NO304246B1 - Fleksibelt r°r med forbedret termisk beskyttelse - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et fleksibelt rør med forbedret termisk beskyttelse, nærmere bestemt fleksible rør hvori et fluid strømmer under høyt trykk, såsom de som benyttes i land- og sjøbaserte installasjoner for petroleumsleting og produksjon av hydrokarbonforekomst.

Når slike fleksible rør er installert i områder med stor brannfare, såsom boreplattformer, eller når de er koplet til produksjons-, overførings-, styre-/kontroll- og/eller sik-kerhetsanordninger av deler av oljeinstallasjoner, kan for-ringelse av rørene som følge av plutselig og/eller vedvar-ende økning i ytre trykk føre til meget alvorlige ulykker for såvel personell som for de andre deler av installasjonen i nærheten av de svekkede fleksible rør.

Det skal først bemerkes at diametrene av de fleksible rør som denne oppfinnelse beskjeftiger seg med kan variere mellom tilnærmet 2,5 og 30 cm, og at trykket som sirkulerer inne i de fleksible rør kan nå 1000 bar eller mer.

Under disse betingelser kan enhver lekkasje overhodet hos disse fleksible rør, særlig som følge av lokalt utbrudd av brann, forståelig nok innebære alvorlige følger. Det er av denne grunn at det alltid har vært gjort forsøk på å opp-rettholde tettheten og den mekaniske fasthet hos nevnte fleksible rør i tilfelle av en brann, for å muliggjøre opp-rettholdelse av fluidets strømningshastighet uten lekkasje ved arbeidstrykk inntil strømstengningsoperasjoner er blitt utført, eller så lenge det måtte ta for å bringe brannen under kontroll.

Selv om det ikke foreligger spesifikke standarder, blir det anbefalt å gå frem på en slik måte at det fleksible rør motstår i 30 minutter når det utsettes for en omgivelses-temperatur på 700°C.

De fleksible rør som benyttes for de ovennevnte formål, som ikke på noen måte er begrensende, omfatter generelt i det

minste én kappe og i det minste ett armeringssjikt. Angjeldende fleksible rør innfatter i typiske tilfelle i det minste ett armeringssjikt omfattende metalltråder, hvor trådenes tversnitt kan ha en hvilken som helst form. Fleksible rør omfatter ofte to kapper, en ytre kappe som omslutter armer-ingsvindingene og en annen kappe som befinner seg innenfor nevnte armeringsjikt, avhengig av nevnte fleksible rørs spesifikke anvendelser. Visse fleksible rør omfatter også en tredje, mellomliggende kappe anordnet mellom to armeringssjikt.

Dessuten er de fleksible rør av angjeldende art vanligvis forsynt med en ytre beskyttelse bestående av en metallstrimmel som er viklet som en skruelinje med lav stigning; strimmelen utgjøres for eksempel av en låsende profilert strimmel eller bånd. Det er imidlertid viktig å merke seg at denne strimmel eller dette bånd ikke i det hele tatt tjente til termisk beskyttelse, men ganske enkelt var beregnet til å beskytte det fleksible rør mot omsluttende mekaniske an-grep såsom friksjon og/eller knusing. Under disse betingelser, når det fleksible rør utsettes for varmen fra en brann, har det vist seg at plastkappen(e) begynner å smelte. Det er den ytre kappe som smelter først, hvoretter, som følge av varmeledningsfenomener mellom de elementer som utgjør det fleksible rør, ettersom varmeledeevnen hos metalltrådvin-dingene er meget høy, det er den indre kappe som gradvis mykner. Når den mykner, trenger den indre kappe, som er ut-formet for å virke som en tetthetsbarriere, igjennom ved ekstrusjon, under virkningene fra det innvendige trykk i fluidet, gjennom spalter i armeringen, for til sist å frem-bringe en lekkasje og sette fluidet i stand til å strømme plutselig og volsomt ut av røret.

Når det gjelder termoplastiske materialer som vanligvis benyttes for fremstilling av ytre og indre kapper, er smelte-punktet mellom 130 og 200°C. Riktignok forsinker metallstrimmelen eller -båndet ødeleggelsen og/eller mykningen av kappene, men kan ikke forhindre at dette skjer når tempera-turen er høy.

I GB patentsøknad nr. 2.180.032 er det beskrevet et stål-rør forsynt med et termisk isolerende sjikt som er satt sammen av et relativt tykt lag av en blanding av kork- og gum-mipartikler. Stålrøret er beregnet for neddykking i sjøvann og hensikten med det termiske sjikt er å redusere varme-spredning mot de perifere sjikt av fluidet som strømmer i stålrøret, for ved utløpet av stålrøret å oppnå et fluid med en passende temperatur. Korksjiktet er omsluttet av et sjikt av gummi som er lite motstandsdyktig mot høye temperaturer .

Denne oppfinnelse har til formål å forbedre beskyttelsen av fleksible rør som har en oppbygning som angitt i innled-ningen av krav 1 og som f .eks. er kjent fra DE-A-25 58 847, i eller i nærheten av et område med fremherskende høy temperatur som er i stand til å påvirke de mekaniske og/eller fysiske egenskaper av i det minste enkelte av bestanddelene av slike fleksible rør.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av de trekk som er angitt i karakteristikken av krav 1.

Følgelig setter den termiske barriere som således er frem-bragt rundt det fleksible rør sistnevnte i stand til å motstå temperaturer på 700°C og mer i en varighet av minst 30 minutter, hvilket for nærværende ansees for å være tilstrek-kelig til i det minste å stoppe strømmen av fluid i disse fleksible rør dersom brannen ikke kan bringes under kontroll innenfor dette tidsrom.

Det er fordelaktig at i det minste ett armeringssjikt er anordnet mellom en indre tetningskappe og en ytre kappe, idet den beskyttende mantel er anordnet over nevnte ytre kappe.

Det fleksible rørs ytelse med hensyn til dets atferd ved høye temperaturer har vist seg å ha blitt betydelig forbedret ved det ytre metallsjikt bestående av et ytre fleksibelt metallrør. Metallrøret har fortrinnsvis gode varmereflek-sjonsegenskaper. På denne måte blir den varme som er tilbøy-elig til å bli overført hovedsakelig til det fleksible rørs ytre kappe, som kan være ett av de første komponentelement-er som nås, delvis reflektert av det ytre metallrør. Tem-peraturen minsker gradvis når varmen overvinner de sukses-sive hindringer, før den når frem til den ytre kappe.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende spesielle beskrivelse av flere foretrukne utførelsesformer av denne oppfinnelse, som er illustrert på de tilsvarende medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et delvis splittriss i perspektiv som illu strerer en første fremgangsmåte hvori oppfinnelsen inngår; Fig. 2 er et delvis splittriss i perspektiv som illustrerer en andre fremgangsmåte hvori oppfinnelsen inngår; Fig. 3 er et delvis splittriss med bortskårne partier og i perspektiv som illustrerer en tredje fremgangsmåte hvori oppfinnelsen inngår.

Et fleksibelt rør som vist i fig. 1 omfatter et tett indre polymerrør eller -kappe 1, som fortrinnsvis er fremstilt av et termoplastisk materiale såsom polyamid, polyten, PVDF eller annet passende materiale; én eller to indre rammer 2 eller 3 som motstår det indre trykk i røret og er satt sammen av en metalltråd, -strimmel eller -bånd som er viklet i skruelinjeform; en mellomliggende kappe 4 av det samme termoplastiske materiale som det indre rør 1 eller av et annet materiale; i det minste ett armeringssjikt som hvert er satt sammen av to trådvindinger 5, hvor trådenes skrån-ingsvinkel i forhold til det fleksible rørs lengdeakse er mindre enn eller svarer til 55°, og en ytre kappe 6 av termoplastisk materiale. Skrånings- eller armeringsvinkelen for trådene av en vinding 5 kan variere fra én vinding til en annen, og trådene kan krysses fra én vinding til en annen, hvilket vanligvis er tilfelle. Utformingen og typen av komponentelementene er valgt som funksjon av anvendelsesbe-tingelsene for nevnte fleksible rør. Likeledes kan den ytre kappes 6 materiale være identisk med eller avvike fra mater-ialet i den indre tetthetskappe 4. Som en variant til fig. 1 kan den termiske beskyttelse ifølge oppfinnelsen med fordel også benyttes når det dreier seg om et fleksibelt rør som omfatter en indre kappe 1, én eller to rammer 2 eller 3, i det minste ett armeringssjikt 5 og én ytre kappe 6, men uten mellomliggende kappe 4.

Det bør bemerkes at oppfinnelsen også gjelder grovborede rør som innenfor den indre tetthetskappe 1 omfatter en indre ramme som er satt sammen av en metallseksjon viklet ved lav stigning og fortrinnsvis har form av en forriglingsstrimmel eller -bånd.

Ifølge oppfinnelsen er en termisk beskyttelsesmantel 7 an-bragt over det fleksible rør, idet førstnevnte har en tykkelse som svarer til eller overstiger 2 mm og som i fig. 1 har form av et hylserør 8 og er fremstilt i et komposittmateriale omfattende korkpartikler. Fortrinnsvis er kompo-sittmaterialet satt sammen av korkpartikler som er agglomerert med et bindemiddel av plast.

Det er enda bedre at korkpartikler på 1 til 2 mm diameter neddykkes i en masse av flammebestandig materiale, særlig elastomerisk materiale, såsom en polymer inneholdende blant annet et halogenklorid og, om nødvendig, tilsetning av et flammebestandig middel såsom antimontrioksyd eller vannhol-dig aluminiumoksyd. Blant polymerer som kan inngå i massen kan nevnes klorosulfonert elastomerpolymerer eller særlig den fordelaktige kloroprengummi (neopren). Når sammenset-ningen som omfatter korkpartiklene og polymeren kompletteres med ulike tilsetningsstoffer såsom vulkaniseringsmiddel, vulkaniseringsakselerator, antivarmemiddel, et plastifiser-ingsmiddel (lampeolje), samt et fargemiddel, er det ved an-vendelse av velkjente produksjonsmetoder mulig å fremstille et komposittmateriale som omfatter korkpartikler og oppviser en viss mekanisk fasthet, hvilket materiale har vist seg å være hensiktsmessig for å danne den termiske beskyttelsesmantel. Interessante resultater oppnås med materialer med gjennomsnittlig tetthet i området 500 til 800 kg/m 3, for-delaktigst rundt 650 til 700 kg/m<3>, idet varmeledeevnen hos et slikt komposittmateriale svarer til eller er mindre enn ca. 0,3 W/m.°C, for eksempel i området 0,2 W/m.°C.

Det turde uten videre være klart at tettheten hos det så ledes oppnådde komposittmateriale er avhengig av prosent-andelen av kork i kloroprengummien, hvilken prosentandel også er avhengig av strukturen hos det fleksible rør som skal beskyttes og/eller de bruksforhold og den temperatur som nevnte fleksible rør må motstå.

Som vist i fig. 2 kan kappen 7 med fordel bestå av vindingen av en strimmel 9, ca. 6 mm tykk, hvis viklinger kan være enten nærliggende eller usammenhengende, fortrinnsvis litt forskjøvet eller overlappende hverandre, idet bredden av én viklings overlapping over en annen er for eksempel ubetydelig mindre enn halvparten av strimmelens bredde. Gode resultater er oppnådd med en 4 til 8 mm tykk strimmel, spe-sielt når det fleksible rørs indre diameter holdes mellom 30 og 150 mm, hvilket typisk svarer til visse interessante anvendelser for oppfinnelsen; imidlertid kan tykkelsen også være så høy som og til og med overstige 10 mm, avhengig av det fleksible rørs karakteristika og anvendelsesbetingel-sene. Ved hjelp av en maskin av en velkjent type såsom en emballeringsmaskin kan den beskyttende mantel 7 for et fleksibelt rør lett og billig fremstilles ved å vikle en tid-ligere fremstilt strimmel i et komposittmateriale omfattende korkpartikler, særlig et materiale med en strekkfasthet som svarer til eller er større enn ca. 1 daN/cm 2, fortrinnsvis 5 daN/cm 2, og som er i stand til å motstå en forlengelse på for eksempel 10 til 20%.

Med fordel blir strimmelen 9 vulkanisert før den vikles inn på det fleksible rør. En slik strimmel oppfyller standarder BS AU 120 og ASTM standarder F 104 og F 36.

Alternativt, når mantelen har form av hylserøret 8 som er illustrert i fig. 1, kan det utgjøres av ett eller flere hylserør som skyves inn på det fleksible rør, eller av skall, for eksempel par av halve skall, hvor hvert skall kan være satt sammen av i det minste to elementer som hvert dek- ker én sektor av den ytre kappes 6 sirkulære kontur. Hylse-røret 8 kan ogs å installeres kontinuerlig over en betydelig lengde ved ekstrudering av en blanding av korkpartikler og elastomer med ulike passende tilsetninger, idet ekstruder-ingsoperasjonen utføres på en kjent måte med en krysshode-ekstruder rundt en kjerne dannet av det fleksible rør dekket av den ytre kappe 6, og eventuelt etterfulgt av en vulkan-isering av elastomeren.

Aggregatet bestående av det fleksible rør og den beskyttende mantel 7 (såsom hylserøret 8 eller vindingen som utgjøres av vindingen av strimler 9) dekkes av et utvendig fleksibelt metallrør 10 som kompletterer den termiske beskyttelse og som utgjøres av vindingen av en metallstrimmel 11, som utmerker seg ved å ha god varmereflektivitet, såsom et rustfritt stål, for eksempel av den austenittiske type. Nevnte metallstrimmel kan være en enkel sammenhengende strimmel med begrenset bredde, viklet flatt, eller en strimmel som er profilert slik at den har en flatklemt S-form, slik at de tilgrensende viklinger kan overlappe hverandre.

Metallstrimmelen har fortrinnsvis en forriglingsseksjon med radial klaring som muliggjør relativ forskyvning av vikling-ene over lengden av røret som skal beskyttes. Metallstrimmelen kan særlig fremstilles i form av en kjent forriglet strimmel, som er beskrevet for eksempel i fransk patent-skrift nr. 2.555.920. Alternativt kan det ytre metallrør fremstilles i form av et korrugert rør.

Ved den spesielle utførelsesform som er vist i fig. 3, omfatter det fleksible rør mellom det ytre rør 10 og den ytre kappe 6 to viklede strimler 12 og 13 fremstilt av agglomerert kork og i det minste ett og fortrinnsvis to klebebånd 14 og 15 som, om nødvendig, kan være armert med glass-fiber eller annet ekvivalent materiale, idet båndet 15 er plassert mellom korkstrimlene 12 og 13.

Det ble utført forsøk på et fleksibelt rør med følgende sam-mensetning fra innsiden til utsiden: - et indre tetthetsrør 1 i polyamid med en innvendig diameter på 76 mm og en tykkelse på 6 mm, - et trykkhvelv 2 i ståltråd av den forriglende lav-stigningstype, - et armerende trykkhvelv 3 i flattståltråd, viklet i skruelinjeform med lav stigning, - en mellomliggende kappe 4 i polyetylen med en tykkelse på 2 mm, - to armeringstrådvindinger 5 i ståltråd, symmetrisk plassert med en armeringsvinkel på 35°, - et klebebånd (ikke vist) viklet rundt den ytre vinding 5, - en ytre kappe 6 i polyetylen med en tykkelse på 5 mm, - en termisk beskyttelsesmantel 7 i agglomerert kork med en tykkelse på 6 mm, - et ytre rør 10 i forriglende strimler i rustfritt stål av austenittisk AISI 304 type.

Når det gjaldt det fleksible rør som ble underkastet testen, ble den termiske beskyttelsesmantel dannet av et sjikt av en strimmel 9 i agglomerert kork og gummikloropren med føl-gende karakteristika: - størrelse på korkpartiklene lik 1 til 2 mm, gjennomsnittlig tetthet 660 til 670 kg/m 3, varmeledeevne i området 0,2 W/m.°C, strekkfasthet i området 10 daN/cm (1 MPa).

Strimmelen hadde en tykkelse på 6 mm og en bredde på 60 mm, og ble viklet i et enkelt lag av mer eller mindre sammenhengende viklinger over en diameter av 140 mm svarende til den ytre kappes 6 ytre diameter.

Når en rørfittingsende hadde blitt montert til hver ende av en seksjon som utgjorde et prøvestykke av et rør fremstilt med en betydelig lengde, svarte det således fremstilte, 5,5 m lange fleksible rør til de rør som vanlig brukes, bortsett fra det ytterligere sjikt av termisk beskyttelse.

Det ovennevnte fleksible rør ble utsatt for en brannbestan-dighetstest under de følgende betingelser:

Det fleksible rør ble:

1. Tettet ved begge ender ved blindflenser og metall-tetninger,

2. fylt med vann ved et trykk på 1040 bar,

3. én av endene som ble direkte eksponert for brannen ble beskyttet ved hjelp av en blikkappe som dekket en iso-lasjon fremstilt av ildfaste fibre CERABLANKET (R) fra

MANVILLE.

En tre m lengde av det fleksible rør ble deretter utsatt for en temperatur på 700°C, nådd i løpet av 5 minutter, og deretter holdt konstant ved 700°C gjennom hele ovnsopp-varmingsoperasjonen som totalt varte i 80 minutter. Trykket i vannet i det fleksible rør ble holdt konstant svarende til 1040 bar over hele testens varighet, idet oppvarmingen av ovnen ble avbrutt etter 80 minutter uten at man hadde iakttatt noen lekkasje i det hele tatt.

Resultatene viste at vannets temperatur ikke overskred 14 0°C, hvilken temperatur ligger godt nedenfor smeltepunk-tet (183°C) for polyamidet som dannet den indre tetthetskappe.

Det således oppnådde positive resultat som langt overskrider forventningene, kan synes overraskende, særlig når man tar i betraktning at den totale koeffisient for det fleksible rørs varmeisolasjon hadde blitt økt relativt lite ved tilføyelsen av den termiske beskyttelsesmantel ettersom mantelens tykkelse og koeffisient for varmeledeevne er i samme størrel-sesorden som ved det fleksible rørs tre kapper. Årsaken til det således oppnådde gode resultat består i den agglomererte korks atferd i brann, hvilken atferd er bedre enn hos de plastmaterialer som utgjør kappene. Selv om den var kalsinert viste den agglomererte kork seg å forbli i posisjon, hvor den dannet et avstandsstykke mellom det ytre rør i rustfritt stål og armeringstrådene, mens det fleksible rørs ytre plastkappe ble vesentlig forringet, og den hindret således fremkomsten av en termisk bruslagningseffekt som i betydelig grad ville ha akselerert stigningen i temperatur i den indre tetthetskappe av plast og i vannet i det fleksible rør.

Når det gjelder det ovenfor beskrevne eksempel med hensyn til det fleksible rør som ble utsatt for de ovennevnte tes-ter, viste det seg at varmeledningskoeffisienten per enhets-lengde (koeffisient for termisk endring per enhetsmeter-lengde av rørledning W/m og °K) var redusert med omtrent 27% når et fleksibelt rør ifølge oppfinnelsen sammenlignes med en motsvarende fleksibel slange som ikke omfatter en korkstrimmel.

Dessuten viste metallrøret seg å tjene til å unngå lokali-serte varmepunkter ettersom det sprer varmen helt rundt det fleksible rør og i særdeleshet rundt den termiske mantel, som således over hele sin overflate utsettes for en i det vesentlige jevn temperatur.

Det synes ytterligere som om kombinasjonen av den beskyttende mantel i agglomerert kork og det ytre fleksible metall-rør frembringer en synergisk effekt som resulterer i en økt beskyttelse av det fleksible rør mot høye temperaturer. I tilfelle av en brann vil det ytre fleksible metallrør, i tillegg til dets beskyttende egeneffekt ved refleksjon av varme, forbedre virkningen av sjiktet av agglomerert kork som følge av at nevnte agglomererte kork befinner seg i et avgrenset rom inne i nevnte metallrør.

Det turde uten videre være klart at hvis atferdsforholdene ved høye temperaturer og/eller ved varigheten for eksponer-ing for nevnte temperaturer skulle bli mer alvorlige enn de som er angitt i beskrivelsen, vil det da være mulig å øke tykkelsen på komposittkappen, som kan være flere centimeter tykk; den termiske beskyttelse og nærmere bestemt den agglomererte kork fortsetter å virke som et avstandsstykke mens den sørger for en viss varmeisolasjon til tross for at den befinner seg i en kalsinert tilstand.

Det er til slutt mulig å legge inn mellom metallrøret og den agglomererte kork et sjikt av materiale med meget god atferd i brann, for eksempel omfattende ildfaste fibre, såsom det materiale som markedføres under varemerket CERABLANKET.

Claims (13)

1. Fleksibelt rør med forbedret termisk beskyttelse og hvori et fluid under trykk kan strømme, omfattende i det minste ett tettende, strukturelt element eller rør i polymert materiale (1) , i det minste én forsterkende vikling (5), en termisk beskyttelsesinnretning og en beskyttende ytre kappe (6) anordnet rundt nevnte forsterkende vikling (5),karakterisert vedat den termiske beskyttelsesinnretning er en termisk beskyttelsesinnretning mot høye temperaturer og består av en kappe (7) av komposittmateriale omfattende korkpartikler, idet nevnte kappe (7) befinner seg rundt nevnte ytre kappe og et fleksibelt metallrør er anordnet utenpå og rundt nevnte kappe av komposittmateriale.

2. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte komposittmateriale er agglomerert kork.

3. Fleksibelt rør ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat nevnte komposittmate-riales gjennomsnittlige tetthet er mellom 500 og 800 kg/m<3>.

4. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert vedat nevnte kompo-sittmateriales varmeledeevne er mindre enn 0,3 W/m.°C.

5. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4,karakterisert vedat nevnte komposittkappe (7) er fremstilt av i det minste én strimmel (9) eller bånd viklet i skruelinjeform over nevnte forsterkende vikling (5) ved en stor vinkel med hensyn på nevnte fleksible rørs lengdeakse.

6. Fleksibelt rør ifølge krav 5,karakterisert vedat nevnte skruelinj es viklinger er nærliggende eller ubetydelig forskjøvet.

7. Fleksibelt rør ifølge krav 5,karakterisert vedat nevnte skruelinj es viklinger delvis overlapper hverandre.

8. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte komposittkappe (7) er et sylindrisk hylserør (8) som er tredd over nevnte forsterkende vikling (5).

9. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte komposittkappe (7) er fremstilt ved ekstrudering direkte over nevnte forsterkende vikling (5).

10. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte komposittkappe (7) er satt sammen av nærliggende skall.

11. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte termiske beskyttelse omfatter i det minste to konsentriske lag (12, 13) av komposittmateriale omfattende korkpartikler.

12. Fleksibelt rør ifølge krav 11,karakterisert vedat i det minste ett klebebånd (15) er plassert mellom nevnte konsentriske lag (12, 13) .

13. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat et lag av materiale med meget god adferd i brann er anordnet mellom metallrøret (10) og komposittkappen (7).