NO770077L - R¦rledningssystem og fremgangsm}te ved fremstilling derav. - Google Patents

Description

Rørledningsystem og fremgangsmåte ved fremstilling derav

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et apparat for å

stoppe sprekkforplantning i rørledninger som er særpreget ved at

de utsettes for duktilt brudd. Det har lenge vært erkjent at rør-, ledninger som anvendes for transport av sterkt komprimerte fluida, kan utsettes for en katastrofal sprekkforplantning. Selv om en

slik rørledning vil være konstruert for at den skal kunne motstå

de høye innvendige trykk som den vil bli utsatt for, kan ikke desto mindre et brudd forekomme av ytre årsaker, som f.eks. at ledningen kan gjennomhulles av en buldoserskovl. Når et slikt brudd forekommer i en rørledning som er utsatt for et et høyt inn-vendig gasstrykk, vil spenninger i ledningen bli konsentrert ved endene i bruddets lengderetning og ofte bevirke at bruddet vil føre til ytterligere sprekkdannelse i.lengderetningene. Denne sprekkdannelse som er kjent som "sprekkforplantning", kan i virkeligheten forløpe med en hastighet som er høyere enn trykkfallshastig-heten langs rørledningens lengde. En slik sprekkforplantning kan derfor- finne sted langs rørveggen over en avstand av flere hundrede meter, og i enkelte tilfeller er endog flere kilometer av rørledningen blitt utsatt for åpen sprekkdannelse. For en vanlig rørledning av carbonstål som er utsatt for sprøtt brudd,

er det ikke praktisk å lage en-ledning som er så tykk at mulig-heten for sprekkforplantning vil hindres. Den fornuftigste løsning har vært å innarbeide sprekkstanseanordninger i rørled-ningen, men som ikke hindrersprekkforplanting,men snarere be-grenser denne til en begrenset lengde av ledningen. I US patent-skrift nr. 3349807 er beskrevet en fremgangsmåte for å stanse en slik sprekkforplantning, hvor det anvendes en sprekkstanseanordning i på forhånd valgte avstander langs rørledningen. Sprekkstanseanordningene utgjøres av bånd av et materiale, som en stålkrave,.

som er tett tilpasset rundt ledningenes omkrets slik.at det ut-

øver en tilstrekkelig innadrettet trykkraft mot rørveggen til at

de utadrettede krefter på grunn av den komprimerte gass motvirkes. Et brudd som har begynt på et eller annet sted langs rørledningen, kan derfor godt forplante seg i den ene eller begge.retninger inntil den fremadrettede endespiss av sprekken støter på en sprekkstanseanordning, dvs. at den når frem til den del av ledningsveggen som er utsatt for innadrettede krefter, og sprekken vil ikke fortsette forbi denne sprekkstanseanordning. Sprekkforplantningen er derved begrenset til en avstand som ikke er større enn avstanden mellom sprekkstanseanordningene. Det er imidlertid av vesentlig betydning at sprekkstanseanordningene utøver en meget betydelig trykkraft mot ledningsveggen da sprekken ellers lett kan fortsette gjennom ledningsveggen under sprekkstanseanordningen som om denne ikke hadde vært tilstede.

I de senere år har den generelle løsning for å hindre sprekkforplantning.vært å anvende en langt seigere ledning som ikke er utsatt for sprøtt brudd, og å spesifisere en bruddseighet som er tilstrekkelig til å hindre sprekkforplantning. Den mer nylige efterspørsel efter rørledninger med større diameter og ønsket om

å kunne øke de innvendige gasstrykk har ført til strengere seig-hetskrav og økede produksjonsomkostninger. Av og til er de arbeidsbetingelser som en rørledning utsettes for, spesielt i- de arktiske strøk, i virkeligheten så kraftige at det ikke er mulig å lage en rørledning som er tilstrekkelig seig til at den ikke

vil utsettes for sprekkforplantning. Det er derfor kjent at for disse foreslåtte anvendelser kan det være nødvendig å anvende sprekkstanseanordninger selv om en meget seig rørledning anvendes. Dessverre opphever dette en av de hovedsakelige fordeler ved å anvende en seig rørledning da slike sprekkstanseanordninger ikke lett kan festes til rørledningen under feltbetingelser på grunn av de meget store trykkrefter som sprekkstanseanordningene må utøve mot ledningsveggen.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på utvikling av et prinsipp for en sprekkstanseanordning for å stanse sprekkforplantninger i en rørledning som er særpreget ved at den utsettes for duktilt brudd eller et brudd av blandet karakter, dvs. både sprøtt og.duktilt brudd. Selv om dette prinsipp ikke er anvendbart i. forbindelse med en rørledning av carbonstål som er særpreget ved at den utsettes for sprøtt brudd, vil prinsippet ikke desto mindre kunne anvendes for å stanse sprekkforplantninger av duktil type.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte for å begrense sprekkforplantningsomfanget i en rør-ledning som er særpreget ved at den utsettes for duktilt brudd eller et brudd av blandet karakter.

Det tas ved oppfinnelsen også sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte for å stanse en sprekk i ehrørledning som er særpreget ved at den utsettes for duktilt brudd eller for brudd av blandet karakter.

Det tas ved oppfinnelsen videre sikte på å tilveiebringe

et rørledningsystem med øket sikkerhet for transport av gass ved overatmosfærisk trykk.

Det tas ved oppfinnelsen dessuten sikte på å tilveiebringe sprekkstanseanordninger av forskjellig konstruksjon for bruk på

en rørledning som er særpreget ved at den utsettes for duktilt brudd eller for brudd av blandet karakter, idet sprekkstanseanordningene lett kan påføres under feltbetingelser.

Oppfinnelsen angår således et rørledningsystem for transport av gass under overatmosfærisk trykk, omfattende en rørledning av stål og en rekke sprekkstanseanordninger anbragt i avstand langs rørledningen, og rørledningsystemet er særpreget ved de i krav l's karakteriserende del angitte trekk.

Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte véd fremstilling av rørledningsystemet ifølge oppfinnelsen, hvor sprekkstanseanordninger er anordnet i avstand langs en rørledning av stål som inneholder gass ved overatmosfærisk trykk, og fremgangsmåten er særpreget ved de i krav 8's karakteriserende del angitte trekk.

Oppfinnelsen vil bli nærmere' beskrevet under henvisning til

tegningen, hvorav

Fig. 1 er en perspektivskisse av en rørledningseks.jon hvor

en sprekkforplantning av duktil type er vist, og

Fig. 2-7 viser forskjellige utførelsesformer av sprekkstanseanordninger som anvendes for rørledningsystemet ifølge oppfinnelsen.

Ved forsøk med enkelte av de seigere stål for rørledninger

er det blitt erfart at til tross for at disse stål er utsatt for duktilt brudd, kan en slik rørledning utsettes for en ganske omfattende sprekkforplantning når den utsettes for kraftige arbeidsbetingelser. En nøyaktig undersøkelse av slike brudd har imidlertid

vist at sprekkforplantningsfenomenet for disse seige stål ikke er det samme som for stål' som er utsatt for sprøtt brudd. Mens sprøtt brudd i en rørledning av carbonstål adfølges av liten eller ingen plastisk deformasjon, er duktilt brudd i de seigere stål adfulgt av plastisk deformasjon og derav følgende tynnere ledningstverrsnitt foran sprekker som nesten alltid forløper langs toppen av ledningen. Da et slikt tynnere ledningstverrsnitt ikke går forut for sprøtt brudd, er en meget liten forflytning nødvendig ved spissen av sprekken, og hastigheten for sprekkforplantningen ved sprøtt brudd er som regel høy. Omvendt går plastisk deformasjon foran sprekkspissen forut for et duktilt brudd, og sprekkfor-plantningshastigheten bestemmes derfor av nedsettelsen av lednings-tverrsnittets tykkelse ved spissen av sprekken og av den tid som er nødvendig for at metallet på hver side av sprekken skal bevege seg over den avstand som er nødvendig for at tverrsnittet skal bli tynnere og brudd oppstå. Likevel kan duktil sprekkforplantning i en rørledning forløpe med en hastighet på opp til 300 m/s.

Det er kjent at sprøtt eller duktilt brudd kan stanses når sprekken forplantes inn i et område av ledningen hvor spenningene synker til et meget lite nivå. De kjente sprekkstanseanordninger som utøver et trykk mot rørledningen, tjener til å forårsake et slikt spenningsfall. Det har imidlertid ifølge oppfinnelsen vist seg at på grunn av den vesentlige forskyvning som er nødvendig ved spissen av sprekken for at et duktilt brudd skal oppstå, vil en begrensning av forskyvningen av sprekkspissen også kunne føre til stans av et duktilt brudd. Avpasningen av en struktur, dvs. dens reaksjon overfor en variasjon i belastningen, kan derfor påvirke forplantningen av et duktilt brudd, men ikke av et sprøtt brudd.

Det har også ifølge oppfinnelsen vist seg at den utadrettede akselerasjon av rørflikene bak sprekkspissen utgjør den hovedsakelige drivkraft for forplantningen av et duktilt brudd. Dette innebærer at straks et brudd har oppstått, vil, på grunn av ledningens forholdsvis duktile art, de krefter som skyldes det innvendige gasstrykk, bevirke at rørflikene, dvs. de to deler av røret på hver side av sprekken, vil tvinges fra hverandre og av og til at rørmetallet bokstavelig talt vil bli utflatet. Da disse fliker akselereres utad og bort fra hverandre, vil de forårsake at sprekkspissen vil forplante seg foran disse langs den øvre overflate av ledningen ved en trekkvirkning som river røret opp. Dette fenomen er skjematisk vist på fig. 1. På fig. 1 er vist hvorledes en rørledning som er særpreget ved at den utsettes for duktilt brudd, bokstavelig talt rives opp på grunn av akselerasjonen av rørflikene. Når en slik rørledning ikke befinner seg under bakkens nivå, kan den bokstavelig talt f lates'ut på grunn av en. slik sprekkforplantning som vist. Selv under bakkeoverflaten kan en tilstrekkelig flikforskyvning forekomme og en slik akselerasjon at en slik sprekk vil drives-eller bevirkes til å forplante seg - over meget lange avstander. Selv om det er klart at kjente sprekkstanseanordninger vil kunne anvendes for å stanse et duktilt brudd meget på samme måte som de kan stanse et sprøtt brudd, har en for-ståelse av den duktile bruddforplantning som diskutert ovenfor, ført til utviklingen av nye og forbedrede metoder for å stanse et duktilt brudd, og spesielt til metoder som lett kan anvendes under feltbetingelser.

Mens kjente sprekkstanseanordninger måtte utøve meget høye trykkrefter mot rørveggen for effektivt å kunne stanse et sprøtt brudd, utøves ved de sprekkstanseanordninger for duktilt brudd som anvendes ifølge oppfinnelsen, bare små eller ingen slike trykk-krefter. Selve essensen ved den foreliggende oppfinnelse er snarere å anvende en sprekkstanseanordning som vil begrense forskyvningen og/eller akselerasjonen av én eller begge fliker straks en sprekk begynner å forplantes. En hemming eller kontroll med flikforskyvningen og/eller -akselerasjonen vil på en effektiv måte stanse en duktil sprekkforplantning.

Ved en slik metode for å stanse en duktil sprekkforplantning anvendes en innsirklende masse av et materiale rundt ledningen, dvs. en hemmende anordning langs omkretsen, i på forhånd valgte avstander. En slikt hemmende anordning kan bestå f.eks. av en stålkrave, som vist på fig. 2, viklinger av en stålkabel som vist på fig. 3, eller armert betong støpt rundt ledningen som vist på fig. 4, eller en hvilken som helst annen hemmende anordning rundt omkretsen som vil begrense forskyvningen av rørflikene. Selv om slike sprekkstanseanordninger utad kan se ut til å være meget like de kjente sprekkstanseanordninger, kan de sprekkstanseanordninger som anvendes ifølge oppfinnelsen lett skilles fra de kjente sprekkstanseanordninger ved at sprekkstanseanordningene ifølge oppfinnelsen som utøver en omkretshemning, ikke utøver noen vesentlig trykkraft mot ledningens overflate. Sprekkstanseanordningene som anvendes ifølge oppfinnelsen kan i virkeligheten endog være løst anordnet mot ledningen slik at det fås en klaring ved grenseflaten. Det er bare nødvendig at disse sprekkstanseanordninger er tilstrekkelig sterke til at de vil begrense den underliggende rørflikforskyvning og dermed hindre en akselerasjon av denne. Skulle derfor et duktilt brudd føre til at en rørledning forsynt med slike sprekkstanseanordninger vil utsettes for sprekkforplantning, vil flikakselerasjonen gå forut for sprekkspissen inntil denne passerer under og kanskje endog forbi sprekkstanseanordningen. Denne vil imidlertid hindre at de underliggende fliker vil bli forskjøvet og akselerert. Selv dersom sprekkspissen kan ha passert forbi sprekkstanseanordningene, vil derfor sprekken hurtig stanses på grunn av at den hovedsakelige drivkraft for denne stanses, dvs. de utad akselererende rørfliker.

Ved den ovenfor beskrevne utførelsesform oppnås stansingen ved at begge rørfliker får en hemmet forskyvning, hvorved akselerasjonen av disse hindres. Det bør imidlertid bemerkes at en effektiv stansing kan oppnås ved anvendelse av en annen hemmende anordning enn en innsirklende hemmende anordning, som f.eks. ved anvendelse av materialmasser som vil hindre en akselerasjon av de to fliker, eller ved å begrense bare én av de to fliker eller ved å nedsette akselerasjonen i én av de to fliker. På fig. 5 er

vist en utførelsesform av en sprekkstanseanordning som når den

- anvendes bevirker at en stans av sprekkforplantningen vil oppnås ved begrensning eller hemming bare av én flik. Ved denne metode hvor en materialmasse festes bare på den ene side av røret, vil en duktil sprekkforplantning langs røret stanses på grunn av en usymmetrisk radial forskyvning av rørflikene bak sprekken. Efter-hvert som en sprekk forplanter seg langs røroverflaten og forbi en slik sprekkstanseanordning, vil rørfliken på den uforandrede side av røret få en sterk forskyvning og akselerasjon, mens-fliken på den forsterkede side vil utsettes for liten eller ingen forskyvning og dermed for ingen akselerasjon. Dette vil-bevirke

at sprekkspissen vil følge en spiralbane rundt ledningen henimot den uforsterkede side, og sprekkspissen vil hurtig stanse efter en vinding på ca. 180°.

Ved de ovenfor beskrevne utførelsesformer oppnås sprekk-stansingen ved å begrense forskyvningen av én eller begge av rør- fl,ikene bak sprekkspissen, dvs. ved at det tilveiebringes en hemning. Ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen begrenses akselerasjonen av én eller begge rørfliker til forskjell fra å begrense forskyvningen av disse. Da dynamikken for bevegelse av et masseelement i den sprukne overflate er underlagt den fysikalske lov F=ma, er det klart at akselerasjonen a kan forandres ved å for-andre F, dvs. resultantkraften mot dette masseelement, eller selve massen m. Omkretshemningen beskrevet i forbindelse med den første utførelsesform av sprekkstanseanordningen, gir en kraft som mot-virker kreftene for rørflikbevegelsen, slik at rørflikene hemmes og en akselerasjon av disse hindres. Ifølge den annen utførelses-form oppnås stansingen ved at bare én av flikene hemmes. En økning av massen ved å feste ytterligere masse til rørveggen vil, selv

■ om den ikke fullstendig vil hindre en akselerasjon på samme måte som omkretshemningen, ikke desto mindre nedsette akselerasjonen. En nedsatt akselerasjon for et masseelement i rørfliken vil automatisk føre til en lavere sprekkhastighet da det' ganske enkelt vil ta lengre tid for materialet å komme unna banen- for den' fort-løpende sprekk. En slik sprekkstanseanordning kan være utformet som en ytterligere masse som er stivt festet til rørveggen i form av konturplater eller -strimler, som vist på fig. 6, eller i form av en topptildekningsplate, som vist på fig. 7. Det er selvfølgelig klart at den tilførte masse bør være direkte festet til rørveggen for å oppnå en så god virkning som mulig, og massen bør' være tilstrekkelig stor til at rørflikakselerasjonen vil nedsettes til et nivå som er tilstrekkelig lavt til at sprekkforplantningen vil stanse.. Den virkelige massemengde som er nødvendig, vil selvfølgelig variere avhengig av ledningens diameter, veggtykkelse, veggstivhet og dens innvendige gasstrykk.

Selv bm det kan synes som om tre adskilte prinsipper for en sprekkstanseanordning er her beskrevet, er det klart at' disse bare er tre utførelsesformer av ett generelt prinsipp. Det generelle prinsipp er at forplantningen av en duktil sprekk kan stanses dersom akselerasjon, av minst én rørflik bak sprekkspissen nedsettes til et nivå som er utilstrekkelig til at den drivkraft vil opprettholdes som bevirker at sprekken forplanter seg. En tilsetning av masse til rørveggen, som sist beskrevet ovenfor, vil selvfølgelig nedsette rørflikakselerasjonen. Tilsetning av en anordning som virker hemmende rundt .omkretsen og som. beskrevet som den første utførelsesform, vil virke langt på vei på samme måte, men istedenfor å nedsette akselerasjonen, vil denne hemmende anordning hindre enhver akselerasjon.

Det er ifølge oppfinnelsen også blitt iakttatt et annet fenomen som betegnes som "ovalutvikling". Dette innebærer at når en sprekkspiss forplanter seg langs et duktilt rør, vil røret

være tilbøyelig til å utsettes for plastisk forlengelse i side-retningen foran den fremadkommende spiss. En hemmende anordning rundt omkretsen, som beskrevet ovenfor, vil hindre' denne forlengelse, dvs. ovalutvikling, og kan derfor stanse sprekken før den når frem til anordningen som virker hemmende rundt omkretsen.

Det vil dessuten lett forstås at de seks utførelsesformer av, en sprekkstanseanordning som er vist på tegningene, bare utgjør noen-få av de mange mulige utførelsesformer som kunne ha vært an-vendt. Festingen av masse for å nedsette rørflikakselerasjonen vil kunne gjøres på praktisk talt en hvilken som helst måte, på deri innvendige eller ytre overflate av røret, eller på den ene eller begge sider av røret, dvs. på den ene eller begge fliker. Den hemmende anordning rundt omkretsen kan også være utformet på en rekke forskjellige måter, og vil til og med kunne omfatte armerte plastringer eller armert betong støpt rundt rørledningen. Den ujevne rørflikakselerasjon for å bevirke at sprekkspissen vil følge en spiralbane kan også oppnås ved å anvende en ryggfylling med ekstrem tetthet på den ene side av røret. Da en duktil bruddforplantning nesten alltid vil forløpe langs ledningens øvre overflate, er det dessuten klart at en hvilket som helst tilsatt masse for å nedsette rørflikakselerasjonen vil virke mest effektivt hvis den anbringes i overensstemmelse hermed, dvs. på eller nær rørets øvre overflate slik at den ytterligere masse efter brudd vil befinne seg ved eller nær bruddkanten for rørfliken som er utsatt for den sterkeste akselerasjon. En tilsatt masse ved ledningens bunnoverflate vil selvfølgelig ikke virke så effektivt for å nedsette rørflikakselerasjonen.

Claims (16)

1. Rørledningsystem for transport av gass under overatmosfærisk trykk, omfattende en rørledning av stål og en rekke sprekkstanseanordninger anbragt i avstand fra hverandre langs rø rledningen, karakterisert ved at rørledningen av. stål er utsatt for duktilt brudd eller for brudd av blandet karakter, hvor bruddet forplanter seg ved utadrettet akselerasjon av rørfliker efter sprekkspissen, og ved at sprekkstanseanordningene utgjøres av uspente legemer som ér anordnet på eller nær minst én av rørled-ningens sider nær toppen av rørledningen for å nedsette den utadrettede akselerasjon av minst én av rø rflikene.

2. Rørledningsystem ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én av sprekkstanseanordningene har form av en ring-krave som gir en hemmende virkning rundt omkretsen for å hindre en utadrettet akselerasjon av rørflikene ved at den hindrer en utadrettet forskyvning av disse.

3. Rørledningsystem ifølge krav 2, karakterisert ved at ringkraven er laget av en stålkabel som er viklet rundt ledningen.

4. Rørledningsystem ifølge krav 1, karakterisert ved at sprekkstanseanordningen har form av en tett tilpasset materialmasse som er festet til ledningens overflate.

5. Rørledningsystem ifølge krav 4, karakterisert ved at materialmassen har form av minst én plate som er festet nær toppen av ledningen.

6. Rørledningsystem ifølge krav 4, karakterisert ved at materialmassen er festet til en side av den øvre midtre del av ledningen slik at bare. rørfliken på denne side vil få en nedsatt akselerasjon, hvorved en sprekkspiss som forplanter seg forbi denne, vil tvinges til å følge en spiralbane som hurtig stanses.

7. • Rørledningsystem ifølge krav 1, karakterisert v ed at minst én av sprekkstanseanordningene er anbragt bare på den ene side av ledningen, slik at når en sprekkspiss passerer forbi-denne, vil den utadrettede akselerasjon av rørflikene bli ujevn, hvorved sprekkspissen vil tvinges til å følge en spiralbane som hurtig stanses.

8. Fremgangsmåte ved fremstilling av et rørledningsystem ifølge krav 1-7, hvor sprekkstanseanordninger anbringes i avstand fra hverandre langs en rø rledning av stål som inneholder gass ved overatmosfærisk trykk, karakterisert ved at det. velges en rørledning av stål som er usatt for duktilt brudd eller for brudd av blandet type, hvor bruddet forplanter seg på grunn av den utadrettede akselerasjon av rørfliker bak sprekkspissen, og ved at uspente sprekkstanseanordninger anbringes på eller nær minst én side av rø rledningen nær ledningens topp for derved å nedsette den utadrettede akselerasjon av minst én av rørflikene.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én sprekkstanseanordning tilveiebringes ved å øke rørveggens tykkelse.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at minst én sprekkstanseanordning tilveiebringes ved å feste en ytterligere del til rørledningen av stål.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8', karakterisert ved at minst én sprekkstanseanordning anbringes mot ledningens overflate uten å festes direkte til denne.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8-11, karakterisert ved at minst én sprekkstanseanordning anbringes bare på den ene side av ledningen, slik at når en sprekkspiss passerer.forbi denne, vil den utadrettede akselerasjon av rørflikene ikke bli jevn, hvorved sprekkspissen tvinges til å følge en spiralbane som hurtig stanses.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at det som sprekkstanseanordning anvendes en ryggfylling med ekstrem tetthet anbragt bare på den ene side av ledningen.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at det anvendes en sprekkstanseanordning av.armert betong.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 8, 10 og 11, karakterisert ved at det anvendes en sprekkstanseanordning av et uspent ringlegeme som fullstendig omgir ledningen, slik at ring-legemet hemmer rø rflikene, hvorved deres utadrettede akselerasjon på egnet måte hindres.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at det anvendes et ringlegeme i form av en stålkabel som er viklet rundt ledningen..