스, 알루미늄 합금, 티탄 합금으로 코팅된 보강 섬유를 포함하는 복합 재료로 이루어진 목록에서 선택된 재료로 만들어질 수 있다.

본 발명은, 본 발명에 따른 커넥터에 의해 조립된 적어도 2 개의 라이저 파이프 섹션들을 포함하는 라이저 파이프에 관한 것으로, 종방향 인장 응력은 메인 관 요소와 보조 관 요소에 분배된다.

본 발명의 다른 특징들과 장점들은 첨부 도면을 참조로 이하 상세한 설명을 읽어봄으로써 분명해질 것이다.

도 1 은 라이저 파이프를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 라이저 파이프 섹션을 도시한다.
도 3, 도 5 및 도 8 은 각각 고정된 위치에서 본 발명에 따른 커넥터를 도시한다.
도 4 는 도 3 에 도시된 커넥터의 로킹 링의 세부를 도시한다.
도 6 은 도 5 에 도시된 커넥터의 로킹 링의 세부를 도시한다.
도 7 및 도 9 는 보조 라인들과 메인 관의 조립체의 다른 두 실시형태들을 도시한다.

도 1 은 저류층 (G) 을 개발하기 위해서 해양 (offshore) 에 설치된 라이저 파이프 (1) 를 개략적으로 도시한다. 라이저 (1) 는 유정 (P) 의 연장부를 형성하고 이것은 유정 헤드 (2) 로부터 부유 시설 (3), 예를 들어 플랫폼 또는 선박으로 연장된다. 유정 헤드 (2) 는 통상적으로 "BOP" 또는 "분출 방지기 (Blow-Out Preventer)" 라고 하는 방지기를 구비한다. 라이저는 커넥터들 (5) 에 의해 단부끼리 조립된 여러 섹션들 (4) 의 조립체로 구성된다. 각각의 섹션은 적어도 하나의 둘레 라인 요소 (7) 를 구비한 메인 관 요소 (6) 로 이루어진다. 킬 라인 또는 초크 라인으로 불리는 보조 라인들은 유정에서 가압하에 유체의 유입에 대한 제어 과정 중 유정에 안전성을 제공하는데 사용된다. 부스터 라인이라고 하는 라인은 진흙이 라이저의 하단에서 메인 관으로 주입될 수 있게 한다. 유압 라인이라고 하는 라인은 유정 헤드의 분출 방지기를 제어하기 위해서 유압 유체가 주입될 수 있게 한다.

도 2 는 라이저 파이프의 섹션 (4) 을 개략적으로 도시한다. 섹션은 메인 관 요소 (10) 를 포함하는데 이 요소의 축선 (AA') 은 라이저의 축선이다. 관들 (11) 은 축선 (AA') 과 평행하게 배치된 보조 라인들 또는 덕트들을 구성한다. 요소들 (11) 은 일반적으로 10 ~ 30 미터의 메인 관 요소 (10) 의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 가진다. 메인 관의 둘레에 적어도 하나의 라인 (11) 이 배치된다. 도 2 에서, 2 개의 라인들 (11) 이 개략적으로 도시된다.

도 1 에 도시된 커넥터 (5) 는 도 2 를 참조하면 암형 커넥터 요소 (12) 및 수형 커넥터 요소 (13) 로 나타낸 2 개의 요소들로 이루어진다. 요소들 (12, 13) 은 메인 관 요소 (10) 의 단부들에 장착된다. 암형 커넥터 요소 (12) 는 플랜지 (14) 로 이루어진다. 수형 커넥터 요소 (13) 는 플랜지 (15) 및 수형 요소 (16) 로 이루어진다. 부분 (16) 은 수단 (미도시) 에 의해 플랜지 (15) 에 고정될 수 있다. 도 2 및 도 3 에서 표시부 (15, 16) 에 대안적으로, 플랜지 (15) 와 요소 (16) 는 도 5 에 도시된 대로 일체부를 구성할 수 있다. 도 2 를 참조하면, 암형 커넥터 요소 (12) 는, 예를 들어 용접 (18) 에 의해, 나사결합에 의해, 크림핑 (crimping) 에 의해 또는 클램핑 링크에 의해, 관 (10) 에 고정된다. 수형 커넥터 요소 (13) 는, 예를 들어 용접 (19) 에 의해, 나사결합에 의해, 크림핑에 의해 또는 클램핑 링크에 의해, 관 (10) 에 고정된다. 로킹 링 (17) 은 수형 커넥터 요소 (13) 와 암형 커넥터 요소 (12) 가 조립될 수 있게 한다. 요소들 (12, 13) 및 링 (17) 은 응력, 특히 종방향 응력, 즉 라이저에 의해 가해진 축선 (AA') 을 따른 인장 응력을 하나의 라이저 섹션으로부터 다음 섹션으로 전달하는 커넥터 (5) 를 형성한다.

커넥터 (5) 는 미국 석유 협회 규격 (American Petroleum Institute standards), 특히 API 16 R, API 16 F, API 16 Q 및 API 2 RD 규격에 의해 정의된 사양들을 만족시키도록 설계되고 치수가 정해질 수 있다.

도 3 은 암형 관형 요소 (12) 에 끼움장착된 수형 관형 요소 (13) 를 도시한다. 수형 요소 부분 (16) 의 일부는 암형 관형 요소 (12) 내부로 침투한다. 이런 끼움장착은 플랜지 (15) 및 플랜지 (14) 와 각각 접하는 수형 요소 (16) 의 축선 방향 스러스트들 (28, 29) 에 의해 제한된다.

커넥터 (5) 는 플랜지들 (14, 15) 의 외부면에 위치 결정된 로킹 링 (17) 을 포함한다. 링 (17) 은 관 부분에 기계가공되거나 단조에 의해 얻어질 수 있다. 축선 (AA') 을 따른 플랜지들 (14, 15) 의 병진 운동을 고정하도록 링 (17) 은, 그것의 각 단부에, 플랜지들 (14, 15) 과 각각 협력작동하는 스러스트들을 구비한다. 로킹 링 (17) 은 축선 (AA') 의 방향으로 병진 운동에 대해 고정되면서 플랜지 (15) 에 회전 운동할 수 있도록 장착된다. 도 3 을 참조하면, 링 (17) 은 적어도 반경 (S) 의 원통형 내부 표면 부분을 포함하고 플랜지 (15) 의 외주면은 원통형이고, 반경은 S 보다 약간 작다. 링 (17) 은 플랜지 (15) 의 원통형 외부 표면 중앙에 링의 원통형 내부 표면을 중심맞춤함 (centering) 으로써 플랜지 (15) 에 장착된다. 링은 또한 플랜지 (15) 에 구비된 축선 방향 쇼울더 (30) 에 놓여 있다. 링 (17) 의 내부면은 장부들을 포함한다. 플랜지 (14) 는 또한 그것의 외주면에 배치된 장부들을 포함한다. 요소 (13) 가 암형 요소 (12) 에 끼움장착될 때, 링 (17) 의 장부들 (31, 32) 이 플랜지 (14) 의 장부들 (33, 34) 과 협력작동할 수 있도록 링 (17) 의 일부는 플랜지 (14) 를 덮는다. 링 (17) 의 회전을 통하여 커넥터 (5) 의 고정 및 해제가 달성된다 (베이어닛형 고정). 링 (17) 은 작동 수단, 예를 들어 제거될 수 있는 작동 바를 구비한다. 작동 바는 축선 (AA') 을 중심으로, 플랜지들 (14, 15) 주위에서 링 (17) 을 회전시킬 수 있게 한다. 링 (17) 은 개방 위치와 폐쇄 위치에서 링을 회전에 대해 고정할 수 있게 하는 고정 수단 (미도시) 을 포함할 수 있다. 또한, 링 (17) 은 이들 위치에서 링의 회전을 제한하기 위한 수단 (미도시) 을 포함할 수 있다. 종방향 응력, 즉 축선 (AA') 을 따라 가해지는 인장 응력은 링 (17) 과 플랜지들 (14, 15) 사이에서 베이어닛형 연결 작용을 통하여 일 섹션 (4) 으로부터 인접한 섹션 (4) 으로 전달된다. 보다 정확하게, 축선 (AA') 을 따라 가해진 인장 응력은 다음과 같이 커넥터에 의해 라이저 섹션으로부터 다른 라이저 섹션으로 전달된다: 인장 응력은 플랜지 (15) 에 의해 쇼울더 (30) 를 통하여 링 (17) 에 전달된 후, 링 (17) 은 플랜지 (14) 의 장부들과 협력작동하는 링 (17) 의 장부들을 통하여 인접한 섹션의 플랜지 (14) 로 인장 응력을 전달한다.

도 3 을 참조하면, 링 (17) 과 암형 요소 (14) 는 각각 장부 또는 스터드의 2 개의 크라운 (31, 32 및 33, 34) 을 포함하여서, 커넥터의 축선 방향 고정을 보장할 수 있도록 한다. 장부들은 바람직하게 반경 방향으로 연장된다. 도 4 에서, 암형 요소 (14) 는 4 개 장부 (33A, 33B, 33C, 33D) 의 제 1 크라운 (33) 및 4 개 장부 (34A, 34B, 34C, 34D) 의 제 2 크라운 (34) 을 포함한다. 링 (17) 은 또한 4 개 장부 (31A, 31B, 31C, 31D) 의 제 1 크라운 (31) 및 4 개 장부 (32A, 32B, 32C, 32D) 의 제 2 크라운 (32) 을 포함한다.

장부들은 하나의 크라운으로부터 다음 크라운으로 각도상 오프셋 (angular offset) 을 보여주고 그것은 상이한 반경의 원주면들에 내접된다. 암형 요소 (14) 의 제 1 및 제 2 크라운은 각각 반경 (r, R) 의 원주면들에 내접된다. 링 (17) 의 제 1 및 제 2 크라운은 각각 반경 (r', R') 의 원주면들에 내접된다. 링 (17) 의 제 2 크라운의 장부들 (32A ~ 32D) 이 플랜지 (14) 의 제 1 크라운 (33) 의 장부들 (33A ~ 33D) 의 내부면에 의해 형성된 실린더 내부에서 자유롭게 미끄러지고 회전할 수 있도록 반경 (r) 은 반경 (R') 보다 약간 작다.

대안적으로, 2 개의 크라운의 장부들은 동일한 각도상 영역에 배치되어서 그것은 오프셋되지 않는다. 이 경우에, 링의 장부들의 2 개의 크라운은 반경 (r1) 의 동일한 원주면에 내접될 수 있다. 암형 요소 (14) 의 장부들의 2 개의 크라운은 반경 (r1) 을 초과하는 반경 (r2) 의 동일한 원주면에 내접된다.

링 (17) 의 제 1 크라운의 장부들 (31A, 31B, 31C, 31D) 은 베이어닛 조립체를 형성하기 위해서 플랜지 (14) 의 제 1 크라운의 장부들 (33A, 33B, 33C, 33D) 과 협력작동한다. 동시에, 링 (17) 의 제 2 크라운의 장부들 (32A, 32B, 32C, 32D) 은 플랜지 (14) 의 제 2 크라운의 장부들 (34A, 34B, 34C, 34D) 과 협력작동한다.

보다 정확하게, 링 (17) 이 플랜지 (14) 주위에 끼움장착될 때, 링 (17), 플랜지 (15) 및 수형 부분 (16) 으로 구성된 조립체는 다음과 같은 연속 단계들에 따라 축선 (AA') 방향으로 병진 운동을 수행한다:

- 링의 제 2 크라운 (32) 은 플랜지 (14) 의 크라운 (33) 외부로 움직이고, 그 후

- 장부들 (32) 은 장부들 (34) 사이에 끼움장착되고, 동시에 장부들 (31) 은 장부들 (33) 사이에 끼움장착되고, 그 후

- 수형 부분 (16) 이 암형 요소 (12) 의 쇼울더 (29) 에 접할 때, 장부들 (33A, 33B, 33C, 33D) 은 링 (17) 의 장부들의 제 1 크라운 (31) 위에 구비된 공간 (35) 에 꽂혀지고, 장부들 (34A, 34B, 34C, 34D) 은 장부들의 제 1 크라운 (31) 과 링 (17) 의 장부들의 제 2 크라운 (32) 사이에 구비된 공간 (36) 에 꽂혀진다.

그 후, 수형 부분 (16) 이 암형 요소 (12) 의 축선 방향 쇼울더 (29) 에 접할 때, 링의 장부들이 플랜지 (14) 의 장부들과 대향하여 위치 결정되도록 링 (17) 은 피봇 회전한다. 크라운 (31) 의 장부들은 크라운 (33) 의 장부들과 대향하여 위치 결정되고, 크라운 (32) 의 장부들은 크라운 (34) 의 장부들과 대향하여 위치 결정된다. 따라서, 링 (17) 의 장부들은 플랜지 (14) 의 장부들에 대해 축선 방향으로 접하고 (커넥터가 하중을 받을 때 상쇄되는 약 3 mm 의 유극을 가짐) 그것은 플랜지 (15) 에 대한 플랜지 (14) 의 병진 운동을 고정한다.

2 개의 베이어닛 조립체 시스템들 각각은, 플랜지 (14) 의 장부들과 링 (17) 의 장부들 사이에, 175°에 달할 수 있는 전체 각도상 범위에 대해 접촉하도록 할 수 있다. 바람직하게, 2 개의 조립체 시스템들은 커넥터 축선 둘레에서 각도상 오프셋되고, 본 발명에 따른 커넥터는 축선 둘레의 약 350°에 대해 축선 방향 하중이 분배될 수 있도록 한다.

대안적으로, 본 발명에 따르면, 링 (17) 과 플랜지 (14) 는 각 장부의 단 하나의 크라운을 포함할 수도 있고: 링 (17) 의 단일 크라운의 장부들은 플랜지 (14) 의 단일 크라운의 장부들과 협력작동한다.

크라운당 장부의 개수 및 그것의 기하학적 구조는 특히 메인 관의 치수, 보조 라인들의 개수와 치수 및 커넥터에 의해 전달될 응력에 따라 바뀔 수 있다.

로킹 시스템은 링 (17) 이 회전에 대해 고정될 수 있게 한다.

도 5 는 본 발명에 따른 커넥터의 대안적인 실시형태를 도시한다. 도 3 의 도면 부호와 동일한 도 5 의 도면 부호는 동일한 요소들을 나타낸다.

도 5 는 플랜지 (15) 에 용접된 부분 (16) 으로 이루어진 커넥터의 수형 요소를 도시하고, 수형 요소는 플랜지 (14) 로 이루어진 암형 요소에 끼움장착된다. 커넥터는 커넥터에 링 (17) 을 쉽게 장착 및 분해하도록 플랜지 (15) 에 링 (17) 을 조립하기 위한 수단을 포함한다. 보다 정확하게, 링 (17) 은 플랜지 (15) 의 외부면에 배치된 치형부 (42, 43) 세트와 협력작동하는 치형부 (40, 41) 세트를 구비한다. 하나 이상의 핀들 (44) 은 플랜지 (15) 에 링 (17) 조립체가 고정될 수 있도록 허용한다. 바람직하게, 링은 플랜지 (15) 에서 링 (17) 의 재밍 (jamming) 을 방지하도록 적어도 2 개의 핀들, 또는 심지어 적어도 3 개의 핀들을 구비한다. 우수한 구성은 도 6 에서 상세히 도시된 치형부 (40) 계열의 각 치형부 사이에 핀을 배치하는 것으로 이루어진다.

도 6 은 링 (17) 과 플랜지 (15) 의 단면도이고, 치형부 (40, 41, 42, 43) 계열의 전개도이다. 도 6 을 참조하면, 링 (17) 은 제 1 계열 (40) 의 4 개의 치형부 (40A, 40B, 40C, 40D), 및 제 2 계열 (41) 의 4 개의 치형부 (41A, 41B, 41C, 41D) 를 포함한다. 플랜지 (15) 는 제 1 계열 (42) 의 4 개의 치형부 (42A, 42B, 42C, 42D), 및 제 2 계열 (43) 의 4 개의 치형부 (43A, 43B, 43C, 43D) 를 포함한다. 계열당 치형부의 개수는 예를 들어 계열당 2 ~ 8 개일 수 있다. 치형부 계열의 개수는 요소 (15, 17) 당 1 개 계열로 감소되거나, 예를 들어 3 개 또는 4 개 계열로 증가될 수 있다.

링 (17) 및 플랜지 (15) 로 구성된 각각의 요소에 대해, 치형부는 일 계열에서 다음 계열로 각 오프셋되고 그것은 동일한 반경의 원주면들에 내접된다. 제 1 및 제 2 계열의 치형부 (40, 41) 는 반경 (Rl) 의 실린더에 내접한다. 제 1 및 제 2 계열의 치형부 (42, 43) 는 반경 (Rl) 을 초과하는 반경 (R2) 의 실린더에 내접한다. 대안적으로, 치형부 (40, 41, 42, 43) 계열은 전술한 대로 장부들 (31, 32, 33, 34) 과 유사한 구성에 따라 상이한 반경의 실린더에 내접할 수 있다.

링 (17) 의 제 1 계열의 치형부 (40A, 40B, 40C, 40D) 는 베이어닛 조립체를 형성하도록 플랜지 (15) 의 제 1 계열의 치형부 (42A, 42B, 42C, 42D) 와 협력작동한다. 동시에, 링 (17) 의 제 2 계열의 치형부 (41A, 41B, 41C, 41D) 는 베이어닛 조립체를 형성하도록 플랜지 (15) 의 제 2 계열의 치형부 (43A, 43B, 43C, 43D) 와 협력작동한다. 각각의 핀 (44) 은 제 2 계열의 치형부 (41) 의 두 치형부 사이 링 (17) 을 통하여 구비된 구멍에 장착된다. 구멍과 핀 (44) 은 실린더형일 수 있다.

링 (17) 은 다음과 같은 연속 단계들을 수행함으로써 플랜지 (15) 에 장착될 수 있다:

- 치형부 (40) 가 치형부 (42) 와 접촉할 때까지 치형부 (40) 가 치형부 (43) 사이에 끼움장착되도록 축선 (AA') 을 따른 링 (17) 의 병진 운동에 의해 플랜지 (15) 주위에 링 (17) 을 맞물리게 하는 단계, 그 후

- 치형부 (41) 가 치형부 (42) 와 접촉할 때까지 치형부 (40) 가 치형부 (42) 사이에 끼움장착되고 치형부 (41) 가 치형부 (43) 사이에 끼움장착되도록, 링 (17) 을 피봇 회전시킨 후, 축선 (AA') 을 따라 링 (17) 을 병진 운동시키는 단계,

- 링 (17) 에서 핀(들) (44) 을 그것의 하우징으로 삽입하는 단계.

따라서, 플랜지 (15) 에서 링 (17) 의 축선 방향 고정은, 한편으로는 축선 (AA') 을 따라 링의 하강 병진 운동을 방지하는 치형부 (43) 에 접하는 핀(들) (44) (핀들 (44) 은 도 6 에서 치형부 (43B, 43D) 와 접할 수 있음) 에 의해, 그리고 다른 한편으로는 특히 커넥터 조립 작동과 관련하여 링과 다른 부분의 충돌을 통하여 발생할 수도 있는 축선 (AA') 을 따른 링 (17) 의 임의의 상승 병진 운동을 방지하는 치형부 (42) 에 대향하는 치형부 (41) 에 의해 제공된다.

바람직하게, 링 (17) 을 장착하기 위한 치형부 (40, 41), 플랜지 (15) 의 치형부 (42, 43) 는 각각 동수이고, 그것은 커넥터가 고정 모드일 때, 즉 폐쇄되었을 때, 하중이 한편으로는 치형부 (40, 41) 를 통과하고 다른 한편으로는 장부들 (31, 32) 을 통과하지만, 핀들 (44) 을 통과하지 않도록 로킹 링 (17) 을 위한 장부들 (31, 32) 및 플랜지 (14) 의 장부들 (33, 34) 각각에 대향하여 위치 결정된다. 커넥터가 링 (17) 의 중량을 지지하기 위해서 "비고정" 모드로 있을 때 핀들이 참여한다. 따라서, 커넥터가 고정될 때, 치형부 (40, 41) 각각은 치형부 (42, 43) 에 놓여지고 동시에 크라운 (31) 의 장부들이 크라운 (33) 의 장부들과 대향하여 위치 결정되고 크라운 (32) 의 장부들은 크라운 (34) 의 장부들과 대향하여 위치 결정되도록 링 (17) 이 피봇 회전된다. 커넥터가 고정 위치에 있을 때, 링 (17) 은 치형부 (40, 41) 를 각각 플랜지 (15) 의 치형부 (42, 43) 와 접촉시킴으로써 축선 (AA') 방향으로 병진 운동이 고정된다. 링 (17) 은 크라운 (33) 의 장부들과 대향하여 위치 결정된 크라운 (31) 의 장부들 및 크라운 (34) 의 장부들과 대향하여 위치 결정된 크라운 (32) 의 장부들에 의해 축선 (AA') 의 다른 방향으로 병진 운동이 고정된다.

도 5 와 도 6 의 실시형태에 따른 링 (17) 은 가동 중 검사 (in-service inspection) 및 제어 작동을 받기 위해서 쉽게 분해될 수 있다. 링을 분해하기 위해서, 링 (17) 의 치형부의 너비 (X) 는 플랜지 (15) 의 2 개의 치형부 사이의 너비 (Y) 미만이다. 너비 (X, Y) 는, 축선 (AA') 의 중심에 있고 축선 (AA') 과 직각을 이루는 평면에 내접한 원에서, 링 (17) 과 플랜지 (15) 의 둘레에서, 각각 측정된다.

링 (17) 은 다음 연속 단계들을 수행함으로써 플랜지 (15) 로부터 분해될 수 있다:

- 링 (17) 으로부터 핀(들) (44) 을 제거하는 단계, 그 후

- 치형부 (40) 가 치형부 (43) 와 접촉하게 될 때까지 치형부 (40) 가 치형부 (42) 사이를 통과하고 치형부 (41) 가 치형부 (43) 사이를 통과하도록 링 (17) 을 피봇 회전시키고 이것을 축선 (AA') 을 따라 병진 운동시키는 단계, 그 후

- 링 (17) 이 플랜지 (15) 로부터 구속 해제될 때까지 치형부 (40) 가 치형부 (43) 사이를 통과하도록 링 (17) 을 피봇 회전시키고 이것을 축선 (AA') 을 따라 병진 운동시키는 단계.

보조 라인 요소 (11) 는 그것의 각 단부에서 메인 관 (10) 에 고정된다. 다시 말해서, 라이저 섹션 (1) 은 그것의 각 단부에 도 2 에서 개략적으로 도시된 체결 수단 (20, 21) 을 포함하여, 보조 라인 요소 (11) 가 메인 관 (10) 에 축선 방향으로 링크될 수 있게 한다. 본 발명에 따르면, 수단 (20, 21) 은 종방향 응력이 메인 관 (10) 으로부터 요소들 (11) 로 전달될 수 있도록 한다. 따라서, 이들 체결 수단 (20, 21) 은 라이저 파이프의 각 섹션에 가해진 인장 응력이 메인 관 (10) 과 보조 라인 요소들 (11) 에 분배되도록 한다.

도 3 을 참조하면, 암형 커넥터 수단 (12) 을 구비한 섹션 단부의 레벨에서, 메인 관 (10) 은 보조 라인 요소 (11) 가 미끄러질 수 있는 실린더형 통로를 포함하는 쇼울더 또는 플랜지 (14) 를 연장부로서 가진다. 보조 관 요소 (11) 는 플랜지 (14) 에 대해 축선 방향으로 요소 (11) 를 위치 결정하도록 된, 스러스트 (22), 예를 들어 너트 또는 쇼울더를 포함한다. 메인 관 (10) 에 요소 (11) 를 장착할 때, 요소 (11) 의 스러스트 (22) 는 강성 링크를 형성하도록 플랜지 (14) 에 대해, 예를 들어 실린더형 통로에 구비된 축선 방향 쇼울더 (23) 에 대해 놓여진다.

수형 커넥터 수단 (13) 을 구비한 섹션 단부의 레벨에서, 메인 관 (10) 은 보조 라인 요소 (11) 가 미끄러질 수 있는 실린더형 통로를 포함하는 쇼울더 또는 플랜지 (15) 를 연장부로서 가진다. 보조 라인 요소 (11) 는 플랜지 (15) 에 대해 축선 방향으로 요소 (11) 를 위치 결정하도록 된 스러스트 (24), 예를 들어 너트 또는 쇼울더를 포함한다. 메인 관 (10) 에 요소 (11) 를 장착할 때, 요소 (11) 의 스러스트 (24) 는 강성 링크를 형성하도록 플랜지 (15) 에 대해, 예를 들어 실린더형 통로에 구비된 축선 방향 쇼울더 (25) 에 대해 놓여진다.

플랜지들 (14, 15) 은, 플랜지 (14) 의 둘레에 배치된 치형부를 제외하고, 축선 (AA') 둘레에 회전부 (revolution) 의 형상을 가진다. 플랜지들 (14, 15) 은 각각 쇼울더를 형성하도록 관의 두께와 외부 섹션을 증가시키면서 메인 관 요소들 (10) 의 연장부를 형성한다. 바람직하게, 플랜지들 (14, 15) 의 외부 섹션은 커넥터 (5) 의 기계적 강도를 약화시킬 쇼울더들과 관 (10) 사이의 급격한 섹션 변화를 피하기 위해서 축선 (AA') 을 따라 점진적으로 바뀐다.

스러스트들 (22, 23) 로 이루어진 체결 수단 (20) 은 메인 관 (10) 에 대해 일 방향으로 요소 (11) 의 축선 방향 병진 운동을 고정할 수 있게 한다. 스러스트들 (24, 25) 로 이루어진 체결 수단 (21) 은 메인 관에 대해 반대 방향으로 요소 (11) 의 축선 방향 병진 운동을 고정할 수 있게 한다. 체결 수단들 (20, 21) 의 조합은 요소 (11) 가 메인 관 요소 (10) 에 대해 완전히 고정될 수 있게 한다. 따라서, 파이프 (1) 에 의해 가해진 종방향 응력을 받을 때, 메인 관 요소 (10) 와 함께, 요소들 (11) 이 참여된다.

보조 라인 요소들 (11) 에 전달된 종방향 응력을 견디도록 플랜지들 (14, 15) 의 형상 및 특히 두께가 결정된다.

보조 라인 요소들 (11) 은 연결부들에 의해 단부끼리 연결된다. 연결부는 요소 (11) 의 일 단부에 배치된 수형 단부 부분 (26) 및 요소 (11) 의 타 단부에 배치된 암형 단부 부분 (27) 으로 구성된다. 수형 단부 부분 (26) 은 다른 요소 (11) 의 암형 단부 부분 (27) 과 긴밀하게 협력작동한다. 예를 들어, 연결부의 수형 요소 (26) 는 다른 관형 부분 (27) 으로 끼움장착되는 관형 부분이다. 암형 단부 부분 (27) 의 내부면은 수형 단부 부분 (26) 의 외부면에 맞추어진다. 조인트는 밀착 링크를 제공하도록 암형 요소 (27) 의 내부면에 기계가공된 슬롯에 장착된다. 연결부는 두 요소 사이에 밀착 링크를 유지하면서 다른 요소에 대한 하나의 요소 (11) 의 축선 방향 이동을 허용한다.

관 요소들 (11) 은 제조 공차 때문에 메인 관 (10) 과 관 요소들 (11) 사이 길이 차이를 조정하기 위한 장치를 구비할 수 있다. 예를 들어, 너트 (35) 는 스러스트 (25) 에 대한 스러스트 (24) 의 위치를 조정하도록 단부 부분 (26) 으로 나사결합된다.

도 7 은 본 발명에 따른 커넥터를 구비한 라이저 섹션의 단면도이다. 도 8 은 고정된 위치에서 도 7 에 따른 커넥터의 단면도이다. 도 2 의 도면 부호와 동일한 도 7 및 도 8 의 도면 부호는 동일한 요소들을 나타낸다.

도 7 및 도 8 을 참조하면, 보조 라인 요소 (50) 는 양 단부에서 플랜지들 (14, 15) 을 통하여 메인 관 (10) 에 고정된다. 요소 (50) 는 암형 부분 (50C) 과 수형 연결 부분 (50B) 을 단부에 구비한 관 (50A) 으로 이루어진다. 부분들 (50B, 50C) 은 관 (50A) 에 용접될 수 있다. 부분 (50B) 은 밀착 링크를 형성하도록 부분 (50C) 에 끼움장착되기에 적합하다. 요소 (50) 가 플랜지 (15) 의 스러스트 (52) 에 대해 놓여지도록 리셉터클 부분 (50C) 은 플랜지 (15) 를 통하여 구비된 통로 (51) 에 장착된다. 스러스트 (52) 는 보조 라인 연결 작동을 용이하게 하기 위해서 부분 (50C) 에 측방향 변위 자유도를 제공하도록 평면일 수 있다. 부분 (50B) 은 그 외부면에 플랜지 (14) 에서 통로 (53) 에 구비된 나사산 (54) 과 협력작동하는 나사산을 구비한다. 따라서, 연결 부분 (50B) 은 나사결합에 의해 통로 (53) 에 장착된다.

라이저 섹션에 관 요소 (50) 를 장착하도록, 요소 (50) 는 부분 (50B) 을 가지는 통로 (52) 를 통하여 전진 이송된다. 그 후, 요소 (50C) 의 쇼울더가 플랜지 (15) 의 스러스트 (52) 에 접할 때까지 요소 (50) 의 부분 (50B) 은 플랜지 (14) 의 통로 (53) 로 나사결합된다. 그러면, 요소 (50) 는 수단 (55), 예를 들어 칼라를 체결함으로써 관 (10) 에 대해 회전 고정된다.

보조 라인 요소 (60) 는 양 단부에서 플랜지들 (14, 15) 을 통하여 메인 관 (10) 에 고정된다. 요소 (60) 는 암형 부분 (60C) 과 수형 연결 부분 (60B) 을 단부에 구비한 관 (60A) 으로 이루어진다. 부분들 (60B, 60C) 은 관 (60A) 에 용접될 수 있다. 부분 (60B) 은 밀착 링크를 형성하도록 부분 (60C) 으로 끼움장착되기에 적합하다. 요소 (60) 가 플랜지 (15) 의 스러스트 (62) 에 대해 놓여지도록 암형 부분 (60C) 은 플랜지 (15) 를 통하여 구비된 통로 (61) 에 장착된다. 부분 (60B) 은 스러스트 및 쇼울더 시스템에 의해 너트 (63) 에 고정된다. 너트 (63) 의 외부면에는 나사산이 있다. 너트 (63) 는 플랜지 (14) 에서 통로 (64) 에 구비된 나사산 (65) 과 협력작동한다. 따라서, 연결 부분 (60B) 은 너트 (63) 를 나사결합함으로써 통로 (64) 에 장착된다.

라이저 섹션에 관 요소 (60) 를 장착하도록, 요소 (60) 는 너트 (63) 를 구비한 부분 (60B) 을 가지는 통로 (61) 를 통하여 전진 이송된다. 그 후, 요소 (60C) 의 쇼울더가 플랜지 (15) 의 스러스트 (62) 에 접할 때까지 요소 (60) 의 너트 (63) 는 플랜지 (14) 의 통로 (64) 안으로 나사결합된다. 그러면, 요소 (60) 는 수단 (55), 예를 들어 칼라를 체결함으로써 관 (10) 에 대해 회전 고정된다.

도 9 는 본 발명에 따른 커넥터를 구비한 라이저 섹션의 단면도이다. 도 2 의 도면 부호와 동일한 도 9 의 도면 부호는 동일한 요소들을 나타낸다.

도 9 를 참조하면, 보조 라인 요소 (80) 는 양 단부에서 플랜지들 (14, 15) 을 통하여 메인 관 (10) 에 고정된다. 요소 (80) 는 암형 부분 (80B) 과 리셉터클 부분 (80C) 을 단부에 구비한 관 (80A) 으로 이루어진다. 부분들 (80B, 80C) 은 관 (80A) 에 용접될 수 있다. 부분들 (80B, 80C) 은 밀착 링크를 형성하도록 관형 단부 부분 (83) 과 협력작동한다. 요소 (80) 가 플랜지 (14) 의 스러스트 (82) 에 대해 놓여지도록 플랜지 (14) 를 통하여 구비된 통로 (81) 에 암형 부분 (80B) 이 장착된다. 리셉터클 부분 (80C) 은 그 내부면에 단부 부분 (83) 에 부분적으로 구비된 나사산 (84) 과 협력작동하는 나사산을 구비한다. 단부 부분 (83) 의 다른 부분은 플랜지 (15) 에 구비된 통로 (87) 에 형성된 스러스트 (86) 와 협력작동하는 너트 (85) 가 나사결합되는 나사산을 포함한다. 스러스트 (86) 는 보조 라인 연결 작동을 용이하게 하기 위해서 부분 (83) 에 측방향 변위 자유도를 제공하도록 평면일 수 있다.

라이저 섹션에 관 요소 (80) 를 장착하기 위해서, 단부 부분 (83) 을 구비한 요소 (80) 는 통로 (81) 를 통하여 이송된다. 그 후, 부분 (80) 이 스러스트 (82) 에 대해 놓여지고 너트 (85) 가 쇼울더 (86) 에 접할 때까지 너트 (85) 는 단부 부분 (83) 으로 나사결합된다. 그러면 요소 (80) 는 수단 (88), 예를 들어 칼라를 체결함으로써 관 (10) 에 대해 회전 고정된다.

보조 라인 요소 (90) 는 양 단부에서 플랜지들 (14, 15) 을 통하여 메인 관 (10) 에 고정된다. 요소 (90) 는 암형 리셉터블 부분 (90B) 과 암형 리셉터클 부분 (90C) 을 단부에 구비한 관 (90A) 으로 이루어진다. 부분들 (90B, 90C) 은 관 (90A) 에 용접될 수 있다. 리셉터클 부분 (90B) 은 밀착 링크를 형성하도록 관형 암형 단부 부분 (91) 과 협력작동한다. 암형 단부 부분 (91) 은 리셉터클 부분 (90B) 에 나사결합된다. 단부 부분 (91) 의 쇼울더가 플랜지 (14) 의 스러스트 (93) 에 놓여지도록 단부 부분 (91) 은 플랜지 (14) 를 통하여 구비된 통로 (92) 에 장착된다. 리셉터클 부분 (90C) 은 밀착 링크를 형성하도록 관형 수형 단부 부분 (94) 과 협력작동한다. 수형 단부 부분 (94) 은 밀착 링크를 형성하도록 암형 단부 부분 (91) 으로 끼움장착되기에 적합하다. 단부 부분 (94) 은 리셉터클 부분 (90C) 에 나사결합된다. 단부 부분 (94) 의 쇼울더가 플랜지 (15) 의 스러스트 (95) 에 대해 놓여지도록 단부 부분 (94) 은 플랜지 (15) 를 통하여 구비된 통로 (96) 에 장착된다. 스러스트 (95) 는 보조 라인 연결 작동을 용이하게 하기 위해서 부분 (96) 에 측방향 변위 자유도를 제공하도록 평면일 수 있다.

라이저 섹션에 관 요소 (90) 를 장착하기 위해서, 요소 (90) 는 플랜지들 (14, 15) 사이에 단부 부분들 (91, 94) 없이 배치된다. 그 후, 단부 부분 (94) 이 스러스트 (95) 에 대해 놓여질 때까지 단부 부분 (94) 은 리셉터클 (90C) 로 나사결합되고 단부 부분 (91) 이 스러스트 (93) 에 대해 놓여질 때까지 단부 부분 (91) 은 리셉터클 (90B) 로 나사결합된다. 그러면, 요소 (90) 는 수단 (88), 예를 들어 칼라를 체결함으로써 관 (10) 에 대해 회전 고정된다.

플랜지들 (14, 15) 의 외주연에 로킹 링 (17) 을 배치하는 것은 메인 관 (10) 및 보조 관 (11) 의 요소들의 보다 콤팩트한 레이아웃을 허용한다. 결과적으로 링 (17) 에 대해 메인 관 (10) 과 요소들 (11) 의 간격을 제한할 수 있다. 따라서, 요소들 (11) 과 링 (17) 및 관 (10) 과 링 (17) 사이의 거리를 감소시키는 것은 플랜지들 (14, 15) 에 가해진 굽힘 응력을 최소화할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 라이저 파이프를 간단하고 신속하게 장착하기 위한 흥미로운 해결책을 제공하는데 라이저 파이프의 인장 응력은 보조 관 요소들과 메인 관에 분배된다. 사실상, 보조 관 요소들 (11) 과 메인 관 요소 (10) 가 함께 파이프에 의해 가해진 인장 응력을 견디도록 장착될지라도, 라이저 파이프 섹션을 다른 라이저 파이프 섹션에 연결하는 것은 링 (17) 을 회전시킴으로써 단일 작동으로 달성된다. 이런 연결은 섹션의 메인 관 요소 및 다른 섹션의 요소의 연통 및 밀봉을 허용하고, 동시에 섹션들 중 하나의 보조 라인 요소들 및 다른 섹션의 요소들의 연통 및 밀봉을 허용한다.

다음 작동은 본 발명에 따른 커넥터의 연결을 달성하기 위해서 수행될 수 있다.

작동 1

링 (17) 은 로킹 시스템에 의해 개방 위치에서 유지된다.

섹션의 수형 요소 (13) 는 다른 섹션의 암형 요소 (12) 를 마주본다. 예를 들어, 암형 요소 (12) 는 핸들링 테이블로부터 매달려 있고 요소 (13) 는 호이스트 수단에 의해 작동된다.

요소 (16) 의 후방 단부로 이루어진 수형 요소 (13) 의 단부는 링 (17) 으로부터 축선 방향으로 돌출해 있고 암형 요소 (12) 로 맞물린다. 보조 라인 요소들 (11) 의 위치는 요소 (13) 가 요소 (12) 에 대해 각도상 위치 결정될 수 있게 한다.

작동 2

두 요소들이 서로 끼움장착되어 접할 때까지 수형 요소 (13) 는 암형 요소 (12) 에서 종방향으로 미끄러진다.

요소 (13) 가 요소 (12) 에 끼움장착될 때, 한편으로는, 링 (17) 의 장부들은 전술한 대로 플랜지 (14) 의 장부들 사이로 미끄러지고, 다른 한편으로는 요소들 (11) 의 수형 단부 부분들 (26) 은 요소들 (11) 의 암형 단부 부분들 (27) 내부로 침투한다.

작동 3

요소 (13) 가 요소 (12) 에 완전히 끼움장착될 때, 로킹 시스템에 작용함으로써 링 (17) 은 회전 해제되고, 그 후 링 (17) 은 커넥터 축선 둘레에서 피봇 회전된다. 폐쇄 위치에 도달할 때까지, 즉 링 (17) 의 장부들이 플랜지 (14) 의 장부들에 대향하여 위치 결정될 때까지 링 (17) 의 회전이 수행된다. 로킹 시스템은 링의 회전을 제한할 수 있다.

링 (17) 이 폐쇄 위치에 있을 때, 로킹 시스템에 작용함으로써 링은 플랜지 (14) 에 대해 고정된다.

작동 4

따라서, 전체 라이저 파이프가 들어올려지는데, 이것은 인장하에 커넥터를 배치하고 작동 간극을 줄이는 효과를 가진다: 링 (17) 의 크라운들 (31, 32) 의 장부들은 플랜지 (14) 의 크라운들 (33, 34) 의 장부들과 효과적으로 접촉하게 된다.

또한, 3,500 m 이상에 달하는 깊이에서 작동할 수 있는 라이저를 생산하기 위해서, 메인 관 (10) 및/또는 보조 라인들 (11) 은 금속 관 요소들로 만들어질 수 있는데 이것의 저항은 폴리머 매트릭스로 코팅된 섬유로 만들어진 복합재 후프 (composite hoops) 에 의해 최적화된다.

관 후핑 기술 (tube hooping technique) 은 문헌 FR-2,828,121 (US 6,895,806), FR-2,828,262 (US 6,536,480) 및 US-4,514,254 에 기술한 대로 금속 관형체 둘레에 복합재 스트립을 인장하에 권취하는 것으로 이루어질 수 있다.

스트립은 섬유, 예를 들어 유리, 탄소 또는 아라미드 섬유로 이루어지고, 섬유는 폴리아미드와 같은, 열가소성 또는 열경화성 폴리머 매트릭스로 코팅된다.

셀프-후핑 (self-hooping) 으로 알려진 기술이 또한 사용될 수 있는데, 이것은 금속체에서 탄성 한계를 초과하도록 유발하는 압력에서 관의 유압 시험 중 후프 응력을 생성하는 것으로 이루어진다. 다시 말해서, 복합 재료로 만들어진 스트립은 관형 금속체 둘레에 권취된다. 권취 작동 중, 스트립은 금속 관에 응력을 유도하지 않거나 단지 매우 낮은 응력만 유도한다. 그러면, 금속체가 소성 변형하도록 미리 정해진 압력이 금속체 내부에 가해진다. 영 (zero) 의 압력으로 복귀한 후, 잔류 압축 응력이 금속체에 잔류하고 인장 응력은 복합재 스트립에 잔류한다.

바람직하게 강으로 만들어진 금속 관형체 둘레에 권취된 복합 재료의 두께는 종래 기술에 따라 압력과 인장 응력을 견디도록 관에 요구되는 후프 전응력 (hoop prestress) 에 따라 결정된다.

다른 실시형태에 따르면, 메인 관 및 보조 라인들을 구성하는 관 요소들 (10 및/또는 11) 은 알루미늄 합금으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, ASTM (미국 재료 시험 협회 규격) 레퍼런스 1050, 1100, 2014, 2024, 3003, 5052, 6063, 6082, 5083, 5086, 6061, 6013, 7050, 7075, 7055 의 알루미늄 합금 또는 ALCOA 사에 의해 레퍼런스 번호 C405, CU31, C555, CU92, C805, C855, C70H 로 시판되는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.

대안적으로, 메인 관 및 보조 라인들을 구성하는 관 요소들 (10 및/또는 11) 은 폴리머 매트릭스로 코팅된 섬유로 이루어진 복합 재료로 만들어질 수 있다. 섬유는 탄소, 유리 또는 아라미드 섬유일 수 있다. 폴리머 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리아미드 (특히 PA11, PA6, PA6-6 또는 PA12), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 또는 폴리불화비닐리덴 (PVDF) 과 같은 열가소성 재료일 수 있다. 폴리머 매트릭스는 또한 에폭시와 같은 열경화성 재료로 만들어질 수 있다.

대안적으로, 메인 관 및 보조 라인들을 구성하는 관 요소들 (10 및/또는 11) 은 티탄 합금으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, Ti-6-4 티탄 합금 (적어도 85 중량% 티탄, 약 6 중량% 알루미늄 및 4 중량% 바나듐을 포함하는 합금) 또는 약 6 중량% 알루미늄, 6 중량% 바나듐, 2 중량% 주석 및 적어도 80 중량% 티탄을 포함하는 Ti-6-6-2 합금이 사용될 수 있다.