DK170580B1

DK170580B1 - Rør af sammensatte materialer og i det væsentlige upåvirkeligt over for længdevariationer forårsaget af det indre tryk, samt dettes anvendelse

Info

Publication number: DK170580B1
Application number: DK095089A
Authority: DK
Inventors: Charles Sparks; Pierre Odru; Marcel Auberon; Jean-Francois Fuchs
Original assignee: Inst Francais Du Petrole; Aerospatiale
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1995-10-30
Also published as: NO176529B; GR3001837T3; IN171732B; US5110644A; DE68900034D1; JPH0276989A; NO890798L; ES2022753B3; FR2627840B1; DK95089A; FR2627840A1; EP0333532A1; NO176529C; EP0333532B1; DK95089D0; JP2709500B2; NO890798D0; CA1320455C

Description

i DK 170580 B1

Opfindelsen angår en ny sammensat rørstruktur, som i alt væsentligt ikke undergår nogen længdevariation forårsaget af det indre tryk.

Ved sammensat materiale forstås et materiale, der består af indbyr-5 des parallelle fibre, som f.eks. glasfibre, kulfibre eller aramidfibre, der er anbragt i en matriks så som en termoplastisk eller varmehærdet matriks, f.eks. en epoxyresin.

Opfindelsen angår især fremstilling af rør til at overføre eller 10 opbevare væsker under tryk som f.eks. vand eller kulbrinter.

Rørene ifølge opfindelsen er især beregnet til at blive benyttet i offshore, oliesøgnings- og udvindingsoperationer f.eks. som hoved-eller hjælpeop- og -nedadgående søjler, der forbinder havbunden med 15 en overfladeinstallation så som en bore- eller arbejdsplatform eller en undervandsbøje. Sådanne søjler benævnes almindeligvis borerør ("riser") eller produktionsrør ("tubing").

Borerør fra faste platforme eller platforme fastholdt af barduner 20 beskytter under normal brug produktionsrørene uden at blive udsat for trykket, som opstår i aflejringen. Borerørene er imidlertid konstrueret til at modstå indre tryk i tilfælde af uheld f.eks. lækager eller brud på produktionsrøret.

25 På grund af deres store længde udsættes disse borerør for betydelige variationer i længden, især på grund af trækkekraften fra bundvirkningen, hvilket kan resultere i eventuelle tryk, som kan være til stede inde i disse borerør, eller på grund af deres vægt eller deres temperaturvariationer.

30

For at modvirke disse variationer underkastes borerørene enten en væsentlig forspænding under stræk eller holdes udstrakt ved hjælp af komplekse opspændingssystemer, som tilvejebringer en trækkekraft, der kan være konstant eller svare til en minimumsværdi afhængig af 35 operationsbetingelserne.

Røret ifølge opfindelsen har en betydelig fleksibilitet over for enhver trækkekraft, når der ikke er noget indre tryk, og er især velegnet til denne type af borerør, fordi det gør det muligt at DK 170580 B1 2 udelade alle eller en del af de systemer, som ellers fastholder „ borerøret under påvirkning af en trækkekraft afhængig af forlængelsen.

5 Den største trækkekraft ved rørets øvre ende, når der ikke er noget indre tryk i røret, svarer til den kraft, der kræves til at optage vægten af røret, multipliceret med en bestemt faktor større end 1 (1,7 f.eks.), således at borerørets profil holdes inden for acceptable grænser trods påvirkning fra ydre kræfter, f.eks. i form af 10 virkningen af strøm på en nedsænket ledning.

Udsættes et rør af den kendte type for et tilfældigt tryk, vil trykket virke på toppen af røret og hertil overføre en betydelig kraft, som vil resultere i en forlængelse af røret. En sådan for-15 længel se må optages af et opspændingssystem for at undgå kollaps i den nedre del af borerøret. Udsættes røret ifølge opfindelsen for et internt tryk, får røret ingen eller kun en meget lille forlængelse, og behovet for et opspændingssystem undgås derfor.

20 Røret ifølge opfindelsen kan også benyttes som produktionsrør eller borerør, der ender ved en undervandsbøje: I sådanne tilfælde fastgøres rørene ved deres nedre og øvre ender uden et permanent opspændingssystem. Tryk og temperaturbetingelser, under hvilke hidtil kendte rør anbringes, medfører en tendens for rørene til at slå sig, 25 og rørene bringes derfor til at modvirke disse betingelser ved at være understøttet af omgivende systemer (især dertil indrettede udknækningsstyrebaner), hvorved der kan opstå en høj bøjningskompressionspåvirkning ved rørenes nedre ender. Ved brug af rør ifølge opfindelsen kan styresystemerne reduceres eller helt undværes, den 30 forudgående forspænding kan simplificeres, og bøjningskompressionspåvirkningen ved foden af rørene reduceres.

Røret ifølge opfindelsen kan også benyttes som et produktionsrør eller et rør til vand- eller gasinjektion eller anbragt inde i et af 35 de ovenfor beskrevne borerør eller direkte inde i borehullet, enten på land eller til søs. Trykket og/eller temperaturbetingelserne, * under hvilke rør af den hidtil kendte art benyttes, medfører en lignende tendens til udknækning, som rørene bringes til at modvirke ved at være understøttet af foringer i borehullet eller i borerørene DK 170580 B1 3 eller ved at skabe høj bøjningskompressionspåvirkning ved rørenes nedre ender.

Opfindelsen reducerer eller gør den forudgående forspænding over-5 flødig eller overflødiggør systemet med glidende sammenføjninger ved rørenes fod ved at erstatte dem med indkapslinger eller reducere bøjningspåvirkningerne ved foden.

Røret ifølge opfindelsen kan også benyttes til ydre ledninger til 10 offshore-boresøjler, idet disse søjler tjener til at beskytte borestrengen. De ydre ledninger kan være sikkerhedsledninger (dræbe-og kvæleledninger) eller slamindsprøjtningsledninger ("boosters"). Hidtil kendte rør glider ved deres ender. Når de sættes under internt tryk, udvikles der en lateral ustabilitet svarende til, at 15 rørene slår sig, hvilket kan få dem til at gå voldsomt ud af deres styresystemer. Brugen af et rør ifølge opfindelsen, og som indstøbes ved enderne, og som forårsager, at de påførte trækkekræfter optages ved endestop, gør det muligt at undvære et mellemliggende styresystem.

20

Opfindelsen kan også benyttes til at udforme produktionsrør til borehuller boret på fast grund.

På tilsvarende måde kan røret ifølge opfindelsen benyttes som 25 produktionsrør indvendigt i et borehul til lands eller til vands eller indvendigt i et borerør til søs.

Opfindelsen kan også anvendes til undervandsforsyningsrør, som indstøbes f.eks. anbragt i bunden af en grav for at undgå risiko for 30 beskadigelser fra sejlads.

Når ledninger af den hidtil kendte art først er nedgravet, har de en tendens til forlængelse, når de sættes under tryk, og risikerer således at deformeres og at rejse sig vertikalt ud af graven, 35 hvilket klart eliminerer nedgravningsvirkningen.

Røret ifølge opfindelsen reducerer væsentligt disse risici.

Eksemplerne på den ovenfor angivne anvendelse er på ingen måde DK 170580 B1 4 begrænsende.

De sammensatte rør består i almindelighed af lag, der hver for sig er lagt oven på hinanden, og som består af fibre i lige store eller 5 symmetriske vinkler i forhold til rørets akse og indeholdt i en matriks. Denne matriks fastholder fibrene.

Nogle af disse lag kan især være beregnet til at modstå trykket inde i røret (indre tryk) og andre især til at modstå trækkekræfterne. De 10 trykmodstandsdygtige lag kan da omfatte grupper af fibre opvundet med en stor vinkel i forhold til rørets akse, mens de trækkekraft-modstandsdygtige lag omfatter fibre, som er opvundet med en lille vinkel i forhold til rørets akse.

15 Sammensatte rør, som er kendt fra den tidligere teknik, er konstru eret til at modstå trækkekræfter og interne trykkræfter og har ikke en forlængelse, der i alt væsentligt kan sættes til nul ved påvirkning af et indre tryk.

20 I almindelighed bliver faktisk traditionelle rør, som skal modstå indre tryk, og som er fremstillet af kul fibre, aramidfibre eller glasfibre, forlænget under virkningen af det indre tryk, med henholdsvis ca. 0,4%, 0,6%, 0,8% ved deres arbejdstrykgrænse.

25 Det sammensatte rør ifølge opfindelsen har en meget lavere forlængelse, evt. på nul eller endog negativ. På grund af fremstillingsformen gør røret af sammensat materiale ifølge opfindelsen en anvendelse af det mulig inden for nye områder for rør af sådanne materialer og reducerer derudover de ovenfor nævnte ulemper.

30 I den efterfølgende del af beskrivelsen af opfindelsen menes der, med mindre andet er angivet, ved grupper af fibre en samling af fibre, der er indbyrdes parallelle og af samme sammensætning og samlet i en matri ks, og ved lag en eller flere grupper af fibre 35 opvundet med en i det væsentlige konstant vinkel i absolut værdi i forhold til snoningsaksen og omfattende lige store dele af fibre * opvundet i én retning med den ovenfor nævnte vinkel, og fibre opvundet i den modsatte retning med den samme vinkel.

DK 170580 B1 5

For det samme lag er der derfor lige så mange fibre opvundet med vinklen |thetaJ i forhold til snoningsaksen, som der er fibre opvundet med vinklen -|theta| i forhold til snoningsaksen.

5 Endelig er kohesionen af et eller flere lag tilvejebragt ved hjælp af matriksen, som sammenholder fibrene, og som derfor danner et i det væsentlige sammenhængende medium.

Opfindelsen angår således et rør af sammensatte materialer, og som i 10 alt væsentligt er upåvirkeligt over for længdevariationer forårsaget af virkningen af et internt tryk, og som består af et antal n af faste lag af forstærkningsfibre, idet fibrene i hvert lag (i) er anbragt med den samme snoningsvinkel i absolut værdi og benævnt "theta" i forhold til rørets akse med lige store dele af fibre 15 opvundet med nævnte vinkel i én retning (|theta|) og af fibre opvundet i den modsatte regning (-|theta|). Fibrene i hvert lag er indstøbt i en matriks, som sammenbinder disse fibre, idet fibre af samme lag og den tilhørende matriks har et volumen benævnt Y. Parallelle fibre fra samme lag og den tilhørende matriks har et 20 totalt elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning benævnt E, og ifølge opfindelsen opfylder de n lag af fibre som helhed følgende forhold: 0,35 <, A < 0,60, hvor A er udtrykt ved følgende ligning: 25 i = η λ n Σ [Ei Y. (sin^ |theta. |) · (cos'1 |theta, |)] 1 = 11 1 1 A = = n- Σ [E. Y. sin^ |thetai|] 30 ι = 1Ί idet i er summationsindekset for de forskellige fiberlag.

For at reducere indflydelsen fra en fejl i vinklen, med hvilken fibrene i en gruppe anbringes, hvorved man forøger den acceptable tolerance med hensyn til denne fremstillingsparameter, vil en struktur som: 0,40 < A < 0,60 DK 170580 B1 6 være foretrukket, eller endnu bedre en struktur som: 0,43 * A * 0,52.

5 Forstærkningsfibrene kan være lavet af glas, aramid, kul eller ethvert andet materiale, enten alene eller kombineret. Grupperne af forstærkningsfibre kan være forbundet i par af grupper af identiske fibre, idet den ene af grupperne danner en vinkel på +theta med rørets akse, mens den anden gruppe af par danner en vinkel -theta.

10 I røret ifølge opfindelsen kan forstærkningsfibrene i mindst ét lag være fibre, der består af glas, kul eller aramid.

Røret ifølge opfindelsen kan bestå af mindst to lag, af hvilke det 15 ene kan omfatte fibre opvundet med en lille vinkel i forhold til røraksen, og det andet kan bestå af fibre opvundet med en stor vinkel i forhold til røraksen. Det totale elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning af laget med lille snoningsvinkel kan være større end det totale elasticitetsmodul i den naturlige retning 20 af fibrene i laget med høj snoningsvinkel.

Opfindelsen kan bestå af mindst to lag, af hvilke det ene har fibre opvundet med en vinkel på mellem 55° og 90°, og det andet lag har fibre opvundet med en vinkel, hvis absolutte værdi er mellem 10® og 25 45®. Når røret kun har to lag, er det fælles forhold af det ene lag i volumen i forhold til den totale samling af de to lag mellem 35 og 65%.

Ifølge opfindelsen kan et lag have en opvindingsvinkel i alt væ-30 sentligt svarende til 70® i forhold til røraksen med det totale elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning tæt på området 50.000 - 56.000 MPa. Røret kan også have et lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt på 26® i forhold til røraksen, og hvor det totale elasticitetsmodul i lagets naturlige retning er orienteret med 26® 35 og er tæt på 140.000 MPa, og hvor forholdene mellem laget på 70® og laget på 26® kan henholdsvis og i alt væsentligt være på 55% og 45% * volumen.

Det sammensatte lag ifølge opfindelsen kan bestå af et lag med en DK 170580 B1 7 opvindingsvinkel i alt væsentligt på 70’ i forhold til røraksen, idet det totale elasticitetsmodul i disse fibres naturlige retning er tæt på området 50.000 - 56.000 MPa, og et lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt på 30e i forhold til røraksen, hvor det 5 totale elasticitetsmodul i dette lags naturlige retning er oriente ret med 30* og tæt på 100.000 MPa, og hvor forholdet mellem laget på 70e og laget på 30e henholdsvis i alt væsentligt kan være på 50* og 50% volumen.

10 Røret ifølge opfindelsen kan bestå af mindst ét lag, der har for stærkningsfibre opvundet med en vinkel i alt væsentligt i absolut værdi på 38° i forhold til røraksen og mindst ét lag forstærkningsfibre opvundet med en vinkel i alt væsentligt i absolut værdi på 62° i forhold til røraksen, og de fælles forhold i volumen af laget på 15 38° og laget på 62“ i forhold til samlingen af disse to lag er da henholdsvis i alt væsentligt på 45% og 55%.

Som nævnt kan røret ifølge opfindelsen benyttes til konstruktionen af et borerør til en bore- eller produktionsplatform. Tilsvarende 20 kan det benyttes som produktionsrør indvendigt i et borehul til lands eller til søs eller indvendigt i et borerør til søs.

Den vedføjede figur viser et eksempel på et sammensat rør ifølge opfindelsen. Dette rør består af en indre skede 1, på hvilket der er 25 stablet en række sammensatte lag 2, 3, 4, 5, 6, 7 og 8, hvor hvert lag indbefatter grupper af forstærkningsfibre. Disse grupper er f.eks. anbragt som alternerende grupper 2, 4, 6 og 8, der modstår kræfterne fra tryk, og grupperne 3, 5 og 7, der modstår trækkekræfterne. Man har således et rør bestående af to serier af sammensatte 30 lag. Den første af disse serier af de sammensatte lag 3, 4 og 7 kan dannes af kul fibre opvundet symmetrisk i forhold til røraksen med vinkler på +/-36°, idet de sammensatte materialer langs fiberaksen har et elasticitets- eller Young-modul Ej = 140.000 MPa.

35 Den anden serie af disse sammensatte lag 2, 4, 6 og 8 kan udgøres af glasfibre opvundet symmetrisk i forhold til røraksen med vinkler på +/-70°, idet det sammensatte materiale langs fiberaksen har et elasticitetsmodul Eg = 56.000 MPa. Rørets indre diameter er 23 cm.

DK 170580 B1 8

Den kumulerede tykkelse af serierne af lag er henholdsvis 0,75 cm for den første serie og 0,91 cm for den anden serie. Volumenforholdene af resin i hver af serierne af sammensatte lag er henholdsvis .

40% for den første og 33% for den anden serie. Den første serie lag 5 består af tre lag indskudt mellem 4 lag af den anden serie.

Volumenforholdene af de sammensatte glasmaterialer og af kul sammensætningen er henholdsvis 55% og 45%.

-4 10 Den relative forlængelse af dette rør er 3 x 10 , når trykket, som røret udsættes for, er 350 bar.

Et rør med meget lav forlængelse kan opnås ved, at man i ovenstående eksempel erstatter glasfibrene med aramidfibre med lavt modul 15 (KEVLAR 29). Forholdene mellem sammensætningerne og opvindings- vinklerne er uændrede.

Et andet eksempel til at opnå et rør med meget lav forlængelse består i at bruge en glaskomposition, hvis fibre er opvundet med en 20 vinkel på 70" i forhold til røraksen og et af aramid sammensat materiale med højt elasticitetsmodul (KEVLAR 49), hvis fibre er opvundet med en vinkel på 30e i forhold til røraksen. Forholdene mellem det sammensatte glasmateriale og det sammensatte KEVLAR-materiale er henholdsvis 50% og 50%.

25

Man kan også få et rør med en meget lav forlængelse ved i ovenstående eksempel at erstatte lavmodul aramidfibrene (f.eks. KEVLAR 29) med glasfibre. Forholdene mellem de sammensatte materialer og opvindingsvinklerne forbliver uændrede.

30

Young-modulet i længderetningen for det sammensatte KEVLAR 49-mate-riale er tæt på 100.000 MPa og for det sammensatte KEVLAR 29-mate-riale tæt på 50.000 MPa. Benævnelserne KEVLAR 49 og KEVLAR 29 er varemærker, som er registeret af firmaet Dupont de Nemours.

Nedenstående tabel opsummerer de ovenfor givne eksempler: 35 5 • "-'^1 9 DK 170580 B1

FIBERTYPE OPVINDINGSVINKEL I VOLUMENABSOLUT VÆRDI FORHOLD

Glas 70° 55%

Kul 26° 45% 10 Glas 70* 50%

Aramid (højt elasticitetsmodul (KEVLAR 49)) 30* 50% 15 Aramid (lavt elasticitetsmodul (KEVLAR 29)) 70* 55%

Kul 26* 45% 20 Aramid (lav elasticitetsmodul (KEVLAR 29) 70“ 50%

Aramid (højt elasticitetsmodul) (KEVLAR 49) 30* 50% 25 På samme måde som rør kan fremstilles med en meget lav forlængelse ved hjælp af to sammensatte materialer, kan rørene også laves af enkelt sammensatte materialer. Dette fås f.eks. ved at opvinde 30 fibrene med vinkler på +/-38* og +/-62* i forhold til røraksen.

Volumenforholdene for fibrene ved 38* og 62* og deres tilhørende matriks er henholdsvis 45% og 55%. Typen af disse fibre ændrer ikke de typiske træk ved røret.

35 Endelig gælder generelt at når to lag benyttes, og som består af fibre af forskellige typer, er det fordelagtigt at have: et lag med fibre, der danner en vinkel på mellem 55* og 90*, og DK 170580 B1 10 et andet lag med fibre, der danner en vinkel på mellem 10* og , 45*.

Λ I tilfælde af at der benyttes to typer forskellige fibre, anbringes 5 lagene med det højeste Young-modul i den naturlige retning af fibrene med en lille vinkel, og lagene med det laveste Young-modul i den naturlige retning af fibrene med en stor vinkel.

Sluttelig bør det noteres, at det samme lag fortrinsvis kan omfatte 10 en eller flere grupper fibre opvundet således, at disse grupper støder op til hinanden side mod side.

15 20 25 30 35

Claims

1. Rør af sammensatte materialer og i alt væsentligt upåvirkeligt overfor længdevariationer forårsaget af et indre tryk og bestående 5 af et antal n af faste lag af forstærkningsfibre, hvor fibrene i hvert lag (i) er anbragt under den samme snoningsvinkel i absolut værdi benævnt "theta" i forhold til røraksen med lige store dele fibre opvundet med nævnte vinkel i en retning (|thetaj) og fibre opvundet i den modsatte retning (-|theta|), og hvor fibrene fra 10 hvert lag er indstøbt i en matriks, som sammenholder fibrene, idet fibrene fra samme lag og den tilhørende matriks har et volumen benævnt Y, og hvor parallelle fibre fra samme lag med tilhørende matriks har et totalt elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning benævnt E, kendetegnet ved, at n lag af fibre som helhed 15 opfylder følgende forhold: 0,35 < A < 0,60, hvor A er udtrykt ved følgende ligning: Σ [Ei Y. (sin2 |theta.() · (cos2 |theta.|)] 20 ι=1Ί 1 1 A = - Σ [E. Ί. sin4 (theta-|] 1 = 11 1 idet i = summationsindekset for de forskellige fiberlag.

2. Rør ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 0,40 < A ^ 0,60. 3Q

3. Rør ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 0,43 ^ A < 0,52.

4. Rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at forstærkningsfibrene af mindst et af lagene er fibre, der består af glas, kul eller aramid. 35

5. Rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4 og omfattende i det mindste to lag, kendetegnet ved, at et af lagene har fibre opvundet med en lille vinkel i forhold til røraksen og det andet har fibre opvundet med stor vinkel i forhold til røraksen, og DK 170580 B1 12 hvor det totale elasticitetsmodul i den naturlige retning af fibrene i laget med lille opvindingsvinkel er større end det totale elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning for laget med stor opvindingsvinkel . 5

6. Rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, og som består af mindst to lag, kendetegnet ved, at et af lagene omfatter fibre opvundet med en vinkel på mellem 55" og 90®, og det andet lag omfatter fibre opvundet med en vinkel, hvis absolutte 10 værdi er på mellem 10® og 45®.

7. Rør ifølge krav 6, kendetegnet ved, at det består af kun to lag, og at volumenet for det ene af lagene er på mellem 35 og 65% af det samlede volumen af de to lag. 15

8. Sammensat rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, kendetegnet ved, at det omfatter et lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt svarende til 70® i forhold til røraksen, og dets totale elasticitetsmodul i fibrenes naturlige retning 20 er tæt på området 50.000 til 56.000 MPa, samt et andet lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt på 26® i forhold til røraksen med det totale elasticitetsmodul i lagets naturlige retning på 26® tæt på 140.000 MPa, og at forholdene mellem laget på 70® og laget på 26° er henholdsvis og i alt væsentligt svarende til 55% og 45% volumen. 25

9. Sammensat rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, kendetegnet ved, at det omfatter et lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt svarende til 70® i forhold til røraksen, og hvor det totale elasticitetsmodul i fibrenes naturlige 30 retning er tæt på området 50.000 - 56.000 MPa, og et andet lag med en opvindingsvinkel i alt væsentligt svarende til 30® i forhold til røraksen med det totale elasticitetsmodul i lagets naturlige retning orienteret med en vinkel på 30® tæt på 100.000 MPa, og at forholdene mellem laget på 70® og laget på 30® er henholdsvis i alt væsentligt 35 svarende til 50% og 50% volumen.

10. Rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kende tegnet ved, at det omfatter mindst ét lag bestående af forstærkningsfibre opvundet med en vinkel i alt væsentligt svarende DK 170580 B1 13 i absolut værdi til 38° i forhold til røraksen og mindst ét lag med forstærkningsfibre opvundet med en vinkel i alt væsentligt svarende i absolut værdi til 62’ i forhold til røraksen, og hvor det totale volumenforhold for laget med 38°-vinkel og laget med 32®-vinkel i 5 forhold til de samlede lag er henholdvis i alt væsentligt svarende til 45% og 55%.

11. Brug af et rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-10 i en konstruktion for et borerør til en bore- eller produktionsplatform. 10

12. Brug af et rør ifølge et hvilket som helst af kravene 1-10 som et produktionsrør indvendigt i et borehul til lands eller til vands eller indvendigt i et borerør til søs. 15 20 25 30 35