DE19517149A1 - Leichtbaustruktur aus PA-12-Carbon zur Speicherung von Fluiden unter Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlstruktur geringen Einheitsge­ wichts, die in der Lage ist, Fluiden, die erhöhte Drücke haben, Stand zu halten.

Die Struktur nach der Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet des Transports von Fluiden unter Druck anwendbar, wo es sich als wünschenswert erweist, über Rohre zu verfügen, die gleichzeitig Leichtheit mit Druckbeständigkeit verbinden.

So kann es sich bei der erfindungsgemäß realisierten Struktur um ein Rohr handeln, das für den Transport von Wärmeträgerfluiden, beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich auf dem Gebiet der Geothermie, verwendet wird.

Ein anderes Verwendungsgebiet besteht in "Risern", die den Transport der Fluide oder Erdölabströme aus einer Quelle, bei­ spielsweise gegen einen Behandlungsort ermöglichen oder als Speicher dienen.

Die Struktur findet ihre Anwendung insbesondere beispielsweise als Speicherbehälter, der dazu bestimmt ist, Fluide mit erhöhten Drücken zu lagern.

Um solche Speicherbehälter leicht zu handhaben, sollen sie be­ sondere Charakteristiken aufweisen, insbesondere leicht sein und gleichzeitig eine erhöhte Druckbeständigkeit haben.

Tatsächlich werden die Fluide unter Druck enthaltenden Speicher­ behälter oder Strukturen Kräften ausgesetzt, die insbesondere aus der Druckdifferenz zwischen den gespeicherten Fluiden im Speicherbehälter und dem umgebenden Medium, in das der Speicher­ behälter gesetzt ist, resultieren.

Die Druckdifferenz hat zur Folge, daß der Speicherbehälter ver­ formt wird, was Spannungen, die sich der Verformung widersetzen, mit sich bringt. Diese Spannungskräfte resultieren insbesondere aus den Radial-, Longitudinal- und Umfangskomponenten des Diffe­ renzdruckes.

Die im Stand der Technik beschriebenen Speicherbehälter be­ schreiben Strukturen, die Flaschen, meist aus Stahl, umfassen, deren Leergewicht als Minimum das Äquivalent des Gewichtes des transportierten Fluides ausmacht.

Eine der für Stahlflaschen gefundenen Verbesserungen hat darin bestanden, leichte Speicherbehälter zu realisieren, indem man insbesondere die Eigenschaften der Verbundmaterialien ausnutzte, welche die hohe Zähigkeit kontinuierlicher Fasern mit den Eigen­ schaften der Dichtigkeit der organischen Harze verband, welche als Bindemittel für diese Fasern verwendet wurden. Solche Spei­ cherbehälter sind beispielsweise im Artikel von J.L. Tisne, der Aerospatiale, erschienen in der Zeitschrift Composites No. 3 vom Mai/Juni 1986 (Seiten 121 bis 128) beschrieben und bieten poten­ tiell ein Gewicht von etwa 20 bis 25% des Gewichts eines Spei­ chers aus Stahl gleicher Kapazität. Leider sind diese Materia­ lien dem Phänomen der Mikrorißbildung (micro-fissuration) ausge­ setzt, die, was man unterschiedlich das "Perlen" oder Weinen des Materials nennt, mit sich bringen, was bei Drücken auftritt, die sehr viel niedriger als der geschätzte Berstdruck liegen und was zu einem Dichtigkeitsverlust des Speicherbehälters führt und so deren Verwendung begrenzt, beispielsweise auf einen Druck von weniger als dem Druck des Weinens, wobei dieser Druck etwa 5 bis 25 mal geringer als der Berstdruck ist.

Das Auftreten von Verbundmaterialien mit Endlosfasern und ther­ moplastischen Matrizen wie Glas-Polypropylen hat es nicht er­ möglicht, Behälter zu erhalten, die unter Druck nicht "weinen". Bei Fehlen dieser Dichtigkeitsunterschicht nämlich weisen diese Behälter immer einen Weindruck auf, der sehr viel niedriger als der Berstdruck, gemessen in Anwesenheit einer Dichtigkeitsunter­ schicht, ist.

Die Verwendung einer Dichtigkeitsunterschicht erscheint einfach, stellt aber tatsächlich zahlreiche Probleme.

Eines der Probleme, wenn die Unterschicht metallisch und voll­ kommen dicht ist, betrifft das Ermüdungsverhalten. Ihre elasti­ sche Längung ist nämlich sehr viel geringer als die des Verbund­ materials, das die beständige Schicht bildet und das Ermüdungs­ verhalten der Unterschicht ist insbesondere geringer als das der mechanisch beständigen Schicht aus Verbundmaterial. Um solche Probleme beispielsweise zu überwinden, wurde in den Patent­ schriften und Patentanmeldungen der Anmelderin FR 2.661.477 und FR 2.669.396 die Verwendung einer Hülle oder Folie mit Wellungen vorgeschlagen, die es ermöglicht, die Umfangsschichten von den polaren Schichten völlig zu trennen. Solche Vorrichtungen weisen jedoch immer ein Problem aufgrund des Gewichtes der Dichtig­ keitsfolie auf, wobei es sich um einen nicht vernachlässigbaren Parameter handelt.

Ein anderes Mittel, um die Probleme des Dichtigkeitsverlustes aufgrund Mikrorißbildung zu bekämpfen, besteht darin, im Inneren der Speicherbehälter oder Behälter eine dichte und nachgiebige Folie anzuordnen, beispielsweise eine Folie aus Gummi oder ther­ moplastischem Material, um den Durchgang des Fluids gegen die Außenwandung des Behälters zu vermeiden. Diese Art Folie weist jedoch eine Permeabilität auf, deren Wert vom verwendeten Mate­ rial abhängt und zu Fluidverlusten führen kann. Um diese Ver­ luste auf die geringstmöglichen Werte zu reduzieren, besteht die einfachste Lösung darin, dieser Folie eine erhebliche Dicke von einem Wert von mehreren Millimetern, typischerweise von 5 mm, manchmal mehr, zu geben.

Für einen gegebenen Wert des Speichervolumens führt dies dazu, daß die Widerstandsschichten weiter von der Achse des Behälters angeordnet werden und darum ist, um die Spannungsbeanspruchungen auf einem identischen Wert zu halten, eine höhere Dicke der Widerstandsschicht notwendig, was zu einem höheren Gewicht der Hülle und damit zu einem Behälter höheren Gewichts führt.

Im übrigen kann das gespeicherte Fluid sich zum Teil in der Dichtigkeitswandung auflösen und im Falle einer schnellen Dekom­ pression aus irgendeinem Grunde kann sich das gelöste Fluid mitten aus der Dichtigkeitswandung befreien, indem es die Bil­ dung von Oberflächenerhebungen oder flachen Blasen mit sich bringt, die die Integrität dieser Wand gefährden.

Das Hinzufügen einer die Dichtigkeit sicherstellenden Folie erfolgt also in der größten Anzahl der Fälle auf Kosten der gewünschten Leichtheit, ihr Vorhandensein trägt zum Anstieg des Gewichts der Anordnung bei.

Die Eigenschaften der Leichtheit und des Haltens oder der Druck­ beständigkeit eines Speicherbehälters ist ein schwieriges Pro­ blem, da die Lösungen, die es ermöglichen, den Speicherbehälter leichter zu machen und die, die dazu beitragen, seine Druckbe­ ständigkeit zu erhöhen, oft einander entgegen wirken.

Es wurde festgestellt und dies ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß es möglich ist, leichte und gegen relativ hohe Druckwerte beständige Strukturen herzustellen und zu verwenden, indem man in sorgfältiger Weise die Form, die Art der Herstel­ lung dieser Struktur und das für ihre Herstellung verwendete Material kombiniert. Eine solche Ausbildung der genannten Ele­ mente ermöglicht es insbesondere, die Phänomene der Mikrorißbil­ dung zu vermeiden, die Dichtigkeit der Struktur sicherzustellen und so eventuelle Verluste des Fluids, die es enthält, zu ver­ meiden.

Eine solche Struktur ist besonders geeignet für den Transport der komprimierten Gase oder Flüssigkeiten unter Druck wie Butangas oder verflüssigtes Propan. Die ihm erteilte Leichtheit erleichtert die Handhabung und minimiert die Transportkosten, beispielsweise der leeren Speicherbehälter nach Benutzung, die von der gleichen Größenordnung wie die für den Transport der vollen Behälter sind.

Die vorliegende Erfindung findet auch ihre Anwendung auf ver­ schiedenen Gebieten, wo die Fluide unter Druck enthaltenden Strukturen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die zur Speicherlagerung der Fluide unter Druck bestimmten Speicherbe­ hälter oft verschoben werden oder an Orten, wo das Gewicht der Speicherstrukturen unzweckmäßig sein kann, beispielsweise an Marineplattformen.

Die so ausgelegte Leichtbaustrukturen finden auch ihre Anwendung auf dem Gebiet des Transports, des aktuellen Beschäftigungszen­ trums hinsichtlich der Energie- und Verschmutzungsquellen, für die das Gewicht eines Speicherbehälters eine unnütze Last dar­ stellen kann. Im Rahmen der zunehmenden Verwendung der Substitu­ tionsenergien ist aus insbesondere ökonomischen Gründen und Gründen der Verunreinigung, die unter anderem aus immer strenger werdenden Normen resultiert, eine Struktur nach der Erfindung besonders gut auf die Speicherlagerung von Kohlenwasserstoffen wie den Gasen verflüssigten Erdöls (GPL) oder dem Erdgas ange­ paßt, wobei letzteres sich in gasförmiger oder flüssiger Gestalt und unter erhöhten Drücken darstellen kann. Diese Struktur kann in Form eines einzigen Speicherbehälters oder von mehreren Roh­ ren sich darstellen, die ausgebildet sind, um einen auf einem Nutzfahrzeug oder Individualfahrzeug angeordneten Speicherbehäl­ ter zu bilden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft eine leichte Struk­ tur, die es ermöglicht, Fluide unter Druck aufzunehmen. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine Hülle umfaßt, bestehend aus einem Verbundmaterial, das beständig gegen Differentialdruck ist, der zwischen der äußeren um die Struktur herum existieren­ den Umgebung und dem Fluiddruck existiert und daß die Hülle dicht bis zu einem Druck bleibt, der sehr nahe dem Berstdruck des Speicherbehälters ist.

Das Material der Hülle setzt sich zusammen aus einer Matrix aus Polyamid und Carbonfasern, die in der Matrix vergossen sind und beständig gegen Längs- und Transversalkomponenten des Differen­ tialdrucks sind.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix der Hülle aus Polyamid-12.

Die Struktur kann auch frei von einer Dichtigkeitsinnenhülle sein.

Die Hülle kann wenigstens eine Materialschicht umfassen, die in Form von Bändern abgeschieden sind, die in polarer Weise gewic­ kelt sind und wenigstens einer zweiten Materialschicht, die in Form von Bändern abgeschieden ist, die umfangsmäßig gewickelt sind, wobei die erste und die zweite Schicht abwechselnd abge­ legt sind.

Nach einer anderen Ausführungsform kann die Hülle eine erste Materialdicke umfassen, die aus Materialbändern geformt ist, die in polarer Weise abgelegt sind und eine zweite Materialdicke, die durch Bänder geformt ist, die in Umfangsrichtung um die zylindrische Zone, die aus der polaren Abscheidung resultiert, abgelegt sind.

Die Hülle kann eine erste Materialdicke, geformt aus Bändern dieses Materials, die in Umfangsrichtung abgelegt sind sowie eine zweite Dicke umfassen, die aus Bändern dieses in polarer Weise um die erste Dicke abgelegten Materials gebildet ist.

Die in Umfangsrichtung abgelegten Materialbänder umfassen bei­ spielsweise mehrere Schichten des Materials, wobei jede Schicht eine Länge hat, die mit der Entfernung von der Achse der Struk­ tur abnimmt.

Die leichte so gebildete Struktur kann ein Rohr sein, das bei­ spielsweise für den Transport von Fluiden unter Druck verwendet wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die so gebildete Struktur ein Riser sein, der für den Transport von Erdölabströ­ men verwendet wird.

Auf dem Gebiet beispielsweise der Speicherlagerung von Fluiden unter Druck ist die Struktur nach der Erfindung beispielsweise ein Speicherbehälter oder Behälter, der die Speicherlagerung solcher Fluide ermöglicht.

Gegenüber dem Stand der Technik weist die Struktur nach der Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile auf:
Das Ersetzen von zwei unterschiedlichen Elementen, nämlich einer Innenhülle und einer Außenhülle, wie sie gewöhnlich wegen ihrer Haltbarkeiteigenschaft gegen Druck, Dichtigkeit in den Speicher­ behältern des Standes der Technik durch eine Hülle oder einzige Umhüllung verwendet werden, die in der Lage ist, Innendrücke eines Fluids unter Druck auszuhalten und dicht ist, schafft eine Struktur mit einem Gewicht von 40 bis 50% weniger als das Ge­ wicht der Struktur nach dem Stand der Technik.

Darüber hinaus ist das Material, das verwendet wird, um diese Art Struktur zu realisieren, in den meisten der größten Anzahl der Fälle resistenz gegen chemischen Angriff der gespeicherten Fluide.

Besser verständlich wird die Erfindung und andere Ziele, Einzel­ heiten und Vorteile werden deutlicher während der folgenden Beschreibung, in der auf die schematischen beiligenden Zeichnun­ gen Bezug genommen wird, beispielsweise gegeben sind und ver­ schiedene Ausführungsformen illustrieren, in denen

Fig. 1 eine Leichtbaustruktur der Speicherbehälter für Fluide wie er nach dem Verfahren der Erfindung erhalten wurde, be­ schreibt;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D unterschiedliche Ausbildungen der einen Speicherbehälter nach der Erfindung bildenden Materialschichten zeigen; und

Fig. 3 ein Beispiel einer leichten Rohrkonstruktion nach der Erfindung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine leichte Konstruktion für die Lagerung von Fluiden unter Druck, beispielsweise einen Speicherbehälter oder Behälter 1, der beispielsweise aus einer Hülle gebildet ist, die eine zylindrische Zone 2, verlängert durch zwei Böden 3, 4 um­ faßt, die aus dem gleichen Material wie dem der zylindrischen Zone beispielsweise gebildet ist. Jeder der Böden umfaßt bei­ spielsweise wenigstens eine Öffnung 5, 6, die am Ende des Spei­ chers angeordnet ist. Selbstverständlich kann einer der Böden ohne Öffnung ausgestaltet sein.

Die Öffnungen 5, 6 können mit einem Ventil klassischer Bauart ausgestattet sein.

Die zylindrische Zone 2 und die Böden 3, 4 sind aus einem glei­ chen Material, beispielsweise einem Verbundmaterial geformt, welches Eigenschaften derart aufweist, daß es in der Lage ist, dem Differentialdruck stand zu halten, der zwischen dem äußeren Medium, in dem sich die Struktur befindet und dem Druck des Fluids, den sie enthält, existiert. Das Material setzt sich beispielsweise aus einer Fasern umfassenden Polyamidmatrix zu­ sammen. Das verwendete Material der Matrix ist beispielsweise ein Polyamid und die Fasern sind Carbonfasern.

Das verwendete Polyamid ist bevorzugt ein Polyamid-12 und das Material wird üblicherweise PA-12-Carbon genannt.

Vorzugsweise beträgt das prozentuale Volumen der in der Matrix eingeschlossenen Fasern an Polyamid-12 beispielsweise zwischen 25 und 60%.

Das Material liegt beispielsweise in Form von Bändern vor, die gemäß einer Spezialanordnung derart abgelegt sind, daß man eine Struktur erhält, welche die vorgenannten Eigenschaften der Leichtheit und Druckbeständigkeit besitzen. Es ist möglich, diese Bänder in verschiedener Art abzulegen, insbesondere in bezug auf die Fig. 2A, 2B und 2C, unten erwähnt, beschriebene Sequenzen, derart, daß die Hülle oder der Speicher gebildet wird.

Die Böden 3, 4 haben bevorzugt eine halbkugelförmige oder ellip­ senförmige Gestalt, derart, daß dem erhaltenen Speicher eine gute Haltbarkeit gegen Druck und damit gegen erhöhten Druck des gespeicherten Fluids im Innern des Speichers verliehen wird. Die aus dem gespeicherten Fluid resultierenden Druckkräfte haben wenigstens eine Längskomponente und eine Querkomponente, die insbesondere fast insgesamt für die Art und Weise genommen wer­ den, die PA-12-Carbon-Bänder, die den Speicher bilden, auszufor­ men.

Die Verwendung von PA-12-Carbon ermöglicht die Herstellung einer einzigen Hülle, die die Rolle einer Innenhülle oder eines Liners und der Außenhülle übernimmt, wie sie üblicherweise bei Struktu­ ren des Standes der Technik angetroffen werden. Die Struktur kann so keine besondere Dichtheitsinnenhülle aufweisen.

Fig. 1 schematisiert einen Speicherbehälter, der durch eine Schichtenausbildung, wie sie in Bezug auf die Fig. 2A und 2B beschrieben wird, aufgebaut ist.

Die Techniken in der Herstellung des Speicherbehälters sind be­ kannt und beschrieben, beispielsweise in dem genannten Artikel von J.L. Tisne, der A´rospatiale, und werden kurz in bezug auf die Fig. 2A, 2B, 2C und 2D in Erinnerung gerufen.

Um einen geschlossenen Speicher oder Speicherbehälter zu reali­ sieren, ist der eine Trägerrolle spielende Dorn beispielsweise ein löslicher Dorn, der am Ende des Herstellungsvorgangs der Struktur herausgezogen werden kann. Der Dorn kann aus Sand, gebunden durch eine Zuckerlösung und ausgestattet mit Endstopfen bestehen, welche Gewinde umfassen, die so ausgelegt sind, daß sie die zur Verbindung des Speichers nach außen notwendigen Öffnungen realisieren.

Die Form des Dorns ist beispielsweise derart, daß er eine zylin­ drischen Zone und zwei Böden, bevorzugt in ellipsenförmiger Gestalt, umfaßt, wobei die Abmessung oder Dimension dieses Dorns als Funktion derjenigen des endgültig erlangten Speicherbehäl­ ters gewählt ist und die äußere Gestalt dieses Dorns der Innen­ gestalt des zu bildenden Speicherbehälters entspricht.

Für die Herstellung der Hohlstruktur, beispielsweise eines Rohrs, das zum Transport von Fluid unter Druck dient, ist der Dorn beispielsweise vom klassischen Typ, wie er üblicherweise bei der Herstellung von Rohren Verwendung findet.

In dem in Fig. 2A gegebenen Beispiel der Erzeugung der Hülle ordnet man PA-12-Carbon-Bänder in abwechselnden Schichten an, die beispielsweise einen ersten Typ von Schichten C₁, der aus einer polaren Wicklung von PA-12-Carbon-Bändern resultiert und einem zweiten Typ von Schichten resultiert, der aus einer Um­ fangswicklung von PA-12-Carbon-Bänder um die zylindrische Zone des Formträgers resultiert.

Die Wicklung der PA-12-Carbon-Bänder erfolgt beispielsweise der­ art, daß die Bänder sich über eine gewisse Breite überlagern und damit bei der Überlagerung eines Bandes auf einem vorher aus dem Dorn über eine gewisse Länge gewickelten Band man mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung ein teilweises Schmelzen der Ober­ fläche des Bandes derart realisiert, daß die beiden Bänder un­ tereinander verschweißt werden, um dem Speicherbehälter eine gute Dichtigkeit und ein gutes Druckverhalten zu verleihen. Das teilweise Schmelzen erfolgt in der für den Fachmann üblichen Weise bevorzugt an einer Stelle, die beispielsweise unter etli­ chen Millimetern vom Kontaktpunkt sich derart befindet, daß sich die Fläche noch im Schmelzvorgang befindet, wenn das Band wäh­ rend des Ablegens in Kontakt mit dem darunter befindlichen be­ reits bei der vorhergehenden Wicklung abgelegten Band kommt.

Das PA-12-Carbon kann in Form von Bändern in Dicken vorliegen, die beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm betragen.

Man legt zunächst eine Schicht vom Typ C₁ ab, indem man bei­ spielsweise in polarer Weise ein PA-12-Carbon-Band wickelt.

Es ist dann möglich, eine Schicht vom Typ C₂ um die Schicht C₁ abzuscheiden, die vorher geformt wurde und diese beiden Vorgänge zu wiederholen, bis man die gewünschte Dicke für den Speicherbe­ hälter hat, wobei diese Dicke als Funktion der zu speichernden Fluide und der Leichtheit gewählt hat, die für den Speicherbe­ hälter gefordert wird, was von der Benützung des Speicherbehäl­ ters abhängt.

Fig. 2A schematisiert einen Aufbau des Speicherbehälters mit mehreren Schichten vom Typ C₁ zur Bildung von einer Schicht von der Dicke e1, dann eine Schicht C₂₁ (Fig. 2B) vom Typ C₂ über eine Länge l₁, die im wesentlichen gleich der Länge der zylin­ drischen Zone ist, die durch die zylindrische Zone des Dorns, umgeben von den Schichten vom Typ C₁ mit der Dicke e1 ist, dann eine zweite Schicht C₂₂ über eine Länge l₂, die kleiner als die Länge l₁ der ersten Schicht um die erste Schicht C₂₁ herum ist, wobei die Differenz in der Länge derart ist, daß eine abgerunde­ te Form zu erhalten ermöglicht wird, die beispielsweise eine Zone vom halbkugelförmigen Typ hat, entsprechend im wesentlichen der Form im wesentlichen halbkugelförmigen Gestalt des Dorns, derart, daß schließlich ein Speicherbehälter gebildet wird, dessen Form bevorzugt halbkugelförmig ist. Das Wickeln der Schichten vom Typ C₂ erfolgt, bis man eine Dicke e2 hat.

Man legt dann über eine Dicke e1 eine andere Anordnung von Schichten vom Typ C₁ auf der vorher gebildeten Anordnung, dann über eine Dicke e′2 eine andere Anordnung von Schichten vom Typ C₂ ab und wiederholt die vorher beschriebenen Wickelvorgänge so oft, wie es notwendig ist, um einen Speicherbehälter zu erhal­ ten, dessen Daten hinsichtlich der Druckbeständigkeit und der Leichtheit vorweg als Funktion des Fluids unter Druck, das gespeichert werden soll, definiert wurden. Die Dicken e1, e′1, e2 und e′2 können identisch oder unterschiedlich sein.

Nach einer Ausführungsvariante der Erfindung, dargestellt in Fig. 2C, wird das Ablegen der verschiedenen Schichten, die durch die Bänder von PA-12-Carbon gebildet sind, realisiert, indem man beispielsweise um einen Dorn mehrere Schichten vom Typ C₁ über eine Gesamtdicke t₁ ablegt, dann mehrere Schichten vom Typ C₂ über eine Dicke t₂, wobei die Schichten vom Typ C₂ um das Ganze herum abgelegt werden, daß durch die Schichten vom Typ C₁ gebil­ det ist, derart, daß die Länge jeder Schicht C_2i sich vermindert, wenn man sich von der Achse des Dorns entfernt, d. h. daß die Länge l₁ der Schicht C₂₁ größer als die Länge der Schicht l₂ der Schicht C₂₂ und so fort ist. Es ist so möglich, eine PA-12-Car­ bon-Schicht um die Anordnung als Endschicht zu wickeln, die insbesondere als Rolle eine Schutz- und Endbearbeitungsrolle hat.

Die Dicken t1 und t2 werden als Funktion der Daten des zu erhal­ tenden Speicherbehälters bestimmt und insbesondere die Druckbe­ ständigkeit und die Leichtheit, die beispielsweise vorweg als Funktion des zu speichernden Fluids unter Druck definiert sind.

Ein anderes Vorgehen besteht darin, Fig. 2D, um den Dorn herum Schichten vom Typ C₂ abzulegen, um eine Dicke p₁ zu bilden, wobei die Schichten in identischer Weise zu der vorher genannten abge­ legt werden, d. h. daß die Länge jeder Schicht abnimmt in dem Ausmaß, wie man sich von der Achse des Dorns entfernt und so­ fort, um in polarer Weise die Schichten von Typ C₁ über eine Dicke p₂ abzulegen.

Die Abscheidung der Schichten vom Typ C₂ in Umfangsrichtung um die zylindrische Zone des Dorns oder die Anordnung der auf dem Dorn abgeschiedenen polaren Schichten erfolgt bevorzugt derart, daß die Länge der verschiedenen Schichten abnimmt in dem Ausmaß, wie man sich von der Achse des Dorn (siehe Detail der Fig. 2B) entfernt.

In den mit Bezug auf die Fig. 2A bis 2D beschriebenen Ausfüh­ rungsformen erfolgt die Verbindung zwischen den unterschiedli­ chen PA-12-Carbon-Bändern gemäß einer klassischen und dem Fach­ mann bekannten Schmelztechnik, derart, daß der Struktur oder dem erhaltenen Speicherbehälter eine Dichtigkeit höher als die ver­ liehen wird, die man erhalten würde, wenn man eine enge Wicklung realisiert.

Es ist möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, PA-12-Carbon in Form von dünnen Platten beispielsweise zu ver­ wenden, um die Materialschichten zu bilden, die in Umfangsrich­ tung, wie in den Fig. 2A bis 2D beschrieben, abgelegt wurden.

Versuche hinsichtlich Druckfestigkeit und Dichtigkeit wurden an Speicherbehältern gemäß der Erfindung realisiert sowie an Spei­ cherbehältern, die aus verschiedenen Materialien bestanden und unterschiedliche Strukturen aufwiesen und beispielsweise eine Hülle oder einen Innenliner sowie eine Außenhülle umfaßten. Der Ermüdungswiderstand des metallischen Liners, der in verschiede­ nen Behältern vorhanden war, wurde erhöht.

Die Ergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle zusammenge­ faßt:

Das in der vorstehenden Tabelle angegebene Gewicht entspricht dem Gesamtgewicht, das aus Ummantelung, Dichtigkeitshülle und Anschlußstutzen resultiert.

Für die Behälter vom Typ (4) aus PA-12-Carbon, die erfindungs­ gemäß erhalten wurden, besteht die Struktur aus einer einzigen Hülle oder Ummantelung, die die Rolle von Linern und Ummantelung spielt.

Die oben genannten Ergebnisse zeigen eine Leistung, die weit höher für die Speicher mit einer aus PA-12-Carbon realisierten Hülle nach einer der Ausführungsformen, beschrieben in den Fig. 2A bis 2D, ist.

So ist das Gewicht der erfindungsgemäß realisierten Struktur wenigstens durch einen Faktor 2 und 6 bezogen auf das Gewicht eines Reservoirs aus Stahl realisiert.

Darüber hinaus zeigen die Kompression/Dekompressionzyklen, daß die Struktur ein Ermüdungsverhalten bei Druck um wenigstens etwa 20% höher als das Druckverhalten liegt, das durch die Speicher­ behälter gemäß dem Stand der Technik (1), (2) geboten wurde, mit Ausnahme des Speicherbehälters aus Stahl, der ein wesentliches höheres Gewicht hat.

Diese Ergebnisse zeigen klar die Vorteile von Leichtigkeit und Druckverhalten, die durch die aus PA-12-Carbon realisierten Strukturen erhalten wurden.

Es ist nämlich so, daß

• - für einen Speicherbehälter vom Typ (1), der beispielsweise aus einer Innenhülle aus Stahl mit halbkugelförmigen Böden und Glas- Epoxy-Verbundschichten gebildet wurde, die beispielsweise abge­ legt wurden, indem man abwechselnde Schichten polarer und Um­ fangsschichten wickelte, der Speicherbehälter seine Dichtigkeit nach 495 Zyklen verloren hatte,
• - der Speicherbehälter vom Typ (2), verstärkt durch den Carbon- Epoxy-Verbund eine Beständigkeit über 5500 Zyklen zeigte,
• - die am Speicher vom Typ (3) durchgeführten Versuche, bestehend aus einem Innenliner aus Stahl, auf den man PA-12-Carbon-Schich­ ten gewickelt hatte, nach 40 000 Zyklen zeigten, daß der Spei­ cherbehälter immer noch dicht trotz eines Risses der Innenhülle aus Stahl war, was durch geeignete Techniken sichtbar gemacht wurde.

Eine Kontrolle, die nach Aufschneiden des Speicherbehälters vorgenommen wurden, hat gezeigt, daß die Innenhülle oder die metallische Wand offen war, wobei die Abmessung der Öffnung bewies, daß diese Öffnung weit vor den 40 000 Zyklen angefangen hatte. Dies zeigte, daß die beständige Struktur selbst dicht unter Bedingungen war, unter denen die im übrigen verwendeten Verbundstrukturen "geweint" hatten. Die Versuche hat man bis auf mehr als 40 000 Zyklen durchführen können, während das Entweichen durch Ermüdungsriß der metallischen Schicht zwischen 1000 und 5000 Zyklen hinsichtlich der verwendeten Längung erwartet werden konnte,

• - der letzte Speicherbehälter vom Typ (4) aus PA-12-Carbon glei­ cher Abmessung, hergestellt auf einem lösbaren Dorn, unter den gleichen Versuchsbedingungen bis 100 000 Ermüdungszyklen ohne Dichtigkeitsfolie und ohne Dichtigkeitsverlust stand hielt.

Nach einer anderen Ausführungsform ist die leichte nach der vorliegenden Erfindung erhaltene und in Fig. 3 beschriebene Struktur ein Rohr, das realisiert wird, indem man Schichten von PA-12-Carbon auf einem Dorn realisierte, wie er üblicherweise zur Herstellung von Rohren und nach einer der Fig. 2A bis 2D verwendet wurde.

Dieses Rohr wird beispielsweise für den Transport von Fluiden unter Druck, insbesondere in den Bereichen verwendet, wo solche Rohre Charakteristiken von Druckbeständigkeit und Leichtheit aufweisen müssen.

Bevorzugt kann man so auch einen Riser oder einen Risersatelli­ ten formen, der die Überführung der Fluide oder Erdölabströme ermöglicht, die oft einen erhöhten Druck haben, beispielsweise, wenn sie aus einen erhöhten Druck besitzenden Lagerstätten stam­ men.

Eine solche Struktur kann auch insbesondere wegen ihren Eigen­ schaften von Dichtigkeit und Druckbeständigkeit als Innenleitung oder Innenhülle für eine Struktur verwendet werden. Ihre Leicht­ heit ermöglicht die Verwendung, da sie zu einer geringen Ge­ wichtserhöhung führt.

Ein solcher Anwendungstyp ist oft auf dem Erdölgebiet vorhanden, wo die Riser Innenmäntel umfassen.

Claims (11)

1. Leichtbaustruktur (1) zur Aufnahme von Fluiden unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hülle (2, 3, 4) umfaßt, die aus einem Verbundmaterial zusammengesetzt ist, das beständig gegen den Differentialdruck ist, der zwischen der äußeren Umge­ bung um die Struktur herum und dem Druck des Fluids herrscht und daß die Hülle dicht bis zu einem Druck bleibt, der sehr nahe dem Berstdruck des Speicherbehälters liegt.

2. Leichtbaustruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hülle (2, 3, 4) aus einer Matrix aus Poly­ amid und Carbonfasern zusammengesetzt ist, die in der Matrix eingebettet sind und beständig gegen Spannungsbeanspruchungen ist bzw. sind, die aus den Longitudinal-, Transversal- und Radial­ komponenten des Differentialdrucks resultieren.

3. Leichtbaustruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix der Hülle aus Polyamid-12 zusammengesetzt ist.

4. Leichtbaustruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie keine Dichtigkeitsinnenhülle aufweist.

5. Leichtbaustruktur nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülle (2, 3, 4) eine Anordnung mit wenig­ stens einer ersten Schicht (C₁), die durch in polarer Weise abgelegte Bänder dieses Materials gebildet ist sowie wenigstens eine zweite Materialschicht (C₂) umfaßt, die durch Bänder dieses Materials, die in Umfangsrichtung abgelegt sind, gebildet ist, wobei die erste und die zweite Schicht abwechselnd abgelegt sind.

6. Leichtbaustruktur nach den Ansprüche 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülle (2, 3, 4) eine erste Materialdicke, gebildet durch Bänder dieses Materials, die in polarer Weise abgelegt sind und eine zweite Materialdicke umfaßt, die durch Bänder dieses Materials gebildet ist, die in Umfangsrichtung um die zylindrische Zone herum aufgrund der polaren Abscheidung abgelegt sind.

7. Leichtbaustruktur nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülle eine erste Materialdicke, gebildet durch in Umfangsrichtung abgelegte Bänder dieses Materials und eine zweite Dicke, gebildet durch in polarer Weise um diese erste Dicke herum abgelegte Bänder dieses Materials, umfaßt.

8. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung abgelegten Material­ bänder mehrere Schichten dieses Materials umfassen, wobei jede Schicht eine Länge derart aufweist, daß sie mit der Entfernung von der Achse der Struktur abnimmt.

9. Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ein für den Transport von Fluiden unter Druck verwendetes Rohr ist.

10. Leichtbaustruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ein für den Transport von Erdölabströmen ver­ wendeter Riser ist.

11. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) ein Speicherbehälter, der die Lagerung von Fluiden unter Druck gestattet, ist.