KR20200040801A - 재료 - Google Patents

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KR20200040801A
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clamp
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clamps
mandrel
core layer
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KR1020207006718A
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프레이저 밀른
애닐 길
에완 조지 로렌스 레이드
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발모럴 콤텍 리미티드
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Abstract

내크리프성 재료는 강성 폴리우레탄의 코어 층(12)을 포함하며, 강성 폴리우레탄의 코어 층은 하나의 표면 상에 적용되는 제1 인장 보강 층(17) 및 코어 층의 다른 대향 표면 상에 적용되는 제2 인장 보강 층(17)을 가지며, 각각의 전체적인 제1 및 제2 인장 보강 층들은 재료의 코어 층의 제1 및 제2 표면에 접촉한다.

Description

재료
본 발명은 재료 및 더 구체적으로는, 더 구체적으로는 석유 및 가스 산업에서 해저 및 심해 작동들에서의 사용을 위해 설계된 제품들의 형성시에 특정한 적용을 발견하는 증가된 내크리프성 성능(creep resistant performance)을 갖는 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이전에 언급된 재료를 포함하는 클램프에 관한 것이고, 그리고 또한 상기 클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법에 관한 것이다.
클램프들은 통상적으로, 많은 상이한 목적들을 위해 해저 생산 시설들에서 탄화수소들, 특히 석유 및 가스의 회수(recovering)시에 사용된다. 이는, 컴포넌트에 부력을 부가하고 그리고 탑사이드(topside) 또는 인장 하중들을 감소시키기 위해 파이프(pipe), 라이저(riser), 유동관(flowline) 또는 엄빌리컬(umbilical) 튜브형 부재 주위에 부력 모듈들(buoyancy modules)을 부착시키는 것일 수 있다. 부력 모듈은 또한, 예를 들어, 레이지 웨이브(lazy wave), 스티프 웨이브(steep wave), 레이지 또는 스티프 S와 같은, 주변 물(surrounding water) 내에 튜브형 부재의 특정한 구성들을 달성하는 것을 도울 수 있다. 이는 조작자가 요구되는 구성으로 튜브형 부재를 고정되게 유지하는 것을 허용한다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 클램프들은, 파이프 또는 라이저가 작동가능할 때 이러한 추가 라인들의 좌굴(buckling)을 방지하기 위해 또는 파이프 또는 유동관 상에서 제위치에 모듈 조립체를 리테이닝하기(retain) 위해 파이프 또는 라이저와 같은 튜브형 부재 주위에서 제위치에 초크(choke), 킬(kill), 부스터(booster) 및 유압 라인들과 같은 추가 라인들(supplementary lines)을 유지할 수 있다.
전술된 클램프들은 통상적으로, 파이프, 라이저, 또는 엄빌리컬의 외부 층들 상에 직접적으로 장착된다. 이러한 해저 자산들을 통해 유동하는 유체들은 통상적으로, 해수에 의해 둘러싸임에도 불구하고, 매우 높은 온도 및 압력들에서 생산되며, 그리고 그러므로 클램프들은 특히 혹독한 환경 내에서 매우 높은 하중들을 받는 상태로 고정되게 작동할 수 있고 그리고 큰 부력의 축방향 움직임 및 밸러스트 하중들에 저항해야 한다.
중합체 클램프들은 심층수 및 초심층수 환경들에서의 상당한 중량 감소를 제공하며, 그리고 폴리우레탄은, 주문 설계될 수 있고 그리고 고객이 제시할 수 있는 특정한 요건들에 맞추도록 성형될 수 있는 견고한, 내충격성 재료를 제공하는 것으로 고려된다.
폴리우레탄을 포함하는 중합체들이 해저에서의 사용을 위한 클램핑 컴포넌트들을 형성하기에 특히 유용하고 그리고 위에서 주목된 도전적인 작동 조건들에서 특히 유용하지만, 재료들은, 고체 재료가 기계적인 응력들의 영향을 받는 상태에서 천천히 움직이거나 영구적으로 변형되는 경향이 있는 크리프(creep)를 겪을 수 있다. 이는, 여전히 재료의 항복 강도 미만인 응력의 높은 레벨들 및 온도의 높은 레벨들에 대한 장기간 노출의 결과로서 발생할 수 있다. 클램핑 컴포넌트들은 통상적으로, 사용시에 클램핑 컴포넌트들이 약 1톤 내지 20톤의 하중들을 견딜 수 있어야 한다.
재료는, 사용 동안 변형을 겪을 것이지만, 크리프 파단(creep rupture)이 발생하기 전에 하중들이 해제되는 한, 재료의 탄성 변형과 동일한 즉각적인 탄성 회복(elastic recovery)이 발생하며, 느린 회복의 기간이 뒤따른다. 대부분의 경우들에서, 그러나, 재료는 원래 형상으로 회복되지 않을 것이며, 그리고 영구 변형이 유지된다. 영구 변형의 정도는, 하중이 적용되는 시간의 길이, 재료에 적용되는 응력의 양, 및 사용 동안의 재료의 온도에 따를 것이다. 시간 경과에 따라, 원래 형상에 가깝게 회복하는 재료의 능력은 감소할 것이며, 그리고 이에 따라 이는 재료로 형성되는 컴포넌트들의 작동 수명을 단축할 수 있다.
이는, 특히, 클램프들에 대해서 문제인데, 왜냐하면 클램프의 컴포넌트들의 임의의 상당한 변형이 클램프의 작동을 억제할 것이고 그리고 그러므로 클램프가 적용되는 튜브형 부재 주위에서 고정되게 연결하는 클램프의 고장으로 이어질 수 있고, 이는 예를 들어, 물 기둥(water column) 내의 파이프, 라이저 또는 엄빌리컬의 요구되는 구성의 손실 또는 클램프를 통해 튜브형 부재에 연결되는 부수적인 장비에 대한 손상을 초래하기 때문이다.
따라서, 재료의 크리프에 대한 경향을 감소시키는 것은, 재료의 성능을 증가시킬 수 있고 그리고 또한 재료 및 특히, 근해 및 해저의 석유 및 가스 산업들에서 경험되는 바와 같은 혹독한 또는 심각한 환경에서 사용되는 재료로 형성되는 컴포넌트들의 수명을 연장할 수 있다.
클램프 컴포넌트들이 형성되는 재료들로부터 금속들 또는 섬유 보강된 플라스틱들과 같이 매우 작은 크리프를 나타내는 상당히 보다 높은 계수를 갖는 재료로 변경함으로써 크리프는 완화될 수 있다. 그러나, 이러한 재료들로 컴포넌트들을 제조하는 것은 매우 값비싸며, 그리고 강과 같은 금속성 컴포넌트들은 부력 모듈들에 상당한 중량을 부가하고, 그리고 또한 해수로부터의 부식에 대한 보호를 요구한다.
대안적으로, 클램핑 컴포넌트들의 크기는, 크리프에 대한 경향이 또한 상당히 감소되는 레벨로 컴포넌트들 내에 응력을 감소하는 것을 추구하도록 증가될 수 있다. 그러나, 실제로, 클램핑 컴포넌트들은 크리프에서의 이러한 감소를 달성하기 위해 약 4배 내지 5배만큼 크게 제조되어야 할 것이며, 그리고 이러한 크기의 클램프는 수송 및 사용 둘 모두에 대해 비현실적일 것이다.
추가의 대안예로서, 재료 내에서 크리프의 영향들을 제어하기 위해 재료들이 사용되는 작동 온도들이 감소될 수 있다. 해수 환경에서, 주변 온도의 제어는 가능하지 않다.
따라서, 본 발명은, 특히 중합체 재료들과 관련한 크리프의 문제를 해결하고 그리고 이 문제를 극복하는 것을 추구하는 것을 목적으로 한다. 더 구체적으로, 본 발명은, 중합체 컴포넌트들로 형성되거나 중합체 컴포넌트들을 포함하는 클램핑 컴포넌트들에 대한 크리프와 연관된 문제들을 해결하고 그리고 이 문제들을 극복하는 것을 추구하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은, 개선된 내크리프성 특성들을 가져, 이에 의해 근해 및 해저 환경들에서의 사용을 위한 재료로 형성되는 컴포넌트들의 수명 및/또는 용량(capacity)을 연장하는 것을 추구하는 재료, 및 바람직하게는 폴리우레탄 기반 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
게다가, 본 발명의 목적은, 특히 클램프가 높은 온도 및 압력 조건들을 경험할 것인 해저에서의 사용을 위한 개선된 내크리프성 성능을 클램프에 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 재료들의 크리프 성능에 대한 이러한 이슈들(issues)을 극복할 수 있는 클램핑 시스템의 컴포넌트들을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료(creep resistant material)가 제공되며, 강성 폴리우레탄의 코어 층은 하나의 표면 상에 적용되는 제1 인장 보강 층 및 코어 층의 다른 대향 표면 상에 적용되는 제2 인장 보강 층을 가지며, 각각의 전체적인 제1 및 제2 인장 보강 층들은 재료의 코어 층의 각각의 제1 및 제2 표면들에 접촉한다.
바람직하게는, 전체적인 제1 및 제2 인장 보강 층들은 재료의 코어 층의 전체적인 제1 및 제2 표면들과 접촉한다.
바람직하게는, 코어 층은 나일론을 더 포함한다.
바람직하게는, 인장 보강 층은, 재료의 코어 층의 보다 높은, 바람직하게는 상당히 보다 높은 인장 탄성률 및 보다 높은 인장 강도를 갖는다.
재료의 코어보다 이의 상당히 더 높은 탄성률로 인해, 인장 보강 층은 코어를 강성화하고 그리고 코어에서의 휨 응력을 감소시키는 작용을 한다.
유리하게는, 인장 보강 층은 섬유-보강된 복합 재료 또는 내식성 금속 시트(corrosion resistant metal sheet)를 포함한다.
유리하게는, 인장 보강 층은 직조(woven) 또는 부직 매트 재료(non-woven mat material)를 포함한다. 선택적으로, 매트 재료는 3축, 2축 또는 1축의 매팅(matting)이다. 선택적으로, 매트는 직조되거나 스티칭될(stitched) 수 있다.
편리하게는, 각각의 인장 보강 층은, 함께 그리고/또는 코어 상에 적층되는 재료의 2개 이상의 층들을 포함할 수 있다.
선택적으로, 적층된 매트 재료는 중합체-함침된다(polymer-impregnated).
바람직하게는, 매트 재료의 섬유 중량은 일 방향으로 편향된다.
바람직하게는, 매트는 유리, 탄소, 아라미드, Dyneema® 중 임의의 또는 이의 조합의 섬유들로 제조된다.
편리하게는, 인장 보강 층은 재료의 코어에 접합된다.
유리하게는, 인장 보강 층들은 두께가 3mm 내지 20mm이고 그리고 바람직하게는 두께가 약 5mm일 수 있다.
바람직하게는, 재료의 코어는 60 쇼어 D보다 더 큰 경도를 갖는 강성 폴리우레탄을 포함한다.
일부 실시예들에서, 재료의 코어는 60 쇼어 D보다 더 큰 경도를 갖는 강성 나일론을 포함한다.
바람직하게는, 재료의 코어는 인장 보강 층들 사이에 끼워넣어진다.
본 발명의 추가의 양태에 따라, 파이프(pipe), 라이저(riser), 엄빌리컬(umbilical), 샤프트(shaft) 또는 맨드릴(mandrel)과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프가 제공되며, 상기 클램프는 튜브형 부재를 둘러싸도록 적응되는 하나 이상의 세그먼트들을 포함하며, 각각의 세그먼트는 본 발명의 제1 양태에 따른 재료를 포함한다.
유리하게는, 클램프 세그먼트들은 하나 이상의 스파들(spars)에 의해 서로 이격되는 제1 및 제2 아치형 섹션들(arcuate sections)을 포함한다.
편리하게는, 하나 이상의 스파들은 아치형 섹션들의 단부들에 제공된다.
바람직하게는, 본 발명의 제1 양태에 따른 재료는 클램프 세그먼트들의 아치형 섹션들 사이에서 연장한다.
유리하게는, 클램프의 아치형 섹션들은 폴리우레탄을 포함한다.
일 실시예에서, 클램프는 튜브형 부재를 함께 둘러싸는 3개의 세그먼트들을 갖는다.
바람직하게는, 인접한 클램프 세그먼트들 사이의 연결을 가능하게 하기 위해 클램프 세그먼트들 상에 고정 수단이 제공된다.
편리하게는, 각각의 클램프 세그먼트는 세그먼트의 각각의 단부에서 확대된 두께의 영역을 포함한다.
바람직하게는, 확대된 두께의 영역들은 세그먼트들의 단부들에서 숄더(shoulder)를 형성한다.
유리하게는, 고정 수단은 인접한 클램프 세그먼트들의 확대된 두께의 영역들을 연결시킨다.
바람직하게는, 애퍼처들은 클램프 세그먼트들의 확대된 두께의 영역들을 통해 제공된다.
바람직하게는, 고정 수단은 세그먼트들의 단부들에서 숄더들 상에 놓이는 금속 스파들을 포함한다.
유리하게는, 고정 수단은, 하나의 클램프 세그먼트의 스파를 통해, 확대된 두께의 구역에서의 애퍼처를 통해, 인접한 클램프 세그먼트의 애퍼처를 통해 그리고 인접한 클램프 세그먼트의 스파를 통해 지나가는 금속 타이 바(metal tie bar), 및 하중을 받는 조건에서 타이 바를 유지하기 위한 볼트(bolt) 또는 너트(nut)를 더 포함한다.
바람직하게는, 클램프는 각각의 클램프 세그먼트의 내부 표면 상에 장착되는 하나 이상의 클램핑 요소들을 더 포함한다.
유리하게는, 클램핑 요소들은 클램프 세그먼트들의 보강 층에 장착된다.
편리하게는, 각각의 세그먼트는 3개의 클램핑 요소들을 포함한다. 게다가, 각각의 클램핑 요소는, 보강 층으로 스크류들, 너트들 또는 볼트들을 포함하는 고정물들에 의해 고정될 수 있다.
바람직하게는, 클램핑 요소들은 탄성 재료를 포함한다. 더 바람직하게는, 클램핑 요소들은 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 추가의 양태에 따라, 본 발명의 제2 양태에 따른 클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법이 제공되며, 이 방법은 클램프들의 다수의 세그먼트들을 형성하도록 형상이 정해지는 트로프 금형(trough mould)을 제공하는 단계, 금형을 중합체 재료로 부분적으로 채우고 그리고 중합체 재료를 금형에서 경화하는 것을 허용하는 단계, 금형으로부터 경화된 중합체 재료를 제거하고 그리고 세그먼트들을 분리하기 위해 개별 세그먼트들을 가르는(cutting through) 단계 및 중합체 재료 세그먼트들의 각각의 하나의 측면에 인장 보강 층을 적용하는 단계를 포함한다.
유리하게는, 보강 재료는, 중합체 재료가 금형에 부가되기 전에, 금형의 내부 표면들을 코팅하기 위해 금형에 걸쳐 드레이핑되거나 금형 내로 펌핑된다.
유리하게는, 중합체 재료는 보강재로 덮여진 금형의 내부 표면 상에 금형 내로 펌핑된다.
편리하게는, 금형의 개별 세그먼트들은 이격된 간격들로 성형된 컴포넌트를 가르는 기계에 의해 분리된다.
바람직하게는, 애퍼처는 각각의 클램프 세그먼트의 단부들로 절단된다.
이제, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조로 하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 양태에 따른 재료를 포함하는 클램프 세그먼트의 절취 사시도이다.
도 2는 3개의 클램프 세그먼트들로 형성되는 본 발명의 제2 양태에 따른 클램프의 사시도이다.
도 3은 부착된 하나의 스페이서를 갖는 클램프 세그먼트의 내부 표면의 도면이다.
도 4는 파이프 상에 장착되는 도 2에 따른 클램프의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 추가의 실시예에 따른 클램프의 세그먼트들을 형성하는 성형체(molded body)의 개략도이다.
도 6은 개별적인 클램프 세그먼트들로 절단되는 도 5의 성형체의 개략도이다.
도 7은 도 6의 3개의 클램프 세그먼트들로 형성되는 클램프의 개략도이다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 튜브형 부재(2), 예컨대 파이프, 라이저(riser), 엄빌리컬(umbilical), 맨드릴(mandrel) 또는 본 발명에 따른 내크리프성 재료(creep-resistant material)를 포함하는 다른 이러한 요소 상에 장착하기 위해 적응되는 클램프(1)의 제1 실시예를 예시한다.
클램프(1)는 복수의 실질적으로 아치형 세그먼트들(3)로 형성된다. 다른 실시예들에서 보다 많거나 보다 적은 세그먼트들이 존재할 수 있지만, 예시된 실시예에서는, 튜브형 부재를 완전히 에워싸기 위해 함께 고정될 수 있는 3개의 세그먼트들이 존재한다.
이러한 실시예에서, 각각의 세그먼트(3)는 제1 및 제2 아치형 플레이트들(4, 5)을 포함한다. 플레이트들은 내부 및 외부 대향된 커브형 에지들(6, 7)과 실질적으로 평탄하다. 제1 및 제2 플레이트들의 각각의 사이드 에지들(8)은 직선형이다. 이는, 다수의 세그먼트들이 튜브형 부재(2) 주위에 장착될 때, 인접한 세그먼트들의 에지들이 함께 가깝게 놓이는 것을 허용한다.
예시된 실시예에서, 수직 스파들(vertical spars)(9)은 제1 및 제2 플레이트들의 직선형 사이드 에지들(8) 사이에서 연장한다. 애퍼처(10)는 아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같이 각각의 수직 스파의 중심에 제공된다. 아치형 플레이트들(4, 5) 및 수직 스파들(9)은 폴리우레탄으로 형성된다.
도 2는 클램프 세그먼트(3)의 내부 상세를 나타내도록 제1 아치형 플레이트(4)가 제거되는 절취 사시도이다. 보강 부재(11)는 제1 및 제2 아치형 플레이트들 사이에 있고 그리고 사이드 에지들(8) 사이의 플레이트들에 걸쳐 연장하는 세그먼트 내에 제공된다. 보강 부재는 수직 스파들 사이에서 연장하는 중합체 코어(12)를 포함한다. 코어는 바람직하게는, 예를 들어 폴리우레탄 또는 나일론과 같은 강성 중합체 재료를 포함한다. 코어는 강성 폴리우레탄 및 나일론과 같은 중합체 재료들의 조합으로 형성될 수 있다.
예시된 실시예에서, 코어는 60 쇼어 D보다 더 큰 경도를 갖는 강성 폴리우레탄을 포함하며, 그리고 폴리우레탄 코어는 세그먼트의 외부 커브형 에지로부터 오목하게 된다. 코어가 나일론을 포함한다면, 이는 위에서 주목된 폴리우레탄 재료와 유사한 경도를 가질 것이다. 이러한 실시예에서, 이러한 중간 통로 지점(mid way point)(13)에서, 코어가 세그먼트의 외부 커브형 에지로부터 여전히 오목하게 되지만, 오목부는 세그먼트의 수직 스파들(9)을 향해 가장 크고 그리고 스파들 사이의 중간 통로 지점으로 감소된다.
애퍼처들(14)은 제1 및 제2 아치형 플레이트들(4, 5)에 제공된다. 애퍼처들은 플레이트들의 외부 커브형 에지(7)로부터 보강 부재(11)의 최대 오목부 지점에 근사하게 정렬되고 그리고 이에 위치결정된다.
플레이트들의 내부 커브형 에지(6)를 향해, 폴리우레탄 코어(12)는 각진 영역들(16)을 통해 함께 연결되는 3개의 직선 에지형 부분들(15)로 형성된다. 세그먼트의 폴리우레탄 코어는, 아치형 플레이트들이 내부 폴리우레탄 코어를 오버행하도록(overhang), 도 3에서 도시되는 바와 같이 제1 및 제2 플레이트들의 내부 커브형 에지들로부터 오목하게 된다.
보강 부재는, 플레이트들의 내부 및 외부 커브형 에지들(6, 7)에 근접한 폴리우레탄 코어의 각각의 측면에 적용되는 인장 보강 층(tensile reinforcement layer)(17)을 더 포함한다. 각각의 측면 상의 전체적인 인장 보강 층(17)은 재료의 코어와 접촉한다. 따라서, 코어의 표면과 인장 보강 층들(17) 사이에 다른 재료들 또는 구조적 요소들이 존재하지 않는다. 바람직한 실시예들에서, 코어의 양 측면들의 전체적인 표면 영역은 인장 보강 재료의 각각의 층들에 의해 커버된다(covered). 다시 말해, 인장 보강 재료 층은 재료의 코어의 표면보다 더 작지 않고, 이들이 적용되는 코어의 표면들과 동일한 형상 및 치수들을 갖는다.
장력 보강 층은, 예를 들어, 섬유-보강된 에폭시 복합재들 또는 내식성 금속 시트를 포함하는(하지만, 이에 제한되지 않음) 임의의 고 인장 강도, 고 인장 탄성률 재료(high tensile modulus material)로 만들어진다. 에폭시 복합재들은 내부-재료 접합 강도를 최대화하기에 바람직하다.
0도/45도/45도 및 600/300/300gm/m2 중량의 통상적인 값들을 갖는 3축 부직/스티치형(stitched) 매트(mat)가 또한 적합하다. 3축, 2축, 또는 단축(uniaxial), 직조 또는 부직 매트들은 또한, 바람직하게는, 적어도 동일한 복합재의 섬유 보강재 및 바람직하게는, 설치 후에 라이저의 축방향으로의 중량 및/또는 강도에서의 상당히 보다 큰 편향을 갖는 인장 보강 층에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 3축 부직/스티칭된 매트(0도/45도/45도, 600/300/300gm/m2)의 2개의 층들이 사용되며, 매팅들(mattings) 둘 모두에서의 0도의 방향으로의 주요 보강재는 축방향으로 정렬된다.
적합한 매팅 재료들은 유리, 탄소, 아라미드, Dyneema® 또는 임의의 다른 고강도, 고탄성률 섬유 또는 이들의 임의의 조합이다. 유리 매팅이 보강 층으로 사용된다면, 총 매팅 보강 중량은 450gm/m2를 초과해야 하고, 그리고 7200mg/m2와 같이 높아야 한다. 다른 섬유 매팅 중량들은 이들의 탄성 특성들에 대해 비례하는 양들로 사용되어야 한다.
바람직하게는, 인장 보강 층은 적층되며, 이 적층은 그의 보강 특성들에서 방향성이 있다. 바람직하게는, 적층의 편향은 축방향 정렬을 향하며, 즉 라이저의 방향으로 그리고 클램프 리딩 에지에 평행하다. 선택적으로, 인장 보강 층은 사전-제작될 수 있고 그리고 적층에 의해 인시츄로(in situ) 생성되는 것보다는 오히려, 폴리우레탄 코어 상에 접합될 수 있다.
적층된 재료는 수지, 예컨대, 중합체 수지 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 적층된 재료는 중합체 함침된 매트 재료, 예컨대, 중합체-함침된 직조 매트 재료를 포함할 수 있다. 다른 적층 또는 함침 수지들은, 예컨대, 불포화 폴리에스터, 비닐 에스테르 또는 페놀 열경화성 및/또는 열가소성 수지들에 제한되지 않는 본 발명의 인장 보강 층과 함께 사용될 수 있다. 사용될 수지의 유형은, 적층이 발생하는 클램프 본체의 특성 및 사전-제조된 적층물들의 접합에 적합한 접착제들의 이용가능성에 따라 변할 수 있다.
장력 보강 층은 폴리우레탄 코어 상에 얇은 층으로 적용된다. 인장 보강 층은 두께가 약 3mm 내지 20mm일 수 있지만, 바람직하게는 두께가 약 5mm일 수 있다. 보강재의 두께는 특정한 클램프의 굽힘 하중들 및 요구되는 강성도의 균형을 맞추도록 맞춰진다. 폴리우레탄 두께는 전체적으로, 부력의 지탱 영역 요건들(bearing area requirements of buoyancy)을 가지고 그리고, 결국 단면 인장률(sectional modulus)을 개선하여 따라서 성능을 증가시키는 외부 인장 보강 층의 외경을 벗어나는(stepping out) 기하학적 제한들에 따를 것이다.
층은 폴리우레탄 코어(12) 상에 접합될 수 있다.
대안적으로, 폴리우레탄 코어는 준비될 수 있으며, 그리고, 일단 클램프가 아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같이 튜브형 부재 상에 장착된다면, 인장 보강 층들은 각각의 측면 상에 놓이고 그리고 제위치에 유지된다.
애퍼처들(18)은 제1 및 제2 아치형 플레이트들의 내부 커브형 에지들(6)에 인접한 측면 상의 인장 보강 층에 제공된다. 애퍼처들의 쌍은 인장 보강 층의 3개의 직선형 섹션들(15)의 각각에 제공된다(하나의 애퍼처는 제1 아치형 플레이트에 인접하며 그리고 다른 애퍼처는 제2 아치형 플레이트에 인접함).
세장형 금속 로드들(elongate metal rods)(19)은 아래에서 추가적으로 설명되는 바와 같이 아치형 플레이트들에 대응하는 애퍼처들을 통해 장착된다. 금속 로드들의 길이는, 각각의 로드의 단부가 제1 및 제2 플레이트들(4, 5)의 표면 바로 아래에 또는 이 표면과 수평으로 놓이게 한다.
복수의 클램핑 부재들(20)은 세그먼트들의 내부 커브형 에지(6)에 인접하게 장착된다. 예시된 실시예에서, 3개의 클램핑 부재들(20)이 제공되며, 각각의 클램핑 부재는 보강 부재의 직선형 에지형 부분들(15) 중 하나에 고정된다. 클램핑 부재들은, 튜브형 부재의 외부 표면과 클램핑 세그먼트들의 내부 표면 사이의 밀착 끼워 맞춤(tight fit)을 보장한다.
각각의 클램핑 부재는, 고무와 같은 탄성 재료의 실질적으로 직사각형 블록(21)을 포함한다. 고무에 적합한 재료들은 낮은 응력 완화 속도들, 해수에 대한 높은 내성, 및 고 내열성을 가지는 것들뿐만 아니라, 하중을 받는 상태에서 액체와 같은 거동을 초래하는, 즉, 하중을 받는 상태에서 체적 변경이 사실상 없는(푸아송비(Poison's ratio)가 0.5에 가까운) 것들이다. 천연 고무의 대부분의 등급들은 0.49995 초과의 값을 갖는다. 등급들은 또한, 매우 높은 탄성을 가지며 ─ 고무 상의 하중이 감소될 때, 고무는 신속하게 회복된다. 이것이 발생하지 않았다면, 미끄러짐(slip)은, 라이저가 수축할 때 가능할 수 있다. 바람직하게는, 고무는 Engineering VulcanzateTM과 같은 천연 고무이다.
도 3에서 가장 명백하게 도시되는 바와 같이, 클램핑 부재들은, 보강 부재의 내부 면 상에 제위치에 고정되게 고정 부재들을 고정시키기 위해 스크류들 또는 볼트들(23)과 같은 고정 부재들이 클램핑 부재들을 통해 그리고 보강 부재(11)의 애퍼처들로 지나가는 것을 가능하게 하는 애퍼처들(22)을 갖는다. 클램핑 부재들의 외부 표면(24)은, 튜브형 부재의 외부 표면에 순응하도록 그리고 튜브형 부재(2)의 외부 표면에서 임의의 불규칙부들을 차지하도록 성형될 수 있다. 클램핑 부재들은 실질적으로, 클램프 세그먼트들의 아치형 플레이트들의 오버행(overhang) 사이에서 연장한다.
사용시에, 3개의 클램프 세그먼트들은 튜브형 부재의 외부 표면에 접하는 아치형 플레이트들의 내부 커브형 에지들(6)에 인접한 클램핑 부재들(20)을 갖는 튜브형 부재(2) 주위에 위치결정된다.
그 후, 표준 볼트식 패스너들(standard bolted fasteners)이 금속 로드들을 연결시키고 그리고 세그먼트들을 함께 유지하기 위해 클램핑 컴포넌트들의 측면들의 애퍼처들을 통해 지나간다.
도 4에서 도시되는 바와 같이, 인접한 세그먼트들(3)의 에지들은 함께 가깝게 당겨지고 그리고 튜브형 부재의 외부 표면에 맞닿게 견고하게 클램핑 부재들(20)을 유지하기 위해 제위치에 견고하게 유지된다. 클램핑 부재들은 튜브형 부재 주위에서 고무 스프링들로서 작용한다. 이러한 포지션에서, 플레이트들의 외부 커브형 에지(7)에 근접한, 보강 부재(11)의 외부 층(17)은 인장 상태로 유지되는 반면, 제1 및 제2 플레이트들의 내부 커브형 에지(6)에 근접한, 보강 부재의 내부 표면은 압축 상태에서 유지된다.
장력 보강 층을 갖는 클램핑 컴포넌트들의 폴리우레탄 코어(12)의 각각의 측면을 지지함으로써, 폴리우레탄 코어는 전체적인 표면에 걸친 인장 보강 층들 사이에서 효과적으로 끼워넣지며, 이에 의해, 폴리우레탄 코어가 여전히 보강 층과 관계없이 구부러질 수 있고 그리고 휘어질 수 있는 반면, 클램프의 외부 및 내부 표면들 상에서 구부러지는 둘 모두에 의해 경험되는 하중들이 제한되며, 따라서 결국 코어에서의 휨 응력을 감소시키고 그리고 이에 의해 폴리우레탄 코어 내에 크리프를 감소시키는 코어를 강성화한다.
이는 클램핑 컴포넌트들의 크기 및 이에 따라 클램프의 크기를 증가시킬 필요 없이 클램핑 컴포넌트들의 내크리프성에서의 개선을 제공한다.
본 발명에 따른 클램프 컴포넌트들의 제2 실시예는 도 5 내지 도 7에서 도시된다. 이러한 실시예에서, 복수의 클램프 세그먼트들(30)은 성형 공정에서 함께 형성된다. 트로프 금형(trough mould)(미도시됨)이 준비되며, 이 트로프 금형에서, 금형의 저부는 제1 실시예의 세그먼트들의 내부 아치형 에지에 대응하는 클램프 컴포넌트들의 내부 에지를 형성할 것이다. 금형의 저부는 테이퍼진 사이드 에지들을 갖는 상승된 중심 부분을 갖는다. 이는 클램프 세그먼트들의 내부 표면의 3개의 직선 에지형 섹션들(31)을 형성할 것이다.
트로프의 상부 부분은, 각각의 세그먼트의 외부 에지(32)가 실질적으로 아치형인 것을 보장하도록 그리고 각각의 클램프 섹션의 각각의 단부에서 증가된 두께(33)의 영역들을 제공하도록 성형된다.
제1 실시예에 관하여 전술된 것과 같은 인장 보강 재료(34)의 코팅은 금형의 저부에 적용된다. 인장 보강 층은 드레이핑되거나(draped) 금형 내로 펌핑될 수 있다. 재료의 두께는 약 3 내지 20mm일 수 있다.
그 후, 전술된 바와 같은 폴리우레탄(35) 또는 나일론은 인장 보강 층을 커버하기 위해 그리고 실질적으로 금형을 채우기 위해 금형 내로 펌핑된다. 그 후, 추가의 인장 보강 층은 금형에서 폴리우레탄에 걸쳐 적용된다. 그 후, 폴리우레탄은 금형에서 경화하도록 허용하고, 그리고 인장 보강 층들 사이에 효과적으로 끼워넣어진다.
그 후, 성형된 스트립은 통상적으로 15 내지 45분 후에 금형으로부터 제거되고 그리고 약 24 내지 48시간 동안 그리고 도 5에서 도시되는 바와 같이 자연 냉각되고 그리고 도 6에서 도시되는 바와 같이 개별적인 클램프 세그먼트들로 절단되어 기계가공되도록 허용된다. 스트립으로 절단되는 에지들은, 클램프가 조립될 때 클램핑 세그먼트의 상부 및 하부 에지들을 형성할 것이다.
대안적으로, 금형은 세그먼트들의 폴리우레탄 코어의 형상을 정하는 데 사용될 수 있으며, 그리고 인장 보강 층은 별도로 준비될 수 있고 그리고 크기가 정해지도록 절단될 수 있고 그리고 구별된 세그먼트들의 각각의 측면에 걸쳐 적용될 수 있고 그리고 폴리우레탄 코어에 접합될 수 있거나 폴리우레탄 코어의 측면들 상에 자유롭게 부유하는 것이 허용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 전체적인 보강 층은 재료의 코어의 전체적인 대향 표면들과 직접적으로 접촉한다.
도 5 및 도 6에서 도시되는 바와 같이, 각각의 클램프 세그먼트는 유리 섬유 또는 탄소 섬유 중합체 재료의 내부 층 및 외부 층을 갖는 폴리우레탄의 코어로 형성되는 실질적으로 아치형 본체를 포함한다. 사용시에, 내부 층은 튜브형 요소(2)의 외부 표면에 근접할 것이며, 그리고 외부 층은 튜브형 요소로부터 멀리 있을 것이다.
클램핑 세그먼트들은, 컴포넌트의 단부들에서의 증가된 두께(33)의 영역 및 이러한 증가된 두께 영역 바로 뒤에서 외부 표면 상에의 오목부(37)를 갖는다. 클램프 세그먼트들의 각각의 단부에서 증가된 두께의 영역 내로 슬롯(38)이 절단된다. 이러한 실시예에서, 제1 실시예의 제1 및 제2 아치형 플레이트들은 클램프 세그먼트들의 보강된 본체와 일체형으로 형성된다. 이는 클램핑 세그먼트들에 대한 중량 절약뿐만 아니라 제작 시간 및 재료 비용들에서의 감소들을 제공한다.
이러한 실시예의 사용시에, 3개의 클램프 세그먼트들이 세그먼트들의 성형된 스트립으로부터 준비된다. 슬롯(38)은 세그먼트들의 각각의 단부에서 증가된 두께(33)의 영역에서 형성되며, 그리고 클램핑 컴포넌트들은 클램프 부재들의 내부 표면 상에 장착된다. 제1 실시예와 마찬가지로, 3개의 클램핑 컴포넌트들(20)이 클램프 세그먼트의 내부 표면 상에 장착되며, 하나의 컴포넌트는 클램핑 세그먼트의 3개의 직선 에지형 섹션들의 각각 상에 제공된다. 클램핑 컴포넌트는 제1 실시예에서 설명된 바와 같을 수 있고 그리고 적합한 고정 수단(미도시됨)을 통해 클램핑 세그먼트의 내부 에지에 장착될 수 있다.
금속 바(미도시됨)는 클램핑 세그먼트들의 단부들에서 증가된 두께의 영역 뒤에서 오목부에 배치된다. 금속 바는, 클램핑 세그먼트의 높이와 동등하거나 약간 더 작은 길이를 갖는다. 타이 바(tie bar)(미도시됨), 볼트 또는 스레드형 바는, 2개의 인접한 클램핑 세그먼트들의 금속 바들을 함께 연결시키기 위해 금속 바를 통해 그리고 슬롯들을 통해 지나간다.
제1 실시예와 마찬가지로, 유리 섬유 중합체 또는 탄소 섬유 중합체에 의해 제공되는 보강 층은 개선된 내크리프성 특성들을 폴리우레탄 코어에 제공한다. 이는, 클램프 세그먼트들이 튜브형 요소 상에 제위치에 클램프를 고정되게 유지하기 위해 튜브형 요소를 둘러쌀 때, 하중이 클램프 세그먼트들에 적용될 수 있는 것을 의미하며, 그리고 시간 경과에 따른 폴리우레탄의 변형 속도는, 이러한 재료로 형성되는 클램프 컴포넌트들의 예상되는 수명이 증가될 수 있도록 감소될 것이다. 또한, 클램프 컴포넌트들은, 보다 큰 부력 모듈들이 제조되는 것을 허용하는 큰 축방향 하중들을 수용하도록 설계될 수 있다. 이는, 특히 해안 및 해저 석유 및 가스 산업의 혹독한 환경 조건들에서의 사용을 위한 클램프 컴포넌트들에 대해 상당한 이점을 제공하며, 여기서 컴포넌트들은 극도의 작동 압력들 및 온도들을 겪는다.
제2 실시예를 참조로 하여 설명되는 바와 같이 클램프 세그먼트들의 성형이 내부 보강된 코어로 클램프 세그먼트들을 형성하는 것보다 덜 시간 소모적이고 그리고 이에 따라 제작하기에 보다 효율적이며, 이는 시간 및 비용 절약들로 이어지는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 보강된 내부 및 외부 층들이 폴리우레탄 내부 코어로 직접적으로 형성되는 전술된 실시예에서, 코어를 성형하고 그리고 기계가공하는 비용은 감소되고 그리고 그러므로 효율 절약들(efficiency savings)을 제공한다. 추가적으로, 복수의 클램프 세그먼트들이 단일 성형 작동시에 형성됨에 따라, 이는 효율 및 신뢰도에서의 추가의 개선들을 제공하는 인접한 클램프 컴포넌트들 사이의 임의 재료 차이들을 제한한다.
설명에서, 튜브형 부재들의 수개의 예들이 주어졌으며 그리고 당업자는, 이러한 용어가, 예를 들어, 점퍼들(jumpers) 및 스틸 캐티너리 라이저들(steel catenary risers)을 포함하는 것을 커버하는 많은 다른 구성 요소들이 존재하는 것을 이해할 것이다.

Claims (30)

  1. 강성 폴리우레탄의 코어 층(core layer)을 포함하는 내크리프성 재료(creep resistant material)로서,
    상기 강성 폴리우레탄의 코어 층은 하나의 표면 상에 적용되는 제1 인장 보강 층(tensile reinforcement layer) 및 상기 코어 층의 다른 대향 표면 상에 적용되는 제2 인장 보강 층을 가지며, 상기 각각의 전체적인 제1 및 제2 인장 보강 층들은 상기 재료의 코어 층의 각각의 제1 및 제2 표면에 접촉하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인장 보강 층들은 상기 재료의 코어 층의 상기 각각의 전체적인 제1 및 제2 표면들과 접촉하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 중합체 재료는 나일론을 더 포함하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인장 보강 층들은 상기 재료의 코어 층보다 더 높은 인장 탄성률(tensile modulus) 및 더 높은 인장 강도(tensile strength)를 가지는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인장 보강 층들은 섬유-보강된 복합 재료 또는 내식성 금속 시트(corrosion resistant metal sheet)를 포함하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 인장 보강 층들은 직조(woven) 또는 부직 매트 재료(non-woven mat material)를 포함하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 매트 재료는 3축, 2축 또는 1축의 매팅(matting)인,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 인장 보강 층은 함께 그리고/또는 상기 코어 상에 적층되는 재료의 2개 이상의 층들을 포함하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 층들은 상기 재료의 코어에 접합되는,
    강성 폴리우레탄의 코어 포함하는 내크리프성 재료.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인장 보강 층들은 두께가 약 3mm 내지 20mm인,
    강성 폴리우레탄의 코어 포함하는 내크리프성 재료.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 인장 보강 층들은 두께가 약 5mm인,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료의 코어는 60 쇼어 D보다 더 큰 경도를 갖는 강성 폴리우레탄을 포함하는,
    강성 폴리우레탄의 코어 층을 포함하는 내크리프성 재료.
  13. 파이프(pipe), 라이저(riser), 엄빌리컬(umbilical), 샤프트(shaft) 또는 맨드릴(mandrel)과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프로서,
    상기 클램프는 상기 튜브형 부재를 둘러싸도록 적응되는 하나 이상의 세그먼트들을 포함하며, 각각의 세그먼트는 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 내크리프성 재료를 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 클램프 세그먼트들은 하나 이상의 스파들(spars)에 의해 서로 이격되는 제1 및 제2 아치형 섹션들(arcuate sections)을 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스파들은 상기 아치형 섹션들의 단부들에 제공되는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  16. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 상기 내크리프성 재료는 상기 클램프 세그먼트들의 아치형 섹션들 사이에서 연장하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  17. 제14 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클램프의 상기 아치형 섹션들은 폴리우레탄을 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  18. 제13 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클램프는 상기 튜브형 부재를 함께 둘러싸는 3개의 세그먼트들을 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  19. 제13 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 클램프 세그먼트들 사이의 연결을 가능하게 하기 위해 상기 클램프 세그먼트들 상에 제공되는 고정 수단(fixing means)을 더 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  20. 제13 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 클램프 세그먼트는 상기 세그먼트의 각각의 단부에서 확대된 두께의 영역을 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 확대된 두께의 영역들은 상기 세그먼트들의 단부들에서 숄더(shoulder)를 형성하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 고정 수단은 상기 인접한 클램프 세그먼트들의 확대된 두께의 영역들을 연결시키는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  23. 제13 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클램프는 상기 각각의 클램프 세그먼트의 내부 표면 상에 장착되는 하나 이상의 클램핑 요소들을 더 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 클램핑 요소들은 상기 클램프 세그먼트들의 보강 층에 장착되는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  25. 제23 항 또는 제24 항에 있어서,
    상기 클램핑 요소들은 탄성 재료를 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 클램핑 요소들은 고무를 포함하는,
    파이프, 라이저, 엄빌리컬, 샤프트 또는 맨드릴과 같은 튜브형 부재 주위에 장착하기 위한 클램프.
  27. 제13 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 따른, 클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법으로서,
    상기 방법은, 클램프들의 다수의 세그먼트들을 형성하도록 형상이 정해지는 트로프 금형(trough mould)을 제공하는 단계, 상기 금형을 폴리우레탄으로 부분적으로 채우고 그리고 상기 폴리우레탄을 상기 금형에서 경화하는 것을 허용하는 단계, 상기 금형으로부터 경화된 강성 폴리우레탄 재료를 제거하고 그리고 세그먼트들을 분리하기 위해 개별적인 세그먼트들을 가르고(cutting through) 그리고 상기 폴리우레탄 세그먼트들의 각각의 하나의 측면에 제1 인장 보강 층을 적용하는 단계, 및 상기 폴리우레탄 세그먼트들의 다른 대향 측면에 제2 인장 보강 층을 적용하는 단계를 포함하는,
    클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 보강 재료는, 상기 폴리우레탄이 상기 금형에 부가되기 전에, 상기 금형의 내부 표면들을 코팅하기 위해 상기 금형에 걸쳐 드레이핑되거나(draped) 상기 금형 내로 펌핑되는,
    클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 폴리우레탄은 보강재로 덮여진(reinforcement covered) 상기 금형의 내부 표면들 상에서 상기 금형 내로 펌핑되는,
    클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법.
  30. 제27 항 내지 제29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이격된 간격들로 상기 성형된 컴포넌트들을 가르는 기계에 의해 상기 클램프의 개별 성형된 세그먼트들을 분리하는 단계를 더 포함하는,
    클램프의 컴포넌트들을 형성하는 방법.
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