NO301666B1 - Fremgangsmåte for optimering av flerlagsrör fremstilt av komposittmaterialer, samt rör fremstilt ved slik fremgangsmåte - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører både en fremgangsmåte for optimering av flerlagsrør av komposittmaterialer, slik at rørene skal kunne oppta de spenninger som vil oppstå grunnet påførte belastninger, og de rør som tilvirkes ved bruk av fremgangsmåten.

Komposittmaterialene fremstilles ved innleiring av glassfibre, karbonfibre eller fibre av andre produkter, f.eks. aramider, i et termoplast- eller duroplaststoff, eksempelvis epoksyharpiks, som vanligvis benevnes matrise.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes på mange områder, og særlig ved fremstilling av slike rør som benyttes i oljeindustrien.

Ved undersøkelser og forsøk som gjennomføres til havs under leting etter hydrokarboner, må det, som kjent, anvendes rørstrenger som danner forbindelse mellom sjøbunnen og en overflateinstallasjon, f.eks. en borings- eller produksjons-plattform eller en flytebøye. Disse rørstrenger, vanligvis benevnt stigerør, har eksempelvis som oppgave å beskytte rørledninger. Selv om stigerørene ikke utsettes for trykk fra fluidet som under vanlige driftsforhold strømmer oppad fra fore-komsten, må de kunne tåle slike trykk i tilfelle av lekkasje eller rørbrudd. Alt etter de rådende forhold kan rørstrengene påføres betydelige lengdevariasjoner som følge av rørtyngde og temperaturforandringer og på grunn av de virkninger som oppstår ved bunnen når det, grunnet en tilfeldig trykkøkning, overføres spenninger i langsgående retning ved rørenes hode. En økning i trykk eller temperatur ledsa-ges oftest av en tendens til buling av rørene, hvilket nødvendiggjør bruk av spe-sialføringer og fremkaller betydelige bøye- og trykkspenninger nederst.

Under boring til havs anbringes også rørstrenger av denne type rundt bore-strenger, særlig for utstøpingsarbeider. Også i slike tilfeller vil det indre trykk øke og forårsake virkninger av likhet med buling, og derved nødvendiggjøre bruk av et komplisert føringssystem.

Av ovennevnte grunner er det vanskelig å begrave undervannsrørledninger fordi disse, ved å bøyes ut av fasong, får tendens til å skyves ut av den grøften hvori de er nedgravd. For å unngå de vanskeligheter som skyldes forlengelsen av rørstrengene, kan det om mulig benyttes en metode hvorved disse forspennes i betydelig grad eller holdes strukket ved hjelp av et generelt meget komplisert strammingssystem som fremkaller minst mulig strekkspenning, i avhengighet av de rådende driftsforhold.

Ved en annen metode fremstilles rør hvis forlengelse er praktisk talt uav-hengig av varierende driftsforhold, hvorved bruken av rørene forenkles i betydelig grad..

Fransk patentskrift 2 557 254 eller US-patentskrift 4 867 205 beskriver en prosess for fremstilling av fleksible rør hvis forlengelse er praktisk talt upåvirkelig av innertrykk, ved påvinding av flere garn- eller kabelsjikt som påvikles skole-formet, og ved valg av sjiktenes respektive stivhet og viklingsvinkler innenfor forut-bestemte grenseverdier.

Fransk patentskrift 2 627 840 omhandler en prosess for fremstilling av komposittmaterial-rør hvis lengde praktisk talt aldri vil forandres under påvirkning av innertrykkvariasjoner. De ferdige rør vil omfatte flere lag av komposittmaterialer, hvor hvert lag består av flere strimler av belagte fibre som er viklet skruefpr-met og med samme stigning, men med motsatte viklingsretninger, idet verdiene for lagenes volumer, elastisitetsmoduler og respektive viklingsvinkler velges, for en bestemt funksjon i avhengighet av disse tre parametre, innenfor veldefinerte grenser. Det må kontrolleres i praksis om de valgte parameterverdier i forening med en tillatt verdi for kombinasjonsfunksjonen, virkelig vil gi det ønskete resultat.

De kjente prosesser gjør det likevel ikke mulig å finne de optimale verdier for de forskjellige parametre. Dette eventuelle spillerom for parameterverdiene innvirker avgjort på rørenes tyngde og pris. For de samme utførelser er det derfor tilrådelig at de forskjellige parameterverdier optimeres, for å redusere kostnadene.

Formålet med oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte som gjør det mulig eliminere unøyaktighetene ved de kjente prosesser. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte som angitt i de etterfølgende krav 1 - 5. Oppfinnelsen omfatter også rør fremstilt av komposittmaterialer som er optimert med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som angitt i de etterfølgende krav 6-10.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til den medfølgende tegning som viser et eksempel på et rør omfattende flere lag av komposittmaterialer på en sylindrisk kjerne.

De forskjellige lag består av én eller flere innbyrdes ovenpåliggende strimler, hver for seg bestående av et par skrueformete viklinger som er sammenflettet med forsterkningsfibre f.eks. med samme men motsatt rettete viklingsstigning. Fibrene i hvert par er følgelig symmetrisk plassert, og den absolutte verdi for vinklene mellom deres respektive lengderetninger og kjerneaksen er derfor den samme. Samme viklingsstigning kan eksempelvis velges for samtlige strimler i hvert lag. Strimlene i hvert lag er innleiret i et belegningsmateriale, f.eks. epoksyharpiks. For å danne lagene anvendes forsterkningsfibre av forskjellige komposittmaterialer, såsom glass, karbon, aramid eller en kombinasjon av ulike komposittmaterialer. Fiberlag av forskjellig art og med forskjellige viklingsstigninger legges fortrinnsvis ovenpå hverandre. Lagene 2, 4, 6, 8 (figur 1) kan således bestå av forsterkningsfibre og stor trykkfasthet, og lagene 3, 5, 7 av et komposittmateriale med fibre som har større viklingsstigning og større elastisitetsmodul, for å kunne oppta strekkreftene mot røret. De førstnevnte lag kan bestå av glassfibre og de sistnevnte av karbonfibre.

De forskjellige prosesstrinn ifølge oppfinnelsen er følgende:

- Trinnn 1: et første trinn for utvelging av forhåndsgitte utgangsverdier for parametrene som skal optimeres. Dette kan f.eks. være:

- innerdiameteren D av røret som skal fremstilles

- viklingsvinkelen Ac for fibrene i det første materiale

- viklingsvinkelen Av for fibrene i det andre materiale

- tykkelsen Ec av laget av det første materiale og

- tykkelsen Ev av laget av det andre materiale.

- Trinn 2: oppstilling av kravene til det ferdige rør:

- grensespenningen CLco som ikke må overstiges i det andre materialet (for en spesifisert strekkstyrke) - den motsvarende grensespenning CLvo i det første materiale (også for et spe sifisert trykk) - den maksimalt tillatte forlengelse dLpo under påvirkning av nevnte trykk (dLpo = 0 er eksempelvis påført), og - den maksimalt tillatte forlengelse dLto under temperaturpåvirkning (dLto = 0 kan også være påført). - Trinn 3: primærrøret defineres av priori, og de effektive verdier av

grensespenningene CLc og CLv i det første og det andre materiale for spesifisert strekkstyrke og trykk, samt forlengelsene dl_p og dLt av røret under påvirkning av spesifisert trykk og temperatur, kan bestemmes.

Disse grensespenninger og -forlengelser ved bruk av Hookes lov som vil være velkjent for spesialister i rommekanikk. - Trinn 4: en første parameter av de valgte for karakterisering av primær-røret, f.eks. Ac, endres svakt. Avviksverdien benevnes AAc. Innvirkningen av det påførte avvik på grensespenningene CLc, CLv, og forlengelsene dLp og dLt bestemmes deretter av priori for røret. Det noteres eksempelvis variasjoner ACLc,ACLv,AdLp og AdLt av disse fire spenninger og forlengelser. Resultatene gjør det mulig å bestemme de relative variasjoner ACLc/AAc, ACLv/AAc, AdLp/AAc og AdLt/AAc.

For å forenkle noteringene skal I (effekt, parameter) i det etterfølgende betegne forholdet mellom den virkningsvariasjon som ledsager variasjonen av en parameter. I det gitte eksempel vil således forholdetACLc/AAc, ACLv/AAc,AdLp/AAc og AdLt/AAc betegnes som: l(CLc,Ac), l(CLv,Ac), l(dLp,Ac) og I (dLt, Ac).

En andre rørparameter, definert av priori, varieres deretter svakt på samme måte. Et avvik AAv overføres eksempelvis på Av, og innvirkningene ACLc, ACLv,AdLp og AdLt på spenningene og forlengelsene bestemmes for å danne forholdene: l(CLc,Av), l(CLv,Av), l(dLp,Av) og l(dLt,Av).

For et avvik AEc som påføres Ec gjenta samme prosess for å danne forholdene; l(CLc,Ec), l(CLv,Ec), l(dLp,Ec) og l(dLt,Ec). Et avvik AEt som påføres parameteren Et, vil på samme måte gi forholdene: l(CLc,Et), l(CLv,Et), l(dLp,Et) og l(dLt,Et).

- Trinn 5: Det er deretter mulig å bestemme den totale virkning, på hver karakteristisk spenning og forlengelse, av små variasjoner som samtidig påføres de fire parametre i form av lineære kombinasjoner av sistnevnte, idet verdiene for de ovennevnte virkninger danner proporsjonalitetskoeffisientene. Forholdet mellom de samlete variasjoner VG(CLc), VG(CLv), VG(dLp) og VG(dLt) av spennin-

gene og forlengelsene under innvirkning av parametervariasjonene kan uttrykkes slik:

Alle disse forhold kan uttrykkes enklere i matriseform:

Matrisen M relaterer de samlete variasjoner i spenningene og forlengelsene som påføres røret, til avvikene som er overført på parametrene.

- Trinn 6: Forholdene som relaterer parameteravvikene til de samlete variasjoner i spenninger og forlengelser, bestemmes deretter resiprokt. Det er derved mulig å konstatere nøyaktig hvilken innvirkning parametervariasjonene kan få for rørets egenskaper. Prosessen kan hensiktsmessig gjennomføres ved bruk av en regnemaskin som er programmert for invertering av matrisen M og resultatet er:

hvor M1 er den inverse verdi for matrisen M.

Primærrøret er definert av priori, og dets egenskaper vedrørende bestan- dighet mot spenninger og forlengelser CLc, CLv, dLp og dLt som er tidligere bestemt, er generelt ikke i overensstemmelse med de fastsatte CLco, CLvo, dLpo, dLto.. - Trinn 7 : Hvis forskjellene mellom rørets egenskaper, definert av priori, og formålene ikke er for store, kan verdiene for disse differanser overføres til de samlete variasjoner VG(CLc), VG(CLv), VG(dLp) og VG(dLt). Med koeffisientene i den inverse matrise kjent, bestemmes avvikene AAc, AAv, AEc og AEv som skal overføres til respektive fire parametre, for å komplettere disse differanser. Derved opprettes de verdier for fiberviklingsvinklene i de forskjellige strimler og tykkelsen av de forskjellige lag, som gjør det mulig nøyaktig å oppnå de fastsatte mål. - Trinn 8: Hvis nevnte forskjeller er for store kan det oppnås bedre resultater ved gjennomføring av suksessive trinn. Bestemte verdier som er mindre enn forskjellene som skal kompenseres, overføres til de samlete variasjoner VG(CLc), VG(CLv), VG(dLp) og VG(dLt). De motsvarende variasjoner av de fire parametre kan derved bestemmes. Det modifiserte rør kjennetegnes ved at nye parameterverdier benyttes som det nye referanserør. Trinn 3 gjentar en gang til for å bestemme de nye grensespenninger og -forlengelser CLc, CLv, dLp og dLt for det nye referanserør, hvoretter trinnene 4-6 og 8 gjentas for å oppstille nye forhold som relaterer parametrene til de nye, samlete variasjoner.

Nye sykler gjennomføres, til de endelige avvik, mellom formålene og de eksisterende, samlete variasjoner, som skal kompenseres, er tilstrekkelig små. En siste syklus som avsluttes ved trinn 7, gjør det mulig å oppnå de nøyaktige verdier for det optimerte rørs parametre.

I det etterfølgende eksempel som tydelig viser nøyaktigheten som kan oppnås ved bestemming av egenskapene hos et rør av komposittmateriale, er det tatt i betraktning et tilfelle hvor røret omfatter to innbyrdes ovenpåliggende lag av henholdsvis glassfibre og karbonfibre som er viklet på en sylindrisksymmetrisk rør-kjerne med en påført diameter eksempelvis av 0,2308 m, hvor fiberlagene inngår i et bindemiddel av harpiks. Målinger gir kjennskap til de karakteristiske trekk både for karbonlagene og glasslagene. De målte verdier for ulike parametre er angitt i det etterfølgende.

Målet som skal oppnås er definert ved følgende tall for grensespenninger og -forlengelser: - grensespenningen CLco i karbonlaget ved en strekkraft av 4.500 kN settes til 1.200 MPa, - grensespenningen CLvo i glasslaget ved et trykk av 105 MPa settes til 1.500 MPa, - forlengelsen dLpo og dLto av røret under temperatur- og trykkpåvirkning ønskes holdt på omtrent null.

Utøvelse av den beskrevne fremgangsmåte ut fra et primærrør uten optimerte trekk, gir følgende verdier for lagenes viklingsvinkler og tykkelser:

Ved kontrollering blir grensespenningene og -forlengelsene som påføres et rør, fremstilt ved pålegging av et glassfiberlag og et annet karbonfiberlag på en kjerne, bestemt ved de ovenstående vinkelverdier og tykkelser. Resultatene er følgende:

- grensespenning CLco ved en strekkraft av 4.500 kN : 1,198 MPa

- grensespenning CLvo ved et trykk av 105 MPa : 1,499 MPa

- maksimal forlengelse dLto : -0,0014<*>1<O>^C ;- maksimal forlengelse dLpo : 0,014<*>10<6>/MPa

Dette viser at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gir resultater som er praktisk talt identiske med de spesifiserte forlengelser og spenninger.

Fremgangsmåten er beskrevet på grunnlag av et sylindrisksymmetrisk rør

omfattende minst to innbyrdes ovenpåliggende lag av fibre av to forskjellige mate-rialer, hvor eksempelvis lagene av ett gitt materiale viser stort sett samme viklingsvinkel og samme tykkelse. Det må under disse forhold bestemmes fire parametre. Innenfor oppfinnelsens ramme kan imidlertid fremgangsmåten benyttes for rør

hvis form og sammensetning krever bestemming av et større antall parametre, for å kunne oppfylle andre, spesielle vilkår. Det er således mulig å fremstille et flere-lagsrør av to forskjellige fibersorter, hvor hvert lag omfatter flere parvise fiberstrim-ler, og hvor viklingsvinkelen for fibrene av samme materiale varierer om en mid-delverdi, fra én strimmel til en annen og fra ett lag til et annet. Ved en fastsatt middelvinkelverdi av eksempelvis 60°, kan viklingsvinklene f.eks. variere mellom 55 og 65°. Uansett antallet viktige parametre kan tingene gjennomføres på samme måte som tidligere beskrevet, ved å søke koeffisientene for de lineære forhold som relaterer avvikene som suksessivt overføres til alle parametre, til deres inn-virkninger på spenningene og forlengelsene.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for optimering av egenskaper hos flerlagsrør av komposittmaterialer, hvert bestående av et gitt antall n komposittmateriallag og hvert omfatter flere strimler av skruelinje-viklete fibre, idet de forskjellige lag er angitt ved minst to karakteristiske parametre, slik at deres forlengelse under påvirkning av temperatur og trykk, samt grensespenningene de forskjellige lag gjennomgår under påvirkning av maksimale strekk- og trykkrefter som de utsettes for, ligger meget nær spesifiserte grenseverdier,karakterisert vedat: det defineres et begynnelsesrør ved på forhånd å anvise et sett verdier for parametrene, for det således definerte begynnelsesrør bestemmes de for nevnte grenseforlengelser og -spenninger antatte verdier, virkningen av grenseforlengelsene og -spenningene av små avvik som suksessivt påføres hver av parametrene som karakteriserer begynnelsesrøret bestemmes, for derved å opprette linjære forhold som globalt relaterer verdiene av hver av grenseforlengelsene og - spenningene til de påførte avvik, de inverse forhold som uttrykker virkningen av variasjonene i verdiene av grenseforlengelsene og -spenningene på verdiene av de forskjellige parametre bestemmes, og variasjonene som skal påføres parametrene som definerer røret velges trinnvis for derved å komme så nær som ønskelig til de verdi er som er spesifisert for grenseforlengelsene og -spenningene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som karakteristiske parametre anvendes tykkelsen av lagene og verdiene av vinklene mellom forlengelsesretningen til fibrene i de forskjellige strimler og røraksen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat det for fremstilling av røret anvendes lag med karbonfibre viklet med forholdsvis stor stigning og lag med glassfibre viklet med mindre stigning.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert vedat det i alle lag anvendes fibre av samme materiale med stort sett identisk viklestigning.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisertved at virkningen av verdiene av grenseforlengelsene og -spenningene på de forskjellige parametre bestemmes ved å bestemme den inverse matrise av den matrise som består av koeffisientene til de linjære forhold som relaterer grenseforlengelsene og -spenningene til de påførte avvik.

6. Rør fremstilt av komposittmaterialer som er optimert ved fremgangsmåten ifølge et av de foregående krav, omfattende et antall n lag av komposittmaterialer, hvert bestående av flere strimler av skruelinjeviklete fibre, idet de forskjellige lag er definert ved deres tykkelse og fibrenes viklevinkler,karakterisert ved at enkelte av lagene er fremstilt med karbonfibre som er viklet med en viklevinkel på mellom 10 og 25 grader og enkelte andre lag er fremstilt med glassfibre viklet med en viklevinkel på mellom 50 og 75 grader, og at verdiene av viklevinklene i de spesifiserte vinkelområder og tykkelsene til de forskjellige lag er slik optimert at forlengelsen (dLp, dLt) av røret under virkningen av trykket og/eller temperaturen, innenfor et fast område av temperatur- og trykkvariasjon, er i det vesentlige null, og at grensespenningen (CLc) for en spesifisert strekkbelastning som lagene fremstilt av det samme første komposittmaterialet utsettes for såvel som grensespenningen (CLv) for et spesifisert maksimaltrykk som lagene fremstilt av det samme andre komposittmaterialet utsettes for, er meget nær spesifiserte grenseverdier (CLco,CLvo,dLpo,dLto).

7. Rør ifølge krav 6,karakterisert vedat arkene av alle lagene som er fremstilt av det samme materialet har stort sett identisk viklestigning.

8. Rør ifølge krav 6,karakterisert vedat fibrene i de forskjellige lag som er fremstilt av det samme materiale er viklet med en stigning som varierer rundt en gjennomsnittsverdi fra ett lag til et annet.

9. Rør ifølge krav 6, laget av av karbon- og glassfibre hvor elastisitetsmodulen i fiberretningen er henholdsvis i størrelsesorden 140 GPa og 56 GPa, de redu-serte tverr- og skjær-elastisitetsmoduler er i størrelsesorden 1 GPa og Poissons-tallene er ca. 0,28, hvilke fibre er istand til motstå respektive grensespenninger i størrelsesorden 1,2 GPa og 1,5 GPa og er viklet på en kjerne hvis diameter er i størrelsesorden 0,20 m,karakterisert vedat røret, for en grense-strekkraft på ca. 4,500 kN og et grensetrykk på ca. 100 MPa med en forlengelses-variasjon som er stort sett null for påførte variasjonsområder i trykk- og temperatur, er fremstilt av lag av karbonfibre med en tykkelse på ca. 5 x 10<3>m viklet med en vinkel på ca. 60°.

10. Rør ifølge krav 9,karakterisert vedat fibrenes viklevinkel-verdier er gjennomsnittsverdier, idet viklevinklene til de forskjellige lag som er fremstilt av samme type fibre varierer fra ett lag til et annet om gjennomsnittsverdiene.