DE68902550T2

DE68902550T2 - Verbundrohr aus schichten verschiedener elastizitaetsmodule.

Info

Publication number: DE68902550T2
Application number: DE8989400545T
Authority: DE
Inventors: Marcel Auberon; Jacques Behar; Pierre Odru; Charles Sparks
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1993-01-07
Anticipated expiration: 2009-03-01
Also published as: DK99689D0; GR3005534T3; EP0331571A1; ES2035588T3; FR2628177B1; DK99689A; CA1337901C; US5499661A; NO890848D0; NO177200C; NO890848L; FR2628177A1; IN171460B; NO177200B; EP0331571B1; JP2722237B2; DE68902550D1; JPH0242292A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Rohrstruktur aus einem Verbundmaterial,das gegen hohe Drucke beständig ist. Die erfindungsgemäßen Rohre haben im Vergleich zu den Rohren des Standes der Technik entweder eine geringere Dicke und ein geringeres Gewicht bei gleichem Betriebs- bzw. Arbeitsdruck oder es ist ein höherer Druck zulässig bei gleicher Dicke.
Die Erfindung schlägt außerdem Beispiele für wirtschaftlich optimierte Rohre vor.
Unter einem Verbundmaterial ist ein Material zu verstehen, das besteht aus parallelen Fasern, wie Glasfasern vom Typ E oder R, Kohlefasern, Aramidfasern vom Typ Kevlar 29 oder Kevlar 49 (eingetragene Warenzeichen der Firma Dupont de Nemours), die in einer Matrix aus beispielsweise einem thermoplastischen oder wärmehärtbaren Material, wie einem Epoxyharz, eingebettet sind. Diese Matrix haftet an den Fasern.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Herstellung von Rohren für den Transport oder die Lagerung bzw. Speicherung von Fluids bzw. Flüssigkeiten unter Druck, wie Wasser oder Kohlenwasserstoffe.
Die erfindungsgemäßen Rohre sind insbesondere geeignet für die Verwendung bei der Suche nach und der Förderung von Erdöl im Meer, beispielsweise als Sicherheitsleitungen der aufsteigenden oder absteigenden Kolonnen (Stützen), die den Boden des Meeres mit einem Träger an der Oberfläche, beispielsweise einer Bohr- oder Förder-Plattform, oder auch einer Boje unterhalb der Oberfläche verbinden. Diese Kolonnen bzw. Stützen werden häufig mit ihrer englischen Bezeichnung "Riser" bezeichnet.
Im vorliegenden Text versteht man unter einem Monoschicht- Verbund eine Anordnung von nebeneinanderliegenden und gegebenenfalls übereinanderliegenden untereinander parallelen Fasern, die in einer Matrix eingebettet sind. Im Falle eines Rohres ist dieses mit diesen Fasern unter einem gleichen Winkel in bezug auf die Achse des Rohres umwickelt.
Unter einer Verbund-Schicht ist entweder eine Monoschicht oder eine Schicht von nebeneinanderliegenden und gegebenenfalls übereinanderliegenden Fasern, die zwei symmetrischen Richtungen in bezug auf eine Achse folgen, zu verstehen, wobei diese Fasern in eine Matrix eingebettet sind. Im Falle eines Rohres ist dieses mit den Fasern unter zwei entgegengesetzten Winkeln in bezug auf die Achse des Rohres umwickelt.
Unter einer äquilibrierten Verbundschicht versteht man eine Schicht, die Fasern enthält, die in zwei Richtungen angeordnet sind mit einer gleichmäßigen Verteilung der Fasern in diesen beiden Richtungen.
Die Matrix haftet an den Fasern. Wenn ein Rohr aus mehreren Verbundschichten besteht, bildet die Matrix ein kontinuierliches Milieu über diese Fasern hinweg, an denen sie haftet, und macht so das Rohr starr. Nachstehend bezeichnet der Ausdruck Schicht, wenn nichts anderes angegeben ist, implizit eine Verbundschicht.
Die Erfindung besteht insbesondere darin, bei einem Ausgangsrohr im wesentlichen dessen Umfang zu umwickeln mit einem Verbundmaterial, das einen höheren Umfangs-Elastizitätsmodul aufweist als die inneren Schichten, die im wesentlichen um den Umfang herumgewickelt sind und gegen Druck beständig sind.
Aus dem Dokument US 4 273 160 ist bereits ein Schlauch bekannt, der geflochtene Schichten aus Materialien mit einem von den inneren Schichten zu den äußeren Schichten hin zunehmenden Elastizitätsmodul aufweist. Dieses Rohr ist aber flexibel und die Schichten sind sowohl gegenüber Druck als auch gegenüber Zug beständig. In dem Dokument DE-30 08 808 ist ebenfalls ein weiches Rohr beschrieben.
Unter dem Umfangs-Elastizitätsmodul einer auf ein Rohr aufgewickelten Verbundschicht ist der Elastizitätsmodul (oder Young-Modul) In einer tangentialen Richtung an die betrachtete Schicht zu verstehen, wobei diese Tangente in einer Ebene senkrecht zur Achse des Rohres liegt.
Die Verbundrohre umfassen allgemein übereinanderliegende Faserschichten. Wie bereits gesagt, sind in jeder Schicht diese Fasern unter gleichen oder symmetrischen Winkeln, bezogen auf die Achse des Rohres, angeordnet und sie sind in eine Matrix eingebettet. Diese Matrix haftet an den Fasern der verschiedenen Schichten.
Aus den Patenten US-A-3 107 698, 3 579 402, 4 515 737 und EP-0 244 048 sind insbesondere starre Rohre aus einem Verbundmaterial bekannt, die Schichten aus Verstärkungsfasern gegen einen Innendruck aufweisen, die in eine Matrix eingebettet sind und unter Winkeln von mehr als 70º in bezug auf die Längsachse herumgewickelt sind. Diese Rohre weisen jedoch keine optimierten Schichten gegenüber dem Innendruck der vorliegenden Erfindung auf.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich auf Rohre, deren Schichten, die lediglich, sogar vollständig, gegen Zug beständig sind, verschieden sind von denjenigen, die im wesentlichen, sogar vollständig, gegen Druck beständig sind. Die Matrix, welche die Fasern der verschiedenen Schichten umhüllt, bildet dennoch ein kontinuierliches Milieu über diese Fasern hinweg. Die gegen Zug beständigen Schichten enthalten Fasern, die unter einem oder mehreren kleinen Winkeln, bezogen auf die Achse des Rohres, um dieses herumgewickelt sind. Desgleichen enthalten die Schichten, die gegen Druck beständig sind, Fasern, die unter größeren Winkeln, bezogen auf die Achse des Rohres, um dieses herumgewickelt sind.
Der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nicht verlassen, wenn anstelle des Rohres, das eine äußere Umfangsschicht aufweist, deren Umfangs-Elastizitätsmodul höher ist als derjenige einer inneren Schicht, eine gegen Druck beständige Umhüllung bzw. ein Behälter aus einem Verbundmaterial, z.B. ein Vorratsbehältern hergestellt wird, der eine äußere Umfangsschicht aufweist, deren Umfangs-Elastizitätsmodul höher ist als derjenige einer inneren Schicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein starres Rohr aus einem Verbundmaterial vorgeschlagen, das gegen einen Innendruck beständig ist und mindestens zwei Schichten aus Druckverstärkungsfasern oder Schichten, die gegen Druck beständig sind, aufweist, die unter einem Winkel herumgewickelt sind, der in seinem Absolutwert mindestens gleich 70º ist, bezogen auf die Achse des Rohres, wobei die beiden Schichten beide unter der Einwirkung des Druckes eine radiale Dilatation aufweisen können. Dieses Rohr ist insbesondere dadurch charakterisiert, daß der Umfangs-Elastizitätsmodul der von der Achse des Rohres am weitesten entfernten Schicht oder äußeren Schicht höher ist als der Umfangs-Elastizitätsinodul der Schicht, die der Achse des Rohres am nächsten liegt, oder inneren Schicht.
Wenn das Rohr eine druckbeständige Zwischenschicht (mittlere Schicht) zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht aufweist, kann der Umfangs-Elastizitätsmodul der mittleren Schicht (Zwischenschicht) zwischen den Umfangs-Elastizitätsmodulen der inneren Schicht und der äußeren Schicht liegen oder gleich diesen sein.
Vorzugsweise kann keine gegen Innendruck beständige mittlere Verbundschicht, die unterhalb einer anderen gegen Innendruck beständigen mittleren Schicht liegt, einen Umfangs-Elastizitätsmodul aufweisen, der höher ist als derjenige der genannten anderen mittleren Schicht.
Der Winkel der Druckverstärkungsschichten kann mindestens gleich 80º oder besser mindestens gleich 85º sein. Der Winkel dieser Schichten liegt vorzugsweise in der Nähe von 90º.
Die innere druckbeständige Schicht kann Verstärkungsfasern enthalten, deren Longitudinal-Young-Modul in der Nähe von 80 000 MPa liegt, wie Glasfasern, und die druckbeständige äußere Schicht kann Verstärkungsfasern enthalten, deren Longitudinal-Young-Modul in der Nähe von 140 000 MPa liegt, wie Fasern aus Kevlar 49, und das Dickenverhältnis zwischen der inneren druckbeständigen Schicht und der äußeren druckbeständigen Schicht kann zwischen 0,20 und 0,50 oder sogar 0,60 liegen.
Die innere druckbeständige Schicht kann Verstärkungsfasern enthalten, deren Longitudinal-Young-Modul in der Nähe von 140 000 MPa liegt, wie Fasern aus Kevlar 49, und die äußere druckbeständige Schicht kann Verstärkungsfasern enthalten, deren Longitudinal-Young-Modul im wesentlichen zwischen 200 000 und 300 000 MPa liegt, wie Kohlefasern, und das Dickenverhältnis zwischen der inneren druckbeständigen Schicht und der äußeren druckbeständigen Schicht kann in dem Intervall von 0,15 bis 0,30 liegen.
Das Rohr kann mindestens eine gegen Zug beständige Verstärkungsschicht aufweisen.
Die Fasern der äußeren druckbeständigen Schicht können auf Zug vorgespannt sein in Abwesenheit eines Druckes im Innern des Rohres.
Das Rohr kann auch mindestens zwei Schichten aus gegen Zug beständigen Verstärkungsfasern, die über die Dicke des Rohres verteilt sind, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Rohr kann zur Herstellung von Rohren verwendet werden, deren Berst-Druck in der Nähe oder oberhalb von 100 MPa liegt, die zum Transport oder zur Lagerung (Speicherung) eines Fluids dienen.
Die Erfindung ist besser verständlich und ihre Vorteile ergeben sich klar aus der Lektüre der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, von denen eines in der beiliegenden Figur dargestellt ist, die ein Rohr aus einem Verbundmaterial zeigt, auf das sich die Erfindung bezieht.
Die Bezugsziffer 1 bezeichnet die innere Umhüllung des Rohres. Diese dichte Umhüllung kann aus einem elastomeren Material, aus einem thermoplastischen Material oder aus einem wärmehärtbaren Material, wie BUNA, RILSAN (das sind jeweils eingetragene Warenzeichen der Firma HOECHST bzw. ATO CHEM) bestehen.
Diese Umhüllung kann auch aus Aluminium, Ketan oder Stahl bestehen. Da der Elastizitätsmodul dieser Materialien im allgemeinen höher ist als derjenige der gegen Innendruck beständigen Schichten bedeutet dies, daß diese Typen von Umhüllungen plastischen Verformungen unterliegen.
Auf die innere Umhüllung 1 sind mehrere Schichten 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 aus Verbundmaterialien aufgewickelt. Die innere Schicht 2 wird vorzugsweise hergestellt aus unter einem Winkel mit einem Absolutwert in der Nähe von 90º, bezogen auf die Achse des Rohres, herumgewickelten Fasern in der Weise, daß diese innere Schicht 2 im wesentlichen die Druckspannungen als Folge des im Innern des Rohres herrschenden Druckes aufnimmt.
Die Schicht 3, die im wesentlichen die Zugbelastungen aufnimmt, die entlang der Achse des Rohres ausgeübt werden, enthält Fasern, die unter kleinen Winkeln in bezug auf die Achse des Rohres, z.B. unter Winkeln zwischen 0 und 35º, beispielsweise von 20º, aufgewickelt sind. Die Schicht 4 ist eine zweite druckbeständige innere Schicht und sie wird hergestellt wie die Schicht 2 mit dem gleichen Verbundmaterial, wobei die Fasern wie für die innere Schicht 2 unter dem gleichen Winkel in bezug auf die Achse des Rohres aufgewickelt werden. Diese Schicht 4 weist daher den gleichen Umfangs-Elastizitätsmodul wie die Schicht 2 auf. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nicht verlassen, wenn die Schicht 4 einen Umfangs-Elastizitätsmodul hat, der höher ist als derjenige der Schicht 2, jedoch niedriger ist oder gleich ist demjenigen der Schichten, die weiter außen liegen und gegen Innendruck beständig sind.
Die Schicht 5 ist wie die Schicht 3 eine Schicht, die beständig ist gegenüber den Zugbelastungen, die auf das Rohr ausgeübt werden.
Die druckbeständige mittlere Schicht (Zwischenschicht) 6 enthält Verstärkungsfasern, die unter einem Winkel in der Nähe von 90º, bezogen auf die Achse des Rohres, aufgewickelt sind. Diese mittlere Schicht 6 kann hergestellt werden aus einem Verbundmaterial, das verschieden ist von demjenigen, das für die Schichten 2 und 4 verwendet wird. Dieser Unterschied in bezug auf das Verbundmaterial kann erhalten werden beispielsweise dadurch, daß man die jeweiligen Mengenverhältnisse an Matrix und an Fasern ändert oder daß man die Art der Fasern ändert oder auch dadurch, daß man die Art der Matrix ändert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch wichtig, daß der Umfangs-Elastizitätsmodul dieser Schicht 6 mindestens gleich demjenigen der druckbeständigen Schichten ist, die weiter innen liegen, und höchstens gleich demjenigen der druckbeständigen Schichten ist, die weiter außen liegen.
Die Schicht 7 ist wie die Schichten 3 und 5 geeignet, die auf das Rohr ausgeübten Zugbelastungen aufzunehmen.
Die äußere Schicht 8 wird hergestellt aus beständigen Fasern, die unter einem Winkel mit einem absoluten Wert in der Nähe von 90º, bezogen auf die Achse des Rohres, aufgewickelt werden in der Weise, daß sie die Belastungen durch den Innendruck des Rohres aufnehmen. Diese äußere Schicht 8 wird hergestellt aus einem Verbundmaterial mit einem Umfangs-Elastizitätsmodul, der höher ist als derjenige der druckbeständigen Schichten, die weiter innen liegen.
Die Zwischenschicht 6 kann einen Umfangs-Elastizitätsmodul haben, der gleich demjenigen der Schicht 4 ist oder der zwischen denjenigen der Schichten 4 und 8 liegt.
Die Erfindung wird durch die Lektüre des folgenden Beispiels besser verständlich.
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines Rohres mit einem Betriebs- bzw. Arbeitsdruck zwischen 50 und 100 MPa mit einem Sicherheitskoeffizienten von 2, der ihm einen theoretischen maximalen Berstdruck in der Größenordnung von 200 MPa verleiht. Die Wand dieses Rohres umfaßt:
- 5 Schichten aus Faser-Harz-Verbundmaterialien, die unter einem kleinen Winkel in bezug auf die Achse des Rohres aufgewickelt sind und die Zugbeanspruchungen aufnehmen. Diese Verbundmaterialschichten sind verhältnismäßig homogen im Innern der Wand verteilt;
- eine Schicht aus Glasfaser-Harz-Verbundmaterialien mit einem Aufwickelungswinkel in der Nähe von 90º, bezogen auf die Achse des Rohres, die innen auf dem Rohr angeordnet ist;
- eine Schicht aus Kevlarfasern-Harz-Verbundmaterialien mit einem Aufwickelungswinkel in der Nähe von 90º, bezogen auf die Achse des Rohres, die weiter außen als die Glasfasern angeordnet ist.
Ein solches Rohr kann beispielsweise einen Innenradius von 5,3 cm und einen Außenradius von 7,3 cm haben (Verhältnis Dicke/Innenradius: 0,38; es sei daran erinnert, daß das Phänomen nur von den Verhältnissen und nicht von den Absolutwerten abhängt). Die gegen Zug beständigen Longitudinal-Verbundschichten weisen eine Gesamtdicke von 0,66 cm auf und sind gleichmäßig verteilt.
Die Umfangs-Verbundschichten, d.h. die druckbeständigen Schichten, weisen eine Gesamtdicke von 1,34 cm auf.
In der nachfolgenden Tabelle sind die maximalen Umfangs- und Radial-Spannungen angegeben, die errechnet wurden in den verschiedenen inneren Glas-Harz-Verbundschichten einerseits und den äußeren Kevlar-Harz-Verbundschichten andererseits als Funktion ihrer jeweiligen Dicken für einen Innendruck von 210 MPa. Diese Tabelle ist nur bezogen auf die druckbeständigen Schichten. Spannungen im Glasverbund Spannungen im Kevlarverbund Dicke Glasverbund/Kevlarverbund radial Umfang
In der vorstehenden Tabelle sind die Radial- und Umfangs- Spannungen der Glasverbundschicht und der Kevlar-Verbundschicht in MPa angegeben. Es sei auf das folgende Phänomen hingewiesen: Die Umwicklung der Glas-Schichten mit äußeren Kevlar-Schichten, die einen höheren Umfangs-Elastizitätsmodul aufweisen, bringt bei gleicher Materialdicke eine Verminderung der maximalen Spannungen mit sich sowohl bei Glas als auch bei Kevlar und sie führt dementsprechend zu einer Erhöhung der zulässigen Spannungen und des Berstdruckes und des Betriebs- bzw. Arbeitsdruckes des Rohres.
Andererseits können die in den druckbeständigen Kevlar- Schichten induzierten Umfangs-Spannungen größer sein angesichts der Tatsache, daß die radialen Spannungen vermindert sind.
Wenn man beispielsweise annimmt, daß die zulässigen maximalen Spannungen in dem Kevlar-Verbund und in dem Glas- Verbund die gleichen sind und wenn man als Bruchkriterium die alleinige induzierte maximale Umfangs-Spannung nimmt, so liegt das optimale Verhältnis bei 60 %, für welches die entsprechenden Spannungen in dem Glas-Verbund und in dem Kevlar-Verbund identisch sind. Der Leistungsgewinn liegt danach in der Größenordnung von 10 %, ohne daß sich die Dicke des Rohres geändert hat.
Wenn man als Beständigkeitskriterium ein kombiniertes Kriterium nimmt, ist das optimale Verhältnis kleiner, wahrscheinlich liegt es in der Größenordnung von 30 bis 50 % mit einem induzierten Leistungsgewinn, der 15 bis 20 % erreichen kann.
Bei sehr hohen Drucken muß nämlich das Material der Wand beständig sein gegen Lamé-Umfangs-Zug und gegen hydrostatischen Druck bis zu 2 100 bar (21 h bar Radialdruckspannung quer zum Verbund), wobei die Kriterien (beispielsweise Tsai-Hill) anzeigen, daß die Zugeigenschaften in Faserrichtung beträchtlich vermindert sind. Die Umwicklung erlaubt eine beträchtliche Entlastung der Zugbeanspruchung der inneren Fasern, welche die maximale transversale Druckbeanspruchung aufnehmen und diese Zugbeanspruchung übertragen auf die äußeren Fasern des Materials, die steifer sind und einer geringeren transversalen Druckbeanspruchung ausgesetzt sind.
Die Anzahl der gegen Druck oder gegen Zug beständigen Schichten kann auch vermindert oder erhöht werden und die Verteilung dieser Schichten kann modifiziert werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Steifes Rohr aus einem Verbundmaterial, das Fasern enthält, die in eine Matrix aus beispielsweise einem thermoplastischen oder wärmehärtbaren Material eingebettet sind, die an den Fasern haftet, das gegen Innendruck beständig ist und mindestens zwei Schichten aus eingebetteten Druckverstärkungsfasern oder druckbeständige Schichten aufweist, die unter einem Winkel mit einem absoluten Wert von mindestens 70º, bezogen auf die Achse des Rohres, um dieses herumgewickelt sind, wobei alle diese Schichten eine radiale Dilatation unter dem Einfluß des Druckes aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangs-Elastizitätsmodul der von der Rohrachse am weitesten entfernten Schicht oder äußeren Schicht höher ist als der Umfangs- Elastizitätsmodul der der Rohrachse am nächsten liegenden Schicht oder inneren Schicht.

2. Rohr nach Anspruch 1, das mindestens eine zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht angeorndete Druckverstärkungs-Zwischenschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangs-Elastizitätsmodul der Zwischenschicht zwischen den Umfangs-Elastizitätsmodulen der inneren Schicht und der äußeren Schicht liegt.

3. Rohr nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine druckbeständige Zwischenschicht unter einer anderen druckbeständigen Zwischenschicht einen Umfangs-Elastizitätsmodul aufweist, der höher ist als derjenige der anderen Zwischenschicht.

4. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel mindestens 80º beträgt und vorzugsweise nahe bei 90º liegt.

5. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeständige innere Schicht Verstärkungsfasern enthält, deren Longitudinal-Young-Modul in der Nähe von 80 000 MPa liegt, wie Glasfasern, und daß die druckbeständige äußere Schicht Verstärkungsfasern enthält, deren Longitudinal-Young-Modul in der Nähe von 140 000 MPa liegt, wie Kevlar 49-Fasern, und daß das Dickenverhältnis zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht in dem Bereich von 0,20 bis 0,60, vorzugsweise von 0,20 bis 0,50, liegt.

6. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeständige innere Schicht Verstärkungsfasern enthält, deren Longitudinal-Young-Modul nahe bei 140 000 MPa liegt, wie Kevlar 49-Fasern, und daß die äußere schicht Verstärkungsfasern enthält, deren Longitudinal-Young-Modul im wesentlichen zwischen 200 000 und 300 000 MPa liegt, wie Kohlefasern, und daß das Verhältnis zwischen der Dicke der druckbeständigen inneren Schicht und der Dicke der druckbeständigen äußeren Schicht in dem Bereich von 0,15 bis 0,30 liegt.

7. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Schicht aus gegen Zug beständigen Verstärkungsfasern aufweist.

8. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der äußeren druckbeständigen Schicht auf Zug vorgespannt sind in Abwesenheit eines Druckes im Innern des Rohres.

9. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei Schichten aus gegen Zug beständigen Verstärkungsfasern aufweist, die über die Dicke des Rohres verteilt sind.

10. Verwendung des Rohres nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung eines Rohres, bei dem der Berstdruck in der Nähe von oder oberhalb von 100 MPa liegt, das dem Transport oder der Lagerung (Speicherung) von Fluids bzw. Flüssigkeiten dient.