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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verstärken oder
wieder Instandsetzen von röhrenförmigen Strukturen,
insbesondere Off-Shore-Strukturen.
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Struktursandwichplattenelemente
sind in
US 5,778,813 und
US 6,050,208 beschrieben,
und enthalten äußere Platten
aus Metall, z.B. Stahl, die miteinander mit einem dazwischen liegenden
Elastomerkern, z.B. aus nicht geschäumtem Polyurethan, verbunden
sind. Diese Sandwichplattensysteme, die im Handel unter der Marke
SPS sind, können
in vielen Formen der Konstruktion verwendet werden, um verstärkte Stahlplatten
zu ersetzen und in großem Maß die resultierenden
Strukturen zu vereinfachen, wobei sie die Festigkeit und die Strukturleistung
(z.B. Steifigkeit, Dämpfungscharakteristika)
verbessern, wobei gleichzeitig Gewicht gespart wird. Weitere Entwicklungen
dieser Struktursandwichplattenelemente sind in WO 01/32414 beschrieben.
Wie es dort beschrieben ist, können
Schaumformen in der Kernschicht enthalten sein, um Gewicht zu reduzieren, und
Quermetallsheerplatten können
zugefügt
sein, um die Steifigkeit zu verbessern.
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Gemäß den Lehren
der WO 01/32414 können
die Formen entweder hohl oder massiv sein. Hohle Formen erzeugen
eine größere Gewichtsreduktion
und sind daher vorteilhaft. Die in diesem Dokument beschriebenen
Formen sind nicht darauf beschränkt,
dass sie aus leichtgewichtigem Schaummaterial gebildet sind, und
können
auch aus anderen Materialien, wie z.B. Holz- oder Stahlkästen, gebildet sein.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 02/078948 ist eine Weiterentwicklung
des Konzepts des Einschließens
von hohlen Formen und beschreibt Formen, die einfach herzustellen
und zu montieren sind, insbesondere sind hohle längliche Formen beschrieben,
die aus zusammen verschnappbaren Stücken gebildet sind.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 02/20341 beschreibt ein Verfahren,
wodurch vorhandene Strukturen verstärkt oder wieder Instand gesetzt
werden können,
indem eine Platte in einem beabstandeten Verhältnis zu einer Tafel der existierenden
Struktur verschweißt
wird und unausgehärtetes Kunststoff-
oder Polymermaterial in den daraus resultierenden Hohlraum eingespritzt
wird, so dass, wenn das eingespritzte Material aushärtet, es
sich mit der vorhandenen Tafel und der neuen Platte mit ausreichender
Festigkeit verbindet, um Scherkräfte
zwischen ihnen zu übertragen.
Die resultierende Struktur verhält
sich wie ein einziger Körper.
Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft dahingehend, dass
es gewöhnlich
rascher als die herkömmliche Technik
des Herausschneidens der beschädigten oder
korrodierten Platten in der vorhandenen Struktur und Verschweißens einer
neuen Platte an deren Stelle durchgeführt werden kann. Es ist auch
ein Verfahren zum Verstärken
einer Pipeline durch Verschweißen
eines Mantels um die Pipeline und Füllen des Raums zwischen der
Pipeline und dem Mantel mit Kunststoff- oder Polymermaterial beschrieben.
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Einige
Off-Shore-Strukturen werden durch hohle röhrenförmige Stahlsäulen getragen,
die auf dem Meeresgrund ruhen oder dorthin hineingetrieben sind.
Diese Säulen
sind insbesondere empfänglich
für Korrosion
und schwierig zu reparieren oder zu ersetzen. Die in der WO 02/20341
beschriebenen Techniken sind insbesondere schwierig anzuwenden aufgrund
der Schwierigkeiten beim Verschweißen und beim Einspritzen des
Kernmaterials unter Wasser, insbesondere in der Tiefe. Es wäre auch
schwierig, die inneren Oberflächen
des Hohlraums ausreichend rein und trocken zu halten, damit sich
der ausgehärtete
Kern mit den Metallschichten mit ausreichender Festigkeit verbindet.
Die Vorteile einer SPS (TM) Struktur wären jedoch besonders gewinnbringend
bei diesen Arten von Strukturen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum strukturellen
Verstärken
oder wieder Instandsetzen einer röhrenförmigen Struktur vorzusehen
und insbesondere ein Verfahren, das bei untergetauchten Strukturen
oder untergetauchten Teilen von Strukturen angewendet werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken oder wieder Instandsetzen einer
vorhandenen Struktur vorgesehen, das die Schritte enthält:
Anbringen
einer verstärkenden
Metallschicht an dem Metallelement in einem beabstandeten Verhältnis zum
dadurch Ausbilden von zumindest einem Hohlraum zwischen den Oberflächen des
Metallelements und der verstärkenden
Metallschicht;
Einspritzen einer Zwischenschicht, die aus einem nicht
ausgehärteten
Kunststoff- oder Polymermaterial besteht, in den mindestens einen
Hohlraum; und
Aushärten
des Kunststoff- oder Polymermaterials derart, dass es an den Oberflächen des
Metallelements und der verstärkenden
Metallschicht so haftet, dass Scherkräfte dazwischen übertragen
werden; wobei
die vorhandene Metallstruktur einen im Wesentlichen röhrenförmigen Teil
aufweist und die verstärkende Metallschicht
innenseitig in dem röhrenförmigen Teil angebracht
ist.
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Durch
Installieren der verstärkenden
Metallschicht im Inneren eines röhrenförmigen Teils
der vorhandenen Struktur kann das Verfahren der Erfindung in einer
geschützten
Umgebung ausgeführt werden,
was es ermöglich,
dass die metallischen Oberflächen
gereinigt werden und zum Verbinden mit dem Kernmaterial vorbereitet
werden und in diesem Zustand gehalten werden, bis das Kernmaterial
eingespritzt ist.
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Wenn
das röhrenförmige Teil
ein untergetauchter Teil einer Off-Shore-Struktur ist, wie z.B.
ein Stützarm
oder ein Abstützelement,
kann das Innere des Arms trocken gepumpt werden, was es erlaubt, dass
das Anbringen der verstärkenden
Platte, z.B. durch Schweißen,
und das Einspritzen des Kernmaterials leichter durchgeführt werden,
als es unter Wasser möglich
wäre. Selbst
bei einem nicht untergetauchten Teil einer Off-Shore-Struktur hat
das Arbeiten in einer abgeschirmten Umgebung spezielle Vorteile,
z.B. durch Vereinfachen des Verfahrens.
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Um
zu ermöglichen,
dass die verstärkende Schicht
in das Innere des zu verstärkenden
Teils eingebracht wird, kann sie als eine Reihe von Platten oder
geformten Teilen konstruiert sein, die vor Ort miteinander verschweißt werden.
Die verstärkende Schicht
enthält
vorzugsweise vollständige
Ringe, wenngleich sie auch auf ein Ausmaß eingeschränkt sein kann, das dem Gebiet
entspricht, das beschädigt
oder korrodiert ist. Die verstärkende
Schicht kann auch Endwände
des röhrenförmigen Teils
sowie Seitenwände
bedecken.
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Die
Materialien, Abmessungen und allgemeinen Eigenschaften der verstärkenden
Schicht der Erfindung können
nach Bedarf für
die spezielle Verwendung gewählt
werden, die der Struktur auferlegt wird, und können im Wesentlichen ähnlich den äußeren Metallplatten
sein, die in US-5,778,813
und US-6,050,208 beschrieben sind. Stahl oder rostfreier Stahl wird
allgemein in Dicken von 0,5 bis 20 mm verwendet, und Aluminium kann
verwendet werden, wenn Leichtbau wünschenswert ist. In ähnlicher
Weise kann der Kunststoff- oder Polymerkern aus jedem geeigneten
Material sein, beispielsweise einem Elastomer, wie z.B. Polyurethan,
wie es in US-5,778,813 und
US-6,050,208 beschrieben ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf beispielhafte
Ausführungsformen und
die beigefügten
schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
vertikale Querschnittsansicht eines untergetauchten Stützarms einer Off-Shore-Struktur ist,
der gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung verstärkt
ist;
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2 eine
horizontale Querschnittsansicht des untergetauchten Stützarms aus 1 ist;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Teils eines Stützarms in einer semi-submersiblen Off-Shore-Struktur
ist, der gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung verstärkt
ist;
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4 eine
Querschnittsansicht eines konisch zulaufenden Spannungsgelenks in
einem Steigrohr gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils des konisch zulaufenden Spannungsgelenks aus 4 ist.
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In
den verschiedenen Zeichnungen sind entsprechende Bauteile durch
gleiche Referenzziffern bezeichnet.
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1 und 2 zeigen
ein Pfahlwerk 10 einer Off-Shore-Struktur, als ein Beispiel
einer im Wesentlichen röhrenförmigen Struktur,
das auf dem Meeresboden 2 eingebettet ist. 1 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, 2 eine Draufsicht.
Das Pfahlwerk enthält
ein ursprüngliches, äußeres zylindrisches
Element, das aus Stahl oder einem anderen Metall gebildet sein kann
und eine Dicke von beispielsweise im Bereich 3 bis 50 mm
aufweisen kann. Eine innere zylindrische Schicht bzw. Element 12 ist vorgesehen,
um die vorhandene Struktur zu verstärken, und ist bemessen und
positioniert, dass ein Hohlraum zwischen den gegenüberliegenden
Oberflächen
des inneren und äußeren Elements
geformt wird.
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Das
innere zylindrische Element kann aus Stahl oder einem anderen Metall
gebildet sein und eine Dicke von z.B. im Bereich von 3 bis 50 mm
aufweisen. Abhängig
vom Zugang zum Inneren des ursprünglichen
Elements 11 kann das verstärkende Element 12 aus
einem einzigen Stück
gebildet sein oder aus kleineren Platten oder Teilen geformt sein, wie
z.B. Ringen, die miteinander vor Ort verschweißt werden. Das innere Element 12 kann
in den Meeresboden eingetrieben sein oder einfach auf ihm ruhen.
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In
dem Hohlraum zwischen dem inneren und äußeren Element 11, 12 ist
ein Kern 13 aus Kunststoff- oder Polymermaterial, vorzugsweise
einem wärmeaushärtenden
Material, wie z.B. einem Polyurethanelastomer. Dieser Kern kann
eine Dicke im Bereich von 15 bis 200 mm aufweisen. Dicken von mehr als
100 mm können
durch Gießen
von mehreren Schichten erzielt werden. Der Kern 13 ist
mit dem inneren und äußeren Element 11, 12 mit
ausreichender Festigkeit verbunden und hat ausreichende mechanische
Eigenschaften, um Scherkräfte
zu übertragen, die
bei der Verwendung zwischen den zwei Platten erwartet werden. Die
Verbindungsfestigkeit zwischen dem Kern 13 und dem inneren
bzw. äußeren Element 11, 12 sollte
größer als
0,1 MPa, vorzugsweise 6 MPa, sein, und der Elastizitätsmodul
des Kernmaterials sollte größer als
250 MPa sein. Mittels der Kernschicht hat das verstärkte Pfahlwerk
eine Festigkeit und Lasttragefähigkeit
einer versteiften Strahlstruktur, die eine wesentlich größere Plattendicke
und eine merkliche zusätzliche
Versteifung besitzt.
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Das
Füllen
des Hohlraums zwischen dem äußeren und
inneren Element 11, 12 kann in einigen Fällen einfach
durch Eingießen
des flüssigen
Kernmaterials in die offene Oberseite des Hohlraums geschehen. Alternativ
kann das Kernmaterial über
Einspritzöffnungen
eingespritzt werden, die in dem inneren Element vorgesehen sind,
und nach der Verwendung abgeschliffen werden. Entlüftungslöcher werden
in entsprechender Weise gefüllt
und gleichmäßig abgeschliffen,
nachdem das Kernmaterial ausgehärtet
ist.
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Scherplatten
und/oder Schotte, die die inneren und äußeren Elemente 11, 12 verbinden und/oder
sich über
das Zentrum des röhrenförmigen Teils
erstrecken, können
ebenfalls nach Bedarf vorgesehen sein. Wenn das innere Element in
Schritten installiert wird, kann ein Schott eine nützliche
Plattform zum Bearbeiten vorsehen oder zum Installieren der nächsten Stufe.
Der Kern kann auch leichtgewichtige Formen enthalten, wie es in
WO 01/32414 beschrieben ist, um das Gewicht der Struktur zu verringern.
Diese werden in den Hohlraum platziert, ehe das Kernmaterial eingespritzt
wird.
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Um
das innere Element zu installieren, kann das Innere des Pfahlwerks
ausgepumpt werden und abhängig
von der Tiefe unter Druck gesetzt werden, so dass die innere Oberfläche des äußeren Elements vorbereitet
werden kann und das innere Element in trockenem Zustand installiert
werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die störende Pfahl-zu-Schmutz Haftung
zu vermeiden.
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Es
sollte angemerkt werden, dass das Verfahren der Erfindung auf eine
Struktur angewendet werden kann, die in Situ während einer längeren Zeit war,
so dass sie in die ursprüngliche
Festigkeit nach Korrosion oder einer anderen Beschädigung wieder Instand
gesetzt wird oder dass sie verbessert wird, damit sie zusätzliche
Lasten trägt.
Es kann auch auf die Konstruktion von neuen Pfahlwerken angewendet
werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung ist in 3 gezeigt. Bei diesem Fall wird
die Erfindung auf die Reparatur von Korrosionsschäden in dem
Stützarm 21 einer
semi-submersiblen Struktur 20 angewendet, wo er sich an
das Pontondeck 22 anschließt. Wasser kann sich in diesem
Gebiet sammeln, was zu Korrosion 23 führt. Nach dem Reinigen und
Behandeln des beschädigten
Gebiets einhergehend mit geeigneten Oberflächenvorbereitungsverfahren,
z.B. durch Sandstrahlen, wird eine Reihe von Stäben 24 um das Innere
des Arms 21 über
dem durch Korrosion beschädigten
Gebiet 23 angeschweißt,
um Platten 25 zu tragen, die eine innere verstärkende Schicht
um das beschädigte
Gebiet bilden. Eine Bodenplatte 26 wird an die Platten 25 angeschweißt, so dass
ein Hohlraum zwischen den verstärkenden
Platten 25, 26, die die innere Schicht formen,
und dem Pontondeck 22 und dem Arm 21, die die äußere Schicht
bilden, geformt wird. Dieser Hohlraum 27 wird mit Kunststoff-
oder Polymermaterial wie bei der ersten Ausführungsform gefüllt, dass
eine Struktursandwichplattenanordnung mit einer Festigkeit geformt
wird, die gleich oder größer als
diejenige des ursprünglichen
Bauteils ist.
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4 und 5 stellen
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, die ein konisch zulaufendes Spannungsgelenk 30 ist,
z.B. für einen
Bohrvorgang oder zum Herstellen einer Steigleitung in einer Unterwasserpetroleumherstellung. Die äußere Schicht 31 des
Gelenks 30 trägt
den Hauptteil der Längs-
und Biegelasten bei der Verwendung. Sie ist mit einer Reihe von
Ringen 32 ausgekleidet, die mit der äußeren Schicht 31 durch
eine konisch zulaufende Zwischenschicht 33 aus Kunststoff- oder
Polymermaterial, wie bei der ersten Ausführungsform, verbunden sind.
Die äußere Schicht 31 kann
stattdessen auch konisch zulaufend sein. Die äußere Schicht 31 kann
aus einer Hochleistungstitan- oder Stahllegierung gebildet sein,
die herausragenden Ermüdungswiderstand
hat aber gegenüber mechanischer
Oberflächenbeschädigung und
Korrosionsangriffen anfällig
ist. Die innere Schicht schützt die äußere vor
Beschädigung
und ist segmentiert, dass sie die angesammelten grundlegenden Spannungen
in der äußeren Schicht
aufnimmt. Die Ringsegmente, die im Umkreis kontinuierlich sind,
tragen auch zur radialen Festigkeit der Steigleitung bei und helfen,
ein Zusammenbrechen unter hydrostatischem Druck zu verhindern.
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Es
ist zu verstehen, dass die oben stehende Beschreibung nicht dazu
gedacht ist, dass sie einschränkend
ist, und dass andere Modifikationen und Variationen in den Rahmen
der vorliegenden Erfindung fallen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert
wird.