DE60013117T2

DE60013117T2 - Isolierter rohraufbau und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60013117T2
Application number: DE60013117T
Authority: DE
Inventors: Umberto Giovannini; Giuseppe Stani
Original assignee: Saipem SpA
Current assignee: Saipem SpA
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-05-27
Also published as: GB9912451D0; CA2368104C; AU775169B2; NO20015748D0; ATE274168T1; PT1181482E; EP1460329A3; NZ515205A; ES2225167T3; EP1181482B1; CA2368104A1; EP1460329A2; BR0011010A; AU5678300A; EP1181482A1; WO2000073696A1; DE60013117D1; NO20015748L; NO320917B1; DK1181482T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für den Einsatz in einem unterseeischen Rohrstrang (Pipeline) geeignete gedämmte Rohrstruktur, einen gedämmten Rohrstrang, der eine Vielzahl derartiger Rohrstrukturen aufweist und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Rohrstruktur und eines derartigen Rohrstrangs.
Wie allgemein bekannt ist, gibt es in der Off-shore Öl- und Gasindustrie eine Nachfrage nach einem Rohrstrang, der auf dem Meeresboden verlegt werden kann und der (wärme gedämmt ist, so dass die aus einer Bohrung extrahierten fließfähigen Rohstoffe ohne übermäßig starke Abkühlung dieser Fluida durch den Rohrstrang geleitet werden können. In der Folge wurden viele Vorschläge zu Rohrstrukturen gemacht, die für den Einsatz in derartigen Rohrsträngen geeignet sind.
In den meisten Fällen umfasst eine Rohrstruktur für die Verwendung in einem solchen Rohrstrang zwischen ihren Enden ein Innenrohr, das als Leitungsrohr für durch die Rohrstruktur strömendes Fluid dient, wärmedämmendes Material, das sich um das Innenrohr herum erstreckt und ein das wärmedämmende Material umgebendes äußeres Rohr. Die Rohrstruktur wird in einer diskreten Länge hergestellt, zum Beispiel in der Größenordnung von 12 m, und ein Rohrstrang wird hergestellt, indem eine Vielzahl von Rohrstrukturen an den Enden miteinander verbunden werden. Es ist in der Regel wichtig, dass in dem fertiggestellten Rohrstrang die Art der Verbindungen zwischen benachbarten Rohrstrukturen so ist, dass das wärmedämmende Material vor dem Eindringen von Seewasser und vor dem Umgebungsdruck am Meeresboden geschützt ist, damit seine wärmedämmenden Eigenschaften erhalten bleiben.
Es hat sich als schwierig erwiesen, eine zufriedenstellende Rohrstruktur zu finden, besonders in den Fällen, wo der Rohrstrang in tiefem Wasser verlegt werden soll. Eine besondere Herausforderung erwächst aus dem Wunsch, beim Verlegen des Rohrstrangs einen Längenabschnitt der Rohrstruktur mit einem anderen Längenabschnitt verbinden zu können. Dies lässt sich auf einem Schiff bewerkstelligen, von dem aus der Rohrstrang verlegt wird, und die mögliche Verleggeschwindigkeit kann durch die Zeit bestimmt werden, die benötigt wird, um eine Rohrstruktur mit einer andern zu verbinden. Gleichzeitig gibt es beim Verlegen des Rohrstrangs, besonders bei Anwendung der J-Lay-Technik, wahrscheinlich die Notwendigkeit, die Rohrstruktur zu greifen und in Längsrichtung beträchtliche Kräfte auf die äußere Oberfläche der Rohrstruktur zu leiten. Um die in Längsrichtung wirkenden Kräfte zu übertragen, die bei Anwendung der J-Lay-Technik auftreten, ist es in der Praxis üblich, benachbarte Enden der Mantelrohre entweder direkt oder indirekt miteinander zu verschweißen und auch die Innenrohre miteinander zu verschweißen. In diesem Fall kann die nach oben in Längsrichtung wirkende Kraft, die beim Verlegen auf das oberste Mantelrohr wirkt, am Rohrstrang nach unten am Mantelrohr entlang und auf das Innenrohr nur über eine Vielzahl von Längenabschnitten der Rohrstruktur übertragen werden. In diesem Fall ist die Scherkraft in Längsrichtung begrenzt, die zwischen dem Mantelrohr und dem Innenrohr über einen Längenabschnitt der Rohrstruktur übertragen werden muss. Ein Problem entsteht jedoch dadurch, dass der Schweißprozess wegen der Notwendigkeit, sowohl die Innenrohre als auch die Mantelrohre zu verschweißen, sehr zeitaufwendig ist.
WO 98/17940 beschreibt eine Rohrstrangkonstruktion der soeben beschriebenen Art. In diesem Fall sind Mantelrohre durch zylindrische Abdeckungen, die über die benachbarten Enden der Mantelrohre geschweißt sind, sicher miteinander verbunden. Es gibt immer noch die Nachfrage nach einer derartigen Konstruktion, um einen Mechanismus für die Übertragung der Scherkräfte zwischen den Innenrohren und Mantelrohren bereitzustellen; weil die Mantelrohre jedoch durch Schweißen miteinander verbunden werden, sind die Scherkräfte, die zwischen den Innenrohren und den Mantelrohren übertragen werden müssen, viel geringer. WO 98/17940 nimmt Bezug auf die Möglichkeit, Kräfte bis zu drei Tonnen zwischen den Innen- und Mantelrohren zu übertragen. Diese Kraft wird mit Hilfe von gummiartigen Querwänden übertragen, die sich zwischen den Innen- und den Mantelrohren erstrecken, jede Querwand wird von einem gummiartigen Bauelement gebildet, das in dem Raum zwischen den Rohren vorgesehen ist und das mit Hilfe einer geeigneten mechanischen Vorrichtung in Längsrichtung zusammengedrückt wird, so dass es radial gegen die Innen- und Mantelrohre gepresst wird. Wie bereits festgestellt wurde, müssen bei einer derartigen Anordnung sowohl an den Innenrohren als auch an den Mantelrohren Schweißarbeiten ausgeführt werden, wenn eine Verbindung hergestellt wird. Ein weiteres Problem bei Vorrichtungen der beschriebenen Art besteht darin, dass sie kompliziert sind und dass ihre Installation zeitaufwendig ist und dass, um hinreichend effektiv arbeiten zu können, die zusätzliche radiale Beanspruchung, die sowohl auf die Innenrohre als auch auf die Mantelrohre als Folge des radialen Drucks auf jede Querwand wirkt, beträchtlich sein muss.
Nachdem ein Rohrstrang verlegt wurde, werden Temperaturunterschiede zwischen dem Innenrohr, das den relativ heißen Bohrfluida ausgesetzt ist und der Außenseite des Rohrstrangs, die dem relativ kalten Seewasser ausgesetzt ist, höchstwahrscheinlich zu Scherkräften in Längsrichtung führen, als Resultat der unterschiedlichen Wärmedehnungen der inneren und äußeren Teile des Rohrstrangs. So müssen sogar nach dem Verlegen bedeutende Scherkräfte in Längsrichtung zwischen den Innenrohren und den Mantelrohren aufgenommen werden, obwohl die Kräfte wesentlich geringer sind, als die bei der J-Lay-Verlegetechnik auftretenden Kräfte.
GB 2161565A wird als der vorliegenden Erfindung vom Stand der Technik her wahrscheinlich am nächsten kommend angesehen und beschreibt eine Rohrstruktur, die zwischen ihren Enden innere und äußere konzentrische Rohre mit Wärmedämmstoff zwischen beiden aufweist. An jedem Ende der Rohrstruktur ist ein ringförmiges Verbindungselement vorgesehen, die Wand des Verbindungselementes weist in Längsrichtung einen Abschnitt auf, der im allgemeinen die Gestalt eines Y hat, wobei jeder Schenkel des oberen Schenkelpaares des Y mit entsprechenden Schenkeln des inneren und des äußeren Rohres auf Stoß verschweißt ist und der einzelne untere Schenkel des Y einen Endring der Rohrstruktur bildet. Der Endring einer Rohrstruktur kann sehr einfach mit dem Endring einer anderen Rohrstruktur auf Stoß verschweißt werden, auf diese Weise lassen sich die Rohrstrukturen an den Enden sicher miteinander verbinden. Das Verbindungselement und die inneren und äußeren Rohre sind in der Regel aus Stahl.
Die Konstruktion von GB 2161565A stellt mit Erfolg eine Rohrstruktur bereit, die an den Enden auf einfache Art und Weise mit einer anderen ähnlichen Struktur verbunden werden kann, bei der die. bereitgestellte mechanische Verbindung zwischen den inneren und äußeren Rohren außergewöhnlich fest ist und bei welcher das wärmedämmende Material, das sich zwischen den inneren und äußeren Rohren befindet, vor dem Umgebungsdruck und vor dem Eindringen von Wasser geschützt ist. Ein Nachteil einer derartigen Konstruktion besteht jedoch darin, dass das Verbindungselement eine thermische Brücke zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr bildet, die den Grad der Wärmedämmung, welche die durch das innere Rohr strömenden Fluida gegen das kältere Seewasser thermisch isoliert, stark beeinträchtigt.
GB 2191842A beschreibt einen ähnlichen Entwurf mit einem ähnlichen Nachteil.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Rohrstruktur bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile abstellt oder mindert.
Gemäß der Erfindung wird eine Rohrstruktur bereitgestellt, die sich für die Verwendung in einem unterseeischen Rohrstrang eignet, wobei die Rohrstruktur langgestreckt ist und zwischen ihren Enden ein Innenrohr, das als Leitungsrohr für durch das Rohrelement strömendes Fluid dient, wärmedämmendes Material, das sich um das Innenrohr herum erstreckt und ein das wärmedämmende Material umgebendes Mantelrohr umfasst, wobei an jedem Ende des Rohrelementes das Innenrohr mit dem Mantelrohr durch ein wärmedämmendes Verbindungselement verbunden ist, das am Innenrohr zumindest teilweise auf Grund von zwischen dem Innenrohr und dem Verbindungselement wirkenden Adhäsionskräften sicher befestigt ist, wobei das wärmedämmende Verbindungselement und das Mantelrohr gemeinsam das wärmedämmende Material vor dem Eindringen von Wasser und vor dem Umgebungsdruck schützen.
Durch die Verwendung eines wärmedämmenden Verbindungselementes, dessen Wirkung, zumindest teilweise auf Adhäsionskräften beruht, um das Innenrohr und das Verbindungselement zu sichern, wird es auf einfache Art und Weise möglich, eine Rohrstruktur zu erhalten, die auf einfache Weise hergestellt werden kann, indem sie lediglich durch Aneinanderschweißen der Innenrohre mit einer anderen ähnlichen Struktur an den Enden verbunden wird, mit der die Wärmedämmung um das Innenrohr sowohl vor dem Umgebungsdruck als auch vor dem Eindringen von Wasser geschützt wird, und die in Längsrichtung beträchtliche Lasten aufnehmen kann (häufig 150 Tonnen (1,47 × 10⁶ N) oder mehr), die zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr angreifen, zum Beispiel beim Verlegen mit Hilfe der J-Lay-Technik. Dabei wirkt das Verbindungselement nicht als thermische Brücke, weil es wärmedämmend ist, wie dies bei GB 2161565A oder GB 2191842A der Fall ist.
Das Mantelrohr der gedämmten Rohrstruktur weist eine ausreichende Festigkeit und Steifheit auf, um das wärmedämmende Material, welches das Innenrohr umgibt, vor dem hohen Umgebungsdruck am Meeresboden zu schützen. Daraus folgt, dass das Mantelrohr vorzugsweise eine beträchtliche Steifheit aufweist. Das Mantelrohr kann ein vorgeformtes rohrförmiges Bauelement sein, zum Beispiel ein Stahlrohr. In diesem Fall wird das Verbindungselement vorzugsweise an dem vorgeformten rohrförmigen Bauelement sicher befestigt, zumindest teilweise auf Grund von zwischen dem rohrförmigen Bauelement und dem Verbindungselement wirkenden Adhäsionskräften. Das Verbindungselement ist vorzugsweise im Eingriff mit einer Innenseite des rohrförmigen Bauelementes und mit einer Außenseite des Rohres. Somit kann das Verbindungselement die Form eines ringförmigen Bauelementes haben, das den ringförmigen Raum zwischen den Endteilen des Innenrohres und des rohrförmigen Bauelementes ausfüllt.
Weiter oben wurde Bezug genommen, auf das Sichern des Verbindungselementes "zumindest teilweise mit Hilfe von Adhäsionskräften." In nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Verbindungselement überwiegend mit Hilfe von Adhäsionskräften gesichert, und dies wird im allgemeinen bevorzugt, dabei ist jedoch anzumerken, dass ein Teil der Festigkeit der Verbindung auch von anderen Effekten abgeleitet werden kann. Zum Beispiel kann sich der Wasserdruck so auswirken, dass radiale Kräfte zwischen dem Verbindungselement und dem Innenrohr und zwischen dem rohrförmigen Bauelement und dem Verbindungselement erzeugt werden, und diese Kräfte können beträchtliche Reibungskräfte hervorrufen, welche die Adhäsionskräfte unterstützen können, um jeglicher Bewegung des Innenrohres in Längsrichtung, relativ zum Mantelrohr, entgegenzuwirken. Um eine ausreichende Haftung zu fördern, können die Oberflächen des Innenrohres und/oder die Oberfläche des rohrförmigen Bauelementes, an dem das Verbindungselement sicher befestigt ist, oberflächenbehandelt sein, und faktisch können einige sich in radialer Richtung erstreckende Vorsprünge/Aussparungen an diesen Oberflächen vorgesehen werden, um die sichere Befestigung des Verbindungselementes noch weiter zu verbessern. So ist es zum Beispiel auch möglich, dafür zu sorgen, dass das Verbindungselement an Ort und Stelle expandieren kann, als Resultat einer chemischen Reaktion, um radiale Kräfte einzuleiten und um somit durch Reibungskräfte die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.
Vorzugsweise wird das Verbindungselement an Ort und Stelle hergestellt. Das Element kann zum Beispiel vollständig aus einem Werkstoff zusammengesetzt sein, der im allgemeinen als Klebstoff angesehen wird.
Anstatt für das Mantelrohr ein vorgeformtes rohrförmiges Bauelement und ein separates Verbindungselement bereitzustellen, kann das Verbindungselement als ein integraler Teil des Mantelrohres ausgebildet werden und das Verbindungselement und das Mantelrohr können an Ort und Stelle hergestellt werden. Ein Beispiel für eine Anordnung dieser Art und für die Art und Weise, wie sie hergestellt werden kann, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Vorzugsweise steht das Innenrohr in axialer Richtung an den einander gegenüberliegenden Enden der Rohrstruktur über. Das macht das Verbinden einer Rohrstruktur mit einer anderen einfacher, weil die Zugänglichkeit der Verbindungsstelle der Innenrohre leicht zu erreichen ist.
Das Verbindungselement kann aus den unterschiedlichsten Werkstoffen hergestellt werden, die an sich bekannt sind. Besonders in dem Fall, wo das Mantelrohr ein vorgeformtes rohrförmiges Bauelement ist und das Verbindungselement einen ringförmigen Raum zwischen den Endabschnitten des Innenrohres und des rohrförmigen Bauelements ausfüllt, kann das Verbindungselement ein nicht expandierter Werkstoff sein, zum Beispiel ein synthetischer Polymerwerkstoff wie zum Beispiel Polyurethan oder irgend ein anderer Kunstharzwerkstoff. In einem nachfolgend beschriebenen Beispiel der Erfindung enthält der Werkstoff ein Polyol-Isocyanat. Besonders in dem Falle, wo das Mantelrohr ein integraler Bestandteil des Verbindungselements ist und in dem Falle, wo das Verbindungselement über das Mantelrohr hinausragt, kann das Verbindungselement aus einem Verbundwerkstoff hergestellt werden, der beispielsweise einen Füllwerkstoff, wie Glasfaser, Kohlefaser oder Kevlar (eingetragenes Warenzeichen) enthalten kann, in einem polymeren Kunstharzwerkstoff, der ein nicht expandierter Werkstoff, zum Beispiel Polyurethan sein kann.
Die axiale Länge der Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Innenrohr und, falls eine existiert, der Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Mantelrohr, kann so gewählt werden, dass über die Verbindung hinreichend große Scherkräfte übertragen werden können.
Es ist zu erkennen, dass sowohl der Werkstoff, der zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr zwischen deren Enden angeordnet ist als auch der Werkstoff des Verbindungselements als thermische Dämmstoffe beschrieben sind. Dabei ist jedoch anzumerken, dass der Werkstoff des Verbindungselementes nicht notwendigerweise die gleichen guten Dämmeigenschaften haben muss, wie der Werkstoff, der zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr zwischen deren Enden angeordnet ist, weil die Querschnittsfläche der thermischen Brücke durch das Verbindungselement über die Gesamtlänge einer Rohrstruktur so viel kleiner ist. So ist das Wärmeleitungsvermögen des Werkstoffs, aus dem das wärmedämmende Verbindungselement besteht, vorzugsweise kleiner als 1,00 W/°Km und noch besser, vorzugsweise kleiner als 0,2 W/°Km. Das wärmedämmende Material, das zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr angeordnet ist, weist vorzugsweise ein Wärmeleitungsvermögen kleiner als 1,00 W/°Km auf, besser unter 0,2 W/°Km und in der Tat vorzugsweise wesentlich kleiner als diese Werte auf; zum Beispiel ist das Wärmeleitungsvermögen des Dämmstoffs vorzugsweise kleiner als 0,1 W/°Km. Damit das wärmedämmende Material zwischen dem Mantelrohr und dem Innenrohr so effektiv wie' möglich ist, füllt es vorzugsweise über 90 %, vorzugsweise den gesamten Raum zwischen dem Mantelrohr und dem Innenrohr aus und wird an seinen Enden mit Hilfe des Verbindungselements verbunden. Im dem Falle, dass nicht der gesamte Raum von dem Wärmedämmstoff ausgefüllt wird oder nicht der gesamte Raum von demselben Wärmedämmstoff, ist die zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr wirkende erzielte Wärmedämmung vorzugsweise effektiver als die eines Werkstoffs, der den Raum ausfüllt und ein Wärmeleitungsvermögen von 0,1 W/°Km hat.
Wie dies bereits beschrieben wurde, werden beim Verlegen eines Rohrstrangs hohe Anforderungen an die Rohrstruktur gestellt, um den zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr wirkenden Scherkräften in Längsrichtung zu widerstehen. Vorzugsweise ist die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Mantelrohr und dem Innenrohr so groß, dass sie in Längsrichtung einer Scherkraft von über 75 Tonnen (7,36 × 10⁵N) standhalten kann. In diesem Fall kann über eine einzelne Rohrstruktur in Längsrichtung eine Gesamtkraft von mehr als 150 Tonnen (1,47 × 10⁶ N) vom Mantelrohr auf das Innenrohr übertragen werden, wie dies bei der J-Lay-Technik erforderlich sein kann, besonders in tiefem Wasser. Natürlich können auch andere Teile einen gewissen Beitrag zur Gesamtscherkraft in Längsrichtung zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr liefern, denen die Struktur standhalten kann, wie zum Beispiel das wärmedämmende Material, das zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr zwischen den Enden der Rohrstruktur angeordnet ist, bei dem meisten Dämmstoffen wird dies jedoch wahrscheinlich kein wesentlicher Beitrag sein.
Die Rohrstruktur kann aus einem einzelnen Rohrstück bestehen, das aus einem einzelnen Innenrohr und einem einzelnen Mantelrohr zusammengesetzt ist, im allgemeinen zieht man es jedoch vor, dass die Rohrstruktur aus einer Vielzahl von Rohrstücken besteht, wobei jedes Rohrstück aus einem Innenrohr, wärmedämmendem Material und aus einem Mantelrohr besteht und die Rohrstücke an den Enden miteinander , verbunden sind. Obwohl es möglich ist, das wärmedämmende Verbindungselement an den Verbindungsstellen der Rohrstücke zwischen den Enden der Rohrstruktur vorzusehen, bevorzugt man in der Regel für diese Verbindungsstellen eine andere Konstruktion, die an sich bekannt ist; diese Zwischenverbindungen können an Land hergestellt werden und das zu ihrer Herstellung erforderliche Verfahren muss auf das nachfolgende Rohrverlegungsverfahren keinerlei Einfluss haben.
Die Erfindung stellt auch einen gedämmten Rohrstrang bereit, der aus einer Vielzahl gedämmter Rohrstrukturen besteht, wie sie oben definiert wurden, wobei die Rohrstrukturen an den Enden miteinander verbunden sind.
Die Rohrstrukturen sind auf besonders vorteilhafte Art und Weise baulich miteinander verbunden, zumindest maßgeblich wegen der Verbindung der Enden der Innenrohre der Rohrstrukturen. Es ist leicht einzusehen, dass sich der aus den Rohrstrukturen gebildete gedämmte Rohrstrang von anderen abhebt, nicht nur weil es weder ein durchgehendes metallisches äußeres Rohr, bestehend aus Mantelrohrstücken, die durch Schweißen miteinander verbundenen wurden (wie dies zum Beispiel bei WO 98/17940 der Fall ist) noch eine durchgehende äußere Metallstruktur gibt (wie dies zum Beispiel bei GB 2161565A der Fall ist, wo Stahlaußenrohrstücke durch Verbindungselemente miteinander verbunden sind, die sie mit dem Innenrohr verbinden). Statt dessen kann beim vorliegenden gedämmten Rohrstrang das äußere Rohr aus metallenen Rohrstücken gebildet werden, die an den Verbindungsstellen benachbarter Rohrstrukturen durch Verbindungselemente aus wärmedämmendem Material unterbrochen sind, oder das äußere Rohr kann vollständig aus wärmedämmendem Material hergestellt sein. Die Enden der Innenrohre angrenzender Rohrstrukturen werden vorzugsweise miteinander verschweißt. An der Verbindungsstelle einer Rohrstruktur mit einer anderen ist vorzugsweise eine wärmedämmende Anordnung um die benachbarten Innenrohrenden herum, zwischen den benachbarten Verbindungselementen vorgesehen. Es ist leicht zu erkennen, dass die Anordnung keinerlei Tragfähigkeit haben muss. Obwohl es natürlich erwünscht ist, dass das wärmedämmende Material dieser wärmedämmenden Anordnung durch die Anordnung vor dem Eindringen von Wasser und vor dem Umgebungswasserdruck geschützt ist, ist es leicht einzusehen, dass auf grund der begrenzten Ausdehnung der Anordnung in Längsrichtung diese Punkte nicht so kritisch sind.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer gedämmten Rohrstruktur bereit, die für den Einsatz in einem unterseeischen Rohrstrang, geeignet ist, wobei die Rohrstruktur langgestreckt ist und zwischen ihren Enden ein Innenrohr, das als Leitungsrohr für durch die Rohrstruktur strömendes Fluid dient, wärmedämmendes Material, welches das Innenrohr umschließt, und ein Mantelrohr umfasst, welches das wärmedämmende Material umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verbinden des Innenrohres mit dem Mantelrohr, an jedem Ende der Rohrstruktur, mit Hilfe eines wärmedämmenden Verbindungselementes und sicheres Befestigen des wärmedämmenden Verbindungselementes am Innenrohr, zumindest teilweise mit Hilfe von Adhäsionskräften zwischen dem Innenrohr und dem Verbindungselement, wobei das wärmedämmende Verbindungselement und das Mantelrohr gemeinsam das wärmedämmende Material vor dem Eindringen von Wasser und vor dem Umgebungsdruck schützen. Das Mantelrohr kann ein vorgeformtes, rohrförmiges Bauteil enthalten und das Verbindungselement kann an Ort und Stelle ausgebildet werden; alternativ können das Mantelrohr und das Verbindungselement an Ort und Stelle im selben Verfahrensschritt geformt werden und aus einem Stück bestehen.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines gedämmten Rohrstrangs bereit, bei dem eine Vielzahl von Rohrstrukturen an den Enden miteinander verbunden werden, wobei die Rohrstrukturen so sind, wie sie oben definiert wurden. Das Verfahren wird vorzugsweise beim Verlegen des Rohrstrangs angewendet; folglich schließt das Verfahren vorzugsweise folgende Schritte ein: unterseeisches Verlegen des Rohrstrangs von einem Rohrverlegerschiff aus und Anschließen der Rohrstrukturen, eine nach der anderen, an ein Ende des Rohrstrangs, wenn der Rohrstrang verlegt wird. Das Verfahren ist besonders in dem Falle geeignet, wo der Rohrstrang unter Anwendung einer J-Lay-Technik verlegt wird, auf grund der Größe der Scherkraft in Längsrichtung, die bei Anwendung der J-Lay-Technik zugeführt werden kann.
Anhand von Beispielen werden nun bestimmte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, auf denen folgendes dargestellt ist.
1 ist eine Schnittdarstellung der Seitenansicht eines Endes einer erfindungsgemäßen Rohrstruktur;
2 ist eine Schnittdarstellung der Seitenansicht einer Rohrstruktur, die aus vier Abschnitten besteht, die an den Enden miteinander verbunden sind, die Enden der Rohrstruktur haben die auf 1 dargestellte Form;
3 ist eine Schnittdarstellung der Seitenansicht eines Endes einer anderen erfindungsgemäßen Rohrstruktur;
4 ist eine Seitenansicht einer Rohrstruktur, die aus vier Abschnitten besteht, die an den Enden miteinander verbunden sind, die Enden der Rohrstruktur haben die auf 3 dargestellte Form; und
5 ist eine Schnittdarstellung einer modifizierten Form einer Rohrstruktur.
Es wird nun zuerst auf 1 Bezug genommen; die gezeigte Rohrstruktur umfasst im allgemeinen ein Innenrohr 1, ein äußeres Rohr (Mantelrohr) 2 und wärmedämmendes Material 3. Das rechtsseitige Ende (rechtsseitig, wie auf 1 dargestellt) ist mit einem Verbindungselement 4 versehen, das eine ringförmige Gestalt hat und das sich zwischen der Innenseite des Mantelrohres 2 und der Außenseite des Innenrohres 1 erstreckt. Wie dies auf 1 zu erkennen ist, endet das Mantelrohr 2 in Richtung der Längsachse der Struktur im wesentlichen an derselben Stelle, wie das Verbindungselement 4, das Innenrohr 1 geht durch das Verbindungselement 4 jedoch hindurch und ragt ein kurzes Stück über das Verbindungselement 4 hinaus, der überstehende Teil ist mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet.
Das Innenrohr 1 und das Mantelrohr 2 bestehen aus Werkstoffen und weisen Maße auf, die an sich bekannt sind. Zum Beispiel können die Innenrohre und Mantelrohre aus Stahl gefertigt sein, das wärmedämmende Material 3 kann ein beliebiges wärmedämmendes Material sein, wie es üblicherweise in Strukturen dieser Art verwendet wird. Ein Bereich von Werkstoffen dieser Art wird in WO 98/59193 beschrieben. Der Außendurchmesser des Innenrohres 1 beträgt in einem speziellen Beispiel etwa 220 mm (8-Zoll Rohr) und der Außendurchmesser des Mantelrohres 2 in diesem Beispiel beträgt etwa 324 mm (12-Zoll-Rohr).
Das Verbindungselement 4 wird aus einem wärmedämmenden Material hergestellt, das einen wesentlich höheren thermischen Widerstand bereitstellt, als ein Werkstoff mit größerem Wärmeleitungsvermögen, zum Beispiel Stahl, es muß jedoch nicht ein ebenso guter Wärmedämmstoff wie das wärmedämmende Material 3 sein, auf grund der geringeren Maße des Verbindungselementes 4 in Längsrichtung. Das Verbindungselement 4 muß außerdem sehr gute adhäsive Eigenschaften aufweisen, damit es sowohl mit dem Innenrohr 1 als auch mit dem Mantelrohr 2 eine ausreichend feste Verbindung eingeht, um den Scherkräften in Längsrichtung standzuhalten, die auf diese Verbindungen bei ihrer Verwendung einwirken können. Um eine gute Haftung des Verbindungselementes 4 an den Rohren 1 und 2 zu befördern, können die Bereiche der Rohroberfläche, an denen das Verbindungselement 4 haften soll, vorbehandelt werden, zum Beispiel durch sandstrahlen, um eine geraute Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen.
In dem beschriebenen Beispiel wird das Verbindungselement 4 an Ort und Stelle hergestellt und besteht aus einem Polyol-Isocyanat, das ein Wärmeleitungsvermögen von etwa 0,16 W/°Km aufweist. Bei Bedarf kann eine ringförmige Blende (nicht dargestellt) zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr unmittelbar an der Außenseite des wärmedämmenden Materials 3 angebracht werden, die dazu dient, das Eindringen des auszuformenden Materials in Achsrichtung, in das Verbindungselement 4 hinein, zu begrenzen.
Obwohl es für die Rohrstruktur, deren Ende auf 1 dargestellt ist, möglich wäre, sie aus einem einzelnen Rohrstück eines Innenrohres und einem einzelnen Rohrstück eines Mantelrohres herzustellen und sie an ihren anderen Enden zu verbinden, wie dies auf 1 dargestellt ist, stellt dies in der Regel nicht die bevorzugte Konstruktion dar. Auf 2 ist die bevorzugte Lösung schematisch dargestellt, bei der die Rohrstruktur aus einer Vielzahl von Rohrstücken aus Innenrohren und Mantelrohren (in diesem besonderen Beispiel sind dies vier Stücke von jedem Rohrtyp) hergestellt ist. Die auf 2 dargestellte Rohrstruktur würde man in der Regel, so wie die dargestellte Einheit, an Land herstellen und daran anschließend auf ein Rohrverlegerschiff oder etwas ähnliches verladen, die Rohrstrukturen würden eine nach der anderen an einem Ende angeschlossen, um einen Rohrstrang zu bilden, der vom Schiff aus verlegt wird.
Auf 2 sind die vier inneren Rohrstücke mit 1A, 1B, 1C und 1D bezeichnet, während die vier äußeren Rohrstücke mit 2A, 2B, 2C und 2D bezeichnet sind. Es ist einleuchtend, dass jedes Ende der auf 2 dargestellten Rohrstruktur die Form hat, wie sie auf 1 dargestellt ist, so dass die Struktur an ihren gegenüberliegenden Enden mit hervorstehenden Innenrohrteilen 11A und 11D versehen ist. Die Länge der überstehenden Teile ist auf 2, der größeren Klarheit wegen, übertrieben dargestellt.
Die Zwischenverbindungen zwischen den benachbarten Enden der vier Rohrstücke der inneren und äußeren Rohre können auf die selbe Art und Weise hergestellt werden, wie dies unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, aber dies ist unter Umständen nicht erforderlich, besonders dann nicht, wenn das Zusammensetzen der einzelnen Rohrstücke zu der auf 2 dargestellten Struktur vor dem Verlegen der Rohre erfolgen kann und somit außerhalb des kritischen Weges. Eine einfache und zufriedenstellende Zwischenverbindung kann hergestellt werden, indem für das äußere Rohr Rohrstücke zusammengestellt werden, deren Länge jeweils geringer als die Länge des Innenrohres ist. Benachbarte Rohrstücke des Innenrohres können anschließend stumpf miteinander verschweißt werden, mit einem axialen Spalt, der um die Enden des Innenrohres ausgebildet ist. Dieser ringförmige Spalt kann auf eine wasserdichte und druckbeständige Art und Weise geschlossen werden, indem zwei halbkreisförmige Ringe 7 mit dem äußeren Rohr und miteinander verschweißt werden, nachdem ein beliebiges anderes wärmedämmendes Material, das die Innenrohrenden umgeben soll, platziert wurde. Obwohl der Vorgang des Verbindens der inneren und äußeren Rohrstücke unter Verwendung der Ringe 7 eine Reihe von Schweißschritten einschließt und deshalb zeitaufwendig ist, stellt die zusätzlich erforderliche Zeit keinen besonderen Nachteil dar, wenn die Schweißschritte vor dem Verlegen abgearbeitet werden und deshalb das Verlegen des Rohres nicht verzögern.
Natürlich kann die Anzahl der Rohrstücke, die an den Enden miteinander verbunden werden, um die auf 2 gezeigte Rohrstruktur herzustellen, verändert werden, dies gilt auch für die Länge eines jeden Rohrstücks. In einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Rohrstruktur aus vier Rohrstücken aus Innen- und Mantelrohren gebildet und hat eine Gesamtlänge von 48 m.
In der Regel wird die Rohrstruktur von einem Schiff aus unter Anwendung einer S-Lay-Technik oder J-Lay-Technik verlegt. Zuerst wird die auf 2 dargestellte Rohrstruktur an ihrem Ende mit dem Ende des zu verlegenden Rohrstrangs (dem Resultat der zuvor verlegten Rohrstrukturen) koaxial ausgerichtet, dieses Ende hat die Form, wie sie auf den 1 und 2 dargestellt ist. Das Ende 11 des Innenrohres 1 der zu verlegenden Rohrstruktur wird anschließend mit dem Ende des Innenrohres des Rohrstrangs stumpf verschweißt. Das wärmedämmende Material kann dann um die stumpf verschweißten Enden des Innenrohres platziert und mit einer Abdeckung auf eine beliebige, geeignete Art und Weise bedeckt werden. Dabei ist jedoch anzumerken, dass im Falle des soeben erwähnten wärmedämmenden, das Innenrohr umgebenden Materials, es nicht so wichtig ist, das wärmedämmende Material vor dem Eindringen von Wasser und/oder vor dem Umgebungsdruck zu schützen, auf grund der in Längsrichtung begrenzten Abmessungen der Zwischenverbindung. Das Verbinden der Rohrstruktur mit dem Ende des Rohrstrangs kann deshalb auf eine relativ einfache und schnelle Art und Weise erfolgen.
Besonders in dem Falle, wo der Rohrstrang mit Hilfe der J-Lay-Technik verlegt wird, wird eine beträchtliche, nach oben gerichtete Kraft in Längsrichtung auf die Außenseite der Rohrstruktur wirken, unmittelbar nachdem diese mit dem Rohrstrang verbunden wurde. Diese Kraft wird über die Verbindungselemente 4 der Rohrstruktur auf das Innenrohr übertragen und somit auf den Rohrstrang als ganzes, der sich vom Schiff aus nach unten erstreckt.
Nach dem Verlegen können immer noch beträchtliche Scherkräfte in Längsrichtung zwischen den inneren und äußeren Rohren 1, 2 auftreten, die auf deren Temperaturunterschiede zurückzuführen sind und auf die unterschiedlichen Wärmedehnungseigenschaften der beiden Rohre. Diese Scherkräfte sind wahrscheinlich geringer als die Kräfte, die bei der J-Lay-Technik auftreten, sie können jedoch immer noch beträchtlich sein. Weil die größten Scherkräfte beim Verlegen auftreten, muss es nichts schwerwiegendes sein, wenn sich die Adhäsionskräfte zwischen den Verbindungselementen 4 und den inneren Rohren und/oder Mantelrohren 1, 2 im Verlaufe der Zeit in einem gewissen Maße verschlechtern.
3 zeigt eine Rohrstruktur von im Großen und Ganzen ähnlicher Form, wie die auf 1 dargestellte Struktur. In der vorliegenden Beschreibung werden übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nur Merkmale der Struktur auf 3, die von der Struktur nach 1 abweichen, werden nachfolgend beschrieben. In der auf 3 gezeigten Anordnung ist das Verbindungselement 4 mit der Außenseite des Mantelrohres 2 verbunden, anstatt mit der Innenseite; das Verbindungselement wird auch hier an Ort und Stelle hergestellt und kann geformt werden, indem die aus dem Innenrohr 1, dem Mantelrohr 2 und dem wärmedämmenden Material 3 bestehende Anordnung auf einem Wickeldorn oder auf einer anderen geeigneten, drehbaren Montagevorrichtung montiert wird und ein mit einem geeigneten Kleber getränkter Faden um das Ende der Anordnung gewickelt wird, so dass ein Ende der Rohrstruktur geformt wird, wie dies auf 3 dargestellt ist.
4 ist eine Ansicht ähnlich 2 und zeigt eine Rohrstruktur der Form, wie sie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, bei der jedoch das Ende eine Anordnung aufweist, wie sie auf 3 dargestellt ist und nicht wie auf 1. Übereinstimmende Teile sind auf den 2 und 4 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es ist einleuchtend, dass die Rohrstruktur, wie sie auf den 3 und 4 dargestellt ist, im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise verwendet wird, wie dies bereits für die Rohrstruktur der 1 und 2 beschrieben wurde.
5 zeigt eine Rohrstruktur, die eine modifizierte Form der auf den 3 und 4 dargestellten Struktur ist. Anstatt nur das Verbindungselement 4 zu formen, indem ein mit einem geeigneten Kleber getränkter Faden um das Ende der Anordnung gewickelt wird, werden das gesamte Mantelrohr, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 22 auf 5 und die Verbindungselemente an jedem Ende der Struktur, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 24 auf 5, aus einem Stück im Verlaufe eines derartigen Fadenwickelprozesses geformt. Somit besteht die Struktur nicht aus einem inneren und äußeren Stahlrohr, sondern aus einem Innenrohr, das aus Stahl sein kann und aus einem Mantelrohr, das aus einem synthetischen Polymerwerkstoff – hergestellt ist. Das Mantelrohr muss selbstverständlich ausreichend dick sein, um den Umgebungsdrücken, denen die Struktur auf dem Meeresboden ausgesetzt ist, zu widerstehen. Es ist leicht einzusehen, dass es im Falle der Struktur nach 5 angebracht sein kann, dass alle Übergänge zwischen den Rohrstücken von der gleichen Art sind und dass es vorteilhaft sein kann, die Struktur nach 5 aus erheblich längeren Rohrstückeinheiten (zum Beispiel 48 m) zu bilden und alle Verbindungen beim Verlegen des Rohrstrangs zu formen.
Wie dies oben dargestellt wurde, ist es wichtig für die Verbindungen zwischen dem Verbindungselement und dem Innenrohr und auch, falls es welche gibt, für die Verbindungen zwischen dem Verbindungselement und dem Mantelrohr, dass diese so wasserdicht wie möglich sind. Falls dies gewünscht wird, kann die Wasserdichtheit derartiger Verbindungen, besonders die Wasserdichtheit über eine längere Zeitdauer, durch den Einbau einer oder mehrerer O-Ring-Dichtungen in die Verbindungen verbessert werden.

Claims

Gedämmte Rohrstruktur, geeignet für den Einsatz in einem unterseeischen Rohrstrang (Pipeline), wobei die Rohrstruktur langgestreckt ist und zwischen ihren Enden ein Innenrohr (1), das als Leitungsrohr für durch die Rohrstruktur strömendes Fluid dient, Wärmedämmstoff (3), der sich um das Innenrohr (1) herum erstreckt und ein den Dämmstoff (3) umgebendes Mantelrohr (2) umfasst, wobei an jedem Ende der Rohrstruktur das Innenrohr (1) mit dem Mantelrohr (2) durch ein wärmedämmendes Verbindungselement (4) verbunden ist, das am Innenrohr (1) zumindest teilweise auf Grund von Adhäsionskräften zwischen dem Innenrohr (1) und dem Verbindungselement (4) sicher befestigt ist, wobei das wärmedämmende Verbindungselement (4) und das Mantelrohr (2) gemeinsam den Dämmstoff (3) vor dem Eindringen von Wasser und vor dem Umgebungsdruck schützen.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 1, bei der das Mantelrohr (2) von einem vorgefertigten rohrförmigen Bauteil gebildet wird.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 2, bei der das Verbindungselement (4) an dem vorgefertigten rohrförmigen Bauteil zumindest teilweise auf Grund von Adhäsionskräften zwischen dem rohrförmigen Bauteil und dem Verbindungselement (4) sicher befestigt ist.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Verbindungselement (4) mit einer Innenfläche des rohrförmigen Bauteils in Eingriff ist.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Verbindungselement (4) mit einer Außenfläche des rohrförmigen Bauteils in Eingriff ist.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungselement (4) an Ort und Stelle gefertigt wird.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 1, bei der das Verbindungselement (4) als integraler Bestandteil des Mantelrohres (2) gefertigt wird.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 7, bei der das Verbindungselement (4) und das Mantelrohr (2) an Ort und Stelle gefertigt werden.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Innenrohr (1) von gegenüberliegenden Enden der Rohrstruktur in axialer Richtung hervorsteht.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungselement (4) ein synthetisches polymeres Material enthält.
Gedämmte Rohrstruktur nach Anspruch 10, bei der das synthetische polymere Material ein wärmeaushärtendes Harz ist.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmeleitungsvermögen des Materials, aus dem das wärmedämmende Verbindungselement (4) gebildet wird, kleiner als 1,0 W/°Km ist.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Festigkeit der Verbindung zwischen Mantelrohr (2) und Innenrohr (1) so groß ist, dass sie einer in Längsrichtung wirkenden Scherkraft von 75 Tonnen (7,36 × 10⁵N) standhalten kann.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Wärmedämmstoff (3), der sich um das Innenrohr (1) herum erstreckt, im wesentlichen den gesamten Raum zwischen Mantelrohr (2) und Innenrohr (1) ausfüllt und an seinen Enden von den Verbindungselementen (4) begrenzt wird.
Gedämmte Rohrstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Struktur aus einer Vielzahl von Rohrstücken besteht, jedes Rohrstück ein Innenrohr (1), Dämmstoff (3) und ein Mantelrohr (2) einschließt, wobei die Rohrstücke an den Enden miteinander verbunden sind.
Gedämmter Rohrstrang mit einer Vielzahl von gedämmten Rohrstrukturen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rohrstrukturen an ihren Enden miteinander verbunden sind.
Gedämmter Rohrstrang nach Anspruch 16, bei dem die Rohrstrukturen baulich miteinander, zumindest überwiegend, mit Hilfe der Verbindung der Innenrohrenden der Rohrstrukturen verbunden sind.
Gedämmter Rohrstrang nach Anspruch 17, bei dem die Enden der Innenrohre aneinandergrenzender Rohrstrukturen miteinander verschweißt sind.
Gedämmter Rohrstrang nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem an den Verbindungsstellen der Rohrstrukturen untereinander eine wärmegedämmte Anordnung vorgesehen ist, um die aneinandergrenzenden Innenrohrenden herum, zwischen den aneinandergrenzenden Verbindungselementen.
Verfahren zur Herstellung einer gedämmten Rohrstruktur, die für den Einsatz in einem unterseeischen Rohrstrang geeignet ist, wobei die Rohrstruktur langgestreckt ist und zwischen ihren Enden ein Innenrohr (1), das als Leitungsrohr für durch die Rohrstruktur strömendes Fluid dient, Wärmedämmstoff (3), der das Innenrohr (1) umschließt und ein Mantelrohr (2) umfasst, welches den Dämmstoff (3) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verbinden des Innenrohres (1) mit dem Mantelrohr (2) an jedem Ende der Rohrstruktur, mit Hilfe eines wärmedämmenden Verbindungselementes (4) und sicheres Befestigen des wärmedämmenden Verbindungselementes (4) am Innenrohr (1), zumindest teilweise mit Hilfe von Adhäsionskräften zwischen dem Innenrohr (1) und dem Verbindungselement (4), wobei das wärmedämmende Verbindungselement (4) und das Mantelrohr (2) gemeinsam den Dämmstoff (3) vor dem Eindringen von Wasser und vor dem Umgebungsdruck schützen.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Mantelrohr ein vorgefertigtes rohrförmiges Bauteil enthält und das Verbindungselement an Ort und Stelle gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Mantelrohr und das Verbindungselement an Ort und Stelle im selben Verfahrensschritt gefertigt werden und aus einem Stück bestehen.
Verfahren zur Fertigung eines wärmegedämmten Rohrstranges, durch Aneinanderfügen einer Vielzahl von Rohrstrukturen an deren Enden, wobei die Rohrstrukturen einem der Ansprüche 1 bis 15 entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 23, das die Verfahrensschritte umfasst: unterseeisches Verlegen des Rohrstrangs von einem Rohrverlegerschiff aus und Anschließen der Rohrstrukturen, eine nach der anderen, an ein Ende des Rohrstrangs, wenn der Rohrstrang verlegt ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Rohrstrang durch Anwendung einer J-Lay-Technik verlegt wird.