DE69801822T2 - Anlage für isolierte rohrleitungen - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung bezieht sich auf ein isoliertes Rohrleitungssystem mit einem Mantelrohr mit einem inneren Abflußrohr und mit einer Isolierschicht dazwischen. Eine derartige Rohrleitung ist aus der GB-A-1 249 422 bekannt.
STAND DER TECHNIK
• Derartige Systeme werden benutzt, um Öl und/oder Gas von ablandigen Ölquellen zu transportieren. Sie bestehen aus einer Rohrleitung, die von einem doppelwandigen Rohr gebildet wird, das aus einem inneren Abflußrohr innerhalb eines Mantelrohres besteht. Die Rohrleitungen sind im allgemeinen koaxial ausgebildet, und der Ringraum zwischen den beiden Rohren enthält ein Isoliermaterial. Das Öl oder das Gas, welches aus unterirdischen Reservoiren abgezogen wird, befindet sich normalerweise auf einer erhöhten Temperatur, und die Isolation dient dazu, das Öl in diesem Zustand zu belassen. Wenn man das Öl abkühlen ließe, dann würden die Fraktionen mit höherem Schmelzpunkt auskristallisieren und diese könnten potentiell die Abflußleitung blockieren. Es ist daher nötig, bei der Ausbildung einer solchen Pipeline-Struktur zu gewährleisten, daß das Isoliermaterial eine ausreichende Isolation gewährleistet, um eine geeignete Temperatur über die gesamte Länge der Rohrleitung aufrechtzuerhalten.
• Die Fig. 1 zeigt eine bekannte doppelwandige Rohrleitung, bestehend aus einem inneren Abflußrohr 10, welches konzentrisch innerhalb eines äußeren Mantelrohres 12 gehalten wird. Rohöl 14 strömt durch das Abflußrohr 10. In dem Ringraum zwischen dem Abflußrohr 10 und dem Mantelrohr 12 befindet sich ein Isoliermaterial 16. Der gesamte Aufbau ruht auf dem Meeresboden 18.
• Ein unvermeidbares Ergebnis der Aufrechterhaltung des Rohöls unter der erhöhten Temperatur besteht darin, daß wenigstens das Abflußrohr 10 einer thermischen Ausdehnung unterworfen wird. Dies führt unter anderem dazu, daß entweder die gesamte Rohrleitungslänge der Pipeline ausgedehnt wird oder eine Erhöhung der in Längsrichtung verlaufenden Beanspruchung der Rohrleitung stattfindet. Diese Beanspruchungen, die von einer Erhöhung auf 190ºC herrühren können, sind in der Lage, plastische Deformationen in einer aus Stahl bestehenden Pipeline zu verursachen. Es gibt zwei allgemein anerkannte Mittel zur Absorption dieser thermischen Ausdehnungsprobleme: die erste Maßnahme besteht darin, die Pipeline unter dem Meersboden zu verlegen und sie in ihrer Lage festzulegen und eine Deformation zu verhindern. Die andere Maßnahme besteht darin, daß man zuläßt, daß die ursprünglich gerade verlaufende Pipeline gemäß Fig. 2a eine Mäanderform annimmt, wie dies aus Fig. 2b ersichtlich ist, wodurch die vergrößerte Länge aufgenommen wird. Es ist wichtig, daß die Längsdehnung innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten wird, da sich sonst ein Knick, wie er in Fig. 2c bei 20 dargestellt ist, entwickeln kann. Ein solcher Knick oder Bereiche mit übermäßig hoher Krümmung können bewirken, daß der Pipeline-Aufbau die konstruktiven Grenzwerte überschreitet.
• Doppelwandige Rohranordnungen sind besonders wirksam im Hinblick auf die Begrenzung der gesamten Längsausdehnung, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Beim Fehlen einer Längsausdehnung steht das Abflußrohr 10 unter einer erhöhten Zugbeanspruchung, wie dies bei dem Punkt 22 dargestellt ist, während das Mantelrohr 12, das auf Umgebungstemeperatur steht, eine Zugspannung von Null hat, wie dies an der Stelle 24 dargestellt ist. Wenn die beiden Rohre sich in Längsrichtung ausdehnen können, nimmt der Verbundaufbau eine Lage ein, in der die Kompressivspannung in dem Abflußrohr 10 die Zugspannung in dem Mantelrohr 12 ausgleicht, d. h. an der Stelle 26. Dieser Punkt ist eine Kompromißsituation, bei der die Spannung TR in beiden Rohren niedriger ist als eine festgelegte nicht ausgedehnte Pipeline, und die resultierende Streckung ist kleiner als bei einer nicht festgelegten einwandigen Pipeline.
• Damit dieses Verhalten voraussehbar wird, ist es wichtig, daß das Abflußrohr 10 und das Mantelrohr 12 in Längsrichtung miteinander verbleiben, d. h., daß einzelne Elemente des. Rohres nicht in Längsrichtung getrennt werden. Der Grund hierfür ist schematisch in Fig. 3b dargestellt. Hierbei wurde angenommen, daß ein Teil des Mantelrohres 12 festgelegt ist, beispielsweise durch Zusammenwirken mit dem Meeresboden, und daß der entsprechende Teil des Abflußrohres 10 frei wurde, um sich in Längsrichtung relativ zu jenem Teil des Mantelrohres 12 zu verschieben. Dies bedeutet, daß eine Ausdehnung des Mantelrohres 12 wirksam längs einer kürzeren Länge, die bei 28 definiert ist, stattfindet, während eine Ausdehnung des Abflußrohres längs der gesamten Länge stattfindet. Das Ergebnis davon ist, daß eine kleinere Streckung des Mantelrohres 12 einen gleichen Spannungsanstieg bewirkt und der Ausgleichspunkt 26' bei einer beträchtlich höheren Spannung in beiden Rohrleitungen befindlich ist. Diese Spannung ist größer als die ursprünglich berechnete Spannung, die in Fig. 3a dargestellt ist und daher vermieden werden muß.
• Die Aufrechterhaltung beider Rohrleitungen in Längsausrichtung wird allgemein als "Längsnachgiebigkeit" bezeichnet. Es ist klar, daß die Längsnachgiebigkeit dadurch erlangt wird, daß eine geeignete Übertragung von Längskräften zwischen den beiden Rohrleitungen gewährleistet bleibt.
• Bei bestehenden Rohrleitungen wird die Längsnachgiebigkeit durch massive Stahlverbindungen zwischen den beiden Rohren in regelmäßigen Zwischenräumen erreicht. Die Schwierigkeit besteht hierbei darin, daß die Verbindungen ein integraler Teil der Abflußleitung 10 sind, die ein Strömungsmittel unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck führen soll. Dies bedeutet, daß die gesamte Struktur daher die erforderlichen Konstruktionsdaten für das innere Abflußrohr erfüllen muß, was eine sorgfältige Steuerung der Produktionsbedingungen erfordert. Diese Schwierigkeit erhöht unvermeidbar die Kosten.
• Bei dem in unserer früheren nunmehr veröffentlichten Patentanmeldung WO 96/36831 beschriebenen System werden diese entscheidenden Maßnahmen vermieden, und die darin beschriebenen Querspanten wurden genutzt, um an Ort und Stelle hohle Aluminiumoxid-Silikat-Mikrosphären als Isoliermedium 16 abzudichten. Diese Mikrosphären können, wenn sie zusammengedrückt werden, eine beträchtliche Scherkraftübertragung zwischen den beiden Rohrleitungen 10 und 12 herbeiführen. Demgemäß war ein solcher kompakter Isolator in der Lage, eine Längsnachgiebigkeit zu gewährleisten. Das System gemäß der WO 96/36831 beruht auf diesem Effekt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Andere feste Isoliermaterialien sind allgemein Polymermaterialien, und diese sind nicht in der Lage, den auftretenden erhöhten Temperaturen zu widerstehen, ohne daß sich ihre Eigenschaften während der Lebensdauer der Rohrleitung verschlechtert. Faserstoff-Isoliermaterialien wie Mineralwolle haben im wesentlichen überhaupt keine Scherfestigkeit und können daher nicht zu einer Längsnachgiebigkeit beitragen. Ein festes Isoliermaterial, das in der Lage ist, erhöhten Temperaturen zu widerstehen, wird allgemein als Siliziumoxidblock bezeichnet. Dieses Material ist in Form von in der geeigneten Weise erzeugtem "Microtherm" (eingetragene Marke) verfügbar. Ein ähnliches Produkt ist verfügbar unter "Wacker-WDS" (eingetragene Marke). Jedoch existiert dieses Isoliermaterial als fester Block und kann nicht an Ort und Stelle innerhalb des Ringraumes verdichtet werden. Daher kann dieser Isolierstoff nicht benutzt werden, um Scherspannungen oder radiale Belastungen betriebssicher zu übertragen.
• So bedeutet die Benutzung von Mikrokapseln einen beträchtlichen Vorteil bei der Herstellung einer Pipeline. Jedoch bewirken die Mikrosphären bzw. Mikrokapseln nur eine mäßige thermische Isolation im Vergleich mit anderen Isolierstoffen. Annähernde Werte für den thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten von alternativen Isoliermaterialien ergeben sich aus der folgenden Tabelle.
• Material Leitfähigkeit Wm&supmin;¹K&supmin;¹
• Siliziumoxidblock 0.02
• Polyurethanschaum 0,03-0,06
• Mineralwolle 0,04
• Mikrokapseln 0,1
• Syntaktiks 0,17
• Demgemäß liefern doppelwandige Rohrleitungssysteme, die auf Siliziumoxidblöcken, Polyurethanschaum und Mineralwolle basieren, den Vorteil; daß das äußere Mantelrohr des doppelwandigen Rohrleitungssystems auf einen Durchmesser mit beträchtlich kleinerer Dicke der Isolierschicht vermindert werden kann.
• Wenn ein hohes Maß an Isolation erforderlich ist, kann die erforderliche Dicke der Mikrokapsel-Isolationsschicht so groß werden, daß der Doppelwandaufbau unzweckmäßig wird. Unter diesen Umständen sind deshalb alternative Isolationsmaterialien von wesentlicher Bedeutung, wenn ein kleineres praktisches und wirksames Mantelrohr benutzt werden soll.
• Die vorliegende Erfindung schafft daher ein isoliertes Rohrleitungssystem, bestehend aus einem äußeren Mantelrohr, einem inneren Abflußrohr und einer Isolationsschicht innerhalb des dazwischenliegenden Raumes, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Isolierschicht wenigstens einen diskreten Block aus einem ersten Isoliermaterial umfaßt, der im wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial in Partikelform umgeben ist.
• Dadurch wird es möglich, daß die diskreten Blöcke aus dem ersten Isoliermaterial den Hauptteil oder die Gesamtheit der notwendigen Isolation liefern, während das zweite Isoliermaterial in Partikelform um das erste Material herum gepackt werden kann, um die notwendige Scherkraftübertragung herzustellen. Es ist zweckmäßig, daß das erste Isoliermaterial eine geringere thermische Leitfähigkeit als das zweite Isoliermaterial besitzt, und vorzugsweise hat es eine thermische Leitfähigkeit von weniger als der Hälfte der Leitfähigkeit des zweiten Isoliermaterials. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die thermische Leitfähigkeit des ersten Materials weniger als 35% des zweiten Isoliermaterials beträgt, und noch zweckmäßiger ist es, wenn es weniger als 25% beträgt.
• Es wird natürlich bevorzugt, daß das zweite Isoliermaterial Aluminiumoxid-Silikat- Mikrosphären sind.
• Es ist auch zweckmäßig, daß das erste Isoliermaterial ein Siliziumoxidblock ist.
• Vorzugsweise beträgt der Durchschnittsdurchmesser des zweiten Isoliermaterials zwischen 30 und 300 um.
• Das erste Isoliermaterial hat zweckmäßigerweise eine Dicke zwischen 10 und 50 mm, und noch besser zwischen 15 und 25 mm.
• Der mittlere Partikeldurchmesser des zweiten Isoliermaterials beträgt vorzugsweise weniger als 1/150 der durchschnittlichen Blockgröße des ersten Isoliermaterials. Noch zweckmäßiger beträgt der mittlere Partikeldurchmesser des zweiten Isoliermaterials weniger als 1/400 der durchschnittlichen Blockgröße des ersten Isoliermaterials.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer üblichen doppelwandigen Pipeline;
• Fig. 2a, 2b und 2c zeigen eine thermische Expansion durch Verformung der Rohrleitung; .
• Fig. 3a un d 3b veranschaulichen den Kraftausgleich in doppelwandigen Rohrleitungs-Strukturen;
• Fig. 4 ist ein Querschnitt einer doppelwandigen Rohrleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Die Fig. 1 bis 3 wurden bereits vorstehend beschrieben, und es folgt keine weitere Beschreibung dieser Figuren:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
• Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Rohrleitung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein inneres Abflußrohr 10 wird durch ein äußeres Mantelrohr 12 umschlossen. Öl oder Gas 14 strömt innerhalb des inneren Abflußrohres 10. Die gesamte Rohrleitung ruht auf dem Meeresboden 18.
• Die Isolierschicht liegt in dem Ringraum zwischen dem konzentrischen inneren Abflußrohr 10 und dem äußeren Mantelrohr 12. Die Isolierschicht besteht aus einer ersten Lage 20 aus einem Microtherm (eingetragene Marke) -Siliziumoxidblock, der um das innere Abflußrohr 10 herumgewickelt ist. Der Block ist 24 mm dick und besteht aus drei übereinanderliegenden Schichten, die jeweils 8 mm dick sind. Es kann eine größere oder geringere Zahl von Schichten benutzt werden, je nach der erforderlichen Isolation. Beispielsweise könnten zwei Schichten oder vier Schichten benutzt werden. Ein zweites Isoliermaterial 22, bestehend aus Aluminiumoxid-Silikat- Mikrosphären, hat einen Durchmesser zwischen 30 und 300 um, und dieses Material ist in den Bereich des Ringraumes gepackt, der nicht von dem ersten Isoliermaterial 20 eingenommen wird. Dies erfordert eine Dicke von etwa 10 bis 50 mm. Das zweite Isoliermaterial wird dann derart komprimiert, daß es eine Scherkraft zwischen dem inneren Abflußrohr 10 und dem äußeren Mantelrohr 12 übertragen kann.
• Es ist klar, daß zahlreiche Abwandlungen bei dem obigen Ausführungsbeispiel getroffen werden können, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist es nicht wesentlich, daß das erste Isoliermaterial 20 in Form einer einzigen Schicht um das Abflußrohr 10 herumgewickelt ist. Es könnte beispielsweise in Gestalt mehrerer Blöcke oder Schichten vorgesehen werden, die in dem Ringraum verteilt mit dem dazwischengepackten zweiten Isoliermaterial 22 verteilt sind.

Claims (13)

1. Isoliertes Rohrsystem, umfassend ein Mantelrohr, ein inneres Abflußrohr und eine Isolierschicht in dem Raum dazwischen, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht wenigstens einen diskreten Block aus einem ersten Isoliermaterial umfaßt, der im wesentlichen von einem zweiten Isoliermaterial in Partikelform umgeben ist.

2. Isoliertes Rohrsystem nach Anspruch 1, bei dem die diskreten Blöcke des ersten Isoliermaterials ganz oder größtenteils die notwendige Isolierung bilden.

3. Isoliertes Rohrsystem nach Anspruch oder Anspruch 2, bei dem das erste Isoliermaterial eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit hat als das zweite.

4. Isoliertes Rohrsystem nach Anspruch 3, bei dem das erste Isoliermaterial eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als der Hälfte von der des zweiten hat.

5. Isoliertes Rohrsystem nach Anspruch 3, bei dem das erste Isoliermaterial eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 35% von der des zweiten hat.

6. Isoliertes Rohrsystem nach Anspruch 3, bei dem das erste Isoliermaterial eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 25% von der des zweiten hat.

7. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das zweite Isoliermaterial Schamottemikrosphären sind.

8: Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Isoliermaterial ein Siliziumdioxidblock ist.

9. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der mittlere Durchmesser des zweiten Isoliermaterials zwischen 30 und 300 um liegt.

10. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Isoliermaterial eine Dicke zwischen 10 und 50 mm hat.

11. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Isoliermaterial eine Dicke zwischen 15 und 25 mm hat.

12. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der mittlere Partikeldurchmesser des zweiten Isoliermaterials weniger als 1/150 der durchschnittlichen Blockgröße des ersten Materials beträgt.

13. Isoliertes Rohrsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der mittlere Partikeldurchmesser des zweiten Isoliermaterials weniger als 1/400 der durchschnittlichen Blockgröße des ersten Materials beträgt.