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Verfahren zum Verlegen von Leitungen in große Tiefen unter Wasser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlegen von Leitungen in große Tiefen
unter Wasser, bei dem eine auf den Grund des Gewässers zu verlegende Rohrleitung
oder ein Kabel aus einzelnen Schüssen zusammengesetzt wird. Der bereits verlegten
Leitung werden Leitungsteile zugefügt, die in Kielräumen von Schiffen oder schwimmend
herangebracht werden. Es kann sich hierbei um Leitungsteile von mehreren Kilometern
Länge handeln. Die Schwierigkeit beim Anschließen anzufügender Leitungsteile liegt
darin, daß das Ende der verlegten Leitung an der Wasseroberfläche in eine horizontale
Lage gebracht werden muß, um es mit dem anzufügenden, horizontal herangebrachten
Leitungsteil verbinden zu können. Das Ende der verlegten Leitung ist infolge der
Steife und des Gewichts bestrebt, zur Wasseroberfläche eine sehr steil geneigte,
fast senkrechte Lage einzunehmen. In dieser Lage lassen sich jedoch keine Anschlüsse
herstellen.
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Um diese Schwierigkeit zu überwinden, muß das vom Grund heraufragende
Ende der bereits verlegten Leitung in einer nicht zu scharfen Krümmung an der Wasseroberfläche
horizontal ausgerichtet werden.
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Es ist bereits bekannt, die gewünschte Krümmung dadurch zu erhalten,
daß Oberflächenschwimmer verwendet werden, wobei jeder Schwimmer mit der Leitung
durch ein System von belasteten Aufhängern mit regelbarer Länge verbunden ist. Durch
diese Methode wird zwar eine S-förrnige Krümmung des Leitungsendes erreicht, sobald
die am Leitungsende wirkende Horizontalkraft mit der Schwerkraft der Leitung und
den Auftriebskräften der Schwimmer ein bestimmtes Verhältnis einnimmt, es treten
aber immer noch erhebliche Nachteile auf. Im Verlauf der Verlegung müssen jedesmal
beim Lösen desjenigen Schwimmers von der Leitung, dessen Aufhängung am tiefsten
an der Leitung angreift, die Tiefenlagen aller übrigen Aufhängungen einzeln neu
eingestellt werden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß bei dem Manöver
des Loshakens und Nachregulierens auch die am Leitungsende wirkende Zugkraft so
angepaßt werden muß, daß der horizontal verlaufende Teil des Leitungsendes an der
Wasseroberfläche verbleibt.
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Gemäß der Erfindung werden alle diese Nachteile und Schwierigkeiten
vermieden. Auch hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem dem zur Wasseroberfläche
hochgebogenen Endabschnitt des bereits verlegten Leitungsteils mit Hilfe von Schwimmern
eine S-förmige Krümmung verliehen wird, die das Anschließen weiterer Leitungsstücke
an das freie Leitungsende in horizontaler Lage ermöglicht. Es zeichnet sich dadurch
aus, daß die Schwimmer beim Absenken mit der Leitung untertauchen und in einer vorbestimmten
Tiefe etwa am Wendepunkt des S-förmig gekrümmten Leitungsabschnittes nacheinander
von der Leitung gelöst werden oder z. B. durch Zusammendrücken ihre Schwimmfähigkeit
verlieren.
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Nach der Erfindung ist die Aufrechterhaltung der gewünschten Krümmung
automatisch und kontinuierlich mit dem wandernden Verlegungsort mitlaufend sichergestellt.
Es, ist nicht nötig, die einzelnen Aufhängungen ständig nachzuregulieren. An jeder
Stelle des Bereichs der gewünschten Krümmung, an der ein Schwimmer an der Leitung
angeschlossen ist, wird vom Schwimmer eine nach oben gerichtete Kraft ausgeübt,
die unabhängig von anderen Einflüssen die Lage der Leitung an dieser Stelle bestimmt.
Es lassen sich so Leitungen in große Tiefen verlegen.
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In dem Fall, daß die Schwimmer im Wendepunkt der S-förmigen Leitungskrümmung
gelöst werden, lassen sich die gelösten Schwimmer am horizontalen Ende der Leitung
wieder nacheinander befestigen.
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Wenn das Lösen der Schwimmer von der Leitung bzw. der Verlust ihrer
Schwimmfähigkeit in der vorbestimmten Tiefe selbsttätig erfolgt, geht das Absenken
der Leitung automatisch vor sich. Zum
etwaigen Unterbrechen des
Verlegevorganges ist es dann aber notwendig, am freien Ende der Leitung zusätzliche
Anhalteschwimmer anzubringen, die das weitere selbsttätige Absinken der Leitung
verhindern.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer
Darstellung wiedergegeben. Es zeigt F i g. 1 die Leitung mit den Schwimmern in der
gewünschten Krümmung und F i g. 2 die Leitung in verschiedenen Zuständen bei der
Verwendung von Anhalteschwimmern.
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In F i g. 1 ist in doppelter strichpunktierter Linie angegeben, wie
die natürliche Krümmung des zur Wasseroberfläche gebogenen Endes einer auf dem Boden
eines Gewässers verlegten Leitung 10 aussieht. Das an der Wasseroberfläche
gehaltene Leitungsende durchstößt die Wasseroberfläche in steiler, fast senkrechter
Richtung. Gegenüber dieser Krümmung soll der Leitung 10 jedoch ein sanft S-förmiger
Verlauf gegeben werden. Das freie Leitungsende 11 wird hierbei horizontal ausgerichtet.
Zu diesem Zweck werden oberhalb einer Tiefe H1 eine Reihe von Schwimmern Fi, F,,
F3 ... F" mit der Leitung verbunden. Die Schwimmer greifen an gleichmäßig
auf der Leitung verteilten Punkten P1, P,, P3 ... P"
an. Im
Bereich des horizontalen Leitungsendes 11 befinden sich die Schwimmer an der Wasseroberfläche.
Die übrigen Schwimmer tauchen unter und verleihen infolge ihres Auftriebes der Leitung
bis zur Tiefe H1 eine Krümmung mit dem Radius R. In der darunterliegenden Tiefe
H2 stellt sich eine umgekehrte Krümmung ein, da unterhalb des tiefsten Punktes P1,
an dem noch die Auftriebskraft des Schwimmers F1 wirksam ist, die Leitung ihre durch
das Eigengewicht bedingte natürliche Krümmung annehmen kann. Deshalb fallen unterhalb
des Punktes P1 der effektive und der doppelt strichpunktiert gezeichnete Verlauf
der Leitung etwa zusammen. In der Tiefe H erreicht die Leitung den Grund des Gewässers
und paßt sich dessen Verlauf an.
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Während der fortschreitenden Verlegung der Leitung 10 wird jeweils
in der Tiefe H1 die Auftriebswirkung des am Punkt P1 angeschlossenen Schwimmers
F1 beseitigt. Dies geschieht entweder dadurch, daß jeder Schwimmer im Punkt P1 von
der Leitung losgelöst wird bzw. sich automatisch von der Leitung trennt, oder dadurch,
daß der Schwimmer F1 im Punkt P1 zwar mit der Leitung verbunden bleibt, aber seine
Schwimmfähigkeit verliert. Im ersten Fall steigt z. B. der Schwimmer F1 an die Wasseroberfläche
und wird als Schwimmer F" i jenseits des letzten Schwimmers F" im Punkt P" i an
dem horizontalen Leitungsende 11 angeschlossen. Im zweiten Fall bestehen die Schwimmer
aus einem zusammendrückbaren Material, oder sie sind mit einem Gas gefüllt, und
ihr Innenraum steht mit der Umgebung über ein Ventil in Verbindung. Die Einstellung
ist so vorgenommen, daß der wachsende Außendruck über eine Druckhöhe, die der Tiefe
H1 entspricht, dem Schwimmer unterhalb vom Punkt P1 die Schwimmfähigkeit nimmt.
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Durch Umhängen des Schwimmers F1 von P1 nach P, i tritt eine Versetzung
der gekrümmten Leitung 10
in F i g. 1. nach rechts ein, da am Leitungsende
stets eine horizontale Zugkraft A wirkt. Nachdem der Schwimmer F1 abgehakt worden
ist oder seine Schwimmfähigkeit eingebüßt hat, wandert der Punkt P1 in die Lage
Pp der Punkt Pin die Lage P, USW.
Insgesamt nimmt die Leitung die strichpunktierte
Lage T6 ein.
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Wenn man die scheinbaren Gewichte der Leitung unter Wasser unter Berücksichtigung
der vorhandenen Schwimmer mit P und die nach oben gerichtete Kraft der Schwimmer
mit q (h) bezeichnet, so lautet die Gleichgewichtsbedingung:
Erstes Ausführungsbeispiel Angenommen, die Schwimmer werden in der Tiefe Hl losgehakt,
dann gilt:
Man muß q und infolgedessen Hl wählen, indem man folgende zwei Bedingungen berücksichtigt:
1. Die Tiefe Hl darf nicht zu groß sein (und infolgedessen q nicht zu klein), damit
die Schwimmer keinen zu hohen Drücken ausgesetzt sind, wodurch ihre Verwirklichung
schwierig und kostspielig würde.
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2. Der Krümmungsradius der Leitung 10 darf nicht zu klein sein,
damit keine zu große horizontale Zugkraft A ausgeübt zu werden braucht. Der Minimalwert
von R ist durch das Verhältnis
festgelegt. Diese zweite Bedingung setzt eine Grenze für die nach oben gerichtete
Kraft q.
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Eine vollständigere Berechnung kann unter Berücksichtigung der unsteten
Verteilung der Schwimmer mit Auftrieb durchgeführt werden. Nachfolgend wird ein
praktisches Anwendungsbeispiel der Erfindung auf Grund der Ergebnisse einer derartigen
Berechnung beschrieben, und zwar für den Fall einer zur Durchquerung des Mittelmeers
bestimmten Leitung und für folgende Bedingungen: Scheinbares Gewicht der Leitung
(p). . 2 kg/m Tiefe der Verlegung (H) . . . . . . . . . . . . 1200 m Nach oben gerichtete
mittlere Kraft des Auftriebs (q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 kg/m
Nach oben gerichtete Kraft je Schwimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1500
kg Zwischenraum zwischen den Schwimmern............................ 75 m.
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Tiefe des Aushakens der Schwimmer (Hl) . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . etwa 100 m Der Vollständigkeit halber muß festgestellt
werden, daß das obige scheinbare Gewicht der Leitung von 2 kg/m durch eigenen Auftrieb
der Leitung entsteht, der durch bestimmte, hier nicht näher interessierende Mittel
erreicht wird. Ohne diesen eigenen Auftrieb würde das tatsächliche Gewicht der Leitung
ir. der Größenordnung von 20 kg/m liegen.
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Die Tiefe des Loshakens erfordert, daß die Schwimmer ihre nach oben
gerichtete Kraft von 1500 kg unter einem äußeren Druck von etwa 10 kg'cm= bewahren.
Man kann sie aus Stahl herstellen (eine Kugel von etwa 1,6 m Durchmesser) oder aus
einem plastischen Material oder schließlich in Form einer Hülle, die mit einer.
leichten Flüssigkeit (z. B. Benzin) gefüllt ist.
Beim Verlegen soll
das Loshaken der Schwimmer in einer Tiefe von etwa 100 m vor sich gehen. Das Loshaken
kann automatisch oder gesteuert erfolgen. Man kann auch ein gemischtes Loshaken
ins Auge fassen, wobei einige Schwimmer gesteuert losgehakt werden, während bei
den anderen das Loshaken automatisch erfolgt.
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Wenn man ein gesteuertes Loshaken annimmt, besitzt jeder Schwimmer
z. B. einen Ring an seinem oberen Teil und einen sich öffnenden Haken an seinem
unteren Teil, wobei der Haken so eingerichtet ist, daß er sich unter Wirkung einer
Zugkraft öffnet. Wenn der obere Ring mit einem Kabel verbunden ist, das an der Oberfläche
von einem Schiff gehandhabt wird, das für den entsprechenden Schwimmer bestimmt
ist, führt das Personal des Schiffes das Loshaken des Schwimmers durch, indem es
auf das Kabel eine Zugkraft ausübt. Der an der Oberfläche gezogene Schwimmer wird
dann aufgenommen und wieder an der Leitung angehakt.
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Zweites Ausführungsbeispiel Bei dieser anderen Ausführung der Erfindung
besteht ein Teil der Schwimmer aus Behältern, die mit Luft unter einem Druck d1
gefüllt sind und die mit Ventilen versehen sind, welche das Wasser eindringen lassen,
wenn der äußere Druck den inneren Druck um d2 übersteigt.
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Bei Anwendung des Gesetzes von Mariotte und unter Berücksichtigung
der zu erfüllenden Bedingung
und wobei die inneren Drücke und die äußeren Druckhöhen hin jeder Tiefenlage annähernd
gleichgesetzt werden können, findet man
wobei p das scheinbare Gewicht der Leitung unter Berücksichtigung aller unveränderlichen
senkrechten Kräfte (insbesondere des Gewichtes des mit Luft gefüllten Behälters)
und V das Volumen der Behälter je Meter der Leitung ist. Q ist die Dichte des Wassers
und g die Erdbeschleunigung.
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Wenn die beiden Seiten der obigen Gleichung gleich sind, ist Gleichgewicht
vorhanden.
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Wenn der linke Teil der Gleichung um einen gewissen Wert e kleiner
als p ist, entsteht eine Bewegung nach oben. Ist der linke Teil um e größer, entsteht
eine Sinkbewegung. Die geometrische Form der Leitung ist deshalb vom Zusammenwirken
des Wertes e mit der horizontalen Zugkraft abhängig.
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Da im allgemeinen die ganze Leitung nicht ohne Unterbrechung verlegt
werden kann, muß man die Bewegung anhalten können.
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Hierfür genügt es, die Leitung mit zusätzlichen Anhalteschwimmern
F, gemäß F i g. 2 zu versehen, welche das Anhalten der Verlegebewegungen
bewirken, wenn der Augenblick gekommen ist, daß dieser Teil der Leitung eintaucht.
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Nach dem Loshaken dieser Anhalteschwimmer durch ein Verfahren, das
dem vorher angegebenen entspricht, wird die Verlegung in die Wege geleitet, bis
neue Anhalteschwimmer eintauchen.
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Man kann somit die Länge der verlegten Leitungsstücke ohne Unterbrechung
begrenzen.
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Die F i g. 2 gibt für dieses Beispiel die folgenden Verfahrensstufen
wieder: Bei I wird das Loshaken der Anhalteschwimmer Fa im Bereich A1 vorgenommen,
bei 1I entsteht die Verlegebewegung mit konstanter Geschwindigkeit, bei III wird
die Verlegebewegung infolge des Eintauchens neuer Anhalteschwimmer F" im Bereich
A2 angehalten.