NO325772B1 - Fremgangsmate for fremstilling av stalror med varmeisolasjon for undersjoiske rorledninger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av et stålrør med en varmeisolering for undersjøiske rørledninger.

I forbindelse med den økende offshore-virksomhet på større vanndyp (eksempelvis dyp på mer enn 1500 m) og i forbindelse med den økende betydning av lange rørledninger på slike vanndyp, er kravene til den termiske isolering for de anvendte stålrør steget betydelig. Ikke bare må de betydelige krav med hensyn til isoleringenes termiske egenskaper oppfylles, men de høye mekaniske påkjenninger som skyldes vanntrykket på disse dyp, må også møtes. Vanlige termiske isoleringer på basis av oppskummede plastmaterialer (eksempelvis polypropylen) vil ikke være tilstrekkelige. De komprimeringer som skyldes vanntrykket, vil endre skumstoffstrukturen på en utillatelig måte.

Opp til en viss grad kan man møte disse negative virkninger ved at man benytter en mindre kraftig oppskumming for plastmaterialet som anvendes i belegget, slik at belegget får en høyere tetthet. Derved bedrer man riktignok de mekaniske egenskaper, men samtidig reduserer man også den termiske isoleringsevne. Det er derfor nødvendig å øke de respektive isolerings-sjikttykkelser for å sikre en tilstrekkelig varmeisolering. Dette betyr naturligvis en betydelig økning av kostnadene i forbindelse med varmeisolasj onssj iktet.

I WO 9905447 er det beskrevet en varmeisolerende undersjøisk rørledning og fremgangsmåte for fremstilling av denne ledningen, som består av følgende trinn: koaksial plassering av innerør inn i et utvendig rør, slik at det dannes et radial mellomrom og dannelse av varmeisolerende mellomlag som består av skum og fibre, og videre herding av syntetisk-skummateriale.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å foreslå en fremgangsmåte for fremstilling av stålrør med en varmeisolering, hvilket stålrør egner seg for plassering på større dyp, særlig vanndyp på mer enn 1000 m, fortrinnsvis mer enn 1500 m.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av et stålrør med en ytre, termisk isolerende plastomhylling, som omfatter et termisk isolasjonssjikt. Fremgangsmåten omfatter omhylling av den rengjorte stålrør-overflaten med et varmeisolasjonssjikt av oppskummet termoplastisk plastmateriale. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved en etterfølgende omvikling med et mekanisk beskyttelsessjikt omfattende høyfast fibermateriale, innleiret i en termoplastisk eller duroplastisk matrise. Fordelaktige utførelsesformer av fremgangsmåten i føle oppfinnelsen fremgår av de medfølgende uselvstendige kravene 2 til 10.

Det varmeisolerte stålrøret omfatter et belegg bestående av et oppskummet plastmateriale (eksempelvis oppskummet polypropylen), hvilket belegg omgir stålrøret fullstendig, med jevn tykkelse, som i en for det respektive anvendelsestilfellet tilstrekkelig tykkelse (typisk mellom 10 og 50 mm) har de ønskede termiske isolasjonsegenskaper. Denne varmeisolering kan bestå av et eneste sjikt eller ved behov være sammensatt av flere enkeltsjikt av artslike eller sågar artsulike materialer. Enkeltsjiktene kan ha samme eller ulike tykkelser. Rundt dette termiske isolasjonssjikt av oppskummet plast eller et på lignende måte virkende og mekanisk stabilt isolasjonsmateriale, legges et ytterligere isolasjonssjikt, som likeledes har i hovedsaken jevn tykkelse og består av et fiberarmert, termoplastisk eller fiberarmert duroplastisk plastmateriale. Fibrene er altså i ethvert tilfelle innleiret i en matrise av plastmateriale og har gode mekaniske egenskaper. Fortrinnsvis dreier det seg om høyfaste fibre med en meget høy elastisitetsmodul, så som eksempelvis kullfibre (Keflar), kerarmkkfibre eller også metallfibre. Fortrinnsvis benyttes fibre som har meget stor fiberlengde. Sjikttykkelsen til det ytre, fiberarmerte plastsjikt velges slik at belegget i forbindelse med det termiske isolasjonssjikt, dvs. under utnyttelse av den støttevirkning dette gir, kan tåle de mekaniske påkjenninger på meget store vanndyp, uten å falle sammen. På grunn av de meget gode mekaniske egenskaper det fiberarmerte plastsjiktet har, blir formholdingsevnen til hele varmeisolasjonen grunnleggende forbedret. Den såkalte ringstivhet (hoop stiffness) for belegget bedres drastisk, slik at rørisolasjonen uten videre kan tåle de påkjenninger som den utsettes for av det hydrostatiske trykk. Avstivningen i det ytre sjikt av varmeisoleringen beskytter skumstoffsjiktet og hindrer en kryping som følge av det hydrostatiske trykk.

Det er nødvendig å påføre det mekaniske beskyttelsessjikt slik at det forbinder seg fast (eksempelvis sammenklebes) med den termiske isolasjon, slik at de ved senkingen av rørstrengen under en legging fra et rørleggeskip utøvede aksiale holdekrefter kan overføres på en sikker måte til den egentlige stålrørstreng.

Typisk ligger sjikttykkelsen til det mekaniske beskyttelsessjikt mellom 2 og ca. 15 mm, fortrinnsvis fra 8 til 12 mm, avhengig av de mekaniske karakteristika for de anvendte materialer og det benyttede varmeisolasjonsmaterialet så vel som avhengig av den ønskede vanndybde (eksempelvis 1500 m) for rørleggingen.

Vanligvis kan sjikttykkelsen til det mekaniske beskyttelsessjikt gjøres mindre når det benyttes utherdende plastharpikser i stedet for termoplastiske matrisematerialer for det mekaniske beskyttelsessjikt, fordi ringstivheten til utherdende plastharpiks er høyere.

Med hensyn til anvendelsen av duroplastiske, altså utherdende plastmaterialer som matrisematerialet i det mekaniske beskyttelsessjikt, må man ta hensyn til at de enkelte belagte rør ikke bør utsettes for vesentlige bøyepåkjenninger under leggingen, fordi de duroplastiske materialers begrensede utvidelsesevne medfører at det kan oppstå fine riss i overflaten, hvilke riss muliggjør inntrenging av vann og vil kunne skade den termiske isolering. Derfor foreslås det ved en videreutvikling av oppfinnelsen, for unngåelse av ulemper, at det duroplastiske, mekaniske beskyttelsessjikt skal omgis av en avsluttende ytre omhylling av et materiale som hindrer uønsket permeasjon av vann og som uten skade kan tåle deformeringer som følge av bøyepåkjenninger. Den ytre omhylling kan eksempelvis være av et termoplastisk plastmateriale (fortrinnsvis polypropylen) eller kan også bestå av et fortrinnsvis tynt metallisk sjikt, eksempelvis en aluminiumfolie. For å sikre fine riss i overflaten av det mekaniske beskyttelsessjikt, hvilke riss oppstår ved bøyinger av stålrøret (eksempelvis ved oppvikling av en av delelementer sammenføyet, lang rørstreng på en stor trommel før legging), mot inntrenging av vann, er det tilstrekkelig med en relativt tynn, termoplastisk ytre omhylling med en tykkelse merkbart mindre enn 5 mm, fortrinnsvis mindre enn 2 mm (eksempelvis 0,6-1 mm).

For å sikre den foran nevnte overføring av ytre, aksiale holdekrefter, som foran nevnte eksempelvis i forbindelse med rørlegging, må man også ved påføringen av et duroplastisk, mekanisk beskyttelsessjikt sørge for at det oppnås en god forbindelse med den termiske isolasjon. Dette kan skje ved hjelp av en stofforbindelse (klebekrefter) eller også ved en mekanisk sammenklemming av sjiktene (eksempelvis ved hjelp av overflateprofilering eller -ruhet).

Det anbefales å forsyne stålrøret med et korrosjonsbeskyttelsesbelegg under det termiske isolasjonssjikt. Dette korrosjonsbeskyttelsesbelegg kan fordelaktig innbefatte et epoksyharpiksbelegg. I tillegg eller alternativt kan stålrøroverflaten kromatiseres. Selvfølgelig kan også andre korrosjonsbeskyttelsessystemer benyttes. Også i en slik forbindelse må man passe på at det oppnås en intim forbindelse mellom de enkelte sjikt, for senere kraftoverføring.

En vesentlig fordel ved stålrøret består i at det ytre, mekaniske beskyttelsessjikt som følge av sin høye ringstivhet vil kunne tåle en vesentlig del av den mekaniske belastning røret utsettes for av det på de beregnede vanndyp herskende hydrostatiske trykk. Det betyr at veggtykkelsen i det egentlige stålrør kan reduseres betydelig sammenlignet med en rørlegging på samme vanndyp, men uten et mekanisk beskyttelsessjikt, for å hindre en sammenklapping av stålrøret som følge av det ytre hydrostatiske trykk, også når stålrøret ikke har noe øket innertrykk. Et slikt innertrykk, som kompenserer for ytre belastninger, kan i prinsippet oppnås eksempelvis ved å ha en vannfylling i røret under leggingen. Dette er imidlertid ofte uønsket, eksempelvis grunnet de dermed forbundede korrosjonsproblemer.

Med utnyttelsen av bæreevnen til det ytre mekaniske beskyttelsessjikt kan således kostnadene for fremstilling av og vekten av det egentlige stålrør reduseres tilsvarende. Dette gir samtidig en øking av rørledningens transportkapasitet, som følge av stålrørets større innerdiameter med samme ytterdiameter. Fordelaktig er også den reduksjon av leggekreftene (mindre strekkbelastning) som man oppnår, som følge av den lavere rørvekt. Da det selv ved legging på større dyp ikke kreves noen vannfylling av rørene, unngår man de dermed forbundede korrosjonsproblemer.

Fremgangsmåten for fremstilling av det isolerte stålrøret ifølge oppfinnelsen innbefatter at belegget legges på en rengjort, dvs. en metallisk overflate som er befridd for rust og smuss. Ved behov kan man først legge på et korrosjonsbeskyttelseslag. Her egner seg særlig en tynn grundering med epoksyharpiks (eksempelvis 30-100 um) og/eller en kromatisering av stålrørets overflate. Deretter eller direkte på den rengjorte stålrør-overflate blir så varmeisolasjonssjiktet av oppskummet termoplastisk plastmateriale påført på i og for seg kjent måte, ved hjelp skumekstrudering. Fortrinnsvis når dette varmeisolasjonssjikt er blitt mekanisk stabilt, som følge av avkjøling, blir stålrøret så fast omviklet med et fibermateriale, som er innleiret enten i en matrise av termoplastisk eller duroplastisk, altså utherdbart plastmateriale. Benyttes et termoplastisk matrisemateriale, så dreier det seg om faste, folielignende bånd, som etter omviklingen varmes opp hvorved matrisematerialet smeltes i en slik grad at de over hverandre liggende foliebåndlag forbinder seg med hverandre. Avslutningsvis avkjøles omhyllingen.

Dreier det seg om et duroplastisk matrisemateriale, så kan omviklingen skje på lignende måte, eksempelvis ved hjelp av en med plast impregnert flbervevnadsbane. Man kan imidlertid også foreta en omvikling med filamenter, som før og/eller under og/eller etter omviklingen impregneres med matrisematerialet. Utherdingen kan allerede begynne under viklingen og avsluttes i alle tilfeller først etterpå. Alt ettersom det dreier seg om bruk av et matrisemateriale i form av et varméherdende eller et under UF-lys herdende materiale, anbefales det å la det omhyllede rør gå gjennom en herdestasjon som er forsynt med varmestrålere eller UF-strålere, for derved å starte henholdsvis drastisk akselerere herdingen.

Med hensyn til utformingen av det mekaniske beskyttelsessjikt over det termiske isolasjonssjikt er det fordelaktig å innføre fibermaterialet i form av filamenter eller fiberflettinger, altså på en retningsorientert måte, for dermed å få en optimal mekanisk støttefunksjon av fibermaterialet.

Da duroplastiske plastmaterialer vanligvis er rissømfindlige når de bøyepåkjennes, anbefales det å forsyne de mekaniske beskyttelsessjikt på slike rør med en ytre omhylling, som eksempelvis på kjent måte kan påføres etter slangeekstruderingen eller etter oppviklingen, som et sjikt av et plastifisert, termoplastisk plastmateriale. Alternativt er det imidlertid også mulig å forsyne det mekaniske beskyttelsessjikt med et i skruelinjeform overlappende omviklet metallsjikt (eksempelvis tynnplate eller folie, fortrinnsvis av aluminium), som permeasjonssperre mot inntrenging av vann i overflateriss i det mekaniske beskyttelsessjikt. For at vannet ikke skal kunne trenge sideveis inn mellom de overlappende sjikt, må det sørges for en tilsvarende avtetting. Dette kan eksempelvis skje i form av en eller flere kontinuerlige klebemiddelstrimler, som anordnes i det minste på en av de to lengdekantene til det for omviklingen benyttede foliebånd, i overlappingsområdet.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til de skjematiske figurer på tegningene, hvor

fig. 1 viser et skjematisk snitt gjennom et stålrør ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et skjematisk blokkskjema for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

og

fig. 3 viser en modifikasjon av skjemaet i fig. 2.

Fig. 1 viser et skjematisk tverrsnitt gjennom et rør ifølge oppfinnelsen. Stålrøret er betegnet med 1. Rundt dette stålrør er det lagt et skumstoffsjikt 2, bestående eksempelvis av oppskummet polypropylen, med en betydelig større tykkelse enn tykkelsen til rørveggen i stålrøret 1. Som ytterste sjikt er et av fiberarmert, termoplastisk plastmateriale bestående mekanisk beskyttelsessjikt 3 lagt rundt røret og opphyller skumstoffsjiktet 2 fullstendig.

I et konkret utførelseseksempel har stålrøret eksempelvis en nominell diameter på 323,9 mm (12") og en veggtykkelse på 15,88 mm (0,625"), mens den termiske isolasjon består av et 50 mm tykt polypropylen-skumsjikt, som på utsiden er dekket med et med kullfibervevnad forsterket polypropylensjikt med en tykkelse på 10 mm. Et slikt rør egner seg for legging på et vanndyp på eksempelvis 1500-2000 m, uten at dets termiske isoleringsegenskaper reduseres vesentlig.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, for fremstilling av varmeisolerte stålrør for anvendelse på større dyp, skal forklares nærmere under henvisning til skjemaet i fig. 2. Utgangspunktet er et på vanlig måte strømløst eller sveiset stålrør. Dette stålrør blir etter en rengjøring av rørets overflate, eksempelvis ved bestråling med ståltrådpartikler, slik at overflaten blir metallisk bland, på i og for seg kjent måte overtrukket med et sjikt av et oppskummet plastmateriale, eksempelvis oppskummet polypropylen. Deretter blir det med skumstoff omgitte rør kontinuerlig omviklet med et båndformet fibermateriale, som har en termoplastisk innleiringsmatrise (eksempelvis polypropylen eller polyetylen). Viklingen skjer med en vinkel av fibermaterialet relativt stålrørets lengdeakse på mellom 0° og 90° (eksempelvis 10-45°). Det oppviklede fibermateiralsjikt oppvarmes slik at matrisen smelter og de enkelte lag av omviklingsmaterialet sveises sammen, slik at det oppstår et enhetlig ytre, mekanisk beskyttelsessjikt. Deretter kjøles dette ytre beskyttelsessjikt, slik at man får et ferdig sluttprodukt. Det smeltende termoplastiske matrisematerialet i fibermaterialet kleber seg under fremstillingen til det underliggende skumstoffsjikt, slik at det oppstår en meget intim forbindelse i den totale isolering.

Det ligger selvfølgelig innenfor rammen av oppfinnelsen å foreta andre forbehandlingstiltak med hensyn til stålrørets overflate, før påføringen av det oppskummede, termoplastiske plastmaterialet. Eksempelvis kan det foretas en kromatering av stålrørets overflate og/eller en belegging med en epoksyharpiks-primer.

Ved å anvende kullfibre oppnås en særlig fordel ved at disse fibre er elektrisk ledningsdyktige, slik at en elektrisk strøm kan gå gjennom dem. Det gir mulighet for en motstandsoppvarming, som eksempelvis kan benyttes for smeltingen av det termoplastiske matrisematerialet i det ytre beskyttelsessjikt. Den ytre oppvarming kan imidlertid også eksempelvis foretas ved hjelp av infrarød bestråling eller ved hjelp av varmluft. Oppfinnelsen er ikke begrenset til spesielle oppvarmingsformer. I stedet for kullfibre kan det også anvendes andre fibermaterialer, eksempelvis glassfibre.

Fig. 3 viser en modifisert fremgangsmåte relativt den i fig. 2 viste. Forskjellene består

for det første i at det på stålrørets overflate først påføes et korrosjonsbeskyttelsesbelegg. For det andre anvendes det her et fibermateriale for det mekaniske beskyttelsesjikt som ikke er innleiret i en termoplastisk, men i en herdbar plastmaterialmatrise (eksempelvis polyesterharpiks). Etter omhyllingen med fibermaterialet skjer det derfor en herding av matrisematerialet, hvilken herding kan skje ved hjelp av bestråling med UF-lys eller ved hjelp av varme (eksempelvis ved hjelp av varmluft eller infrarød-stråler), alt avhengig av materialet i matrisen. I en foretrukken videreutvikling av oppfinnelsen blir det mekaniske beskyttelsessjikt i tillegg dekket med en ytre omhylling bestående eksempelvis av 0,5-1 mm tykk polypropylen (påføres eksempelvis ved omvikling eller ved hjelp av slangeekstrudering), slik at det derved oppnås en sikker beskyttelse mot åpne riss i det mekaniske beskyttelsessjikt som vil kunne oppstå ved bøying av stålrøret.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et stålrør med en ytre, termisk isolerende plastomhylling, som omfatter et termisk isolasjonssjikt (2), fremgangsmåten omfatter omhylling av den rengjorte stålrør-overflaten med et varmeisolasjonssjikt (2) av oppskummet termoplastisk plastmateriale, karakterisert ved en etterfølgende omvikling med et mekanisk beskyttelsessjikt (3) omfattende høyfast fibermateriale, innleiret i en termoplastisk eller duroplastisk matrise.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at stålrøret etter omvikling med termoplastiske matrisematerialet, påfølgende oppvarmes slik at matrisematerialet smeltes og deretter avkjøles omhyllingen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at stålrøret etter omvikling med et herdbar plast matrisemateriale herdes.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at herdingen skjer ved å føre det omhyllede stålrør gjennom en med varmestrål ere eller UF-lysstrålere forsynt herdestasjon.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at stålrøret omhyllet med fibermaterialet, påføres en ytre omhylling av termoplastisk plast.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 5, karakterisert ved at den termoplastiske plast påføres den ytre omhylling ved omviklingen eller ved hjelp av en slangeekstrudering.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det med fibermaterialet omhyllede stålrør omvikles på tett overlappende måte med en metallfolie, særlig en aluminiumsfolie.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at den anvendte metallfolie for sideveis avtetting av metallfoliens overlappingsområde, langs minst en av sine kanter er forsynt med en kontinuerlig klebestripe.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, karakterisert ved at fibermaterialet påføres i form av filamenter eller fiberfl erting.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at stålrøret før påføringen av den termiske isolasjon forsynes med et korrosjonsbeskyttelsesbelegg, særlig med en kromatisering og/eller et epoksyharpiks-belegg.