NO312483B1 - Fleksibelt, lettvekts komposittrör for höytrykks olje- og gassanvendelser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et fleksibelt, lettvekts høytrykks-rør for stigerør- eller rørledningsanvendelser, særlig til havs, omfattende en indre foring, et første strukturlag som er anbrakt på den indre foring, for opptakelse av trykkbelastninger, ett eller flere ytterligere strukturlag som er anbrakt på det første lag, for opptakelse av aksial- og bøynmgsbelastninger, og en væsketett, ytre kappe, hvor i det minste det første og de ytterligere strukturlag er fremstilt av lettvekts kompositt-materiale bestående av en fiberforsterket polymergrunnmasse.

For høytrykks stigerør- og rørledningsanvendelser til havs eksisterer det flere typer av rørkonstruksjoner. De to hovedkategorier er stive rør (metalliske og ikke-metalliske), og fullstendig ikke-bundne, fleksible rør.

Stive rør har høy aksial- og bøyningsstivhet og er konstruert med en massiv rørvegg som motstår alle braksbelastninger. Disse rør kan benyttes for stigerør- eller rørledningsanvendelser, og benyttes vanligvis i en skjøtet konfigurasjon. Stigerøret eller rørledningen sammensettes av separate seksjoner som sammenføyes ved sveising, bolting, sammenskruing eller andre forbindelsesmekanismer. Disse rør kan være konstruert av metalliske materialer, eller av lettvekts komposittmaterialer. Rør av komposittmaterialer blir ennå ikke benyttet for stigerøranvendelser, men er under utvikling. Disse rør er imidlertid basert på bundet kompositt-teknologi, hvilket resulterer i et rør som har høy styrke, men også høy stivhet.

Et tradisjonelt, ikke-bundet, fleksibelt rør består av en innvendig termoplastisk foring som er forsterket av flere metalliske strukturlag, med en utvendig termoplastisk kappe. Hvert strukturlag av dette rør er oppbygget av flere atskilte strimler som er viklet i skruelinjeform på røret. Strimlene er ikke bundet, og kan bevege seg i forhold til hverandre. Strukturlagene kan beskrives ifølge sin funksjon, nemlig en innvendig stamme som benyttes til å motstå utvendig trykk, ett eller flere lag for å motstå innvendig trykk, og flere lag for å motstå aksial- og bøynmgsbelastninger. For mange stigerøranvendelser til havs er stive rør ikke egnet på grunn av den høye bøymngsfleksibilitet som er nødvendig. Ved disse anvendelser benyttes ofte fleksible rør. Olje- og gassproduksjon skjer imidlertid i stadig dypere vannområder. På meget store vanndyp (større enn 1000 meter) kommer tradisjonelle fleksible rør, som omfatter metalliske strukturlag, ut for problemer med høy egenvekt av stigerøret. Én måte å løse dette vektproblem på, er å tilføye ytre oppdriftselementer langs stigerøret for understøttelse, men oppdriftselementer øker belastningene på et stigerør forårsaket av strømmer, og er selv meget dyre.

En annen løsning er å erstatte meMstrimlene av strukturlagene på et fleksibelt stigerør med strimler som er dannet av lettvekts komposittmateriale. Denne kompositt antar formen av ensrettet fiberforsterket polymermateriale. Det pågår for tiden prosjekter for å fremstille og kvalifisere ikke-bundne, fleksible rør som omfatter komposittstrimler i noen av strukturlagene. For dynamiske offshore-anvendelser er denne løsning hittil bare egnet for de lag som benyttes til å motstå aksial- og bøynmgsbelastninger. Disse lag består av strimler som er viklet på røret i vinkler på mellom 10° og 45° med rørets lengdeakse. Innlemmelse av komposittmaterialer i disse lag reduserer stigerørets totalvekt. Erstatning av det trykkbelastningsbærende lag med komposittstrimler er imidlertid ikke blitt oppnådd. Selv om røret er lettere enn tradisjonelle fleksible rør, trenger derfor røret et tiykkbelastningsbærende lag av metall og har fremdeles en betydelig vekt, noe som begrenser de mulige anvendelsesområder.

For et tradisjonelt, fleksibelt rør er metallstrimlene i det trykkbelastningsbærende lag viklet på røret i vinkler på mellom 65° og 90° med rørets lengdeakse. For å opprettholde en konstant avstand mellom metaUstrimlene, er disse utformet med en gjensidig inngripende form (enten en "S"-form eller en "C"-form) som hindrer for stor aksial bevegelse. Dette resulterer i konsentrerte, tverrgående belastninger og spenninger i strimmelen når røret bøyes eller strekkes aksialt. Mens et metallisk materiale kan motstå disse spenninger, er dette ikke tilfelle med en komposittstrimmel som er fremstilt av en ensrettet fiberforsterket polymer, og den er derfor ikke egnet for en slik konstruksjon.

En fleksibel rørkonstruksjon av den innledningsvis angitte type er kjent fra US patentskrift 5 261 462. Røret ifølge dette patent er et fleksibelt komposittrør for statiske onshore-anvendelser innen oljeindustrien. Røret har ett eller flere strukturlag for å motstå indre trykk, og ytterligere strukturlag som har som funksjon å oppta aksial- og bøyningsb-elastninger. Alle strukturlag består av et antall individuelle, fiberforsterkede strimler som er viklet rundt røret, men ikke er bundet til de tilstøtende strimler eller til lagene over eller under disse. Også det første strukturlag består her av ikke-bundne strimler som er viklet rundt røret i en vinkel som ligger nær 90° med rørets lengdeakse. Dette gir noen fordeler, men har flere ulemper som er knyttet til krefter og spenninger mellom de individuelle strimler i dette strukturlag. En komposittstrimmel som er fremstilt av ensrettet fiberforsterket polymer, vil ikke effektivt kunne motstå de tverrgående spenninger som vil oppstå under høye bøyebelastninger. Dette kjente rør er således ikke egnet for anvendelse som et dynamisk, fleksibelt høytrykks-stigerør, da det trykkbelastningsbærende lag ikke er egnet til å motstå store dynamiske, aksiale deformasjoner.

På denne bakgrunn er det et generelt formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et fleksibelt høytrykksrør som er egnet for stigerør- og rørledningsanvendelser, særlig til havs, og som omfatter lettvekts komposittmaterialer i både det trykkbelastningsbærende lag og de aksial- og bøynmgsbelastningsbærende lag av røret.

Et mer spesielt formål med oppfinnelsen er å tilveie-bringe et lettvekts høytrykks-komposittrør som kan motstå høye bøyningsdeformasjoner, og som er egnet for anvendelser som krever høy bøyningsfleksibilitet.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt et fleksibelt høytrykksrøTav den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det første strukturlag er et massivt lag som er forsterket med lange, kontinuerlige fibrer som forløper rundt røret, slik at laget har høy styrke i rørets omkretsretning samtidig som det oppnås en høy grad av fleksibilitet, og at hvert av de ytterligere strukturlag, som i og for seg kjent, består av et antall individuelle strimler som er forsterket av fibrer som i det vesentlige forløper i strimlenes lengderetning, og som er viklet rundt røret, men ikke er bundet til de tilstøtende strimler eller til lagene over eller under disse.

Ved å kombinere et massivt strukturlag med et antall ikke-bundne strukturlag på den ovenfor angitte måte, tillater oppfinnelsen anvendelse av et lettvekts komposittmateriale i både det trykkbelastningsbærende strukturlag og de aksial- og r>øyrimgsbelastningsbærende strukturlag av røret, noe som resulterer i et fleksibelt rør med mye lavere vekt enn de tradisjonelle rør. På grunn av den lave tetthet av de fleste av de materialer som benyttes i røret, vil røret fa en meget lav, neddykket vekt.

På grunn av den lave vekt vil stigerøret ifølge oppfinnelsen også tillate operasjoner på større vanndyp enn hva som tillates med tradisjonelle fleksible stigerør. I tillegg til driftsfordelene vil rørets lave vekt lette installasjonen, ved å redusere størrelsen av utstyr som kreves for å løfte og bøye røret. Dette gjelder både når røret anvendes som stigerør og når det anvendes som statisk rørledning.

For typiske stigerøranvendelser tillater den lave vekt av rørkonstruksjonen lettere optimering av stigerørkonifgura-sjonen. I noen tilfeller kan det være nødvendig å tilføye ytterligere vekt langs rørets lengde, men det vil være mulig å anbringe vekten der hvor den er nødvendig. Dette står i motsetning til et tyngre stigerør som har større vekt langs hele lengden av røret. Den grad av oppdrift som kreves for å understøtte røret, vil dessuten være kraftig redusert. Disse faktorer resulterer i et stigerørsystem som er lettere å tilpasse til mange forskjellige anvendelser.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningen, der

fig. 1 viser et perspektivriss av en del av et rør ifølge oppfinnelsen, hvor de enkelte lag er delvis avdekket for å vise oppbygningen av røret, og

fig. 2 viser et delvis gjennomskåret sideriss av en del av et liknende rør ifølge oppfinnelsen.

Slik det fremgår av fig. 1, er det viste rør 1 oppbygget av et antall lag 2-7. Disse lag omfatter et indre lastbærende lag 2 for opptakelse av utvendig trykk, en indre foring 3, et første lastbærende strukturlag 4 for opptakelse av innvendig trykk, to ytterligere lastbærende strukturlag 5 og 6 for opptakelse av aksial- og bøynmgsbelastninger, og en ytre kappe 7.

Det indre lag 2 er nødvendig for anvendelser hvor røret kan bli utsatt for et ytre overtrykk. Dersom den indre foring 3 ikke er godt bundet til strukturlaget 4, vil laget 2 hindre sammenbrudd av foringen 3 i tilfelle av rask innvendig trykksenkning. Dersom foringen er godt bundet til strukturlaget 4, er det indre lag 2 nødvendig for å hindre sammenbrudd av strukturlagene. Dersom imidlertid strukturlagene har tilstrekkelig motstand mot ytre trykk, og foringen er godt bundet til disse, vil laget 2 ikke være nødvendig. Dette lag kan være dannet av metall, slik som stammen i tradisjonelle, ikke-bundne, fleksible rør.

Den indre foring 3 er et termoplastisk rør som er konstruert for å gjøre røret 1 fluidtett. Foringsrøret kan prefabrikkeres ved ekstrusjon, og vikles på lagringsspoler før sammenstilling av rørkomponentene, eller det kan ekstruderes samtidig med sammenstillingen av røret. Det termoplastiske materiale i foringen kan velges ut fra driftsbeitngelsene. Mulige materialer er høytetthets polyetylen, tverrbundet polyetylen, polyamid eller polyvinylidenfluorid (PVDF), eller andre passende termoplastiske materialer.

Det er viktig at den indre foring er bundet til strukturlagene. Termisk binding foretrekkes, noe som krever anvendelse av et foringsmateriale som er det samme eller et liknende materiale som grunnmassen i det første strukturlag 4. Alternativt kan det benyttes samekstrudering, hvor et lag av en temperaturbestandig og kjemisk motstandsdyktig polymer ekstruderes inne i et rør av et annet materiale som er det samme som eller likner på grunnmassen i det første strukturlag 4. Alternativt kan foringen være bundet til strukturlagene ved hjelp av kjemiske eller mekaniske midler.

Slik som foran angitt, består det første strukturlag 4 ifølge oppfinnelsen av et massivt lag av polymermateriale som er forsterket med lange, kontinuerlige fibrer som forløper rundt røret. På denne måte oppnås et materiale som har høy styrke i rørets omkretsretning, og som kan motstå store aksiale deforma-sjoner, dvs. på tvers av fibrene.

Forsterkningsfibrene leveres i garnbunter som består av tusenvis av individuelle fibrer. Fibrene kan består av hvilke som helst fibrer med høy stivhet og høy styrke. De mest passende fibertyper er aramidfibrer, glassfibrer og karbonfibrer, med en diameter i området 5-100 um. Komposittmaterialet dannes ved å kombinere fiberbuntene med polymergrunnmassen. Fibrene kan enten være individuelt innstøpt i grunnmassen, eller bunter av fibrer kan være omsluttet av fibermateriale, slik at fibrene er frie til å bevege seg i forhold til hverandre (bunt- eller snorforsterket materiale).

I den utførelse som er vist på fig. 1, består det første strukturlag 4 av et termoplastisk lavmodul-materiale som er forsterket med bunter 8 av fibrer som forløper rundt røret 1, idet hver bunt 8 inneholder et stort antall innbyrdes bevegelige fibrer og er omsluttet av, men ikke bundet til den termoplastiske grunnmasse 9. Selv om dette er en fordelaktig og for tiden foretrukket utførelse, kan imidlertid det første strukturlag, som et alternativ, være fremstilt av et termoplastisk lavmodul-materiale i hvilket forsterkningsfibrene er godt fordelt og bundet til den termoplastiske grunnmasse (fig. 2). Dette resulterer i et komposittmateriale med høyere stivhet og høyere styrke enn et snorforsterket materiale, men med mindre evne til å motstå aksiale deformasjoner.

Det fiberforsterkede, termoplastiske materiale som benyttes i strukturlaget 4, prefabrikkeres i båndform, idet det består av lange lengder som oppspoles på ruller. Grunnmasse-materialet kan være hvilket som helst av de polymermaterialer som er nevnt ovenfor for den indre foring 3. Dersom grunnmassematerialet i dette lag er det samme som eller et liknende materiale som det som benyttes for den indre foring, kan foringen bindes termisk til dette lag. Denne metode er å foretrekke. Dersom grunnmassematerialet er forskjellig fra foringsmaterialet, må foringen bindes kjemisk eller mekanisk til dette lag.

De prefabrikkerte bånd av snorforsterket, eller alternativt, fiberforsterket termoplastisk materiale sammensettes for å danne et massivt, forsterket lag over den indre foring. Laget sammensettes ved å anbringe atskilte bånd på foringen i en vinkel på mellom 15° og 90° med rørets lengdeakse. Binding av disse bånd til det underliggende lag kan utføres på én av to måter. Båndene kan vikles på et rør og bindes termisk til foringen i kontaktpunktene ved å benytte hvilken som helst av en rekke oppvarmingsmetoder, deriblant varmluft, en flamme eller infrarød bestråling. Alternativt kan båndene vikles på foringen uten oppvarming. I dette tilfelle bindes alle lag eller sjikt termisk på samme tid ved å føre det ferdige rør gjennom en rekke ovner som tilfører utvendig varme til rørveggen.

Dette første strukturlag omfatter flere sjikt 10 som er viklet i vinkler på mellom 15° og 90° med rørets lengdeakse. De sjikt som har en viklingsvinkel ved eller nær 90°, tilveiebringer motstand mot innvendig trykk. De sjikt som har en lavere viklingsvinkel, tilveiebringer en viss aksial stivhet og styrke. Konstruksjonen av dette strukturlag med hensyn til antall lag, tykkelsen av lagene, og vinklene for hvert lag optimeres for bruksbelastningene for hver anvendelse.

Alternativt kan det massive strukturlag 4 fremstilles av andre komposittmaterialer. Disse kunne omfatte hvilken som helst kompositt med primær forsterkning i rørets omkrets- eller rmgretning, og med høy aksial deformasjonsevne.

De to ytterligere strukturlag 5 og 6 som er tilføyd på utsiden av det massive strukturlag 4, er som nevnt anordnet for å tilveiebringe motstand mot aksial- og bøynmgsbelastninger. For at rørets 1 bøyningsstivhet ikke skal økes i vesentlig grad, må disse lag være ikke-bundet, og hvert lag består derfor av et antall individuelle strimler 11 som er viklet rundt røret, men ikke er bundet til de tilstøtende strimler eller til lagene over eller under disse.

I utførelsen på fig. 1 er røret 1 forsynt med to ytterligere lag 5 og 6, men det kan eventuelt være anordnet fire lag. Slik som antydet på figuren, er de individuelle strimler 11 viklet med vekslende positive og negative vinkler med rørets lengdeakse. Disse vinkler kan ligge i området 15° - 60°.

Strimlene i disse lag kan fremstilles av fiberforsterkede, varmeherdende materialer eller fiberforsterkede, termoplastiske materialer. De mest passende fiberforsterkninger er de samme som for det snorforsterkede, termoplastiske materiale. For en varmeherdende grunnmasse er epoksy ett passende materiale. De mest aktuelle termoplastiske grunnmassematerialer er de samme som for det snorforsterkede materiale.

Anbringelsesmetoden for disse lag avhenger av det grunnmassemateriale som velges. For fiberforsterkede, varme-herdende strimler eksisterer følgende fremstillingsmuligheter:<*>Strimlene fremstilles og vikles samtidig på røret ved benyttelse av våtfilamentvikling og rask herding etter påføring.<*>Tynne sjikt prefabrikkeres, herdes og lagres på ruller. Disse sjikt vikles på røret, med flere sjikt anbrakt ovenpå hverandre for å bygge opp den nødvendige tykkelse av strimmelen. Sjiktene bindes til hverandre ved benyttelse av et klebemiddel, eller de kan

etterlates ikke-bundet.

<*>Tynne sjikt prefabrikkeres, og herdes delvis og lagres på ruller. Disse sjikt påvikles deretter på røret, med flere sjikt anbrakt ovenpå hverandre for å bygge opp den nødvendige tykkelse. Varme tilføres deretter til det ferdige lag for å fullføre herdingen av det varmeherdende materiale.

Dersom fiberforsterkede strimler av termoplastmateriale benyttes, kan følgende monteringsmetode benyttes:<*>Tynne sjikt av fiberforsterket termoplastmateriale prefabrikkeres og lagres på ruller. Disse sjikt påvikles deretter på røret, med flere sjikt anbrakt ovenpå hverandre for å bygge opp den nødvendige tykkelse. Sjiktene bindes ved å tilføre varme i kontaktpunktene. Alternativt kan sjiktene etterlates ikke-bundet.

Den ytre kappe 7 som er anbrakt på røret 1, tilveiebringer tetthet mot ytre fluider, og også motstand mot skraping, slitasje, slag og biologisk vekst. Denne kappe kan fremstilles av de samme materialer som for den indre foring 3. Kappen kan anbringes ved at den på konvensjonell måte ekstruderes over det ferdige rør.

På fig. 2 er det vist en utførelse av et rør 12 ifølge oppfinnelsen som i det vesentlige svarer til utførelsen på fig. 1, og hvor liknende bestanddeler på de to figurer er betegnet med de samme henvismngstall. Forskjellen er at røret 12 er uten noe indre lag innenfor den indre foring 13, og at det første strukturlag 14 er av en annen utførelse enn i røret 1 på fig. 1. Fig. 2 viser således den forannevnte utførelse hvor det massive strukturlag 14 består av et termoplastisk materiale i hvilket forsterkningsfibrene 15 er godt fordelt i den termoplastiske grunnmasse 16.

Eksempel

Nedenfor skal det gis et eksempel på konstniksjonsparametere, dimensjoner og materialer for et rør ifølge oppfinnelsen.

Rørkonstruksjonsparametere

<*>Innvendig diameter = 200 mm

<*>Innvendig trykk = 50 MPa

Innvendig fdring

<*>Formål: Å tilveiebringe en indre fluidtett barriere

<*>Materiale: Polyamid 11 (termoplastisk polymer)

<*>Tykkelse: 5 mm

Trykkbelastningsbærende lag

<*>Formål: Å motstå innvendige trykkbelasminger

<*>Materiale: Aramidbuntforsterket polyamid 11

<*>Form: Et massivt komposittlag bestående av flere lag av snor- eller buntforsterket polyamid 11, viklet med vekslende vinkler på ± 80° i forhold til rørets lengdeakse. Alle

lag er konsolidert til et massivt komposittlag

<*>Tykkelse: 20 mm

Aksial- og bøyningsbelastningsbærende lag

<*>Formål: Å motstå aksial- og bøynmgsbelastninger

<*>Materiale: Ensrettet karbonfiberforsterket epoksy

<*>Form: To ikke-bundne lag som hvert består av flere atskilte strimler av ensrettet forsterket epoksy. De to lag er viklet på røret med vinkler på +35° og -35° i forhold til

rørets lengdeakse

<*>Tykkelse: 6 mm

Kappe

<*>Formål: Å tilveiebringe en utvendig fluidtett barriere, og dessuten beskytte mot skraping, slitasje, slag og biologisk vekst

<*>Materiale: Polyamid 11 (termoplastisk polymer)

<*>Tykkelse: 5 mm

Rørvekt

<*>Tørr vekt = 27,8 kg/m

<*>Neddykket vekt = 3,0 kg/m

Claims (11)

1. Fleksibelt, lettvekts høytrykksrør for stigerør- eller rørledningsanvendelser, særlig til havs, omfattende en indre foring (3), et første strukturlag (4) som er anbrakt på den indre foring, for opptakelse av trykkbelastninger, ett eller flere ytterligere strukturlag (5, 6) som er anbrakt på det første strukturlag (4), for opptakelse av aksial- og bøynmgsbelastnin-ger, og en væsketett, ytre kappe (7), hvor i det minste det første (4) og de ytterligere (5, 6) strukturlag er fremstilt av lettvekts komposittmateriale bestående av en fiberforsterket polymergrunnmasse,karakterisert vedat det første strukturlag (4) er et massivt lag som er forsterket med lange, kontinuerlige fibrer (8) som forløper rundt røret (1), slik at laget har høy styrke i rørets omkretsretning samtidig som det oppnås en høy grad av fleksibilitet, og at hvert av de ytterligere strukturlag (5, 6), som i og for seg kjent, består av et antall individuelle strimler (11) som er forsterket av fibrer som i det vesentlige forløper i strimlenes lengderetning, og som er viklet rundt røret (1), men ikke er bundet til de tilstøtende strimler (11) eller til lagene (4,7) over eller under disse.

2. Rør ifølge krav 1,karakterisert vedat også den indre foring (3) og den ytre kappe (7) er fremstilt av et polymermateriale med lav modul.

3. Rør ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det første strukturlag (4) består av et termoplastisk lavmodul-materiale som er forsterket med bunter (8) av fibrer som forløper i retning rundt røret (1), idet hver bunt (8) inneholder et stort antall innbyrdes bevegelige fibrer og er omsluttet av, men ikke bundet til den termoplastiske grunnmasse (9).

4. Rør ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det første strukturlag (14) er fremstilt av et termoplastisk lavmodul-materiale i hvilket forsterkningsfibrene (15) er godt fordelt og bundet til den termoplastiske grunnmasse (16).

5. Rør ifølge krav 3 eller 4,karakterisert vedat det fiberforsterkede, termoplastiske materiale består av prefabrikkerte bånd (10) som er viklet på den indre foring (3) med en vinkel på 15° til 90° med rørets (1) lengdeakse.

6. Rør ifølge krav 5,karakterisert vedat båndene (10) er varmebundet til den indre foring (3), idet denne består av et rør av det samme eller et liknende termoplastisk materiale som materialet i det første sliiikturlag (4).

7. Rør ifølge krav 5,karakterisert vedat båndene (10) er varmebundet til den indre foring (3), idet denne består av to lag av hvilke et ytre lag består av det samme termoplastiske materiale som materialet i det første strukturlag (4), og et indre lag består av et forskjellig materiale som er temperatur- og korrosjonsbestandig.

8. Rør ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat grunnmassematerialet i de ytterligere strukturlag (5,6) består av et termoplastisk materiale.

9. Rør ifølge ett av kravene 1-7,karakterisert vedat grunnmassematerialet i de ytterligere strukturlag (5,6) består av et varmeherdende plastmateriale.

10. Rør ifølge krav 8 eller 9,karakterisert vedat strimlene (11) i de ytterligere strukturlag (5, 6) er viklet med vekslende positive og negative vinkler på mellom 15° og 60° med rørets (1) lengdeakse.

11. Rør ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat fibrene består av glass, aramid eller karbon, med en diameter i området 5-100 (im.