NO335777B1

NO335777B1 - Fremgangsmåte for dimensjonering av et forsterket rør

Info

Publication number: NO335777B1
Application number: NO20023652A
Authority: NO
Inventors: Jean Guesnon; Christian Gaillard
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2015-02-09
Also published as: FR2828121B1; BR0202971A; GB2379964B; CA2396193A1; NO20023652D0; ITMI20021639A1; NO20023652L; US6895806B2; BR0202971B1; CA2396193C; GB0217849D0; US20030024628A1; FR2828121A1; GB2379964A

Abstract

Fremgangsmåte for dimensjonering av et forsterket rør utført for å føre et fluid under trykk. Dette forsterkede rør utgjøres av et metallrør og et forsterkningselement viklet omkring dette metallrør for å omslutte røret.I et første prosesstrinn består fremgangsmåten i å bestemme i samsvar med en første rekke kriterier, de karakteristiske parametere for metallrøret uten den omsluttende forsterkning som er viklet omkring røret ved slutten av fremstillingsprosessen. Denne første rekke kriterier omfatter rørets fasthet overfor alle mekaniske påkjenninger som påføres det omviklede rør, hvilket vil si trykkpåkjenninger, bøyepåkjenninger, sammenpressningspåkjenninger og strekkpåkjenninger, bortsett fra det radiale spenninger som skriver seg fra det indre trykk. I et annet trinn går fremgangsmåten ut på å bestemme forsterkningens karakteristiske parametere slik at det oppnås et forut fastlagt forspenningsfelt i veggen av det omviklede rør.

Description

OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for å bestemme de ka-rakteriserende dimensjoneringsparametere for et forsterket rør (hoeped tube).

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Avstivende forsterkning består i vikling av et forsterkningselement omkring et rør, som vanligvis er utført i metall, for det formål å øke rørets evne til å motstå indre trykk uten å øke dets vekt i vesentlig grad.

Røret kan være et metallrør, for eksempel utført i stål. Forsterkningselementet har en stor dimensjon i lengderetningen i forhold til dets tverrsnitt. Det kan ha form av en strimmel eller av en tråd eller en metallseksjon. Forsterkningselementet er vanligvis fremstilt fra fibre, tråder eller veker, utført i glass, karbon, ara-mid eller stål, samt belagt fortrinnsvis med en polymermatrise av termoplastmate-riale.

Forsterkningselementet kan være viklet omkring røret på en slik måte at røret påføres en spenning. Det element som vikles omkring røret vil da være utsatt for strekkspenninger. De spenningstilstander som påføres av forsterkningselementet kan frembringe påføringsspenninger i metallrøret eller kjernen. De påkjenninger som påføres røret vil være radiale i retning av rørets akse.

Forsterkede rør fremstilt i samsvar med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir særlig brukt i innenfor oljeindustrien. Olje produseres fra et reservoar til sjøs ved bruk av et bøyelig eller stift rør, som vanligvis betegnes som et stige-rør, og som tillater det brønnhode som er installert på sjøbunnen og koples til overflaten. Under brønnutboringsarbeidene vil stigerøret danne en forlengelse gjennom vanndybden av den brønnforing som fører olje fra brønnbunnen til brønnhodet. Stigerøret er utstyrt med minst to ekstraledninger som henholdsvis kalles drepeledning og strupeledning, og som anvendes for å opprette en hydrau-lisk forbindelse mellom bæreren på sjøens overflate og brønnhode på sjøbunnen. Nærmere bestemt tillater de angitte ekstraledninger sirkutering på undersiden av de lukkede utbtåsningssikringer i tilfelle brønnsparkregulering. Hver ekstraledning består av en sammenstilling av flere like rør anordnet parallelt med et element av stigerøret.

I tilfelle brønnsparkregulering, vil ekstraledningene inneholde fluider under høyt trykk, for eksempel omkring 700 bar. For å begrense vekten av stigerørsam-menstillingen, kan rørforsterkningsteknikken anvendes for ekstraledningene.

US patent nr 4.514.254 foreslår forsterkende avstivning av et rør ved omvikling under stramming av én metallseksjon omkring røret. Det således avstivede rør danner en beholder som må motstå påkjenninger på grunn av trykket fra det fluid som inneholdes i røret. Spenningen i metallseksjonen er da valgt slik at når beholderen er utsatt for trykk så vil påkjenningene i veggen av røret og påkjenningene i metallseksjonlagene nå sin tillatelige maksimalverdi samtidig.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en fremgangsmåte for å dimen-sjonere et forsterket rør som er beregnet på å føre fluid under trykk, hvor det forsterkede rør omfatter et metallrør og et forsterkningselement viklet omkring dette rør, idet fremgangsmåten omfatter følgende prosesstrinn: bestemmelse av materiale og dimensjoner for vedkommende metallrør i samsvar med de mekaniske påkjenninger som påføres røret, med unntakelse av de radiale spenninger som skriver seg fra indre trykk,

bestemmelse av den spenning T som skal påføres elementet under dens omvikling, samt antallet vindingslag n for det formål å oppnå et forut fastlagt forspenningsfelt i veggen av det omviklede rør.

I henhold til oppfinnelsen kan T og n bestemmes slik at forspenningsfeltet i det omviklede rør blir slik at ved arbeidstrykket vil påkjenningene i metallrøret væ-re mindre enn 2/3 av flytegrensen for metallrøret, mens spenningen i elementet er mindre enn 1/3 av elementets bruddstrekkspenning. Det er også mulig å bestemme T og n på en slik måte at forspenningsfeltet i det forsterkede rør blir slik at ved prøvetrykket vil spenningene i metallrøret ligge under flytegrensen for metallrøret, mens spenningene i det angitte element er mindre enn halvparten av elementets brudd-strekkspenning.

Spenningen T kan justeres i samsvar med viklingsdiameteren for forsterkningselementet.

Forsterkningselementet kan være utført i karbonfibre belagt med et poly-amidtermoplastmateriale.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan benyttes for å fremstille et ekstraledningselement for et stigerørelement ved utboringen, og denne ekstraledning kan da være en drepeledning, en strupeledning, en forsterkningsledning eller en slamreturledning.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Andre særtrekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå klart ut i fra gjennomlesning av den følgende beskrivelse av et ikke begrensende utførel-seseksempel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser skjematisk et omviklet og forsterket rør i halvt tverrsnitt, og

Fig. 2 anskueliggjør den benyttede metodologi i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av et strømningsskjema.

DETALJERT BESKRIVELSE

Fig. 1 viser et forsterket rør bestående av en metallisk rørledningskjerne 5 utstyrt ved begge sine ender med forbindelseskoplinger 2 og 3. Disse koplings-elementer er egnet for å muliggjøre sammenkopling av flere lengder av forsterk-ntngsomviklede rør. Hoveddelen 1 av det forsterkede rør består av et rør med indre diameter ID og med en rørtykkelse e. Koplingselementene 2 og 3 er vanligvis sveiset til dette hovedrørlegeme, som da oppviser i området ved sveisen og særlig på hver side av denne en sone som betegnes som en overgangssone 4 og er vist i fig. 1.

Forsterkningen består i at det omvikles flere lag 6,7,8 av et forsterkningselement i form av en strimmel 9 omkring røret. Omviklingsmidler (ikke vist) dreies rundt røret og beveges samtidig i lengderetningen på en slik måte at omviklingen følger stigningen for den strimmelpåførende skruebane, eller ved at røret selv dreies om sin akse mens omviklingsmidlene beveges fremover i lengderetningen. Disse påviklingsprosesser er av vanlig art og vil ikke bli nærmere beskrevet her, da de lett vil kunne forstås av fagkyndige på området. I henhold til en viss utførel-se består strimmelen 9 av karbonfibre belagt med en termoplastmatrise utført for eksempel i polyamid. Disse strimler kan være forfabrikkert og bringes til påvikling-sutstyret lagret på spoler. Påviktingsvinkelen ligger nær 90° i forhold til rørets akse, da påviklingsspenningene og arbeidsspenningene (trykket) er hovedsakelig omkretsrettet. Strimlene påføres hovedsakelig kant mot kant for derved å danne det mest mulig kontinuerlige påføringslag etter binding av strimlene. Bindingen utføres fortrinnsvis ved sveising av termoplastmatrisen ved oppvarming eller påfø-ring av ultralyd. Et strimmelpåførings- og bindingsmateriale vil kunne anvendes uten at man derved avviker fra omfanget av foreliggende oppfinnelse. Forsterk-ningsvirkningen er bestemt av strimmelens strekkraft og av den strekkspenning T som påføres omviklingen.

Antallet n av omviklingslag som påføres det forsterkede rør er også en for-sterkningsparameter. Spenningen T er hovedsakelig uniform i et viklingslag. På den ene side kan verdien av spenningen T variere fra et lag til det neste, hvilket vil si at spenningen T kan variere i samsvar med strimmelens påviklingsdiameter på røret. For eksempel kan laget 6 påføres ved omvikling med en spenning T på 2500 N, mens laget 7 påføres med en spenning T på 2480 N og laget 8 ved en spenning T på 2470 N. Forsterkningsegenskapene vil være avhengig av de for-ventede spenningsnivåer i røret.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for å bestemme fremstillingspa-rameterne for et forsterket rør er anskueliggjort ved strømningsskjemaet i fig. 2. Det første prosesstrinn består i å bestemme metallrørets karakteristiske egenskaper i samsvar med en førte rekke kriterier som vil bli angitt i detalj senere. Det andre trinn består i å bestemme forsterkningsomviklingens karakteristiske parametere i samsvar med en annen rekke kriterier som også vil bli angitt i detalj i det følgende.

Det første trinn har som formål å bestemme metallrørets karakteristiske egenskaper, hvilket vil si at i forbindelse med feltet 10 i fig. 2, bestemmes metall-typen A, lengden L mellom rørkoplingene, innerdiameteren ID av røret, samt rø-rets tykkelse e. Ut i fra standardverdier (API og andre) for forholdsvis tykke rør og ståltyper blir rørets karakteristiske parametere valgt i en database 11.

I samsvar med rørets tilsiktede anvendelse kan verdier frembringes for A, L, ID eller e. Når det for eksempel gjelder en drepeledning eller en strupeledning er innerdiameteren ID av røret hovedsakelig standardisert. Når det gjelder en ekst-raiedning for et borestigerør, har lengden L en direkte sammenheng med lengden av stigerørelementet. Hvis en karakteristisk parameter ikke er gjenstand for noen spesiell fordring, blir den tildelt en foreløpig verdi.

Det omviklede rør vil være gjenstand for forskjellige mekaniske belastninger under bruk. De krefter som påføres det således forsterkede rør etter hvert som det brukes blir vurdert, målt, og beregnet. I henhold til oppfinnelsen må metallrøret som sådan, hvilket vil si den metalliske kjerne utenden omviklede forsterkning som omgir røret ved slutten av fremstillingstrinnet gjør det mulig for det forsterkede rør å motstå trykkpåkjenninger, bøyningspåkjenninger, strekkpåkjenninger og nedbrytningsspenninger som skriver seg fra ytre trykk. I et første trinn undersøkes det om de verdier som er fastlagt for de karakteristiske parametere A, L, ID og e vil gjøre det mulig for metallrøret uten forsterkningslaget å motstå de forskjellige påkjenninger. Denne kontroll utføres ved hjelp av flere prøver. De vanlige beregningsmetoder og formler fra materialfasthetsteorien kan anvendes for å utføre disse prøver. Forsøk kan også utføres for utprøvning av et metallrør.

En første prøve (rombefeltet 12) består i utprøvning av om metallrøret, slik det definert, vil i tilstrekkelig grad kunne motstå aksiale trykkpåkjenninger, hvilket innebærer blant annet at rørets stivhet og dets knekkstyrke må undersøkes. De trykkpåkjenninger som påføres ytterendene av det forsterkede rør kan frembringe knekking av røret. Trykkpåkjenningene kan genereres ved indre trykk som frembringer en "underlagsvirkning" som påføres underlagene for det forsterkede rør. Hvis de spenninger som frembringes av trykkpåkjenningene overskrider en forut-bestemt kritisk verdi, så vil verdien for tykkelsen e bli forandret, slik som vist ved sløyfen 13 og blokkfeltet 14. Hvis det foreligger en industriell umulighet når det gjelder den påkrevede tykkelse, kan i det minste én av parameterverdiene A, L. ID varieres. Den første prøve 12 startes da på nytt. Hvis de påkjenninger som genereres av trykkpåkjenningene ikke overskrider den kritiske verdi, så vil en andre prøve 15 bli utført. Den angitte kritiske verdi fastlegges av brukeren av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Denne kritiske verdi kan for eksempel væ-re lik 2/3 av den verdi hvorved trykkpåkjenningene frembringer knekking av det forsterkede rørs indre kjerne. Samtidig undersøker man om metallrøret er i stand til å motstå bøyningspåkjenningene. Disse bøyningspåkjenninger påføres perpen-dikulært på rørets akse og fører til deformasjon av røret i tverretningen. Bøynings-påkjenningene kan være frembrakt av strømninger i sjøen som frembringer bøy-ning av ekstraledningene. Hvis de spenninger som genereres av bøyningspåkjen-ningene overskrider en bestemt kritisk verdi, blir den samme prosedyre som angitt ovenfor utført, sfik det symboliseres av sløyfen 13 og blokkfeltet 14. Hvis de spenninger som frembringes av bøyningspåkjenningene ikke overskrider den kritiske verdi, blir den andre prøve 15 utført. Den kritiske verdi fastlegges av brukeren av den foreliggende fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen. Denne kritiske verdi kan være 2/3 av flytegrenseverdien for metallet A.

Den andre prøve består i undersøkelse av om røret er i stand til å motstå

strekkpåkjenninger. Slike strekkpåkjenninger utøves langs rørets akse og forårsa-ker forlengelse av det forsterkede rør. Strekkspenninger kan skrive seg fra vekten av den ekstraledning som er påført et forsterket rør, eller det indre trykk som påfø-res de plugger som avtetter ytterendene av et rør under utprøvning, eller eventuelt fra forlengelsen av et stigerør hvis ekstraledningen utgjør en del av rørets mekaniske belastningsevne. Hvis de spenninger som frembringes av strekkpåkjenninger overskrider en kritisk verdi, så blir den samme prosedyre som beskrevet ovenfor utført, slik som angitt ved sløyfen 17. Hvis de spenninger som genereres av strekkpåkjenninger ikke overskrider den kritiske verdi, så blir den påfølgende prø-ve utført.

Den tredje prøve består i utprøvning om røret kan motstå sammentrykning. Sammentrykning av et rør forårsakes av påkjenninger som utøves i retninger hovedsakelig vinkelrett på røraksen og i retning mot rørets akse. Disse påkjenninger kan genereres av trykket fra det fluid som påføres utsiden av det forsterkede rør. Hvis de spenninger som genereres av sammentrykningspåkjenningene overskrider en fastlagt kritisk verdi, så blir den samme prosedyre som angitt ovenfor utført, slik det er vist ved sløyfen 18. Hvis de spenninger som genereres av sammentrykningspåkjenningene ikke overskrider den kritiske verdi, så vil de verdier som er oppnådd for parameterne A, L, ID og e være slik at den rørkjerne som skal om-viktes være i stand til å motstå de foreliggende mekaniske krefter som frembringer trykkpåkjenninger, bøyningspåkjenninger, strekkpåkjenninger og sammentryk-ningspåkjenninger, hvilket vil si alle de mulige påkjenninger bortsett fra støtpå-kjenninger. Det andre trinn av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan da utføres.

Det andre trinn av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen har som formål å bestemme omviklingsforsterkningens egenskaper (felt 20). Omviklingens parametere omfatter bredden I og tykkelsen h av en strimmelseksjon, typen av det foreliggende polymermateriale P og den type forsterkningsfiber C som anvendes i strimlene, antall lag n samt spenningen T i metallseksjonen som en følge av lage-ne.

Feltet 21 representerer en database angående den geometri og de materia-ler som er tilgjengelig for fremstilling av omviklingsstrimmelen. en iterativ bereg-ningsmodus utføres ut i fra valget av strimmeltype fra databasis 21, og som gene-relt gjøres av brukeren.

I henhold tit oppfinnelsen har den påførte rørforsterkning som formål å gjø-re det mulig for rørkjernen, når den først er omviklet, å motstå de påkjenninger som påføres av indre trykk, og disse påføringer kan da beregnes ut i fra Von Mises' metode. Det indre trykk gjelder de spenninger som genereres av det foreliggende fluid under trykk som inneholdes i det forsterkede rør. Dimensjonerings-prinsippet består i å bestemme spenningen T og antallet lag n som er nødvendig for å bestemme de omviklingsstrimler som gjør det mulig å møte de påkjenninger som påføres av det indre trykk. Feltet 22 representerer beregningen av et arbeids-trykk, feltet 23 gjelder prøvetrykket i ekstraiedningen og feltet 24 representerer støttrykket. Gjentakelsesprosessen går ut på etter hver prøve å justere spenningen T (felt 25) og i å bestemme antallet lag n (blokk 26). Formlene og beregnings-metodene utledes fra materialprøvningsteorien og kan anvendes for å utføre disse prøver. Forspenningsfeltet i den metalliske rørkjerne og i forsterkningsmaterialla-get (omviklingsstrimlene) av tykkelse e og med gitt strekkspenning i lengderetningen kan faktisk bestemmes ut i fra vanlige beregningsmetoder, ut i fra den strekkspenningsverdi T som er påført et lag anbrakt på en fastlagt rørdiameter. Ut i fra de radiale spenninger som påføres av det indre trykk, er det mulig å beregne de effektive spenninger i den metalliske rørkjerne og i omviklingsstrimlene ut i fra det foreliggende forspenningsfelt. Prinsippet i henhold til oppfinnelsen består i å bestemme n og T slik at spesifikke arbeids-, utprøvnings- og bruddkriterier til-fredsstilles. Disse kriterier kan være slike som fremgår av standarden AP116 Q: ved arbeidstrykket må spenningene i metallkjernen, beregnet i samsvar med Von Mises, være mindre eller lik 2/3 av flytegrensen, mens spenningen i omviklingen må være mindre enn 1/3 enn strekkspenningen ved brudd: med hensyn til prøve-trykket må spenningene i metallkjernen, beregnet i samsvar med Von Mises, være mindre eller lik flytegrensen, mens spenningene i omvekslingen må være mindre enn halvparten av strekkspenningen ved brudd. Over disse trykkverdier, vil styrken mot brudd frembringes av de forsterkningselementer som er viklet omkring røret. Arbeidstrykket kan påføres i samsvar med kravene til ekstraledningen. Utprøv-ningstrykket kan tilsvare VA ganger arbeidstrykket.

Feltet 27 viser utledning av det forsterkede rørs dimensjoner og dets frem-stillingsbetingelser.

Felt 28 angir det totale belegg på røret, for eksempel ved påvikling av et beskyttelseslag.

Claims

1. Fremgangsmåte for dimensjonering av et forsterket rør for det formål å føre et fluid under trykk, hvor det forsterkede rør omfatter et metallrør og et forsterkningselement viklet rundt et rør, idet fremgangsmåten omfatter følgende prosesstrinn: bestemmelse av materiale og dimensjoner for vedkommende metallrør i samsvar med de mekaniske påkjenninger som røret påføres, med unntakelse av de radiale påkjenninger som skriver seg fra det indre trykk, bestemmelse av den spenning T som påføres forsterkningselementet under dets påvikling samt antallet vindingslag n i den hensikt å opprette et forut bestemt forspenningsfelt i veggen av det omviklede rør.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, og hvor T og n bestemmes slik at forspenningsfeltet i det omviklede rør blir slik at ved arbeidstrykket vil spenningene i metallrøret være mindre enn 2/3 av metallrørets flytespenningspunkt og strekkspenningen i elementet er mindre enn 1/3 enn strekkspenningen ved brudd for vedkommende element.

3. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 1 eller 2, og hvor T og n bestemmes slik at forspenningsfeltet i det forsterkede rør blir slik at spenningene i metallrøret ved utprøvningstrykk er mindre enn spenningene ved metallrørets fly-tegrense og strekkspenningen i elementet er mindre enn halvparten enn strekkspenningen ved brudd av vedkommende element.

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de tidligere krav, og hvor strekkspenningen T justeres i samsvar med forsterkningselementets viklings-diameter.

5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de tidligere krav, og hvor forsterkningselementet utføres i karbonfibre som er belagt med et termo-plastmateriale av polyamid.

6. Anvendelse av den fremgangsmåte som er angitt i et hvilket som helst av de foregående krav for fremstilling av et element av en ekstraledning for et element av et borestigerør.

7. Anvendelse som angitt i krav 6, og hvor den angitte ekstraledning utgjøres av én av følgende ledningstyper: nemlig drepeledning, strupeledning, forsterkningsledning og slamreturledning.