DE60021571T2 - Rohrbaugruppe aus kompositmaterial und fertigungsverfahren dafür - Google Patents

Description

• Diese Anmeldung beansprucht das Vorrecht der Provisorischen US-Anmeldung Seriennr. 60/132207, eingereicht am 3. Mai 1999, und der US-Patentanmeldung Seriennr., am 24. April 2000, unter dem Titel "Composite tubular assembly and method of forming same".
• Das Gebiet der Erfindung ist flexibles Rohr zum Leiten von Erdöl oder anderen Fluids unter Wasser oder an Land und das Verfahren zum Herstellen desselben.
• Herkömmliches verbundenes flexibles Rohr wird in dem Dokument des American Petroleum Institute, der API Spezifikation 17J, beschrieben. Diese Arten von Rohren werden typischerweise sowohl für „süße" als auch für „saure" Betriebsförderung, einschließlich von Export- und Einpressdiensten, verwendet. Beförderte Fluids schließen Erdöl, Erdgas, Wasser und Einpresschemikalien und -gas ein. Ein typischer Aufbau besteht aus mehreren röhrenförmigen Lagen, beginnend mit einer ineinandergreifenden Metallkarkasse und gefolgt von einer Auskleidungsröhre aus Kunststoff, um das Fluid innerhalb des Rohrs zu halten. Eine Umfangsfestigkeitspanzerverstärkung in der Reifrichtung wird durch spiralförmige Metalldrähte bereitgestellt, die in mehreren Lagen und in entgegengesetzten Spiralrichtungen gewickelt sein können. Es können ebenfalls zusätzliche Lagen mit einem harten verschleißfesten Material verwendet werden, und einer abschließenden Mantelextrusion, um die Baugruppe zu vervollständigen.
• Die US-Patente Nummer 5261462 und 5435867, beide erteilt an Donald H. Wolfe et al., sind Beispiele von röhrenförmigem Verbundstoffrohr nach dem Stand der Technik. Diese Patente betreffen röhrenförmige Strukturen, die eine Kunststoffröhre für den Fluidleiter haben, der eine Außenschicht hat, hergestellt aus abwechselnden spiralförmig gewickelten Streifen aus Verbundstoff und Elastomer. Es wird angenommen, dass die Verbundstoffrohre des Stands der Technik, wie beispielsweise in den obigen Patenten offenbart, auf verhältnismäßig kurze Handelslängen begrenzt gewesen sind, auf Grund des Verfahrens, durch das solche röhrenförmigen Strukturen hergestellt worden sind. Das US-Patent 3604461 offenbart ein flexibles Verbundstoffrohr mit den Kennzeichen des Oberbegriffs von Anspruch 10.
• Typischerweise werden flexible Verbundstoffrohre durch das Filamentwickelverfahren hergestellt, das einschließt, das Rohr zu drehen, während kunstharzimprägnierte Fasern von Spulen zugeführt und längs der Länge des Rohrs vor- und zurückbewegt werden. Eine solche Technik begrenzt auf Grund der Zahl von Spulen, die für die große Zahl von Fasern erforderlich ist, die bei jedem Durchlauf verwendet wird, die Länge des verstärkten flexiblen Rohrs, das gefertigt werden kann. Als praktische Frage war auf Grund eines solchen Problems nicht bekannt, wie verhältnismäßig lange Längen von Verbundstoffrohr, die zur Verwendung unter Wasser ausreichen, herzustellen sind.
• Bei Einzelspulenmaschinen sind die Ausspann- und die Nachladezeit abhängig von der zum Fädeln jedes Endes der Fasern gebrauchten Zeit, der Zahl von Spulen und der zum Ersetzen jeder Spule erforderlichen Zeit. Außerdem wird eine Maschine vom Einzelspulentyp auf Grund der Materialnutzlastanforderungen erfordern, dass sich jedes Ende eine gewisse Strecke von seiner Spule über Rollen, Scheiben, Ösen usw. durch die Maschine zum Abschlusspunkt an dein Rohr bewegt, was folglich eine zeitraubende Aufgabe schafft. Wegen der Hunderten und sogar Tausenden von Spulen wären außerordentlich große Maschinen erforderlich, um durch solche Techniken des Stands der Technik ein verstärktes Verbundstoffrohr in langen Längen herzustellen, demzufolge hat die Industrie flexible Verbundstoffrohre in langen Längen, die für Unterwasserförder- und -bohrlochoperationen geeignet sind, nicht verfügbar gehabt. Mehrfachfasertaue sind wegen der erforderlichen Fasereinlegezeiten ebenfalls für lange Rohrlängen nicht zweckmäßig.
• Mit der vorliegenden Erfindung werden zuerst aus den Fasern und Kunstharz oder dergleichen diskrete Bänder hergestellt, so dass die Bänder auf Spulen gewickelt werden, was die Zahl der erforderlichen Spulen, verglichen mit der für Einzelfaserfäden erforderlichen Zahl von Spulen, verringert, wodurch es möglich ist, lange Längen von flexiblen Verbundstoffrohren zu fertigen. Die Bänder werden zuerst hergestellt und werden danach von Bandspulen an Stelle der Faserspulen nach dem Stand der Technik zugeführt. Außerdem besteht jedes Band aus mehreren übereinandergelegten dünnen Bandstreifen, hergestellt aus vorwiegend unidirektionalen Fasern, die mit einem Epoxydharz oder einem anderen Verbindungsharz imprägniert sind, das bei Wärme, Kälte, ultravioletter (UV) Strahlung oder durch andere Aushärteverfahren aushärtet. Die Mehrschichtbänder werden mit einem Polyethylen- oder einem ähnlichen Kunststoff- oder einem dünnen Metallstreifen umwickelt oder durch thermoplastische Extrusion ummantelt, um sie als eine Einheit zusammen einzuschließen, wobei ein Verbindungsklebstoff zwischen den Bandstreifen am Austreten aus der Umhüllung gehindert wird. Jedes so hergestellte Band wird von einer Bandspule dem Rohrkern zugeführt, wenn der Rohrkern gedreht wird, oder wenn die Spulen im Verhältnis zu dem Kern gedreht werden, was zum Verstärken des Kerns spiralförmige Windungen jedes der Bänder auf dem Rohrkern in der gleichen oder entgegengesetzten Spiralrichtungen erzeugt.
• 1 ist eine isometrische Ansicht einer typischen Faseranordnung für das Band dieser Erfindung,
• 2 ist eine Ansicht der Fasern von 1, eingebettet in ein Kunstharz, wie beispielsweise ein Epoxydharz,
• 3 ist eine Querschnittsansicht des fertigen Bands, das mehrere Faserbänder hat, mit einem Thermoplast- oder Elastomermaterial aneinanderlaminiert, um ein Verbundstoffband als eine Einheit zu bilden,
• 4 ist eine schematische Illustration eines Verfahrens dieser Erfindung, die das Verfahren und die Vorrichtung zum Herstellen der kunstharzimprägnierten Faserbänder dieser Erfindung zeigt, und
• 5 ist eine isometrische Ansicht eines nach dieser Erfindung hergestellten Rohrs, welche die Anordnung der spiralförmig auf den fluidleitenden Kern oder Schlauch gewickelten Bänder zeigt.
• Unter Bezugnahme auf 1 wird nun ein vormontierter Faserbandstreifen gezeigt, der aus mehreren Fasern 11 hergestellt ist, die sich parallel zueinander in einer Kettrichtung erstrecken, welche die Hauptrichtung des Bands ist. Diese Fasern sind aus Glasfaser, Kevlar, Kohlenstoff oder ähnlichen Materialien hergestellt. Fasern 12 sind senkrecht zu den Fasern 11 angeordnet und erstrecken sich unterhalb derselben und werden typischerweise bei dem Fertigungs- und Montageverfahren mit einem Stich miteinander verbunden. Solche Fasern 12 liegen in der Schussrichtung über den Bandstreifen. Vorzugsweise wird die Hauptfestigkeit des Bandstreifens in der Richtung der Fasern 11 bereitgestellt, und in einigen Fällen kann jeder Bandstreifen einzig aus Kettfasern 11 hergestellt sein. In jedem Laminat 15 können ebenfalls Streifen dünnen Metalls aus Stahl, Aluminium oder anderem Metall, wobei einige perforiert sind, zwischen den Faserstreifen oder außerhalb derselben verwendet werden.
• Die aus den Fasern 11 und 12 hergestellte Fasermatrix kann gesondert hergestellt und danach mit einem Kunstharz, wie beispielsweise einem Epoxydharz, imprägniert werden, oder die Fasermatrix kann auf der gleichen Maschine hergestellt werden, die solche Fasern mit dem Kunstharz imprägniert.
• 2 ist eine Illustration des Bandstreifens T dieser Erfindung, wobei eine Form desselben durch Imprägnieren der Fasern 11 und 12 mit einem Epoxydharz oder dergleichen, um ein Einzellaminat 15 zu formen, hergestellt wird. Die Laminate müssen so dünn wie möglich sein, um die Beanspruchung in ihnen zu verringern, wenn sie auf eine Rohroberfläche gebogen werden. Typischerweise beträgt die Dicke jeder Laminatschicht von etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) bis etwa .0,75 mm (0,030 Zoll). Dies ist etwas wie ein Kompromiss zwischen (a) einem sehr dünnen Band, das für ein sehr effizientes, aber langes Herstellungsverfahren sorgt, und (b) einem dickeren Band, das weniger effizient ist (mehr Beanspruchung), aber weniger Herstellungszeit erfordert.
• Jedes Laminat 15, das durch diese Erfindung hergestellt wird, ist ein gesondertes Band T. Mehrere solcher Bänder T werden, wie in 3 gezeigt, übereinandergeschichtet und werden, wie erläutert wird, durch einen Klebstoff aneinander gebunden, der anfangs ein unausgehärtetes Epoxydharz oder Kunstharz zwischen den Bändern T sein kann, das später ausgehärtet wird, während oder nachdem die Bänder A auf den Kern C gewickelt werden. Sobald der Klebstoff zwischen den Bändern aushärtet, nimmt das Gesamtlaminaterzeugnis A den Radius an, zu dem es gebogen wurde. Dies geschieht, weil die Bänder 15 übereinandergleiten, und danach, wenn der Klebstoff aushärtet, können sie nicht gleiten.
• In 3 wird das fertiggestellte Band A schematisch im Querschnitt gezeigt, wobei die Kettfasern 11 an den Enden freigelegt sind und das Epoxydharz die mehrfachen Bänder imprägniert und zu dem fertigen Band T verbindet. Die Schussfasern werden in 3 nicht gezeigt, weil sie sich hinter der Schnittlinie für 3 quer über 3 erstrecken.
• Ein äußerer Schutzmantel 20 aus Nylon, Polyethylen oder einem ähnlichen flexiblen Thermoplast- oder Elastomermaterial umschließt die übereinandergeschichteten Bänder T und schließt den Klebstoff zwischen solchen Bändern T ein, so dass während des Aushärtens nichts von dem unausgehärteten Klebstoff aus dem Mantel 20 austritt.
• Eine typische Anordnung zum Herstellen des in 3 gezeigten fertigen Bands A wird durch die schematisch in 4 gezeigte Einrichtung illustriert.
• Als Beispiel werden die Laminate 15 oder Bänder T in einer übereinandergeschichteten Beziehung angeordnet und durch Quetschwalzen 25 zugeführt. Vor dem Erreichen der Quetschwalzen 25 werden die Bänder T mit Zwischenraum zueinander angeordnet, so dass ein Klebstoff in der Form eines Kunstharzes oder dergleichen mit einer beliebigen geeigneten Art von Auftragvorrichtung 27 oder einem Sprühgerät, die Klebstoff oder Kunstharz von einer Einspritzvorrichtung 28 und einem auf geeignete Weise mit der Auftragvorrichtung 27 verbundenen Verteiler 29 zuführen, zwischen den Bändern T aufgebracht wird.
• Führungswalzen 35 dienen dazu, die Bänder T in einer übereinandergeschichteten Ausrichtung miteinander zu halten.
• Schließlich wird eine drehbare Spule 37, die einen Wicklungsstreifen 39 aus Polyethylen, Nylon oder einem ähnlichen flexiblen Thermoplast- oder Elastomermaterial auf derselben hat, so angeordnet, dass sie eine spiralförmige Wicklung des Streifens 39 zuführt, um durch drehen des Spulenkopfs 37 einen Schutzmantel 20 herzustellen. Ein solcher Schutzmantel 20 wird folglich dadurch hergestellt, dass das Band 39 um die Bänder T gewickelt wird, um das in 3 im Querschnitt gezeigte fertige Mehrfachbanderzeugnis A herzustellen. An Stelle der spiralförmigen Wicklungen 39 kann durch einen Längsstreifen, der sich in Längsrichtung des Bands T erstreckt, und der gefaltet wird, um sich teilweise oder vollständig um das Band T zu erstrecken, eine „Zigaretten"-Wicklung hergestellt werden. Die spiralförmige Wicklung 39 kann danach vorzugsweise außerhalb der Zigarettenwicklung gewickelt werden, um das Erzeugnis A fertigzustellen.
• Unter Bezugnahme auf 5 wird nun ein einfacher Rohraufbau illustriert, um die Verwendung des Bands A zum Verstärken eines Innenkerns oder -schlauchs C zu zeigen, der aus einem flexiblen fluidleitenden Material, wie beispielsweise flexiblem Polyethylen oder Metall hergestellt ist, das dick genug ist, um eine gewisse Steifigkeit zu haben, aber dünn genug, um noch ohne bedeutsame Verformung oder Einknicken flexibel zu sein. Eine Abriebschutzschicht B aus verhältnismäßig dünnem Polyethylen oder dergleichen wird vorzugsweise zwischen den spiralförmigen Wicklungen des Bands A angeordnet, um einen Abriebschutz zwischen zwei Lagen der spiralförmigen Wicklungen zu gewährleisten. Obwohl die Wicklungen der Bänder A als entgegengesetzte spiralförmige Wicklungen gezeigt werden, ist die Erfindung nicht auf dieselben begrenzt. Zum Beispiel kann der Aufbau zwei oder mehr Wicklungen mit einer linksgängigen Lage und zwei oder mehr mit einer rechtsgängigen Lage und dann zwei oder mehr mit einer linksgängigen Lage haben.
• Es ist zu bemerken, dass sich die Bänder A in einer nicht bindenden Beziehung zu dem Kern oder Schlauch C und zueinander befinden, so dass die Bänder A in einem begrenzten Ausmaß im Verhältnis zu dem Kern oder Schlauch C und zueinander gleiten können, um das Biegen der gesamten Baugruppe zu ermöglichen, wenn sich der Kern oder Schlauch C während der Verwendung biegt. Außerdem ist zu bemerken, dass es kleine Spalte oder spiralförmige Räume 40 jeweils zwischen den Bändern A gibt, um für Flexibilität eine begrenzte relative Bewegung der Bänder A im Verhältnis zu dem Kern oder Schlauch C und zueinander zu gewährleisten, wenn der Kern oder Schlauch C gebogen wird.
• Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung sind illustrativ und erläuternd für dieselbe, und es können verschiedene Veränderungen an den Einzelheiten der illustrierten Vorrichtung und des Aufbaus und des Betriebsverfahrens vorgenommen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen einer Verbundstoff-Rohrbaugruppe, das folgendes umfasst: Übereinanderschichten eines ersten Satzes von mehreren dünnen flexiblen Materialstreifen (15), so dass sie sich wesentlich miteinander erstrecken, Aufbringen eines Klebstoffs zwischen den Streifen (15), um die Streifen aneinander zu binden, und Anordnen des ersten Satzes von verbundenen Streifen (15) an einem fluidleitenden Rohrkern (c) aus einem flexiblen Material in einer nicht bindenden Beziehung zu dem Kern (c), um beim Biegen des Rohrkerns (c) eine gleitende relative Bewegung zwischen denselben zu gewährleisten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das einschließt, eine flexible erste Lage (39) wesentlich um den ersten Satz von Streifen (15) zu wickeln, um den Satz von Streifen (15) in der übereinandergeschichteten Beziehung zu halten, und Wickeln der ersten Lage (39) und des wesentlich mit derselben umschlossenen ersten Satzes von Streifen (15) spiralförmig um den Rohrkern (c) in einer nicht bindenden Beziehung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das einschließt, eine Verbundstoff Rohrbaugruppe herzustellen, das folgendes umfasst: Übereinanderschichten eines zweiten Satzes von mehreren dünnen flexiblen Materialstreifen (15), so dass sie sich wesentlich miteinander erstrecken, und Wickeln des ersten Satzes und des zweiten Satzes in entgegengesetzten Spiralwinkeln auf den Rohrkern (c), ohne einen der Sätze an den anderen oder an den Rohrkern (c) zu binden, um so eine begrenzte gleitende relative Bewegung der Streifen im Verhältnis zueinander und zu dem Kern (c) zu gewährleisten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem: jede Umhüllung geformt wird als eine Schicht mit einem Spalt zwischen benachbarten Kanten jedes Streifens, der ausreichend ist, um eine Flexibilität der Hülle zu ermöglichen und um ein Biegen des Rohrkerns zu ermöglichen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: die Streifen (15) aus flexiblem Material auf dem Rohrkern (c) angeordnet werden, während der Klebstoff noch nicht vollständig ausgehärtet ist und daher flexibel genug ist, um eine wesentliche Anpassung an die Krümmung des Rohrkerns (c) zu sichern, und danach der Klebstoff erhitzt wird, um ihn in die passende Form auszuhärten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: der Klebstoff ein schnell aushärtendes Epoxydharz oder Harz ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Streifen nichtmetallisch ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Streifen ein Textilerzeugnis aus einem nichtmetallischen Fasermaterial ist, miteinander verbunden durch ein Harz, um ein Band zu bilden.
9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem: das Fasermaterial aus hauptsächlich einachsigen Fasern besteht, die sich der Länge nach in einem Harz erstrecken.
10. Verbundstoff Rohrbaugruppe, die folgendes umfasst: einen Rohrkern (c) aus einem fluidleitenden flexiblen Material mit einer äußeren gekrümmten Oberfläche, der einen ersten Satz von verbundenen Streifen hat, die sich in einem nicht bindenden Kontakt mit dem Kern (c) befinden, um beim Biegen des Kerns eine begrenzte relative gleitende Bewegung zwischen denselben zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz aus mehreren übereinandergeschichteten, sich wesentlich miteinander erstreckenden, Materialstreifen (15) hergestellt wird, die durch einen Klebstoff aneinander gebunden werden, wobei der erste Satz dünn und flexibel genug zum Biegen ist, um sich wesentlich der gekrümmten Außenfläche des Kerns (c) anzupassen.
11. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach Anspruch 10, die eine flexible erste Lage (39) wesentlich um den ersten Satz von Streifen einschließt, um die Streifen in der übereinandergeschichteten Beziehung miteinander einzuschränken.
12. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, die einen zweiten Satz von mehreren übereinandergeschichteten, sich wesentlich miteinander erstreckenden, Materialstreifen (15) umfasst, die durch einen Klebstoff aneinander gebunden werden, wobei der zweite Satz dünn und flexibel genug zum Biegen ist, um sich wesentlich der gekrümmten Außenfläche des Kerns (c) anzupassen, und bei dem sich der erste Satz in einem wenigstens teilweise nicht bindenden Kontakt mit dem zweiten Satz befindet, um beim Biegen des Rohrkerns (c) eine begrenzte relative gleitende Bewegung zwischen denselben zu gewährleisten.
13. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach Anspruch 12, bei der eine zweite, gesondert von der ersten Lage (39) gewickelte, Lage (39) wesentlich um den zweiten Satz von Streifen (15) gewickelt wird, um die Streifen (15) im zweiten Satz in einer übereinandergeschichteten Beziehung miteinander einzuschränken, wobei sich die zweite Lage (39) in einem wenigstens teilweise nicht bindenden Kontakt mit der ersten Lage (39) befindet, um beim Biegen des Rohrkerns (c) eine begrenzte gleitende relative Bewegung zwischen denselben zu gewährleisten.
14. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der die Streifen (15) nichtmetallisch sind.
15. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der jeder der Streifen ein Textilerzeugnis aus einem nichtmetallischen Fasermaterial ist, miteinander verbunden durch ein Harz, um ein Band zu bilden.
16. Verbundstoff-Rohrbaugruppe nach Anspruch 15, bei der das Fasermaterial aus hauptsächlich einachsigen Fasern besteht, die sich der Länge nach in einem Harz erstrecken.
17. Verbundstoff Rohrbaugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 16, die mehrere Sätze von verbundenen Streifen (15) umfasst, die um den Rohrkern gewickelt werden, mit einem Spalt zwischen benachbarten Kanten von benachbarten Streifen, der ausreichend ist, um ein Biegen der Umhüllung und des Rohrkerns (c) zu ermöglichen.