NO339979B1 - Fleksibel rørledning med en anti-slitasjehylse - Google Patents

Description

FLEKSIBEL RØRLEDNING MED EN ANTI-SLITASJEHYLSE

Foreliggende oppfinnelse angår fleksible rør for transport av hydrokarboner.

Oppfinnelsen angår mer spesielt en rørledning av typen som er beskrevet i standardlitteraturen publisert av American Petroleum Institute (API) og særlig i dokumentene API 17J og API RP 17B.

Denne type rørledninger omfatter suksessive sjikt som uavhengig av hverandre på den ene side består av skrueviklinger av bånd og/eller profilerte tråder og, på den annen side, av minst én hylse fremstilt av et polymermateriale. Mens metallsjiktene bevirker opptak av de mekaniske krefter, bå-de indre og ytre, har polymeromhyllingene en funksjon som skal gi indre eller ytre forsegling eller tetning.

De forskjellige sjikt er i en viss grad bevegelige i forhold til hverandre for å tillate at rørledningen bøyes. Forskjellige strukturer eksisterer for slike rør, imidlertid har de alle generelt en flersjikts-sammenstilling som kalles et trykkammer, ment for å oppta radialkreftene, og en flersjiktssammen-stilling ment for å ta opp aksialkreftene.

Vanligvis består trykkammeret som er lokalisert på innsiden av rørledningen av en skruevikling av en profilert tråd med liten stigning, og sjiktene som er ment for å ta opp aksialkreftene, lokalisert på utsiden av røret, består generelt av et par forsterkningssjikt bestående av kryssende tråder som er viklet i skrueform med en stor stigning.

Videre og for å forhindre at minst to av disse forsterkningssjikt direkte kommer i kontakt med hverandre, noe som vil forårsake at de slites ut for tidlig, er det lagt imellom et relativt tynt mellomsjikt av plast.

Leseren kan særlig studere dokumentet EP 0 929 767 som beskriver et rør utstyrt med et slikt mellomliggende anti-slitasjesjikt.

Patentpublikasjon FR 286115 A1 beskriver en fleksibel, rørformet ledning som for eksempel er ment for transport av hydrokarboner. Ledningen innbefatter suksessive uavhengige lag som består av spiralviklinger av remser med forskjellig tverrsnitt, og av minst én polymerkappe.

Det er velkjent å produsere et anti-slitasjesjikt ved skrueoppvikling av et anti-slitasjebånd som opp-

nås ved å ekstrudere en polyamidbasert eller polyolefinbasert plast.

Imidlertid forringes disse mellomliggende sjikt hurtig når de fleksible rørledninger underkastes ster-ke påvirkninger som de som en møter på når det opereres på visse offshore oljefelt, på store dyb-der og der hydrokarbonet har en høy temperatur på rundt 130 °C. Under slike betingelser kan disse mellomliggende anti-slitasjesjikt lide under temperaturer nærmere 110 °C og kontakttrykk rundt 300 til 400 bar.

Videre er et problem som oppstår, og det er det problem foreliggende oppfinnelse tar sikte på å løse, at det bør tilveiebringes et fleksibelt, rørformet rørledningssystem hvis mellomliggende plast anti-slitasjesjikt ikke bare er resistent mot alvorlige driftsbetingelser, men også i stand til å kunne oppnås til fordelaktige omkostninger.

For dette formål og i henhold til et første aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringer denne oppfinnelsen et fleksibelt rør for å transportere hydrokarboner der det fleksible rør omfatter minst to forsterk-ningsmetallsjikt atskilt av et anti-slitasjesjikt fremstilt av en plast, der hvert av nevnte sjikt er produ-sert ved i skrueform å vikle opp et langstrakt metallelement, og nevnte anti-slitasjesjikt fremstilles ved i skrueform å vikle på et bånd av nevnte plast; der plasten ifølge oppfinnelsen omfatter en amorf polymer hvis glassdannelsestemperatur ligger mellom 175 og 255 °C.

Således ligger et trekk ved oppfinnelsen i bruken av en amorf polymer, i seg selv eller som en blanding, der glassovergangstemperaturen ligger mellom 175 og 255 °C, der plasten benyttes for å gi et mellomliggende anti-slitasjesjikt. For eksempel ligger glassovergangstemperaturen for den amorfe polymer mellom 210 og 240 °C.

Selv om høyytelses amorfe polymerer ikke er anbefalt i anvendelser der de tribologiske egenskaper og særlig slitasjemotstandsevne er ønsket, viser det seg meget overraskende at slike materialer bibeholder sine egenskaper under levetiden for det fleksible røret. En kan med fordel forestille seg andre materialer, blant disse høyytelses semikrystallinske materialer, men på den ene side er disse ikke lette å prosessere ved ekstrudering i form av lange bånd, noe som er absolutt nødvendig for å kunne virke som bånd eller tape på rørledningene, og, på den annen side, er de ekstremt kostbare.

I henhold til en spesielt fordelaktig første utførelsesform av oppfinnelsen er nevnte amorfe polymer en polymer inneholdende en sulfonert gruppe, eller mer spesielt en sulfongruppe, det vil si en gruppe omfattende et svovelatom og to oksygenatomer bundet til svovelatomet via to dobbeltbin-dinger. Slike polymerer benyttes vanligvis på området plastisk sprøytestøping, men har til nå ikke vært benyttet på området ekstrudering der høymolekylvektspolymerer benyttes.

Takket være anvendelsen av relativt rimelige polymerer inneholdende sulfonerte grupper er, som en konsekvens, glassovergangstemperaturen for slike polymerer i gjennomsnitt nær 220 °C, det mellomliggende anti-slitasjesjikt er relativt resistent og krymper ikke mellom de oppviklede elemen- ter for hvert av forsterkningssjiktene, idet avstanden kan være opp til noen millimeter. Særlig krymper sjiktet ikke når det heves til en temperatur rundt 110 °C og underkastes et trykk nær 400 bar. Disse betingelser kan kombineres når det gjelder å arbeide i oljebrønner på dypt vann. Videre gir disse polymerer som inneholder sulfonerte grupper, en høy plastisk hydrolyseresistens og forhind-rer derved aldring.

Fortrinnsvis er nevnte amorfe polymer en polyfenylsulfon (PPSU) som har alle de mekaniske, ter-miske og aldringskarakteristika som kreves.

Videre omfatter nevnte plast minst 60 vektprosent av nevnte amorfe polymer der resten utgjøres av forskjellige additiver og særlig fyllstoffer, idet disse følgelig utgjør mindre enn 40 %.

Videre inkluderer nevnte plast fordelaktig et fyllstoff ment for å redusere friksjonskoeffisienten for plasten slik at forsterkningssjiktene kan virke i forhold til hverandre når røret bøyes og der det mellomliggende plastsjiktet så tillater at forsterkningssjiktene gnies mot dette, på tross av det høye trykk som utøves. I henhold til en foretrukket utførelsesform har plasten en andel av fyllstoffvekt på mindre enn 20 %. Dette gir en god friksjonskoeffisient for mellomsjikt mot armeringssjiktene mens det allikevel opprettholdes mekaniske ytelser som er tilstrekkelige for denne anvendelse.

For eksempel er nevnte fyllstoff et syntetisk materiale av fluorert eller perfluorert polymertype med en molekylvekt som er egnet for anvendelsen, i olje-, pasta- eller pulverform. Fyllstoffet kan også bestå av molybdendisulfid eller forbindelser basert på alifatiske fettkjeder, halogenerte eller ikke.

Videre gir plasten som fremstilles på denne måte anti-slitasjesjiktet en krypresistens som fleksible rør med tidligere benyttet plaster ikke hadde. Krypevnen for anti-slitasjesjiktene mellom viklingene av armeringssjiktene i en fleksibel struktur er et komplekst fenomen som er vanskelig å modulere og krever et enormt antall prøver under driftsbetingelser for de fleksible rør. Videre gir tekniske data når det gjelder kommersielt tilgjengelige polymerer ingen informasjon eller ingen egenskaper som tillater noe begrunnet valg av polymer for å løse dette tekniske problem når det gjelder kryp.

I henhold til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen inkluderer plasten videre en semikrystallinsk polymer, for eksempel en polyetereterketon (PEEK) blandet med den amorfe polymer i en vektandel på mindre enn 20 %, for eksempel mellom 5 og 15 %, av polyetereterketon for å trekke fordel av egenskapene både fra den amorfe polymer og den semikrystallinske polymer, som generelt viser gode tribologiske egenskaper.

Videre har nevnte plast med fordel en elastisitetsmodulmålt i henhold til ASTM D 638 standarden, ved en temperatur på 20 °C, mellom 1800 og 3200 MPa. Dette gir båndet av plast en bøyestivhet i henhold til hvilken det kan vikles i skrueform rundt rørledningen uten vanskelighet. For eksempel er denne elastisitetsmodulen mellom 2100 og 2700 MPa.

Fortrinnsvis har plasten i mellomsjiktet en flytegrense på over 40 MPa og fortrinnsvis 60 MPa, for å kunne være i stand til å tåle anbringelse rundt et armeringssjikt, og der under drift en plast lett kan underkastes belastninger i størrelsesorden flere titalls MPa.

Videre og spesielt fordelaktig har nevnte plast en strekkforlengelse før flyting på over 5 % og fortrinnsvis over 7 %, for å kunne være tilstrekkelig elastisk til å følge bevegelsene for det bøyelige rør i bruk.

Videre og foretrukket har plasten en forlengelse før brudd på mer enn 20 % og særlig over 50 %.

I henhold til et andre aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av et fleksibelt rør for transport av hydrokarboner der prosessen er av den type der minst to langsgående metallelementer vikles i skrueform i sekvens for å danne to forsterkningssjikt, plastbånd vikles i skrueform mellom forsterknings- eller armeringssjiktene for å danne et anti-slitasjesjikt. I henhold til oppfinnelsen benyttes en plast omfattende en amorf polymer hvis glassdannelsestemperatur er mellom 175 og 255 °C for å danne disse bånd. Videre og med spesiell fordel blir plasten ekstrudert for derved å forenkle prosesseringen av materialet og særlig for å gi tynne plater med stor lengde.

Fortrinnsvis blir disse plater slisset opp for å skaffe tilveie båndene for å kondisjonere disse for installering på en rørfremstillingsinnretning. Videre er båndene med fordel buttsveiset ved ultralydsveising.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av spesielle utfø-relsesformer, gitt som indikasjon, men uten begrensning, og under henvisning til den vedlagte figur der: enkeltfiguren er et skjematisk partialriss i perspektiv av et fleksibelt rør ifølge oppfinnelsen.

Den enkle figur viser derved en del av et fleksibelt rør 2 som fra innsiden 4 til utsiden 6 oppviser: et fleksibelt metallrør eller et skjelett 7 fremstilt ved skrueviklinger med lav stigning av metallstrimler eller tråder; en indre forseg li ngskappe eller en trykkappe 8 anordnet rundt skjelettet 7; et dekksjikt 10 mellom skjelettet 7 og trykkappen 8; en trykkavlaster 16 dannet fra en oppvikling rundt trykkappen 8 med liten stigning av en forrig let metallprofilert tråd, ment for å ta opp indre trykkrefter; et første strekkarmeringssjikt 18 og et andre strekkarmeringssjikt 20. Disse armeringssjikt dannes fra tråder som er viklet med stor stigning og ment for å ta opp langsgående strekkrefter som det fleksible rør 2 kan underkastes.

Videre og i henhold til oppfinnelsen har røret 2 en første skruevikling 22 av et bånd av plast for å gi et første anti-slitasjesjikt mellom trykkoppfangeren 16 og det første armeringssjikt 18, og en andre skruevikling 24 av et bånd av den samme plast for å gi et andre anti-slitasjesjikt mellom de to strekkarmeringssjikt 18 og 20. Takket være disse to anti-armeringssjikt er armeringssjiktene 18 og 20 og trykkavlasteren 16 ikke i direkte kontakt med hverandre slik at når det fleksible rør 2 bøyes, er det ingen slitasje på grunn av at metallarmeringssjiktene gnir mot hverandre.

Disse plastbånd omfatter en amorf polymer, hvis glassovergangstemperatur ligger mellom 175 og 255 °C og fortrinnsvis mellom 210 og 240 °C, og oppnås ved ekstrudering.

Plastblandingene som kan benyttes, og mer spesielt typen amorf polymer som er egnet, skal for-klares i større detalj nedenfor.

Amorfe polymerer som ikke er kjent for tribologiske ytelser, det vil si deres motstandsevne mot friksjonskrefter, har vist seg å være utmerkede materialer i dette anti-slitasjesjikts-opplegget.

De amorfe polymerer som har vist seg å være gode kandidater i den ovenfor nevnte anvendelse, er polysulfon (PSU), polyetersulfon (PES), polyfenylsulfon (PPSU) og polyeterimid (PEI), der glassovergangstemperaturene ligger mellom 185 og 250 °C. Blant disse polymerer syntes de som inneholder en sulfongruppe (PSU, PES og PPSU) å være mer motstandsdyktige.

Dette skyldes at de har en elastisitetsmodul som ligger nær 2500 MPa og en forlengelse til brudd på mer enn 60 %. Videre har de en forlengelse til flyting på over 5 % og en bruddstyrke større enn 60 MPa.

Ved blanding med fluorerte eller perfluorerte forbindelser av polytetrafluoretylen-(PTFE-) eller per-fluorpolyeter-(PFPE-)-typen eller på annen måte med molybdendisulfid, er det mulig ikke bare å øke duktiliteten for plasten, men i tillegg å forbedre friksjonskoeffisienten med metallforsterkninge-ne.

Videre er hydrolyseresistensen og den kjemiske resistens for de ovenfor nevnte amorfe materialer betydelig høyere enn for polyamidene som for eksempel til nå har vært benyttet for å fremstille anti-slitasjesjikt.

I tillegg har de adopterte, amorfe materialer en glassovergangstemperatur godt over driftstempera-turen som plasten utsettes for, høyst 110 °C, slik at de mekaniske egenskaper i bruk snaut påvir-kes.

Som en konsekvens bibeholder materialene på den ene side anti-slitasjeegenskapene og på den annen side, forringes de ikke med tiden og under bevegelse av det fleksible rør selv om belast-ningene og særlig kompresjonsbelastningene er ekstremt høye, rundt 300 til 400 bar.

Andre semikrystallinske polymerer kan være egnet på grunn av deres egenskaper og særlig de tribologiske egenskaper. Disse er særlig polyetereterketon (PEEK), polyimid (Pl), flytende krystaII-polymerer (LCP'er), polyftalamid (PPA) og polyfenylensulfid (PPS). Imidlertid har alle disse mang-lene at de er kostbare og ikke lette å bearbeide, særlig for fremstilling av folier eller tilsvarende ved ekstrudering. Videre må armeringsfyllstoffer, for eksempel av glassfiber- eller karbonfibertypen, tilsettes for å øke deformeringen under belastningsevnen.

Imidlertid kan de blandes med de ovenfor nevnte amorfe polymerer med en grense på 20 % og særlig mellom 5 og 15 % på vektbasis, for å gi tribologiske egenskaper som er iboende for de semikrystallinske polymerer av de ovenfor nevnte plasttyper.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av fleksible rør for transport av hydrokarboner.

Vektandelen av den amorfe polymer i plasten er mer enn 60 % og fortrinnsvis over 80 %. I henhold til en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen blir polyfenylsulfon (PPSU) blandet med 15 % polytetrafluoretylen (PTFE) og ekstrudert gjennom en meget bred platedyse, for eksempel med bredde 1,00 meter, for å oppnå en lang plate med en tykkelse på 1,5 mm og en bredde på rundt 1,00 meter.

I henhold til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen omfatter blandingen 80 % polyfenylsulfon (PPSU), 10 % polyetereterketon (PEEK) og 10 % polytetrafluoretylen (PTFE).

Samtidig og etter avkjøling ble platen viklet opp for å gi en moderspole med flere hundre meters lengde.

Deretter blir platen slisset for å gi bånd med bredder 50 til 100 mm og som ble viklet opp på dat-terspoler for installering på en konvensjonell båndavvikler, montert in-line med den ønskede appa-ratur for dekking av metallarmeringstrådene. Som en konsekvens er det intet behov for å modifise-re eller tilpasse eksisterende båndviklere for å installere disse plastbånd derpå.

I henhold til prosessen blir en profilert tråd først viklet i skrueform med liten gjengestigning for å gi trykkammeret 16. Deretter blir et plastbånd av den ovenfor nevnte type inneholdende en amorf polymer viklet i skrueform for å gi den første vikling 22 på trykkammeret 16. Denne plasttape legges generelt på med et strekk på rundt 100 til 150 daN som gir en mildere påkjenning på båndet på rundt 10 til 20 MPa.

Videre og i henhold til en spesielt foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen blir plastbåndene buttsveiset, når dette er nødvendig, ved ultralydflekksveising. For å gjøre dette blir de to ender av tapene som skal buttsveises, brakt sammen, en over den andre og en egnet sonotrode legges på de to ender.

Deretter blir det første strekkarmeringssjikt 18 tildannet på den første vikling 22, og et plastbånd vikles nok en gang i skrueform rundt strekkarmeringssjiktet 18 for å gi den andre vikling 24.

Deretter blir den andre strekkarmeringstape 20 lagt på den andre vikling 24 og så dekket med en beskyttende kappe 26.

Imidlertid kan andre sjikt, uansett om de er fremstilt av plast eller metall, innarbeides i det fleksible rør 2 oppstrøms trykkammeret 16 eller nedstrøms det andre strekkarmeringssjikt 20.

Claims (16)

1. Fleksibelt rør (2) for transport av hydrokarboner der det fleksible rør omfatter minst to metallarmeringssjikt (18, 20), atskilt av et anti-slitasjesjikt (24) fremstilt av en plast, hvor hvert av nevnte sjikt er tildannet ved i skrueform å vikle opp et langstrakt metallelement og nevnte anti-slitasjesjikt (24) er tildannet ved i skrueform å vikle opp et bånd av nevnte plast,karakterisert vedat nevnte plast omfatter en amorf polymer hvis glassovergangstemperatur ligger mellom 175 og 255 °C.

2. Fleksibelt rør ifølge krav 1,karakterisert vedat den amorfe polymer er en polymer inneholdende en sulfonert gruppe.

3. Fleksibelt rør ifølge krav 2,karakterisert vedat den amorfe polymer er en polyfenylsulfon.

4. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3,karakterisertved at plasten omfatter minst 60 vektprosent av nevnte amorfe polymer.

5. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4,karakterisertved at plasten videre inkluderer et fyllstoff ment for å redusere friksjonskoeffisienten for plasten.

6. Fleksibelt rør ifølge krav 5,karakterisert vedat plasten har en vektandel av fyllstoff på mindre enn 20 %.

7. Fleksibelt rør ifølge krav 5 eller 6,karakterisert vedat fyllstoffet er et fluorert eller perfluorert syntetisk materiale.

8. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7,karakterisertved at plasten videre omfatter en semikrystallinsk polymer.

9. Fleksibelt rør ifølge krav 8,karakterisert vedat plasten har en vektandel av semikrystallinsk polymer på mindre enn 20 %.

10. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9,karakterisertved at plasten har en elastisitetsmodul mellom 1800 og 3200 MPa.

11. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 10,karakterisert vedat plasten har en flytegrense større enn 40 MPa.

12. Fleksibelt rør ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 11,karakterisert vedat plasten har en strekkforlengelse før flyting større enn 5 %.

13. Fremgangsmåte for fremstilling av et fleksibelt rør (2) for transport av hydrokarboner der prosessen er av den type der minst to langsgående metallelementer vikles i skrueform i sekvens for å gi to forsterkningssjikt (18, 20) og plastbånd vikles i skrueform mellom armeringssjiktene for å gi et anti-slitasjesjikt (24),karakterisert vedat det benyttes en plast omfattende en amorf polymer hvis glassdannelsestemperatur er mellom 175 og 255 °C, for å danne nevnte bånd.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13,karakterisert vedat plasten ekstruderes i form av lange plater.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13 eller 14,karakterisert vedat pla-tene slisses for å oppnå nevnte bånd.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15,karakterisert vedat båndene buttsveises ved hjelp av ultralydsveising.