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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Herstellen eines mehrschichtigen Rohres und ein durch
dieses Verfahren hergestelltes mehrschichtiges Rohr, und
genauer ein mehrschichtiges Rohr für eine Einspritzung von
Chemikalien in ein Unterwasserbohrloch, das zwischen eine
Hauptölplattform und eine Neben- bzw. Satellitenstation unter
Wasser gekoppelt ist. Das mehrschichtige Rohr kann auch zur
hydraulischen Verstellung von Ventilen in Satellitenstationen
verwendet werden. Das mehrschichtige Rohr kann unter hohen
Drücken betrieben werden, ist gegen Chemikalien beständig und
kann auf eine Trommel gewickelt werden.
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Bei der Offshore-Ölförderung wird oft eine Förderplattform
verwendet, die in einem Abstand von ihr von mehreren Ölquellen
bzw. Ölbohrlöchern umgeben ist. Während der letzten paar Jahre
ist ein spezielles Verfahren für eine Ölförderung aus
Tiefseeölquellen entwickelt worden, wo jedes Bohrloch eine
Unterwasser-Satellitenstation mit den erforderlichen
Fördereinrichtungen, wie Ventile etc., aufweist. Diese Satelliten sind mit
der Hauptplattform durch Rohrleitungen verbunden, wo die Steue
rung und Förderung der Ölquellen geleitet werden.
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Beim Bohren von Bohrlöchern und Fördern von Öl in
Küstennähe ist es erforderlich, Chemikalien in
Unterwassereinrichtungen und hydraulische Fluide in Ventile etc. einzuspritzen,
insbesondere bei hydraulischer Verstellung des Bohrlochkopf
Produktionskreuzes. Wenn in der Unterwassereinrichtung ein
Ventil geöffnet oder geschlossen werden soll, müssen diese
Tätigkeiten, zum Beispiel bei Ausbrüchen, in kürzest möglicher
Zeit ausgeführt werden.
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Im Fall eines Ausbruchs bei dem Bohrlochkopf dauert es
aufgrund der langen Ansprechzeit oft mehrere Minuten bis die
hydraulischen Signale den Bohrlochkopf erreichen. Diese
Ansprechzeit ist eine Folge davon, daß die Fasern in dem
Signalrohr ohne Trägermaterial an der Außenseite des
thermoplastischen Rohres gewoben sind. Eine Folge davon ist, daß das
Streckvolumen zunimmt und dadurch die Ansprechzeit zunehmen
wird. Die Folgen der Tatsache, daß es bis zu mehrere Minuten
dauern kann, einen Ausbruch unter Wasser zu unterbinden, können
für die Umwelt sehr schwerwiegend sein.
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Bekannte Rohre, wie oben beschrieben, sind hauptsächlich
Stahlrohre verschiedener Arten und thermoplastische Rohre mit
einer äußeren lasttragenden gewickelten Lage aus polymeren
Fasern.
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GB-A-1 229 938 und GB-A-1 485 688 beschreiben ein
Verbundrohr, bestehend aus einem thermoplastischen Innenrohr, das mit
einem faserverstärkten Harzmaterial beschichtet ist. Aus GB-A-2
178 820 ist eine "Vorbeanspruchung" eines Verbundrohres
allgemein bekannt. Gemäß dieser Veröffentlichung sind es die
Fasern, die gestreckt werden und nicht das thermoplastische
Rohr selbst.
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Diese Rohre nach dem Stand der Technik weisen mehrere
Nachteile auf. Die Stahlrohre werden korrodieren, und die
verstärkten thermoplastischen Rohre haben eine zu lange Ansprechzeit,
wenn über lange Distanzen hydraulische Signale übertragen
werden. Die transportierten Chemikalien werden auch dazu neigen,
durch das Kunststoffmaterial zu diffundieren. Ein weiterer
Nachteil bei den Rohren nach dem Stand der Technik ist, daß sie
nicht aufwickelbar sind, d.h. sie müssen in Abschnitten verlegt
und deshalb verbunden werden. Dies wird aufgrund der
erforderlichen Einrichtungen beim Rohrverbinden in großen
Meerestiefen erhöhte Kosten zur Folge haben. Ein weiterer Nachteil
bei mehrschichtigen Rohren nach dem Stand der Technik mit einem
Innenrohr aus thermoplastischem Harz und einer äußeren
Verbundlage aus einem verstärkten wärmehärtbaren Harz ist, daß die
mechanische Festigkeit zwischen dem thermoplastischen und dem
wärmehärtbaren Harz zu gering ist. Der Grund dafür ist das
schwierige Aufbringen bzw. Aufpfropfen eines thermoplastischen
Harzes auf ein wärmehärtbares Harz.
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Ein Ziel gemäß der vorliegenden Erfindung ist, ein
mehrschichtiges Rohr mit einer bedeutend geringeren Ansprechzeit
als Rohre nach dem Stand der Technik zu schaffen, welches in
unbegrenzten Längen hergestellt werden kann. Folglich ist es
nicht erforderlich, die Rohre an anderen Stellen als an den
Verbindungen zwischen den Rohren und den Anschlußstellen zu
verbinden. Außerdem werden diese mehrschichtigen Rohre gegen
Chemikalien beständiger sein als die entsprechenden Stahlrohre.
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Ein anderes Ziel ist, ein mehrschichtiges Rohr zu schaffen,
das auf eine Trommel aufgewickelt und von einem gewöhnlichen
Kabelverlegungsschiff verlegt werden kann.
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Noch ein weiteres Ziel ist, ein Verfahren zum Herstellen
eines oben beschriebenen mehrschichtigen Rohres zu schaffen,
das ein Aufbringen bzw. Aufpfropfen zwischen dem
thermoplastischen und dem wärmehärtbaren Harz zur Folge hat.
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Diese Ziele werden gemäß der Erfindung mit einem
mehrschichtigen Rohr nach Anspruch 1 und mit einem Verfahren nach
Anspruch 2 erreicht.
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Das mehrschichtige Rohr wird durch kontinuierliches Wickeln
der Verstärkungsfasern, ohne diese zu verwinden, in
unbegrenzten Längen hergestellt. Diese Vorbehandlung kann alternativ
eine Aufbringung eines Terpolymers bzw. trimeren Polymers
mittels eines Querkopf-Extruders umfassen, um eine chemische
Verbindung zwischen dem thermoplastischen und dem
wärmehärtbaren Harz zu erhalten. Das mehrschichtige Rohr wird in
unbegrenzten Längen mit kontinuierlicher Aufbringung von
Verstärkungsfasern hergestellt, ohne diese zu verwinden.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines mehrschichtigen Rohres
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist ein Fließschema eines Prozesses zum Herstellen
eines mehrschichtigen Rohres gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer
Verbindungsvorrichtung, die mit einem mehrschichtigen Rohr gemäß der Erfindung
verwendet werden kann.
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Fig. 4 ist ein Anwendungsbeispiel eines mehrschichtigen
Rohres gemäß der Erfindung.
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Figur 1 ist eine Schnittansicht eines mehrschichtigen
Rohres gemäß der Erfindung. In der Zeichnung sind die Schichten
nur aus Gründen der Veranschaulichung mit gleicher Dicke
dargestellt. Das mehrschichtige Rohr gemäß Fig. 1 umfaßt eine
thermoplastische Inneneinlage 1, mit einer Schicht aus
längsgerichteten Glasfasern 2, einer mehrdimensionalen Matte 3,
einer Schicht aus radialgerichteten Glasfasern 4, einer
mehrdimensionalen
Matte 5, einer Schicht aus längsgerichteten
Glasfasern 6, einer mehrdimensionalen Matte 7 und einer Schicht aus
radialgerichteten Glasfasern 8. All diese Schichten sind mit
einem wärmehärtbaren Harz miteinander verbunden.
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Figur 2 stellt ein Verfahren zum Herstellen eines
mehrschichtigen Rohres gemäß der Erfindung dar. Die
thermoplastische Einlage wird stranggepresst 9 und einer Längsreckung
ausgesetzt. Diese Längsreckung, die das Rohr verlängert,
entspricht der Wärmedehnung thermoplastischer Rohre in
Längsrichtung bei einer Aushärttemperatur. Die thermoplatische Einlage
schafft eingefrorene Spannungen in Längsrichtung. Diese
Wärmespannungen werden später während eines Aushärtens mit einer
positiven Wirkung auf die Verbindungszustände zwischen dem
wärmehärtbaren Harz und dem thermoplastischen Harz gelöst. Nach
dem Strangpressen wird die thermoplastische Einlage gelagert
oder durch eine (nicht dargestellte) Zwischenstation dem
Herstellungsprozeß zugeführt werden.
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Unmittelbar vor dem Schichtprozeß wird die thermoplastische
Einlage einer Vorbehandlung 10 unterzogen, bestehend aus einem
Waschen der Einlage mit einer g eigneten entfettenden Mischung,
wie Aceton, und anschließendem eiben 11 des äußeren Teils der
Einlage mit einem sich drehende Schleifpapier, wie z.B.
Schleifpapier vom Grad 40. Die inlage wird bei 12, z.B. mit
Aceton, gewaschen/gespült und de Herstellungsprozeß zugeführt.
Die thermoplastische Einlage kommt während des
Schleif/Waschprozesses nicht in Kontakt mit Fett oder verunreinigenden
Stoffen. Diese Vorbehandlung der the moplastischen Einlage ist in
Figur 2 bei 10-12 dargestellt. Eine Alternative zu dieser
Vorbehandlung ist die Aufbringung eines trimeren Polymers auf die
äußere Oberfläche der Einlage. Das trimere Polymer wird mittels
eines (nicht dargestellten) Querkopf-Extruders aufgebracht und
hat eine chemische Verbindung zwischen dem thermoplastischen
und dem wärmehärtbaren Harz zur Folge.
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Die thermoplastische Einlage ist nun zur Aufbringung von
Schichtstoffen bereit, die bei Raumtemperatur aufgebracht
werden. Die Schichtstoffe werden direkt auf den thermoplastischen
Einlageträger aufgebracht, und dadurch entfällt die
Notwendigkeit
eines Innendorns, der bei einer herkömmlichen Herstellung
von mehrschichtigen Rohren verwendet wird. Mehrschichtige Rohre
werden gewöhnlich durch Schichten/Umwickeln von Fasern auf
einen sich drehenden Dorn hergestellt. Bei dem Prozeß gemäß der
Erfindung dreht sich weder die thermoplastische Einlage noch
der Schichtstoff.
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Zunächst wird bei 13 auf die thermoplastische Einlage in
Längsrichtung eine Faserschicht direkt aufgebracht. Die
Glasfasern werden aus einem Vorratsbehälter 14 mit sogenannten
Greifzangen und anschließend durch ein ein wärmehärtbares Harz
enthaltendes Bad 15, wo die Faserdrähte imprägniert werden,
zugeführt. Die Glasfaserdrähte werden nebeneinander angeordnet
und bedecken die thermoplastische Einlage vollständig. Als
nächstes wird eine Schicht aus einer mehrdimensionalen Matte 16
aufgebracht. An der Außenseite dieser Matte 16 wird noch eine
Schicht aus radialgerichteten Glasfasern mittels eines
Karussells 17 aufgebracht. An der Außenseite dieser Schicht wird
eine weitere, mit einem wärmehärtbaren Harz imprägnierte
mehrdimensionale Matte 18 aufgebracht. Diese Matte 18 ist eine
dünne Glas fasermatte.
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Auf die Matte 18 wird eine Schicht aus längsgerichteten
Glasfasern 19 aufgebracht, die mit einem wärmehärtbaren Harz in
einem Bad 20 imprägniert wurden.
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An der Außenseite dieser axialgerichteten Schicht 19 wird
eine mehrdimensionale Matte 21 aufgebracht. Anschließend wird
eine letzte Schicht aus radialgerichteten Glasfasern mittels
eines sich drehenden Karussells 22 aufgebracht.
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Schließlich werden zwei Schichten Zellophanband 23 über den
Schichtstoff gewickelt, um Verluste von wärmehärtbarem Harz und
ein Herausquellen von Schichtstoff während des anschließenden
Aushärtprozesses zu verhindern.
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Das mehrschichtige Rohr wird in einen Aushärteofen
eingebracht, wo das Epoxydharz ausgehärtet wird. Der Aushärteofen
ist ein Rohr, das außen mit Schlacken- bzw. Mineraiwolle
isoliert ist. Im Innern des Ofens ist eine V-förmige Schiene
angebracht, auf die das mehrschichtige Rohr mittels eines Förder
bandes 25 gezogen wird. Der Aushärteofen 24 hat ein Gebläse und
ein Heizelement mit einem Steuergerät.
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Die Länge des Aushärteofens ist gemäß der Aushärtzeit und
der Herstellungsgeschwindigkeit bestimmt. Das mehrschichtige
Rohr soll ausgehärtet sein, wenn es den Ofen 24 verläßt.
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Wenn das Rohr den Ofen 24 verlassen hat, werden die
Zellophanbänder abgewaschen. Das Rohr wird abgekühlt und, wenn es
Umgebungstemperatur erreicht hat, auf eine Trommel 26
gewickelt. Da das Rohr eine Biegsamkeit aufweist, wird die
Trommel 26 von einem Motor angetrieben.
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Ein Ziehdraht ist zwischen den Riemen des Förderbandes
angeordnet und zieht die längsgerichteten Fasern und die
thermoplastische Einlage durch den Herstellungsprozeß hindurch und in
den Aushärteofen 24. Wenn das vordere Ende des Rohres den
Aushärteofen 24 verläßt, wird der Abstand zwischen den Gummiriemen
vergrößert und das Förderband 25 zieht das Rohr selbst.
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Die Herstellung des mehrschichtigen Rohres beruht auf einem
kontinuierlichen Prozeß. Im Prinzip kann das mehrschichtige
Rohr in unbegrenzten Längen hergestellt werden, und es ist
möglich, gegebenenfalls die Rohre durch bekannte Verfahren zu
verbinden. Falls ein Bruch auftreten sollte, kann das Rohr,
nachdem es ausgehärtet ist, durch eine Stahlverbindung
verbunden werden.
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Das thermoplastische Rohr und der äußere lasttragende
Schichtstoff erreichen durch den Herstellungsprozeß eine
mechanische und chemische Verbindung. Diese Verbindung wird eine
Trennung der thermoplastischen Einlage und des Schichtstoffes
verhindern, wenn das Rohr in Betrieb ist. Die mechanische
Verbindung zwischen der thermoplastischen Einlage und dem
Schichtstoff wird durch das mechanische Reiben und Oberflächenspülen
mit einer entfettenden Mischung vor der Schichtung und durch
eine chemische Verbindung (Aufpfropfen) zwischen der
thermoplastischen Einlage und der Aushärtesubstanz in dem
wärmehärtbaren Harz erreicht. Die in dem Aushärteofen erzeugte Wärme
wird nach einiger Zeit von dem Schichtstoff auf die
thermoplastische Einlage übertragen. Aufgrund der Aushärtetemperatur
werden die Wärmespannungen in der Einlage gelöst, und die
Einlage wird sich in Längsrichtung in einem Verhältnis
zusammenziehen, das der Dehnung des Rohres entspricht, falls es
während des Strangpressens keiner Spannung ausgesetzt worden
war. Die eigentliche Dehnung in Längsrichtung ist etwa Null.
Wenn sich das aushärtbare Material auszuhärten beginnt, wird
die thermoplastische Einlage stabilisiert, und das
wärmehärtbare Harz wird mechanische und chemische Verbindungen mit der
Oberfläche der thermoplastischen Einlage bilden. Wenn das
mehrschichtige Rohr den Aushärteofen verläßt, wird die Temperatur
abnehmen, und das wärmehärtbare Harz sowie die Einlage werden
sich zusammenziehen. Die Wärmebehandlung verringert die
eingefrorenen Spannungen in der thermoplastischen Einlage. Das
Ergebnis der angewandten axialen Spannung auf die
thermoplastische Einlage ist, daß die Einlage eine geringe plastische
Verformung aufweisen wird, wenn der Aushärteprozeß beendet ist
und die Temperatur auf Umgebungstemperatur abgenommen hat. Dies
wird eine bessere Verbindung zwischen dem thermoplastischen und
dem wärmehärtbaren Harz geben, und die ständige
Scherbeanspruchung wird minimiert. Dadurch wird die Scherbeanspruchung
zwischen dem wärmehärtbaren Harz und dem thermoplastischen
abnehmen.
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Das mehrschichtige Rohr ist während der Herstellung, des
Transports, der Verlegung und des Einsatzes einer Reihe
verschiedener Beanspruchungen und Belastungen ausgesetzt. Die
Zusammensetzung des Verbundschichtstoffes hängt von den
physikalischen und Umweltbedingungen ab, die während der Herstellung
und der Lebensdauer des Rohres auftreten.
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Aufgrund der angenommenen Belastungen, denen die
mehrschichtigen Rohre ausgesetzt sind, kann sich die
Zusammensetzung der Rohre natürlich von den in Fig. 1 und 2 dargestellten
Ausführungsformen unterscheiden. Die Zahl von Schichten und
ihre Richtungen können geändert werden.
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Fig. 3 stellt eine Verbindungsvorrichtung mit einem
Stahlrohr 27 mit einem Innenkegel 28 dar, der auf einem
entsprechenden Außenkegel 28 auf dem Verbundrohr angebracht ist. Das
Stahlrohr 27 weist an der Stelle des Kegels 28 mit dem größten
Durchmesser einen geschlitzten Abschnitt 29 auf, der die
Spannungen
bei dem mittleren Abschnitt zwischen dem Verbundrohr 30
und dem Stahlrohr 27 während des Betriebs verringert. In das
andere Ende des Stahlrohres ist ein Rohrverbindungsstück 31 mit
einem Kegel 32, dessen kleinster Durchmesser dem Innendurch
messer der thermoplastischen Einlage entspricht, in die
thermoplastische Einlage 33 geschoben. Dieser Kegel wird die
thermoplastische Einlage nach außen zwingen und wird gleichzeitig mit
dem mehrschichtigen Rohr an die innere Oberfläche 34 des
Stahlrohres angebracht. Das Rohrverbindungsstück 31 ersetzt die
Funktion des thermoplastischen Rohres, und außerdem werden das
Haf tmittel und der Schichtstoff dem transportierten Fluid nicht
ausgesetzt. Das Rohrverbindungsstück 31 ist mit der inneren
Oberfläche des Stahlrohres verbunden, das ein Gewinde aufweist,
wo zwei kegelförmige Oberflächen aneinanderstoßen und eine
Primäre Kontaktoberfläche bilden. Die Verbindungsvorrichtung kann
das mehrschichtige Rohr mit jeder anderen Rohrleitung mittels
einer geeigneten Konstruktion des anderen Endes des
Rohrverbindungsstückes verbinden. Das Haftmittel kann ein sandhaltiges
wärmehärtbares Harz sein.
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Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel eines Einsatzes eines
mehrschichtigen Rohres gemäß der Erfindung zwischen einer
Hauptplattform 37 und Unterwassereinrichtungen, wie z.B. die
Satellitenstationen 38, 39.
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Nach der Herstellung wird das mehrschichtige Rohr auf eine
Trommel gewickelt und durch ein gewöhnliches Verlegungsschiff
(Kabelverlegungsschiff) zur Verlegungsstelle transportiert, an
eine Ölförderplattform angeschlossen und in einer vorbestimmten
Route verlegt. Das mehrschichtige Rohr kann gegebenenfalls
während der Verlegung in den Meeresboden gegraben werden. Das
andere Ende des mehrschichtigen Rohres wird mit einer
vorbestimmten Unterwassereinrichtung (unterseeisches Modell)
verbunden.
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Abschnitte von mehrschichtigen Rohren können, wo immer
notwendig, während der Verlegung mit Metallverbindungen verbunden
werden. Die Metallverbindungen werden an das mehrschichtige
Rohr angeklebt.
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Das mehrschichtige Rohr kann Chemikalien und/oder Wasser
für Einspritzungen in eine Transportleitung für Öl durch ein
Produktionskreuz transportieren. Die Chemikalien werden in der
Stromleitung dem Ölstrom zurück zu der Hauptplattform folgen,
während Wasser in das Bohrloch eingespritzt wird, um die
Restölförderung zu erhöhen. Das mehrschichtige Rohr kann auch
Öl/Kraftstoff wie eine Stromleitung befördern.
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Das mehrschichtige Rohr findet auch auf dem Festland viele
Anwendungen. Das Rohr kann ohne Vergraben in Bereichen verlegt
werden, wo geringe Gefahren einer Materialschädigung oder von
Umwelteinflüssen bestehen. Das Rohr kann gegebenenfalls mit
einer feuerbeständigen Beschichtung in Bereichen mit großer
Feuergefahr isoliert werden.
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In ölfördernden Bohrlöchern auf dem Festland kann das
mehrschichtige Rohr zur Einspritzung von Wasser und zum
Transport vom Rohöl von dem Bohrloch zu einer Lagerstelle
verwendet werden.