NO337101B1 - Fleksibel, rørformet ledning omfattende en mantel av termoplastisk elastomer - Google Patents

Description

FLEKSIBEL, RØRFORMET LEDNING OMFATTENDE EN MANTEL AV TERMOPLASTISK ELASTOMER

Den herværende oppfinnelse vedrører en fleksibel, rørformet ledning (i det etterføl-gende også kalt fleksibelt rør) av den type som benyttes til utvinning og transport av fluider innenfor petroleumsindustrien til havs. Den vedrører nærmere bestemt visse polymeriske mantler som er én av grunnbestanddelene i disse fleksible rør.

Slike rør er beskrevet i tallrike patenter tilhørende søker, slik som for eksempel paten-tene FR 2 782 142 eller FR 2 744 511. De tilfredsstiller blant annet anbefalingene i API 17B (American Petroleum Institute Recommended Practice 17B). Disse rør er utformet av en sammenstilling av forskjellige lag som hver er ment å gjøre det mulig for det fleksible rør å tåle belastningene ved drift eller vedlikehold så vel som de spesifik-ke belastninger som er knyttet til deres bruk til havs. Disse lag omfatter særlig polymeriske mantler og forsterkningslag dannet av viklinger av formtråd, av bånd eller av tråder av komposittmaterialer, men de kan likeledes omfatte viklinger av ulike bånd mellom de forskjellige forsterkningslag. De omfatter nærmere bestemt minst én ugjennomtrengelig indre mantel eller trykkmantel som er beregnet til å føre det transporterte fluid. Nevne ugjennomtrengelige mantel kan være det innerste element i rø-ret (røret sies da å være av typen "smooth bore"), eller den kan være plassert rundt et skrog dannet for eksempel av vikling med liten stigning av et sammenhektet bånd (røret sies da å være av typen "rough bore"). Lag av forsterkninger utformet ved vikling av metalliske tråder eller komposittråder er generelt plassert rundt trykkmantelen og kan omfatte for eksempel: • En trykkarmering utformet av en vikling med liten stigning av en sammenhektet metallisk formtråd, hvor nevnte trykkarmering er anbrakt direkte rundt den ugjennomtrengelige mantel for å oppta den radiale komponent av det innvendige trykk. • En armering utformet av en vikling med liten stigning av en ikke-sammenhektet formtråd, hvilken er plassert over trykkarmeringen for å bidra til å motstå det innvendige trykk, og hvor nevnte armering og trykkarmering danner det som kalles et trykkhvelv.

Strekkarmeringslag dannet av viklinger med stor stigning av metall- eller kom-posittformtråder, hvor nevnte lag er beregnet til å oppta den aksiale komponent av det innvendige trykk så vel som langsgående strekkspenninger som rø-ret utsettes for, som for eksempel belastninger ved legging.

Det er vanligvis sørget for en ytre polymerisk mantel eller beskyttelsesmantel over de forannevnte forsterkningslag. I visse tilfeller er det også sørget for en polymerisk mellommantel. Denne mellommantel kan for eksempel være en mantel kalt antikollapsmantel som er anbrakt omkring trykkhvelvet. Denne antikollapsmantel har særlig som formål å forhindre sammenklapping (eller på engelsk: "collapse") av den ugjennomtrengelige mantel og det eventuelle skroget som den omgir, når ringrommet (rommet beliggende mellom den ugjennomtrengelige mantel og den ytre mantel) utsettes for et ekstremt høyt trykk, som for eksempel når den ytre mantel er skadet og ikke lenger er tett.

Et slikt rør er kjent gjennom US5024252.

Som følge av den spesielle anvendelse av disse rør til transport av fluid og særlig av hydrokarboner i marint miljø, blir sammenstillingen av de lag som utgjør disse rør, og særlig de polymeriske mantler, utsatt for ekstremt harde forhold som de må være i stand til å tåle. Hva de polymeriske mantler angår, står man således overfor flere problemer sett i lys av mantelens posisjon inne i røret (indre ugjennomtrengelig mantel, antikollapsmantel, ytre beskyttelsesmantel). • De ugjennomtrengelige mantler eller trykkmantlene, blir utsatt for høye temperaturer og er i kontakt med det transporterte fluid. De må motstå potensielle kjemiske angrep fra fluidet kombinert med belastninger knyttet til trykket og temperaturen. • De ytre og de mellomliggende mantler kan likeledes bli utsatt for temperaturer som holder seg relativt høye (opp til 100°C) på grunn av den interne varmele-ding. De ytre mantler kan også bli utsatt for meget lave temperaturer, på den ene side på grunn av deres anvendelse i kalde hav, men også, når det gjelder linjene kalt dynamisk stigerør, for lokale geografiske, atmosfæriske forhold (inntil -25°C) så vel som angrep fra sjøsprøyt, UV-stråler for det parti som ra-ger opp og befinner seg mellom havoverflaten og forbindelsen under eller på den flytende støtte (engelsk: splash zone). Rørene kan også stå overfor brist- dannelses- eller slitasjeproblemer særlig forbundet med manipuleringen av rø-rene, for eksempel når de legges på plass. Deres direkte kontakt med det ma-rine miljø byr dessuten for visse benyttede polymerer som polyamider, polyes-tere eller kopolyamider også på problemer med bestandighet mot hydrolyse. Da levetiden for rørformede rør til havs er beregnet for en feltlevetid på inntil tjue år for eksempel, er det nødvendig å sikre at de ytre mantler er i stand til å tåle de forannevnte spenninger i denne periode. Kombinasjonen av alle disse belastninger gjør at valget av det materiale som utgjør den ytre mantel, har gått i retning av materialer som oppviseren tilstrekkelig bestandighet med hensyn til de forannevnte belastninger.

Også de nevnte mellommantler (eller antikollapsmantler) blir utsatt for harde forhold (trykk, temperatur, gnisninger, hydrolyse...) som likeledes gjør det nødvendig å sikre deres bestandighet for den beregnede levetid for røret.

I dag fremstilles de fleste ytre og mellomliggende mantler av termoplast, slik som polyetylen eller polyamider. Disse materialer oppviser mekaniske trekk og kjemiske egenskaper som gjør det mulig for dem å oppnå tilfredsstillende resultater i sammenstillingen. De byr imidlertid på en stor ulempe som på den ene side er knyttet til deres kostnad som er meget høy, men oppviser på den annen side, hva polyetylen angår, begrenset tretthetsbestandighet, dårlig motstand mot sprekkforplantning og tradisjo-nell, lav forlengelsesgrense (ca. 10% ved 23°C). Når det gjelder polyamider, modifi-serte eller ikke-elastomeriske, oppviser disse en begrenset holdbarhet ved hydrolyse. Disse materialers egenskaper anses å være negative og hemmende med hensyn til de forannevnte belastninger, og dette særlig i de nevnte dynamiske anvendelser, det vil si stigerør (engelsk: "risers") som forbinder en undervannsinstallasjon med et overfla-teutstyr. Dessuten kan en annen belastning virke på disse ytre mantler, hvilken skyldes gassdiffusjon inn i ringrommet for transport av visse fluider. En slik diffusjon er velkjent, og det er sørget for dreneringssystemer for å gjøre det mulig å regulere det trykk som råder i ringrommet. Disse gassutdrivningssystemer fungerer imidlertid bare for bestemte trykkgradienter mellom trykket i ringrommet og det utvendige trykk, hvilket krever at den ytre mantel kan motstå denne forskjell.

Innenfor andre fagområder er det kjent materialer som er betraktelig mindre kostba-re, slik som visse termoplastiske elastomerer som benyttes for eksempel til utforming av forbindelseselementer eller ulike deler, og som er godt kjent særlig fra bilindu-strien. Disse termoplastiske elastomerer er for eksempel TPU (termoplastisk uretane-lastomer), SBS/SEBS (termoplastisk styren/butadien-elastomer), kopolyeterestere, kopolyeteramid, EPDM/PP (etylen-propylen-gummi/polypropylen), TPO (termoplastisk polyolefin) eller TPOVD (termoplastisk polyolefinvinyliden).

Disse termoplastiske elastomerer er generelt etterspurt for sine evne til å kunne benyttes i fremgangsmåter lignende dem som brukes for termoplast (ekstrusjon, injek-sjon, formstøping), kombinert med deres elastisitetsegenskaper eller deres evne til å deformeres, hvilke evner og egenskaper de får fra den elastomer som de inneholder. Disse termoplastiske elastomerer oppviser imidlertid trekk som er tilbøyelige til å hindre deres bruk innenfor fagområdet offshore-petroleumsrør og nærmere bestemt i de nevnte dynamiske konstruksjoner. De tåler således generelt dårlig å bli utsatt for UV-stråling og byr på problemer med aldring under de utendørsmiljøforhold som de møter ved den spesielle anvendelse til havs. I sine kurante, kommersielle former oppviser de også en evne til altfor stor deformering, hvilken skyldes deres formel med en vanligvis betydelig mengde ekstendere. Disse formler som er rike på ekstendere, er ubrukelige i sammenheng med en ytre rørledningsmantel særlig på grunn av deres sterke deformering under en kombinert belastning med betydelige lokale trykk og aksiale spenninger generert av strekkanordningene og/eller den hengende vekt av det fleksible rør under leggeoperasjoner.

Det er av alle disse grunner at fagpersonen er blitt ledet til å forlate denne materialka-tegori til fordel for termoplastmaterialer som oppviser trekk som møter de krav som stilles ved utvinning av petroleum i marint miljø. Mot alle disse fordommer er det av søker imidlertid overraskende oppdaget at visse termoplastiske elastomerer under visse omstendigheter ville kunne brukes til utforming av polymeriske mantler i fleksibelt rør til anvendelser for petroleum til havs og nærmere bestemt som en del av nevnte dynamiske, fleksible konstruksjoner.

Formålet med oppfinnelsen er således å foreslå et fleksibelt rør til transport av fluid av den type som brukes innenfor petroleumsutvinning til havs, i hvilket i det minste den ytre mantel eller mellommantelen er utført i termoplastisk elastomer til tross for de tidligere angitte uoverstigelige hindringer og fagmannens fordommer.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen er den termoplastiske elastomer fordelaktig fremstilt på grunnlag av et polyolefin slik som polypropylen forbundet med en elastomer valgt blant følgende elastomerer:

- SBS (styren-butadien-styren)

- SEBS (styrenetylen/butadienstyren)

- EPDM (etylen/propylendien-monomer)

- Polybutadien

- Polyisopren

- Polyetylenbutylen

Den oppnådde mantel av termoplastisk elastomer oppviser fortrinnsvis en spenningsterskel os som er høyere enn 20 MPa ved 23°C, en bestandighet mot varmeoksidasjon OIT på mer enn 40 minutter ved 210°C og en UV-bestandighet på mer enn 1500 timer (Xenotest eller værometer eller tilsvarende). Dessuten er den benyttede elastomer fordelaktig kryssbundet.

Andre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av beskrivelsen som følger, under sammenligning med de vedføyde tegninger som kun er gitt som ikke-begrensende eksempler: Fig. 1 fremstiller skjematisk i perspektiv et fleksibelt rør ifølge oppfinnelsen av typen "rough bore" og dets ulike lag.

Fig. 2 fremstiller skjematisk i perspektiv et fleksibelt rør av typen "smooth bore".

En fleksibel, rørformet ledning 1 ifølge oppfinnelsen er av den type som er beregnet til petroleumsutvinning til havs, slik som dem definert i anbefalingene i API 17B. Det ut-gjøres av en sammenstilling av grunnbestanddelslag omfattende polymeriske mantler og forsterkningslag eller armeringer, hvor nevnte lag i påkommende tilfelle kan være skilt fra hverandre av viklinger av ulike bånd som er beregnet til å forhindre at mant-lene siger, eller som er beregnet til for eksempel å danne en varmeisolasjon. Det kan dessuten være av typen sammensatt, ikke-sammensatt eller halvt sammensatt alt etter om de forskjellige lag er helt, delvis eller ikke forbundet med hverandre gjennom en plastisk matriks. Den fleksible, rørformede ledning 1 ifølge oppfinnelsen er fordelaktig et rør av typen stigerør (engelsk: "riser") som forbinder en undervannsinstallasjon med en overflateinstallasjon (bøye, plattform, FPSO (floating production, storage and offshore loading/flytende produksjon, lagring og lasting til havs),...).

Ifølge utførelsesformen illustrert på fig. 1 er det fleksible rør som er angitt generelt med henvisningstallet 1, av typen ikke-sammensatt (engelsk: "unbonded") og av typen "rough bore", hvor det innerste element er dannet av et metallskrog. Skroget 2 er utformet av en vikling med liten stigning av et sammenhektet bånd, og har som funksjon å støtte en ugjennomtrengelig mantel 3 for å unngå en potensiell sammenklapping av denne. En ugjennomtrengelig mantel 3, også kalt indre mantel eller trykkmantel, er anbrakt over skroget 2. Den er generelt oppnådd ved ekstrusjon og har som funksjon å sørge for tettheten til "løpet" hvor fluidet sirkulerer, og ved hjelp av en trykkarmering 4 som dekker den, å motstå den radiale komponent av det innvendige trykk som øves av nevnte fluid.

Røret illustrert på fig. 1 omfatter også en trykkarmering eller et trykkhvelv 4 dannet av en vikling med liten stigning av en sammenhektet metallisk formtråd og beregnet til å oppta det innvendige trykk sammen med den trykkmantel som den dekker, så vel som nevnte strekkarmeringslag 5, 6 viklet med stor stigning og beregnet til å oppta de langsgående belastninger som røret kan bli utsatt for (langsgående komponent av trykket eller belastninger ved legging for eksempel). Det sier seg selv at trykkhvelvet også vil kunne omfatte en armering. Likeledes ville man ikke gå ut over den herværende oppfinnelses anvendelsesområde ved å fremstille rør som omfatter strekkarmeringslag som er viklet med en vinkel på nær 55° direkte over trykkmantelen, og som ville ha som funksjon på én og samme tid å oppta de radiale og de aksiale komponen-ter av det innvendige trykk.

Det fleksible rør 1 omfatter også en ytre beskyttelsesmantel 7 beregnet til å beskytte forsterkningslagene 4, 5, 6 beliggende i det ringformede rom som den danner sammen med den indre mantel.

Ifølge en utførelsesvariant av røret 1 illustrert på figur 2, omfatter det en mellommantel 8 i form av en antikollapsmantel plassert mellom trykkhvelvet 4 og strekkarme-ringene 5, 6. Denne mantel er særlig beregnet til å redusere farene for sammenklapping av den ugjennomtrengelige mantel 3 når den ytre mantel er skadet, og når ringrommet er underlagt det hydrostatiske trykk for eksempel. Den er således beregnet til å tåle dette trykk ved hjelp av det hvelv som den avstøtter seg på, hvorved den hindrer det hydrostatiske trykk fra å komme til og virke direkte på nevnte ugjennomtrengelige mantel.

Ifølge oppfinnelsen er det fleksible rørs ytre mantel 7 og/eller mellommantel 8 utført i en termoplastisk elastomer (TPE). Den termoplastiske blokk som brukes til utforming av den termoplastiske elastomer, er valgt fra familien av polyolefiner og er fordelaktig et polypropylen (PP); hvilket polypropylen kan være fra familien av homopolymerer (PPH) eller kopolymerer (PPC). Elastomeren som er brukt til forbindelse med termo-plasten, er valgt fra familiene til butyl, EPDM (etylen/propylendien-monomer), SEBS (styren/etylenbutadienstyren, SBS (styren/butadienstyren), polyisopren, polyetylenbutylen og polybutadien. Masseandelen av hver av bestanddelene i utgangsblandingen er på mellom 30% og 70%.

I én utførelsesform av oppfinnelsen er elastomeren fordelaktig kryssbundet. Det er imidlertid tenkelig å fremstille mantler i termoplastisk elastomer, hvor elastomeren ikke ville være kryssbundet.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er den termoplastiske blokk som er benyttet til utforming av den termoplastiske elastomer (TPE), et podet olefin som kan kryssbindes i etterbehandling (etter ekstrusjon). Dette olefin kan podes med silan for eksempel for å muliggjøre en kryssbinding ved hydrolyse, slik som beskrevet i sø-kers patent EP 0 487 691. Fremgangsmåten for kryssbinding beskrevet i søkers patent er likevel ikke uttømmende, og andre fremgangsmåter for kryssbinding kan anvendes i samsvar med den benyttede formel for termoplastisk elastomer; som for eksempel peroksidkryssbinding og ioniserende kryssbinding.

Mantelen 7, 8 er fordelaktig utført i en termoplastisk elastomer som oppviser en spenningsterskel os. som er høyere enn 10 MPa. Fortrinnsvis velges denne spenningsterskel til å være over 20 MPa. Denne spenningsterskel avhenger hovedsakelig av forholdet mellom termoplastblokken og elastomeren så vel som innholdet av ekstender i den termoplastiske elastomers formel. Disse forskjellige forhold optimaliseres således for å oppnå den nødvendige minimums-spenningsterskel.

Den benyttede termoplastiske elastomer omfatter dessuten tilsetningsstoffer som er omhyggelig valgt slik at de tilfører sine iboende fysiske egenskaper til den fremstilte mantel 7, 8, hvilke egenskaper gjør den forenlig med dens bruk innenfor anvendelser for petroleum til havs og nærmere bestemt dynamiske anvendelser.

De kommersielle termoplastiske elastomerer omfatter kurante varme- og UV-stabilisatorer som er valgt innenfor familien av sulfitter og fenoler. Stabilisatorene, slik som dem som brukes i de termoplastiske elastomerer ifølge patentkravene, er kjent under handelsnavnene Irganox og nærmere bestemt Irganox HP 136 fra CIBA (registrerte varemerker) som kan forbindes med kostabilisatorer av typen Irganox 1010 eller 1076 (registrerte varemerker). Disse antioksidanters egenskaper og mengde velges slik at den oppnådde termoplastiske elastomer oppviser en betydelig bestandighet mot varmeoksidasjon. Antioksidanten velges således slik at det oppnås en OIT ved 210°C på mer enn 20 minutter og fortrinnsvis mer enn 40 minutter.

Den termoplastiske elastomer vil dessuten også omfatte tilsetningsstoffer som er beregnet til å øke mantelens 7, 8 UV-bestandighet. Disse anti-UV-tilsetningsstoffer vil fordelaktig bli valgt for å gi materialet en bestandighet på mer enn 1500 timer (Xenotest eller værometerprosedyre Renault 1380 eller tilsvarende). Fortrinnsvis velges UV- stabilisatorer innenfor HALS-familien (hindret-amin-lys-stabilisatorer) da disse stabilisatorer er effektive ved at de ikke absorberer UV-stråler og ikke forbrukes under sta-biliseringsprosessen, men regenereres. Disse stabilisatorer er kjent kommersielt under navnet Chimassorb (registrert varemerke) og kan forbindes med UV-absorpsjonsmidler kjent under navnet Tinuvin fra selskapet CIBA (registrert varemerke). Som eksempel kan nevnes Tinuvin 783 dannet av Chimassorb 944 og Tinuvin 622.

Ifølge et annet trekk ved det benyttede termoplastiske materiale, omfatter dette ekstendere som er ment å gjøre bruken av materialet lettere. For å unngå de ulemper som skyldes spenninger under leggingen, velges imidlertid ekstenderinnholdet slik at det gjør det mulig å oppnå en spenningsterskel høyere enn 10 MPa.

Claims (10)

1. Fleksibel, rørformet ledning (1) til transport av fluid innenfor fagområdet petroleumsutvinning til havs, hvilket er av den type som innbefatter i det minste én indre, ugjennomtrengelig polymerisk mantel (3), ett eller flere lag av forsterkninger som er dannet av viklinger av formtråder eller bånd av metall eller av langstrakte komposittelementer (4, 5, 6), i det minste én andre polymerisk mantel, slik som en ytre beskyttelsesmantel (7) eller en mellommantel (8),karakterisert vedat nevnte andre polymeriske mantel er utført i termoplastisk elastomer (TPE) omfattende anti-UV-tilsetningsstoffer valgt for at dens bestandighet skal være på mer enn 1500 timer (Xenotest).

2. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge krav 1,karakterisertved at de anti-UV-tilsetningsstoffer er valgt innenfor HALS-familien.

3. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den termoplastiske blokk i den termoplastiske elastomer (TPE) er et olefin.

4. Fleksibel, rørformet ledning ifølge krav 3,karakterisertved at den termoplastiske blokk i den termoplastiske elastomer (TPE) er et podet olefin som kan kryssbindes.

5. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den termoplastiske blokk som er brukt til utforming av den termoplastiske elastomer (TPE), er et polypropylen.

6. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den elastomer som er brukt til utforming av den termoplastiske elastomer (TPE), er valgt blant følgende elastomerer: - SBS (styren-butadien-styren) - SEBS (styrenetylen/butadienstyren) - EPDM (etylen/propylendien-monomer) - Polybutadien - Polyisopren - Polyetylenbutylen.

7. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den termoplastiske elastomer som er brukt til utforming av den andre polymeriske mantel, oppviser en spenningsterskel os. som er høyere enn 10 MPa.

8. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den termoplastiske elastomer som er brukt til utforming av den andre polymeriske mantel, oppviser en bestandighet mot varmeoksidasjon OIT ved 210°C på mer enn 20 minutter.

9. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den andre mantel som er utført i termoplastisk elastomer, utgjøres av rørets (1) ytre beskyttelsesmantel (7).

10. Fleksibel, rørformet ledning (1) ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den andre mantel som er utført i termoplastisk elastomer, utgjøres av en mellommantel (8).