DE2348657C3

DE2348657C3 - Rohrleitungselement für Tiefsttemperaturfluide

Info

Publication number: DE2348657C3
Application number: DE19732348657
Authority: DE
Inventors: Luke Francois Fresh Meadows N.Y. DeBock
Original assignee: Preload Technology Inc
Current assignee: Preload Technology Inc
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE2348657A1; GB1390873A; DE2348657B2; JPS545522B2; CA988044A; JPS4971514A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohrleitungselement für Ticfsttemperaturfluide gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Rohrleitungssystem, bestehend aas derartigen Rohrleitungselementen, sowie auf ein Verfahren zum Bilden eines derartigen Rohrleitungssystems.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Transport von verflüssigtem Naturgas von den Produktionsstätten oder von Häfen zu den Verwendungsorten. Dabei tritt das Problem auf, daß die Rohrleitung ihre Länge ändert, wenn sie von Umgebungs- auf Betriebstemperatur gekühlt oder von Betriebs- auf Umgebungstemperatur erwärmt wird. Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht im Einbau von Dehnungsverbindungen, wie etwa Faltverbindungen, in ein Rohrleitungssystem; solche Dehnungsverbindungen tragen jedoch erheblich zu den Kosten eines Rohrleitungssystems bei, besonders, wenn es sich um große Temperaturänderungen und damit große Längenänderungen handelt, die durch eine entsprechend große Anzahl Dehnungsverbindungen aufgenommen werden müssen.

Bei einem bekannten Rohrleitungselement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art (US-PS 33 88 724) ist die Innenlcitung mit einer Dehnungsverbindung ausgestattet und auf der einen Seite nahe neben der Dehnungsverbindung sowie auf der anderen Seite in größcrem Absland von der Dehnungsverbindung mittels eingeschweißter, umfangsmäßig verteilter Stege am metallischen Futter des Außenmantels axial abgestützt. Die beim Betrieb entstehende Längskontraktion der Innenleitung wird durch die Dehnungsverbindung aufgenommen, so daß weder in der Innenleitung noch im Außcnmantel nennenswerte Längsspannungen entstehen. Da die Kontraktionskräfte nicht über Verankerungspunkte von der Umgebung aufgefangen werden müssen, ist dieses bekannte Rohrleitungselement auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen ohne übermäßig großen Montageaufwand einsetzbar. Das Vorhandensein einer Dehnungsverbindung pro Rohrleitungselemcnt führt jedoch zu sehr hohen Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes, auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie unter Wasser usw., ohne übermäßig großen Montageaufwand verwendbares Rohrleitungselement so auszubilden, daß sich ein einfacher Zusammenbau ergibt und die thermisch bedingten Spannungen der Innenleitung wirksam mit möglichst geringer Kontraktion aufgefangen werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dem Rohrleilungselcmcnt nach der Erfindung werden die durch thermische Kontraktion der Innenlcitung entstehenden Kräfte auf die Betonaußenröhre übertragen und wirken iiuf diese im Sinne einer Korn-

pression ein, so daß thermisch bedingte Längenänderungen der Innenleitung im wesentlichen von der Betonaußenröhre aufgefangen werden. Dabei ist eine Verankerung in der Umgebung nicht erforderlich, so daß das Rohrleitungselement nach der Erfindung auch in schwierigem Gelände sowie unter Wasser verwendbar ist. Das Rohrleitungselement ist ferner mit relativ geringem Arbeitsaufwand verlegbar, und der Herslellungsaufwand für ein einzelnes Rohrleitungselement, das aus sehr wenigen Teilen besteht, ist ebenfalls relativ gering, was bei Rohrleitungen, die eine Gesamtlänge von einigen hundert km haben können, erheblich ins Gewicht fällt

Bei dem Rohtleitungselement nach der Erfindung werden die hohen Zugfestigkeitseigenschaften der metallischen Innenleitung, die typischerweise ein Legierungsstahl ist, und die hohen Druckfestigkeitseigenschaften der Betonaußenröhre genutzt Der Betrag der Kontraktion der Innenleilung wird gegenüber einer nichteingespannten entsprechenden Innenleitung beträchtlich vermindert. Berechnungen zeigen, daß z. B. eine nichtsingespannte Innenleitung aus 9% Nickelstahl und einer Länge von etwa 305 m bei einer Temperatursenkung um 200⁰C eine Längenänderung von etwa 50,8 cm erfahren würde, während diese Längenänderung bei einer an einer Betonaußenröhre eingespannten Innenleitung und bei Annahme einer Einspannkraft von 122 kp/cm² nur etwa 10,1 cm beträgt. Die Anzahl einzubauender Dehnungsverbindungen ist daher um einen Faktor 5 herabgesetzt.

Aus der DE-AS 12 68 919 ist ein notwendigerweise im Erdreich verlegtes Rohrleitungssystem mit einem metallischen Innenrohr für erhitztes Fluid und einem mit Abstand umgebenden Mantelrohr aus Asbestzement bekannt, bei dem an einem Festpunkt des Rohrleitungssystems ein am Innenrohr befestigter Flansch bei der Ausdehnung des Innenrohrs Axialkräfte auf Mantelrohrstücke überträgt. Diese Axialkräfte sollen durch den Reibungswiderstand, den die Mantelrohrstücke und Außenkupplungen der Mantelrohrstücke im umgebenden Erdreich haben, in das Erdreich übertragen werden.

Aus der US-PS 26 96 835 ist ein Rohrleitungssystem mit einem aus zusammengeschweißten Abschnitten bestehenden Innenrohr aus Stahl für erhitztes Fluid und einem mit Abstand umgebenden, aus zusammengeschweißten Abschnitten bestehenden Außenrohr aus Stahl bekannt. In bestimmten Abständen s'nd im Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr Flansche angeordnet, die mit beiden Rohren verschweißt sind, so daß das Außenrohr an der Übertragung von Dehnungs- und Kontraktionskräften des Innenrohrs beteiligt ist. Der Zusammenbau dieses bekannten Rohrleitungssystems gestaltet sich vegen der Verschweißung der Flansche mit dem Außenrohr sehr aufwendig. Beton ist als Material für das Außenrohr nicht in Betracht gezogen. Wegen des im Vergleich zu Beton hohen Elastizitätsmoduls von Stahl sind die verbleibenden Längenänderungen relativ groß.

Eine weitere Ausbildung des Rohrleitungselements nach der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Aus Rohrleitungselementen nach der Erfindung bestehende Rohrleitungssysteme sind in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben. Ein Verfahren zum Bilden eines derartigen Rohrleitungssystems ist Gegenstand der Patentansprüche 5,6 und 7.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Ks zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Rohrleitungssysiems für Betrieb bei niedriger Temperatur zwischen zwei festangeordneten Verbindungsstellen,

F i g. 2 im Schnitt eine detaillierte seitliche Draufsicht

s eines Abschnitts des Rohrleiiungssysiems entlang der Linie 2-2 von F i g. 1,

F i g. 3 eine Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von F i g. 1 und 2 entlang der Linie 3-3 von Fig. 2,

ίο Fig.4 eine zweite Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von F i g. 1 und 2 entlang der Linie 4-4 von F i g. 2,

F i g. 5 im Schnitt eine seitliche Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rohrleitungssystem mit einer Dehnungsverbindung, und

F i g. 6 eine Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von F i g. 5 entlang der Linie 6-6 von Fig. 5.
In Fig. 1 sind zwei ortsfeste Stationen 10 und 12 gezeigt, die Pumpstationen, Tanks oder andere Einrichtungen sein können, die einer Anlage für verflüssigtes Naturgas oder andere kalte Fluide zugeordnet sind. Ein Rohrleitungssystem 14 besteht aus einer Anzahl von endweise angeordneten Abschnitten, die z.T. mit 16,18 und 20 bezeichnet sind.

F i g. 2, 3 und 4 zeigen im einzelnen Teile jedes von zwei Rohrleitungsabschnitten, die schematisch in F i g. 1 gezeigt sind. Diese beiden Rohrleitungsabschnitte sind mit 22 und 24 bezeichnet. Der Leitungsabschnitt 24 besteht aus einer Stahlinnenleitung 26, die beispielsweise nach Maßgabe der Betriebsbedingungen Kohlenstoffstahl oder Legierungsstahl sein kann, und einer Betonaußenröhre 28. Die Innenleitung 26 ist unter Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen. Die Leitung 26 und die Röhre 28 sind in im wesentlichen ringförmiger Orientierung gehalten durch einen starren Abstandskörper 30. Der starre Abstandskörper 30 kann aus einem harten Isolationsmaterial wie Polyvinylchlorid oder Balsaholz bestehen, und er kann in der gezeigten Weise kontinuierlich sein oder aus einem oder mehreren getrennten Abschnitten bestehen, die die Unterseite der Leitung abstützen. Wenn der starre Abstandskörper 30 kontinuierlich ist, ist es wünschenswert, ihn mit Löchern 32 und 34 zu versehen, so daß der Ringzwischenraum 36 zwischen der Innenleitung und der Außenröhre mit einem Isolationsmaterial wie Perlit gefüllt werden kann. Das Isolationsmaterial ist mit 38 bezeichnet.

Ein Ringflansch 40 ist beispielsweise durch Schwei-Ben um den Umfang der Stahlinnenleitung 26 herum befestigt. Der Flansch 40 ist verstärkt durch eine Reihe von Verstärkungsplatten 42, die ebenfalb um den Umfang der Innenleitung herum positioniert sind. An jeder Seite des Flansches 40 sind starre Isolationsringe 44 und 46 angeordnet. Diese Ringe liegen wiederum an Flanschen 48 und 50 der Betonröhre 28 und der benachbarten Betonröhre 78 an. So wirkt bei der gezeigten Konfiguration der Ringflansch 40 gegen die Flansche 48 und 50 durch starre Isolationsringe 44 und 46. Wenn die Rohrleitung 26 abkühlt und sich zusammenzieht, verschiebt sich der Flansch 40 in Längsrichtung und bewirkt ein Zusammendrücken der Betonröhre 28 oder 78. Die Gesamtkontraktion des kombinierten Systems, das aus der Metallinnenleitung und der Betonaußenröhre

μ besteht, ist jedoch beträchtlich geringer als die einer Leitung, die in keiner Weise eingespannt ist.

Die linke Hälfte von F i g. 2 zeigt einen benachbarten Rohrleitungsabschnitt 22, der mit dem vorher beschrie-

benen Abschnitt 24 verbunden ist. Der Leitungsabschnitt 22 besteht aus einer Stahlinnenleitung 76 und einer Betonaußenröhre 78. Die Innenleitung und die Betonaußenröhre sind voneinander getrennt durch einen starren ringförmigen Abstandskörper 80 mit Löchern 82 und 84. Die Innenleitung 76 ist mit der inncnleitung 26 bei 85 durch Stoßschweißen verbunden zur Bildung einer kontinuierlichen Rohrleitung, die unter Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist, die jedoch bei Kontraktion unter Betriebstemperaturbedingungen unter Spannung gestellt wird.

Aufeinanderfolgende Leitungsabschnitte weisen Ringflaiische auf (nicht gezeigt), die gegen entsprechende Flansche von Betonaußenröhren wirken. Im Betrieb zieht sich das gesamte Rohrleitungssystem zusammen, r> wodurch ein dicht geschlossenes System gebildet wird. Durch Verbinden von Leitungsabschnitten 22 und 24 miteinander ist es möglich, einen langen Rohrleitungsabschnitt herzustellen, der sich nur um einen Bruchteil der Länge einer nichteingespannten Stahlröhre zusammenzieht. Isolation kann in den ringförmigen Zwischenraum eingeführt werden nach Hinzufügen jedes weiteren Leitungsabschnitts und Betonröhrenabschnitts. Falls gewünscht, kann zwischen dem Flansch 40 und der anliegenden Fläche des Isolationsringcs 44 ein kleiner Spalt belassen werden, um eine geringe Kontraktion der Innenleitung durch Abkühlung derselben zu gestatten, bevor auf die Betonaußenröhre eine Druckbeanspruchung übertragen wird. Durch dieses Vorgehen kann die in der Innenleitung unter Betriebsbedingungen entwickelte innere Zugbeanspruchung verringert werden. Falls überhaupt ein derartiger Spalt vorgesehen wird, hängt seine Größe ab von der Geometrie und den Materialien des Systems sowie den Betriebsbedingungen.

F i g. 5 und 6 zeigen zwei einander benachbarte Rohr- y> leitungsabschnitte 100 und 102. Die Abschnitte 100 und 102 sind durch eine herkömmliche Dehnungsverbindung 104 mit einer Vielzahl von Falten 106 verbunden. Die Konstruktion derartiger Dehnungsverbindungen 104 ist hinreichend bekannt. Der Leitungsabschnitt 102 4« besteht aus einer Stahlinnenleitung 108 und einer Betonaußenröhre 110. Im Inneren der Betonaußenröhrc 110 ist ein kontinuierlicher zylindrischer Stahlmantel 112 vorgesehen als Barriere gegen ein Eindringen oder Austreten von Fluiden durch die Betonwandung. Die zylindrische Wandung 112 ist aus einer Anzahl von Abschnitten von Stahlumhüllungen 112 und 114 gebildet. Fig. 5 zeigt auch umfangsmäßig angeordnete Vorspanndrähte 118, die mittels bekannter Verfahren um die Betonwandung gewickelt sind. In die Röhre 110 können auch längsorientierte Vorspannelemente eingebettet sein.

Der Ler.ungsabschnitt 102 weist einen Ringflansch 120 auf, der mit der Innenleitung 108 verschweißt ist, sowie Verstärkungspiatten 122 zur Aufnahme des an der Oberfläche des Flansches 120 entwickelten Biegemomente, wenn das System auf Betriebstemperaturen gekühlt wird. Der Flansch 120 liegt an einen starren Dichtungsring 124 an, der wiederum an einem Stahlmantel 116 anliegt, der einen Schulterflansch der Beton- ω röhre 110 bekleidet. Die Konfiguration gemäß Fig.5 unterscheidet sich von derjenigen von Fig.2—4 dadurch, daß der benachbarte Leitungsabschnitt 100 nicht direkt daran anliegt. Die Nettokonlraktions- oder Expansionskräfte zwischen den Abschnitten 100 und 102 werden in der Dehnungsverbindung 104 aufgenommen. Diese ist in einem zylindrischen Stahlmantcl 130 eingekapselt, der mit den verlängerten Abschnitten des dem Leitungsabschnitt 102 zugeordneten Stahlmantels 116 und den entsprechenden verlängerten Abschnitten des dem Leitungsabschnitt 100 zugeordneten Stahlmantels verbunden ist. Der von dem zylindrischen Stahlmantel 130 eingeschlossene Bereich kann mit Isolation gefüllt werden, um ein Eindringen von Wärme durch die Dehnungsverbindung zu verhindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrleitungselement für Tiefsttemperaturfluide, mit einer metallischen Innenleitung für das Tiefsttemperaturfluid, einem die Innenleitung konzentrisch mit Abstand umgebenden Außenmantel und einer die Innenleitung umgebenden, an dieser befestigten, axialen Abstützung der Innenleitung am unter Verwendung von Beton gefertigten Außenmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einer mit Endflanschen (48, SO) versehenen, vorgefertigten Betonaußenröhre (28; 78) besteht, und daß die Innenleitung (24; 22) beim Betrieb mittels versteifter Ringflansche (40), die entweder direkt oder über einen festen Isolierring (44; 46) an den Endflanschen (48,50) der Betonaußsnröhre (28; 78) anliegen, beidseitig axial an der Betonaußenröhre (28; 78) abgestützt ist, wobei die unter dem Einfluß des durchgeleiteten TiefsttemperaIurfluids entstehende axiale Zugspannung der Innenleitung (24; 22) im wesentlichen von der hierdurch unter axiale Druckspannung kommenden Betonaußenröhre (28; 78) aufgefangen wird.

2. Rohrleitungselement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß starre Abstandskörper (30) zwischen der Innenleitung (26) und der Betonaußenröhre (28) vorgesehen sind.

3. Rohrleitungssystem, bestehend aus Elementen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringflansch (40) zwischen zwei Isolationsringen (44,46) angeordnet ist.

4. Rohrleitungssystem, bestehend aus Elementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleitungen (26) an ihren Enden durch Stoßschweißen (85) miteinander verbunden sind.

5. Verfahren zum Bilden e^;nes Rohrleitungssystems nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Positionieren eines ersten Elements einer Metallinnenleitung (26), die unter Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist,
Positionieren einer Flansche (48) aufweisenden Betonaußenröhre (28) um das metallische innenleitungselement (26) im Abstand von diesem, so daß ein Ringzwischenraum (36) definiert ist,
Befestigen eines Ringflansches (40) an der Außenseite des Innenleitungselements (26), wobei der Ringflansch (40) an dem Flansch (48) der Betonaußenröhre (28) anliegt.

Befestigen eines zweiten Elements einer metallischen Innenleitung (76) an dem ersten Element (26), wobei das zweite Leitungselement (76) unter Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist,

Positionieren einer zweiten Betonaußenröhre (78) mit Flanschen (50) um das zweite Metallinnenleitungselement (76) im Abstand von diesem zur Begrenzung eines Ringzwischenraums, wobei ein Flansch (50) der zweiten Betonaußenröhre (78) an dem am ersten Innenleitungselement (26) befestigten Ringflansch (40) anliegt, und
Wiederholen der genannten Verfahrensschritte zur Bildung eines kontinuierlichen Rohrlcitiingssystcins.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringflanschen (40) und den daran anliegenden (-"!ansehen (48, SO) der Hctonaußenröhren (28,78) starre ringförmige Isolierblökke (44,46) positioniert werdea

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Belassen eines Spalts zwischen den Ringflanschen (40) der Innenleitung (26) und den Flanschen (48) der Betonaußenröhre (28), und Abkühlen der innenlcitung (26), wodurch diese sich zusammenzieht, derart, daß ihre Flansche (40) an den Flanschen (48) der Betonaußenröhre (28) anliegen.