DE2361181C2

DE2361181C2 - Flexible Leitung oder Kabel mit einer zugfesten Bewehrung

Info

Publication number: DE2361181C2
Application number: DE2361181A
Authority: DE
Inventors: Gerard Rueil-Malmaison Bonavent; Michel Chatou Chatard; Michel Bougival Huvey; Jean Le Peco Thiery
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1972-12-08
Filing date: 1973-12-07
Publication date: 1983-10-20
Also published as: NL176298B; GB1443225A; JPS5550766B2; NL176298C; NL7316888A; DE2361181A1; US4013100A; IT1002199B; NO148084B; NO148084C; CA1005367A; JPS5024371A

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible Leitung oder Kabel mit einer zugfesten Bewehrung aus langgestreckten Verstärkungsprofilen, die als unter schraubenförmigen V/ickeln mit einem Steigungswinkel gegen die Achse von weniger als 40° längs einer Zyünderwand vorgeformten Stäbe nebeneinander liegen. Eine solche flexible Leitung ist durch die belgische Patentschrift 76 935 bekanntgeworden. Dabei ist die große Abmessung des Querschnitts der vorgeformten Stäbe senkrecht zur Leitungsachse orientiert und sind die einander unmittelbar benachbarten Verstärkungsprofile miteinander verhakt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexible Leitung anzugeben, die nicht nur beständig gegen Zusammenquetschungen und Beanspruchungen aufgrund von Zug und Torsion ist, sondern auch in der Lage ist, dicht in Stopfbüchsen zu gleiten und dabei radiale Spannkräfte, die sehr hoch liegen können und von der! Backen ausgeübt werden, auszuhalten, wobei die Verstärkungsprofile stabile Wicklungen bilden sollen. Erreicht wird dies bei einer flexiblen Leitung der eingangs genannten Art dadurch, daß die große Abmessung des Querschnitte der vorgeformten Stäbe entsprechend einem Radius der Leitung orientiert ist und die Verstärkungsprofile Zwischenräume zwischen sich belassen.

Die vorgeformten Verstärkungsprofile bilden stabile Wicklungen in einer Lage, in der die größte Abmessung ihres Querschnitts entsprechend einem Radius des länglichen Körpers (Leitung) gerichtet ist Ohne Vorformung könnten die Verstärkungselemente in .dieser Lage nicht verbleiben und wurden sich gegen die Leitung wegen ihrer großen Wicklungssteigung umlegen. Die kleinste Abmessung ihres Querschnitts liegt längs der Zylinderwand, auf der das Ablegen erfolgt

Die so abgelegten benachbarten Profilelemente haben freies Spiel bezüglich einander und ermöglichen eine örtliche Modifikation der Wicklungssteigung bei Biegungen der Leitung.

ίο Vorzugsweise weist das Trägheitselement des Querschnitts jedes Profilstabs bezüglich einer Queracase des Querschnitts, die durch den Schwerpunkt hiervon geht und senkrecht zum Radius des länglichen flexiblen Körpers steht, einen Wert zwischen dem 1,2- und

:5 2fachen desjenigen des Trägheitsmomentes des Querschnitts bezüglich des Radius des durch den Schwerpunkt dieses Querschnitts gehenden Radius auf.

Dadurch, daß die Stäbe stabil mit ihrer kleinen Seite, d. h. in einer Stellung, in der die größte Abmessung ihres Querschnitts entsprechend einem Radius der Leitung sich befindet, aufruhen, kann kein Umlegen gegen die Leitung erfolgen.

Die Flexibilität der als Wicklungen mit großer Wicklungssteigung gebildeten Bewehrungen hängt ab.

von der Fähigkeit dieser schraubenförmigen Wicklungen, örtlich ihre Steigung zu verändern und nicht vom Abstand der vorgeformten Stäbe an der Stelle, wo der längliche Körper durchgebogen wird. Hierdurch wird durch Veränderungen der Wicklungssteigung die Neigung der Bewehrungslagen erleichtert, sich an einer Seite des länglichen Körpers zu dehnen und auseinanderzuziehen, an de- anderen Seite dagegen am Ort der Biegung zusammengedrückt zu werden.
Die in der französischen Patentschrift 14 64 053 gezeigten Bewehrungslagen mit Zug- und Biegebeständigkeit sind dagegen nicht in der Lage, eine solche Veränderung ihrer Wicklungssteigung zuzulassen. Somit ist die Flexibilität der Struktur praktisch nicht größer als die eines Rohres mit einer durchgehenden Metallzwischenwand gleicher Dicke wie die Drähte der Bewehrung. Diese Bewehrungen öffnen sich bei starker Durchbiegung, die Drähte oder Bewehrungsstäbe tordieren.

Dagegen haben erfindungsgemäß benachbarte Stäbe völlig freies Spiel bezüglich einander und können sie örtlich den zeitweisen Veränderungen ihrer Wickiungssteigung anpassen.

Die Maßnahme nach der Erfindung eignet sich hervorragend für eine Leitung beispielsweise zum Transport von Kohlenwasserstoffen oder für eine Bohrkolonne zum Einsatz einer Technik wie des sog. Fiexoforage.

Durch die Erfindung wird ein längliches flexibles Element wie eine Leitung angegeben, die eine stabile Verstärkungsbewehrung aufweist welche in der Lage ist eine bessere Stabilität der Bewehrung zu sichern, und dies, ohne sich aufzulösen. Sie kann daoei erneDiicne Zugkräfte sowie Biege kräfte aushalten, die am länglichen Element zur Wirkung kommen.

eo Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

F i g. 1 eine flexible Leitung nach dem Stand der Technik, welcher mit einer zugfesten Bewehrung versehen ist,

Fig.2 den Querschnitt durch eines der die zugfeste Bewehrung nach F i g. 1 bildenden Profils,

Fig.3 perspektivisch die theoretische Verformung eines der Profilstäbe der zugfesten Bewehrung der

Leitung nach F ig. 1,

Fig.4 einen schematischen Schnitt längs der linie . IV-IV in F i g. 3, in welchem sämtliche Profilstäbe einer der Lagen der zugfesten Bewehrung dargestellt sind,

F i g. 5 A, 5B, 5C und 5D zeigen verschiedene Formen möglicher Querschnitte für die Profilstäbe einer zugfesten Bewehrung für eine flexible Leitung nach der Erfindung, und die

F i g. 6A bis 6C zeigen Profilstäbe aus nicht-metallischen Materialien, wobei diese Stäbe die gleichen Querschnitte wie die nach den Fig.5A bis 5D aufweisen.

Fig. 1 zeigt eine Bauart einer dichten flexiblen Leitung, welche erheblichen Zugkräften ausgesetzt werden kann und bei der die zugfeste Bewehr .-.- nach dem Stand der Technik ausgebildet ist.

Diese Leitung besieht von innen nach außen aus:

— einer nachgiebigen Innenhüllf ^uer rohrförmigen Seele i, beispielsweise aus sinem plastischen Material wie einem Elastou: en,

— einer metallischen flexiblen die röhrenförmige Seele 1 umgebenden Bewehrung 2, die beständig gegen die Kräfte ist, welche durch die krücke erzeugt wurden, die im Inneren und außerhalb der flexiblen Leitung herrschen,

— einer nachgiebigen und dichten Hülle 3, die aus einem plastischen Material, beispielsweise einem Elastomeren gebildet ist und die Bewehrung 2 überdeckt, derart, daß der außerhalb dieser Leitung herrschende Druck nicht direkt auf die röhrenförmige Bewehrung 1 wirken kann,

■ und einer zugfesten Bewehrung 4.

Die röhrenförmige Seele 1, die Bewehrung 2 und die Hülle 3 an sich stellen keinen Teil der Erfindung dar und werden daher nicht genauer beschrieben. Bekanntlich kann die Bewehrung 2 beispielsweise durch schraubenförmige Wicklung bei geringer Wicklungssteigung aus einem metallischen sich selbst verhakenden Profil von S- oder Z-förmigem Querschnitt gebildet werd«n.

Die zugfeste Bewehrung 4 besteht aus zwei schraubenförmig und in entgegengesetzter Richtung bei großer Wicklungssteigung gewickelten Lagen 3 und 6. Im allgemeinen bilden die Windungen dieser Wicklungen mit der Achse der Leitung einen Winkel von höchstens 40°.

Nach dem Stand der Technik ist jede Lage gebildet durch eine Vielzahl von metallischen Profilstäben 7, die unter schraubenförmigen Wickeln längs einer Zylinderwand vorgeformt und derart angeordnet sind, daß ihre größte Querschnittsabmessung im wesentlichen senkrecht zu einem Radius der flexiblen Leitung zu liegen kommt

F i g. 2 zeigt den Querschnitt jedes Stabes 7, der ein Verhaken dieser Stab? bezüglich einander ermöglicht.

F i g. 3 läßt schematisch die theoretische Verformung eines vorgeformten Profilstabes 7 der zugfesten Bewehrung erkennen, wenn die flexible Leitung, insbesondere bei ihrer Führung um eine Blockscheibe 8, Bicgcbcänäprüchüügen ausgesetzt wird.

Man erkennt beiderseits der neutralen Faser 9 — dargestellt durch eine Strickpunktierung — daß die — radial innerhalb der neutralen Faser liegenden Erzeu- — genHen der flexiblen Leitung komprimiert werden, 65 — während die radial außerhalb der neutralen Faser liegenden Erzeugenden gelängt werden und nur die in Höhe der neutralen Faser 9 befindlichen Erzeugenden in der Länge nicht modifiziert werden.

Hieraus folgt, wie man in F i g. 3 feststellen kann, daß eine durch einen Profilstab 7 gebildete Windung, die sich in der Biegezone befindet, eine Wicklungssteigung aufweist, deren Wert verglichen mit dem der Wicklungssteigung bei geradliniger Leitung kleiner in der Druckzone der Leitung und größer in der Zugzone der Leitung sein muß.

Man stellt fest, daß diese Änderung der Wicklungssteigung um so größer ist, je kleiner der Krümmungsradius der Leitung wird.

Mit den bisher verwendeten Profüstäben sorgt die Schwierigkeit der Anpassung der Stäbe an die Änderungen der Wicklungssteigung für eine gewisse Verdrehung der Profilstäbe, was sich in einem lokalen Enthaken der Profilstäbe ohne Möglichkeit eines Wiedereinhakens in den Druck- und Zugzonen der einer Biegebeanspruchung ausgesetzten Leitung darstellt Dieses Phänomen ist schematisch in F i g. 4 dargestellt, wo allein die Lage 5 wiedergegeben ist.

Diese Instabilität der zugfesten Bewehrung wird bei flexiblen Leitungen nach der Erfind· ig eliminiert, indem bei der aus vorgeformten Prohlstäben zusammengesetzten, zugfesten Bewehrung diese Stäbe jeweils einen Querschnitt aufweisen, der bezüglich einer Transversalachse X'X (F i g. 5A bis 5D), die durch den Schwerpunkt G des Querschnittes geht, ein Trägheitsmoment aufweist, dessen Wert maximal verglichen mit den anderen durch G gehenden Trägheitsmomenten ist Jeder dieser Querschnitte ist derart angeordnet, daß der durch den Schwerpunkt G gehende Leituigsradius im wesentlichen senkrecht zur Achse X'X steht und die Verstärkungsprofile belassen zwischen sich Zwischenräume.

Die F i g. 5A bis 5D zeigen im Schnitt senkrecht zur Achse der Leitung einen Teil dieser Lagen der zugfesten Bewehrung der flexiblen Leitung nach der Erfindung. In diesen Figuren kann man die unterschiedlichen möglichen Querschnittsformen für die Stäbe 7 erkennen. Die Querschnitte können (Fig.5A) rechteckig, trapez'örmig (Fig.5B), T-förmig (Fig.5C) oder I-förmig (F i _fe. 5D) sein. Bei der Herstellung der Bewehrung wird eine Entfernung »e« zwischen den verschiedenen Stäben derart gehalten, daß an die darunter befindliche Lage von Bewehrungen Radialkräfte übertragen werden können, die beispielsweise durch die Spannschuhe eines Betätigungsorgan für die Leitung, beispielsweise eine Zugraupe, aufgebracht werden.

Wie die F i g. 5A bis 5C erkennen lassen, werden die Stäbe 7 derart angeordnet, daß ihre größte Querschnittsabmessung im wesentlichen in einer radialen Richtung der Leitung angeordnet wird.

Gegebenenfalls können die freien Räume zwischen den S'äben ein und der gleichen Bahn teiiweise oder vollständig durch ein verformbares Material aufgefüllt werden, was der Anordnung aus Stäben einer Bahn eirie Kohäsion verleiht

Die genaue Fo/m des Querschnitts kann durch den Techniker bestimmt werden als Funktion:

— di

Innen- und Außendurchmessers der Zugbewehrung, die man zu erhalten wünscht; der maximalen an die Leitung gelegten Zugkrä^fte, der Wicklungssteigung der Stäbe, und des Leichtigkeitsgrads, mit dem sich die Stäbe den Änderungen ihrer Wicklungssteigung anpassen und der erforderlich ist, wenn die flexible Leitung Biegebeanspruchungen ausgesetzt ist.

Diese Anpassungsleichtigkeit ist um so wichtiger, je mehr das Verhältnis des maximalen Trägheitsmoments Mm des Querschnitts, bezogen auf die oben definierte Achse X¹X, die durch den Schwerpunkt G des Querschnitts verläuft, zu dem Trägheitsmoment M₀ dieses Querschnitts, bezogen auf die durch den Schwerpunkt verlaufende Achse OG, die senkrecht zur Achse Ansteht, größer als 1 wird.

In der Praxis ist es zweckmäßig, daß das Verhält-

" ^J Gleichung 1,5 <~^f-< 2 und vorzugsweise

-< 1,8 wird

Die jede der zugfesten Lagen bildenden vorgeformten Stäbe 7 können aus einem metallischen Material mit günstigen mechanischen Eigenschaften gebildet sein und eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber dem Medium, mit dem die Stäbe in Kontakt kommen, aufweisen.

Wenn es jedoch wichtig ist, eine flexible dichte Leitung geringen Gewichtes herzustellen, so können die vorgeformten Stäbe 7 aus einer Matrix 14 aus Harz gebildet sein, das mittels einer Verstärkung armiert wird, die aus im wesentlichen parallelen Drähten 15 mit hohem Elastizitätsmodul gebildet ist und eine Torsion von nur geringem Wert oder gar vom Wert Null erfahren hat

Die Matrix kann aus in der Wärme härtbarem Harz vom Typ Phenolformaldehyd, ungesättigtem Polyester oder Epoxydharz sein, wobei diese Liste nicht als begrenzend angesehen werden kann, oder kann aus einem thermoplastischen Harz mit einem Schmelzpunkt bestehen, der um wenigstens 30⁰C höher als die Arbeitstemperatur der Struktur liegt, wie beispielsweise die Harze vom Typ Polyoxyd von Phenyl oder Polysulfon, wobei diese Liste nicht als begrenzend angesehen werden soll.

Die Verstärkung kann aus Fasern mit hohem Elastizitätsmodul gebildet sein, die in Form von kontinuierlichen Fäden und/oder Geweben und/oder Filz oder Matratzen aus geschnittenen Fasern verwirklicht werden kann.

Die Fäden der Verstärkung können Glasfaden, organische Fäden mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens 700 000 Bar, insbesondere Kohlenstoffasern etc. oder auch metallische Drähte sein.

Der Gehalt an Fäden kann so gewählt sein (höher als 30 Volumenprozent), daB ein Elastizitätsmodul sowie eine Festigkeit erhalten werden, die so hoch wie möglich liegen.

Die Fäden können bekanntermaßen an der Oberfläche mittels eines Produktes behandelt werden, welches eine vollständige Verankerung oder Haftung der Struktur an den Fäden di.art ermöglicht, daß ein maximaler Verstärkungseffekt erhalten wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

23 6ί 181 Patentansprüche:

1. Flexible Leitung oder Kabel mit einer zugfesten Bewehrung aus langgestreckten Verstärkungsprofilen, die als unter schraubenförmigem Wickeln mit einem Steigungswinkel gegen die Achse von weniger als 40° längs einer Zylinderwand vorgefonnte Stäbe nebeneinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die große Abmessung des Querschnitts der vorgeformten Stäbe (7) entsprechend einem Radius (O—G) der Leitung orientiert ist und daß die Verstärkungsprofile Zwischenräume zwischen sich belassen.

2. Leitung oder Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment des Querschnitts jedes Profilstabs bezüglich einer Querachse (X-X) des Querschnitts, die durch den Schwerpunkt (G) hiervon geht und senkrecht zum Radius der Leitung steht, einen Wert zwischen dem 1,2- und 2fachen desjenigen des Trägheitsmomentes des Quersciuitts bezüglich des Radius (0-C₁ s durch den Schwerpunkt (G) dieses Querschnitts gehenden Radius aufweist

3. Leitung oder Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe aus Metall bestehen.

4. Leitung oder Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe gebildet sind durch ein Harzgefüge, das durch eine Verstärkung aus im wesentlichen parallelen Fäden von hohen: Elastizitätsmodul bewehrt ist, wobei der Wert der Torsion der paraHelen Fäden im wesentlichen Null ist.