DE60218909T2

DE60218909T2 - Sandwich-rohre für ultratiefe gewasser

Info

Publication number: DE60218909T2
Application number: DE60218909T
Authority: DE
Inventors: Estefen CEP-20240-250 Rio de Janeiro SEGEN FARID; Theodoro Antoun CEP-24600-110 Niteroi NETTO; Ilson Paranhos CEP-24220-091 Niteroi PASQUALINO
Original assignee: Coordenacao dos Programas de Pos Graduacao de Engenharia da UFRJ
Current assignee: Coordenacao dos Programas de Pos Graduacao de Engenharia da UFRJ
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: WO2004011839A1; US20050236061A1; ES2282522T3; EP1552203B1; BR0203098A; DE60218909D1; DK1552203T3; EP1552203A1; AU2002333009A1; ATE356953T1; BR0203098B1

Description

Technische Anwendung
Das innovative Konzept ist im Wesentlichen eine steife Sandwich-Förderleitung, die insbesondere ausgelegt ist für den Transport von erwärmten Kohlenwasserstoffen oder allgemeinen Fluiden in ultra-tiefen Wassern, vergleiche WO-A-96/02785 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Technischer Überblick
Rohr-in-Rohr-Konzepte für den Transport von Kohlenwasserstoffen sind in der Offshore-Öl-Industrie eingesetzt worden. Im Allgemeinen werden solche Strukturen ausgewählt mit dem Ziel, die Isolationskapazität bezüglich der einzelnen Wand-Förderleitungen oder der Bündel zu erhöhen. Das Ringmaterial zu bemessen, dass es den Wärmeübertrag zwischen dem exportierten Fluid und der Umgebung vermindert, während die äußeren und inneren Rohre so ausgelegt sind, dass sie der Kombination aus Innendruck und Außendruck, Spannung und Biegebelastungen widerstehen. Das Forschungsprojekt hat unterschiedliche Konzeptionen von Sandwich-Rohren untersucht, die gleichzeitig sowohl die Anforderungen der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Isolation erfüllen.
Berechtigung der Erfindung
Das Konzept des studierten Sandwich-Rohrs (SP) ist zusammengesetzt aus zwei konzentrischen Stahlrohren, in denen der Ringraum bzw. Kreisring mit einem alternativen isolierenden Material gefüllt ist. Seine Geometrie ist schematisch gezeigt in 1(B), wobei D; der Innendurchmesser des Innerohrs ist, t_i die Innerrohr-Dicke ist, t_a Innenraum-Dicke und t_e die Außenrohr-Dicke ist.
Sandwich-Strukturen, die aus mittlerem Material mit geringer Dichte, geringer Wärmeleitfähigkeit und kleinerer mechanischer Festigkeit in Bezug auf die Außen- und Innenlagen zusammengesetzt sind, sind denkbare alternative Konzepte gegenüber konventionellen Strukturen. Sie können erhalten werden durch Kombinieren einer dicken mittleren Schicht und dünneren benachbarten Schichten mit guter Anhaftung zwischen ihnen. Die Innen- und Außenschichten sind so ausgelegt, dass sie axiale und Biegesteifigkeit bereitstellen, während die mittlere Schicht ausreichende thermische Isolation bereitstellen muss, wobei ein Gleiten zwischen benachbarten Schichten vermieden wird und die Innenschicht von der Außenschicht während der Belastung ferngehalten wird.
Daher wurden drei unterschiedliche Materialien ausgewählt, um durch unterschiedliche Geometrien die Machbarkeit von Sandwich-Rohren zu prüfen: Ein hochfester Stahl für das Innenrohr und das Außenrohr, und Zement oder Polypropylen für den Ringraum. Auf Grund seiner mechanischen Eigenschaften, seiner extensiven Anwendung in der Offshore-Industrie und der für großdimensionierte Produktion in der brasilianischen Industrie bereitgestellten Einrichtungen wurde hochfester Stahl natürlicherweise für die Analyse in Betracht gezogen und der Zement wurde ausgewählt, da er leicht und bei geringen Kosten hergestellt werden kann, und eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit sowie hohe Kompressionsfestigkeit bereitstellt. Er ist jedoch ein fragiles Material, anfällig für die Kernbildung von Fehlern und die Rissausbreitung während des Herstellungsverfahrens oder hauptsächlich, wenn er Biegebelastungen unterworfen wird. Auf der anderen Seite kann die Hinzufügung von geeigneten chemischen Komponenten seine Festigkeit erhöhen. Das Polypropylen ist ein hyperelastisches Material (Verlängerung von etwa 300%) mit geringer thermischer Leitfähigkeit, aber einer geringerer Kompressionsfestigkeit im Vergleich zum Zement. Darüber hinaus ist es ein teurer Rohstoff und erfordert ein ausgeklügeltes SP Herstellungsverfahren.
Sicherlich gibt es viele Kombinationen von Materialien und Geometrien, die die thermischen und strukturellen Erfordernisse erfüllen können. Das gesamte Unterwasser-Gewicht, die Rohstoff-Verfügbarkeit, die Herstellungskosten, der Zusammenbau und die Installation des SP sind einige der Haupt-Entscheidungsfaktoren für die optimierte Wahl von Material und Abmessungen. Obwohl diese Faktoren die Auswahl der untersuchten Fälle beeinflusst haben, haben die in dem Umfang dieses Projektes präsentierten Ergebnisse darauf abgezielt, in der Theorie die technische Machbarkeit des Konzeptes für tiefe und ultratiefe Wasser zu beweisen, und zwar ohne Berücksichtigung der Optimierung einer besonderen Konfiguration (die zu einer bestimmten Interpretation der erhaltenen Ergebnisse führen würde).
Ursprünglich hat die Studie die numerische Bewertung der Zerfalls-Hülle unter kombiniertem Außendruck und Biegedruck (Biegemoment und Krümmung) für verschiedene SP-Konfigurationen umfasst. Die numerischen Simulationen wurden ausgeführt mit der Hilfe eines nicht linearen Finite-Elemente-Models, das eine finite Plastizität und große Umdrehungen beinhaltet. Maßstabsverkleinerte Modelle mit SP, die mit Zement und Polypropylen gefüllt waren, wurden hergestellt und getestet unter hydrostatischem Druck, um den Zerfallsdruck und den Ausbreitungsdruck zu bestimmen. Die erhaltenen Ergebnisse (vergleiche Tabelle 1), wobei σ_oi, σ_oe die sich ergebenden Belastungen des inneren und äußeren Rohrs bedeuten und p_co der Zusammenbruchsdruck, waren hilfreich, um das entwickelte numerische Modell zu kalibrieren, welches in der Zukunft als Auslegungs-Werkzeuge für Sandwich-Rohre für ultratiefe Wasser verwendet werden können. Schließlich wurde eine vereinfachte vergleichende Studie der strukturellen Güte unter kombinierter Belastung ausgeführt, welche sechs verschiedene Kombinationen von SP und entsprechende Einzelwand-Rohre (siehe 2) mit sich brachten, wobei die Tabelle (a) die Zusammenbruchsdrücke darstellt, die Grafik (b) die Zusammenbruchs-Hüllen und die Tabelle (c) die strukturellen Gewichte.
Neben dem Anstieg der Biegesteifigkeit, die erhalten wird durch die Teilung eines einzelnen Wandrohrs in zwei zylindrische Schalen bzw. Mäntel, die durch ein alternatives Material gefüllt sind, sind Sandwich-Rohrkonfigurationen potentielle Lösungen für Unterwasser- bzw. Tiefseeanpassungen, bei denen die thermische Isolation ein kritischer Auslegungsparameter ist. Der Einsatz von geeigneten Kernmaterialien, die zu äquivalenten Wärmeübergangs-Koeffizienten führen, die geeignet sind, den Wärmeverlust zwischen dem Öl-Gas-Wasser- Gemisch und der Umgebung zu reduzieren, kann diese Lösung technisch sehr attraktiv machen.
Nichtsdestotrotz ist die Bewertung der erforderlichen Wärmeisolations-Kapazität eines Rohrs stark abhängig von der studierten See-Auslegung (die Fluss-Abstände, der Quellenfluss, Druck, Temperatur, etc.). Zusätzlich, wenn thermische Isolationsanforderungen festgelegt werden, müssen die physikalischen Eigenschaften des exportierten Fluids (Dichte, Viskosität, thermische Kapazität, thermische Leitfähigkeit, etc.) korrekt bestimmt werden. Die mit der Herstellung, Installation, Sicherheit und dem Betrieb verbundenen Kosten sind ebenfalls wichtige Parameter, die während des Auslegungsvefahrens berücksichtigt werden müssen.
In jenem Forschungsprojekt wurde das Problem in einer vereinfachten Weise unter zwei unterschiedlichen Fallgestaltungen analysiert. Ursprünglich wurde eine parametrische Studie entwickelt, um den Effekt unterschiedlicher Dicke und der thermischen Leitfähigkeit des Kernmaterials auf den analytisch gewonnenen globalen Wärmeübertragskoeffizienten zu analysieren. Aus der Annahme, dass der globale Wärmeübertragskoeffizient, der erforderlich ist, um die Abkühlung der Fluids zu vermeiden, bekannt ist, ermöglichen es, die gewonnenen Resultate, die PIP Konfigurationen zu identifizieren, die die Designanforderungen der thermischen Isolation erreichen können. Als nächstes wurde eine theoretische Analyse durchgeführt, welche die Wärmekonvektion des Öl-Gas-Wasser-Gemisches und die thermische Leitfähigkeit in der festen Struktur des Sandwich-Rohrs betraf. Aus der numerischen Lösung der Zustandsgleichungen war es möglich, das longitudinale Temperatur-Profil zu gewinnen und die Hauptdesign-Parameter zu quantifizieren, um geeignete Temperaturen des Gemisches längs der Förderleitung aufrecht zu erhalten.
Wie bereits betont wurde, brachte die durchgeführte Studie einen Kompromiss mit einem spezifischen Sandwich-Rohr-Layout, da mehrere Kombinationen von Material und geometrischen Parametern dieselben strukturellen und thermischen Anforderungen erreichen können. Nichts desto weniger zeigten die gewonnenen Resultate klar ein großes Potential für den Einsatz von Sandwich-Rohr-Systemen für tiefe und ultratiefe Wasser, da deren Kapazität bestätigt wurde, effektiv und gleichzeitig sowohl thermisch als auch strukturelle Auslegungsanforderungen zu erfüllen, wobei keine größeren Probleme hinsichtlich des Betriebsverfahrens oder des Herstellungsverfahrens auftraten, wenn man sie mit herkömmlichen Förderleitungen verglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Sanwich-Rohr (SP), das aus einem mehrschichtigen steifen Rohrsystem besteht, wobei die erforderliche Kapazität der thermischen Isolation und die Strukturfestigkeit für den Transport von erwärmten Kohlenwasserstoffen in ultratiefen Wassern bzw. Gewässern verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein steifes System von zylindrischer Form, wobei thermische Funktion und geeignete mechanische Festigkeiten in ultratiefen Gewässern (jenseits 1500 Metern) zu installieren ist und es bei dem Transport von erwärmten Kohlenwasserstoffen oder anderen Fluiden eingesetzt wird. Die Erfindung weist auf ein Kompositsystem mit drei überlagerten Schichten, wie beschrieben in 1(a), einer perspektivischen Ansicht des Systems, wobei A die äußere Schicht darstellt, B die Zwischenschicht und C die Innenschicht. Die Außenschicht und die Innenschicht sind Rohre, die aus metallischen Legierungen gemacht sind, z. B. wie Kohlenstoff, Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Titan, etc. mit oder ohne Naht (längsgerichtete Schweißnaht). Bei der Zwischenschicht wurden Zement oder Polypropylen in Betracht gezogen, aber es können auch keramische Materialien, Polymere oder Kompositmaterialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und guter Anhaftung mit dem Innen- und Außenrohr verwendet werden.
Die Zeichnungen, Tabellen und die oben erwähnten Daten können nicht betrachtet werden als Beschränkungen für den Umfang der Erfindung, da sie dargestellt werden kann mit mehreren Schichten und/oder unterschiedlichen Abmessungen, abhängig von den Zuständen bzw. Bedingungen der Verwendung.

Claims

Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen, umfassend: ein Verbundsystem mit drei oder mehr übereinander gelagerten Schichten, gekennzeichnet durch: eine innere Schicht und eine äußere Schicht aus Metalllegierungen wie Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Titan, etc. und eine Zwischenschicht aus Zement, Polypropylen, Keramikmaterialien, Polymeren oder Verbundmaterialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und guter Haftung mit den inneren und äußeren Röhren.
Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die vorzugsweise Verwendung von Kohlenstoffstahl bei der Herstellung der äußeren und inneren Schichten.
Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen gemäß den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die vorzugsweise Verwendung von Zement bei der Herstellung der Zwischenschicht.
Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen gemäß den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die vorzugsweise Verwendung von Polypropylen bei der Herstellung der Zwischenschicht.
Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen, gekennzeichnet durch die Verwendung für den Transport von erwärmten Kohlenwasserstoffen oder Fluiden in extremen Wassertiefen.
Mehrschicht-Pipeline für extreme Wassertiefen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Beachten sowohl der grundlegenden Konstruktionsanforderungen der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Isolierung.