NO311679B1 - Marin, fleksibel kabelseksjon av komposittmateriale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en marin, fleksibel kontrollkabel, injeksjonskabel, produksjonskabel eller produksjonsrør, som på deler av kabelen/røret er utsatt for større dynamiske bøyekrefter, hvilken kabel/rør innbefatter et sentralt fluidstrømningsrør og/eller elektriske ledere av mindre tverrsnittsareal enn det sentrale fluidstrømningsrør, et fyllstoff mellom de mindre fluidstrømningsrørene og en utvendig kappe av egnet plastmateriale.

Hele kontrollkabler av denne type er vist i W093/171776 (NO 920689).

Kabler og rør av denne type er beregnet på bruk under vann til overføring av fluid, og eventuelt elektrisk energi, hydraulisk væske og signaler én eller begge veier. Som benyttet her, er betegnelsen "kontrollkabel" ment å omfavne en fleksibel eller bøyelig rør- eller kabelbunt som omfatter mange overføringslinjer så som elektriske kabler, både for energi og signaler, og fluidtransportrør, både for væske og gass.

Typisk vil disse transportrør være av stål med mindre diameter og kan eksempelvis benyttes til høytrykks hydraulisk væske for å aktivisere utstyr, så som ventiler, på havbunnen. Videre innbefatter de tradisjonelt et sentralt stålrør med større diameter for transport av større væskemengder, så som metanol for injisering i en olje- eller gassbrønn. Ett eller flere av strømningsrørene kan også benyttes til kjemikalier som skal injiseres i en formasjon eller tilbakeføring av "brukt" væske.

En kabelstreng av denne type er eksemplifisert og beskrevet i den ovenfor nevnte publikasjon og går blant fagfolk under betegnelsen "umbilicals". Det er imidlertid ikke avgjørende at kontrollkabelen omfatter elektriske ledere i tverrsnittet og man kan tenke seg den som en rørbunt, eventuelt et nakent rør, for transport av produsert olje og gass til overflaten på samme måte som stigerør.

En tidlig anvendelse av slike kontrollkabler var mellom et overflatefartøy og et neddykket fjernstyrt fartøy.

Når en kabel/rør er koplet til et overflatefartøy, eller en flytende struktur, vil dens bevegelser overføres til kabelens/rørets lastbærende elementer. De metalliske rørene vil da utsettes for til dels store bøye- og strekkspenninger. I følge sakens natur er også situasjonen mest mulig ugunstig ettersom bøyebelastningene i kabelen/røret vil være størst opp mot koplingspunktet mot den flytende struktur, samtidig som rørtverrsnittet nettopp i det samme området har største strekkbelastning på grunn av tyngden av den hengende kabel/rør ned mot bunnen.

Dette gir en situasjon der kabelen/rørene i utgangspunktet står under strekkspenning som gir tilsvarende mindre spillerom for bøyespenninger før flytespenninger opptrer i rørmaterialene. Når disse bøye- og strekkspenninger overskrider visse størrelser, oppstår det lokale plastiske deformasjoner og etter gjentatte overskridelser vil stålrørene være utsatte for utmatting og brudd. Bøyespenningene er naturlig nok størst i det lastbærende sentrale rør.

For å begrense størrelsen på bøyespenningene har det vært vanlig å anordne bøyestivere på den øverste seksjon av kabelen/røret - dvs. på de siste 5-10 meter av kabelen/røret opp mot den flytende struktur. Bøyestiverene blir montert utenpå kontrollkabelen/røret, og har gjeme økende tverrsnitt oppad, og blir som oftest innfestet til termineringen i enden av denne. Det skal dermed forstås at når den flytende struktur sine bevegelser forventes å bli store, må også bøyestiverene bli store. I dag har disse bøyestiverene allerede anseelige dimensjoner og har på det nærmeste nådd sine praktisk gjennomførbare yttergrenser.

I tillegg til den flytende struktur sine bevegelser, må det også tas hensyn til bevegelser forårsaket av strømmer i vannet. Dette påvirker kabelen/røret over den lengden der den henger helt eller delvis fritt. Også for disse bevégelser er det vanlig å ha grenseverdier. En måte å ta hånd om dette problemet på er vist i norsk patentsøknad Pl9971984.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å redusere faren for utmatting i det sentrale rør, og spesielt i området i nærheten av koplingspunktet for den flytende struktur. Imidlertid er oppfinnelsen ikke begrenset til det øvre koplingspunkt, men kan også bli brukt på ett eller flere steder langs kabelen/røret, og spesielt på de steder som er utsatt for dynamiske bøyebelastninger hvor lokale bøyespenninger representerer et problem. Eksempler er kabler/rør som henger svevende i sjøen i kjedelinjeform og følger hiv-bevegelser, samt området nær det nedre koplingspunkt til en undervannsstruktur på havbunnen.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en marin, fleksibel kabel/rør av den innledningsvis nevnte type, som kjennetegnes ved at det sentrale fluidstrømningsrøret i det bøyeutsatte området består av et komposittmateriale og at fiuidstrømningsrøret av komposittmateriale er forbundet via en fullt lastbærende skjøt til et metallisk fluidstrømningsrør, så som av stål eller titan.

Med fordel er komposittmaterialet oppbygd av innbyrdes parallelle fibre eller lignende som er tvunnet i flere lag og ved motsatte slagningsvinkler i de ulike lag og innleiret i en matrise. Fibrene kan være glassfibre, karbonfibre eller aramidfibre (KEVLAR) og matrisen kan være av termoplastisk eller varmeherdbar epoksy resin.

Med fordel forløper de mindre fluidstrømningsrørene på en snodd måte om det sentrale fluidstrømningsrør.

Selve fyllstoffet kan omfatte flere indre og ytre kanalelementer som er satt sammen slik at de omslutter det sentrale rør og danner kanaler for og opptar de omkringliggende fluidstrømningsrør, i det de nevnte rør er aksielt fritt bevegelige i kanalene.

Andre og ytterligere formål, trekk og fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse av for tiden foretrukne utførelser av oppfinnelsen, som er gitt for beskrivelsesformål, uten derved å være begrensende, og gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger hvor:

Fig.l viser et tverrsnitt gjennom en typisk kontrollkabel,

Fig.2 viser et lengdesnitt langs linjen A-A i fig.l gjennom en kontrollkabel i følge oppfinnelsen i dens overgang mellom kompositt- og stålmateriale i senterrøret, Fig.2A viser i nærmere detalj overgangen mellom kompositt- og stålrøret, dvs den innringede del B av fig.2,

Fig.3 viser et tverrsnitt gjennom en typisk produksjonskabel, og

Fig.4 viser et lengdesnitt gjennom et typisk glatt produksjonsrør i følge oppfinnelsen i overgangen mellom kompositt- og stålmateriale. Fig.l viser et tverrsnitt gjennom en kontrollkabel, også betegnet som "umbilical" blant fagfolk. Kabelen har en utvendig kappe 1 av plastmateriale, eksempelvis av ekstrudert PE. Langsgående indre og ytre kanalelementer 2,4 av plast er lagt mot hverandre og har slik utforming at de låser mot forskyvning når de er sammenstilt i en ring innenfor den utvendige kappe 1. Kanalelementene 2,4 danner langsgående kanaler 11 for opptak av et antall fluidstrømningsrør 3. Fluidstrømningsrørene 3 har noe mindre utvendig diameter enn diameteren av kanalene 11 som dannes mellom kanalelementene 2,4. Dette gjør at fluidstrømningsrørene 3 er aksielt fritt bevegelige i kanalene 11 mellom kanalelementene 2,4. Et hoved fluidstrømningsrør 5,6 forløper sentralt gjennom kontrollkabelen. Fig.l er også typisk og illustrerende for en injeksjonskabel, for eksempel av typen som blir brukt til injeksjon av metanol i en brønn.

Kabelen blir fremstilt slik at kanalelementene 2,4 og fluidstrømningsrørene 3 er snodd, eller slått, omkring det sentrale fluidstrømningsrør 5,6. Det vil være vanlig å ha en slagningslengde på om lag 10 meter per omdreining. Dette innebærer at fluidstrømningsrørene 3 og kanalelementene 2,4 har snodd seg én gang rundt det sentrale fluidstrømningsrør 5,6 over en lengde av kabelen på 10 meter. Denne slagning, sammen med fluidstrømningsrørenes 3 aksielle bevegelsesfrihet i kanalene 11, gir samme oppførsel under bøyning som i et ståltau.

Det vises nå til fig.2 som er et lengdesnitt gjennom en del av kontrollkabelen. Snittet viser en overgang 7, eller skjøt 7, mellom to kontrollkabelseksjoner. I den nedre del av snittet er det sentrale fluidstrømningsrør 6 et stål- eller titanrør. I den øvre del er det sentrale rør et komposittrør 5.

Fig.2A viser skjøten 7 i forstørret målestokk. Den er dannet ved at stål- eller titanrøret 6 har en øvre spissende i form av utvendig grove gjenger, eller spor 8, og komposittrøret 5 har en nedre muffe-ende med korresponderende innvendige grove gjenger, eller spor 9. Et skjøtestykke 10 er anordnet rundt skjøten 7 og erstatter i dette området det indre kanalelement 4. Fig.2 og 2A er også typiske og illustrerende for en injeksjonskabel.

Komposittrøret 5 er oppbygd av et antall armeringsfiberlag der fibrene ligger parallelt, men forløper i en bestemt viklingsvinkel og ligger lagvis med motsatte viklingsvinkler. Fibrene er innleiret i en matrise som hefter til fibrene og binder det hele sammen. Fibrene kan være glassfibre, karbonfibre eller aramidfibre (KEVLAR) og matrisen kan være av termoplastisk eller varmeherdbar epoksy resin. Selve oppbygningen av et komposittrør regnes som kjent teknikk og utgjør ingen del av oppfinnelsen, og materialene som blir benyttet i de ulike situasjoner er et valg som blir foretatt av fagmannen.

Fig.3 viser et tverrsnitt gjennom et produksjonsrør, eller en produksjonskabel, hvor den eneste vesentlige forskjell fra fig.l og 2, er dimensjonen på det sentrale fluidstrømningsrør 5',6' som gir mulighet for transport av større volumer produsert fluid. Det også inntegnet elektriske ledere 12' i tillegg til fluidstrømningsrørene 3' som er opptatt i respektive kanaler 11'.

Som tidligere innbefatter produksjonskabelen en ytre kappe 1' av plastmateriale, eksempelvis av ekstrudert PE. Langsgående indre og ytre kanalelementer 2',4' er lagt

mot hverandre og har slik utforming at de låser mot forskyvning når de er sammenstilt i en ring innenfor den utvendige kappe 1. Kanalelementene 2',4' danner de langsgående kanaler 11' for opptak av fluidstrømningsrørene 3' og/eller de elektriske ledninger 12'. Disse har noe mindre utvendig diameter enn diameteren av kanalene 11' som dannes mellom kanalelementene 2',4'. Dette gjør at fluidstrømningsrørene 3' og ledningene er aksielt fritt bevegelige i kanalene 11' mellom kanalelementene 2,4.

For øvrig er den også oppbygd med snoing, eller slagning, av kanalelementene 11' og fluidstrømningsrørene 3' og ledningene 12' omkring det sentrale fluidstrømningsrør 5',6', på samme måte som beskrevet i forbindelse med kontrollkabelen ovenfor.

Fig.4 viser et lengdesnitt gjennom et glatt produksjonsrør 5",6". Med "glatt" menes at røret ikke har en ytre kappe, kanalelementer, de mindre fluidstrømningsrør eller elektriske ledninger omkring seg. Det er bare et nakent rør, eventuelt med et utvendig korrosjonsbeskyttende belegg, og som innbefatter en skjøt 7" mellom komposittrøret 5" og stål- eller titanrøret 6". Den ene rørenden har utvendige forhøyninger 8" og fordypninger 9" som korresponderer med innvendige fordypninger og forhøyninger i den andre rørende. Et skjøtestykke 10" holder rørendene radialt sammen.

Claims (5)

1. Marin, fleksibel kontrollkabel, injeksjonskabel, produksjonskabel eller produksjonsrør, som på deler av kabelen/røret er utsatt for større dynamiske bøyekrefter, hvilken kabel/rør innbefatter et sentralt fluidstrømningsrør (5,6) som også er det lastbærende element, et antall omkringliggende fluidstrømningsrør (3) og/eller elektriske ledere (12') av mindre tverrsnittsareal enn det sentrale fluidstrømningsrør (5,6), et fyllstoff mellom de mindre fluidstrømningsrørene (3) og en utvendig kappe (1) av egnet plastmateriale, karakterisert ved at det sentrale fluidstrømningsrøret (5) i det bøyeutsatte området består av et komposittmateriale og at fluidstrømningsrøret (5) av komposittmateriale er forbundet via en fullt lastbærende skjøt (7) til et metallisk fluidstrømningsrør (6), så som av stål eller titan.

2. Marin, fleksibel kabel/rør som angitt i krav 1, karakterisert v e d at komposittmaterialet er oppbygd av innbyrdes parallelle fibre eller lignende som er tvunnet i flere lag og ved motsatte slagningsvinkler i de ulike lag og innleiret i en matrise.

3. Marin, fleksibel kabel/rør som angitt i krav 2, karakterisert v e d at fibrene er glassfibre, karbonflbre eller aramidfibre og matrisen er av termoplastisk eller varmeherdbar epoksy resin.

4. Marin, fleksibel kabel/rør som angitt i ett av kravene 1-3, karakterisert ved at de mindre fluidstrømningsrørene (3) og/eller elektriske ledere (12') forløper på en snodd måte om det sentrale fluidstrømningsrør (5,6).

5. Marin, fleksibel kabel/rør som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at fyllstoffet omfatter flere indre og ytre kanalelementer (2,4) som er satt sammen slik at de omslutter det sentrale fluidstrømningsrør (5,6) og danner kanaler (11) for og opptar de omkringliggende fluidstrømningsrør (3) idet de nevnte rør (3) er aksielt fritt bevegelige i kanalene (11).