HU199959B

HU199959B - Flexible tubing longitudinally stabile under internal pressure

Info

Publication number: HU199959B
Application number: HU883997A
Authority: HU
Inventors: Richard Ochsner
Original assignee: Coflexip
Priority date: 1987-08-03
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1990-03-28
Also published as: SU1738101A3; BR8803824A; NO883409L; NO172006B; EP0302784A1; DK431488A; FR2619193A1; HUT48345A; DE3863141D1; CA1320917C; DK173127B1; AU2036088A; FR2619193B1; DE302784T1; US5024252A; EP0302784B1; JPH01131393A; NO172006C; ES2009715B3; DK431488D0

Description

A találmány tárgya hajlékony belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték.

A találmány különösen nagynyomású folyadékok továbbítására szolgáló hajlékony csővezetékre vonatkozik, amelyeket különösen a tenger alatti kutakból kitermelt szénhidrogén-termékek szállítására lehet használni.

A bejelentő cég nagy hosszúságú hajlékony csővezetékeket állít elő és forgalmaz, melyeknek mechanikai tulajdonságai jók, nevezetesen a húzófeszüllséggel szemben mutatott ellenállásuk, az összenyomással szemben mutatott ellenállásuk, valamint a rajtuk keresztül továbbított folyadék belső nyomásával szemben mutatott ellenállásuk jó.

A bejelentő cég tehát olyan csővezetékeket állít elő, melyek lényegében egy belső, hermetikusan záró köpenyből állnak, továbbá egy a húzóerőkkel szemben ellenálló páncélzatból állnak, mely szokásos módon két egymást keresztező rétegből áll, amelyekben a huzalok a csővezeték körül csavarvonalban vannak elhelyezve azonos szögben, de a két páncélhuzal-réteg huzaljai a csővezeték tengelyéhez képest ellentétes irányban vannak szögben feltekerve, továbbá egy a nyomásnak ellenálló páncélzatból áll, mely egy vagy több, egymásba kapcsolódó abroncsokból vagy profillal ellátott huzalból áll, melyek a csőve7.eték tengelyéhez képest közel 90°-os szögben vannak csavarmenetben feltekercselve, és egy külső köpenyből áll. A találmány tárgya úgynevezett sima furatú típusú csővezeték.

Az úgynevezett durva furatú” csővezetékek ezenkívül tartalmaznak a belső hermetikusan záró köpeny alatt egy további páncélzatot, mely ellenáll az összenyomásnak és a külső nyomásnak, melyet általában kis menetemelkedésű, egy vagy több egymásba kapcsolódó profillal rendelkező huzalból tekercselnek csavarvonalban, melyei nevezetesen acélabroncsvasból vagy szalagvasból készítenek.

Bizonyos esetekben a nyomásnak ellenálló páncélzatot elhagyják, és ehelyett két páncélhuzal-réteget alkalmaznak, melyek egyforma szögben vannak elhelyezve, mely szög a csővezeték tengelyéhez képest 55°-os.

Bizonyos alkalmazásoknál, nevezetesen abban az esetben, ahol a csővezetéket szénhidrogéntermékek tenger alatti kutakból való kitermelésénél használják továbbításra, magát a csővezetékeket cl kell temetni, vagyis a tenger fenekén kimélyített árok mélyén kell elhelyezni, és ezekben az esetekben alapvető, hogy a rugalmas csővezeték észrevehető mértékű tengelyirányú megnyúlását elkerüljék az üzemeltetés során, mely a rajta keresztül továbbított folyadék belső nyomása hatására jönnek létre, mivel az ilyen tengelyirányú megnyúlás a csővezeték deformálódását vonja maga után, mely azzal a veszéllyel jár, hogy a csővezeték a tenger alatti árokból, melybe eltemették, kiemelkedik.

Történtek olyan próbálkozások, melyeknek célja az volt, hogy a hajlékony csővezeték hosszirányú megnyúlását a belső nagy nyomás hatására a lehető legkisebb értéken tartsák.

Az FR 2.557.254. számú szabadalmi leírásban olyan rugalmas csővezetéket írnak le, mely egy húzóerőnek ellenálló fegyverzetből vagy páncélzatból áll, melyek általában a csővezeték tengelyéhez képest 15-45° alatt vannak elhelyezve, továbbá egy nyomásnak ellenálló páncélzatból áll, mely egy vagy több spirálalakban feltekert huzalrétegből épül fel. Ebben a leírásban a nyomásnak ellenálló páncélzat spirálalakban feltekert rétegeinek és a húzóerőnek ellenálló páncélzatot képező huzalréteg huzaljainak a merevségei közötti arányt szándékoztak meghatározott módon hasznosítani.

Általános esetben, amikor az összes huzal ugyanabból az anyagból van, például acélból, ez az arány a vastagságok arányára korlátozódik.

Ha a spirálalakban feltekercselt réteg huzaljainak rugalmassági együtthatója és a húzóerőnek ellenálló páncélréteg huzaljainak rugalmassági együtthatója vagy modulusa azonos, akkor a húzóerőnek ellenálló páncélzat és a nyomóerőnek ellenálló páncélzat között egy nagy értékű vastagság-arány, kapunk (ennek értéke 2,5 és 8 között van), ami jelentősen megnöveli a csővezeték lineáris súlyát és ezzel együtt annak árát is.

Ezenkívül nem lehel teljes mértékben kihasználni a páncélozógép működési sebességét, mely a gyakorlatban sokkal nagyobb a tekercselőgép működési sebességénél.

Az FR 2.464.423. számú szabadalmi leírásban egyébként azt javasolják, hogy olyan páncélzatot alkalmazzunk, mely több egymást keresztező páncélhuzal-réteg párból van kialakítva. Ez a leírás azonban nem ad semmiféle használható megoldást arra vonatkozóan, hogy a méretek stabilitását hogyan biztosítsuk, nevezetesen a hajlékony csővezeték tengelyirányában, a belső nyomás hatására. Ezenkívül e szerint a megoldás szerint egy vagy több rétegpárt alkalmaznak, melyek a csővezeték tengelyéhez képest közel 90°ban vannak feltekercselve, vagyis itt a fent említett hátrányokkal rendelkező tekercselt huzalokról van szó.

A bejelentő által folytatott tanulmányok azt mutatják, hgy egy hajlékony csővezetékben a belső nyomás hatására egymást követően kél lépésben jönnek létre a tengelyirányú alakváltozások.

Először is megállapítottuk, hogy egy viszonylag csekély nyomás hatására, például 45 MPa értékig elkerülhetetlenül létrejön egy viszonylag jelentős mértékű tengelyirányú alakváltozás, mely a páncélhuzal-réteg huzaljai közötti gyártási méreteltérések (játékok) miatt lép fel, továbbá a páncélrétegek között esetlegesen elhelyezett töltőanyag alakváltozása vagy deformációja miatt.

Amennyiben a gyártás során nem tesszük meg a megfelelő intézkedéseket, akkor olyan utólagos alakváltozási fázis lép fel, mely jelentős lehet, ha a belső nyomás nagy, ami a gyakorlati alkalmazásoknál fennáll, ahol az üzemi nyomás elérheti a néhányszor 10 MPa értékeket.

A jelen találmány szerint olyan hajlékony csővezeték megvalósítására teszünk javaslatot, speciális konstrukciós intézkedések révén, melynél a

HU 199959 Β fent említett második alakváltozási fázis során csak csekély vagy nulla értékű alakváltozás lép fel.

A jelen találmány szerint javasolt intézkedések lehetővé teszik olyan csővezetékek megvalósítását, melyek a nyomás alá helyezéskor hoszszanti méretüket csökkenteni tudják, azaz megrövidülnek a második alakváltozási fázis során, és ez a megrövidülés hozzáadódhat ahhoz a megrövidüléshez vagy méretcsökkenéshez, melyet az első alakváltozási fázis során már elértünk, vagy pedig teljes mértékben vagy részben kiküszöbölik azt a megnyúlást, mely az alakváltozás első fázisa során fellépett.

Más szavakkal, a találmány lehetővé teszi olyan csővezetékek megvalósítását, melyeknek méretbeni változásait, nevezetesen tengelyirányú méretváltozásait tökéletesen ellenőrizni lehet oly módon, hogy egy nagy belső nyomás alkalmazása esetén egy bizonyos mértékű megnyúlás megengedhető, ha figyelembe vesszük a stabil méreteket vagy méginkább az ellenőrzött megrövidülést.

Ezt a célt a találmány szerint azáltal értük el, hogy a hajlékony csővezeték, mely legalább két pár csavarvonalban körbefutó, vagyis egyenletes menetemelkedésű páncélhuzal-réteget tartalmaz, amelynek lineáris a megnyúlása és rugalmas, és az azonos párban lévő két réteg azonos huzalokból van kialakítva, melyek ugyanolyan szögben, de ellentétes irányban vannak feltekercselve, és minden huzal tekercselési menetemelkedésí szöge két szögérték valamelyike, az egyik a_a szög 55°-nál kisebb, a másik o_b szög 55°-nál nagyobb, legalább egy pár páncélhuzal-réteg huzaljai ugyanolyan a_a szögben vannak elrendezve, ahol

40° « 53° és legalább egy pár páncélhuzal-réteg huzaljai azonos o_b szögben vannak elrendezve, ahol

57° < a_b < 70° a fenti huzalok oly módon vannak elrendezve, hogy kielégítsék az alábbi feltételt:

Rpo =sin⁴ua — 2sin²aa cos²o_a

TJma-ÜT-ahol n_a =» az ur_a szögben tekercselt páncélhuzal-ré teg párok száma, n_b = az u_b szögben tekercselt páncelhuzzal réteg párok száma, ka| (ill. kbj) = az összes i (ill. az összes j) páncélhuzal-réteg pár huzaljainak tengelyirányú nyúlási szilárdsága, mely o_a (ill. t»_b) szögben van tekercselve.

k-t a k = T/e összefüggés határozza meg, ahol T a huzalban lévő feszültség, és t a huzal realatív megnyúlása.

l’aj (ill. l’bj) = a huzalok által elfoglalt vastagság átlagértéke, vagyis annak a huzalnak a vastagsága, mely a huzal keresztmetszetében és a páncélhuzal-réteg által képezett hengerre tangenciális síkban mérhető, megnövelve a két egymást követő huzal közötti játékkal, mely vastagságot az alábbi összefüggés határoz meg:

jrD_kXCOSa_kl’k =^Nk ahol D_k = a huzalréteg közepes átmérője, a_k= a huzalok tekercselési menetemelkedési szöge,

N_k = a köpenyben lévő huzalok száma

Dj = a belső páncélzat első huzalrétegének belső átmérője

Dma= az λ _a szögben tekercselt n_a pár páncélhuzal-réteg közepes átmérője

Dmb= az u_b szögben tekcicselt n_b pár páncélhuzal-réteg közepes átmérője.

A találmány szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték egy előnyös kiviteli alakjánál

Rp

0,7 1,7,

Rpo továbbá egy további előnyös kiviteli alakjánál

Rp . _ <—-< IJ·

Rpo

Ha olyan hajlékony csővezetéket kívánunk elérni, mely minden esetben megrövidül a belső nyomás alkalmazásának hatására.

A találmány szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték egy speciális megvalósítása esetében két pár páncélhuzal-réteget alkalmazunk, melyeknél tehát az Rp értéket a következő összefüggéssel határozhatjuk meg:

Ha a hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezetékhez lapos, hézagmentes vagy lényegében hézagmentes négyszögletes vagy féllapos keresztmetszetű páncélhuzalokat alkalmazunk, melyek' egyetlen, lineárisan rugalmas anyagból vannak kialakítva, és amelynél a két belső réteg, valamint a két külső réteg huzaljainak vastagságai azonosak, akkor a következő összefüggések állnak fenn:

0,5 <

ahol

Re

Rj>

Re¹

Σί = η_βi = l < 2 e ai ebj n„

HU 199959 Β ahol Re az u_a és ut, szögben elhelyezett páncélhuzalok vastagságainak aránya, e_aj és ebj pedig az o_a és <ib szögben elhelyezett páncélhuzalok vastagságai.

Előnyős, ha

1,7, · és előnyös továbbá, ha

Re

Rpo < 1,7.

A találmány szerinti hajlékony csővezeték egy további előnyös kiviteli alakjánál a kisebb a_aszögben elhelyezett huzalokat tartalmazó páncélhuzal-rétegek a nagyobb u_b szögben elrendezett huzalokat tartalmazó páncélhuzal-rétegekhez képest belül helyezkednek el, hogy minden esetben megrövidülés lépjen fel az első alakváltozási fázis során.

A találmány szerinti hajlékony csővezeték páncélhuzal-rétegéhez acélhuzalt vagy összetett anyagot lehet használni, mely például ásványi szálakból, például üveg- vagy szénszálakból, továbbá szerves anyagokból, például aramid-szálakból áll, melyek hőre lágyuló műgyantából készült matricába vannak belesüllyesztve, például poliamid gyantából készült matricába, vagy pedig hőre keményedő anyagból készült matricába, például epoxigyantába vannak belesüllyesztve.

A találmány szerinti hajlékony csővezeték páncélhuzal-rétegeinek a huzaljait kötelekből vagy kábelekből lehet kialakítani, amelyeket acélhuzalokból lehet előállítani.

A páncélhuzal-rétegek huzaljait ki lehet alakítani egymással párhuzamos szálakból, műanyagból, például poliészterből, melyek fonattal vagy páncélzattal vannak körülvéve.

A páncélzatok anyaga műanyag vagy elasztomer lehet, melyeket a páncélhuzal-réteg párok között vagy pedig egy pár páncélhuzal-réteg huzaljai között lehet elhelyezni.

A találmány szerint egyaránt ki lehet alakítani úgynevezett sima furatú vagy úgynevezett durva furatú típusú csővezetéket.

Az alábbiakban a találmány szerinti hajlékony csővezetéket kiviteli példa kapcsán a mellékelt rajz alapján ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábrán látható, hogy a találmány szerinti hajlékony csővezeték egy 1 külső védőköpenyből áll, melynek anyaga műanyag vagy elasztomer, továbbá egy pár 2, 3 páncélhuzal-rétegből, melyek <»(, szögben vannak elhelyezve, ezenkívül egy pár 4,5 páncélhuzal-rétegből, melyek a_a szögben vannak elrendezve és egy 6 belső hermetikusan záró köpenyből, melynek anyaga műanyag vagy elasztomer. A bemutatott példában úgynevezett durva furatú hajlékony csővezetékről van szó, mely ezenkívül egy 7 lielső páncélzattal van ellátva, mely például egymásba kapcsolódó abroncsvasakból vagy -pántokból áll, mely biztosítja a csővezeték összenyomással és a külső nyomással szemben szükséges ellenállást.

Az alábbiakban példákat mutatunk be a találmány szerinti hajlékony csővezeték megvalósítására.

Öt különböző hajlékony csővezetéket tanulmányoztunk, melyeknek jellemzőit az alábbi táblázatban foglaltuk össze:

	1. példa	2. példa .	3. példa	4. példa	5. példa
^öa	40’	40’	43’	43’	50*
°b	60°	60’	65°	65’	70’
Di	230,2 mm	230,2 mm	174,4 mm	119,6 mm	230,2 mm
Dma	234,2 mm	234,2 mm	180,4 mm	125,6 mm	238,2 mm
dmb	244,2 mm	244,2 mm	190,4 mm	136,6 mm	260,2 mm
eal	0,88 mm	2 mm	3 mm	3 mm	2 mm
ea2					2 mm
eb	3 mm	2,15 mm	2 mm	2 mm	1,04 mm
Re	0,293	0,93	1,5	1,5	3,846
Rpo	0,490	0,490	1,125	1,02	3,368
Re/Rpo	0,6	1,9	1,33	1,47	1,15

Az első négy csővezeték egy úgynevezett durva furatú struktúrát képvisel, mely megfelel a rajzon bemutatott változatnak. 55

Az 5. példa ugyancsak egy úgynevezett durva furatú struktúrára vonatkozik, mely a belső hermetikusan záró köpeny két pár páncélhuzal-réteget tartalmaz, melyek ugyanakkor a_a szögben vannak elrendezve. 60

Az 1., 2. és 5. példában közbenső hermetikusan záró rétegeket, helyeztünk el a páncélhuzalréteg párok között.

A páncé|huzalok nagy teherbírású (a rugal- 65 massági határértéke 140 daN/mm²) acélhuzalból vannak kialakítva, melyek laposak és lényegében hézagmentesek.

Miután a csővezetéket belső nyomás alá helyeztük és az első alakváltozási fázis alatt lényegében utánaállítottuk a gyártási tűréseket, mindegyik vizsgált hajlékony csővezeték esetében a relatív hosszváltozásokra a következő értékeket kaptuk 40 MPa belső nyomás esetén:

1. hajlékony csővezeték: + 3,8xl0'³

2. hajlékony csővezeték: - 3,7xl0‘³

3. hajlékony csővezeték: - l,2xl0‘³

HU 199959 Β

4. hajlékony csővezeték: — l,8xl0'³

5. hajlékony csővezeték: - 1.3X10'³

Jóllehet a találmány szerinti hajlékony csővezetéket egy speciális megvalósítási móddal kapcsolatban ismertettük, nyilvánvaló, hogy az oltalmi kör nem korlátozódik arra, és hogy számos változtatást és módosítást lehet azon végrehajtani anélkül, hogy a találmányi gondolattól vagy az oltalmi körtől eltérnénk.

Claims

1. Hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, mely belső, hermetikusan záró köpenyből, legalább két pár, csavarvonalban tekercselt páncélhuzal-rétegből, valamint egy külső védőköpenyből áll, ahol az egy párban lévő páncélhuzal-rétegek azonos huzalokból vannak kialakítva és a tekercselési menetemelkedés szögeik egyforma nagyok, de ellentétes irányúak, azzal jellemezve, hogy a páncélhuzal-rétegek (2,3 és 4, 5) huzaljainak tekercselési menetemelkedési szöge (a_a, u_b) két szögérték valamelyike, az egyik szög (u_a) 55°-nál kisebb, a másik szög (o_b) 55°-nál nagyobb, legalább egy pár páncél huzalréteg (4, 5) huzaljai ugyanolyan o_a szögben vannak elrendezve, ahol

40°^,^ 53° és legalább egy pár páncélhuzal-réteg (2, 3) huzaljai azonos a_b szögben vannak elrendezve, ahol

57° iS a_b 70°, továbbá a fenti huzalok oly módon vannak elrendezve, hogy kielégítsék az alábbi feltételt:

és

2sin²ab cos²ab sin⁴a_b—fii TDmF

RpO =--—sin⁴,> a 2sin²a a cos²u _a

Dma Di ahol n_a - az a_a szögben tekercselt páncélhuzal-réteg párok száma, nj, = az a_b szögben tekercselt páncélhuzzalréteg párok száma, kaj (ill. kbj) = az összes i (ill. az összes j) páncélhuzal-réteg pár huzaljainak tengelyirányú nyúlási szilárdsága, mely a_a (ill. a_b) szögben van tekercselve.

k-t a k = T/t összefüggés határozza meg, ahol T a huzalban lévő feszültség, és t a huzal reaiatív megnyúlása.

. I’a, (ill. J’bj) = a huzalok által elfoglalt vastagság átlagértéke, vagyis annak a huzalnak a vastagsága, mely a huzal keresztmetszetében és a páncélhuzal-réteg által képezett hengerre tangenciális síkban mérhető, megnövelve a két egy5 mást követő huzal közötti játékkal, mely vastagságot az alábbi összefüggés határoz meg:

pjj. _ * COSui _k

N_k ahol:D_k = a huzalréleg közepes átmérője,

Ιθ a_k= a huzalok tekercselési menetemelkedési szöge,

N_k = a köpenyben lévő huzalok száma Dj= a belső páncélzat első huzalrétegének belső átmérője

Dma= az a_a szögben tekercselt n_a pár páncélhuzal-réteg közepes átmérője

Dmb = az a_b szögben tekercselt n^ pár páncélhuzal-réteg közepes átmérője.

²⁰ 2. Az 1. igénypont szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, hogy az Rp/Rpo arány a következő feltételt elégíti ki:

²⁵ »·’ < < V.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték,

30 azzal jellemezve, hogy az Rp/Rpo arány a következő lelteiéit elégíti ki:

35

4. Hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, mely belső hermetikusan záró köpenyből, legalább két pár, csavarvonalban tekercselt páncélhuzal-rétegből, valamint egy külső védőköpenyből áll, ahol az egy párban lévő

40 páncélhuzal-rétegek azonos huzalokból vannak kialakítva és a tekercselési menetemelkedési szögeik egyforma nagyok, de ellentétes irányúak, mely lapos, hézagmentes vagy lényegében hézagmentes négyszögletes vagy féllapos keresztmet45 szetű páncélhuzalokból áll, melyek egy, lineárisan rugalmas anyagból vannak kialakítva, azzal jellemezve, hogy

2 ahol

Re = e ai ebj ahol Rc az .»_a £s .»_b szögben elhelyezett páncélhuzalok vastagságának aránya, e_ai és e,,j pedig az <»_a és .>_b szögben elhelyezett pácnélhuzalok vastagsága.

5. A 4. igénypont szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, hogy az Re/Rpo arány a következő feltételt kielégíti:

HU 199959 Β

Re

0,7 < ττ— < 1,7.

—- ^Kpo

6. A 4. vagy 5. igénypont szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, hogy az Re/Rpo arány a következő feltételt kielégíti:

1 < 1,7.

Kpo

7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti hajlékony belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, hogy két pár páncélhuzal-réteget (2, 3 és 4,5) foglal magába.

8. Az 1 — 7. igénypontok bármelyike szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, a kisebb szögben (a,) elhelyezett huzalokat tartalmazó páncélhuzal-rétegek (4,5) a nagyobb (a_b) szögben elrendezett huzalokat tartalmazó páncélhuzal-rétegekhez (2,3) képest belül helyezkednek el.

9. Az 1 — 8. igénypontok bármelyike szerinti hajlékony, belső nyomás alatt hosszában stabil csővezeték, azzal jellemezve, hogy a belső hermetikusan záró köpeny (6) alatt a belső és a külső nyomásnak ellenálló belső páncélzat (7) van elrendezve, és amely egy vagy több, egymásba kapcsolható profillal ellátott, kis menetemelkedéssel csavarvonalban feltekercselt rétegként van kialakítva.