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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
isoliertes Leitungssystem. Für den Fluidtransport durch
eine Leitung kann zur Vermeidung von unerwünschten
Änderungen der Temperatur des darin befindlichen Fluids
eine thermische Isolierung der Leitung erforderlich
sein. Wichtig ist eine ausreichende Isolierung
insbesondere beim Transport von heißen
Kohlenwasserstoffen durch in kalter Umgebung
befindliche Leitungen, beispielsweise bei Anwendungen
im Off-shore-Bereich, wo heiße Kohlenwasserstoffe durch
auf dem Meeresboden liegende Leitungen transportiert
werden.
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Aus US-A-3,812,886 ist eine Isolierschicht
bekannt, die mindestens eine im wesentlichen mit einer
Isolierzusammensetzung aus mehreren gepackten
Feststoffteilchen aus einem leichten Material gefüllte
Kammer enthält, so daß zwischen den Teilchen mehrere
Poren, in denen Fluid vorliegt, ausgebildet werden,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Dieses bekannte Isoliersystem ist für eine
Tieftemperaturleitung vorgesehen, wobei es sich bei dem
Fluid um ein kondensierbares Gas wie Kohlendioxid
handelt, das beim Benutzen der Leitung kondensiert und
so ein weitgehendes Vakuum im Porenraum erzeugt.
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Ein Nachteil des bekannten Systems besteht
darin, daß die Teilchen und die Kammerwände infolge des
Vakuums hohen Kräften unterliegen, so daß es bei
zusätzlicher Einwirkung von äußeren Kräften auf das
System leicht zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung
der Isolierung kommen kann.
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Bei bestimmten Anwendungen sollten die
Leitungen auch vor Beschädigungen durch äußere Kräfte,
beispielsweise bei Unterseeleitungen gegen den Aufprall
von Schleppnetzen, geschützt sein. Ferner sollten
derartige Leitungen kostengünstig gebaut und
installiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es
daher, ein isoliertes Leitungssystem zur Verfügung zu
stellen, das diese und weitere Anforderungen erfüllt.
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Das erfindungsgemäße isolierte Leitungssystem
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen 55% bis
75% der Kammer ausfüllen und einen ein Polyolefin-
Matrixmaterial enthaltenden Verbundwerkstoff enthalten.
Ferner ist das Fluid im wesentlichen ruhend und füllt
die Poren zwischen den Teilchen im wesentlichen aus.
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Das Fluid hat dabei in der Kammer aufgrund der
Anwesenheit der Teilchen einen hohen
Strömungswiderstand, so daß die Fluidkonvektion durch die Kammer
wesentlich verringert wird. Somit wird eine
Isolierzusammensetzung aus Teilchen und ruhendem Fluid
zur Verfügung gestellt, die aufgrund der weitgehenden
Abwesenheit von Fluidkonvektion ausreichende
Isoliereigenschaften besitzt. Die Teilchen können dabei
ohne Aneinanderbindung zusammengepackt sein,
gegebenenfalls können sie aber auch zur Verbesserung
der Scherfestigkeit zwischen den Teilchen miteinander
verklebt oder unter Wärmeeinwirkung verschmolzen sein.
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In einer geeigneten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Leitungssystems wird die Kammer von
und in einem Trägerrohr gebildet, wobei jede Leitung in
Längsrichtung durch das Trägerrohr verläuft und die
Isolierzusammensetzung den Raum zwischen der Außenseite
jeder Leitung und der Innenseite des Trägerrohrs
ausfüllt. Dabei kann das Leitungssystem nur eine
einzige Leitung im Trägerrohr enthalten, wobei die
Kammer als Ringkammer ausgebildet ist, oder auch
mehrere Leitungen. In der Praxis wird die Anzahl der
Leitungen unter etwa zwanzig liegen.
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Alternativ kann die Kammer in einer Hülle aus
einem flexiblen Material ausgebildet sein, die um die
Leitung gewickelt ist und in der sich die
Isolierzusammensetzung befindet. Dabei ist die Hülle zweckmäßig
spiralförmig um die Leitung gewickelt. Eine derartige
gewickelte Hülle kann einen im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt aufweisen und 0,08-0,12 m
breit und 0,01-0,03 m dick sein.
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Zur Erhöhung des Gewichts des Leitungssystems
stellt das Fluid zweckmäßigerweise eine Flüssigkeit
dar, bei der es sich im Fall eines Leitungssystems für
den Off-shore-Bereich um Meerwasser handeln kann.
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Aus der GB-A-2247507 ist die Isolierung einer
unterseeischen Rohrleitung mittels eingeschlossenem
Meerwasser, insbesondere mittels polymerisiertem
Meerwasser, bekannt. Dort wird also die Konvektion in dem
Fluid dadurch verringert, daß man das Meerwasser
vorzugsweise polymerisiert.
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Die bei dem erfindungsgemäßen isolierten
Leitungssystem verwendeten Feststoffteilchen enthalten
ein Polyolefin in Form eines Homo- oder Copolymers und
besitzen ausreichende Isoliereigenschaften und genügend
mechanische Festigkeit. Die Teilchen können nämlich bei
der Installierung oder beim Betrieb des Leitungssystems
hohen Druckbelastungen ausgesetzt sein, beispielsweise
beim Aufspulen auf eine Trommel oder auf See durch
Einwirkung starker hydrostatischer Kräfte. Als
Füllstoff kommen dabei Mikrohohlkugeln in Frage,
entweder im wesentlichen für sich alleine oder zusammen
mit anderen Füllstoffen, u.a. auch nicht hohlen
Füllstoffen, wie z.B. Talk, Kreide, Bariumcarbonat oder
geschnittene Glasfasern.
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Bevorzugt wählt man das Polyolefin aus der
Gruppe Polypropylen und Polybutylen aus. Geeignete
Copolymere enthalten als Comonomer 5 bis 20 Gew.-%
Ethylen. Die Homo- oder Copolymere können auch in Form
von Blends mit anderen Polymeren eingesetzt werden.
Diese Blends enthalten dann 1-50 Gew.-%, vorzugsweise
10-40 Gew.-% andere Polymere, wie z.B. Polyamide und
thermoplastische Elastomere, z.B. die unter dem
Warenzeichen KRATON erhältlichen, und EPDM-Kautschuke.
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Ein ausreichend hoher Strömungswiderstand des
Fluids in den Poren ergibt sich bei Verwendung von
Teilchen mit einem Durchmesser unter 5 mm, zweckmäßig
von 2 - 4 mm.
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Bei Transport oder Installierung bleibt das
Gewicht des Leitungssystems bei Verwendung von Teilchen
mit einer Dichte unter 700 kg/m³ klein genug.
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Die Fluidkonvektion durch die Poren zwischen
den Teilchen wird dadurch ausreichend verringert, daß
man die Kammer zu 55-75% ihres Volumens mit Teilchen
füllt.
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Außerdem wird ein Verfahren zur Erzeugung eines
isolierten Leitungssystems zur Verfügung gestellt.
Dieses Verfahren umfaßt die in Anspruch 8 genannten
Schritte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kammer erst am
Installierungsort mit der Isolierzusammensetzung
gefüllt, so daß das System während des Transports
verhältnismäßig leicht ist. Statt die Kammer
ausschließlich erst am Installierungsort mit der
Isolierzusammensetzung zu füllen, kann man die Kammer
auch schon am Herstellungsort mit einem ersten Anteil
der Teilchen und später am Installierungsort mit einem
zweiten Anteil der Teilchen und dem Fluid füllen. Auf
diese Weise kann man beim Transport des Systems durch
das Meerwasser dessen Auftrieb gezielt einstellen. Die
Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen
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Fig. 1 schematisch ein nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugtes Leitungssystem;
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Fig. 2 den Querschnitt 2-2 der Fig. 1; und
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Fig. 3 schematisch einen Querschnitt einer mit
elektrischen Heizkabeln versehenen isolierten Leitung.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Leitungssystem
in Form eines Leitungsbündels 1 zur Anwendung im
0ffshore-Bereich, welches vier Leitungen 3, 5, 7, 9 zum
Transportieren von heißem Rohöl oder Erdgas von einem
unterseeischen Bohrloch zu einer Verarbeitungsanlage
enthält. Die Leitungen 3, 5, 7, 9 sind innerhalb eines
Trägerrohrs 10 angeordnet, so daß sich zwischen den
Außenseiten der Leitungen 3, 5, 7, 9 und der Innenseite
des Trägerrohrs 10 eine Kammer 12 befindet. Von einem
Herstellungsort an Land soll das Leitungsbündel 1 in
einer eingestellten Tiefe durch das Meerwasser zu einem
Bestimmungsort auf See geschleppt und dort auf den
Meeresboden abgesenkt werden.
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Am Herstellungsort werden die Leitungen 3, 5,
7, 9 im Trägerrohr 10 angebracht, wobei zwischen den
Leitungen 3, 5, 7, 9 und dem Trägerrohr 10
Abstandshalter (nicht gezeigt) eingesetzt werden, die die
Leitungen 3, 5, 7, 9 in Position halten. Die Enden 18,
20 des Trägerrohrs 10 und der Leitungen 3, 5, 7, 9 sind
mit Endkappen 14, 16 vorübergehend verschlossen. Eine
der Endkappen 14 ist mit einem Einlaß 22 für Meerwasser
versehen, der mittels eines Ventils 24 vorübergehend
verschlossen ist. Beide Endkappen 14, 16 sind mit
Entlüftungsleitungen 26, 28 versehen, die jeweils durch
ein Ventil 30, 32 vorübergehend verschlossen sind. Die
Endkappe 14 ist ferner mit einer Einlaßleitung 34 zum
Einfüllen der leichten Feststoffteilchen 36 in die
Kammer 12 versehen, wobei die Einlaßleitung 34 mit
einem Verdichter 40, der zum Einblasen von Luft in die
Kammer 12 dient, und einer Speiseleitung 42, die zur
Einspeisung der Teilchen 36 in die Einlaßleitung 34
dient, verbunden ist. Die Speiseleitung 42 ist
ihrerseits mit einem Vorratsbehälter 44 verbunden, in
dem die Teilchen 36 gelagert sind. Das Trägerrohr 10
ist an seiner Oberseite in regelmäßigen Abständen
entlang seiner Länge mit kleinen Löchern 46 versehen,
die einen kleineren Durchmesser als die Teilchen 36
haben. Der Vorratsbehälter 44 ist mit leichten
Feststoffteilchen 36 aus einem in der britischen
Patentanmeldung Nr. 9017203.2 beschriebenen
Verbundwerkstoff aus in eine Polypropylen-Matrix
eingebetteten Mikrohohlkugeln aus anorganischem Glas
gefüllt. Derartige Teilchen weisen in der Regel ein
Kompressionsmodul von 1,1-1,5 GPA bei 20ºC und von
270-300 MPa bei 120ºC und eine Druckfestigkeit von
30-40 MPa bei 20ºC und 8-9 MPa bei 120ºC auf. Die
Mikrokugeln wurden mindestens teilweise mit einem
organischen Peroxid, das als Kettenspaltungsmittel für
Polypropylen wirkt, vorbehandelt. Derartige Teilchen
zeichnen sich durch hervorragende Isoliereigenschaften
aus und können starken hydrostatischen Kräften
widerstehen.
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Dann wird durch Betreiben des Verdichters 40,
der einen durch die Einlaßleitung 34 in die Kammer 12
fließenden Luftstrom 50 erzeugt, ein erster Anteil der
Teilchen 36 in die Kammer 12 eingebracht. Die Teilchen
36 strömen unter dem Einfluß der Schwerkraft durch die
Speiseleitung 42 und werden dementsprechend im
Luftstrom 50 mitgeführt. Somit werden die Teilchen 36 mit
der Luft aus dem Luftstrom 50 in die Kammer 12
eingeblasen, wobei die Luft aus den Löchern 46
entweicht. Sobald die Kammer 12 teilweise mit Teilchen
36 gefüllt ist, wird der Verdichter 40 abgeschaltet,
und die Einlaßleitung 34 und die Löcher 46 des
Trägerrohrs 10 werden mit geeigneten Stopfen
verschlossen.
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Danach wird das Leitungsbündel 1 in einer
eingestellten Tiefe durch das Meerwasser an den
Bestimmungsort geschleppt. Nach Erreichen des gewählten Orts
wird analog zum Einbringen des ersten Anteils der
verbleibende zweite Anteil der Teilchen in die Kammer
eingebracht. Anschließend wird nach dem erneuten
Verschließen der Einlaßleitung 34 und der Löcher 46 des
Trägerrohrs 10 durch Öffnen der Ventile 24, 30, 32
Meerwasser in die Kammer 12 einfließen gelassen, das
die Poren zwischen den Teilchen 36 ausfüllt. Die
anfänglich in den Poren vorhandene Luft entweicht dabei
über die Entlüftungsleitungen 26, 28. Mit dem
Einfließen des Meerwassers in die Kammer 12 nimmt das
Gewicht des Bündels 1 allmählich zu, was das Absinken
des Bündels 1 auf den Meeresboden fördert. Wenn die
Poren vollständig mit Meerwasser gefüllt sind, werden
die Ventile 24, 30, 32 geschlossen.
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Nach dem Installieren des Bündels 1 auf dem
Meeresboden werden die Leitungen 3, 5, 7, 9 über ihre
jeweiligen Enden mit anderen
Fluidtransporteinrichtungen (nicht gezeigt) verbunden, die nicht zur
vorliegenden Erfindung gehören.
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Anstelle der mit der Endkappe verbundenen
Einlaßleitung kann man auch eine verlängerte, axial in
die Kammer einführbare Leitung verwenden. Dabei wird
die verlängerte Leitung beim Füllen der Kammer mit
Teilchen allmählich aus der Kammer herausgezogen.
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Bei einem alternativen Installierungsverfahren
spult man nach dem Einbringen der Teilchen in die
zwischen den Leitungen und dem Trägerrohr befindliche
Kammer das Leitungsbündel auf eine Trommel auf. Zum
Schutz der Teilchen vor den durch das Aufspulen
hervorgerufenen mechanischen Belastungen sind zwischen
der Leitung bzw. den Leitungen und dem Trägerrohr
spiralförmige Abstandshalter angebracht, die Druck- und
Scherbelastungen vom Trägerrohr auf die Leitung bzw.
Leitungen übertragen sollen.
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Die Kammer kann zwischen den Teilchen statt mit
Meerwasser auch mit jeder beliebigen Flüssigkeit
gefüllt werden, die die Teilchen oder Rohre nicht
wesentlich schädigt und eine ausreichend niedrige
Wärmeleitfähigkeit hat. Außerdem kann die Kammer auch
noch mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, die beim
Abkühlen fest wird, beispielsweise Bitumen oder Wachs,
oder die unter chemischer Reaktion einen Feststoff
bilden kann, beispielsweise Polyurethan.
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Das in Figur 3 abgebildete isolierte
Leitungssystem enthält drei elektrische Kabel 60, 62,
64 zum elektrischen Erwärmen einer Leitung 66, die
mindestens entlang eines wesentlichen Teils der Länge
der Leitung 66 verlaufen. Die Leitung 66 ist mit einer
Korrosionsschutzschicht 68 aus Polychloropren und einer
aus drei getrennten Kammern 70, 72, 74, die eine
Isolierzusammensetzung aus mehreren gepackten
Feststoffteilchen und in den Poren zwischen den Teilchen
Luft enthalten, bestehenden Isolierschicht versehen.
Die Teilchen bestehen aus einem Verbundwerkstoff aus
einer Polypropylen-Matrix, in die Mikrohohlkugeln aus
Glas eingebettet sind. Jede der Kammern 70, 72, 74 ist
um einen Teil des Umfangs der Leitung 66 herum
angeordnet. Die Wände 76, 78 und 80 der entsprechenden
Kammern 70, 72 und 74 bestehen aus Polyethylen oder
einem geeigneten anderen Material. Die Kammern 70, 72,
74 sind an der Leitung 66 mit Hilfe von Bändern (nicht
gezeigt) befestigt.
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Die Erfindung wird nun anhand der folgenden
Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
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Aus Mikrohohlkugeln aus Glas in einer Matrix
aus Polypropylen bestehende Teilchen mit einem
Durchmesser von 3 mm wurden in eine zwischen einem
Stahlrohr mit einem Durchmesser von 0,09 m und einer
Außenhülle aus Kunststoff mit einem Durchmesser von
0,2 m gebildeten Ringkammer eingebracht. Nach
Befestigen des so isolierten Rohrs in horizontaler Lage
wurden dann am höchsten und niedrigsten Punkt der
Außenseite der Hülle Wärmeströmungsmessungen
vorgenommen, wobei die Außenseite auf 25ºC gehalten wurde
und 95ºC heißes Öl durch das Stahlrohr strömte. Am
höchsten und niedrigsten Punkt der Hülle wurden
Wärmestromwerte von 54 W/m² bzw. 50 W/m² gemessen. Die
verhältnismäßig kleine Differenz zwischen den
gemessenen Wärmeströmen zeigte, daß die
Wärmeübertragung durch Luftkonvektion durch die Poren nur gering
war.
Beispiel 2
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Acht Stahlleitungen mit einem Außendurchmesser
von 4,5 Zoll und einer Wandstärke von 0,237 Zoll und
sechs Stahlleitungen mit einem Außendurchmesser von
2,375 Zoll und einer Wandstärke von 0,154 Zoll wurden
in einem Trägerrohr aus Stahl mit einem
Außendurchmesser von 27,5 Zoll und einer Wandstärke von
0,469 Zoll angebracht. In die Kammer zwischen den
Leitungen und dem Trägerrohr wurden am Herstellungsort
kugelförmige Teilchen mit einem Durchmesser von 4 mm,
einer Dichte von 600 kg/m³ und einer Wärmeleitfähigkeit
von 0,14 W/m.K aus syntaktischem Schaum in Form des
nach dem in der britischen Patentanmeldung Nr.
9017203.2 beschriebenen Verfahren hergestellten
Verbundwerkstoffs bis zu einem Gehalt von 35 kg/m Länge
eingebracht. Bei diesem Gehalt besaß das
Leitungsbündel einen im wesentlichen neutralen Auftrieb
und wurde dann in einer eingestellten Tiefe durch das
Meerwasser zum Bestimmungsort geschleppt, an dem
weitere Teilchen bis zu einem Gehalt von 93 kg/m Länge
eingebracht wurden. Anschließend wurden die Poren
zwischen den Teilchen mit Meerwasser geflutet. Das
spezifische Gewicht des Bündels betrug danach 1460 kg/m³
und die Gesamtwärmeleitfähigkeit etwa 0,17 W/m.K.
Beispiel 3
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Es wurden die gleichen Leitungen und das
gleiche Trägerrohr wie in Beispiel 1 verwendet. In die
Kammer zwischen den Leitungen und dem Trägerrohr wurden
am Herstellungsort kugelförmige Teilchen mit einem
Durchmesser von maximal 4 mm, einer Dichte von 250 kg/m³
und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,06 W/m.K aus
syntaktischen Schaum in Form von in eine Matrix aus
expandierten Polystyrol eingebetteten Mikrohohlkugeln
aus Glas bis zu einem Gehalt von 35 kg/m Länge
eingebracht. Bei diesem Gehalt besaß das Leitungsbündel
einen im wesentlichen neutralen Auftrieb und wurde dann
in einer eingestellten Tiefe durch das Meerwasser zum
Bestimmungsort geschleppt, an dem weitere Teilchen bis
zu einem Gehalt von 53 kg/m Länge eingebracht und die
Poren zwischen den Teilchen mit Meerwasser geflutet
wurden. Das spezifische Gewicht des Bündels betrug
danach 1260 kg/m³ und die Gesamtwärmeleitfähigkeit etwa
0,08 W/m.K.