NO875110L

NO875110L - Forsterket fleksibel slange.

Info

Publication number: NO875110L
Application number: NO875110A
Authority: NO
Inventors: Ferenc Kovacs; Miklosne Lengyel; Tobor Nagy; Sandor Antal; Gyorgy Gyongyosi; Laszlo Palotas; Nandor Pfisztner
Original assignee: Taurus Gumiipari Vallalat
Priority date: 1985-09-25
Filing date: 1987-12-08
Publication date: 1987-12-14
Also published as: HU198781B; NO875110D0; US4860798A; WO1987002116A1; GB2205625B; GB8800516D0; GB2205625A

Description

Oppfinnelsen angår en fleksibel slange forsterket av trådlag, hvor det er tilveiebrakt minst to trådlag og forsterkningstrådene i hvert lag er anbrakt i skrueformede vindinger omkring slangens lengdeakse.

Som kjent må slike forsterkede fleksible slanger overkomme stadigøkende krav. Nå for tiden, behøves i olje-industrien slanger med innvendige diametre på 50 - 100 mm og mer som har et driftstrykk på mer enn 1000 bar og de mp motstå et sprengtrykk på rundt 3000 bar. I tillegg kreves det også en øket formstabilitet, på den måte at slangene ikke deformeres i lengderetningen eller ved vridning. Samtidig skal de ha den minst mulige bøyesitvhet.

Konvensjonelle forsterkede fleksible slanger er uegnet for å innfri disse krav samtidig. Med kjente slanger kan slangenes fleksibilitet tilveiebringes og deres styrke er til-fredsstillende, men de er ikke tilstrekkelig fleksible, heller ikke ved trykk som er vesentlig mindre enn 3000 bar.

På området forsterkede slanger brukes vanligvis en såkalt likevektshelningsvinkel på 35° 26' for trådlagenes vinkler med slangeaksen. I dette tilfelle avtar i stor grad last-opplagringen for trådlagene som anordnes på hverandre utover, og ved virkningen av det indre trykk deformeres også slangene ved vridning. Vanligvis beregnes trådlagenes vinkel med slangeaksen i slangenes tverrsnitt som er vinkelrett med lengdeaksen.

Ved flere tilfeller har det vært foreslått å for-bedre torsjonsstabiliteten og den jevne lastopplagring for lagene ved å avvike fra den konvensjonelle helningsvinkel på 35° 26' med slangeaksen og ved å minke trådlagenes helningsvinkler slik at de kommer nærmere slangeaksen, og å øke helningsvinkelen for det som er lenger fra slangens senterakse. Med dette var belastningene tenkt å bli delt i to, radialbe-lastningene var tilsiktet å bli båret av trådlagene som ligger nærmere slangeaksen, og aksialbelastningene av de som ligger lenger fra den. Slike midler mislykkedes imidlertid i å sikre den fleksibilitet som krevdes, og bøyestabiliteten for disse slanger var flere ganger den for slangene med konvensjonelle likevektshelningsvinkler, som er grunnen for at sistnevnte har

større helningsvinkel i det ytre trådlag.

Denne type trådslanger er beskrevet i SU-PS 941 867 hvor helningsvinkelen for de to indre trådlag er mellom 0 og 15° og den for det ytre par av trådlag mellom 70 og 90°. Som det er vist er styrkeutnyttelsen for disse slanger ikke tilstrekkelig i tilfelle med indre trykk da påkjenningen i de ytre lag er halvparten av den i de indre lag og de to symmetrisk anordnede nedre lag som har den samme helningsvinkel er ikke belastet jevnt. Følgelig er styrkeutnyttelsen i det beste tilfelle bare 70 - 75%.

Flere forslag er fremsatt for å redusere ulempene med denne oppbygging, og i SU-PS 949 282, 949 283, 949 284 og 960 483 er det beskrevet forsterkningsinnlegg som har forskjellige profiler. Det er også foreslått å anvende et ytterligere par trådlag med helningsvinkler mellom 30 og 60°. I SU-PS

994 853 er det brukt en slange med mer enn to par, dvs. mer enn fire trådlag, og helningsvinklene for trådlagene er mellom 0 og 15 eller 70 og 90°. Med dette kan slangenes trykkstabilitet økes i en viss utstrekning i forhold til den opprinnelige oppbygging, men torsjonsstivheten kunne ikke gjøres mindre.

I GB-PS 953 833 er det beskrevet en forsterket slange med en lignende oppbygging som nevnt ovenfor. Det indre trykk bæres av to trådlag som har de samme helningsvinkler og aksialspenningen bæres av to trådlag med helningsvinkler mellom 55 og 75°. Der er det også fremsatt en annen løsning med en forsterkning med skrueform med små helningsvinkler mellom 0 og 10° for å bære det indre trykk. Ikke desto mindre er disse oppbygginger ikke fri fra de ovenfor nevnte mangler.

I HU-PS 169 115 er det beskrevet en løsning hvor helningsvinklene for de respektive trådlag er forskjellige og deres middelverdi avviker med minst 10 minutter fra den så-kalte likevektshelningsvinkel. Samtidig, i tilfelle av flere enn to trådlag kreves det også tilfredsstillelse av en arit-metisk ligning mellom helningsvinklene og diametrene. Det er sant at slangene beskrevet i det ungarske patent har en frem-tredende bøyefleksibilitet, men særlig i tilfelle med flere enn to trådlag, er deres styrkeutnyttelse ikke tilfredsstil-lende. I tilfelle med fire trådlag er sprengtrykket i virke- enn fire lag øker ikke- sprengtrykket vesentlig, derfor er slangene i dette patent fremstilt med ikke fler enn fire forsterkningstrådlag. Det maksimale driftstrykk er ikke større enn 700 bar.

Et formål med oppfinnelsen er å unngå slike mangler og å tilveiebringe en fleksibel slange forsterket av trådlag som har den ønskede styrkeutnyttelse og indre trykkopplagrings-kapasitet uten vesentlig strekkfordreining eller forlengelse og som kan fremstilles med et vilkårlig antall trådlag.

Hovedideen med oppfinnelsen er at strekkfastheten og bruddforlengelsen også må tas i betraktning, for å bestemme helningsvinklene, og med dette kan det oppnås slanger med tilstrekkelig fasthetsutnyttelse, små deformasjoner og stor bøye-fleksibilitet.

Ifølge oppfinnelsen tilfredsstiller trådlagene som forsterker slangene følgende ligning:

hvor

indeks b angir lagene av tråd anordnet med venstregjenger, indeks j angir trådlagene anordnet med høyregjenger,

r^og r_j er trådlagenes middelradius,

N, og N_jer antallet av tråder i hvert trådlag,

F, og Fjer strekkfastheten for trådene,

1 er antall trådlag med venstrehelning,

m er antall trådlag med høyrehelning,

oc £ og oc_. er de respektive trådlags vinkel med slangeaksen.

Det særegne i denne løsning er at ved oppfyllelsen av kriteriet gitt av ligningen ovenfor, når trådlagene bruddforlengelsen ved den samme verdi av det indre trykk, og forholdet mellom dreiemomentet mot høyre og dreiemomentet mot venstre er omtrent likt.

Dersom trådlagene bare inneholder en type tråd med den samme strekkfasthet i alle lag, kan ligningen som må til-fredsstilles være enklere:

hvor symbolenes mening er de samme som gitt for ligning (I).

I den er det data som lett kan kontrolleres ved analyse.

I en av de foretrukne utførelsesformer i denne oppfinnelse er den følgende ligning også tilfredsstillet av trådlagene i slangen:

Med denne er også slangens aksiale deformasjon redu-sert. Symbolenes mening i ligning (III) er som følger:

n er antallet av trådlag, n = 1 + m,

X er den arimetiske middelverdi for verdiene

hvor

J, er den relative lengde av trådlagene ved deres

brudd,

I en annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kan det tilveiebringes ringer som er stivere enn trådene i trådlagene eller en spiral med liten skruevinkel i slangen for ytterligere å forsterke den.

Det er foretatt undersøkelser som har vist at de-formasjonene i slangen såvel som i lagene kan tas i betraktning. På grunnlag er det funnet at trådlagenes vinkel med slange aksen bør forbli i et 4° område rundt vinklene gitt av den føl-gende ligning:

Verdien av parametrene x og y er gitt av de følg-ende ligninger:

I parametrene A, og B^., rommes parametrene x og y implisitt:

Dersom ligning (IV) er tilfredsstillet, så er slangen fri fra enhver vridningsavvikelse, og dersom ligning (V)

er oppfylt vil slangen ikke forandre sin lengde ved virkning fra det indre trykk. Dersom disse to betingelser tilfredsstil-les samtidig, sikres et perfekt samvirke og en innbyrdes støtte mellom de to trådlag. Selv om forskjellen mellom vinklene gitt av ligning (VI) og trådlagenes virkelige vinkler er mellom 3 og 6°, dvs. at den er større enn 2°, synker sprengtrykket i en bemerkelsesverdig grad.

Symbolene i ligningene (IV - VI) betyr følgende:

r^er middelradiusen for de respektive trådlag,

n er antall trådlag,

x, y er deformasjonsparametre,

f^er forholdet mellom de respektive trådlags overflate dekket av forsterkningstråder og hele overflaten av

det gitte trådlag,

F, er strekkfastheten for de respektive tråder,

d^. er diameteren av de respektive tråder,

i^er kvotienten for middelradiusen av det ytre trådlag i forhold til de respektive trådlag,

\ , er den relative lengde av de respektive tråder ved brudd, Ak = 1 + £k

£^er forlengelsen av de respektive tråder ved brudd,

^^ er vinkelen mellom de respektive trådlag og slangeaksen .

Dersom trådlagene er laget av de samme forsterkningstråder som har de samme kjennetegn, og dersom forholdet mellom trådlagenes overflate dekket av forsterkningstrådene og hele overflaten av det gitte trådlag såvel som avstanden meliom nabotrådlagene er omtrejit det samme, kan trådlagenes vinkel med slangeaksen avgrenses på en enklere måte. Ifølge oppfinnelsen kan den relative avstand mellom nabotrådlag være:

z = A r/r

n

hvor

Ar er avstanden mellom to nærliggende trådlag (avstanden mellom deres middelradius),

rner middelradiusen for det ytre trådlag.

I tilfelle av like forsterkningstråder, £= £^= ^ = Parametre x og y definert av ligningene (IV og V) avhenger

bare av den relative avstand z og av forlengelsen av trådene ved brudd . Med en nøyaktighet som er tilstrekkelig i praksis, kan ifølge oppfinnelsen vinklene mellom trådlagene og slangeaksen gis som følger:

Parametrene i ligningen er gitt i krav 6.

De eksperimentelle undersøkelser med slangen ifølge denne oppfinnelse resulterte i praktiske vinkelområder for trådlagene. I utførelsesformen av slangen med fire trådlag, dersom trådlagene telles fra den aller innerste mot den aller ytterste, er vinkelen mellom det første trådlag og slangeaksen mellom 41 og 54°, for det andre lag mellom 37 og 46°, for det tredje lag mellom 32 og 36° og for det fjerde lag mellom 16 og 31°.

I en annen utførelsesform som har seks trådlag, er vinkelom-rådet for det første lag 43 - 58°, for det andre lag 40 - 52°, for det tredje lag 37 - 45°, for det fjerde lag 33 - 38°, for det femte lag 25 - 32° og for det sjette lag 12 - 27°. I ut-førelses f ormen av slangen i denne oppfinnelse som har åtte trådlag er endelig de nevnte vinkelområder for det første lag 45 - 51°, for det andre lag 43 - 56°, for det tredje lag 40 - 51°, for det fjerde lag 37 - 46°, for det femte lag 34 - 40°, for det sjette lag 29 - 34°, for det sjuende lag 21 - 30° og for det åttende lag 10 - 24°.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 og 2 er sideriss av forskejllige eksempler på slangeoppbygginger ifølge oppfinnelsen, hvor deler av slangeoverdekningene er fjernet fremover for å vise alle komponentene.

Idet det vises til fig. 1 har denne foretrukkede utførelsesform fire forsterkningstrådlag 1, 2, 3 og 4 av hvilke hvert er sammensatt av en mangfoldighet av individuelle forsterkningstråder med høy strekkfasthet anbragt i parallelle skrueformede vindinger omkring slangens lengdeakse 5. Skruene er motgående i ekstreme par av trådlag 1, 2 hhv. 3, 4. I sentrum av slangen ligger et støtterør 6 under det aller innerste trådlag 1, og det ytterste trådlag 4 er igjen omgitt av et omslag 7.

Fig. 2 viser som eksempel en utførelsesform som avviker fra den foregående bare i ett henseende. Mellom støtte-røret 6 og det innerste trådlag 1 er det tilveiebrakt en spiral 8 med forholdsvis liten skruevinkel. Denne spiral 8 har et høyt treghetsmoment, og med dette vil utførelsesformen av slangen i denne oppfinnelse være passende til å motstå kref- tene som kommer fra det indre trykk som prøver å forlenge slangen .

De følgende eksempler tjener til å illustrere det vesentlige med oppfinnelsen ved hjelp av noen praktiske data.

Eksempel 1

I en utførelsesform av slangen ifølge oppfinnelsen som vist på fig. 1, er det fire trådlag 1-4. Innerdiameteren av slangen er 500 mm og tykkelsene av det første og andre trådlag 1 og 2 er 3,6 mm. Strekkfastheten er F1= F2= 18640 N for trådlagene 1 og 2 og F^ = F^= 23050 N for trådlagene 3 og 4. Forlengelsen av trådene ved brudd er for trådlagene 1 og 2

t1= t2= 0,0287 (2,87%) og for trådlag 3 og 4 83= £ = 0,03 (3%). Tykkelsen av trådlagene 3 og 4 er 4,14 mm. Detaljerte oppbyggingsdata er gitt i den følgende tabell I:

Sprengtrykket for denne utførelsesform er 2670 bar. Vinklene av de respektive trådlag 1-4 med slangeaksen 5 tilfredsstiller ligning (I) i krav 1 (verdien er 0,976, dvs. mellom 1,05 og 0,95 som kreves i krav 1) såvel som ligning (III) i krav 3 (verdien er 0,976), og videre også krav 4.

Eksempel 2

Slangen i dette eksempel har en innvendig diameter på 50 mm og seks trådlag, blant hvilke den innerste og den andre har en tykkelse på 3,5 mm, en strekkfasthet Fi = F216700 N og en forlengelse ved brudd f 1 = <?2 = 0/035 (35%).

De ytterligere fire trådlag har en tykkelse på 4,14 mm, en bruddfasthet på F3= F4= F5= Fg = 23050 N, en forlengelse ved brudd £3= £4= £5= 66= 0,03 (3 %). Detaljerte oppbyggingsdata er gitt i den følgende tabell 2:

Sprengtrykket er 3400 bar. Vinklene av de respektive trådlag med slangeaksen tilfredsstiller ligning (I) i krav 1 (verdien er 1,01) og ligning (III) i krav 3 (verdien er 0,997) såvel som ligningene (IV - VI) i krav 4.

Eksempel 3

Her har slangen en invendig diameter på 110 mm og åtte trådlag. De første fire trådlag har en tykkelse på 3,6 mm, en bruddstyrke F. = F^= F^= F. = 18640 N, en forlengelse ved brudd £1= £2= £3= £4= 0,0287 (2,87%) og de ytre fire trådlag har en tykkelse på 4,14 mm, en bruddstyrke F^ =F^ =F^ = Fg = 23050 N, og en forlengelse ved brudd 6^- £g = £7=£g - 0,03 (3%). Detaljerte oppbyggingsdata er gitt i den følgende Tabell 3:

Sprengtrykket er 2850 bar. Vinklene av de respektive trådlag med slangeaksen tilfredsstiller ligning (I) i krav 1 (verdien er 1,01) og ligning (III) i krav 3 (verdien er 1,005) såvel som ligningene (IV) - (VI) i krav 4.

De foregående eksempler viser slanger oppbygget for å ha helningsvinkler med slangeaksen beregnet i samsvar med oppfinnelsen. De har utmerket fasthetsutnyttelse, imidlertid har trådlagene forskjellig fasthet og forlengelse ved brudd.

Det er fordelaktig å gjøre trådlagene som er nærmere slangeaksen av trådlag med fine, tynne elastiske tråder som kan vikles med valgfrie helningsvinkler rundt slangeaksen, også dersom slangen har liten diameter. Det ytre trådlag som er lenger bort fra midtaksen kan lages av tråder med høy fasthet. For dette er en realisering vist i det følgende.

Eksempel 4

Slangen har en innvendig diameter på 63 mm og seks trådlag. Det første og andre lag har en tykkelse på 2,9 mm,

bruddfasthet Fi = F2= ^500 N°9en bruddforlengelse = ^ 2 = 0,031 (3,1%). Det karakteristiske for de ytre fire trådlag er: tykkelse 3,6 mm, bruddfasthet 18600 N og forlengelse ved brudd 0,0287 (2,87%). Detaljerte data tilhørende denne utførelses-form er gitt i tabell 4:

Også med denne utførelsesform kan et sprengtrykk på 2500 bar realiseres. Oppbyggingsdataene som gitt ovenfor tilfredsstiller også ligningene (IV) til (VI) i krav 4.

Claims

1. Fleksibel slange forsterket av trådlag, hvor det er tilveiebragt minst to trådlag og trådene i hvert trådlag er anbragt i skrueformede vindinger omkring slangens lengdeakse, KARAKTERISERT VED at trådlagene tilfredsstiller ligningen:

hvor indeks b angir lagene av tråd anordnet med venstregjenger, indeks j angir trådlagene anordnet med høyregjenger, r^ og r_j er trådlagenes middelradius, Nb og Nj er antallet av tråder i hvert trådlag, Ftø og Fj er strekkfastheten for trådene, og cx., er de respektive trådlags vinkel med slangeaksen,

1 er antall trådlag med venstregjenger, m er antall trådlag med høyregjenger.

2. Fleksibel slange ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at alle trådlag er sammensatt av de samme tråder og trådlagene tilfredsstiller den følgende ligning:

hvor symbolene betyr det samme som i ligning (I) i krav 1.

3. Fleksibel slange ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at trådlagene også tilfredsstiller den følgende ligning:

hvor

er antallet av trådlag, n = 1 + M, er den erimetiske middelverdi for verdiene

hvor A^ er den relative lengde av trådlagene ved deres brudd ( A^ = 1 + f^ ).

4. Fleksibel slange ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at den også omfatter ringer som er stivere enn trådene i trådlagene eller en spiral med en liten skruevinkel.

5. Fleksibel slange ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at trådlagene tilfredsstiller de følgende ligninger:

og trådlagenes vinkler med slangeaksen avviker maksimalt med 2° fra vinklene definert av den følgende ligning:

* hvor r^ er middelradiusen for de respektive trådlag, n, er antall trådlag, x, y er deformasjonsparametre, fk er forholdet mellom overflaten av trådlaget dekket av trådene og hele trådlagets overflate for de respektive trådlag, F^. er strekkf astheten for tråden i de respektive trådlag, d^. er diameteren av de respektive tråder, i^. er kvotienten av middelverdien av det ytre lag og middelverdien for de respektive trådlag, er den relative lengde av de respektive tråder ved brudd, X k = 1 + £k £ k er forlengelsen av trådene ved brudd,o<k er vinkelen mellom hvert trådlag og slangeaksen,

>

6. Fleksibel slange ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at den inneholder minst to og maksimalt åtte trådlag og trådlagene er laget av de samme forsterkningstråder med de samme egen-skaper, og forholdet mellom trådlagenes overflate dekket av forsterkningstråder og hele trådlagets overflate såvel som av-• standen mellom nabotrådlag er omtrent konstant, og vinklene mellom trådlagene avviker maksimalt 2° fra vinklene gitt av den følgende ligning:

hvor, i tilfelle med to trådlag:

med fire trådlag,

med seks trådlag,

med åtte trådlag,

og z = r/ r^, hvor £± r er differansen mellom middelradiusen for nabotrådlag og rn er middelradiusen for det ytre trådlag .

7. Fleksibel slange ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den omfatter fire trådlag, og vinkelen mellom det innerste trådlag og slangeaksen er mellom 41 og 54°, den for det neste, dvs. andre trådlag, er mellom 37 og 46°, den for det neste, dvs. tredje trådlag er mellom 32 og 36° og det ytterste, dvs. fjerde trådlag, er mellom 16 og 31°.

8. Fleksibel slange ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den omfatter seks trådlag, og vinkelen mellom det innerste trådlag og slangeaksen er mellom 43 og 58°, den for det neste, dvs. andre trådlag er mellom 40 og 52°, den for det neste, dvs. tredje trådlag, er mellom 37 og 45°, den for det neste, dvs. fjerde trådlag er mellom 33 og 38°, den for det neste, dvs. femte trådlag, er mellom 25 og 32° og den for det ytterste, dvs. sjette trådlag er mellom 12 og 27°.

9. Fleksibel slange ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den omfatter åtte trådlag, og vinkelen mellom det innerste trådlag og slangeaksen er mellom 45 og 61°, den for det neste, dvs. andre trådlag, er mellom 43 og 56°, den for det neste, dvs. tredje trådlag, er mellom 40 og 51°, den for det neste, dvs. fjerde trådlag, er mellom 37 og 46°, den for det femte trådlag er mellom 34 og 40°, den for det neste, dvs. sjette trådlag, er mellom 29 og 34°, den for det neste, dvs. syvende trådlag, er mellom 21 og 30° og den for det ytterste, dvs. åttende trådlag, er mellom 10 og 24°.