NO151664B - Gelplugg for anvendelse ved legging av en offshoreroerledning fra et roerleggingsfartoey eller for forsegling av endende av en slepbar roerseksjon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en gelplugg for anvendelse ved legging av en offshore-rørledning fra et rørleggingsfartøy eller for forsegling av endene av en slepbar rørseksjon.

Når den ene ende av en lang rørledning som hviler horisontalt på en flat overflate, heves vertikalt, vil røret bøyes på grunn av vekten av det ikke understøttede rørsegment. Den maksimale bøye-spenning opptrer i bendet nær eller ved den horisontale overflate. Dette bend betegnes vanligvis som underbendet. Etterhvert som rørenden heves stadig høyere, øker bøyespenningen i underbendet. Avhengig delvis av rørdiameteren, veggtykkelsen, metallets strekkfasthet og det ytre trykk på røret vil røret klappe sammen når trykk- og strekkreftene som utvikles langs bendet, overskrider metallveggenes fysiske styrke. Sammenklappingen kan resultere i opprivning av rørveggen eller i annet brudd på denne. Når dette skjer under vann, såsom ved en undervannsrørleggingsoperasjon,

■fcaler man om en våtbule. Den frie ende av et forankret, horisontalt rør kan heves høyere før sammenklapping inntrer, dersom røret strekkes, d.v.s. holdes under strekk. Opphør av evnen til å

holde røret strukket, hvilket eventuelt kan skyldes at ankeret til et leggefartøy har sluppet, kan føre til en våtbule på røret. Vannet som derved trenger inn med stor hastighet i røret gjennom bruddet kan fylle en vesentlig del av røret før korrigerende foranstaltninger kan foretas. Videre vil vannet føre med seg u-ønskede og vanskelig fjernbare forurensninger, såsom" slam, sand og steiner, inn i røret. Før leggingen kan gjenopptas blir røret vanligvis blåst fritt for vann, slik at bruddenden kan tas opp. Våtbuler kan således resultere i betydelige forsinkelser.

Rørledninger kan også bli brudt eller punktert av fremmedlegemer på andre steder enn i underbendet. Skipsankere er et eksempel på slike fremmedlegemer. Vann som strømmer gjennom brudd-stedene, vil nå underbendet og begynne å fylle den vertikale del av røret. Den ytterligere, ikke understøttede vekt vil i sin tur føre til en våtbule ved underbendet.

En metode til nedgraving av et rør som ligger på havbunnen, går ut på å fjerne grunnen under røret med vannstråler av stor hastighet, hvilke suspenderer artiklene, slik at røret synker ned i den oppslemmede grunn. Et luftfylt rør vil på grunn av dets lette vekt i vann ikke så lett synke ned i suspensjonen. Skjønt man ved fylling av røret med vann før grøften dannes kan redusere tiden, kraftforbruket og kostandene for nedgravingen av røret, vil vannet også kunne føre til våtbuler som ovenfor nevnt.

En kappe for å øke vekten, såsom en betongkappe, kan på-føres rør av stor diameter for å få det til å synke i vann. Vanligvis vil rørlegningsutstyrets kapasitet til å behandle tungt gods og økonomiske faktorer begrense mengden av slike belegg eller kapper til det minimum som er nødvendig for at røret skal få en negativ oppdrift i vann. Det luftfylte rør som hviler på havbunnen har således en tetthet som er nær vannets tetthet, og røret vil således lett kunne bli medført av strømninger som kan danne hvirvler bak røret. Dersom disse hvirvler har samme fre-kvens som en av rørets naturlige frekvenser, kan de fremkalle en vibrerende bevegelse i røret, med det resultat at de resul-terende spenninger fører til at betongen skaller av røret, slik at røret får oppdrift. Det er således ønskelig å fylle røret med vann men samtidig på en eller annen måte unngå det ovennevnte problem med våtbuler.

For å løse de ovenfor omtalte problemer er det i henhold til US patentskrift nr. 4 252 465 tidligere blitt foreslått å anvende en bevegelig gelplugg i røret, spesielt i en offshore-rørledning. Gelpluggen som beskrives i nevnte US patentskrift nr. 4 252 465, kan f.eks. være sammensatt av hydrocarbonvæsker, fettsyrer, baser og fyllstoffer, og dens egenskaper kan innen visse grenser tilpasses ved avpasning av konsentrasjonen og typen av disse bestanddeler.

Når en slik gelplugg anvendes under legging av en offshore-rørledning, vil pluggen kunne skille en vannfylt del av rørled-ningen fra en luftfylt del og således tillate en økning av vekten av et fullført rørledningsavsnitt ved vannfylling inntil en forhåndsbestemt avstand fra et opererende rørleggingsfartøy.

Gelpluggen ønskes sammensatt slik at: (1) den kan pumpes med lav hastighet i en undervannsrørledning med stor diameter ved et forhåndsbestemt trykk og ved stans i pumpningen stoppe og stå imot den hydrostatiske kraft som utøves av en relativt høy

vannsøyle, (2) den kan pumpes mange kilometer uten å miste

denne evne, (3) den ikke forurenses av eksisterende belegg på rør-veggen eller av sjøvann og avfall som kan trenge inn i røret under konstruksjonen, og (4) den etter å ha stått i røret i inntil 1 år eller lengre er i stand til å beveges ved det ovenfor omtalte forhåndsbestemte trykk.

Det har nu vist seg at en gelplugg med optimale egenskaper kan oppnåes når en vegetabilsk olje benyttes som en av bestand-delene i gelpluggen. I henhold til oppfinnelsen tilveiebringes det således en gelplugg for anvendelse ved legging av en offshore-rørledning fra et rørleggingsfartøy eller for forsegling av endene av en slepbar rørseksjon, hvilken gelplugg er av den type som er beskrevet i US patentskrift nr. 4 252 465 og omfatter en olje,

en fettsyre, et partikkelformig fyllstoff og eventuelt en base og/eller en syntetisk polymer. Den nye gelplugg er særpreget ved at oljen er en vegetabilsk olje.

Meget velegnede vegetabilske oljer for anvendelse i gelpluggen ifølge oppfinnelsen er tallolje og soyaolje.

En slik bevegelig gelplugg kan innføres i en' undervanns-rørledning fra den landfaste ende og kan etterfølges av et under trykk stående vann som skyver pluggen frem til den ønskede posi-sjon. Denne del av rørledningen vil så synke på grunn av den økede vekt. Når den ikke avsluttede ende av rørledningen midlertidig forlates (grunnet værforhold osv.) blir luft innesluttet i den uavsluttede ende, som forsynes med en hette. Trykket økes i den landfaste ende for derved å redusere luftvolumet, hvorved rørledningen synker. For oppfangning av den uavsluttede ende er det bare å redusere trykket.

Gelpluggen kan også anvendes i et røravsnitt for midlertidig å hindre sjøvann i å strømme inn i røret under sleoing i tom til-stand til arbeidsstedet. Rørledninger byaaes av og til opp ved skjøting av lanae røravsnitt, som fremstilles på land og deretter taues eller slepe.s til installasjonsstedene for sammenkobling med rørledningen. Ved disse operasjoner er det ønskelig å redusere vekten av røravsnittene med oppdriften av det luftfylte rør. Gel-plugger anbringes derfor i hver ende av slike røravsnitt for å hindre oppfylling med v?nn under sleping av røret.

Kravene til en gelplugg for undervannsrørledninger

er helt spesielle og avviker fra kravene til materialer såsom borevæsker, slampakninger, produktskillemedier og rørlednings-skrapere. Slike materialer er ikke sammenlignbare med gelpluggen ifølge op<p>finnelsen. Den bevegelige gelplugg er en Bingham-plastisk væske med høy flytegrense, høy viskositet og lav gel-styrke. Flytegrensen er uavhengig av skjærs<p>enninger, skjær-hastigheter, totale arbeidsbelastninger og tid. Plastiske væsker ble av Bingham definert som væsker med en flytegrense som må overskrides for å kunne initiere strømning. Enda viktigere for den bevegelige gelplugg er det at strømningen o<p>phører når den påtrykte kraft er mindre enn den kraft som kreves for å overvinne flytegrensen. Bingham-plastiske væsker som oppviser tiksotrope egenskaber (f.eks. ved at deres strømningsegenskaper er tidsav-hengige), er uegnede for anvendelse i forbindelse med oppfinnelsen. Når en tiksotrop væske tillates å stå i ro, bygges der opp en gelstruktur. Når spenninger påtrykkes, brytes gelstrukturen når gelstyrken overskrides. Ved bevegelse reduseres gelstrukturen ytterligere, hvorved strømningsmotstanden avtar.

En tiksotrop, plastisk væske vil, ved lave -trykk, når det påtrykkes en kraft som er større enn den motstandskraft som svarer til flytegrensen, vanligvis strømme som en plugg som smøres av en tynn væskefilm ved rørveggen, i hvilken det opptrer meget store skjærkrefter. Følgelig er ikke-tiksotrope Bingham-plastiske væsker den beste type væske for den bevegelige gelplugg. Ettersom flytegrensen for en plastisk væske kan avhenge av friksjonen mellom partikler, spesifikke overflatearealer og tiltreknings-krefter mellom partikler, har gelpluggen ifølge op<p>finnelsen også en høy konsentrasjon av små, faste partikler.

Den adhesive binding mellom gelpluggen og rørveggen krever større krefter for å brytes enn den kraft som er nødvendig for å overvinne flytegrensen. I motsatt fall ville kraften som kreves for å bevege pluggen, være lik kraften som kreves for å overvinne den adhesive binding og ikke flytegrensen. Gelpluggen ifølge oppfinnelsen har evne til å hefte til rørveggen enten denne er oljefuktet, vannfuktet eller belagt med malinger eller smuss. På grunn av dette krav gjøres der i gelpluggen bruk av polare, aromatiske, sure, umettede og vedheftende polymere materialer.

Dersom f.eks. den maksimale dybde for rørledningen under den midlere havoverflate er 161,5 m og høyden av en på kysten installert vannpumpe over den midlere vannstand er 15 m, vil den maksimale hydrostatiske høyde som en gelplugg i rørledningen, som etterfølges av vann, kan bli utsatt,for være 176,5 m. Dersom man forsiktig antar at rørledningen fylles med behandlet sjø-vann av saltinnhold 3,5% og temperatur 4°C, vil vannsøylen på 176,5 m svare til et hydrostatisk trykk på ca. 18 kg/cm . Pluggen må, som et minimum,være i stand til å motstå dette trykk uten å settes i bevegelse. Høyere flytegrense (initiering av bevegelse) er imidlertid ønskelig på grunn av inntrengning av vann i gelpluggen, hvilket fører til nedsatt flytegrense for pluggen. For plugger som ikke er blandbare med vann, vil vann som trenger inn, føres gjennom pluggen i dennes midtparti og avsettes ved den fremre ende. Ved fortsatt bevegelse av pluggen skyves vannet foran pluggen uten at det inntrer blanding av de to faser. I den tid vannet befinner seg inne i gelpluggen, oppviser pluggen som helhet en lavere flytegrense og viskositet. Kilder for vanninntrengning er vann som slipper forbi vann/gelplugg-separatorer,og brudd på rørledningen. Gelpluggen ifølge oppfinnelsen tillater ikke vann å slippe forbi under norma] drift,men vil gjøre det når pluggen passerer gjenstander som er etterlatt i.r<*ret. Tilfeldige brudd i den fremre del av pluggen, hvor det indre trykk er mindre enn det hydrostatiske trykk av det omgivende sjøvann, vil på tilsvarende måte muliggjøre inntrengning av vann. Lednings-brudd ved den bakre ende av pluggen vil føre til uttømning av gel i sjøvannet. I tillegg til de ovennevnte tilfeldige tap av gel er det enkelte ganger et kontinuerlig tap forbi separa-torene ettersom pluggen beveger seg ned gjennom rørledningen.

I betraktning av de ovennevnte parametere foretrekkes det, som ovenfor nevnt, at gelmaterialene oppfører seg som Bingham-plastiske eller skjærkrafttynnende Binqham -plaster og at gelpluggens flytegrense overdimensjoneres med i enkelte tilfeller en faktor på ca. 2. Flytetrykket kan da være dobbelt så stort som det maksimale hydrostatiske trykk. Et annet krav til pluggen er at den, som et minimum, er i stand til å beveges med den maksimale rørleggingshastighet ved bruk av akseptable trykk. Dersom f.eks. den maksimale hastighet er 6 cm/sek., eller ca. 5,2 km pr. dag,

og trykkgrensen er ca. 154 kg.''cm o og det tillatte arbeidstrykk i rør-ledningen er fra 77 til 98 kg/cm 2, er det ønskelig at pluggen beveger seg med en hastighet av 6 cm/sek. når den utsettes for ca. 70 kg/cm 2. Korte plugger er uønskede fordi: (1) gelen med høy flytegrense som derved er nødvendig, er vanskelig å frem-stille og håndtere, (2) korte plugger oppbrukes raskere, idet det antas at mengden av gelmateriale som holdes tilbake i vann/ gel-separatorer er uavhengig av skjærkreftene, (3) reduksjonen av flytegrensen og viskositeten er større i korte plugger for en gitt vanninntrengning. På den annen side er også lange <p>lugger beheftet ulemper, såsom f.eks.: (1) den lave flytegrense gir større sannsynlighet for at vann skal kunne sive forbi vann/gel-separatorer, (2) kostnadene er omtrent proporsjonale med mengden, og (3) problemene forbundet med å kvitte seg av med gelpluggen er proprosjonale med lengden. Den foreliggende oppfinnelse re-presenterer et kompromiss mellom de ovenfor anførte kriterier for bestemmelse av lengden.

Hastigheten er omtrent proporsjonal med trykktapet og om-vendt proporsjonal med den plastiske viskositet. Trykktapet som vil opprettholde en gitt hastighet reguleres gjennom valget av viskositet. En høy viskositet, som gir et høyt trykktap, gir et tykt grenseskikt langs rørveggen. Gelmaterialet innenfor grense-skiktet beveger seg som en fast kjerne. Et tykt sekundærskikt gir god blanding og fornyelse av gelskiktet umiddelbart inn mot veggen, hurtigere enn tilfellet vil være med et tynt grenseskikt. Forurensning av veggskiktet med fremmedlegemer (rust, avfall,

olje, vann) og reduksjon i effektiviteten er også mindre frem-tredende med tykke grenseskikt. Vannfingre langs pluggen og rørveggen resulterer i en tynn ring i tilfeller hvor der anvendes materialer med høy flytegrense men lav viskositet. For høyviskøse materialer fraktes vannet langs den faste kjerne, hvilket medfører mindre reduksjon i pluggens effektivitet. Dessuten krever høy-viskøse plugger meget høye trykk for hurtig bevegelse, og slike trykk vil ikke alltid kunne tilveiebringes. Dessuten har høy-viskøse plugger en iboende sikkerhetsfaktor mot svikt i utstyret eller uforutsett gelsvikt, da de tillater lengere reaksjonstid

for rettelse av feilen. Sammenfattende kan det sies at høyviskøse gelmaterialer er ønskelige i den foreliggende oppfinnelse som følge av: (1) hurtigere fornyelse av forurensede veggskikt, (2) mindre sannsynliahet for vannfingre langs rørveggen, hvilke resulterer i total eller partiell pluggsvikt, og (3) øket reaksjonstid for retting av svikt i systemet eller dårlig funksjonering.

De tilgjengelige metoder for å kvitte seg med gelpluggen

vil avhenge av pluggens bestanddeler og av miljøvernkravene.

Det er meget sannsynlig at plugger av lav toksisitet såsom de av den foreliggende sammensetning, kan tømmes ut i havet. Dersom det faste fyllstoff er kalsiumcarbonat, hvorved pluggen får en spesifikk vekt på ca. 2,0, vil pluggen forbli i ro på havbunnen og etterhvert nedbrytes biologisk. Dersom uttømming i havet av en eller annen grunn ansees uakseptabel, kan pluggmaterialet enten fraktes til kysten, hvor man kan ta seg av det, eller det kan eventuelt renses og bortskaffes på samme måte som boreslam på oljebasis.

Under hensyntagen til de ovennevnte krav til gelpluggen

har systemer omfattende vegetabilsk olje, fettsyre, partikkelformig fyllstoff og eventuelt en base og en polymer vist seg å være egnede for denne applikasjon. Kombinasjoner av disse forbindelser muliggjør valg og kontroll av ønskelige gelpluggegenskaper. Eksempelvis øker flytegrensen ved tilsetning av fettsyre pluss base eller ved tilsetning av fettsyre pluss base pluss fyllstoff. Den plastiske viskositet kan økes ved tilsetning av oljeoppløse-lige polymere. Pluggen kan gjøres ikke-blandbar med vann eller ikke-fuktbar med vann ved tilsetning av mettede animalske fettsyrer pluss base. Stålfuktbarhet kan fremskaffes ved hjelp av utvalgte oljer og polymerer. Vegetabilske oljer som egner for anvendelse i oppfinnelsen, er soyaolje, tallolje, solsikkeolje, kokosnøttolje, bomullsfrøolje og maisolje. Soyaolje og tallolje foretrekkes.

Egnede fettsyrer som tilfredsstiller de ovenfor angitte fordringer, er destillerte soyafettsyrer, kapronsyre, laurinsyre, myristinsyre, palmitinsyre, stearinsyre og blandinger av slike. Stearinsyre foretrekkes.

For å øke viskositeten kan det anvendes en polymer såsom

et polybuten med lav molekylvekt (MWX 1000) .

Egnede baser for eventuell anvendelse i gelpluggen ifølge oppfinnelsen innbefatter natriumhydroxyd, kaliumhydroxyd og

•ammoniakk. Natriumhydroxyd foretrekkes.

Av de ovenfor beskrevne grunner anvendes der sammen med fettsyren og den vegetabilske olje et fyllstoff såsom kalsiumcarbonat, kullstøv, gips eller lignende.

Beregnet på den totale blanding utgjør den vegetabilske olje fra 5 til 30 vekt%, fettsyren fra 1 til 10 vekt% og fyllstoffet fra 50 til 80 vekt%. Dersom det anvendes en base, utgjør denne fra o,ol til 1 vekt%, og polymeren utgjør fra 1 til 20 vekt%. Blandingen av disse bestanddeler utføres fortrinnsvis etter den følgende fremgangsmåte: ikke-reagerende væskefaser blandes ved romtemperatur. Disse består av vegetabilsk olje og polymer. Blandingen opovarmes til fettsyrens smeltepunkt (smeltepunkt for stearinsyre = 69,6°C), og fettsyren tilsettes. Basen settes til fyllstoffet, helst jevnt og kontinuerlig. Fyllstoffet og basen settes så til blandingen av vegetabilsk olje, polymer og fettsyre. Den erholdte blanding omrøres og tillates å stå ca. 1 dag for herdning.

Eksempler

Den følgende tabell angir flere gelsammensetninger og egenskaper ved ca. 24°C.

Claims (6)

1. Gelplugg for anvendelse ved legging av en offshore-rørledning fra et rørleggingsfartøy eller for forsegling av endene av en slepbar■rørseksjon, omfattende en olje, en fettsyre, et partikkelformig fyllstoff og eventuelt, en base og/ eller en syntetisk polymer, karakterisert ved at oljen er en vegetabilsk olje.

2. Gelplugg ifølge krav 1, karakterisert ved at den vegetabilske olje er tallolje eller soyaolje.

3. Gelplugg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fettsyren er eller innbefatter stearinsyre.

4. Gelplugg ifølge krav 1-3, karakterisert ved at fyllstoffet er kalsium-carbona t.

5. Gelplugg ifølge krav 1-4, karakterisert ved at basen er natriumhydroxyd.

6. Gelplugg ifølge krav 1-5, karakterisert ved at polymeren er polybuten.