NO301022B1

NO301022B1 - Anvendelse av et termoplastmateriale inneholdende hule mikrokuler som oppdriftsmateriale i en rörformig struktur

Info

Publication number: NO301022B1
Application number: NO872010A
Authority: NO
Inventors: Jacques Jarrin; Eric Robert
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1987-05-14
Publication date: 1997-09-01
Also published as: FR2598713A1; JP2614448B2; JPS62283139A; FR2598713B1; EP0250278B1; NO872010L; MX169342B; DE3763912D1; EP0250278A1; NO872010D0; BR8702487A; US4963420A

Description

Oppfinnelsen gjelder anvendelse av et materiale som omfatter en ekstrudert blanding av 50-80 volum% av et termoplastisk harpiksmateriale omfattende minst 80 vekt% av en polyolefin- eller en polydiolefin-homo- eller -kopolymer og 2 0-50 volum% hule mikrokuler som er motstandsdyktige mot hydrostatisk trykk, idet materialet oppviser en densitet som varierer fra 0,65 til 0,85, en elastisitet som er over 10% deformasjon, en uniaksial kompresjonsstyrke lik minst 60 bar og en vannabsorpsjon under 50 bar trykk som er lavere enn 5 vekt%, som oppdriftsmateriale i en rørformig struktur omfattende en rekke rør eller kabler som er satt sammen til en rørsats, dekket av en ytre mantel og med det termoplastiske materiale innblandet mellom rørene eller kablene.

En teknisk sektor der oppfinnelsen spesielt er viktig, er området med integrerte oppdriftsmaterialer i sammensetninger av kabler og/eller rør med store diametere, f.eks. ved oljebehandling under vann, spesielt i forbindelser mellom bunn og overflate der vanndybden er over 100 m.

Sammenstillingen av disse rørene eller kablene med store diametere gjør det mulig å begrense trengselsproblemer i forbin-delse med forankring, spesielt til en oljeplattform, og gir også bedre kontroll med hydrodynamiske fenomener forbundet med hav-strømmer som kan forårsake sammentvinning av kabler eller fleksible rør dersom de legges isolert. På den annen side kan sammensetning av disse kablene eller fleksible rørene gi et belastnings- eller spenningsproblem ved forankringspunktet når vekten av sammensetningen er for stor. Fleksible rør omfatter rør som er fremstilt ved sammensetning av ett eller flere sjikt av plast- eller gummimateriale, eventuelt forsterket med metalltråder (eller syntetiske fibre), som skal sikre tetthet mot indre eller ytre væsker og garantere at rørene holder seg under spenning.i lengderetningen.

Slike fleksible rør fremstilles og markedsføres f.eks. av firma COFLEXIP.

Den tilsynelatende vekten av disse rørene kan variere fra

10 til 200 kg pr. meter når de betraktes isolert i vann og fylt med vann, avhengig av strukturen av røret og naturen av trykk-armeringen (metallisk eller kompositt).

Sammensetningen av disse fleksible rørene fører til tilsynelatende vekter i vann, fylt med vann, som kan være meget høye, avhengig av størrelse og vekt av hvert av rørene. Sammensetningen oppnås ved dreining av rørene og/eller kablene med et trinn på

5 til 10 meter.

Foreliggende oppfinnelse gjelder anvendelse av et materiale for fylling av de tomme volumene i sammensetningen av fleksible kabler og/eller rør.

Dette materiale består av 2 0 til 50 vol% av hule mikrokuler, som er lette og som motstår hydrostatisk trykk og oppviser et lite opptak av vann under trykk av størrelsesorden 10 til 100 bar, og av 80 til 50 vol% av et materiale bestående av minst 8 0 vekt% av en termoplastisk homo- eller kopolymer av polyolefin eller polydiolefin. Materialet oppviser den fordel at under fremstillingen i fabrikken eller ved sammensetningen utgjør selve bunten en del av den nødvendige flyteevne (oppdrift). Det gjør det således mulig å begrense den ytre flyteevne for bunten som skal settes på plass under utlegging av bunten i sjøen.

Egenskapene til dette fyllmateriale er således

å sikre en del av flyteevnen, selv i tilfelle av ødeleggelse av den ytre del av bunten, hvilket alltid er mulig med verktøy for vedlikehold av bunten, under fremstillingen eller utleggingen i sjøen. Dette oppnås takket være en densitet som ligger mellom 0,65 og 0,85 og en vannabsorpsjon som er

mindre enn 5 vekt% under hydrostatisk trykk på 50 bar,

- å ha mekaniske egenskaper (spesielt elastisitet og motstands-dyktighet mot hydrostatisk og uniaksialt trykk) som passer til den påtenkte anvendelse. Under fremstillingen lagres rørsatsene på tromler hvis diameter er slik at det induseres en deformasjon på 5% i fyllmaterialet. Under håndteringen i løpet av fremstillings- eller utleggingsoperasjonene går dessuten rørsatsene i trebåndsgripere for trekking eller vedlikehold. Geometrien til båndleddene i denne trebånds-trekkeren og de krefter som er nødvendig for strekkingen er slik at det utøves et uniaksialt trykk av størrelsesorden 50 bar på fyllmaterialet.

Problemet med integrering av flyteevne inne i en fleksibel sammensetning av kabler og rør som selv er fleksible, for vanndybder som er over 100 m, synes ikke virkelig å ha vært tatt opp til vurdering.

Tidligere løsninger gjelder generelt rør eller kabler sett isolert og består i visse tilfeller i å feste blokker med flyteevne på røret eller kabelen, idet blokkene enten er fremstilt av syntaktisk skum (se f.eks. US-patent 4.255.524), eller av et fast ekspandert materiale. Disse to typer av materiale er faste og kan således ikke integreres inne i selve den fleksible sammensetningen under fremstillingen og spesielt under lagringen av den fleksible sammensetningen på en trommel. Foruten de store kostnader for-sinkes neddykkingsoperasjonene av anbringelsen av de faste blokkene med flyteevne på sammensetningen. Det er således interessant å integrere en del av flyteevnen under fabrikasjonen av sammensetningen, for så mye som mulig å begrense tidstapet som er forbundet med fikseringen av ytre blokker med flyteevne under utleggingsoperasjonene i sjøen.

For rørledninger isolert sett er det likeledes foreslått løsninger som består i å anbringe ekspanderte plastmaterialer ved injeksjon for å sikre varmeisolasjonen (f.eks. polyuretanskum ifølge DE-patent 3110503).

Denne type av materialer oppviser generelt en meget interessant elastisitet og densitet, men det nødvendige kompromiss mellom elastisiteten og motstand mot uniaksialt og hydrostatisk trykk gjør dem meget ugunstige i forhold til materialet anvendt ifølge oppfinnelsen som der er beskrevet.

Et annet forslag på samme område består i etter maskin-behandling å rulle ark av ekspandert fast PVC rundt ledningen som håndteres alene (FR 2 538 077) . Den nødvendige elastisitet og tetthet kan eventuelt sikres ved å innføre gummi som er gjort lettere med hule mikroglasskuler mellom blokkene eller kulene av ekspandert PVC (FR 2 557 671). Disse løsninger har den hoved-ulempe at de nødvendiggjør meget tunge plasseringsoperasjoner, siden de medfører en forhåndsbehandling av PVC-blokkene og en forhåndsfremstilling av moduler med flyteevne som skal innføres under sammensetningen av de rør eller kabler som utgjør rørsatsen.

En undersøkelse når det gjelder isolasjon av elektriske kabler har dessuten avslørt muligheten for å avsette et lag bestående av et termoplastisk materiale med en ladning av hule mikrokuler (US 4 273 806). Ifølge den teknikk som er beskrevet i dette patentet er det mulig på forhånd å fremstille en blanding av den termoplastiske harpiksen i form av granuler eller pulver og mikro-glasskuler ved en temperatur over mykningstemperaturen for harpiksen, idet denne blandingen er fremstilt i en blander av typen BRANBURY slik at det fremstilles en homogen blanding som så granuleres uten å ødelegge mikrokulene og ekstruderes eller injiseres ved meget høye temperaturer (3 00°C for polypropylen i eksemplene 1 og 2 i det tidligere nevnte US-patent).

Alle de tidligere nevnte løsningene gjelder varme- eller elektrisk isolasjon av kabler eller rør enkeltvis. Disse løsningene er aldri forbundet med en mulighet for kontinuerlig drift og egenskaper som er forenlige med en anvendelse som et materiale med flyteevne inntil vanndybder på 1000 meter i sammensetninger av fleksible rør eller kabler.

I motsetning til dette gjør foreliggende oppfinnelse det mulig å forbinde i ett og samme materiale en kontinuerlig fremstilling ved enkel ekstrusjon etter et blandetrinn for pulverne og mekaniske fysikalsk-kjemiske egenskaper som er forenlige med vedlikeholds- og anvendelsesbetingelsene for sammensetningen av fleksible rør i rørsatsen.

Materialet som anvendes ifølge oppfinnelsen oppviser en densitet som ligger mellom 0,65 og 0,85, en elastisitet over 10% deformasjon, en uniaksial kompresjonsstyrke som minst er lik 60 bar og en vannabsorpsjon under trykk på 50 bar som er under

5 vekt%.

Oppfinnelsen er illustrert ved hjelp av de medfølgende figurene hvor: fig. 1 skjematisk viser en sammensetning av fleksible rør, fig. 2 er et tverrsnitt ifølge S-S av en rørformig struktur

slik den er vist på fig. 1,

- fig. 3 illustrerer en mer kompleks struktur som omfatter fire fleksible rør, og

fig. 4 illustrerer skjematisk en fremgangsmåte for fremstilling av en sammensetning av fleksible rør som inneholder det her beskrevne materiale. Fig. 1 viser skjematisk en sammensetning av fleksible rør (1) og (2) som inneholder fyllstoffet og oppdriftsmaterialet (A). Dette materiale kan avsettes enten på en slik måte at det omgir rørene totalt (tilfellet i fig. 1), eller bare fylle de volumer som ligger mellom rørene. Enhetene er dekket av en ytre termoplastisk mantel (B). Fig. 2 viser et tverrsnitt ifølge S-S av en rørformig struktur slik som den som er vist i fig. 1. Denne figuren viser en sammensetning av tre fleksible rør (1) med en diameter på 3,75 cm og tre fleksible rør (2) med diameter 10 cm. Denne sammensetningen er dekket av materialet (A) som anvendes ifølge oppfinnelsen og av en ytre termoplastisk mantel (B). Videre er volumer som f.eks. (C) og (D) ikke fylt med noe materiale.

Fig. 3 illustrerer en struktur som er mer kompleks og som omfatter fire fleksible rør (2) med diameter 2,5 cm, to fleksible rør (1) med diameter 10 cm og to hydrauliske sentre (3). Denne sammensetningen er dekket av et materiale (A) som anvendes ifølge oppfinnelsen og en ytre mantel av termoplastisk materiale (B).

På samme måte som i den foregående struktur er volumene (C) tomme, men i motsetning til disse er volumet (D) fylt av en kjerne av et materiale som anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse eller et hvilket som helst annet termoplastisk materiale for å sikre sammen-setningens stabilitet.

Fig. 4 illustrerer skjematisk fremstilling av en sammensetning av fleksible rør ved anvendelse ifølge oppfinnelsen.

Fremgangsmåten for fremstilling av en rørsats-struktur som inneholder materialet som anvendes ifølge oppfinnelsen, omfatter følgende trinn: 1) sammensetning og tvinning (10) av de fleksible rørene og/eller kablene (1), (2) som skal forbindes i den fleksible

strukturen,

2) blanding av det termoplastiske materiale (11) og de lette mikrokulene (12) i en blandemaskin (13) av skaft-type, 3) ekstrusjon-fylling (14) av materialet på den fleksible sammensetningen definert i trinn 1, 4) passasje av sammensetningen som er dekket med materialet i en kalibrerings - kjøletank (15) , 5) ommantling av den rørsatsen som er oppnådd fra trinn 4 med et termoplastisk materiale (16) gjennom ekstruderen (17), 6) mottak av den fleksible rørsatsen på lagringstrommelen (18).

Med termoplastisk harpiks menes materialer som består av minst 80 vekt% av homopolymerer eller kopolymerer basert på etylen eller propylen med en densitet som ligger mellom 0,90 og 0,94, inneholdende eventuelt alle de additiver som er spesielle for denne type materiale (antioksydant, anti-UV o.s.v.). Den granulometriske fordelingen skal være slik at 80 vekt% av partiklene er mindre enn 1 mm og at partiklenes gjennomsnittsstørrelse skal være mellom 200 og 600/Lim.

Med hule glassmikrokuler menes enten de mikrokulene som er fremstilt og markedsført av firmaet EMERSON og CUMING, 3M eller GLAVERBELL, eller naturlig forekommende mikrokuler som markeds-føres under navnet "flyveaske" og som kommer fra sikting av gjenvunnet sot i pipestøvoppsamlere for kraftanlegg som arbeider med pulverisert kull. Ifølge en foretrukken utførelsesform ifølge oppfinnelsen anvendes hule mikrokuler med følgende sammensetning:

Deres virkelige densitet er av størrelsesorden 0,68 og deres tilsynelatende densitet er 0,42. Den granulometriske fordelingen av mikrokulene er følgende:

Det anbringes en blanding i en såkalt "skaft"-blandemaskin i en ønsket mengde av polyetylenpulver eller en annen polyolefinhomo-eller -kopolymer med de egenskaper som er angitt ovenfor og den tilsvarende mengde flyveaske. Denne pulverblanding oppnås ved omgivelsestemperatur i løpet av noen minutter og oppviser ingen segregeringsfenomener ved lagring.

Den oppnådde blanding innføres direkte i trakten til en ekstruder som er utstyrt med en skrue med lavt kompresjonsforhold og et munnstykke med vinkelhode som muliggjør ekstrusjonsfyllingen av fyllmaterialet som definert foran ved de vanlige anvendelses-temperaturene for den anvendte termoplasten og ved trykk under ca. 100 bar ved inngangen til munnstykket.

Det har overraskende vist seg at en direkte mating av ekstruderen med en blanding av pulver av polyolefin og flyveaske er mer fordelaktig når det gjelder knusing av mikrokulene under disse ekstrusjonsbetingelsene, enn en tidligere blanding i smeltet tilstand av samme ingredienser. Denne blanding som kan følges av en granulering, forbedrer faktisk mulighetene for knusing av mikrokulene.

Eksempel 1

500 g polyetylen med lav densitet (d = 0,92, MFI = 20 ifølge ASTM D 1238) i pulverform med en gjennomsnittlig granulometri på 300 /nm blandes i 2 minutter i en skaft-blandemaskin med 246 g flyveaske som tidligere definert.

Blandingen ekstruderes deretter i en enkeltskrue-maskin med diameter 19 mm og et kompresjonsforhold på 1, utstyrt med en stavdyse med suksessive diametere på 3, 5 og 10 mm. De temperaturer som avleses på maskinen er henholdsvis 130, 140 og 150°C på mantelen og 150°C for dysen.

De resultater som oppnås på staven vises i den nedenstående tabell:

Eksempel 2

500 g polyetylen fra eks. 1 blandes i 2 min. i en skaft-blander med 333 g flyveaske. Blandingen ekstruderes med enkeltskruemaskinen fra det foregående eksempel utstyrt med stavdyser med suksessive diametere på 5 og 10 mm. Temperaturbetingelsene er uforandret i forhold til eks. 1.

Eksempel 3

I dette eksempel er ekstrusjonsbetingelsene de samme som i eks. 1 og 2. Det polyetylen som anvendes, er også det som er beskrevet i de foregående eksempler.

500 g polyetylen blandes med henholdsvis 158 g (sammensetning 1) og 2 69 g (sammensetning 2) av en fraksjon av flyveaske slik som den som er brukt tidligere. Denne fraksjon oppnås ved fIotasjon av nevnte flyveaske med pentan. Etter dekantering oppnås super-natanten hvis egenskaper er følgende:

virkelig densitet på ca. 0,54

partikkelstørrelsesfordeling:

De resultater som oppnås ved hver av sammensetningene er vist i følgende tabell.

Eksempel 4

I dette eksempel ekstruderes sammensetning 2 fra det foregående eksempel ved hjelp av en skrue med et kompresjonsforhold på 2,5, dvs. større enn det som er brukt tidligere.

De resultater som oppnås med en stavdyse som har en 5 mm diameter er som følger:

Sammenliqningseks. 5

500 g lav-densitets-polyetylen (d = 0,92, MFI 2,26/190 = 7 ifølge ASTM D 123 8) i pulverform blandes i 2 minutter i en skaft-blandemaskin med 3 33 g (sammensetning 1) eller med 24 6 g (sammensetning 2) av flyveaske.

Blandingen ekstruderes i den enkeltskruemaskinen som er beskrevet tidligere, og utstyrt med de samme stavdysene. Temperaturene i de forskjellige sonene av mantelen og i dysen beholdes også.

De resultater som ble oppnådd er vist i tabellen nedenfor.

Sammenligningsforsøkene fra eksempler 3 og 4 viser at under ekstrusjon av en blanding av et polyetylenpulver og flyveaske kan knusingen av de lette mikrokulene reduseres betydelig ved anvendelse av en skrue med meget lavt kompresjonsforhold. Videre viser sammenligningsforsøkene fra eksemplene 1, 2 og 5 at vann-absorpsjonsegenskapene blir dårligere under hydrostatisk trykk av det ekstruderte materiale etter hvert som ladningsforholdet for mikrokulene øker, men forbedres ved anvendelse av et polyetylen med høy smelteindeks.

Eksempel 6

500 g polyetylen fra eks. 1 blandes med henholdsvis 88 g (sammensetning 1) og 138 g (sammensetning 2) av glassmikrokulene B 38/4000 markedsført av firma3M. Blandingen ekstruderes i enkeltskruemaskinen fra eks. 1 utstyrt med en stavdyse på 10 mm. Temperaturbetingelsene er de samme som dem som ble brukt i eks. 1.

De resultater som ble oppnådd med de ekstruderte stavene er oppsummert i tabellen nedenfor.

Eksempel 7

Det ble ved en stavtemperatur som er lik 17 0°C, på den enkeltskruen som er beskrevet tidligere og utstyrt med en stavdyse med en diameter på 10 mm, ekstrudert en blanding av 500 g av termoplastisk styren-butadien-styrengummi som markedsføres av firma SHELL under navnet CARIFLEX TR, og 2 50 g flyveaske. Gummien er på forhånd redusert til et pulver ved kryogen knusing.

Det oppnådde materiale hadde en densitet ved måling som var lik 0,81.

Claims

Anvendelse av et materiale omfattende en ekstrudert blanding av 50-80 volum% av et termoplastisk harpiksmateriale omfattende minst 80 vekt% av en polyolefin- eller en polydiolefin-homo- eller -kopolymer og 2 0-50 volum% hule mikrokuler som er motstandsdyktige mot hydrostatisk trykk, idet materialet oppviser en densitet som varierer fra 0,65 til 0,85, en elastisitet som er over 10% deformasjon, en uniaksial kompresjonsstyrke lik minst 60 bar og en vannabsorpsjon under 50 bar trykk som er lavere enn 5 vekt%, som oppdriftsmateriale i en rørformig struktur omfattende en rekke rør eller kabler som er satt sammen til en rørsats, dekket av en ytre mantel og med det termoplastiske materiale innblandet mellom rørene eller kablene.