Offshore-Ölübergabestation mit einem drehbar gelagerten Verankerungszylinder Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Wälzlagerdrehverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Offshore-Ölübergabestation (auch bekannt als Schwimmende Produktions- und La gereinheit engl. Floating Production Storage and Offloading Unit (FPSO)) mit einem drehbar gelagerten Verankerungszylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Wälzlagerdrehverbindungen, insbesondere Drehverbindungen mit Großwälzlagern, sind in vielen technischen Anwendungsgebieten für die Funktion der jeweiligen Anlage kritische Hauptkomponenten. Ein Defekt oder Ausfall des Wälzlagers führt häufig zu einem Gesamt ausfall der Anlage bis das Wälzlager ersetzt worden ist. Insbesondere in Regionen mit schlechter Infrastruktur ist ein Austausch der Wälzlager oft gar nicht möglich. Dies trifft insbe sondere auf den Einsatz von Großwälzlagern zur Lagerung des Verankerungszylinders einer Offshore-Ölübergabestation zu.

Aus DE 26 34 776 C3 ist eine mittenfreie, vertikalachsige Wälzlagerdrehverbindung für die Lagerung von Schwenk- oder Rotationsgeräten mit mehreren Wälzkörperreihen zur Aufnah me von Axial-, Radial und Kippkräften bekannt, in der zwei mehrreihige Wälzlagerdrehver bindungen konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei jeweils nur eine der beiden Wälzlagerdrehverbindungen über einen aus mehreren Teilstücken bestehenden, auf dem je weiligen Oberteil der Wälzlagerdrehverbindung aufgelegten Tragring mit dem Geräteaufbau verbunden ist. Bei dieser Wälzlagerdrehverbindung kann die Funktion der Lagerung bei ei nem aufgetretenen Lagerschaden ohne Austausch der beschädigten Teile und somit auch ohne Demontage von Geräteteilen durch das Umlegen der Tragringteilstücke wieder in vol lem Umfang hergestellt werden. Nachteilig ist, dass zum Umlegen der Tragringteilstücke der Aufbau des Schwenk- oder Rotationsgerätes mit Hydraulikhebern angehoben werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wälzlagerdrehverbindung und eine Offshore-Öl übergabestation mit einem drehbar gelagerten Verankerungszylinder zu schaffen, deren Funktion im Falle eines Lagerschadens besonders einfach und mit nur kurzer Ausfallzeit wie derhergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlagerdrehverbindung mit den Merkmalen des An spruchs 1 und eine Offshore-Ölübergabestation mit einem drehbar gelagerten Veranke rungszylinder mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Hierdurch wird eine Wälzlagerdrehverbindung geschaffen, die eine untere und eine obere Anschlusskonstruktion umfasst, zwischen denen ein erstes Wälzlager und ein zweites Wälz lager konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die beiden Wälzlager weisen jeweils min destens zwei Wälzlagerringe und mindestens eine Reihe von zwischen den Wälzlagerringen auf Wälzlagerlaufbahnen abrollbaren Wälzkörpern auf. Die Wälzlagerringe sind jeweils einer der Anschlusskonstruktionen zugeordnet und an dieser lösbar befestigbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die obere Anschlusskonstruktion eine Stützfläche zur Abstützung auf einer oberen Befestigungsfläche des ersten Wälzlagers und eine Haltefläche zur Zusammen wirkung mit einer unteren Befestigungsfläche des zweiten Wälzlagers aufweist. Die obere Anschlusskonstruktion umgreift die beiden Wälzlager dabei derart, dass die Haltefläche im abgestützten Zustand der oberen Anschlusskonstruktion der unteren Befestigungsfläche des zweiten Wälzlagers gegenüberliegt.

Durch die die Wälzlager zumindest teilweise umgreifende Ausbildung der oberen Anschluss konstruktion mit einer Stützfläche und einer Haltefläche kann die obere Anschlusskonstrukti on in einem ersten Betriebszustand abstützend am ersten Wälzlager und in einem zweiten Betriebszustand hängend am zweiten Wälzlager montiert werden. Durch die Wahl des Be festigungspunktes der oberen Anschlusskonstruktion am ersten oder am zweiten Wälzlager kann das jeweils andere Wälzlager von axialen, auf die Wälzlagerdrehverbindung wirkenden Lasten entlastet werden. Insbesondere ist eine Umlastung zwischen dem ersten und dem zweiten Wälzlager möglich, ohne dass beide Wälzlager zwischenzeitlich von der Belastung, beispielsweise durch eine Hebevorrichtung, wie einen Kran, entlastet werden müssten. Wäh rend der Umlastung durchläuft der von der axialen Belastung hervorgerufene Kraftfluss dem nach mindestens eines der beiden Wälzlager. Bei einem Lagerschaden oder Verschleiß des ersten Wälzlagers kann die Funktionsfähigkeit der Anlage somit durch einen Wechsel des Befestigungspunktes wiederhergestellt werden. Die beiden Wälzlager bilden somit ein redun dantes Lagersystem aus, bei dem bei bestehender Belastung eine Umlastung zwischen den Wälzlagern auf einfache Weise möglich ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Wälzlagerdrehverbindung zeigen sich besonders bei solchen Anwendungsgebieten, bei denen hohe Lasten über große Lager übertragen werden müssen, da in einem solchen Fall eine Entlastung der Drehverbindung zur Durchführung ei ner Umlastung zwischen erstem und zweitem Lager vor Ort oftmals gar nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist. Zur Aufnahme solcher Lasten sind das erste und das zweite Wälzlager daher vorzugsweise als mindestens dreireihige Rollendrehverbindungen ausgebil det. Dreireihige Rollendrehverbindungen weisen jeweils eine Tragrollen-, eine Radialrollen- und eine Halterollenreihe von zwischen den Wälzlagerringen abrollbaren Wälzkörpern auf.

Vorzugsweise sind die Wälzlager der Wälzlagerdrehverbindung Großwälzlager. Insbesonde re können das erste und das zweite Wälzlager einen Durchmesser von mindestens 3 Me tern, und bevorzugt von mindestens 10 Metern aufweisen. Die Wälzlagerringe des ersten und zweiten Wälzlagers sind vorzugsweise segmentiert ausgebildet. Vorzugsweise sind bei de Wälzlager jeweils für die Übertragung der gesamten zu erwartenden Last ausgelegt.

Im abgestützten Zustand der oberen Anschlusskonstruktion liegt die Haltefläche der unteren Befestigungsfläche des zweiten Wälzlagers bevorzugt mit einem axialen Spiel gegenüber. Durch das axiale Spiel wird eine Krafteinleitung in das zweite Wälzlager im abgestützten Zu stand der oberen Anschlusskonstruktion wirksam vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die obere Anschlusskonstruktion mit mindestens einem zugeordneten Ring des zweiten Wälzlagers unter Verlagerung des axialen Spiels zwi schen die Stützfläche und die obere Befestigungsfläche des ersten Wälzlagers verschraub bar. Das Verschrauben ist für den Fall eines Lagerschadens des ersten Wälzlagers vorgese hen. In diesem Fall wird die obere Anschlusskonstruktion von dem ersten Wälzlager zu nächst gelöst und durch das Verschrauben der oberen Anschlusskonstruktion mit mindes tens einem Ring des zweiten Wälzlagers kann die obere Anschlusskonstruktion dann um das axiale Spiel angehoben werden, so dass die Haltefläche mit der unteren Befestigungsfläche des zweiten Wälzlagers in Kontakt kommt. Anschließend wird die gesamte axiale Last über die hängend montierte, obere Anschlusskonstruktion in das zweite Wälzlager eingeleitet. Die Wiederherstellung der Funktionalität der Wälzlagerdrehverbindung ist somit mit besonders einfachen Mitteln erreichbar. Das zweite Wälzlager kann auf diese Weise als redundantes Ersatzteil vormontiert vorgehalten und im Bedarfsfall eingesetzt werden. Das defekte erste Wälzlager ist vollständig entlastbar, um es vor Ort teilweise oder vollständig durch neue Bau teile zu ersetzen.

Bis zum Einsatz des zweiten, redundant vorgehaltenen Wälzlagers können unter Umständen viele Jahre vergehen. Zur Vermeidung von Stillstandskorrosion im Wälzkontakt ist dort ein regelmäßiger Austausch des Schmierstoffes wünschenswert. Dieser Austausch kann bei spielsweise über eine Mitdrehung des redundanten, zweiten Wälzlagers im unbelasteten Zu stand erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind deshalb Kopplungsmittel vorge sehen, mittels derer im abgestützten Zustand der oberen Anschlusskonstruktion zumindest ein Wälzlagerring des zweiten Wälzlagers unter Aufrechterhaltung des axialen Spiels mit der oberen Anschlusskonstruktion formschlüssig koppelbar ist. Alternativ kann ein separater An trieb vorgesehen sein, um das zweite Wälzlager im unbelasteten Zustand zu bewegen. Der Antrieb kann beispielsweise ein Motor oder Hydraulikzylinder sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat zumindest eine Wälzkörperreihe des zweiten La gers, die zur Aufnahme axialer Belastungen vorgesehen ist, eine Wälzlagerlaufbahn mit ei ner gehärteten Laufbahnplatte, die an dem zugeordneten Wälzlagerring in axialer Richtung federvorgespannt gelagert ist. Durch die Federvorspannung der Wälzlagerlaufbahnen kann die Vorspannung im Laufsystem des Wälzlagers erhöht werden, um ein Abrollen der Wälz körper im unbelasteten Lager sicherzustellen.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Offshore-Ölübergabestation mit einem drehbar ge lagerten Verankerungszylinder zur Verankerung am Meeresboden, der in der Ölübergabe station mit einer vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Wälzlagerdrehverbindung gelagert ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Un teransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Wälzlagerdrehverbindung in einer geschnittenen Darstellung,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Detaildarstellung der Wälzlagerdrehverbindung ge mäß Fig. 1 , bei der das zweite Wälzlager mittels eines Mitnehmerbolzens mit der oberen Anschlusskonstruktion formschlüssig gekoppelt ist, Fig. 3 zeigt schematisch den vorderen Querschnitt einer Offshore-Ölübergabesta- tion mit einem mittels einer erfindungsgemäßen Wälzlagerdrehverbindung gelagerten Verankerungszylinder.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wälzlagerdrehverbin dung 1 gezeigt. Die Wälzlagerdrehverbindung 1 umfasst eine untere Anschlusskonstruktion 2 und eine obere Anschlusskonstruktion 3. Zwischen den Anschlusskonstruktionen 2, 3 sind ein erstes Wälzlager 4 und ein zweites Wälzlager 5 konzentrisch zueinander angeordnet. Die Wälzlager 4, 5 weisen daher eine gemeinsame Drehachse A auf, die vorzugsweise im We sentlichen vertikal angeordnet ist. Die Wälzlager 4, 5 weisen jeweils mindestens zwei Wälz lagerringe 6, 7, 8; 9, 10, 11 und mindestens eine Reihe 12, 13, 14 von zwischen den Wälzla gerringen 6, 7, 8; 9, 10, 11 auf Wälzlagerlaufbahnen 15, 16 abrollbaren Wälzkörpern auf.

Die Wälzlagerringe 6, 7, 8; 9, 10, 11 sind jeweils einer der Anschlusskonstruktionen 2, 3 zu geordnet und an dieser lösbar befestigbar. In dem dargestellten Betriebszustand der Wälzla gerdrehverbindung 1 sind zumindest die Wälzlagerringe 6, 7, 8 des belasteten, ersten Wälz lagers 4 fest mit den zugeordneten Anschlusskonstruktionen 2, 3 verbunden. Die Befesti gung an der oberen Anschlusskonstruktion 3 erfolgt vorzugsweise mittels Befestigungs schrauben 25, die durch Befestigungsbohrungen an den Wälzlagerringen 7, 8 des ersten Wälzlagers 4 und an der oberen Anschlusskonstruktion 3 hindurchgesteckt und beidseitig verschraubt sind. Die beiden jeweils zweiteilig mit einem Basisring 21 ausgebildeten, der un teren Anschlusskonstruktion 2 zugeordneten Wälzlagerringe 6, 9 sind mittels Befestigungs schrauben 26 mit der unteren Anschlusskonstruktion 2 verschraubt. Die Befestigungsschrau ben 26 greifen in Befestigungsbohrungen der Wälzlagerringe 6, 9 ein, die vorzugsweise ein Innengewinde aufweisen.

Die obere Anschlusskonstruktion 3 weist eine Stützfläche 17 zur Abstützung auf einer obe ren Befestigungsfläche 19 des ersten Wälzlagers 4 auf. In Fig. 1 ist der abgestützte Zustand gezeigt, bei dem die Stützfläche 17 unmittelbar auf der oberen Befestigungsfläche 19 aufliegt und so axiale Belastungen der oberen Anschlusskonstruktion 3 in das erste Wälzlager 4 ein- tragbar sind. Die obere Anschlusskonstruktion 3 weist ferner eine Haltefläche 18 zur Zusam menwirkung mit einer unteren Befestigungsfläche 20 des zweiten Wälzlagers 5 auf. Die obe re Anschlusskonstruktion 3 umgreift die beiden Wälzlager 4, 5 derart, dass die Haltefläche 18 im abgestützten Zustand der oberen Anschlusskonstruktion 3 der unteren Befestigungs fläche des zweiten Wälzlagers 5, vorzugsweise mit einem axialen Spiel S, gegenüberliegt.

Die Wälzlager 4, 5 gemäß Fig. 1 sind als fünfreihige Rollendrehverbindungen ausgebildet, die jeweils zwei Tragrollenreihen 12, zwei Radialrollenreihen 13 und eine Halterollenreihe 14 aufweisen. Bei dieser mindestens dreireihigen Lagerbauart umgreifen jeweils ein Tragring 7, 10 und ein Haltering 8, 11 U-förmig einen Nasenring 6, 9, so dass neben Axialkräften auch Radialkräfte und Kippmomente aufgenommen werden können. Der Nasenring 6, 9 kann zweiteilig mit einem Basisring 21 ausgebildet sein.

Die jeweils zwei Radialrollenreihen 13 verringern insbesondere bei großen Belastungen auf tretende Ovalisierungen der Lager 4, 5. Die Wälzlager 4, 5 haben vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 10 Metern. Derartig große Wälzlager 4, 5 werden üblicherwei se mit segmentierten Wälzlagerringen ausgebildet, in die die Wälzlagerlaufbahnen 15, 16 als gehärtete Laufbahnplatten, oder im Falle der Radialbahnen als gehärtete Laufbahndrähte, eingelegt sind.

Zumindest eine Wälzkörperreihe 14 des zweiten Wälzlagers 5, die zur Aufnahme axialer Be lastungen vorgesehen ist, wie beispielsweise die Halterollenreihe 14, kann - wie in Fig. 1 dargestellt - eine Wälzlagerlaufbahn 16 mit einer gehärteten Laufbahnplatte haben, die an dem zugeordneten Wälzlagerring 11 in axialer Richtung federvorgespannt gelagert ist. Die Federvorspannung bewirkt zusätzlich zum Eigengewicht der Bauteile eine Spannung auf das Laufsystem, wodurch eine Rotation der Wälzkörper im unbelasteten Zustand sichergestellt werden kann, wenn die Lagerringe 10, 11 bewegt werden.

In dem in Fig. 1 gezeigten Betriebszustand der Wälzlagerdrehverbindung trägt das erste Wälzlager 4 die gesamte zwischen den Anschlusskonstruktionen 2, 3 auftretende axiale Be lastung. Das axiale Spiel S zwischen der oberen Anschlusskonstruktion 3 und dem zweiten Wälzlager 5 bewirkt, dass das zweite Wälzlager 5 vollständig von auf die Anschlusskonstruk tionen 2, 3 wirkenden Belastungen entlastet ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die obere Anschlusskonstruktion 3 mit den Wälzlagerringen 10, 11 des zweiten Wälzlagers 5 unter Verlagerung des axialen Spiels S zwischen die Stützfläche 17 und die obere Befestigungsfläche 19 des ersten Wälzlagers 4 verschraubbar. Hierfür sind im Bereich der Haltefläche 18 Durchgangsbohrungen 23 vorge sehen, die gegenüber Befestigungsbohrungen 24 in den Wälzlagerringen 10, 11 ausrichtbar sind, so dass die obere Anschlusskonstruktion 3 an den Wälzlagerringen 10, 11 durch Ein bringen von Befestigungsschrauben fixierbar ist.

In Fig. 2 ist eine Detaildarstellung der Wälzlagerdrehverbindung 1 gemäß Fig. 1 gezeigt, die den Bereich der sich mit einem axialen Spiel S gegenüberliegenden Haltefläche 18 und der unteren Befestigungsfläche 20 zeigt. Im Unterschied zu Fig. 1 ist in die Durchgangsbohrung 23 ein Kopplungsmittel 22 in Form eines Mitnehmerbolzens eingesetzt, das die Wälzlagerrin ge 10, 11 des zweiten Wälzlagers 5 unter Aufrechterhaltung des axialen Spiels S mit der oberen Anschlusskonstruktion 3 formschlüssig koppelt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Mitnehmerbolzen in ein Innengewinde der Durchgangsbohrung 23 eingeschraubt und weist ein radiales Spiel gegenüber der Wandung der Befestigungsbohrung 24 auf. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schraubeingriff des Mitnehmerbolzens auch im Bereich der Befesti gungsbohrung 24 erfolgen.

Im Folgenden wird die Montage der Wälzlagerdrehverbindung 1 gemäß Fig. 1 und 2 be schrieben:

Zunächst werden die untere Anschlusskonstruktion 2 und die obere Anschlusskonstruktion 3 bereitgestellt und die beiden Wälzlager 4, 5, vorzugsweise segmentweise, zwischen den bei den Anschlusskonstruktionen 2, 3 positioniert. Daraufhin wird das erste Wälzlager 4 mit der oberen Anschlusskonstruktion 3 und der unteren Anschlusskonstruktion 2 und das zweite Wälzlager 5 nur einseitig mit der unteren Anschlusskonstruktion 2 verschraubt. Optional kann die obere Anschlusskonstruktion 3 mit dem zweiten Wälzlager 5 über Kopplungsele mente 22, wie beispielsweise Mitnehmerbolzen, formschlüssig gekoppelt werden. Anschlie ßend kann die Wälzlagerdrehverbindung 1 in Betrieb genommen werden.

Im Falle eines Defektes des ersten Wälzlagers 4 kann wie folgt vorgegangen werden:

Zunächst werden die gegebenenfalls vorhandenen Kopplungselemente 22 demontiert und in die Befestigungsbohrungen 24 Befestigungsschrauben eingesetzt. Anschließend werden die Befestigungsschrauben 25, die das erste Wälzlager 4 an der oberen Anschlusskonstruktion 3 fixieren, gelöst und entfernt. Die Befestigungsschrauben in den Befestigungsbohrungen 24 des zweiten Wälzlagers 5 werden, vorzugsweise gleichmäßig, angezogen. Dabei wird das axiale Spiel S zwischen der Haltefläche 18 und der unteren Befestigungsfläche 20 aufgeho ben und die obere Anschlusskonstruktion 3 angehoben. Das axiale Spiel S verlagert sich so mit zwischen die Stützfläche 17 und die obere Befestigungsfläche 19 des ersten Wälzlagers 4. Nach dem Anziehen der Befestigungsschrauben ist das zweite Wälzlager 5 einsatzbereit und das erste Wälzlager 4 außer Betrieb gesetzt. Das erste Wälzlager 4 bleibt nachfolgend außer Betrieb und kann gegebenenfalls repariert oder demontiert werden.

Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann mindestens ein Distanzelement vorgesehen sein, das zwischen den Tragring und den Haltering des zweiten Wälzlagers ein gelegt ist. Das Distanzelement hat vorzugsweise im Wesentlichen die axiale Abmessung des axialen Spiels S. Bei eingelegtem Distanzelement sind der Tragring und der Haltering im Be reich der Haltefläche an der oberen Anschlusskonstruktion, vorzugsweise mittels Befesti gungsschrauben, lösbar befestigt. Durch die dann spielfreie Befestigung der Wälzlagerringe des axial unbelasteten, zweiten Wälzlagers an der oberen Anschlusskonstruktion können dessen Radialrollen vorteilhaft zur Aufnahme von Lasten genutzt werden, um radialen Ver formungen der Lagerringe entgegen zu wirken.

Auch wenn auf jeweils eine der beiden Radialrollenreihen in beiden Lagern gemäß Fig. 1 verzichtet wird, können die verbleibenden, einzelnen Radialrollenreihen beider Lager Zusam menwirken zur Aufnahme von radialen Belastungen in beiden Richtungen. Das Distanzele ment zwischen Tragring und Haltering hat die Funktion, die U-förmige Einfassung des Na senrings zu erweitern und so ein axiales Spiel im Bereich der Tragrollen- und der Halterollen reihe des zweiten Wälzlagers bereitzustellen. Das zweite Wälzlager kann so zur Aufnahme radialer Lasten beitragen, während es von axialen Belastungen entlastet bleibt.

Im Übrigen gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel für das zweite, nicht dargestellte Ausführungsbeispiel entsprechend.

Fig. 3 zeigt eine Offshore-Öl Übergabestation 100 mit einem drehbar gelagerten Veranke rungszylinder 110. Der Verankerungszylinder (engl.: turret) 110 ist über Verankerungen (engl.: morring lines) 111 am Meeresboden B verankert. Durch den Verankerungszylinder können Steigleitungen (engl.: riser)112 vom Meeresboden an Bord der Ölübergabestation 100 geführt werden. Der Verankerungszylinder 110 ist in der Ölübergabestation 100 mit ei ner Wälzlagerdrehverbindung 1 gemäß der vorstehenden Beschreibung gelagert. Bezugszeichenliste

1 Wälzlagerdrehverbindung

2 untere Anschlusskonstruktion

3 obere Anschlusskonstruktion

4 erstes Wälzlager

5 zweites Wälzlager

6, 7, 8, 9 Wälzlagerring 10 Wälzlagerring, Tragring 11 Wälzlagerring, Haltering 12 Wälzkörperreihe, Tragrollenreihe

13 Wälzkörperreihe, Radialrollenreihe

14 Wälzkörperreihe, Halterollenreihe

15, 16 Wälzlagerlaufbahn

17 Stützfläche

18 Haltefläche

19 obere Befestigungsfläche

20 untere Befestigungsfläche 21 Basisring 22 Kopplungsmittel

23 Durchgangsbohrung

24 Befestigungsbohrung

25, 26 Befestigungsschraube

100 Ölübergabestation

110 Verankerungszylinder

111 Verankerung

112 Steigleitung

A Drehachse

B Meeresboden

S axiales Spiel