NO176529B - Rör av sammensatt materiale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ny, sammensatt rørkonstruksjon hvis lengde stort sett ikke vil variere under påvirkning av innvendig trykk.

Med sammensatt materiale menes et materiale bestående av innbyrdes parallelle fibrer, eksempelvis glassfibre, karbonfibre eller aramidfibre, som er innleiret i en matrise, f.eks. av termoplastisk eller varmeherdbart epoksyharpiks.

Nærmere bestemt har oppfinnelsen befatning med fremstilling av rør for transportering eller tilbakeholding av trykk-fluider, såsom vann eller hydrokarboner.

Rørene ifølge oppfinnelsen er særlig bestemt for anvendelse i forbindelse med oljeleting og oljeutvinning til havs, f.eks. som oppad- og nedadragende hoved- eller hjelpesøyler som danner forbindelse mellom sjøbunnen og en overflate-konstruksjon, såsom en bore- eller driftsplattform eller en overflatebøye. Slike søyler benevnes vanligvis "stigerør" eller "rørstreng".

De faste plattformer eller plattformer med strukkede

kabler vil under normal drift beskytte produksjonsrørene eller rørstrengene, uten å utsettes for det rådende trykk i forekom-sten. Stigerørene er imidlertid konstruert for å tåle innvendige trykk i tilfelle av uhell, f.eks. lekkasjer eller brudd i produksj onsrøret.

På grunn av sin store lengde vil disse stigerør påføres betydelige lengdeforandringer, særlig som følge av den opptredende strekkraft som skyldes virkningene ved bunnen av eventu-elle innvendige trykk i stigerørene, tyngden av rørene eller temperaturvariasjoner i disse. For å kompensere slike endrin-ger, blir rørene enten påført en betraktelig forspenning under strekking, eller holdes strukket ved hjelp av kompliserte strammingssystemer som frembringer en strekkraft som kan være konstant eller av en minimumsverdi i avhengighet av driftsfor-holdene .

Røret ifølge oppfinnelsen, som i fravær av innvendig trykk er meget fleksibelt overfor enhver strekkraft, er særlig egnet for anvendelse som stigerør av denne type, da det gjør det mulig å utsjalte hele eller en del av systemet som holder stigerøret under en strekkspenning i avhengighet av forlengel-sen.

I fravær av innvendig trykk vil hovedtrekkraften ved den øvre ende av røret tilsvare den som kreves for opptakelse av selve rørtyngden, multiplisert med en viss faktor større enn 1 (eksempelvis 1,7), for opprettholdelse av stigerørprofilen innen rimelige grenser, på tross av ytre krefter som eksempelvis kan skyldes brønnvirkningen for en nedsenket ledning.

Hvis et rør av kjent type utsettes for et tilfeldig trykk, vil trykket virke mot rørets øvre ende og derved over-føre en betydelig kraft som resulterer i at røret forlenges. En slik forlengelse må opptas av et strammingssystem, for å unngå sammentrykking av stigerørets nedre del.

Under påvirkning av et innvendig trykk vil røret ifølge oppfinnelsen bare forlenges i meget liten grad, eller overhode ikke, hvorved behovet for strammingssystem bortfaller.

Røret ifølge oppfinnelsen kan også anvendes som et pro-duksjonsrør eller stigerør som ender i en undervannsbøye, og i slike spesielle tilfeller blir rørene fastgjort i sine nedre og øvre ender uten et permanent strammingssystem. Rørmonte-ringen kan foregå under slike trykk- og temperaturforhold at rør av kjent type vil være tilbøyelig til å bules, hvilket motvirkes ved at rørene ligger an mot omgivende systemer (spesielt anordnede bulingsføringer) hvorved det eventuelt oppstår høye bøynings-trykkspenninger i de nedre ender. Ved anvendelse av rørene ifølge oppfinnelsen kan styresystemene reduseres eller utsjåltes, den innledende forspenningsprosess kan forenkles og bøynings-trykkspenningene ved rørfoten reduseres.

Røret ifølge oppfinnelsen kan også brukes som produk-sjonsrør eller som vann- eller gassinjeksjonsrør, eller enten innvendig i et av de ovennevnte stigerør eller direkte innvendig i brønnen, enten på land eller til havs. De rådende trykk- og/eller temperaturforhold er slik at de ledsages av en lignende tendens til buling hos rørene av kjent type som reagerer ved å tvinges mot foringsrørene i brønnen eller stigerørene, eller eventuelt ved å utvikle høye bøynings-trykkspenninger i sine nedre ender.

Ifølge oppfinnelsen kan den opprinnelige forspenning minskes eller bortfalle, eller systemet av glideskjøter ved foten utelates og erstattes av yttermantler, eller bøynings-spenningene ved foten reduseres.

Røret ifølge oppfinnelsen kan også anvendes i perifere ledninger på boresøyler som benyttes til havs for beskyttelse av borstrengene. De perifere ledninger kan bestå av sikker-hetsledninger (drepe- og strupeledninger) eller slaminjise-ringsledninger (trykkforsterkere). Rørene av kjent type er glidbare i endene. Under påvirkning av innvendig trykk utvik-les en ustabilitet i sideretning, motsvarende buling, som vil tvinge rørene ut av det tilhørende f©ringssystem, mens det ved anvendelse av et rør ifølge oppfinnelsen med innkapslede rørender, hvor de opptredende strekkrefter opptas av ende-anslag, er mulig å unnvære et midtre f©ringssystem.

Ifølge oppfinnelsen kan det også tilvirkes produksjonsrør eller -rørstrenger for brønner som er boret i fast undergrunn.

Videre kan røret ifølge oppfinnelsen benyttes som produk-sjonsrør i en brønn på land eller til havs, eller i et sjø-stigerør.

Oppfinnelsen kan også komme til anvendelse ved under-vanns-samleledninger som skal nedgraves, dvs. anbringes på bunnen av en grøft, for å unngå risiko for skade på grunn av sjøtrafikk.

Ledningene av hittil kjent type har i realiteten, etter å være nedgravd, tendens til å forlenges under trykkpåvirkning, hvilket medfører risiko for deformering og løfting vertikalt opp fra grøften, hvorved innleiringseffekten selvsagt bortfaller.

Slik risiko vil åpenbart reduseres ved bruk av røret ifølge oppfinnelsen.

De ovennevnte eksempler på bruk er på ingen måte begrens-ende.

De sammensatte rør vil generelt omfatte enkeltlag som er anbragt ovenpå hverandre og som hvert for seg består av fibre som forløper i samme eller i symmetriske vinkler i forhold til røraksen og er innleiret i en matrise. Denne matrisen kleber til fibrene.

Noen av disse lag kan være særlig innrettet for å motstå det rådende trykk i røret, eller innertrykk og andre krefter, spesielt strekkrefter. De trykkbestandige lag omfatter grupper av fibre som er slik viklet at de danner en stor vinkel med røraksen, mens de strekkbestandige lag derimot omfatter fibre som er viklet i en liten vinkel i forhold til røraksen.

De sammensatte rør av hittil kjente typer er konstruert for å tåle strekk- og innertrykkrefter, og vil forlenges betydelig under påvirkning av innertrykk.

I realiteten vil konvensjonelle, innertrykkbestandige rør av karbonfibre, aramidfibre eller glassfibre som påvirkes av innertrykk, stort sett forlenges med henholdsvis ca. 0,4%, 0,6% og 0,8% ved maksimalt arbeidstrykk.

Det sammensatte røret ifølge oppfinnelsen vil vise en meget mindre forlengelse, helt ned til null eller endog nega-tiv. På grunn av sine egenskaper kan det sammensatte mate-rialrør ifølge oppfinnelsen finne anvendelse på nye måter, samtidig som de ovennevnte ulemper reduseres.

Med mindre annet er angitt er i den etterfølgende beskri-velse av oppfinnelsen uttrykket "fibergruppe" ment å betegne en samling av parallelle fibre av samme materiale som er innleiret i en matrise, mens "lag" betegner én eller flere grupper av fibre som er viklet i en stort sett konstant vinkel av absolutt størrelse i forhold til vikleaksen og omfatter like andeler av fibre som er viklet i én retning i den ovennevnte vinkel, og fibre som er viklet i samme vinkel i den motsatte retning.

Hvert lag inneholder følgelig like mange fibre som er viklet i en vinkel theta i forhold til vikleaksen som antallet fibre som er viklet i vinkelen -theta i forhold til vikleaksen.

Endelig er kohesjonen i ett eller flere lag opprettet ved hjelp av matrisen som kleber til fibrene og danner et stort sett kontinuerlig medium.

Foreliggende oppfinnelse har således befatning med et rør av sammensatt materiale, som er lite påvirket av variasjon i forlengelse under påvirkning av innvendig trykk, omfattende et antall av stabile lag av armeringsfibre, hvor fibrene i hvert lag (i) er slik viklet at de danner samme vinkel, av absolutt størrelse theta, med røraksen idet et antall fibre er viklet i nevnte vinkel i en retning (|theta|) mens fibre i samme antall er viklet i den motsatte retning (-|theta|), hvor fibrene i hvert lag er innleiret i en matrise som kleber til disse fibre, og hvor fibrene i samme lag og den tilhørende matrise har et volum Y, og hvor de parallelle fibre i samme lag og den tilhørende matrise har en total elastisitetsmodul E i den naturlige fiberretning, karakterisert ved at antall (n) fiberlag sammen tilfredsstiller følgende forhold:

0,35 < A < 0,60 hvor A er lik følgende uttrykk:

hvor i er summeringsindeksen for de forskjellige fiberlag.

For å minske innvirkningen av en vinkelstillingsfeil ved fibrene i en gruppe, dvs. øke den aksepterbare toleranse vedrørende denne fremstillingsparameter, vil et forhold såsom: være å foretrekke eller ennu bedre et forhold såsom:

Armeringsfibrene kan bestå av glass, aramid, karbon eller andre, egnede materialer, enkeltvis eller i kombinasjon. Armeringsfibrene kan være anordnet i parvise grupper av iden-tiske fibre, hvor fibrene i den ene gruppe danner vinkelen +theta med røraksen, mens fibrene i parets annen gruppe danner vinkelen -theta.

I røret ifølge oppfinnelsen kan armeringsfibrene, ihvert-fall i ett av lagene, bestå av glass, karbon eller aramid.

Røret ifølge oppfinnelsen kan bestå av minst to lag, det ene med fibre som er viklet i en liten vinkel i forhold til

røraksen og det annet med fibre som er viklet i en stor vinkel i forhold til røraksen. Laget med liten viklingsvinkel kan ha en total elastisitetsmodul i fibrenes naturlige retning som er større enn den totale elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning hos laget med stor viklingsvinkel.

Ifølge oppfinnelsen kan det være anordnet minst to lag, det ene med fibre som er viklet i en vinkel av 55 - 90° og det annet med fibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrel-se 10 - 45°. Hvis røret bare har to lag, kan det ene lags totalvolum utgjøre 35 - 65% av lagenes samlede volum.

Røret ifølge oppfinnelsen kan innbefatte et lag med en viklingsvinkel av ca. 70° i forhold til røraksen og en total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning av 50.000 - 56.000 MPa, og røret kan også innbefatte et lag med en viklingsvinkel av ca. 26° i forhold til røraksen og en total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning av ca. 140.000 MPa og med et innbyrdes volumforhold av 55%-45% mellom 70°-laget og 2 6°-laget.

Det sammensatte lagmateriale ifølge oppfinnelsen kan omfatte et lag som er viklet i en vinkel av ca. 70° med rør-aksen og med en total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning av 50.000 - 56.000 MPa, og røret kan videre omfatte et lag som er viklet i en vinkel av ca. 30° i forhold til rør-aksen og med en total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning av ca. 100.000 MPa og med et innbyrdes volumforhold av ca. 50%-50% mellom 70°-laget og 30°-laget.

Røret ifølge oppfinnelsen kan omfatte minst ett lag med armeringsfibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrelse ca. 38° i forhold til røraksen, og minst ett lag med armeringsfibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrelse ca. 62° i forhold til røraksen, hvor de totale volum av 38°-laget og av 62°-laget utgjør henholdsvis ca. 4 5% og 55% av lagenes samlede volum.

Som tidligere nevnt, er således røret ifølge oppfinnelsen egnet for anvendelse i en stigerørkonstruksjon for en bore-eller produksjonsplattform. Røret kan likeledes benyttes som innvendig produksjonsrør i en brønn på land eller til havs eller inne i et sjø-stigerør.

Det henvises til den medfølgende tegning som viser et eksempel på et sammensatt rør ifølge oppfinnelsen.

Det viste rør omfatter en innerhylse 1 med en rekke utenpåliggende, sammensatte lag 2, 3, 4, 5, 6, 7 og 8, hvert for seg med grupper av armeringsfibre. Disse grupper kan f.eks. være anordnet vekselvis slik at gruppene 2, 4, 6 og 8 opptar trykkrefter og gruppene 3, 5 og 7 opptar strekkrefter.

Røret er følgelig forsynt med to rekker av sammensatte lag. De sammensatte lag 3, 5 og 7 i den første rekke består av karbonfiber som i forhold til røraksen er viklet symmetrisk i vinkler av +/- 26°, og det sammensatte materiale har en elastisitetsmodul eller Youngs-modul El = 140.000 MPa langs fiberaksen.

De sammensatte lag 2,4, 6, og 8 i den andre rekke er dannet av glassfibre som i forhold til røraksen er viklet symmetrisk i vinkler av +/- 70°, og det sammensatte materiale har en elastisitetsmodul E2 = 56.000 MPa langs fiberaksen. Rørets innerdiameter er 2 3 cm.

De samlede tykkelser er henholdsvis 0,75 cm for lagene i den første rekke og 0,91 cm for lagene i den andre rekke.

Lagenes harpiksmengder utgjør henholdsvis 40% for den første rekken og 33% for den andre. Den første lagrekke omfatter tre lag som er innskutt mellom fire lag i den andre rekke.

Volummengdene av de sammensatte glassmaterialer og av karbonsammensetningen utgjør henholdsvis 55% og 45%.

Under påvirkning av et trykk av 350 bar antar forholdet mellom rørforlengelsen en størrelse av 3,IO<-4.>

Det kan fremstilles et rør med meget liten forlengelsesgrad dersom de ovennevnte glassfibre erstattes av aramidfibre med lav elastisitetsmodul (KEVLAR 29). Sammensetningspropor-sjonene og viklingsvinklene opprettholdes uforandret.

Det kan også fremstilles et rør med meget lav forlengelsesgrad ved anvendelse av et sammensatt glassmateriale med fiberviklinger som danner en vinkel av 70° med røraksen, og et sammensatt aramidmateriale med høy elastisitetsmodul (KEVLAR 49) og med fiberviklinger som danner en vinkel av 30° med røraksen. Proporsjonene i det sammensatte glassmateriale og i det sammensatte KEVLAR-materiale er henholdsvis 50% og 50%.

Videre kan det fremstilles et rør med meget lav forlengelsesgrad dersom de ovennevnte lavmoduls-aramidfibre (eksempelvis KEVLAR 29) erstattes av glassfibre.

De sammensatte materialers proporsjoner og viklingsvinklene opprettholdes uforandret.

De sammensatte materialer KEVLAR 49 og KEVLAR 29 har en Youngs-modul i langsgående retning av henholdsvis ca. 100.000 MPa og 50.000 MPa. Betegnelsen KEVLAR 49 og KEVLAR 29 er varemerke registrert av firmaet Dupont de Nemours.

De ovennevnte eksempler er sammenfattet i nedenstående tabell:

På samme måte som ved fremstilling av rør av to sammensatte materialer, med meget lav forlengelsesgrad, kan det tilvirkes slike rør av et enkelt, sammensatt materiale. Dette kan gjennomføres, f.eks. ved at fibrene vippes slik at de danner vinkler av +/- 38° og +/- 62° med røraksen. Volumfor-holdene mellom 38°-fibrene, 62"-fibrene og de tilhørende matriser er henholdsvis 45% og 55%. Arten av disse fibre vil ikke endre rørets egenskaper.

Hvis det benyttes to materiallag med armeringsfibre av forskjellige typer, vil det generelt være fordelaktig å anord-ne:

- et lag med fibre forløpende i en vinkel av 55-90°, og

- et annet lag med fibre forløpende i en vinkel av 10-45°.

Hvis det er tale om fibre av to forskjellige typer bør lagene med den høyeste Youngs-modul i den naturlige fiberretning utlegges i den minste vinkel mens lagene med den høyeste Youngs-modul i den naturlige fiberretning utlegges i den

største vinkelen.

Det kan til sist nevnes at ett og samme lag gjerne kan omfatte én eller flere grupper av fibre som er slik viklet at disse grupper er beliggende side om side.

Claims (10)

1. Rør av sammensatt materiale, som er lite påvirket av variasjon i forlengelse under påvirkning av innvendig trykk, omfattende et antall av stabile lag av armeringsfibre, hvor fibrene i hvert lag (i) er slik viklet at de danner samme vinkel, av absolutt størrelse theta, med røraksen idet et antall fibre er viklet i nevnte vinkel i en retning (|theta|)

mens fibre i samme antall er viklet i den motsatte retning (-|theta|), hvor fibrene i hvert lag er innleiret i en matrise som kleber til disse fibre, og hvor fibrene i samme lag og den tilhørende matrise har et volum Y, og hvor de parallelle fibre i samme lag og den tilhørende matrise har en total elastisitetsmodul E i den naturlige fiberretning,karakterisert ved at antall (n) fiberlag sammen tilfredsstiller følgende forhold: 0,35 < A < 0,60 hvor A er lik følgende uttrykk: hvor i er summeringsindeksen for de forskjellige fiberlag.

2. Rør i samsvar med krav 1, karakterisert ved at 0,40 < A < 0,60.

3. Rør i samsvar med krav 2, karakterisert ved at 0,43 < A < 0,52.

4. Rør i samsvar med et av kravene l - 3, karakterisert ved at armeringsfibrene ihvert-fall i ett lag består av glass, karbon eller aramid.

5. Rør i samsvar med et av kravene 1 - 4 og omfattende minst to lag, karakterisert ved at ett av lagene omfatter fibre som er viklet i en liten vinkel i forhold til røraksen, mens det annet lag omfatter fibre som er viklet i en stor vinkel i forhold til røraksen, og at laget med den minste viklingsvinkel har en større, total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning enn laget med den største viklingsvinkel.

6. Rør i samsvar med et av kravene 1 - 5 og omfattende minst to lag, karakterisert ved at det ene av lagene omfatter fibre som er viklet i en vinkel av 55 - 90°, mens det annet lag omfatter fibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrelse 10 - 45°.

7. Rør i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det bare omfatter to lag og at volumet av det ene lag utgjør 3 5 - 65% av de to lags samlede volum.

8. Sammensatt rør i samsvar med et av kravene 1 - 7, karakterisert ved at det omfatter ett lag som er viklet i en vinkel av ca. 70° i forhold til røraksen og som har en total elastisitetsmodul i den naturlige fiberretning av 50.000 - 56.000 MPa, samt et lag som er viklet i en vinkel av ca. 26° i forhold til røraksen og som har en total elastisitetsmodul i lagets naturlige fiberretning av ca. 140.000 MPa, og at proporsjonene for 70°-laget og 26°-laget utgjør henholdsvis ca. 55 og 45 volum-%.

9. Sammensatt rør i samsvar med et av kravene 1 - 7, karakterisert ved at det omfatter ett enkelt lag med en viklingsvinkel av ca. 70° i forhold til røraksen og en total elastisitetsmodul av 50.000 - 56.000 MPa i den naturlige fiberretning, og et lag med en viklingsvinkel av ca. 30° i forhold til røraksen og en total elastisitetsmodul av ca. 100.000 MPa i lagets naturlige fiberretning, hvor 70°-laget og 30°-laget hvert for seg utgjør henholdsvis ca. 50 og 50 volum-% av lagenes samlede materialmengde.

10. Rør i samsvar med et av kravene 1-4,karakterisert ved at det omfatter minst ett lag med armeringsfibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrelse ca. 38° i forhold til røraksen, og minst ett lag med armeringsfibre som er viklet i en vinkel av absolutt størrelse ca. 62° i forhold til røraksen, og at 38°-laget og 62°-laget hvert for seg utgjør totalt henholdsvis ca. 45 og 55 volum-% av lagenes samlede materialmengde.