DE2361162C2 - Flexible Leitung - Google Patents

Flexible Leitung

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Description

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Die Erfindung betrifft eine flexible Leitung mit wenigstens einer röhrenförmigen dichten nachgiebigen Lage, wenigstens einer ersten röhrenförmigen flexiblen gegen die Zusammenquetschung beständigen, in Kontakt mit der Innen- und/oder Außenwandung der nachgiebigen Lage angeordneten Bewehrung und mit wenigstens einer zweiten flexiblen gegen Zug- und Torsionskräfte beständigen Bewehrung, wobei diese zweite Bewehrung die durch die nachgiebige Lage sowie die erste Bewehrung gebildete Anordnung umgibt und aus wenigstens einer Lage von unten spitzem Winkel zur Leitungslängsachse schraubengangförmig längs einer Zylinderwand vorgeformten, nebeneinander liegenden langgestreckten Profilen aufgebaut ist und die Profile zwischen sich im wesentlichen begrenzte Räume bilden.
Eine solche flexible Leitung ist aus der BE-PS 7 76 035 bekannt Dabei sind die langgestreckten vorgeformten Profile der den Zug- und Torsionskräfte aufnehmenden Bewehrung S- oder Z-förmig ausgebildet und miteinander verhakt; hierdurch waren keine glatten Außenflächen erreichbar. Auch ist dort beim Biegen, d. h. Auseinandergehen der äußeren Lage nicht ausgeschlossen, daß benachbarte Windungen sich auch enthaken können.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine flexible Leitung der eingangs genannten Art nicht nur beständig gegen die Beanspruchung des Zusammenquetschens und Beanspruchungen aufgrund von Zug und Torsion zu machen, sondern die in der Lage ist, dicht in den Stopfbuchsen zu gleiten und dabei radiale Spannkräfte, die sehr hoch liegen können und von den Backen ausgeübt werden, auszuhalten, zu schaffen. Solche Kräfte treten bei in in der Bohrtechnik verwandten Geräten oder bei endlosen Trägerraupen mit Spannschuhen beispielsweise auf.
Mit der Maßnahme nach der Erfindung werden die sonst in Längsrichtung in Kauf zu nehmenden Verluste an Bohrfluid um die Leitung in Höhe der Stopfbuchsen vermieden.
Zwar könnte man darauf verzichten, indem man die Leitung mit einer äußeren Hülle aus elastomerem oder plastischem Material umgibt; diese wird aber bei Durchführung in den Spannbacken schnell beschädigt.
Ordnet man andererseits eine Dichtung aus Elastomer lose zwischen den miteinander verhakten Windungen an, wie in der DE-PS 34 871 für einen aus S-Profilband gewickelten Metallschlauch angegeben ist, so hat dies überhaupt keinen Effekt, da es eben nicht darum geht, die Dichtigkeit der Leitung innen und außen, sondern längs der Außenwand sicherzustellen, wenn diese Leitung durch Stopfbüchsen geführt ist.
Gelöst wird diese Aufgabe überraschend einfach dadurch, daß eine flexible Leitung der eingangs genannten Art so weitergebildet wird, daß die Profile der zweiten Bewehrung aus Stäben mit I-Profil mit dem Steg radial zur Leitungsachse aufgebaut und die im wesentlichen begrenzten Räume mit einem Elastomer angefüllt sind; und daß das die im wesentlichen begrenzten Räume füllende Elastomer mit den Flanschen des I zylindrische Innenflächen und Außenflächen, die im wesentlichen glatt und kontinuierlich sind, bildet.
Man stellt so Leitungen her, die zum einen flexibel und dabei doch in der Lage sind, sehr starke zusammenquetschende Kräfte auszuhalten und dabei eine glatte kontinuierliche zylindrische Außenwand zu bilden, die durch die Schenkel der !-Profile und durch das Elastomer zwischen dem Band der Schenkel und der aufeinanderfolgenden Stäbe gebildet ist. Hierdurch wird das dichte Gleiten in den Stopfbüchsen gewährleistet.
Eine besondere Anwendung findet die Erfindung beim sog. »Flexoforage«. Sie ist aber auch beim Transport von Fluiden wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen brauchbar.
Nach dem bisher beispielsweise auf der Bohrstelle angewandten Stand der Technik wurde die zweite Lage oder Hülle zwischen den metallischen Bewehrungen angebracht, welche die auf die Leitung ausgeübten Kräfte aufnehmen. Während der Bohroperationen kann
aber das gebohrte Loch mittels vorhandener Verschlußblöcke (B.O.P. = Blow-Out-Preventer) nicht verschlossen werden. Longitudinal Austrittsverluste, die auf Spiel zwischen den die zweite Bewehrung bildenden S- oder Z-Profilen zurückzuführen sind, waren in Kauf zu nehmen.
Alle diese Nachteile treten aufgrund der Maßnahme durch die Erfindung nicht auf. Die flexible Leitung kann z. B. als Bohrkolonne eingesetzt werden.
Die beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit B.-zug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigt in
F i g. 1 schematisch den Aufbau einer flexiblen Bohrleitung;
Fig.2 in größerer Darstellung zwei aufeinanderfol- ]5 gende Stäbe einer Lage der Zug- und Torsionsbewehrung; und
Fig.3 in größerer Darstellung eine bevorzugte Austührungsform der jede Zug- und Torsionsbewehrung bildenden Stäbe und die
F i g. 4 und 5 in größerer Darstellung aus nicht-metallischen Materialien gebildeten Stäbe.
Gemäß Fig. 1 weist eine solche flexible Bohrleitung auf von innen nach außen:
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— eine röhrenförmige nachgiebige und dichte Seele oder Lage,
— eine druckbeständige Bewehrungslage 2,
— eine nachgiebige und dichte röhrenförmige Lage 3 und
— eine dichte Bewehrungslage 4, die beständig gegen auf die Leitung ausgeübten Zug- und Torsionskrä'-te ist.
Die röhrenförmige Seele, die für die Innenabdichtung der Leitung sorgt, besteht aus einem elastischen Material, welches beständig gegen chemische und mechanische Wirkungen ist.
Die die Seele 1 umschließende Bewehrungslage 2 besteht beispielsweise aus einer schraubengangförmigen Wicklung von geringer Steigung eines sich selbst verhakenden metallischen Bandes mit einem S- oder Z-förmigen Querschnitt und dient zur Aufnahme der Druckkräfte.
Die die Bewehrungslage 2 umschließende Lage 3 besteht aus einem elastischen Material. Außer der 4^ elektrischen Isolierung der metallischen Lage 2 erleichtert die Lage 3 das relative Gleiten der Lagen 2 und 4 aufeinander und bildet darüber hinaus eine Sicherheitshüile i'ür die Dichtigkeit der Leitung gegenüber der äußeren Umgebung. Im betrachteten '" Fall einer Bohrleitung kann die Seele t sowie die Lage 3 aus RILSAM (Handelsname von Polyamid 11), welches die besten Ergebnisse zu geben scheint, gebildet sein.
Die zug- und torsionsfeste Bewehrung 4 wird meist aus zwei Lagen 5 und 6 vorgeformter Stäbe 7 gebildet. " Diese beiden Lagen sind schraubengangförmig in entgegengesetzten Richtungen mit großer Steigung gewickelt.
Die Lage 5 ruht gegebenenfalls auf einer Trennschicht 8, die um die Lage 3 gewickelt ist; die Lage 6 ruht gegebenenfalls auf einer Trennschicht 9, die um die Lage 5 angeordnet ist.
Diese eventuellen Trennschichten können durch schraubengangfönniges Wickeln eines sehr feinen Bandes (etliche hunderistel Millimeter) eines geeigneten b5 Materials gebildet werden.
F i g. 2 zeigt im Schnitt zwei aufeinanderfolgende Profilstäbe Ta und 7b. welche je Lagen 5 und 6 der Bewehrung 4 bilden. ErfindungsgemaS gibt man diesen Profilstäben einen Querschnitt derart, daß die benachbarten Flächen 10a und 10i>, wenn die Profile schraubengangförmig gewickelt sind, im wesentlichen geschlossene Räume, wie z. B. 12 bilden. In jeden dieser Räume 12 wird ein verformbares Material eingeführt, welches für die Dichtigkeit jeder Bewehrungslage sorgt, indem die geschlossenen Räume gefüllt werden.
Die F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausfülvungsform im Querschnitt der Stäbe 7. Profile, die, wie in F i g. 2 dargestellt, eine Breite m größer als die Dicke h aufweisen, verleihen der Bewehrung 4 manchmal eine gewisse mechanische Instabilität aufgrund der Schwierigkeit, die diese Bänder zeigen können, um sich einer Änderung ihrer Wicklungssteigung anzupassen, wenn die flexible Leitung einer Biegebeanspruchung ausgesetzt wird.
Man hat feststellen können, daß diese Gefahr praktisch fortfiel, wenn die Stäbe 7 mit einem Querschnitt im wesentlichen von I-Form ausgebildet sind, deren Steg in einer Richtung, die im wesentlichen radial bezüglich der Leitung ist, angeordnet ist, wobei die Schenkel der !-Querschnitte zwischen benachbarten Stäben die Räume begrenzen, in die das für die Dichtigkeit sorgende Material eingeführt wird. Längliche Ausnehmungen 13 können gegebenenfalls im Sieg der I-förmigen Stäbe vorgesehen sein, um untereinander die begrenzten Räume kommunizieren zu lassen und Umfangsverbindungen mit dem diese Räume füllenden Material zu erzeugen.
Wie F i g. 3 zeigt, bilden die Stäbe 7 für jede Lage eine im wesentlichen kontinuierliche Innenfläche 11.
Auf diese Weise ist jede der die Bewehrung 4 bildenden Lagen 5 und 6 dicht.
Da die am weitesten außen liegende Außenfläche 11' der Bahn 6 von den Oberseiten der Profilstäbe gebildet ist, stehen die Spannschuhe der Betätigungsvorrichtungen direkt in Kontakt mit den Profilstäben, wodurch einerseits jede Beschädigung des diese geschlossenen Räume füllenden Materials verhindert und andererseits ein besseres Spannen der flexiblen Leitung möglich wird. Man sieht noch, daß dann, wenn die Außenfläche 11' der Bahn 6 auf diese Weise kontinuierlich gemacht ist, es möglich wird, während des Bohrens für das Schließen oder Zusetzen des Bohrloches mittels normalerweise verwendeter B.O.P.-Vorrichtungen zu sorgen.
Die jede der Bahnen 5 und 6 bildenden Stäbe 7 können aus einem metallischen Material mit günstigen mechanischen Eigenschaften gebildet sein und weisen vorzugsweise eine günstige Beständigkeit gegen Korrosion durch das Medium, mit dem sie in Kontakt stehen, auf.
Wenn es jedoch wichtig ist, eine flexible dichte Leitung geringen Gewichts herzustellen, so können die Bahnen 5 und 6 (F i g. 4 und 5) durch schraubengangförmiges Wickeln von Stäben aus einem nicht-metallischen Material zusammengesetzt werden, welches aus einem Harzgefüge 14 besteht, das mittels einer Verstärkung 15 bewehrt wird, die aus im wesentlichen parallelen Fäden hohen Elastizitätsmoduls gebildet ist und die nur eine geringe Torsion oder eine Torsion gleich Null erlitten hat.
Die Struktur bzw. die Matrix oder das Gefüge kann aus einem in der Wärme härtbaren Harz von Typ Phenolformaldehyd. ungesättigtem Polyester oder Epoxidharz bestehen, wobei diese Aufzählung nicht als begrenzend anzusehen ist. oder auch aus einem
thermoplastischen Harz mit einem Schmelzpunkt, der um wenigstens 30°C höher als die Arbeitstemperatur der Struktur ist, wie beispielsweise die Harze vom Typ Polyoxid von Phenyl oder Polysulfon, wobei diese Aufstellung nicht als begrenzend anzusehen ist.
Die Verstärkung kann aus Fasern von hohem Elastizitätsmodul gebildet sein, die in Form kontinuierlicher Fäden und/oder Gewebe und/oder Filz aus geschnittenen Fasern gebildet sein kann.
Die Fäden der Verstärkung können Glasfäden, organische Fäden von einem Elastizitätsmodul wenigstens gleich 700 000 bar, insbesondere Kohlenstoffasern etc. oder auch metallische Drähte sein.
Der Gehalt an Fäden ist hoch (höher als 30 Vol.-%) derart, daß ein Elastizitätsmodul und eine Festigkeit, die so hoch wie möglich liegen, erhalten werden.
Die Fäden können an der Oberfläche mittels eines Produktes behandelt werden, welches eine vollkommene Haftung des Gefüges oder der Matrix an den Fäden derart erlaubt, daß ein maximaler Verstärkungseffekt erhalten wird.
Das so gebildete Material wird in Form langer Profile konstanten Querschnittes angeordnet.
Die Profile können durch kontinuierliches Ziehen einer heißen Ziehdüse zweckmäßigen Querschnitts oder nach irgendeinem anderen analogen Verfahren erhalten werden, welches die Herstellung von Profilen konstanten Querschnitts in großen Einheitslängen ermöglicht.
Die Bestimmung der die Bahn 6 (äußere Bahn) bildenden Profilstäbe aus armiertem Kunststoff kann erfolgen, indem man davon ausgeht, daß diese Stäbe reinen Zugbeanspruchungen ausgesetzt werden. Man kann also annehmen, daß der einzige wichtige Faktor zur Verwendung der Profile nach der Erfindung gebildet wird durch Zugfestigkeit des armierten Kunststoffs. Diese Festigkeit kann extrem hoch liegen (lOOhectobar).
Was die Lage 5 (innere Zug- und Torsionslage) betrifft, so sind die Beanspruchungen in der Benutzung doppelter Art: reine Zugbeanspruchungen und Torsionsbeanspruchungen, die versuchen, das Profil zu knicken. Um dieses Knicken zu vermeiden, ist es wichtig, daß die Steifigkeit des Profils gegen Knicken ausreichend hoch liegt, um die Betriebsbeanspruchungen auszuhalten.
Der minimal notwendige Querschnitt wird also entsprechend den Knickbeanspruchungen berechnet und, wenn dieser Wert höher als dieser bestimmte Wert für die Lage 6 liegt, so nimmt man für die Lage 5 den Querschnitt, der entsprechend der Knickfestigkeit berechnet wurde, ;νεππ man nicht den gleichen Querschnitt wie für die Lage 6 benutzt.
Aufgrund der unterschiedlichen an die beiden Lagen 5 und 6 gelegten Beanspruchungen werden diese beiden Bahnen aus Profilen gleicher oder unterschiedlicher Querschnitte gebildet wobei der Querschnitt des Profils der Lage 5 gleich oder größer dem des Profils der Lage 6 wird. Man hat gefunden, daß unabhängig von der Art des die vorgeformten Stäbe 7 bildenden Materials es notwendig ist, damit das die geschlossenen Räume füllende Material eine gute Dichtigkeit jeder Lage sicherstellt, ein Material zu wählen, das gegebenenfalls in der Lage ist, an den Oberflächen 10a und 10fr (F i g. 2 und 3) zu haften und das eine gute Kohäsion besitzt, um nicht unter Axialdruck herausgedrückt zu werden, und das einen ausreichend geringen Elastizitätsmodul aufweist, um Relativbewegungen der Profilstäbe ein und der gleichen Lage zuzulassen, die sich während der
ίο Durchbiegungen der Leitung darstellen.
Für den Fall flexibler Bohrleitungen muß dieses Material seine Eigenschaften in einem Temperaturbereich beibehalten, der beispielsweise zwischen —40°C und +120° C liegt.
Gute Ergebnisse erhält man mit Materialien, die im Arbeitstemperaturbereich der flexiblen Leitung einen Elastizitätstorsionsmodul aufweisen, dessen Wert zwischen 5 und 500 kg/cm2 bleibt dazu einen Zugwiderstand wenigstens gleich 50 kg/cm2 besitzt und größer als 90 kg/cm2 ist und eine Zerreißfestigkeit wenigstens gleich 10 kg/cm2 aufweist.
Das die geschlossenen Räume zwischen den Profilstäben 7 füllende Material kann aus der nicht begrenzend anzusehenden Liste der folgenden Materialien gewählt werden:
den Polydienelastomeren wie natürlichem Kautschuk, Polyisopren, Polybutadien und seinen Mischpolymerisaten (S-B-R, Acrylkautschuk), Blockmischpolymerisaten mit Butadien-Styroleinheiten (thermoplastisches Elastomer), Polychloropren, Ethylen-Propylenmischpolymerisate,
chlorsulfonierte Polyethylene,
fluorierte Elastomere,
Thioelastomere oder Polysulfide,
Polyurethane,
nachgiebige Epoxidharze,
Polyamide etc.
Die Dichtheit gegenüber der äußeren Umgebung wird erreicht, indem man ein Material zwischen die Windungen der äußersten Bewehrung einführt; man sieht so leicht, daß es möglich ist, eine Leitung mit einem Außendurchmesser geringer als dem der Leitungen nach dem Stand der Technik, die für die gleichen Zwecke bestimmt sind, zu erhalten.
Die Leitungen nach der Erfindung können auch zum Fluidtransport beispielsweise eines Kohlenwasserstoffs, verwendet werden, insbesondere, wenn die Leitungen auf große Tiefe getaucht werden sollen.
Für den Fall, wo hydraulische oder elektrische Energie oder Inforrnationsüberiragungsieifjr.ger. in die flexible Leitung eingebaut werden sollen, ist es möglich, diese Leitungen in einen oder mehreren begrenzten Räumen anzuordnen, die zwischen den benachbarten Profilen wenigstens einer der Lagen der Bewehrung 4 angeordnet sind, wobei diese Leitungen im elastischen diese begrenzten Räume füllenden Material eingebettet sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Flexible Leitung mit wenigstens einer röhrenförmigen dichten nachgiebigen Lage, wenigstens einer ersten röhrenförmigen flexiblen gegen Zusammenquetschung beständigen, in Kontakt mit der Innen- und/oder Außenwandung der nachgiebigen Lage angeordneten Bewehrung und mit wenigstens einer zweiten flexiblen gegen Zug- und Torsionskräfte beständigen Bewehrung, wobei diese zweite Bewehrung die durch die nachgiebige Lage sowie die erste Bewehrung gebildete Anordnung umgibt und aus wenigstens einer Lage von unter spitzem Winkel zur Leitungslängsachse schraubengangförmig längs einer Zylinderwand vorgeformten, nebeneinander Siegenden langgestreckten Profilen aufgebaut ist und die Profile zwischen sich im wesentlichen begrenzte Räume bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der zweiten Bewehrung aus Stäben mit I-Profil mit dem Steg radial zur Leitungsachse aufgebaut und die im wesentlichen begrenzten Räume mit einem Elastomer angefüllt sind; und daß das die im wesentlichen begrenzten Räume füllende Elastomer mit den Flanschen des I zylindrische Innenfläche (11) und Außenfläche (W), die im wesentlichen glatt und kontinuierlich sind, bildet.
2. Flexible Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material an den Wandungen der die begrenzten Räume bildenden Stäbe haftet.
3. Flexible Leitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Durchlässe im Steg des I-Profils zur Verbindung aufeinanderfolgender begrenzter Räume miteinander vorgesehen sind.
4. Flexible Leitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die begrenzten Räume zwischen nebeneinander liegenden Stäben der zweiten Bewehrung füllende Material im Arbeitstemperaturbereich der flexiblen Leitung einen Torsionselastizitätsmodul zwischen 5 und 500 kg/cm2 aufweist.
5. Flexible Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe aus Metall bestehen.
6. Flexible Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe aus einem mit einer Verstärkung armierten Harz gebildet sind, wobei die Verstärkung aus im wesentlichen parallelen Fäden oder Drähten hohen Elastizitätsmoduls besteht, die eine Torsion im wesentlichen von Null erfahren haben.
DE2361162A 1972-12-08 1973-12-07 Flexible Leitung Expired DE2361162C2 (de)

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