Stahlrohr mit Wärmeisolierung für Tiefseerohrleitungen und Verfahren zu seiner Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Stahlrohr mit einer Wärmeisolierung für Tiefseerohrleitungen und ein Verfahrens zur dessen Herstellung.
im Zuge der Verlagerung der Tätigkeiten der Offshore-Industrie in größere Wassertiefen (über 1500 m Tiefe) und mit zunehmender Bedeutung von langen
Rohrleitungen in diesen Wassertiefen sind die Anforderungen an die thermische Isolierung der hierfür eingesetzten Stahlrohre erheblich gestiegen. Es müssen nicht nur erhebliche Anforderungen hinsichtlich der thermischen Eigenschaften dieser Isolierungen erfüllt werden, sondern es muß auch den starken mechanischen Beanspruchungen durch den Wasserdruck in diesen Tiefen entsprochen werden.
Übliche thermische Isolierungen auf der Basis geschäumter Kunststoffe (z.B. Polypropylen) reichen hierzu nicht aus. Durch die infolge des Wasserdrucks eintretenden Kompressionsvorgänge verändert sich die Schaumstoffstruktur in unzulässiger Weise.
Bis zu einem gewissen Maß kann man diesen negativen Erscheinungen dadurch entgegentreten, daß man den für die Beschichtung verwendeten Kunststoff weniger stark schäumt, so daß dieser eine höhere Dichte behält. Das verbessert zwar die mechanischen Eigenschaften, verschlechtert aber gleichzeitig die Fähigkeit zur thermischen Isolierung. Daher ist es notwendig, zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeisolierung die jeweiligen Schichtdicken der Isolierung entsprechend zu vergrößern. Das wiederum erhöht selbstverständlich die Kosten der Wärmeisolierschicht beträchtlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Stahlrohr mit einer Wärmeisolierung vorzuschlagen, das für die Verlegung in Tiefseegebieten, insbesondere für Wassertiefen von über 1500 m, geeignet ist Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlrohrs vorgeschlagen werden
Erfindungsgemaß weist das warmeisolierte Stahlrohr dessen Wanddicke auf den statischen Druck einer Tiefseeverlegung ausgelegt ist, anstelle der bisher üblichen Schicht aus einem geschäumten Kunststoff eine Schicht aus einem Aluminiumschaum auf, die das Stahlrohr in gleichmaßiger Dicke außen vollständig umgibt und eine für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichende Dicke für die gewünschte thermische
Isolierung besitzt Typischerweise liegt die Dicke der Schicht bei mindestens 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 20 - 60 mm Sie kann aber auch deutlich darüber liegen beispielsweise bei 80 - 100 mm Eine solche Schicht aus Aluminiumschaum weist ebenfalls sehr gute Werte hinsichtlich der thermischen Isolierung auf, besitzt aber im Vergleich zu einem Kunststoffschaum eine deutlich bessere mechanische Stabilität, die dem Wasserdruck auch in größeren Wassertiefen widerstehen kann Die mechanische Stabilität ist umso großer, je feiner die Poren des Aluminiumsschaums sind und je hoher die Dichte des Schaums ist Allerdings wird bei einer höheren Schaumdichte die Warmisolationseigenschaft des Aluminiumschaums verringert Eine zweckmäßige mittlere Porengroße liegt im Bereich von etwa 0,03 - 4 mm, insbesondere im Bereich 0,3 - 2 mm Die Dichte des Aluminiumschaums betragt zweckmäßig etwa 10 - 60 % der Dichte des dem verwendeten Material entsprechenden Al-Vollmateπals Soweit der Aluminiumschaum eine offenporige Struktur aufweist, muß dafür Sorge getragen werden, daß seine äußere Oberflache dicht verschlossen ist Dies kann beispielsweise durch Aufbringung einer vorzugsweise thermoplastischen äußeren Schutzschicht erfolgen, die in je nach Anwendungsfall unterschiedlicher Dicke aufgetragen wird Dadurch wird verhindert, daß Wasser in die Poren des Aluminiumschaums eindringt und die thermische Isolierung entsprechend verschlechtert Eine solche zusätzliche Kunststoffisoherung hat darüber hinaus die Aufgabe, daß die Aluminiumschicht vor einer unzulässigen Verformung durch äußere
Stoßeinwirkung zu schützen Ein besonderer Vorteil der Auminiumschaumschicht besteht dann, daß diese Schicht metallisch ist und daher eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt Diese ermöglicht es auf besonders einfache Weise, eine Rohrleitung aus den erfindungsgemaßen warmeisolierten Stahlrohren mit einem kathodischen Schutz zu versehen
Die Wanddicke des Stahlrohrs selbst muss auf den in großen Wassertiefeπ herrschenden statischen Druck ausgelegt sein, damit das Stahlrohr nicht kollabiert Diese Wanddicke muss, wie der Fachmann weiß umso großer sein je großer der Durchmesser ist Zweckmaßigerweise betragt der Durchmesser (Nenndurchmesser) mindestens 100 mm und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 200 - 600 mm Die Wanddicke sollte zweckmäßig mindestens 8 mm insbesondere mindestens 12 mm betragen und hegt typischerweise im Bereich von etwa 15 - 50 mm
Anhand der in den beiden Figuren dargestellten schematischen Abbildungen wird die
Erfindung nachfolgend naher erläutert Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemaßes Stahlrohr wahrend Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemaßen Verfahrens wiedergibt
In der Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemaßes Rohr dargestellt Das Stahlrohr ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet Um dieses Stahlrohr herum ist die Warmeisolationsschicht 2 gelegt, die aus geschäumtem Aluminium besteht und eine erheblich größere Dicke aufweist als die Dicke des Stahlrohres 1 Die Wanddicke des Stahlrohrs 1 betragt beispielsweise bei einem Rohrdurchmesser von 324 mm etwa 16 mm, wahrend die Schicht aus AI-Schaum z B
60 mm dick ist Als äußerste Schicht ist eine aus thermoplastischem Kunststoff (z B Polyproplyen) bestehende mechanische Schutzschicht 3 von beispielsweise 8 mm Dicke um das Rohr gelegt und hüllt die Warmeisolationsschicht 2 vollständig ein Die Dicke der Kunststoffisoherung hegt im Allgemeinen bei mindestens 2 mm und vorzugsweise im Bereich von 5 - 80 mm Eine solche zusätzliche Kunststoffisoherung erhöht vorteilhafterweise den Warmeisolationswert, da Kunststoffe im Regelfall sehr schlechte Wärmeleiter sind
Das erfindungsgemaße Verfahren zur Herstellung warmeisoherter Stahlrohre für Tiefseeanwendungen laßt sich an dem Schema in Figur 2 erläutern Ausgangspunkt ist ein in üblicher Weise auf nahtlosem Wege oder durch Schweißen hergestelltes Stahlrohr Dieses Stahlrohr wird nach Reinigung seiner Oberflache bei der diese metallisch blank wird, mit einer Schicht aus einem geschäumten Aluminium überzogen Die Auftragung des Aluminiumschaums kann beispielsweise durch einen Extrusionsprozeß erfolgen Zur Verschließung etwaiger nach außen offener Poren des
Aluminiumschaums sowie zur Gewährleistung eines äußeren mechanischen Schutzes für die Aluminiumschaumschicht empfiehlt es sich anschließend auf den erkalteten Aluminiumschaum in an sich bekannter Weise eine Schicht aus einem vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff (z B Polyethylen oder Polypropylen) aufzutragen Nach Abkühlung der mechanischen Schutzschicht erhalt man ein thermisch isoliertes
Stahlrohr, das gegen mechanische Beschädigungen durch Stoße geschützt ist und dem statischem Druck in großen Wassertiefen ohne wesentliche Verformung standhalt
Die Herstellung der Aluminiumschaumschicht kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen, etwa durch das bereits erwähnte Extrudieren Aus der DE 40 18 360 C1 ist hierzu ein Verfahren bekannt, bei dem als Einsatzmateπal ein Gemisch aus Aluminiumpulver und einem ebenfalls pulverformigen Treibmittel (z B Titanhydrid) in eine Strangpresse eingesetzt und mit gleichmäßiger Wanddicke zu einem Halbzeug extrudiert wird Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, das Halbzeug in Form von Rohrhalbschalen zu extrudieren Der Begriff Halbschalen wird im folgenden stellvertretend benutzt für beliebig große Schalenelemente, die zur vollständigen Abdeckung einer Rohroberflache über deren Umfang zusammengesetzt werden können Auch in axialer Richtung kann eine Aufteilung auf mehrere Stucke solcher "Halbschalen" erfolgen Bei der Extrusion der Halbschalen wird das Treibmittel noch nicht zersetzt Die Halbschalen werden dann um das zu isolierende Stahlrohr gelegt und anschließend unter koaxialer Ausrichtung von einer äußeren Form eingeschlossen, die eine Beheizung der Halbschalen auf eine Temperatur ermöglicht bei der das Aluminium in den flussigen Zustand übergeht und das Treibmittel sich zu einem Gas zersetzt und das Aluminium aufschäumt Durch Abkühlung erstarrt der
Aluminiumschaum zu einer festen Struktur
Der Begriff Aluminium ist im Rahmen der Erfindung nicht beschrankt auf reines Aluminium, sondern schließt beliebige Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Magnesiumlegierungen ein
Eine alternative Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, das Stahlrohr unmittelbar mit extrudiertem Aluminiumschaum zu umhüllen Dieser Schaum kann dadurch erzeugt werden, dass in eine Alummiumschmelze in feinteihger und gleichmaßig verteilter Form ein Treibmittel gegeben wird, das sich unter der Warmeinwirkung der Schmelze
zersetzt, wie dies im Grundsatz etwa aus der WO 91/01387 bekannt ist Der Schaum kann beispielsweise, wie dies auch bei der Kunststoffummantelung von Stahlrohren bekannt ist, durch eine Ringschhtzduse schlauchformig oder auch durch eine Breitschhtzduse nach dem "Wickeiverfahren" auf die Stahlrohroberflache aufgebracht und dann abgekühlt werden
Bei einem anderen Verfahrensweg der Erfindung wird ein Gemisch aus Aluminium und pulverformigem Treibmittel durch ein thermisches Spritz verfahren z B Plasma- oder Flammspritzen, vorzugsweise Hochgeschwindigkeitsflammspπtzen auf die Stahlrohroberflache in gleichmäßiger Schichtdicke auftragen Ein solches Verfahren zur Beschichtung beliebiger Substrate mit Aluminiumschaum ist aus der DE 195 01 659 C1 bekannt Dabei wird ein sehr feinteiliges Metallpulver von 5 - 80 μm Korngroße eingesetzt, dem bis zu 5 Gew -% Treibmittel zugesetzt werden Das Treibmittel hat vorzugsweise eine mittlere Teilchengroße von 50 - 150 μm, weist also ein größeres Korn als das Mateallpulver auf Dadurch wird sichergestellt, dass das
Treibmittel wahrend der sehr kurzen Zeit des Aufspritzens auf die Stahlrohroberflache noch nicht zersetzt, sondern in die erstarrende Matrix der kurzzeitig verflüssigten Aluminiumteilchen eingeschlossen wird Durch anschließendes Erwarmen der Beschichtung wird wiederum eine Verflüssigung und somit ein Aufschäumen der Aluminiumschicht bewirkt Die Erwärmung kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen, kann aber auch durch eine das Rohr umschließende Heizform oder auch durch die Flamme eines Schweißbrenners oder einen anderen Heißgasstrom aufgebracht werden
Als Treibmittel können vielfaltige Stoffe eingesetzt werden Bedingung dabei ist es lediglich, dass sie sich bei Schmelztemperatur des Aluminiums zersetzen In an sich bekannter Weise eignen sich außer dem bereits erwähnten Titanhydrid auch andere Metallhydride, -carbonate, -sulfate, -sulfide, -oxide, -nitride oder -azide Weiterhin können entsprechend zersetzbare organische oder metallorganische Verbindungen sowie Salze organischer Sauren in Frage kommen
Die nachtragliche Erwärmung zum Aufschäumen der Aluminiumbeschichtung erfolgt zweckmäßig auf eine Temperatur die höchstens bis zu etwa 100°C über der Liquidustemperatur des eingesetzten Aluminiums hegt Vorzugsweise wird die Temperatur auf maximal 50°C oberhalb der Liquidustemperatur begrenzt Durch eine
höhere Temperatur und eine längere Einwirkungsdauer der Warme kann tendenziell eine stärkere Aufschaumung bewirkt werden Auf diese Weise lasst sich die Ausbildung der geschäumten Isolierschicht in ihrer Struktur beeinflussen
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, eine
Schaumstruktur zu erzeugen, bei der die Schaumstruktur in radialer Richtung veränderlich ausgebildet ist, d h unterschiedlich große Poren vorgesehen sind Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass nacheinander mehrere Schichten aufgebracht und einzeln aufgeschäumt werden Vorzugsweise wird die Schicht mit den größeren Poren und somit dem höheren Isolationswert nahe an der Rohroberflache angeordnet, wahrend Schaumschichten mit kleinerer Porengroße und somit schlechterem Isolationswert aber deutlich größerer mechanischer Stabilität außen angeordnet werden Dabei nimmt also die mittlere Porengroße zur Rohroberflache hin zu Die äußerste Schicht kann hierbei auch aus einer massiven Aluminiumhaut bestehen, die als Schutzschicht fungieren und etwaige offene Poren im
Oberflachenbereich der Umhüllung dicht verschließen kann
Die erfindungsgemaßen Rohre sind hinsichtlich der mechanischen Stabilität der Umhüllung zweckmäßig auf eine Verlegetiefe von mindestens 2000 m, vorzugsweise von mindestens 3000 m ausgelegt Da diese Art der Wärmeisolierung im Hinblick auf den einwirkenden Wasserdruck eine wesentliche eigenständige Tragfunktion erfüllt, ergibt sich hieraus ein erheblicher Vorteil für die Formstabilitat des Tiefseerohres (höhere Sicherheit gegen Kollabieren), der sich in einer möglichen Verringerung der erforderlichen Wanddicke für das eigentliche Stahlrohr niederschlagen kann Durch die Ummantelung mit Aluminiumschaum wird das Gemisch des Stahlrohres nur relativ wenig erhöht Wie bereits vorstehend erwähnt können statt reinem Aluminium auch Aluminiumlegierungen für die Herstellung erfindungsgemaßer Leitungsrohre verwendet werden Diese sind im Allgemeinen sogar zu bevorzugen, da sie nicht nur eine geringere thermische Leitfähigkeit, also einen höheren Isolationswert aufweisen, sondern auch bessere Fertigkeitseigenschaften bieten Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise die Legierungen AIMg5 und AICuNi