DE69202542T2 - Fadenwickelrohr mit Gewindeverbindung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Fadenwickelrohre zum Fördern druckbeaufschlagter Fluide und insbesondere auf Verbindungen zwischen derartigen Rohren.
• Das Wickeln von Fäden ist eine weithin bekannte Laminatherstellungstechnik zum Herstellen von Compositröhren oder -rohren ("Rohr" und "Röhre" werden im folgenden austauschbar verwendet), bei der hochfeste Fäden, wie etwa Glasfasern und Kohle (Graphit)-Fasern, zusammen mit wärmeaushärtbarem oder thermoplastischem Harz verwendet werden. Verglichen mit aus Metall, wie etwa Stahl, hergestellten Röhren weisen die resultierenden Fadenwickelröhren ein erheblich geringeres Gewicht, eine vergleichbare Festigkeit und in allgemeinen eine höhere Dauerfestigkeit auf. Darüber hinaus korrodieren die Röhren nicht. Korrosionsbeständigkeit erfordert, daß die Stoßstellenverbindung bei Röhren zum Fördern druckbeaufschlagter Fluide so konstruiert ist, daß keine Metall/Metall-Berührung Anwendung findet. Zu diesem Zweck wurden Gewinde verwendet, die direkt in die Compositröhren geschnitten wurden. Aufgrund der allgemeinen Grenzen der interlaminaren Scherfestigkeit von laminierten Compositfadenwickelröhren hat diese Vorgehensweise die Verwendung von Compositröhren, die auf diese Weise verbunden worden sind, auf Anwendungen im Niederdruckbereich beschränkt. Das Schneiden von Gewinden in die Schichten des Laminats setzt die interlaminaren Ebenen hohen Scherkräften am Kern eines jeden Gewindeganges aus. Ein Versagen tritt bei ansteigenden Lasten innerhalb dieser schwächeren Ebene ein, bevor benachbarte ungeschnittene Fadenschichten bis zu ihrem erheblich höheren Festigkeitsniveau belastet werden. Das Schneiden von Löchern in die Compositröhre und das Verbinden der Röhren mit Verbindungsstücken, wie etwa Nieten oder Stifte, ist oftmals nicht vorteilhaft. Beispielsweise muß die Röhre bei Ölproduktionsröhren für mit Hochdruck beaufschlagte Fluide undurchlässig sein und das effektive Abdichten der Löcher in dem Rohr ist schwierig.
• Gemäß Stand der Technik beim Herstellen von Gewinden in Compositröhren enden alle spiralförmigen Schichten am Ende der Gewindezone. Dies führt auch zu einer begrenzten Drucktragfähigkeit, da die Übertragung der durch Querscherung bedingten Last von der Gewindekupplung nur von einer sehr geringen Anzahl spiralförmiger Schichten geleistet wird. Die verbleibenden spiralförmigen Schichten werden durch interlaminare Scherung belastet, wodurch eine wesentlich geringere Festigkeit gegeben ist. Der Anteil von Schichten, die durch Querscherung belastet werden, ist eine Funktion der Gewindetiefe und nicht eine Funktion der Röhrenwanddicke. Beispielsweise würden nur drei spiralförmige Schichten einer typischen Röhre mit zwölf spiralförmigen Schichten die durch die stärkere Querscherung in einer typischen Gewindetiefe von 2,54 mm (ein Zehntel Inch) bedingte axiale Last tragen und hätten daher nur ungefähr ein Viertel der axialen Festigkeit wie sie in dem Fall gegeben wäre, in dem alle zwölf spiralförmigen Schichten axiale Lasten aufgrund Querscherung tragen. Eine vergrößerte Gewindetiefe ist nicht wünschenswert, da sie die Kupplungsbohrung relativ zum Außendurchmesser der Röhre verkleinert.
• Aus der US-A- 2,751,237 ist ein Verfahren zum Formen von mit Innengewinde versehenen und faserverstärkten Anschlußstücken für Harzrohre bekannt, bei dem die Fasern im wesentlichen in Übereinstimmung mit den Konturen des Gewindes verlaufen.
• Aus der US-A-3,381,715 ist ein glasverstärktes Harzrohr mit Innengewinde bekannt, das aus einer Mischung von Quarzpulver, Harz sowie kurzen Glasrovingen besteht.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung gegenüber der gebräuchlichen Konstruktion und den Herstellungsverfahren für röhrenförmige Gewinde zu schaffen, die die Verwendung eines hochkorrosionsfesten Compositmaterials bei Anwendungen im Hochdruckbereich ermöglicht.
• Anwendungsbereiche dieser Konstruktion sind prinzipiell solche, bei denen Korrosionsbeständigkeit gefordert ist und das Durchströmen mit unter sehr hohem Druck stehenden Fluid ausgehalten werden muß. Beispiele sind Ölproduktionsröhren, Öl- und Gasexplorationsröhren, Kohlendioxidübertage-Rohre, Röhren zum Einspritzen von Fluid in Bohrlöcher und geothermische Durchflußleitungen.
• Die Erfindung betrifft ein Fadenwickelrohr zum Fördern von Fluiden. Das Rohr, das eine zentrale Längsachse aufweist, die sich über ein Längsstück des Rohrs erstreckt, das wenigstens einen Endabschnitt aufweist, ist zum Verbinden des Rohrs mit einem anderen Körper geeignet. Das Fadenwickelrohr weist einen axialen Abschnitt, zwei Rampenabschnitte sowie wenigstens einen von dem axialen und den Endabschnitten entlang der zentralen Längsachse auf. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Endabschnitte ein Innengewinde aufweist und daß sich die Fäden vom axialen Abschnitt durch den Rampenabschnitt zu einer ersten, einer zweiten und weiteren Längsstellen in einen der Endabschnitte erstrecken. Die Erfindung ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner gespannter Strang bzw. ein einzelnes gespanntes Kabel unter einem Winkel und mit einer Richtung über die teilweise Fäden gewickelt ist, die einer Gewindesteigung entspricht. Die Erfindung ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohrs längs der zentralen Längsachse von einer Stelle auf dem Rampenabschnitt bis zu einem Ende des Endabschnittes, das von dem Rampenabschnitt entfernt liegt, zunimmt.
• Diese Erfindung, wie sie in Fig. 1 illustriert ist, erfaßt den Gebrauch endender röhrenförmiger, spiralförmiger Schichten entlang des mit einem Gewinde versehenen Röhrenbereiches, um die Übertragung der Gewindelasten auf alle axialen (spiralförmigen) Schichten der Röhre direkt, die Übertragung der Last über die relativ schwachen interlaminaren Scherebenen zwischen den Schichten jedoch nur indirekt zu ermöglichen und die Last inkremental auf alle Gewindegänge zu übertragen, ohne die Lasteinleitung auf eine geringe Anzahl von Gewindegängen zu beschränken.
• Die erfindungsgemäßen Compositrohre werden mittels mit Gewinden versehenen Kupplungen zusammengekuppelt, die aus Metall oder aus geformtem Kunststoff bestehen können und Außenabmessungen aufweisen, die sich in Richtung auf die Enden der Kupplungen verringern. Die erfindungsgemäßen Rohre können auch mit anderen Rohren verbunden werden, die solche mit Gewinden versehene Enden aufweisen wie die Kupplungen.
• Fig. 1 zeigt ein schematisches Rohr 10 zur Veranschaulichung, bei dem der obere Quadrant weggebrochen wurde.
• Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung eines linken Segmentes des Rohrs gemäß Fig. 1, um die endenen röhrenförmigen, spiralförmigen Schichten entlang des mit dem Gewinde versehenen Röhrenbereiches zu zeigen.
• Fig. 3 bis 10 zeigen Herstellungsschritte der Fadenwickelröhren mit den erfindungsgemäßen Verbindungsstücken.
• Fig. 3 zeigt einen Dorn, der in der diese Erfindung betreffenden Praxis verwendet wird.
• Fig. 4 zeigt den zusammengebauten Dorn.
• Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Dorns mit der Wicklung einer spiralförmigen Schicht.
• Fig. 6 zeigt die Wicklung eines einzelnen gespannten Stranges oder Kabels aus einem Faden, der der Windung einer jeden spiralförmigen Schicht folgt.
• Fig. 7 zeigt die inkremental geschnittenen spiralförmigen Schichten.
• Fig. 8 zeigt die Fertigstellung der Mehrschichtwicklung.
• Fig. 9 illustriert das Entfernen des Dornes.
• Fig. 10 zeigt die fertiggestellte mit einem Gewinde versehene röhrenförmige Verbindungsstelle.
• Die Röhre 10 gemäß Fig. 1 wird in Schritten hergestellt, die das Wickeln hochfester Fäden (z.B. Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder andere Fasern) um einen Dorn beinhalten. Die Fäden, die gewöhnlich in Form von Faserkabeln vorliegen, sind mit einem thermofixierten oder thermoplastischen Harz, vorzugsweise mit einem thermofixierten Epoxidharz, beschichtet und ausgehärtet, um die Fadenwickelbereiche der Röhre 10 zu bilden.
• Fig. 1 veranschaulicht die erfindungsgemäße Fadenwickelröhre 10 in teilweise genauer dargestelltem Schnitt durch ihren vorderen Quadranten 12, der in Fig. 2 weiter vergrößert ist. Die Röhre (oder das Rohr) 10 weist einen zentralen Körperabschnitt 14, Rampenabschnitte 16 und mit Gewinde versehene Endabschnitte 18 auf. Die Rampenabschnitte 16 weisen Außendurchmesser auf, die sich entlang der zentralen Längsachse 20 vergrößern. Die mit Gewinde versehenen Endabschnitte 18 weisen einen Innendurchmesser auf, der entlang der Achse 20 bis zum Ende 22 anwächst, wodurch das Einführen und das nachfolgende Gewindeeingreifen in eine mit einem Gewinde versehene Kupplung (nicht dargestellt) aus Metall oder einem geformten Composit erleichtert wird. Die Kupplung kann eine isolierende nicht metallische (z. B. ein Elastomer o.dgl.) Schicht an der Innenseite der Kupplung aufweisen.
• Der mit Gewinde versehene Endabschnitt 18, in Fig. 2 vergrößert dargestellt, wird durch Wickeln von Kabeln in die Schichten 24, 26, 28, 30 und 32 hergestellt. Wie zu erkennen ist, erstrecken sich diese Schichten mit der Schicht 32 in zunehmendem Maße in den mit Gewinde versehenen Endabschnitt 18 hinein und die Schichten darüber erstrecken sich bis zum Ende 22 des Rohres 10. Alle Schichten werden mittels eines Rahmenstranges oder eines Kabels 34 in die Gewindeform gebracht.
• Der von der Rampe 16 entfernt liegende größere Durchmesser des Rohres 10 ermöglicht ein einfaches Einführen der Kupplung (nicht dargestellt) zum Kuppeln des Rohres 10 mit einem anderen Rohr oder zum direkten Verbinden mit einem anderen Rohr, das ein ähnlich geformtes mit einem Gewinde versehenes Ende aufweist. Wie gut zu verstehen ist, berührt darüber hinaus jede der Schichten 24, 26, 28, 30 und 32 die Kupplung oder ein anderes eingeführtes mit Gewinde versehenes Gegenstück an seiner Oberfläche und überträgt Lasten von dieser oder diesem in das innere des Rohres 10 mittels der Schichten.
• Zylindrische Röhren, die die Stoßstellenverbindung der vorliegenden Erfindung aufweisen, können mittels eines Fadenwickelherstellungsprozesses hergestellt werden, der entweder von dem hin- und hergehenden oder dem kontinuierlichen Verfahren Gebrauch macht. Beim hin- und hergehenden Verfahren wird jede Längsschicht hergestellt, indem viele harzimprägnierte Faserbandumläufe während der Rück- und Vorwärtsbewegung des Wickelwagens abgelegt werden. Beim kontinuierlichen Verfahren wird jede Längsschicht während eines einzigen Passierens, gewöhnlich auf einem translierenden Dornsystem, gefertigt. Beide Verfahren können verwendet werden, um die Schichten der Röhre, die die erfindungsgemäße Stoßstellenkonstruktion aufweist, herzustellen. Es können Röhren jeder Länge hergestellt werden, jedoch sind typischerweise Röhren mit Längen von 9,14 m bis 12,19 m (30 bis 40 Fuß) gebräuchlich. Die Durchmesser können von ungefähr 2,54 cm (1 Inch) bis zu sehr großen Durchmessern von mehr als 15,24 m (50 Fuß) reichen. Typische Durchmesser bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung liegen im Bereich zwischen 76,2 mm und 508 mm (3 bis 20 Inches).
• Die prinzipiellen Prozesse der Erfindung betreffen das Wickeln und Schneiden vieler spiralförmig gekrümmter Fadenschichten auf einem Dorn in einer solchen Weise, daß jede der spiralförmigen Schichten an jedem Ende der Röhre an bestimmten Längspositionen im Bereich der verbindenden Gewindegänge endet. Die Spiralmusterschichten der Röhre weisen entweder kleine Winkel zusammen mit großen Winkeln oder alle einen einzigen dazwischenliegenden Winkel auf. Ein zweiwinkliges Muster von Schichten wird im allgemeinen bei Anwendungen im Hochdruckbereich verwendet, um voneinander unabhängig sowohl axial als auch in Umfangsrichtung induzierte Verformungen, die bei Innendruckbelastungen auftreten, kontrollieren zu können. Ein einwinkliges Muster wird in Spezialanwendungen benötigt, wie etwa um eine gewünschte axiale Null- Längendehnung oder sogar eine axiale Längenreduktion unter Druckbeaufschlagung zu erhalten. Die vorliegende Erfindung kann zum Herstellen von Verbindungsgewinden für beide Typen von Schichtmustern verwendet werden. Der Dorn besteht aus drei Abschnitten (Fig. 3), die während des Herstellungsprozesses zusammengebaut (Fig. 4) und auseinandergenommen werden können. Diese Abschnitte sind: Der zentrale Körper 42 des Dorns, der den zentralen Bohrungsabschnitt der Röhre bildet, und zwei Gewinde formende Abschnitte 44 und 46, von denen jeweils einer für jedes Ende der Röhre gedacht ist. Die Gewinde formenden Abschnitte weisen die Abmessungen und Profile der Innengewindeoberfläche auf und sind während des Wickelns am zentralen Dornkörper angebracht. Nach dem Wickeln und Aushärten werden sie entfernt, indem sie von dem Gewinde der ausgehärteten Röhrengewindebereiche gelöst werden, bevor sie von dem zentralen Dornkörper entfernt werden.
• Fig. 5 zeigt das Wickeln der spiralförmigen Schichten aus Faserkabeln 48 von mehreren mit Faserkabeln besetzten Spulen 50. Bei diesem Prozeß werden die Faserkabel mit Harz imprägniert und die imprägnierten Faserkabel werden in ein Band 52 parallel gerichtet, das auf einen sich drehenden Dorn gezogen wird. Die Einrichtungen zum Tragen und Drehen des Dorns und der Verschiebewagen, der den Kabelspeismechanismus trägt, bilden die Fadenwickelmaschine vom sich hin- und herbewegenden Typ. Diese Maschine ist in den Figuren 5 bis 10 nicht gezeigt, da zwecks Klarheit beim Beschreiben der Erfindung nur das Fortschreiten des Dorns und die Entwicklung der Röhrenstoßstelle dargestellt sind. Es werden viele parallel gerichtete Bänder in spiralförmiger oder schraubenförmiger Weise auf den Dorn gezogen, von denen eine Hälfte eine positive Winkelorientierung bezüglich der Mittellinie des Dorns und eine Hälfte die gleiche, jedoch negative Winkelorientierung aufweist. Die Größe dieses "Spiralwinkels" wird durch die Konstruktion der Röhre unter Berücksichtigung der Belastungen und Drücke, die beim Betrieb gefordert werden, festgelegt und wird während der Herstellung mittels der ausgewählten Drehgeschwindigkeit des Dorn und der Lineargeschwindigkeit des Speisewagens gesteuert. Beispielsweise liegen die Absolutwinkel, mit denen die Fäden um eine Längsachse gewickelt werden, bezüglich der Linien, die parallel zu der Längsachse gezogen sind, zwischen 5º und 85º. Nach Fertigstellung einer jeden spiralförmigen Schicht wird ein einzelner gespannter Strang oder ein Kabel 54 mit einer Winkelorientierung und einer Richtung, die, wie in Fig. 6 illustriert, der Gewindesteigung entspricht, teilweise über die spiralförmige Schicht gewickelt. Das Abtrennen einer jeden spöiralförmigen Schicht wird, ob beim geringen Winkel eines zweiwinkligen Musters oder bei dem einzigen Zwischenwinkel eines einwinkligen Musters, an ausgewählten Stellen innerhalb des Gewindebereiches bewerkstelligt, indem die Schicht im Falle von niedrigen Stückzahlen von Hand oder bei hohen Stückzahlen automatisch geschnitten wird. Dem Schneiden der spiralförmigen Schicht folgt das Ziehen der Schicht in die Dorngewindeform durch kontinuierliches Wickeln des gespannten einzelnen Stranges oder Kabels aus einer Faser, was zu einer kompletten Schicht des zentralen Körpers und der Gewindeendabschnitte führt, wie in Fig. 7 illustriert. Der in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellte Prozeß wird zum Legen einer jeden spiralförmigen Schicht wiederholt.
• Jede spiralförmige Schicht endet an einer anderen Längsstelle, um inkremental jede folgende spiralförmige Schicht in Berührung mit der Innengewindeoberfläche zu bringen, wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist. Beispielsweise können alle zwölf spiralförmigen Schichten einer typischen Röhre mit zwölf spiralförmigen Schichten, sofern sie erfindungsgemäß hergestellt worden sind, axiale Lasten direkt tragen, wobei die genannten Lasten bei wesentlich höherer Festigkeit durch die Querscherung übertragen werden. Nachdem alle Schichten fertiggestellt worden sind (Fig. 8) wird das Harz ausgehärtet, das Teil geputzt und der Dorn entfernt (Fig. 9), was zu dem fertiggestellten, mit Gewinde versehenen röhrenförmigen Stoßstellenabschnitt (Fig. 10) dieser Erfindung führt.

Claims (6)

1. Fadenwickelrohr (10) zur Aufnahme von Fluiden, wobei das Rohr eine zentrale Längsachse (20) hat, die sich über ein Längsstück des Rohrs erstreckt, das wenigstens einen Endabschnitt (18) hat, der zur Verbindung des Rohrs mit einem anderen Körper dient, wobei das Fadenwickelrohr auch einen axialen Abschnitt (14) und zwei Rampenabschnitte (16) hat, und der Rampenabschnitt (16) zwischen dem axialen Abschnitt (14) und den Endabschnitten (16) längs der zentralen Längsachse (20) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Endabschnitte ein Innengewinde aufweist, und daß sich die Fäden von axialen Abschnitt (14) über den Rampenabschnitt (16) zu einer ersten Stelle, einer zweiten Stelle und einer weiteren Längstelle in einem der Endabschnitte (18) erstrecken, daß ein einzelner gespannter Strang (54), bzw. ein einzelnes gespanntes Kabel (54) teilweise über die Fäden unter einem Winde und mit einer Richtung gleich einer Gewindesteigung gewickelt ist, und daß von einer Position auf dem Rampenabschnitt (16) zu einen Ende des Endabschnittes (18) entfernt von dem Rampenabschnitt (16) der Innendurchmesser des Rohrs längs der zentralen Längsachse (20) zunimmt.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr eine Innen- und eine Außenseite hat, und daß sich ein Teil der um die Außenseite des Rohrs gewickelten Fäden kontinuierlich zwischen der Achse (14) und den Endabschnitten (18) erstreckt und sich zu einer Stelle an der Spitze des Rohrs entfernt vom axialen Abschnitt (14) fortsetzt.

3. Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus der auf Glasfaser, Kohlenstoffaser und Aramidfaser bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Rohr nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden in einer thermofixierten oder thermoplastischen Harzmatrix vorliegen.

5. Rohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in Kombination mit einem hohlen, mit einem Gewinde versehenen Kupplungselement vorliegt, das Außenabmessungen hat, die längs einer Längsachse des Kupplungselements zu dessen einem Ende abnehmen.

6. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden um die Längsachse (20) unter Absolutwinkeln bezuglich Linien verlaufen, die parallel zur zentralen Längsachse (20) gezogen sind, die zwischen 5º und 85º liegen.