NO342369B1

NO342369B1 - Høytrykks rørelement med en sammenstilling av båndrør

Info

Publication number: NO342369B1
Application number: NO20091102A
Authority: NO
Inventors: Jean Guesnon; Gérard Papon
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2018-05-14
Also published as: WO2008043891A3; NO20091102L; BRPI0717081B1; US9163757B2; FR2906338A1; WO2008043891A2; BRPI0717081A2; FR2906338B1; US20100139802A1

Abstract

Oppfinnelsen vedrører et høytrykks rørelement med minst to metallrør (1, 3) forsterket med banderinger ("hoops") (2) og (4), idet endene av rørene er udekket. Rørene sammensettes ende-mot-ende ved hjelp av en sveis (5) av de udekkede ender. En hylse (6) dekker sveisen (5) såvel som noe av banderingene (2) og (4) på hvert rør og danner et ringrom mellom de udekkede ender av rørene og hylsen, idet dette rom fylles med et herdende (størknende materiale (9). Oppfinnelsen vedrører også fremstilling av høytrykks rørelementet.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremstilling av et høytrykksrør. Spesielt foreslår oppfinnelsen et høytrykksrør sammensatt av en sammenstilling av båndrør ("hooped tubes").

Banderingsteknikken består i å vikle et forsterkningselement, generelt i form av et bånd av fibere innleiret i en polymermatriks, omkring et metallrør for å øke rørets motstand mot indre trykk uten signifikant å øke dets vekt.

Anvendelsen av båndrør for produsering av offshore oljeforekomster er spesielt påtenkt. Båndrørene kan anvendes for fremstilling av rør for å føre oljen fra et brønnhode installert på sjøbunnen til et bearbeidingsanlegg lokalisert på sjøoverflaten. Mer spesifikt, kan båndrørene anvendes for fremstilling av rør installert på sjøbunnen, vanlig benevnt strømningsrør, rør som forbinder sjøbunnen til overflaten, vanlig benevnt stigerør, eller hjelperør som f.eks. drepeledninger og strupeledninger hvis funksjon er å etablere en hydraulisk link parallell til stigerøret mellom overflaten og brønnhodet lokalisert på sjøbunnen.

Båndrørene fremstilles i rørseksjoner som kan være opp til 20 til 30 meter lange. For fremstilling av høytrykksrør, sveises båndrørene sammen ende-til-ende. I sveiseoperasjonen er båndmaterialet lokalisert ved endene av røret utsatt for skade fra varmen frigitt under sveisingen. Det således oppnådde rør kan derfor ha lav mekanisk styrke ved de sveisede skjøter.

US 3989281 A omtaler et system for sammenføyning av aluminiumsrør konstruert som et hus for elektrisk kabel omgitt av olje under trykk. Aluminiumsrørseksjonene som skal knyttes sammen er filamentviklet. Rørseksjonene er forbundet med sveising eller lodding. Tetningsringer er filamentviklet i bindingsinngrep med det ytre av hver rørseksjon nær sammenføyningsendene. Endene av røret er udekket aluminium. En hylse som omfatter de sammenføyde rørene strekker seg over i det minste de udekkede endene av de sammenføyde rørseksjoner. Et hulrom dannet mellom hylsen og de sammenføyde rørseksjoner er fylt med en varmeherdende polymersammensetning som er herdet. Skjøtesystemet er konstruert for å forhindre både korrosjon av røret og oljelekkasje forbi tetningsringene i tilfellet av svikt på en sveis- eller loddeskjøt.

FR 1105179 A omtaler et rørsystemrør som er kjennetegnet ved den vedheftende kombinasjon av en indre sylinder laget av et platemetall og en ytre sylinder av armert betong som er i stand til å forbindes på en kontinuerlig og homogen måte uten noen reduksjon i vanntetthet eller motstand.

US 5452507 A omtaler en fremgangsmåte for å legge undervannsrørledninger på dypt vann, ved å anvende J-sjøsetningsteknikken, som omfatter å sammenføye blandede konstruksjonsrør som består av en stålkjerne forsterket med et komposittmateriale som består av et herdbart materiale som inneholder kontinuerlige fibere og i hvilke: de kontinuerlige fibere er viklet omkring stålkjernen som en spiralvikling som danner en vinkel på mellom 65 grader og 87 grader med røraksen; forholdet av tykkelsen av komposittlaget til tykkelsen av stålkjernen er mellom 2 og 8; vekten av det blandede konstruksjonsrøret i vann er mellom omkring 40 og 100 kg/m.

US 3731710 A omtaler en fremgangsmåte og apparat for påføring av en sprøyteplastskumisolasjon på et rør hvori røret er rengjort og forhåndsvarmet til minst 90<o>F før spraypåføringen av skum. Rengjøringen og forhåndsoppvarmingen hjelper i skummingsprosessen og forbedrer den fysiske bindingen av det første laget av sprøyteskum til røret. En bitumastisk og kraftpapir dampsperre påføres deretter på den ytre overflate av isolasjonen.

US 20030116214 A1 omtaler et system og fremgangsmåte for å tilveiebringe sekundær inneslutning for rørledningsoverføringssystemer som overholder miljøforskrifter for dobbeltveggsapplikasjoner. Den ytre overflate av rørledningen er tilpasset med et epoksybundet flerlagsstoff som danner en sekundær inneslutningsstruktur utvendig av røret med første og andre adskilte lag som danner et mellomliggende rom derimellom. Et ytre belegg av herdet epoksyharpiks sørge for motstand mot støt, slitasje og kjemisk indusert korrosjon og forringelse. Sonder kan være installert ved forskjellige lokaliseringer langs rørledningen for kontinuerlig prøvetaking av miljøet innen mellomrommet og derved tilveiebringe lekkasjedeteksjon. Sekundær inneslutning er konstruert på en eksisterende seksjon av stål, jern, glassfiber, kompositt, metallegeringer eller betongrør.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et høytrykks rørelement med i det minste to metallrør forsterket med banderinger ("hoops") idet endene av rørene er udekket, rørene settes sammen ende-mot-ende ved sveising av de udekkede ender, en hylse som dekker sveisen så vel som en del av banderingen på hvert rør danner et ringrom mellom de udekkede ender av rørene og hylsen, idet ringrommet er fylt med et injiserbart og herdende (størknende) materiale, kjennetegnet ved at hylsen har ender av konisk form, en lengde av delen av banderingen til hvert rør dekket av hylsen er omtrent lik med en lengde av den udekkede ende av hvert rør dekket av hylsen, og hylsen er konfigurert slik at sammenstillingen bestående av hylsen, ringrommet fylt med injiserbart, herdende materiale, og de udekkede endene av rørene har større innvendig trykkmotstand enn en innvendig trykkmotstand av metallrørene forsterket av banderingene.

Foretrukne utførelsesformer av høytrykks rørelementet er videre utdypet i kravene 2 til og med 6.

Det er omtalt en fremgangsmåte for sammensveising av båndrør som spesielt tillater at et rør kan fremstilles som ikke har noen svake punkter sett fra et synspunkt med mekanisk styrke.

Det er omtalt et høytrykks rørelement med i det minste to metallrør forsterket med bånd, idet endene av rørene er udekket, rørene samles ende-til-ende ved sveising av de udekkede ender, idet en hylse dekker sveisen så vel som en del av banderingen av hvert rør under dannelse av et ringrom mellom de udekkede ender av rørene og hylsen, idet hvert ringrom fylles med et injiserbart og herdende materiale.

Den indre overflate av hylsen kan ha stripemønster. Hylsen kan ha ender med konisk form. Banderingen kan ha forsterkningselementer fremstilt av fibere innleiret i et polymermateriale. Det injiserbare og herdbare materiale kan omfatte en polymer.

Karakteristikkene av hylsen kan velges slik at sammenstillingen som utgjøres av hylsen, ringrommet fylt med det injiserbare, herdbare materiale, og de udekkede ender av rørene, har større indre trykkmotstand enn tilsvarende for metallrørene forsterket med båndene.

Det er også omtalt en fremgangsmåte for fremstilling av et høytrykksrør med i det minste to metallrør hvor fremgangsmåten inkluderer i det minste de følgende operasjoner:

a) forsterkningselementer vikles omkring metallrør mens rørendene etterlates udekket,

b) rørene sammensveises ende-mot-ende,

c) hylsen posisjoneres i nivå med sveisen, idet hylsen dekker sveisen så vel som en del av forsterkningselementene på hvert rør mellom de udekkede ender av rørene og hylsen, og

d) et herdende materiale injiseres inn i ringrommet. I trinn d), kan det herdende materiale polymeriseres.

I trinn a), kan forsterkningselementene vikles under strekk for å innføre en omkretsforspenning i metallrøret.

Alternativt, kan før trinn b), et indre trykk utøves i rørene dekket med forsterkningselementene inntil rørene er plastisk deformert for å innføre en omkretsforspenning i metallrørene.

Alternativt, etter trinn d), kan et indre trykk utøves i rørelementet inntil metallrørene er plastisk deformert for å innføre en omkretsforspenning i metallrørene.

Operasjonen kan a) utføres i et spesialanlegg og deretter kan rørene dekket med forsterkningselementene føres til sammensetningsstedet og operasjoner b), c) og d) kan så utføres på sammenstillingsstedet.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil bli bedre forstått og vil fremgå klart ved lesing av den følgende beskrivelse med henvisning til tegningene hvori:

- fig.1 viser en sammenstilling av to båndrør,

- fig.2 viser en tverrsnittstegning av et rør, og

- fig.3 viser skjematisk et høytrykksrør ifølge oppfinnelsen.

I fig.1, er metallrørene 1 og 3 dekket med forsterkningselementer, henholdsvis 2 og 4. Generelt, bearbeides innenfor oljeindustrien metallrør med lengde mellom 10 og 20 meter.

Forsterkningselementene 2 og 4 er bånd av komposittmateriale viklet på de ytre overflater av rørene 1 og 3. Båndene er fremstilt av fibere, f.eks. glassfibere, karbonfibere eller aramidfibere, idet fibrene har innleiret i en termoplastisk eller termoherdende polymermatriks som f.eks. et polyamid.

Forsterkningselementene kan vikles under strekk for å innføre en omkretsforspenning i metallrørene og således forbedre motstanden mot indre trykk i metallrørene. En rørbanderingsteknikk kan utgjøre teknikken med å vikle bånd fremstilt av komposittmateriale omkring et rørformet metall-legeme. Denne banderingsteknikk er beskrevet spesielt i dokumenter FR 2,828,122, FR 2,828,262 og US 4,514,254.

Alternativt, kan rørene 1 og 3 påvikles uten forspenning (selvbandering), hvor banderingsspenningen innføres under hydraulisk testing av rørene ved et trykk som bevirker at elastisitetsgrensen av metallrøret overstiges. Med andre ord vikles båndene av komposittmateriale omkring metallrøret. Under vikleoperasjonen innfører båndene lite eller ingen spenning i metallrøret. Deretter utøves et spesifikt trykk mot innsiden av røret slik at spenningen i metallet overstiger elastisitetsgrensen av metallet og røret deformeres plastisk. Trykket kan utøves i røret ved innføring av et fluid under trykk. Etter retur til null trykk, forblir resttrykkspenninger i metallrøret og strekkspenninger i båndene av komposittmaterialet.

Alternativt, utføres selvbanderingsoperasjonen etter at de elementære rør er blitt satt sammen. Forsterkningselementene kan anbringes omkring metallrøret uten å innføre en spenning i metallrøret, slik at under viklingsoperasjonen innfører båndene lite eller ingen spenning i metallrøret. Deretter blir rørene dekket med forsterkningselementene, satt sammen ifølge sammensetningsprosessen beskrevet i det følgende. Spenning av forsterkningselementene kan foretas etter sammenstillings-operasjonene av rørene 1 og 3 hvor da forsterknings-elementene spennes ved å utøve et forutbestemt trykk i rørsammenstillingen slik at spenningen i metallet overstiger elastisitetsgrensen av metallet og røret deformeres plastisk.

Med henvisning til fig.1, har endene av rørene 1 og 3 i alle tilfeller ikke noen forsterkningselementer i området G av den aksielle lengde dl. Lengden dl varmepåvirkning under sveiseoperasjonene. Den udekkede overflate ved hver velges slik at man unngår å skade forsterkningselementene 2 og 4 ved for sterk ende av rørene letter sveiseoperasjonen og muliggjør spesielt at varmen kan spres når rørene 1 og 3 sveises sammen. Den udekkede lengde dl kan bestemmes etter tester ved måling av temperaturprofilen i metallrøret under de forskjellige sveiseoperasjoner. Lengden dl kan være mellom 100 mm og 300 mm.

Én ende av røret 1 er forbundet til én ende av røret 5 ved hjelp av sveisen 5. Sveiseoperasjonen gjennomføres slik at røret 1 og røret 3 er hovedsakelig koaksiale, dvs. har den samme akse A-A'.

En hylse 6 konsoliderer sammenstillingen av rørene 1 og 3 ved sveisen 5. Foretrukket har hylsen en sylindrisk innvendig form. For eksempel kan hylsen 6 være en rørseksjon som dekker rørene 1 og 3. Aksen for hylsen 6 tilsvarer hovedsakelig aksen A-A' for rørene 1 og 3. Hylsen 6 dekker fullstendig de udekkede områder G av rørene 1 og 3 og del av forsterkningselementene 2 og 4 tilsvarende områdene F i fig.1. Et område F strekker seg over den aksiale lengde D2. Generelt velges lengden D2 til å være tilnærmet lik lengden D1. For eksempel strekker området F seg over en aksial lengde D2 som er mellom 100 mm og 300 mm.

Fig. 2 viser en alternativ form av hylsen 6 hvor endene av hylsen er avskrånet. I fig.2 har hylsen en rørformet senterdel C. Endene av senterdelen C er forlenget med deler E som har en konisk form. Den indre overflate av hylsen i delene E og C danner en sylindrisk overfalte med en konstant radius. På den annen side blir tykkelsen av hylsen, som er konstant i senterdelen C, avtynnet over koniske deler E inntil den blir nesten null. Den koniske form av delene E tilveiebringer således en overgang med hensyn til mekanisk styrke mellom båndrøret og det sveisede område som forsterkes med hylsen.

Den indre diameter av hylsen 6 er lik eller litt større enn diameteren av sylinderen dannet av de ytre overflater av sløyfene 2 og 4. Den indre diameter av hylsen 6 kan bestemmes ved å ta hensyn til de ovale deformasjoner av båndrørene og fabrikasjonstoleransene av båndrørene.

Hylsen 6 danner sammen med rørene 1 og 3 et lukket ringrom, idet ringrommet er aksielt avgrenset av forsterkningselementet 2 og 4. Ringrommet strekker seg over områdene G. Dette ringrom fylles med et injiserbart herdende materiale. Polymeren injiseres gjennom injeksjonshullet 7 for å fylle hele ringrommet og således danne et element 9 som overfører krefter mellom rørene 1 og 3 og hylsen 6. Elementet 9 kan til hylsen 6 overføre de radielle krefter som genereres av det indre trykk på rørene 1 og 3. Motsatt kan elementet 9 overføre til rørene 1 og 3 radielle krefter som genereres av det ytre trykk på hylsen 6. Materialet i elementet 9 velges spesielt for sine mekaniske karakteristikker idet materialet må være i stand til å overføre krefter mellom stålrørene og hylsen. For eksempel omfatter materialet en termoplastisk eller termoherdende polymer, eventuelt blandet med et fyllstoff som f.eks. karbonfibere, glassfibere eller aramidfibere.

Hylsen kan være forsynt med et tømmehull 8 slik at luften kan evakueres når polymeren injiseres. Dette hindrer at luftlommer forblir i ringrommet mellom hylsen 6 og stålrørene 1 og 3, idet luftlommer ville skade overgang og fordeling av spenninger mellom rørene og hylsen. Foretrukket er injeksjonshullet 7 og tømmehullet 8 lokalisert diametrisk mot hverandre og ved de motsatte ender av hylsen for å begunstige fylling av ringrommet mellom hylsen 6 og rørene 1 og 3.

Den indre overflate av hylsen kan ha stripemønster eller riller for å forbedre adhesjonen av materialet som danner elementet 9 til hylsen 6.

Foretrukket velges karakteristikkene av hylsen 6 slik at den mekaniske sammenstilling som utgjøres av hylsen 6, arealene G av rørene 1 og 2, og elementet 9 har større motstand mot indre trykk enn tilsvarende for rørene 1 og 3 forsterket med forsterkningselementene 2 og 4. For eksempel kan typen av stål, dimensjonene og geometrien av hylsen 6, og materialene i elementet 9 velges. For eksempel kan typen av stål for hylsen ha større mekanisk styrke enn stålet i rørene 1 og 3.

Ende-mot-ende-sveisingen av båndrørene for å skape en sammenstilling ifølge fig.1 kan gjennomføres ved hjelp av trinnene beskrevet i det følgende.

Forsterkningselementene vikles omkring hvert av metallrørene hvor rørendene etterlates udekket i området G. Båndene kan vikles under strekk omkring metallrørene for å innføre spenninger i metallrøret. Båndene kan også vikles under innføring av meget lite eller ingen spenning i metallrørene. I dette tilfelle kan en hydraulisk test utøves på metallrørene for å spenne metallrørene og forsterkningselementene ved selv-bandering. Denne hydrauliske test kan også utøves ved et senere tidspunkt.

Det er før sveiseoperasjonen mulig å tre hylsen omkring ett av båndrørene som skal sveises, f.eks. ved å bringe hylsen til å gli omkring ett av båndrørene.

Båndrørene anbringes ende-mot-ende og sveisen 5 etableres. Sveisen kan kontrolleres ikke-destruktivt, f.eks. ved hjelp av røntgenstråler eller ultralyd, for å bekrefte at sveisen er uten feil.

Hylsen 6 bringes i posisjon over sveisen 5.

Anordninger for holde hylsen i posisjon er anbrakt over sveisen 5. For eksempel kan to klemmer strammes inn på båndene 2 og 4 og inn på hylsen 6 for å hindre at hylsen 6 beveger seg langs aksen A-A'.

Materiale injiseres gjennom åpningen 8 inn i ringrommet mellom hylsen 6 og rørene 1 og 3. I tilfellet av termoherdende harpikser polymeriseres harpiksen f.eks. ved å heve temperaturen og utøve trykk.

I det tilfelle hvor forsterkningselementene bare enkelt vikles omkring metallrørene uten at elementene strekkes utøves en hydraulisk test på rørelementet dannet ved sammenstilling av rørene 1 og 3 for å underkaste metallrørene og forsterkningselementene for selvbandering.

Et høytrykks rørelement sammensatt av sveisede, båndrør oppnås ifølge oppfinnelsen. Materialet 9, injisert mellom hylsen og røret overfører radielle krefter mellom metallrørene og hylsen slik at den sistnevnte delta i styrken av rørelementet og følgelig begrenser de mekaniske krefter som utøves på sveisen 5.

Videre, vil fremgangsmåten for sammensetting av båndrør ifølge oppfinnelsen muliggjøre at lange båndrør kan fremstilles fra elementære rørseksjoner som lett fremstilles og håndteres. Høytrykks rørelementer kan fremstilles ved sammenstilling av flere elementære rør, f.eks. mellom 4 og 20 elementære rør. Fig.3 viser et eksempel på et høytrykksrør med fire elementære rør 11 forbundet til hverandre ved hjelp av koplinger 12 fremstilt ifølge oppfinnelsen. Endene av høytrykksrøret forsynt med mekaniske konnektorer 13 og 14 som muliggjør at høytrykksrør kan forbindes til hverandre.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes for ende-mot-endesammenstilling av elementære rør når en rørledning legges for å skape en ledning som kan være flere hundre meter lang mellom sjøbunnen og overflaten.

Foretrukket fremstilles høytrykks rørelementer i to trinn. Først dekkes metallrørene med komposittmaterialbånd i et anlegg spesielt utstyrt med produksjonsanordninger bestemt for denne anvendelse. Dette anlegg tillater bearbeidelse av rør med forskjellige diametere, tykkelse og lengder. Deretter blir i et andre trinn metallrørene dekket med forsterkningselementer transportert i porsjoner til et andre anlegg som setter de dekkede metallrør sammen. Foretrukket er sammenstillingsanleggene tiltenkt en spesiell rørtype. Denne metode har fordeler fra et synspunkt med å fremstille de elementære rør, transportere dem til sammenstillingsstedene, og sammensette dem. Spesielt kan transporten av høytrykksrør til rettelegges ved å lokalisere sammenstillingsanlegget nær anvendelsesstedet. Produksjonskapasiteter kan være høye og kan lett opptrinnes om nødvendig ved tilføyelse av nye standardmaskiner.

Claims

P A T E N T K R A V

1. Høytrykks rørelement med i det minste to metallrør (1, 3) forsterket med banderinger ("hoops") (2, 4) idet endene (G) av rørene er udekket, rørene (1, 3) settes sammen ende-mot-ende ved sveising (5) av de udekkede ender, en hylse (6) som dekker sveisen (5) så vel som en del (F) av banderingen på hvert rør (1, 3) danner et ringrom (9) mellom de udekkede ender av rørene (1, 3) og hylsen (6), idet ringrommet (9) er fylt med et injiserbart og herdende (størknende) materiale,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t hylsen (6) har ender (E) av konisk form, en lengde av delen av banderingen til hvert rør dekket av hylsen (6) er omtrent lik med en lengde av den udekkede ende av hvert rør dekket av hylsen (6), og hylsen (6) er konfigurert slik at sammenstillingen bestående av hylsen (6), ringrommet (9) fylt med injiserbart, herdende materiale, og de udekkede endene av rørene (1, 3) har større innvendig trykkmotstand enn en innvendig trykkmotstand av metallrørene (1, 3) forsterket av banderingene (2, 4).

2. Høytrykks rørelement ifølge krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t den indre overflate av hylsen (6) har stripemønster.

3. Høytrykks rørelement ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t banderingen (2, 4) har forsterkningselementer fremstilt av fibere innleiret i et polymermateriale.

4. Høytrykks rørelement ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det injiserbare, herdende materiale omfatter en polymer.

5. Høytrykks rørelement ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t hylsen (6) innbefatter en indre sylindrisk overflate med konstant radius langs en hele lengde av hylsen (6).

6. Høytrykks rørelement ifølge et av de foregående krav,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t hylsen er laget av et materiale med en større mekanisk styrke enn den mekaniske styrken av metallet til rørene.