EA043152B1 - COMPOSITE TUBULAR ELEMENT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE - Google Patents

COMPOSITE TUBULAR ELEMENT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE Download PDF

Info

Publication number
EA043152B1
EA043152B1 EA202191692 EA043152B1 EA 043152 B1 EA043152 B1 EA 043152B1 EA 202191692 EA202191692 EA 202191692 EA 043152 B1 EA043152 B1 EA 043152B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fibers
tubular element
tubular
polymer
element according
Prior art date
Application number
EA202191692
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Стефано Карминати
Массимо Дзампато
Марианджела Ломбарди
Маттео Павезе
Original Assignee
Эни С.П.А.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эни С.П.А. filed Critical Эни С.П.А.
Publication of EA043152B1 publication Critical patent/EA043152B1/en

Links

Description

Настоящее изобретение относится к трубчатым конструкциям, предназначенным для использования в подводных условиях. В частности, изобретение относится к композитным трубчатым конструкциям для использования в нефтяной и газовой промышленности, таким как эксплуатационные райзеры, и способу их изготовления.The present invention relates to tubular structures intended for use in underwater environments. In particular, the invention relates to composite tubular structures for use in the oil and gas industry, such as production risers, and a method for their manufacture.

Уровень техникиState of the art

В последние несколько лет зарегистрированы различные патенты, относящиеся к гибким композитным райзерам и трубам, раскрывающие использование относительно сходных материалов и конструкций.In the past few years, various patents have been filed relating to flexible composite risers and tubing, revealing the use of relatively similar materials and designs.

В патентном документе WO 2013/071449 описана клеёная конструкция, содержащая три основных участка (внутренний, армированный и внешний слои). Армированные (усиленные) слои созданы с помощью спирально намотанных лент, выполненных из термопластичных полимеров, армированных волокнами. Кроме того, в указанном патентном документе приведены некоторые конкретные данные относительно подходящих материалов (полимеры и волокна) для каждого слоя с указанием критериев выбора материала с точки зрения тепловых и/или механических характеристик, химической совместимости или требований, относящихся к условиям монтажа или условиям функционирования.Patent document WO 2013/071449 describes a glued construction containing three main areas (inner, reinforced and outer layers). Reinforced (reinforced) layers are created using helically wound tapes made of fiber-reinforced thermoplastic polymers. In addition, said patent document provides some specific data regarding suitable materials (polymers and fibers) for each layer, indicating material selection criteria in terms of thermal and/or mechanical characteristics, chemical compatibility, or requirements related to installation conditions or operating conditions.

В патентном документе WO 1999/67561 описана клеёная конструкция, содержащая три основных участка (внутренний, армированный и внешний слои). В этом документе описаны армированные слои, которые формируют с использованием различных ламинатов из термопластичных или термоотверждающихся полимеров, усиленных армированными однонаправленными непрерывными волокнами. Кроме того, приведены некоторые конкретные данные относительно подходящих материалов (полимеры и волокна) для каждого слоя и изменения состава или микроструктуры в каждом слое, для того чтобы сделать их способными выдерживать локальные температурные условия и локальные давления, оптимизируя при этом совместимость материалов.Patent document WO 1999/67561 describes a glued construction containing three main areas (inner, reinforced and outer layers). This document describes reinforced layers that are formed using various laminates of thermoplastic or thermoset polymers reinforced with reinforced unidirectional continuous fibers. In addition, some specific data are given regarding suitable materials (polymers and fibers) for each layer and changes in the composition or microstructure in each layer in order to make them able to withstand local temperature conditions and local pressures, while optimizing material compatibility.

Предложенная в указанном патентном документе конструкция представляет собой элемент из армированного полимера, созданный из единичных слоев термопластичных матриц, армированных различными волокнами. Кроме того, описанная конструкция райзера может также включать промежуточные слои, образованные из специального выбранного термопластичного полимера, из числа упомянутых термопластичных матриц, армированных различными волокнами. Эти слои рассчитаны на их использование в качестве ограничителей разрыва и улучшение тепловой изоляции между другими слоями. Наличие субслоев, в которых волокна отсутствуют, будет создавать также некоторое скольжение между соседними слоями, армированными волокнами, что делает трубу более гибкой.The design proposed in said patent document is a reinforced polymer element made from single layers of thermoplastic matrices reinforced with various fibers. In addition, the described riser design may also include intermediate layers formed from a specially selected thermoplastic polymer, from among the mentioned thermoplastic matrices, reinforced with various fibers. These layers are designed to be used as gap stops and improve thermal insulation between other layers. The presence of fiber-free sublayers will also create some slip between adjacent fiber-reinforced layers, making the pipe more flexible.

В патентном документе WO 2006/059220 при создании составной системы соединительного трубопровода используется райзер из композитного материала для получения участка транспортирования с меньшей массой, соединенный с плавучей установкой посредством верхнего и нижнего участков, образованных металлическими или не клеёными концевыми трубопроводами. Описанная система содержит центральную часть, образованную композитным трубопроводом, который составляет большую часть длины райзера, при этом его длина намного превышает длину участков верхнего или нижнего концевых трубопроводов.In WO 2006/059220, a composite piping system uses a composite riser to provide a lower mass conveyance section connected to the floating plant via upper and lower portions formed by metal or non-glued end piping. The described system includes a central part formed by a composite pipeline, which makes up most of the length of the riser, while its length is much greater than the length of the sections of the upper or lower end pipelines.

В патентном документе WO 2010/096671 описана клеёная конструкция композитного трубопровода, содержащая три основных участка (внутренний, армированный и внешний слои). Армированный средний слой характеризуется многослойной структурой, образованной в среднем слое внутренним слоем из композитных лент, средним слоем из термопластичного материала и внешним слоем, выполненным из более твердого термопластика, описанного ниже. Для изготовления композитного трубопровода используется мобильная установка. Кроме того, для каждого слоя приведены некоторые конкретные данные в отношении выбора подходящих материалов (полимеры и волокна).Patent document WO 2010/096671 describes a glued construction of a composite pipeline containing three main sections (inner, reinforced and outer layers). The reinforced middle layer is characterized by a multi-layer structure formed in the middle layer by an inner layer of composite tapes, a middle layer of thermoplastic material and an outer layer made of a harder thermoplastic, described below. For the manufacture of composite pipelines, a mobile unit is used. In addition, for each layer, some specific data are given regarding the selection of suitable materials (polymers and fibers).

В патентном документе WO 2010/096671 описан композитный трубопровод с термопластичным внутренним слоем, слоем из ленты, наклеенным на термопластичный слой, и защитным слоем, образованным поверх слоя из ленты. Таким образом, трубопровод содержит три слоя, при этом внутренний слой может быть слоем из термопластичного материала; средний слой может быть слоем из армированной композитной ленты, который может содержать полностью увлажненную ленту и может быть дополнительно заключен или охвачен снаружи термопластиком; наконец, внешний защитный слой может быть выполнен из термопластичного материала. В различных конфигурациях средний слой выполнен в виде многослойной структуры, в которой внутренний средний слой может быть слоем, образованным армированной лентой из композитного материала, средний слой может быть термопластичным экструдатом или слоем в виде пленки, а внешний средний слой может быть жестким слоем, выполненным из более твердого термопластика.WO 2010/096671 describes a composite pipeline with a thermoplastic inner layer, a tape layer glued to the thermoplastic layer, and a protective layer formed over the tape layer. Thus, the pipeline contains three layers, while the inner layer may be a layer of thermoplastic material; the middle layer may be a layer of reinforced composite tape, which may contain a fully wetted tape and may be additionally enclosed or covered on the outside with a thermoplastic; finally, the outer protective layer may be made of a thermoplastic material. In various configurations, the middle layer is in the form of a multilayer structure, in which the inner middle layer may be a layer formed by a reinforced tape of composite material, the middle layer may be a thermoplastic extrudate or film-like layer, and the outer middle layer may be a rigid layer made of harder thermoplastic.

В патентном документе US 2014/0041879 описан райзер, который характеризуется наличием предварительно напряженных участков (участков, находящихся в состоянии растяжения или сжатия) для обеспечения необходимого пространственного расположения райзера и создания точки перегиба. Характерной особенностью в этом патентном документе является наличие локального изменения состава или микроструктуры композитной стенки для придания предварительно напряженного состояния указаннымUS 2014/0041879 describes a riser that is characterized by the presence of prestressed sections (sections in tension or compression) to provide the required spatial arrangement of the riser and create an inflection point. A characteristic feature in this patent document is the presence of a local change in the composition or microstructure of the composite wall to impart a prestressed state to the specified

- 1 043152 участкам райзера, в частности состояния растяжения верхнему и нижнему участкам и, соответственно, состояния сжатия промежуточному участку.- 1 043152 sections of the riser, in particular the state of tension in the upper and lower sections and, accordingly, the state of compression in the intermediate section.

В патентном документе US 2013/0255821 описан райзер, который характеризуется выполнением стенок из композитных материалов с множеством армирующих волокон, внедренных в матрицу. Райзер выполнен с локальным изменением состава или микроструктуры стенки, изготовленной из композитного материала, с соответствующим изменением механических свойств (прочность, жесткость, жесткость при изгибе, изгиб от продольного сжатия, модуль упругости и т.д.) или тепловых характеристик (коэффициент термического расширения, теплопроводность).US 2013/0255821 describes a riser which is characterized by making walls of composite materials with a plurality of reinforcing fibers embedded in a matrix. The riser is made with a local change in the composition or microstructure of the wall made of a composite material, with a corresponding change in mechanical properties (strength, rigidity, flexural rigidity, buckling, modulus of elasticity, etc.) or thermal characteristics (thermal expansion coefficient, thermal conductivity).

В патентном документе CN 103465478 описана резиновая труба, содержащая внутреннюю стенку, внешнюю стенку и каркас, выполненный из вязаной ткани с трехмерной структурой. Задача изобретения заключается в повышении гибкости трубы и создании механически прочной и ударопрочной трубы.CN 103465478 describes a rubber tube comprising an inner wall, an outer wall and a frame made of a knitted fabric with a three-dimensional structure. The objective of the invention is to increase the flexibility of the pipe and create a mechanically strong and shock-resistant pipe.

Вязаная ткань представляет собой рифленую с одной стороны тканевую структуру. Ткань соткана из одного или множества тканевых волокон или из трикотажной ленты (сотканной из единственного или из множества тканевых волокон). Указанная ткань может быть также получена путем плетения тканевых волокон и металлической проволоки. Единственным упомянутым в патентном документе типом волокна является арамид. Используемый полимер представляет собой эпоксидную смолу, пластик, резину или полиуретан.Knitted fabric is a fabric structure corrugated on one side. The fabric is woven from one or a plurality of fabric fibers or from a knit tape (woven from a single or a plurality of fabric fibers). Said fabric can also be obtained by weaving fabric fibers and metal wire. The only type of fiber mentioned in the patent document is aramid. The polymer used is epoxy, plastic, rubber or polyurethane.

В патентном документе CN 106885062 описана транспортирующая труба, изготовленная из ткани трехмерного плетения, имеющей трубчатую форму. Труба характеризуется наличием ткани трехмерного плетения, полученной из высокопрочных волокон, и каркаса из резины или полимера. Ткань предпочтительно представляет собой ткань трехмерного ортогонального плетения или трехмерную плетеную трубчатую ткань, в которой используются высокопрочные волокна.CN 106885062 describes a transport tube made from a three-dimensionally woven fabric having a tubular shape. The pipe is characterized by the presence of a three-dimensional weaving fabric obtained from high-strength fibers and a rubber or polymer carcass. The fabric is preferably a 3D orthogonal woven fabric or a 3D woven tubular fabric using high tenacity fibers.

В настоящее время недостатком трубчатых элементов из композитного материала, таких как райзеры, трубы и т.п., образованные из слоев, описанных в приведенных выше примерах, является явление расслаивания, что ограничивает механическую прочность трубчатого элемента и приводит к повреждению. Между слоями распространяются трещины, в частности в тех местах, где локальная нагрузка является сочетанием режим I - режим II. В настоящее время для увеличения способности полимерной матрицы к упругой деформации осуществляют локальное повышение ударной вязкости, но это создает улучшение лишь с течением времени.At present, composite tubular members such as risers, pipes, and the like, formed from the layers described in the above examples, have a disadvantage in the delamination phenomenon, which limits the mechanical strength of the tubular member and causes damage. Cracks propagate between the layers, in particular in those places where the local load is a combination of mode I - mode II. Currently, to increase the ability of the polymer matrix to elastic deformation, a local increase in toughness is carried out, but this creates an improvement only over time.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается композитный трубчатый элемент для использования в подводных условиях, при этом композитный трубчатый элемент содержит:In accordance with the present invention, a composite tubular element is provided for use in subsea environments, wherein the composite tubular element comprises:

по меньшей мере первый слой, содержащий первые волокна, ориентированные в направлении х относительно продольной оси трубчатого элемента, вторые волокна, ориентированные в направлении у относительно продольной оси трубчатого элемента, при этом образуется двумерная трубчатая структура;at least a first layer containing first fibers oriented in the x direction relative to the longitudinal axis of the tubular element, second fibers oriented in the y direction relative to the longitudinal axis of the tubular element, thus forming a two-dimensional tubular structure;

третьи волокна, проходящие по меньшей мере частично через толщину стенки с образованием в результате трехмерной трубчатой структуры;third fibers extending at least partially through the wall thickness, resulting in a three-dimensional tubular structure;

первый термопластичный полимер, распределенный с возможностью последующей заливки им волокон трубчатой структуры и уплотнения (укрепления) за счет этого трубчатой структуры; и второй термопластичный полимер, введенный с возможностью заполнения остаточных пор трубчатой структуры и формирования, таким образом, трубчатого элемента.the first thermoplastic polymer, distributed with the possibility of subsequent filling them with fibers of a tubular structure and sealing (strengthening) due to this tubular structure; and a second thermoplastic polymer introduced to fill the residual pores of the tubular structure and thus form the tubular element.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ изготовления композитного трубчатого элемента, указанный способ включает следующие стадии:In addition, according to the present invention, a method for manufacturing a composite tubular member is provided, said method including the following steps:

изготовление двумерной трубчатой структуры, содержащей первые волокна, ориентированные в направлении х относительно продольной оси трубчатого элемента, вторые волокна, ориентированные в направлении у относительно продольной оси трубчатого элемента;manufacturing a two-dimensional tubular structure comprising first fibers oriented in the x direction relative to the longitudinal axis of the tubular element, second fibers oriented in the y direction relative to the longitudinal axis of the tubular element;

ввод третьих волокон по меньшей мере частично сквозь толщину стенки трубчатого элемента с образованием в результате трехмерной трубчатой структуры;introducing third fibers at least partially through the wall thickness of the tubular element, resulting in a three-dimensional tubular structure;

объединение волокон первым термопластичным полимером;combining the fibers with the first thermoplastic polymer;

ввод второго полимера для заполнения остаточных пор трубчатой структуры с образованием композитного трубчатого элемента.introducing a second polymer to fill the residual pores of the tubular structure to form a composite tubular element.

Трубчатый элемент, полученный в соответствии с изобретением, имеет прочное сцепление по всему поперечному сечению трубчатого элемента. В случае формирования множества слоев, трубчатый элемент предпочтительно имеет повышенное сопротивление эффекту расслоению и распространению трещин под действием напряжений и нагрузок, которые испытывает трубчатый элемент при его использовании.The tubular element obtained in accordance with the invention has a strong grip over the entire cross section of the tubular element. In the case of forming a plurality of layers, the tubular element preferably has an increased resistance to the effect of delamination and the propagation of cracks under the action of stresses and loads that the tubular element experiences during its use.

В качестве варианта по меньшей мере одна из первой, второй и/или третьей групп волокон содержит непрерывные волокна. В качестве варианта по меньшей мере одна из указанных групп волокон образована неизвитыми волокнами. В качестве варианта одна группа волокон или более может быть образована стеклянными волокнами, при необходимости, стеклянными волокнами типа S2. В качестве альтернативы волокна могут быть углеродными, арамидными или подобными подходящими волокнами.Alternatively, at least one of the first, second and/or third groups of fibers contains continuous fibers. Alternatively, at least one of said groups of fibers is formed from non-crimped fibers. Alternatively, one or more groups of fibers may be formed by glass fibers, optionally glass fibers of type S2. Alternatively, the fibers may be carbon, aramid, or similar suitable fibers.

- 2 043152- 2 043152

Стеклянные волокна обладают преимуществом в отношении механических напряжений, подобно, например, углеродным волокнам, но имеют более низкую величину модуля Юнга (обычно углеродное волокно имеет величину модуля Юнга порядка 200 ГПа, в то время как стеклянное волокно характеризуется величиной модуля Юнга 70-90 ГПа). Кроме того, плотность стеклянного волокна выше плотности углеродного волокна. Использование стеклянного волокна, таким образом, создает преимущество в том, что барабаны, необходимые для транспортирования смотанных трубчатых элементов, соответствующих настоящему изобретению, могут иметь намного меньшие размеры, чем в случае использования аналогичных трубчатых элементов, известных в уровне техники, таких как трубопровод или райзер из композитных материалов, что уменьшает стоимость. Напряжения, которые испытывает смотанный трубчатый элемент, уменьшаются, что уменьшает опасность повреждения трубчатого элемента перед его использованием.Glass fibers have an advantage in terms of mechanical stress, like, for example, carbon fibers, but have a lower Young's modulus (typically carbon fiber has a Young's modulus of about 200 GPa, while glass fiber has a Young's modulus of 70-90 GPa) . In addition, the density of glass fiber is higher than the density of carbon fiber. The use of glass fiber thus has the advantage that the drums required to transport the coiled tubulars of the present invention can be much smaller than would be the case with similar tubulars known in the art, such as a pipeline or riser. from composite materials, which reduces the cost. The stresses experienced by the coiled tubular element are reduced, which reduces the risk of damage to the tubular element prior to use.

Использование стеклянных волокон вместо углеродных волокон приводит к получению меньшей жесткости изготовленного трубчатого элемента в продольном направлении, что создает преимущество вследствие снижения действующего на трубчатый элемент напряжения, и, следовательно, для такого трубчатого элемента необходимо меньшее содержание волокон. Снижение механического напряжения, которое может испытывать трубчатый элемент, зависящее от того, каким образом вводятся через толщину элемента третьи волокна, легко достигается и не оказывает негативного влияния на характеристики трубчатого элемента.The use of glass fibers instead of carbon fibers results in a lower rigidity of the fabricated tubular in the longitudinal direction, which has the advantage of reducing the stress on the tubular, and therefore a lower fiber content is required for such a tubular. The reduction in mechanical stress that the tubular element may experience, depending on how the third fibers are introduced through the thickness of the element, is easily achieved and does not adversely affect the performance of the tubular element.

В том случае, если трубчатый элемент можно использовать как часть сборной конструкции раизера, достигаемые меньшие величины продольного механического напряжения и более высокая гибкость трубчатого элемента подразумевают, что на сборные конструкции верхнего райзера и нижнего райзера действуют напряжения меньшей величины, что позволяет использовать более простые конструкции для передачи нагрузки от райзера в устье скважины или поверхностному сооружению. Плавучие средства, используемые для поддерживания райзера на поверхности воды, могут быть уменьшены в размере, что снижает их стоимость и, кроме того, уменьшает напряжения, действующие на райзер.Where the tubular can be used as part of a riser assembly, the lower longitudinal stresses achieved and the greater flexibility of the tubular means that lower riser and upper riser assemblies are subjected to lower stresses, allowing simpler structures to be used for transferring load from the riser to the wellhead or surface structure. The floats used to support the riser on the surface of the water can be reduced in size, which reduces their cost and further reduces the stresses on the riser.

По усмотрению, двумерная трубчатая структура, содержащая первые и вторые волокна, может быть образована путем ткачества или плетения, например путем двумерного или, по усмотрению, трехмерного плетения. Трехмерное плетение позволяет повысить механическое сопротивление по отношению к нагрузкам, действующим в направлении х (продольное направление).Optionally, the two-dimensional tubular structure containing the first and second fibers may be formed by weaving or weaving, for example by two-dimensional or optionally three-dimensional weaving. The three-dimensional weave makes it possible to increase the mechanical resistance against loads acting in the x-direction (longitudinal direction).

В качестве варианта структура образована из наложенных одни на другие первых и/или вторых волокон. По усмотрению, первые и/или вторые волокна выполнены прямыми (неизвитыми) волокнами, при необходимости, непрерывными волокнами. По усмотрению, трубчатый элемент может быть образован из неизвитых волокон, которые включают наложенные друг на друга прямые волокна, ориентированные в направлениях х и у. Использование неизвитых волокон позволяет в максимальной степени улучшить механические характеристики волокон в продольном направлении х и в окружном направлении у.Alternatively, the structure is formed from superimposed first and/or second fibers. Optionally, the first and/or second fibers are made of straight (non-crimped) fibers, if necessary, continuous fibers. Optionally, the tubular element may be formed from non-crimped fibers which include superimposed straight fibers oriented in the x and y directions. The use of non-crimped fibers makes it possible to maximize the mechanical properties of the fibers in the longitudinal x direction and in the circumferential y direction.

В качестве варианта, там, где двумерная трубчатая структура образована путем двумерного (2D) плетения, в различных направлениях могут проходить волокна различных размеров. Например, плетение, содержащее первые волокна, а именно плетение из волокон, ориентированных в направлении х, параллельно продольной оси трубчатого элемента, может быть толще плетений в других направлениях. По усмотрению, угол переплетения волокон может отличаться от типичного квазиизотропного трехмерного плетения, имеющего переплетение волокон под углом 0, +60 и -60°, чтобы полностью обеспечивать механическую прочность вдоль направлений х и z относительно продольной оси трубчатого элемента. Например, волокна переплетений в плоскости х-у трехмерной плетеной трубчатой структуры могут быть ориентированы под углами φμ φ2, например, в интервале от 30 до 80° или, по усмотрению, от 45 до 75° относительно продольных волокон. По усмотрению, содержание волокон в направлениях х, z, φι и φ2 может изменяться в соответствии с требованиями, установленными для трубчатой конструкции. Различные содержания волокон или схемы расположения волокон могут быть использованы вдоль различных направлений и вдоль продольной оси трубчатой структуры, что позволяет получить заданные механические характеристики, такие как жесткость или прочность композитных материалов в различных направлениях.Alternatively, where the two-dimensional tubular structure is formed by two-dimensional (2D) weaving, fibers of different sizes may run in different directions. For example, a weave containing the first fibers, namely a weave of fibers oriented in the x direction, parallel to the longitudinal axis of the tubular element, may be thicker than weaves in other directions. Optionally, the fiber weave angle may differ from a typical quasi-isotropic three-dimensional weave having 0, +60 and -60° fiber weaves to fully provide mechanical strength along the x and z directions with respect to the longitudinal axis of the tubular. For example, the fibers of the weaves in the x-y plane of the three-dimensional braided tubular structure can be oriented at angles φ μ φ 2 , for example, in the range of 30 to 80° or optionally 45 to 75° with respect to the longitudinal fibers. At the discretion, the fiber content in the x, z, φι and φ 2 directions can be changed in accordance with the requirements established for the tubular structure. Different fiber contents or fiber patterns can be used along different directions and along the longitudinal axis of the tubular structure to achieve desired mechanical characteristics such as stiffness or strength of composite materials in different directions.

Некоторые примеры интервалов содержаний волокон для трубчатой структуры, образованной посредством 2D-плетения, включают следующие: содержание волокон в направлении х находится в интервале 20-70 об.%; содержание волокон в направлении z - в интервале 1-20 об.%; содержание остальных волокон относится к волокнам, проходящим вдоль направлений φ1 и φ2. Например, для трубчатого элемента, который подвержен значительным напряжениям в продольном (х) направлении, указанные содержания могут составлять 60 об.% в направлении х, 10 об.% в направлении z, и 30 об.% для волокон в направлениях φ1 и φ2. Для трехмерного квазиизотропного плетения, позволяющего получить почти изотропные свойства в плоскости х-у и надлежащую прочность в направлении z, содержания волокон, ориентированных в направлении х, могут составлять 30 об.%; в направлении z - 10 об.% и в направлениях φ1 и φ2 - 60 об.%.Some examples of fiber content ranges for a tubular structure formed by 2D weaving include the following: fiber content in the x direction is in the range of 20-70% by volume; the content of fibers in the z direction is in the range of 1-20 vol.%; the content of the remaining fibers refers to the fibers passing along the directions φ1 and φ 2 . For example, for a tubular element that is subject to significant stresses in the longitudinal (x) direction, the specified contents can be 60 vol.% in the x direction, 10 vol.% in the z direction, and 30 vol.% for fibers in the φ1 and φ 2 directions . For a three-dimensional quasi-isotropic weave, which allows almost isotropic properties in the x-y plane and proper strength in the z direction, the contents of fibers oriented in the x direction can be 30 vol.%; in the direction z - 10 vol.% and in the directions φ1 and φ 2 - 60 vol.%.

По усмотрению, первые и вторые волокна могут быть объединены с образованием предварительноOptionally, the first and second fibers may be combined to form a pre-

- 3 043152 уплотненных лент, например из расположенных по одной прямой стеклянных волокон, залитых полиэфирэфиркетоном (PEEK). По усмотрению, ленты накладывают одна на другую. По усмотрению, ленты могут быть получены путем ткачества или плетения с образованием двумерной трубчатой структуры. По усмотрению, ширина лент может отличаться в различных направлениях, например ширина лент, содержащих первые волокна, может отличаться от ширины лент, содержащих вторые волокна. По усмотрению, количество лент, которые одновременно сплетены вдоль заданного направления, может быть переменным. По усмотрению, ленты, выполнены как можно более узкими для получения трубчатой конструкции, имеющей высокую плотность.- 3 043152 compacted tapes, for example of glass fibers arranged in a straight line, filled with polyether ether ketone (PEEK). At the discretion, the tapes are superimposed one on top of the other. Optionally, the ribbons may be woven or woven into a two-dimensional tubular structure. At the discretion, the width of the tapes may differ in different directions, for example, the width of the tapes containing the first fibers may be different from the width of the tapes containing the second fibers. Optionally, the number of tapes that are simultaneously woven along a given direction may be variable. Optionally, the belts are made as narrow as possible to obtain a tubular structure having a high density.

Как вариант, в том случае, если трубчатая структура образована путем трехмерного (3D) ткачества, относительные содержания волокон, ориентированных в направлениях х, у и z, соответственно, могут изменяться, например, для получения требуемых механических свойств трубчатого элемента во всех направлениях, например жесткости и прочности в направлениях х, у и z. Достижение заданных механических свойств наиболее эффективно обеспечивается с помощью методов ткачества без получения извитости.Alternatively, if the tubular structure is formed by three-dimensional (3D) weaving, the relative contents of the fibers oriented in the x, y and z directions, respectively, can be changed, for example, to obtain the desired mechanical properties of the tubular element in all directions, for example stiffness and strength in the x, y and z directions. Achieving the desired mechanical properties is most effectively ensured by weaving without crimping.

Некоторые примеры интервалов содержаний волокон для трубчатой структуры, образованной посредством 3D-ткачества, включают следующие: волокна в направлении х составляют 30-80 об.%, волокна в направлении у составляют 10-50 об.%, волокна в направлении z составляют 1-20 об.%. Например, для трубчатого элемента, который подвержен высоким напряжениям в продольном (х) направлении, указанные содержания волокон могут составлять 70 об.% в направлении х, 25 об.% в направлении у и 5 об.% в направлении z. Для трубчатого элемента, который подвержен напряжениям средней величины в продольном (х) направлении, указанные содержания волокон могут составлять 45 об.% в направлении х, 45 об.% в направлении у и 10 об.% в направлении z. Для трубчатого элемента, подверженного высокой опасности расслоения, указанные содержания могут составлять 40 об.% в направлении х, 40 об.% в направлении у и 20 об.% в направлении z.Some examples of fiber content ranges for a tubular structure formed by 3D weaving include the following: fibers in the x direction are 30-80 vol.%, fibers in the y direction are 10-50 vol.%, fibers in the z direction are 1-20 about.%. For example, for a tubular member that is subject to high stresses in the longitudinal (x) direction, the specified fiber contents may be 70 vol.% in the x direction, 25 vol.% in the y direction, and 5 vol.% in the z direction. For a tubular member which is subjected to medium stresses in the longitudinal (x) direction, said fiber contents may be 45% by volume in the x direction, 45% by volume in the y direction and 10% by volume in the z direction. For a tubular element subject to a high risk of delamination, the indicated contents may be 40 vol.% in the x direction, 40 vol.% in the y direction and 20 vol.% in the z direction.

По усмотрению, в любом из направлений х, у, z, φ1 и/или φ2 могут быть использованы волокна различных размеров.At the discretion, in any of the directions x, y, z, φ1 and/or φ 2 can be used fibers of various sizes.

В качестве варианта трубчатая структура и, следовательно, трубчатый элемент могут содержать более чем один слой волокон. По усмотрению, для создания композитного трубчатого элемента волокна могут быть переплетены посредством трехмерного плетения с образованием одновременно одного двумерного слоя. По усмотрению, сразу после формирования конечного двумерного слоя, в/через указанные слои вводятся третьи волокна. По усмотрению, все третьи волокна могут проходить по толщине стенки трубчатой конструкции. По усмотрению, третьи волокна содержат радиальный компонент. По усмотрению, третьи слои могут быть ориентированы под некоторым углом относительно продольной оси трубчатой конструкции, например, 50-130°. По усмотрению, третьи волокна могут быть ориентированы в направлении z, т.е. в направлении перпендикулярном продольной оси трубчатой конструкции.Alternatively, the tubular structure, and hence the tubular element, may comprise more than one fiber layer. Optionally, to create a composite tubular element, the fibers can be interlaced by three-dimensional weaving with the formation of one two-dimensional layer at a time. Optionally, immediately after the formation of the final two-dimensional layer, third fibers are introduced into/through said layers. Optionally, all third fibers may extend through the wall thickness of the tubular structure. Optionally, the third fibers contain a radial component. Optionally, the third layers can be oriented at some angle relative to the longitudinal axis of the tubular structure, for example, 50-130°. Optionally, the third fibers can be oriented in the z direction, i.e. in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the tubular structure.

Третьи волокна могут быть введены в двумерную трубчатую структуру путем прошивки, ввода армирующих волокон по оси z, тафтинга или с использованием другого подобного метода, обеспечивающего, таким образом, формирование трехмерной структуры. По усмотрению, третьи волокна выполнены прямолинейными. При необходимости, третьи волокна выполнены непрерывными. Определение непрерывные волокна является хорошо известной характеристикой в области композитных материалов. В качестве альтернативы третьи волокна могут быть дискретными (короткими) волокнами, и в этом случае длина третьих волокон должна быть больше критической длины волокна. Критическая длина волокна является хорошо известным параметром в области композитных материалов, армированных дискретными волокнами.The third fibers may be introduced into the two-dimensional tubular structure by stitching, z-direction reinforcing fibers, tufting, or other similar method, thereby forming a three-dimensional structure. Optionally, the third fibers are made straight. If necessary, the third fibers are made continuous. The definition of continuous fibers is a well-known characteristic in the field of composite materials. Alternatively, the third fibers may be discrete (short) fibers, in which case the length of the third fibers must be greater than the critical fiber length. The critical fiber length is a well-known parameter in the field of composite materials reinforced with discrete fibers.

По усмотрению, эта длина может быть по меньшей мере равна общей толщине стенки трубы. Использование волокон, которые имеют длину больше критической, обеспечивает сохранение механической прочности волокна. По усмотрению, при использовании методов прошивки, ввода армирующих волокон по оси z, тафтинга для достижения трехмерного армирования трубчатого элемента исходная двумерная трубчатая структура, по усмотрению, образована методом создания двумерной структуры, таким как ткачество или плетение волокон.Optionally, this length may be at least equal to the total wall thickness of the pipe. The use of fibers that have a length greater than the critical length ensures that the mechanical strength of the fiber is maintained. Optionally, when using stitching, z-fibre insertion, tufting techniques to achieve three-dimensional reinforcement of the tubular element, the original two-dimensional tubular structure is optionally formed by a two-dimensional structure creation method such as weaving or fiber braiding.

По усмотрению, в случае переплетения волокон может быть использована типовая оправка, и указанные операции прошивки, ввода армирующих волокон по оси z, тафтинга могут осуществляться непосредственно на трубчатой структуре. Переплетение волокон оставляет пустоты, через которые игла может иметь доступ к волокнам для прошивки, ввода в качестве армирующих волокон по оси z, тафтинга наложения и других подобных операций.Optionally, in the case of fiber interlacing, a typical mandrel can be used, and the indicated operations of stitching, insertion of reinforcing fibers along the z-axis, tufting can be carried out directly on the tubular structure. The interlacing of the fibers leaves voids through which the needle can access the fibers for stitching, insertion as reinforcing fibers in the z-axis, tufting overlay, and other such operations.

В случае использования предварительно укрепленных лент для образования трубчатой конструкции оправка, по усмотрению, снабжена на её внешней поверхности выступающими шипами, например полыми шипами, которые выполнены и размещены с возможностью пробивки отверстий в ленте, находящейся в плоскости х-у, и выполнения отверстий в трубчатой конструкции, через которые могут быть произведены прошивка, ввод армирующих волокон по оси z или тафтинг. Плотность лент приводит к тому, что ленты с трудом прокалываются иглой при проведении обычных операций прошивки, введение армирующих волокон по оси z, тафтинг и т.п., и, следовательно, наличие упомянутых шипов на оправкеIn the case of using pre-reinforced tapes to form a tubular structure, the mandrel is optionally provided on its outer surface with protruding spikes, for example, hollow spikes, which are made and placed with the possibility of punching holes in the tape located in the x-y plane and making holes in the tubular structures through which stitching, z-direction reinforcing fibers or tufting can be carried out. The density of the tapes leads to the fact that the tapes are difficult to pierce with a needle during normal stitching operations, the introduction of reinforcing fibers along the z-axis, tufting, etc., and, consequently, the presence of the mentioned spikes on the mandrel

- 4 043152 обеспечивает создание пустот, через которые можно осуществлять упомянутые операции прошивки/введения армирующих волокон по оси z/тафтинга.- 4 043152 provides the creation of voids through which it is possible to carry out the mentioned operations of stitching/insertion of reinforcing fibers along the z-axis/tufting.

В качестве варианта в состав трубчатой структуры включен первый термопластичный полимер, объединяющий волокна с образованием композита с полимерной матрицей. По усмотрению, волокна могут быть предварительно залиты (покрыты) термопластичным полимером. По усмотрению, волокна смешивают с термопластичным полимером. По усмотрению, волокна и термопластичный полимер находятся в виде предварительно уплотненных лент, имеющих большую плотность. По усмотрению, предварительно уплотненные ленты могут быть переплетены с образованием трубчатой конструкции. Плетение предварительно уплотненных лент повышает плотность волокон в композитном трубчатом элементе по сравнению с композитным трубчатым элементом, изготовленным из волокон, не входящих в состав лент.Optionally, the tubular structure includes a first thermoplastic polymer that combines the fibers to form a polymer matrix composite. Optionally, the fibers may be pre-embedded (coated) with a thermoplastic polymer. Optionally, the fibers are mixed with a thermoplastic polymer. Optionally, the fibers and thermoplastic polymer are in the form of pre-compacted tapes having a high density. Optionally, the pre-compacted tapes can be interlaced to form a tubular structure. The weaving of the pre-compacted tapes increases the density of the fibers in the composite tubular compared to a composite tubular made from fibers not included in the tapes.

Объединение термопластичного полимера с волокнами означает, что оба компонента, волокна и термопластичный полимер, сотканы или переплетены с образованием, например, трубчатой структуры. Использование упомянутого полимера позволяет уменьшить плотность волокон в трубчатой структуре. Однако благодаря предпочтительному снижению жесткости в продольном направлении трубчатого элемента продольные напряжения, действующие на трубчатый элемент, снижаются, и, следовательно, трубчатый элемент может выдерживать напряжения при более низкой плотности волокон.Combining the thermoplastic polymer with the fibers means that both the fibers and the thermoplastic polymer are woven or intertwined to form, for example, a tubular structure. The use of said polymer makes it possible to reduce the fiber density in the tubular structure. However, due to the preferential reduction in stiffness in the longitudinal direction of the tubular element, the longitudinal stresses acting on the tubular element are reduced, and hence the tubular element can withstand stresses at a lower fiber density.

В качестве варианта уплотнение трубчатой структуры термопластичным полимером достигается путем плавления термопластичного полимера при высокой температуре, по желанию, без воздействия давления на трубчатую структуру. Отсутствие воздействия давления на трубчатую структуру создает преимущество в том, что группа третьих волокон, ориентированных в направлении, перпендикулярном толщине стенки, например в направлении z, не деформируется, и, таким образом, эти волокна остаются прямолинейными и сохраняют свои армирующие качества. Для уменьшения или предотвращения изгиба или деформации волокон по толщине слоя в процессе создания трубчатой конструкции, содержащей термопластичный полимер, в трубчатой структуре оставляют поры. Полученная пористость получается выше в случае использования трехмерного ткачества или плетения волокон, после которого осуществляют операции прошивки, ввод армирующих волокон по оси z или тафтинг, и ниже - при использовании плетения лент.Alternatively, sealing the tubular structure with the thermoplastic polymer is achieved by melting the thermoplastic polymer at high temperature, if desired, without pressurizing the tubular structure. The absence of pressure on the tubular structure has the advantage that the group of third fibers oriented in the direction perpendicular to the wall thickness, for example in the z direction, does not deform, and thus these fibers remain straight and retain their reinforcing qualities. In order to reduce or prevent bending or deformation of the fibers through the thickness of the layer, pores are left in the tubular structure in the process of creating a tubular structure containing a thermoplastic polymer. The resulting porosity is higher when using three-dimensional weaving or fiber weaving, followed by stitching, z-direction reinforcing fibers or tufting, and lower when using tape weaving.

В результате плавления термопластичного полимера при высокой температуре предпочтительно получают трехмерную матрицу из полимера и волокон. В том случае, если сплетены плотные ленты, содержащие волокна и термопластичный полимер, плавление термопластичного полимера обеспечивает сцепление одного с другим различных слоев лент. В результате уменьшается пористость всей структуры, и полученная структура имеет высокую плотность. По усмотрению, в качестве термопластичного полимера может быть использован полиэфирэфиркетон (PEEK), полифенилсульфон (PPSU), полисульфон (PSU), полиэфиримид (PEI), полиимид (PI), полиамидимид (PAI) или подобный полимер. По усмотрению, выбранный полимер можно заменить в соответствии с целевым назначением трубчатого элемента.As a result of melting the thermoplastic polymer at a high temperature, a three-dimensional matrix of polymer and fibers is preferably obtained. In the event that dense tapes containing fibers and a thermoplastic polymer are woven, the melting of the thermoplastic polymer provides adhesion to one another of the various layers of tapes. As a result, the porosity of the entire structure is reduced, and the resulting structure has a high density. Optionally, polyetheretherketone (PEEK), polyphenylsulfone (PPSU), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI), polyimide (PI), polyamidimide (PAI) or the like can be used as the thermoplastic polymer. Optionally, the selected polymer can be replaced in accordance with the intended purpose of the tubular element.

В качестве варианта термопластичный полимер соответствует следующим параметрам:Alternatively, the thermoplastic polymer meets the following parameters:

температура перехода в стеклообразное состояние (Tg) находится в интервале 80-150°С; при этом температура Tg должна быть больше максимальной рабочей температуры, действию которой трубчатый элемент будет подвержен в процессе использования; например, полимер будет способен выдерживать температуру добываемого флюида, такого как нефть, и/или газа без ухудшения каких-либо механических свойств;the glass transition temperature (Tg) is in the range of 80-150°C; while the temperature T g must be greater than the maximum operating temperature to which the tubular element will be exposed during use; for example, the polymer will be able to withstand the temperature of the produced fluid such as oil and/or gas without degrading any mechanical properties;

стойкость к химическому воздействию текучей среды, транспортируемой в трубопроводе, такой как нефть и коррозионно-активные вещества, например сероводород (H2S); требования к стойкости заключаются в том, что материал, при необходимости, должен проявлять стойкость к воздействию текучей среды в течение подходящего минимального отрезка времени, находясь при этом в ненапряженном состоянии, и механические свойства материала, по усмотрению, составляют приблизительно 10-15% от исходных первоначальных свойств после прекращения воздействия на материал текучей среды;resistance to chemical attack by the fluid transported in the pipeline, such as oil and corrosive substances, such as hydrogen sulfide (H2S); resistance requirements are that the material, if necessary, must be resistant to fluid for a suitable minimum period of time, while being in an unstressed state, and the mechanical properties of the material, optionally, are approximately 10-15% of the original initial properties after the material is no longer exposed to the fluid;

низкая степень расширения (вспучивания), или его отсутствие, при контактировании с текучей средой, например с нефтью или другими веществами; композитный материал, как вариант, абсорбирует менее 1 об.% (исходя из объема цилиндрической стенки); и низкая проницаемость по отношению к выбранным газам, например метану CH4, сероводороду H2S, и т.п.; по усмотрению, материал может иметь коэффициент проницаемости менее 10-8 см2/с-атм.low degree of expansion (swelling), or lack thereof, when in contact with a fluid medium, such as oil or other substances; the composite material optionally absorbs less than 1% by volume (based on the volume of the cylindrical wall); and low permeability to selected gases, such as methane CH 4 , hydrogen sulfide H2S, etc.; optionally, the material may have a permeability coefficient of less than 10 -8 cm 2 /s-atm.

В качестве варианта вторым полимером может быть термоотверждающийся полимер, но может быть использован и термопластичный полимер. По усмотрению, второй полимер вводится в трубчатую структуру одновременно с плавлением первого термопластичного полимера в условиях высоких температур. Это позволяет обеспечить отверждение структуры трубчатого элемента до достижения максимальной плотности и заполнение пор, оставшихся в структуре из волокна и термопластичного полимера, на единственной стадии. В качестве альтернативы второй полимер вводят в трубчатую структуру после распределения термопластичного полимера, например, с помощью вакуумной инфузии.Alternatively, the second polymer may be a thermoset polymer, but a thermoplastic polymer may also be used. Optionally, the second polymer is introduced into the tubular structure simultaneously with the melting of the first thermoplastic polymer under high temperature conditions. This allows the structure of the tubular element to be cured to the maximum density and to fill the pores remaining in the structure of the fiber and the thermoplastic polymer in a single step. Alternatively, the second polymer is introduced into the tubular structure after dispensing the thermoplastic polymer, for example by vacuum infusion.

По усмотрению, второй полимер имеет меньшую величину модуля Юнга, чем композит, образующий матрицу из первого полимера. Использование второго полимера для заполнения пор или пустот, оставшихся при образовании композита, образующего матрицу из первого полимера, создает эффектOptionally, the second polymer has a lower Young's modulus than the matrix composite of the first polymer. The use of a second polymer to fill the pores or voids left by the formation of a composite forming a matrix from the first polymer creates the effect

- 5 043152 дополнительного уменьшения величины модуля Юнга трубчатого элемента по сравнению с использованием одного лишь упомянутого композита. Это дополнительное уменьшение создает положительный эффект уменьшения продольных напряжений, действующих вдоль трубчатого элемента.- 5 043152 additional reduction in the value of the Young's modulus of the tubular element in comparison with the use of only one of the said composite. This additional reduction has the positive effect of reducing the longitudinal stresses acting along the tubular element.

По усмотрению, второй полимер имеет низкую величину вязкости в жидком состоянии, например, <50 Пуаз, т.е. при температуре, при которой второй полимер вводится в структуру, содержащую волокна и термопластичный полимер. Низкая величина вязкости предпочтительно увеличивает степень заполнение пустот в трубчатой структуре вторым полимером.Optionally, the second polymer has a low liquid viscosity value, eg <50 Poise, i. e. at a temperature at which the second polymer is introduced into the structure containing the fibers and the thermoplastic polymer. The low viscosity value preferably increases the degree of filling of voids in the tubular structure with the second polymer.

По усмотрению, второй полимер имеет более высокую способность к деформации по сравнению с композитом, образующим полимерную матрицу. Это позволяет второму полимеру лучше внедриться в трубчатую структуру, содержащую волокна и термопластичный полимер, и, таким образом, уменьшить или исключить образование трещин и/или пористости, которые могут привести к снижению коррозионной стойкости трубчатого элемента.Optionally, the second polymer has a higher deformability than the composite forming the polymer matrix. This allows the second polymer to better infiltrate the tubular structure containing the fibers and the thermoplastic polymer, and thus reduce or eliminate the formation of cracks and/or porosity, which can reduce the corrosion resistance of the tubular member.

По усмотрению, второй полимер является эластомером, по желанию, термоотверждающимся эластомером. Преимущество термоотверждающегося эластомера заключается в том, что он имеет вязкость в расплавленном состоянии, достаточную для заполнения пустот в трубчатой структуре. Термоотверждающийся полимер, например термоотверждающийся эластомер, имеет дополнительное преимущество в том, что не требует какого-либо соответствия между температурами перехода в стеклообразное состояние и размягчения трубчатого элемента и рабочей температурой трубчатого элемента при его использовании, что было бы необходимо, в случае использования в качестве второго полимера термопластичного полимера.Optionally, the second polymer is an elastomer, optionally a thermoset elastomer. The advantage of a thermoset elastomer is that it has a viscosity in the molten state sufficient to fill the voids in the tubular structure. A thermoset polymer, such as a thermoset elastomer, has the additional advantage of not requiring any correspondence between the glass transition and softening temperatures of the tubular and the operating temperature of the tubular in use, which would be necessary if used as a second polymer thermoplastic polymer.

В качестве варианта второй полимер немного расширяется при контактировании с транспортируемой текучей средой, такой как нефть, и степень расширения может определяться количеством жидкого вещества, которое может быть адсорбировано полимером, предпочтительно расширение составляет менее 5% по объему. Это выгодно, если трубчатый элемент используется для проведения операций с нефтью и газом, например, в качестве райзера. Незначительное расширение второго полимера при контактировании с транспортируемой текучей средой, например с нефтью, в этой ситуации выгодно, поскольку способствует, например, герметизации внутренней полости райзера при контактировании его внутренней поверхности райзера с текучей средой в процессе функционирования. По усмотрению, второй полимер обладает низкой проницаемостью по отношению к транспортируемой текучей среде; этот полимер, по усмотрению, может иметь коэффициент проницаемости менее 10-8 см2/с-атм.Alternatively, the second polymer expands slightly upon contact with a transport fluid such as oil, and the degree of expansion may be determined by the amount of liquid material that can be adsorbed by the polymer, preferably less than 5% by volume expansion. This is advantageous if the tubular element is used for oil and gas operations, for example as a riser. Slight expansion of the second polymer upon contact with a transported fluid, such as oil, is advantageous in this situation, as it helps, for example, to seal the inside of the riser when its inside surface of the riser is in contact with the fluid during operation. Optionally, the second polymer has a low permeability to the transported fluid; this polymer, optionally, may have a permeability coefficient of less than 10 -8 cm 2 /s-atm.

По усмотрению, второй полимер имеет высокую химическую стойкость по отношению к текучей среде, транспортируемой через трубчатую конструкцию, например нефти и коррозионно-активным веществам, таким как сероводород (H2S), достигающую уровня, подобного первому термопластичному полимеру. Например, второй полимер может проявлять стойкость по отношению к текучей среде в течение надлежащего интервала времени при нахождении в ненапряженном состоянии. По усмотрению, механические свойства материала после прекращения воздействия на материал текучей среды изменяются приблизительно в пределах 10% от исходных величин этих свойств. По усмотрению, второй полимер имеет низкую величину модуля Юнга при температурах, которым этот полимер будет подвержен в процессе использовании.Optionally, the second polymer has a high chemical resistance to fluid conveyed through the tubular structure, such as oil and corrosives such as hydrogen sulfide (H 2 S), reaching levels similar to the first thermoplastic polymer. For example, the second polymer may exhibit fluid resistance for an appropriate amount of time when in a relaxed state. Optionally, the mechanical properties of the material after the cessation of exposure to the material fluid change approximately within 10% of the original values of these properties. Optionally, the second polymer has a low Young's modulus at temperatures to which the polymer will be exposed during use.

Различные аспекты настоящего изобретения могут быть осуществлены по отдельности или в комбинации с одним или большим числом других аспектов, которые будут приняты во внимание специалистами в данной области техники. Различные аспекты изобретения могут быть, по усмотрению, воплощены в комбинации с одной или большим числом выбранных по усмотрению характерных особенностей (признаков) других аспектов изобретения. Кроме того, выбранные по усмотрению характерные особенности, описанные в отношении одного аспекта, могут быть, как правило, взяты сами по себе или скомбинированы вместе с другими характерными особенностями других аспектов изобретения. Любой объект изобретения, раскрытый в настоящем описании, может быть скомбинирован с любым другим объектом изобретения в этом описании с образованием новой комбинации.Various aspects of the present invention may be practiced singly or in combination with one or more other aspects to be appreciated by those skilled in the art. Various aspects of the invention may optionally be embodied in combination with one or more optional features of other aspects of the invention. In addition, optionally selected features described with respect to one aspect may generally be taken on their own or combined with other features of other aspects of the invention. Any object of the invention disclosed in the present description may be combined with any other object of the invention in this description to form a new combination.

Различные аспекты изобретения далее будут описаны подробно со ссылками на сопровождающие чертежи. Кроме того, другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения с очевидностью следуют из полного описания, включая фигуры, которые иллюстрируют ряд примеров особенностей и воплощений изобретения. Изобретение также допускает другие и различные примеры и аспекты, и некоторые детали могут быть модифицированы в различных отношениях, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Соответственно, каждый приведенный здесь пример следует понимать как имеющий широкое применение и предназначенный для иллюстрации лишь одного возможного пути осуществления изобретения, при этом не предполагается ограничить этим примером объем настоящего описания и пункты формулы изобретения. Кроме того, используемая здесь терминология и фразеология используется исключительно для целей описания, и их не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения. Выражения, такие как включающий, содержащий, имеющий, имеющий в своем составе или охватывающий и их различные варианты, предназначены для широкого понимания и охватывают объект изобретения, описанный ниже, эквиваленты и дополнительный, не описанный здесь объект, и не предполагают исключение других примесей, компонентов, целых чисел или интервалов.Various aspects of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, other aspects, features and advantages of the present invention will be apparent from the full description, including the figures, which illustrate a number of examples of features and embodiments of the invention. The invention is also capable of other and various examples and aspects, and certain details may be modified in various respects without departing from the scope of the present invention. Accordingly, each example given herein is to be understood as having a broad application and intended to illustrate only one possible way of carrying out the invention, and it is not intended to limit the scope of the present description and claims to this example. In addition, the terminology and phraseology used herein is used solely for purposes of description and should not be construed as limiting the scope of the invention. Expressions such as including, containing, having, incorporating, or encompassing and various variations thereof are intended to be understood broadly and cover the subject matter described below, equivalents, and additional subject matter not described herein, and are not intended to exclude other impurities, components , integers or intervals.

- 6 043152- 6 043152

Подобным образом, термин содержащий считается равнозначным терминам включающий или имеющий в своем составе для подходящих целей правового характера. Таким образом, будет понятно, что во всем описании и пунктах формулы изобретения, за исключением тех случаев, когда по контексту требуется иное, слово содержать или его вариации, такие как содержит или содержащий, подразумевают включение указанного числа или групп чисел, но не исключение любого другого числа или группы чисел.Similarly, the term containing is considered to be equivalent to the terms including or having in its composition for appropriate purposes of a legal nature. Thus, it will be understood that throughout the specification and claims, except where the context otherwise requires, the word contain, or variations thereof, such as contains or containing, is intended to include the number or groups of numbers indicated, but not to exclude any another number or group of numbers.

Любое описание документов, фактов, материалов, устройств, изделий и т.п. включено в настоящее описание исключительно в целях раскрытия особенностей настоящего изобретения. Не предполагается или не представляется, что любая или все эти характерные особенности изобретения известны из уровня техники или являются общеизвестными знаниями в той области техники, к которой относится настоящее изобретение.Any description of documents, facts, materials, devices, products, etc. included in this description solely for the purpose of disclosing the features of the present invention. It is not assumed or represented that any or all of these features of the invention are known in the art or are common knowledge in the field of technology to which the present invention pertains.

В настоящем описании, какому бы составу, элементу или группе элементов не предшествовало слово содержащий, понятно, что имеется в виду также такой же состав, элемент или группа элементов с фразами состоящий преимущественно из, имеющий в своем составе, выбранный из группы, состоящей из, включающий или представляющий собой, предшествующими описанию раскрытию состава, элемента или группы элементов, и наоборот. В настоящем описании слова обычно или необязательно следует понимать как предназначенные для указания используемых по усмотрению или несущественных признаков изобретения, которые присутствуют в определенных примерах, но в других примерах могут быть исключены без выхода за пределы объема изобретения.In the present description, whichever compound, element or group of elements is preceded by the word comprising, it is clear that it also means the same compound, element or group of elements with the phrases consisting mainly of, having in its composition, selected from the group consisting of, including or representing, preceding the description of the disclosure of the composition, element or group of elements, and vice versa. As used herein, words are generally or not necessarily to be understood as intended to indicate optional or non-essential features of the invention that are present in certain examples, but may be omitted in other examples without departing from the scope of the invention.

Все численные величины в этом описании следует понимать как указанные с оговоркой приблизительно. Следует понимать, что все сингулярные формы элементов или любых других описанных здесь компонентов включают множественные их формы, и наоборот. Указания на характеристики взаимного расположения, такие как выше и ниже, и направления, например вверх, вниз и т.п., следует понимать в контексте примеров, описанных с указанием особенностей расположения элементов, показанных на чертежах, и не следует понимать как ограничивающие изобретение буквальным толкованием термина, вместе с тем они должны быть понятны специалисту.All numerical values in this description should be understood as approximate. It should be understood that all singular forms of elements or any other components described herein include plural forms thereof, and vice versa. References to relationship characteristics, such as above and below, and directions, such as up, down, etc., should be understood in the context of the examples described with the arrangements of the elements shown in the drawings, and should not be understood as limiting the invention to the literal interpretation of the term, however, they should be clear to the specialist.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - схематическое изображение в разрезе трубчатой конструкции в соответствии с настоящим изобретением.Fig. 1 is a schematic sectional view of a tubular structure in accordance with the present invention.

Фиг. 2 - трубчатая конструкция, представленная с примером направлений различных волокон, вид в перспективе.Fig. 2 is a tubular structure shown with an example of different fiber directions, perspective view.

Фиг. 3A-C - схематическая иллюстрация различных конфигураций волокон и их соответствующей ориентации в пределах трубчатой структуры.Fig. 3A-C are schematic illustrations of various fiber configurations and their respective orientations within a tubular structure.

Фиг. 4 - пример оправки с внешними шипами для использования при осуществлении перфорации плетеных лент с целью облегчения ввода и размещения волокон в направлении z в трубчатой структуре.Fig. 4 is an example of an externally studded mandrel for use in perforating braided tapes to facilitate insertion and placement of fibers in the z direction in a tubular structure.

Фиг. 5 - стадии изготовления трубчатого элемента в соответствии с настоящим изобретением.Fig. 5 shows steps in the manufacture of a tubular element in accordance with the present invention.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На фиг. 1 и 2 представлены примеры выполнения трубчатой конструкции 1, которая в данном случае в качестве варианта представлена в виде райзера, например эксплуатационного райзера, нитки трубопровода для инжекции химических веществ, трубопровода для транспортирования нефти, воды и газа, образованного из различных слоев или нитей 50, 55 из волокон, проходящих в направлениях х (продольном) 10 и у (в окружном) 12. Продольные волокна 10 и волокна 12, проходящие в окружном направлении, сплетают друг с другом при объемном размещении волокон и образованием одновременно двумерной (2D) структуры.In FIG. 1 and 2 show examples of a tubular structure 1, which in this case is alternatively represented as a riser, for example a production riser, a chemical injection line, a pipeline for transporting oil, water and gas, formed from various layers or threads 50, 55 of fibers extending in the x (longitudinal) directions 10 and y (circumferentially) 12. The longitudinal fibers 10 and the fibers 12 extending in the circumferential direction are intertwined with each other in the volumetric placement of the fibers and the formation of a two-dimensional (2D) structure at the same time.

На фиг. 3C показаны направления волокон на основе цилиндрической системы координат, в которой продольные волокна направлены вдоль оси z, а окружные волокна проходят вдоль оси θ.In FIG. 3C shows fiber directions based on a cylindrical coordinate system in which the longitudinal fibers are directed along the z-axis and the circumferential fibers are along the θ-axis.

При достижении требуемого числа нитей 50, 55 в трубчатую структуру 1 вводятся непрерывные волокна, проходящие по толщине, например, в направлении z 14 (на фиг. 3C это направление показано осью, имеющей обозначение r) с использованием процессов прошивки, тафтинга или введения армирующих волокон по оси z. Проходящие через всю толщину волокна 14 создают эффект усиления различных нитей, образованных из продольных 10 и окружных 12 волокон, уменьшая относительное перемещение слоев и препятствуя расслоению. Введение добавленных волокон 14, проходящих через толщину, при водит к созданию композитной заготовки в 3D.When the required number of threads 50, 55 is reached, continuous fibers are introduced into the tubular structure 1, passing through the thickness, for example, in the z direction 14 (in Fig. 3C this direction is shown by the axis labeled r) using the processes of stitching, tufting or introducing reinforcing fibers along the z-axis. Through-the-thickness fibers 14 create the effect of reinforcing the various threads formed from the longitudinal 10 and circumferential 12 fibers, reducing the relative movement of the layers and preventing delamination. The introduction of added fibers 14 passing through the thickness leads to the creation of a composite preform in 3D.

Добавление волокон 14, проходящих через толщину, может ухудшить механические характеристики продольных 10 и окружных 12 волокон. Для ослабления этого эффекта могут быть использованы неизвитые волокна. Использование непрерывных прямых волокон в направлениях х 10 и у 12 улучшает механические свойства волокон по сравнению с плетеными извитыми волокнами.The addition of through-thickness fibers 14 can degrade the mechanical performance of the longitudinal 10 and circumferential 12 fibers. To reduce this effect, non crimped fibers can be used. The use of continuous straight fibers in the x10 and y12 directions improves the mechanical properties of the fibers compared to braided crimped fibers.

Волокна 10, 12, 14 представляют собой стеклянные волокна 36 типа S2, смешанные с волокнами 37 из материала PEEK (см. фиг. 5), которые обладают механической прочностью, сравнимой с углеродными волокнами, но имеют меньшую величину модуля Юнга, составляющую приблизительно 70-90 ГПа (по сравнению с величиной модуля Юнга, составляющей приблизительно 200 ГПа, для углеродных волокон), что обеспечивает большую гибкость полученной в результате трубчатой конструкции 1 и готовомуFibers 10, 12, 14 are S2 type glass fibers 36 blended with PEEK fibers 37 (see FIG. 5) which have comparable mechanical strength to carbon fibers but have a lower Young's modulus of approximately 70- 90 GPa (compared to the value of Young's modulus of approximately 200 GPa for carbon fibers), which allows greater flexibility in the resulting tubular structure 1 and finished

- 7 043152 конечному продукту - композитной трубе 90. Плотность стеклянных волокон меньше, чем углеродных волокон, но не более чем на 20%. Результирующее воздействие на характеристики композитной трубы- 7 043152 to the final product - composite pipe 90. The density of glass fibers is less than that of carbon fibers, but not more than 20%. The resulting effect on the characteristics of the composite pipe

90, таким образом, является минимальным.90 is thus the minimum.

Поскольку композитная труба является более гибкой и в рассматриваемом примере труба 90 представляет собой райзер, это означает, что барабаны, необходимые для транспортирования смотанного райзера имеют намного меньшие размеры, и механические напряжения, которые действуют на трубу 90 вследствие её наматывания на барабан, имеют значительно меньшую величину, что уменьшает опасность повреждения трубы 90 и позволяет снизить затраты.Since the composite pipe is more flexible and in this example pipe 90 is a riser, this means that the drums required to transport the coiled riser are much smaller and the mechanical stresses that the pipe 90 is subjected to due to its winding around the drum are much less value, which reduces the risk of damage to the pipe 90 and reduces costs.

Кроме того, механические напряжения, действующие на трубу 90 в продольном направлении, связаны с жесткостью волокон и, следовательно, жесткостью трубы 90. Если труба 90 является менее жесткой по сравнению, например, с трубой, содержащей углеродные волокна, это означает, что на трубу 90 в продольном направлении действует напряжение меньшей величины, и, следовательно, ухудшение механических свойств в продольных 10 и окружных 12 волокнах, т.е. в плоскости х-у трубы, может быть допущено в большей степени. В случае райзера последствие действия продольного напряжения меньшей величины и большая податливость к изгибу райзера заключается в том, что напряжения, действующие на сборную конструкцию верхнего райзера и на сборную конструкцию нижнего райзера, имеют меньшую величину, что обусловливает необходимость использования более простой системы для передачи нагрузки от райзера на устье скважины или на расположенную на поверхности конструкцию. Помимо этого, наполненная воздухом ёмкость или конструкция, обеспечивающая райзеру плавучесть, могут иметь меньшие размеры, что дополнительно снижает величину напряжений, действующих на райзер, и снижает затраты.In addition, the mechanical stresses acting on the pipe 90 in the longitudinal direction are related to the stiffness of the fibers and hence the stiffness of the pipe 90. If the pipe 90 is less stiff than, for example, a pipe containing carbon fibers, this means that the pipe 90 in the longitudinal direction, a smaller stress acts, and, consequently, the deterioration of mechanical properties in the longitudinal 10 and circumferential 12 fibers, i.e. in the x-y plane of the pipe, can be tolerated to a greater extent. In the case of a riser, the consequence of lower longitudinal stresses and greater riser flexural compliance is that the stresses acting on the upper riser assembly and the lower riser assembly are smaller, necessitating a simpler system to transfer the load from riser at the wellhead or surface structure. In addition, the air-filled vessel or structure that buoys the riser can be smaller, further reducing the amount of stress on the riser and reducing costs.

Фиг. 3B схематически иллюстрирует пример направлений волокон в трубчатой конструкции 1, которая образована 2D-переплетением продольных 10 и окружных 12 волокон. Требования высокой механической прочности в продольном направлении (показанном осью, обозначенной на фиг. 3B буквой х) могут быть удовлетворены благодаря пространственному плетению и изменению размера волокон в различных направлениях плетения. Продольные волокна 10 имеют большую толщину, чем окружные волокна 12, которые в данном примере ориентированы фактически под углом ±φ относительно продольных волокон 10. Например, для квазиизотропного пространственного плетения угол φ=60°, и, следовательно, пространственное плетение может быть образовано из волокон, ориентированных под углом 0, -60 и +60°. Углы ±φ могут быть изменены в соответствии с функцией трубы 90 для обеспечения максимума механических свойств волокон. В том случае, если трубчатая конструкции получена с помощью трехмерного плетения, но квазиизотропное формирование плетения не является подходящим, плетеные нити в плоскости х-у, например, могут быть ориентированы под углом φ=45-75° относительно продольных волокон.Fig. 3B schematically illustrates an example of fiber directions in a tubular structure 1 which is formed by a 2D weave of longitudinal 10 and circumferential 12 fibers. The requirement for high mechanical strength in the longitudinal direction (shown by the x-axis in FIG. 3B) can be met by spatial weaving and fiber size variation in different weaving directions. The longitudinal fibers 10 are thicker than the circumferential fibers 12, which in this example are oriented at an effective ±φ angle with respect to the longitudinal fibers 10. , oriented at an angle of 0, -60 and +60°. The ±φ angles can be modified according to the function of the tube 90 to maximize the mechanical properties of the fibers. In the event that the tubular structure is obtained by three-dimensional weaving, but a quasi-isotropic formation of the weave is not suitable, the braided threads in the x-y plane, for example, can be oriented at an angle φ=45-75° relative to the longitudinal fibers.

Содержание волокон 10, 12, 14 в различных направлениях трубчатых стенок (х, у и z в случае плетения, как показано на фиг. 3A; х, z и ±φ, где трубчатая конструкция 1 образована с использованием трехмерного плетения, как показано на фиг. 3b) может изменяться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конструкции трубы, и функциональным назначением трубы 90. Таким образом, по различным направлениям композитной заготовки будет реализовано различное содержание волокон 10, 12 и 14, что обеспечивает получение заданных механических свойств (жесткости и прочности) трубы 90 в каждом направлении. Углы могут быть изменены в соответствии со способом производства каждой нити в трубчатой конструкции 1.The content of fibers 10, 12, 14 in different directions of the tubular walls (x, y and z in the case of weaving as shown in Fig. 3A; x, z and ±φ where the tubular structure 1 is formed using three-dimensional weaving as shown in Fig. 3b) can be varied in accordance with the requirements for the design of the pipe and the functional purpose of the pipe 90. Thus, different contents of fibers 10, 12 and 14 will be realized in different directions of the composite workpiece, which ensures that the desired mechanical properties (stiffness and strength) are obtained. ) pipes 90 in each direction. The angles can be changed according to the production method of each thread in the tubular structure 1.

Некоторые примеры интервалов содержания волокон для трубчатой конструкции 1, образованной путем 2D-плетения, как показано на фиг. 3B, включают следующие: содержание волокон в направлении х составляет 20-70 об.%; содержание волокон в направлении z - 1-20 об.%; остальные волокна ориентированы вдоль направлений под углом ±φ. Например, для трубчатого элемента, который подвержен значительным напряжениям в продольном (х) направлении, содержания в направлении х могут составлять 60 об.%, в направлении z - 10 об.% и в направлениях ±φ - 30 об.%. Для трехмерного квазиизотропного плетения, позволяющего получить почти изотропные свойства в плоскости х-у и хорошую прочность в направлении z, содержания волокон могут составлять 30 об.% в направлении х, 10 об.% в направлении z и 60 об.% в направлениях ±φ.Some examples of fiber content ranges for a tubular structure 1 formed by 2D weaving, as shown in FIG. 3B include the following: fiber content in the x direction is 20-70% by volume; fiber content in the z direction - 1-20 vol.%; the remaining fibers are oriented along directions at an angle of ±φ. For example, for a tubular element that is subject to significant stresses in the longitudinal (x) direction, the contents in the x direction may be 60 vol.%, in the z direction - 10 vol.% and in the directions ±φ - 30 vol.%. For a three-dimensional quasi-isotropic weave, which allows almost isotropic properties in the x-y plane and good strength in the z-direction, fiber contents can be 30 vol.% in the x-direction, 10 vol.% in the z-direction, and 60 vol.% in the ±φ directions .

Некоторые примеры интервалов содержания волокон для трубчатой конструкции 1, образованной путем 3D-плетения, так как показано на фиг. 3A, включают следующие: содержание волокон 10 в направлении х составляет 30-80 об.%, в направлении у - 10-50 об.% и в направлении z - 1-20 об.%. Например, для трубчатого элемента 90, который подвержен значительным механическим напряжениям в продольном (х) направлении, содержания волокон могут составлять 70 об.% в направлении х 10, 25 об.% в направлении у 12 и 5 об.% в направлении z 14. Для трубчатого элемента 90, подверженного действию продольных напряжений средней величины и высокому давлению, содержания волокон могут составлять 45 об.% в направлении х 10, 45 об.% - в направлении у 12 и 10 об.% - в направлении z 14. Для трубы 90, которая подвержена очень высокой опасности расслоения, указанные содержания волокон могут составлять 40 об.% в направлении х 10, 40 об.% в направлении у 12 и 20 об.% волокон в направлении z 14.Some examples of fiber content ranges for the tubular structure 1 formed by 3D weaving, as shown in FIG. 3A include the following: the content of fibers 10 in the x direction is 30-80 vol.%, in the y direction 10-50 vol.% and in the z direction 1-20 vol.%. For example, for a tubular member 90 that is subject to significant mechanical stresses in the longitudinal (x) direction, the fiber contents may be 70% by volume in the x direction 10, 25% by volume in the y direction 12, and 5% by volume in the z direction 14. For a tubular member 90 subjected to medium longitudinal stresses and high pressure, the fiber content may be 45 vol.% in the x direction 10, 45 vol.% in the y direction 12 and 10 vol.% in the z direction 14. For pipe 90, which is subject to a very high risk of delamination, the indicated fiber contents can be 40% by volume in the x10 direction, 40% by volume in the y direction 12 and 20% by volume of fibers in the z direction 14.

- 8 043152- 8 043152

В том случае, если трубчатая структура 1 образована путем плетения волокон, эта структура 1 может быть создана с использованием обычной оправки 46 с кольцом 42 для плетения и катушкой 44, как показано на фиг. 5. Сплетенные волокна образуют пустоты, через которые могут быть пропущены волокна в направлении z 14 при осуществлении операций прошивки, тафтинга или введения армирующих волокон по оси z. Первый слой смешанных волокон 35 образован на оправке 46 посредством плетения. Плетение других слоев 55 затем производится поверх первого слоя 50, при этом последующие слои формируют по усмотрению.In the event that the tubular structure 1 is formed by weaving fibers, this structure 1 can be formed using a conventional mandrel 46 with a braiding ring 42 and a bobbin 44 as shown in FIG. 5. The woven fibers form voids through which fibers can be passed in the z-direction 14 in z-direction stitching, tufting, or insertion of reinforcing fibers. The first layer of mixed fibers 35 is formed on the mandrel 46 by weaving. The other layers 55 are then woven over the first layer 50, with subsequent layers being formed at will.

В качестве альтернативы трубчатая структура 1 может быть создана путем использования предварительно уплотненных лент, используемых вместо волокон (не показано). Ленты образованы из расположенных вдоль одной линии стеклянных волокон типа S2, пропитанных полиэфирэфиркетоном (PEEK), которые сотканы или сплетены с образованием композитной двумерной (2D) заготовки. Ширина лент может изменяться в различных направлениях аналогичным образом с изменением толщины волокон или для достижения максимума механических характеристик полученной в результате трубы 90. В отличие от плетения волокон использование лент приводит к получению плотной структуры, при этом более узкая лента создает более плотную структуру по сравнению с более широкой лентой. Для создания физического пространства, обеспечивающего пропускание волокон 14 в направлении z через нити созданной структуры, может быть использована оправка 20, показанная на фиг. 4. Внешняя поверхность оправки 40 выполнена с множеством прикрепленных к ней и обращенных наружу полых шипов 21. Эти шипы 21 прокалывают слои ленты и создают отверстия для пропускания через них волокон 14 в направлении z.Alternatively, the tubular structure 1 can be created by using pre-compacted tapes instead of fibers (not shown). The ribbons are formed from PEEK impregnated S2 type glass fibers in a single line that are woven or woven to form a composite two-dimensional (2D) preform. The width of the tapes can be changed in different directions in a similar manner to the thickness of the fibers or to maximize the mechanical characteristics of the resulting pipe 90. In contrast to the weaving of fibers, the use of tapes results in a dense structure, with a narrower tape creating a denser structure than wider tape. A mandrel 20 shown in FIG. 4. The outer surface of the mandrel 40 is provided with a plurality of hollow studs 21 attached to it and facing outward. These studs 21 pierce the layers of tape and create holes for the fibers 14 to pass through them in the z direction.

После формирования слоев 50, 55 через эти слои в направлении z вводятся волокна 14 с помощью операций 62 прошивки, тафтинга или введения армирующих волокон по оси z.After the layers 50, 55 are formed, the fibers 14 are inserted through these layers in the z-direction by means of operations 62 of stitching, tufting or inserting reinforcing fibers along the z-axis.

По завершении ввода волокон 14 в направлении z слои полученной структуры необходимо подвергнуть уплотнению путем отверждения полимера PEEK, смешанного с волокнами, с образованием уплотненной (упрочненной) трубчатой конструкции 80. Уплотнение достигается путем ввода трубчатой структуры 1 в пресс-форму 74 устройства 70 для полимеризации, показанного на фиг. 5. Нагревательный элемент 72 создает высокую температуру нагрева трубчатой структуры 1, в тоже время диафрагма 78 обеспечивает создание давления, действующего на внутреннюю окружную поверхность трубчатой конструкции 1, в результате чего получают уплотненную структуру 80.Upon completion of the insertion of the fibers 14 in the z direction, the layers of the resulting structure must be densified by curing the PEEK polymer mixed with the fibers to form a densified (reinforced) tubular structure 80. The densification is achieved by introducing the tubular structure 1 into the mold 74 of the polymerization device 70, shown in FIG. 5. The heating element 72 generates a high heating temperature of the tubular structure 1, while the diaphragm 78 causes pressure to be exerted on the inner circumferential surface of the tubular structure 1, resulting in a sealed structure 80.

Использование полимера PEEK обусловлено тем, что он соответствует следующим требованиям для полимера, используемого в процессе уплотнения:The use of PEEK polymer is due to the fact that it meets the following requirements for the polymer used in the sealing process:

температура (Tg) перехода в стеклообразное состояние находится в интервале 80-150°С; способность выдерживать температуру добываемого флюида, такого как нефть и/или газ, без ухудшения какого-либо из механических свойств;temperature (Tg) transition to a glassy state is in the range of 80-150°C; the ability to withstand the temperature of the produced fluid, such as oil and/or gas, without degrading any of the mechanical properties;

высокая химическая стойкость к воздействию текучей среды, транспортируемой в трубе, такой как нефть и коррозионно-активные вещества, например сероводород (H2S), - способность оказывать сопротивление воздействию текучей среды в течение подходящего минимального промежутка времени при нахождении в ненапряженном состоянии, при этом после прекращения воздействия текучей среды на материал физико-механические (прочностные) свойства композитного материала изменяются в пределах приблизительно 10-15% относительно первоначальных характеристик;high chemical resistance to the action of the fluid transported in the pipe, such as oil and corrosive substances, such as hydrogen sulfide (H 2 S), - the ability to resist the action of the fluid for a suitable minimum period of time when in an unstressed state, while after the termination of the impact of the fluid on the material, the physical and mechanical (strength) properties of the composite material change within approximately 10-15% relative to the original characteristics;

незначительное вспучивание или его отсутствие вследствие контакта с текучей средой, например нефтью или другими веществами, - композитный материал абсорбирует менее 1% объема, исходя из объема трубчатой стенки; и низкая проницаемость выбранных газов, например метана CH4 сероводорода H2S и т.п., которой соответствует коэффициент проницаемости менее 10-8 см2/с атм.little or no swelling due to contact with a fluid medium, such as oil or other substances - the composite material absorbs less than 1% of the volume, based on the volume of the tubular wall; and low permeability of selected gases, such as methane CH4, hydrogen sulfide H2S, etc., which corresponds to a permeability coefficient of less than 10 -8 cm 2 /s atm.

Процесс уплотнения может оставить некоторую степень пористости в уплотненной структуре 80 для уменьшения или предотвращения изгиба волокон 14 в направлении z в процессе уплотнения. Для исключения пористости в уплотненную структуру 80 может быть введен второй полимер. Второй полимер в качестве варианта удовлетворяет следующим требованиям:The densification process may leave some degree of porosity in the densified structure 80 to reduce or prevent the fibers 14 from bending in the z direction during the densification process. A second polymer may be added to the densified structure 80 to eliminate porosity. The second polymer alternatively satisfies the following requirements:

низкая величина вязкости (<50 Пуаз) при температуре инфузии;low viscosity (<50 Poise) at infusion temperature;

высокая химическая стойкость, сравнимая с химической стойкостью уплотненной структуры 80;high chemical resistance, comparable to the chemical resistance of the compacted structure 80;

величина модуля Юнга второго полимера меньше величины модуля Юнга для уплотненной структуры 80 в рабочем интервале температур;the value of the Young's modulus of the second polymer is less than the value of the Young's modulus for the densified structure 80 in the operating temperature range;

более высокая способность к деформации по сравнению со способностью к деформации уплотненной структуры 80 в рабочем интервале температур;higher deformability compared to the deformability of the densified structure 80 in the operating temperature range;

незначительное вспучивание (определяемое количеством жидкого вещества, абсорбируемого композитом, которое должно составлять менее 5 об.%) вследствие контакта с транспортируемой текучей средой, таким как нефть или другие вещества; и низкая проницаемость в отношении текучей среды, характеризуемая величиной коэффициента проницаемости менее 10-8 см2/с атм.slight swelling (determined by the amount of liquid substance absorbed by the composite, which should be less than 5 vol.%) due to contact with the transported fluid, such as oil or other substances; and low fluid permeability, characterized by a permeability coefficient of less than 10 -8 cm 2 /s atm.

Второй полимер подают в заготовку с использованием метода вакуумной инфузии. Уплотненную структуру 80 размещают в преформу и создают разрежение путем отсасывания воздуха из преформы с помощью спиральной трубки 92 и вакуумной трубки 94. Создания разрежения внутри преформы приво- 9 043152 дит к всасыванию в преформу второго полимера через вход 96 и спиральную трубку 93 и внедрению второго полимера в уплотненную структуру 80 за счет разрежения. Пропитка вторым полимером приводит к закупориванию пор, оставшихся в уплотненной конструкции 80, и созданию конечного продукта трубы 90, готовой для использования.The second polymer is fed into the preform using a vacuum infusion technique. The densified structure 80 is placed in the preform and a vacuum is created by sucking air out of the preform using a spiral tube 92 and a vacuum tube 94. The creation of a vacuum inside the preform leads to the suction of the second polymer into the preform through the inlet 96 and the spiral tube 93 and the introduction of the second polymer into the compacted structure 80 by vacuum. The impregnation with the second polymer results in plugging the pores remaining in the sealed structure 80 and creating the end product of the pipe 90 ready for use.

В раскрытых здесь воплощениях могут быть произведены модификации и усовершенствования без выхода за пределы объема изобретения.In the embodiments disclosed herein, modifications and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

Claims (25)

1. Композитный трубчатый элемент для использования в подводных условиях, содержащий:1. Composite tubular element for use in underwater conditions, containing: по меньшей мере первый слой, содержащий первые волокна, ориентированные в направлении х относительно продольной оси трубчатого элемента, и вторые волокна, ориентированные в направлении у относительно продольной оси трубчатого элемента, образующие вместе двумерную трубчатую структуру;at least a first layer comprising first fibers oriented in the x direction relative to the longitudinal axis of the tubular element and second fibers oriented in the y direction relative to the longitudinal axis of the tubular element, forming together a two-dimensional tubular structure; третьи волокна, проходящие по меньшей мере частично через толщину стенки трубчатого элемента, с образованием в результате трехмерной трубчатой структуры;third fibers extending at least partially through the wall thickness of the tubular element, resulting in a three-dimensional tubular structure; композит, образованный пропиткой волокон первым термопластичным полимером с образованием полимерной матрицы и уплотнения за счет этого трубчатой структуры;a composite formed by impregnating the fibers with a first thermoplastic polymer to form a polymer matrix and thereby sealing the tubular structure; второй полимер, распределенный с возможностью заполнения остаточных пор трубчатого элемента и образования в результате трубчатого элемента.the second polymer, distributed with the possibility of filling the residual pores of the tubular element and the formation of a tubular element. 2. Трубчатый элемент по п.1, в котором первые, вторые и третьи волокна образуют первую, вторую и третью группы волокон соответственно, при этом первая, вторая и/или третья группы волокон образованы непрерывными волокнами.2. The tubular element according to claim 1, in which the first, second and third fibers form the first, second and third groups of fibers, respectively, while the first, second and/or third groups of fibers are formed by continuous fibers. 3. Трубчатый элемент по п.2, в котором по меньшей мере одна из первой, второй и/или третьей групп волокон образована неизвитыми волокнами.3. The tubular element according to claim 2, in which at least one of the first, second and/or third groups of fibers is formed by non-crimped fibers. 4. Трубчатый элемент по любому из пп.1-3, в котором указанные волокна представляют собой стеклянные волокна.4. Tubular element according to any one of claims 1 to 3, wherein said fibers are glass fibers. 5. Трубчатый элемент по любому из пп.1-4, в котором двумерная трубчатая структура образована при трехмерном плетении.5. A tubular element according to any one of claims 1 to 4, wherein the two-dimensional tubular structure is formed by three-dimensional weaving. 6. Трубчатый элемент по п.5, в котором трехмерная трубчатая структура образована посредством прошивки, тафтинга или введения армирующих третьих волокон по оси z.6. The tubular element according to claim 5, wherein the three-dimensional tubular structure is formed by stitching, tufting, or introducing reinforcing third fibers along the z-axis. 7. Трубчатый элемент по п.6, в котором первые волокна имеют первую толщину, а вторые волокна имеют вторую толщину, при этом толщины первых и вторых волокон имеют отличающиеся значения.7. The tubular element according to claim 6, wherein the first fibers have a first thickness and the second fibers have a second thickness, wherein the thicknesses of the first and second fibers have different values. 8. Трубчатый элемент по любому из пп.5-7, в котором вторые волокна ориентированы под углами ±φ относительно первых волокон, при этом угол φ находится в интервале 30-80°.8. Tubular element according to any one of claims 5 to 7, wherein the second fibers are oriented at angles of ±φ with respect to the first fibers, wherein the angle φ is in the range of 30-80°. 9. Трубчатый элемент по любому из пп.1-8, в котором композитный трубчатый элемент содержит более чем один коаксиальный слой из первых и вторых волокон.9. A tubular element according to any one of claims 1 to 8, wherein the composite tubular element comprises more than one coaxial layer of first and second fibers. 10. Трубчатый элемент по любому из пп.1-9, в котором третьи волокна выполнены непрерывными.10. Tubular element according to any one of claims 1 to 9, wherein the third fibers are continuous. 11. Трубчатый элемент по любому из пп.1-10, в котором третьи волокна являются прерывистыми, а длина третьих волокон больше критической длины волокон.11. Tubular element according to any one of claims 1 to 10, wherein the third fibers are discontinuous and the length of the third fibers is greater than the critical length of the fibers. 12. Трубчатый элемент по любому из пп.1-4, в котором трехмерная трубчатая структура образована с помощью трехмерного ткачества или плетения.12. A tubular element according to any one of claims 1 to 4, wherein the three-dimensional tubular structure is formed by three-dimensional weaving or weaving. 13. Трубчатый элемент по любому из пп.1-12, в котором первые, вторые и третьи волокна образуют часть всех волокон, составляющих композитный трубчатый элемент, при этом содержание первых волокон находится в интервале 30-80 об.%, содержание вторых волокон - в интервале 10-50 об.% и содержание третьих волокон - в интервале 1-20 об.%, при этом содержание первых, вторых и третьих волокон выбраны таким образом, что необходимые механические характеристики композитного трубчатого элемента в каждом направлении соответствуют механическим напряжениям, действию которых будет подвержен трубчатый элемент в процессе использования.13. Tubular element according to any one of claims 1-12, in which the first, second and third fibers form part of all the fibers that make up the composite tubular element, while the content of the first fibers is in the range of 30-80 vol.%, the content of the second fibers is in the range of 10-50 vol.% and the content of third fibers - in the range of 1-20 vol.%, while the content of the first, second and third fibers are selected in such a way that the necessary mechanical characteristics of the composite tubular element in each direction correspond to mechanical stresses, action which the tubular element will be exposed during use. 14. Трубчатый элемент по любому из пп.1-13, в котором первые и вторые волокна сгруппированы в виде предварительно уплотненных лент.14. Tubular element according to any one of claims 1 to 13, wherein the first and second fibers are grouped in the form of pre-compacted ribbons. 15. Трубчатый элемент по любому из пп.1-14, в котором первый термопластичный полимер включен в трубчатую структуру вместе с волокнами с образованием полимерной матрицы.15. A tubular element according to any one of claims 1 to 14, wherein the first thermoplastic polymer is incorporated into the tubular structure along with fibers to form a polymer matrix. 16. Трубчатый элемент по любому из пп.1-15, в котором первый термопластичный полимер подвергают плавлению для получения уплотненной трубчатой структуры.16. A tubular element according to any one of claims 1 to 15, wherein the first thermoplastic polymer is subjected to melting to obtain a densified tubular structure. 17. Трубчатый элемент по любому из пп.1-16, в котором второй полимер представляет собой термоотверждающийся полимер.17. A tubular element according to any one of claims 1 to 16, wherein the second polymer is a thermoset polymer. 18. Трубчатый элемент по любому из пп.1-16, в котором второй полимер представляет собой термопластичный полимер.18. A tubular element according to any one of claims 1 to 16, wherein the second polymer is a thermoplastic polymer. 19. Трубчатый элемент по любому из пп.17 или 18, в котором второй полимер вводится в трубчатую структуру одновременно с первым термопластичным полимером.19. A tubular element according to any one of claims 17 or 18, wherein the second polymer is introduced into the tubular structure simultaneously with the first thermoplastic polymer. 20. Трубчатый элемент по п.17 или 18, в котором второй полимер введен в трубчатую структуру20. Tubular element according to claim 17 or 18, in which the second polymer is introduced into the tubular structure - 10 043152 после её уплотнения.- 10 043152 after sealing. 21. Трубчатый элемент по любому из пп.1-20, в котором второй полимер имеет величину модуля21. The tubular element according to any one of claims 1 to 20, wherein the second polymer has a modulus value Юнга меньше величины модуля Юнга уплотненной трубчатой структуры.Young's modulus is less than the Young's modulus of the compacted tubular structure. 22. Трубчатый элемент по любому из пп.1-21, в котором второй полимер имеет более высокую способность к деформации, чем уплотненная трубчатая структура.22. A tubular element according to any one of claims 1 to 21, wherein the second polymer has a higher deformability than the densified tubular structure. 23. Трубчатый элемент по любому из пп.1-22, в котором второй полимер представляет собой эластомер.23. A tubular element according to any one of claims 1 to 22, wherein the second polymer is an elastomer. 24. Трубчатый элемент по любому из пп.1-23, в котором композитный трубчатый элемент представляет собой райзер.24. A tubular element according to any one of claims 1-23, wherein the composite tubular element is a riser. 25. Способ изготовления композитного трубчатого элемента, включающий стадии:25. A method for manufacturing a composite tubular element, including the steps: производство двумерной трубчатой структуры, содержащей первые волокна, ориентированные в направлении х относительно продольной оси трубчатого элемента, и вторые волокна, ориентированные в направлении у относительно продольной оси трубчатого элемента;producing a two-dimensional tubular structure comprising first fibers oriented in the x direction relative to the longitudinal axis of the tubular element and second fibers oriented in the y direction relative to the longitudinal axis of the tubular element; ввод третьих волокон по меньшей мере частично через толщину стенки трубчатого элемента для получения трехмерной трубчатой структуры;introducing third fibers at least partially through the wall thickness of the tubular element to obtain a three-dimensional tubular structure; формирование композита с полимерной матрицей, состоящего из первого термопластичного полимера, объединяющего волокна трехмерной трубчатой структуры; и ввод второго полимера для заполнения остаточных пор трубчатой структуры с образованием композитного трубчатого элемента.forming a polymer matrix composite consisting of a first thermoplastic polymer combining fibers of a three-dimensional tubular structure; and introducing a second polymer to fill the residual pores of the tubular structure to form a composite tubular.
EA202191692 2018-12-18 2019-12-18 COMPOSITE TUBULAR ELEMENT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE EA043152B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102018000020056 2018-12-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA043152B1 true EA043152B1 (en) 2023-04-26

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3744499B1 (en) Nonmetallic flexible pipe and manufacturing method thereof
DK3224393T3 (en) HEATING INSULATION LAYER FOR A FLEXIBLE UNDERWATER
US10197198B2 (en) Flexible pipe
US7781040B2 (en) Flexible composite tubular assembly with high insulation properties and method for making same
JP5460333B2 (en) COMPOSITE LAMINATE HAVING DAMPING INTERMEDIATE AND ITS MANUFACTURING METHOD
DK2959199T5 (en) FLEXIBLE CORD FOR TRANSPORTING CARBON HYDRADES WITH AN EXTERNAL REINFORCED SEALING CAP
US8763647B2 (en) Composite tubing
US10619767B2 (en) Tubular pipe with a composite holding strip
JP2015510459A (en) Molded composite screw
EP3105055B1 (en) Composite
EA043152B1 (en) COMPOSITE TUBULAR ELEMENT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE
CN111919054B (en) Flexible pipe body and method
US11802639B2 (en) Composite tubular element and relevant manufacturing method
US20240019051A1 (en) Flexible fluid transport pipe and associated methods
EP3519187A2 (en) Thermoplastic composite
OA20666A (en) Composite tubular element and relevant manufacturing method.
RU84082U1 (en) PIPE FROM COMPOSITE FIBER MATERIAL (OPTIONS)
RU2279601C2 (en) Tube made from fibrous composite material
JP5582777B2 (en) Tubular fiber reinforced composite material with corrosion resistant layer