DE2361181A1

DE2361181A1 - Flexibles laengliches element mit verstaerkungsbewehrung

Info

Publication number: DE2361181A1
Application number: DE2361181A
Authority: DE
Inventors: Gerard Bonavent; Michel Chatard; Michel Huvey; Jean Thiery
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1972-12-08
Filing date: 1973-12-07
Publication date: 1974-06-12
Also published as: CA1005367A; US4013100A; DE2361181C2; GB1443225A; NO148084B; IT1002199B; NL176298C; NO148084C; NL176298B; NL7316888A; JPS5550766B2; JPS5024371A

Description

IITSIIXUI FRAIiCAIS DU PEEROLE, PES CARBURAHXS EX LUSRIFIANXs Rueil-Malmaison, Frankreioh

Flexibles längliches Element mit Verstärkungsbewehrung,

Die Erfindung batrifft ein längliches flexible® Element mit einer Verstärkungsbeiiäirusg.

Insbesondere bezieht sieh die Erfindung auf ein längliches Elements beispielsweise ein Kabel, eine Leitung eto. mit wenigstens einer Yerstärlrangsbewahrungg die sur Aufnahme der Zugkräfte bestimmt ist.

Lediglich sur Vereinfachung des ?er@tändnig@@@_? wird Sie Erfindung, ohn@ irgeM^i© hierauf beschränkt eu sein, anhand einer flexiblen L@itung mit ^ugbestänäigen Be» wehrungen beschrieben, di@ für d@n Transport eines Fluids ( beispielsweise eines Kohlenwasserstoffs ) dient oder di@ Bohrkolonne bei der Yerwirkliohung der Xeohniken des sogenannten "Flexoforage^R bildet» Biese Leitungen wer~- d®n nämlich erheblichen Zugkräften ausgesetzt ₉ entweder bei ihrem Einführen ( insbesondere_f wenn sie am Meeres« boöen angeordnet sind ) od©r !Während ihrer Verwendung_β

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Diese flexiblen Leitungen bestehen im allgemeinen aus wenigstens einer treten gegen Quetschkräfte beständigen Bewehrung, die von einer zweiten zugbeständigen Bewehrung umgeben ist» Gegebenenfalls sorgen ein oder mehrere nachgiebige Hüllen für die Dichtigkeit der flexiblen Leitung.

Damit die Leitung eine günstige Flexibilität beibehält« wird die zugbeständige Bewehrung durch swei Bahnen ?on Drähten, Litzen oder metallischen Bändern gebildet? welche spiralförmig in ©ntgegengesetatsn Richtungen um die bruch- odar quetachbeständige Bewehrung gewickelt werden. Der für die beiden Bahnen dieser Bewehrung identische Wioklungsschritt bestimmt die Flexibilität dar Leitung, Erhöht man dgn Wert des Wioklungsschrittes_? so erhält man ein® Bewahrung_s die wohl beständig gegen Zugkräfte ist₉ "bei der jedoch die Flexibilität dsr Leitung abnimmt.

Indem man den Wert des Wieklungssöhrittes Terminiert erhöht man umgekehrt die Plexibilität der Leitung aum Nachteil ihrer Zugkräfte*

für .jeden Benutsuagafall wählt isr Seetallrer öaa Wicklungsschritt baw_t die Wicklungateilung soxfi© den Querschnitt der die Bahnen der gugbss/e&rung bildenden Draht®§ Litzen oder Stäbe.

Es hat sioa geseigt= daß die so 'asx-gestelltea Leitungen in der Lage sh.vl: s&hr ©rhsblich© ausschalten. Με.^;ΐ Mv. afeäjc auch f.es-'SiTGzLlQR köaa$a._f daB die Yerwöiiduag Tor* nachgiebigen Draht&n oder Litzen smr Bildung dar Zugbawehrungen s*a siaer schleohten Stabilität

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original

dieser Bewehrungen führte» Im lalle eines evtl. Durchschneidens oder einer Stüekelung einer zugfesten Bewehrung versuchen die nachgiebigen Drähte oder Litzen nämlich; sich von der Achse der Leitung zu entfernen. Diese schächte Stabilität kann sich auch darstellen, wenn die Leitung Biegebeanspruchungen ausgesetzt ist, dia beispielsweise bei der !Führung der Leitung über ein Umlenkorgan,, beispielsweise eine Blocksoheibe, auftreten.

Man hat bereits vorgeschlagen, die Bahnen oder Schichten jeder Bewehrung aus steifen Stäben herzustellen, die bei der Herstellung- der Bewehrung einer permanenten Verformung? die sine Funktion des Durchmessers-der Bewehrung und des Wicklungssohrittes oder der Wicklungteilung ist auszusetzen. Dieses Yorformen ermöglicht es₉ den ersten der oben angegebenen Fachteile zu überwinden und es wird so möglieh? eine Leitung in Stüokezu schneiden^ ohne daß die Profilelemente sich plütslioh aus der Aohse der Leitung entfernen; die Instabilität, der so hergestellten Bewehrung kann aber fortwirken _t wenn die Leitung Biegekräften ausgesetzt ist«

zu versuchen^ diesen letztgenannten Nachteil zu eliminieren _? wurden vorgeformten Stäbe mit einem Querschnitt -von S- oder Z-Profilform verwendete die ein Verhaken der benachbarten Stäbe ermöglichen, wobei die größte Dimension des Querschnitts entsprechend einer Richtung vorgesehen wird, die im wesentlichen senkrecht zum Leitungeradius durch den Schwerpunkt des Querschnitts des Profilstabs geht. Selbst kombiniert mit einer stärkeren Vorforraung ( oder

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einer übermäßigen Terforsning ) der Stäbe gibt diese Anordnung der Bewehrung keine ausreichende Stabilität und es kann ein Aueeinanderhaken der Profilteile ohne die Möglichkeit sich wieder zu verhaken einstellen, wenn die Leitung Biegekräften ausgesetzt wird.

Durch die Erfindung soll nun ein längllohes flexibles Element wie eine Leitung vorgeschlagen werden, die eine stabile Verstärkungsbewehrung aufweist, welche In der Lage ist, ohne sich aufzulösen oder eine Zerstörung zu bewirken erhebliche Zugkräfte sowie die Biegekräfte aussuhalten, die am länglichen Element sur Wirkung kommen können.

Beispielswelse Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beillegenden Zeichnungen näher erläutert werden« in denen:

flg. 1 eine flexible Leitung nach dem Stand der Technik zeigt, welche mit einer zugfesten Bewehrung oder Armierung versehen ist;

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch eines der die zugfeste Bewehrung nach Pig. 1 bildenden Profilei

fig« 3 zeigt perspektivisch die theoretische Verformung eines der Profilstäbe der zugfesten Bewehrung der Leitung nach Pig. I;

Pig. 4 ist ein sohematischer Schnitt längs der Linie IV-IV in Pig. 3, in welchem sämtliche Profilstäbe einer der Bahnen der zugfesten Bewehrung dargestellt sind; die

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Fig. 5A_? 5B, 5C und 5D zeigen verschiedene formen

möglicher Querschnitte für die Profilstäbe einer zugfesten Bewehrung für eine flexible Leitung nach der Erfindung, und die

Fig. 6A bis 6C zeigen Pxofilstäbe aus nicht-metallischen Materialien, wobei diese Stäbe die gleichen Querschnitte wie die nach den Fig. 5A bis 5D aufweisen.

Fig. 1 zeigt eine Bauart einer dichten flexiblen leitung, welche erheblichen Zugkräften ausgesetzt werden kann und bei der die zugfeste Bewehrung nach dem Stand der Technik ausgebildet ist»

Diese Leitung besteht von innen nach außen aus;

- einer nachgiebigen Innenhülle oder röhrenförmigen. Seele I₅ beispielsweise aus einem plastischen Material* wie einem Elastomeren,

- einer metallischen flexiblen die röhrenförmige Seele 1 umgebenden Bewehrung 2, die beständig gegen die Kräfte 1st, welche durch die Drück® erzeugt wurden, die im Inneren und außerhalb der flexiblen Leitung herrschen;

<- einer nachgiebigen und dichten Hilll® 3$ die aus einem plastischen Material» beispielsweise einem Elastomeren gebildet ist und die Bewehrung 2 überdeckt, derart» daß der außerhalb dieser Leitung herrschende Druck nicht direkt auf die röhrenförmige Bewehrung 1 wirken kann=

- undeiner zugfesten Bewehrung 4.

Die röhrenförmige Seele l_s die Bewehrung 2 und die Hülle

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an eich stellen keinen Seil der Erfindung dar und werden daher nicht genauer beschrieben. Bekanntlich kann die Bewehrung 2 beispielsweise durch spiralförmige Wicklung bei geringer Wicklungssteigung aus einem metallischen sioh selbst verhakenden Profil von S- oder Z-förmigem Querschnitt gebildet werden.

Die zugfeste Bewehrung 4 besteht aus zwei spiralförmig und in entgegengesetzter Richtung bei großer Wicklungasteigung gewickelten Bahnen 5 und 6. Im allgemeinen bilden die Windungen dieser Wicklungen mit der Achse der Leitung einen Winkel von höchstens 40 °«

Nach dem Stand der Technik 1st j@d® Bahn gebildet durch eine Vielzahl von metallischen Drähten oder Litzen oder auch, wie Fig. 1 erkennen läflt, aus metallischen Prof11-stäben 7» die vorgeformt und derart angeordnet sind, daß ihre größte Querschnittsabmessung im wesentlichen senkrecht zu einem Radius der flexiblen Leitung zu liegen kommt»

Pig. 2 zeigt den Querschnitt jedes Stabes 7_S der ein Verhaken dieser Stäbe bezüglich einander ermöglicht.

Pig. 3 läßt schematisch die theoretische Verformung eines Profilstabes 7 der zugfeatsn Bewehrimg arkennen_s wenn die flexible Leitung, insbesondere bei ihrer Pührimg um eine Blockscheibe 8, Biegebeanspruchungen ausgesetzt wird.

Man erkennt unterhalb der neutralen Faser 9 - dargestellt durch eine Strichpunktierung - daß die Erzeugenden der flexiblen Leitung komprimiert w@rdea_P während die äußeren Erzeugenden gelängt werden und nur die in Höhe

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der neutralen Faser 9 befindlichen Erzeugenden in der Länge nicht modifiziert werden.

Hieraus folgt, wie man in Fig. ? feststellen kann, daß eine durch einen Profilstab 7 gebildete Windung, die sich in der Biege- oder Flexionszone befindet, eine Wicklungesteigung bzw, einen Wicklungsschritt aufweist» dessen Wert verglichen mit dem des Wioklungssohrittes bei geradliniger Leitung kleiner in der Druokaone der Leitung und größer in der Zugzone bzw, Längungszone der Leitung sein muß.

Man stellt fest, daß diese Änderung des Wicklungsschrittes um so größer ist, je kleiner der Krümmungsradius der Leitung wird.

Mit den bisher verwendeten Profilstäben sorgt die Schwierigkeit der Anpassung der Stäbe an die Änderungen des Wicklunge· Schrittes für einen gewissen Verdrehungsfehler der Profilstäbe, was sich in einem lokalen Enthaken der Profilstäbe ohne Möglichkeit eines Wiedereinhakens in den Druck- und Zugzonen der einer Biegebeanspruchung ausgesetzten Leitung darstellt. Dieses Phänomen ist sohematisch in Fig. 4 dargestellt, wo allein die Bahn 5 wiedergegeben ist.

Diese Instabilität der zugfestes Bewehrung wird bei flexiblen Leitungen nach der Erfindung eliminiert, indem man die jBUgfeste Bewehrung aus vorgeformten. Profilstäben zusammensetzt _f die schraubenförmig gewickalt sind_s wobei diese Stäbe jeweils einen Querschnitt aufweisen» der bezüglich einer Transversalachse X¹I (Fig. 5A bis 5D ), die durch den Schwerpunkt G des Querschnittes geht, ein Träghelts-

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moment aufweist, dessen Wert maximal verglichen mit den anderen durch G gehenden Trägheitsmomenten ist. Jeder dieser Querschnitte ist derart angeordnet_? daß der durch den Schwerpunkt Gr gehende Leitungaradius Im wesentlichen senkrecht zur Achse X¹X steht.

Sit Pig. 5A Dia 5D zeigen im Schnitt senkrecht zur Achse der Leitung einen Tail dieser Bahnen der zugfesten Bewehrung der flexiblen Leitung nach der Erfindung. In die sei), figuren kann man die unterschiedlichen möglichlichen Querschnittsformen für die Stäbe erkennen. Sie Querschnitte können (Fig. 5A) rechteckig, trapezförmig [ Pig, 5B), T-förmig (Fig. 50) oder I-förmig (Fig. 5D) sein.Bei der Herstellung der Bewehrung wird eine Entfernung ^fleⁿ vorzugsweise zwischen den verschiedenen Stäben derart gehalten_f daß an die darunter befindlichen Bewehrungen Radialkräfte übertragen werden können« die beispielsweise durch die Spannschuhe eineo Betätigungsorgans für die Leitung? beispielsweise eine Zugraupe _t aufgebracht werden.

Wie die Fig. 5A Mb 5C erkennen lassen? werden die Stäbe 7 derart angeordnet, daß ihre größte Querschnittsabmessung im wesentlichen in einer radialen Richtung der Leitung angeordnet wird.

Gegebenenfalls können die freien Bäume zwischen den Stäben ein und der gleichen Bahn teilweise oder vollständig durch ein verformbares Material aufgefüllt oder zugeschüttet werden, was der Anordnung aus Stäben einer Bahn eine bessere Kohäslon verleiht.

Die genaue Form des Querschnitts kann durch den Techniker

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■ - 9 bestimmt werden als runlet ion:

- dsr maximalen an die Leitung gelegten Zugkräfte, ™ des Wieklungssehritts der Stäbe» und

- des Leichtigkeitsgrads mit dem sich die Stäbe den Änderungen ihres Wioklungsschrittes anpassen und der erforderlich ist_s wenn die flexible Leitung Biegebeanspruehungen ausgesetzt ist.

Diese Anpassungsleichtigkeit ist um so wichtiger» je mehr das Verhältnis des maximalen Trägheitsmoments M des Querschnitts bezogen auf die oben definiert© Achse X¹X, die durch den Schwerpunkt 6 des Querschnitts verläuft, zu dem Trägheitsmoment M dies©s Querschnitte» bezogen auf die durch den Schwerpunkt verlaufende Achse OG, dia senkreoht aur Achse X'X steht_s größer als 1 wird.

Praxis ist es awackmäßig* daB da® Verhältnis si

der Gleichung 1,5 ( _ ζ _{2 unä} _{TOrsugg¥eie@} i_f6^— < ^ι·^β

BIe jede der zugfesten Bahnen bildenden vorgeformten Stäbe können aus einem metallischen Material mit günstigen mechaai

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-loschen Eigenschaften gebidet sein und vorzugsweise eine gute Korrosionsfestigkeit gegediber dem Medium, mit dem die Stäbe in Kontakt kommen,aufweisen.

Wenn es jedoch wichtig 1st, eine flexible dichte Leitung geringen Gewichtes herzustellen, so können die vorgeformten Stäbe 7 aus einer Matrix 14 aus Harz gebildet sein, das mittels einer Verstärkung armiert wird, die aus im wesentlichen parallelen Drähten 15 mit hohem Elastizitätsmodul gebildet ist und eine Toreion von nur geringem Wert oder gar vom Wart Null erfahren hat.

Die MaMz bzw, &i@ Struktur kaxm aus is der Wärme .härtbarem Harz vom Typ Phenolformaldehyde ungesättigtem Polyester oder ipoxycitiErs sein, wobei diese Liste nicht als begrenzend angesehen werden kann oder kana aus einem thermoplastischen H&rs mit eine® Glasumwandltangssustand bestehst &®r um wenigetens 30⁰O höher als die Arbeitstemperatur der Struktur liegt, wie beispielsweise die Harz® vom Typ Polyoxyä von Phenyl oder Polysulfone wofeei diese Liste niofct sie begrensead angesehen werden aolle

Die Verstärkung kann aus Fasern sit hohem Elastizitätsmodul gebildet sein_s die in Form von kontinuierlichen Fäden und/oder Seweben und''oder Pils oder Matratzen

aus geschnittenen Fasern Y@rwirklielxt werden kann«

Die Fäden der Verstärkung können Glasfaden_? organische Fäden mit einem Elastizitätsmodul --ψοώ, wenigstens 700 Bar, insbesondere Kohlenstoffasern etc. oder auch metallische Drähte sein.

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Der Gehalt an Päden kann vorsugsv/eis® erhöht sein ( höher als 30 Volumenprozent )₆ derart; daß ein Elastizitätsmodul eowie eine Festigkeif erhalten werd®&? di© so fcooh' wie möglich liegen,,

Die Päden werden an der Otoerfläohe mittels eines Produktes t&handelt_f welches eine vollständige Verankerung oder Haftung der Struktur an den Päden derart ermöglicht_? daß ein maximaler Yerstärkungseff©kt erhalten wird.

Das so gebildete Material wird an seinem Ort in Profilen großer 7Mn.g® konstanten Querschnitte gebracht

Die Profile werden durch kontinuierliches Ziehen in einer heißen Düse zweckmäßigen Querschnitts oder entsprechend einer anderen analogen Technik erhalten,, welche die Herstellung von Profilen konstanten Querschnitts in großen Einheitslängen ermöglicht,

Ansprüche: - 12 -

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Claims

- 12 ANSPRÜCHE

Längliches flexibles Element mit einer zug- und biegefesten Bewehrung mit Verstärkung, wobei diese Bewehrung wenigstens eine Bahn -vorgeformter Profilstäbe umfaßt, die spiralförmig mit einer Wicklungssteigung derart gewickelt sind, daß die Windungen mit der Achse des länglichen Elementes einen Winkel von höchstens 40 ° einschließen, dadurch gekennzeichnet daß der gerade Querschnitt jedes Profilstabes derart gewählt ist₉ daß sein Trägheitsmoment bezogen auf eine Querachse dieses Querschnittes} die durch dessen Schwerpunkt geht, einen Wert größer als den der Trägheitsmomente aufweist)die bezüglich der anderen durch fliesen Schwerpunkt gehenden Jksheen gemessen sind; und daß jeder der Profilstäbe derart angeordnet ist» daß der Radius des länglichen Elementes» der durch den Schwerpunkt des geraden Querschnittes dee Stabes geht* senkrecht zu dieser Querachse ist.

2. Längliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß &Θ.Β Verhältnis zwischen dem !Trägheitsmoment des geraden Querschnittes jedes Stabes bezogen auf diese Querachse und dem Trägheitsmoment dieses Querschnittes besagen auf den Badiu.s des länglichen Elementes, der durch den Schwerpunkt des Querschnitts geht und senkrecht zu dieser Achse steht, zwischen 1*5 und 2 beträgt«

3ο Längliches flexibles Element nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment des geraden Querschnitts jedes Stabes, bezogen auf diese Transversalaohse und dein Trägheits-

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moment dieses Querschnitts bezogen auf den Radius des länglichen Elements, der durch den Schwerpunkt des Querschnitts und senkrecht zu dieser Querachse verläuft, zwischen 1,6 und 1,8 beträgt.

4* Längliches flexibles Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Querschnitt jedes Profilstabes eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.

5. Längliches flexibles Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes Profilstabes eine im wesentlichen trapezförmige Gestalt aufweist.

6. Längliches flexibles Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da8 der Querschnitt jedes Profiletabes im wesentlichen !-Gestalt aufweist»

7. Längliches flexibles Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da£ der Querschnitt jedes Profilstabes im wesentlichen !-Gestalt aufweist.

8. Längliches flexibles Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dia Psofilstäbs ein und der gleichen Bahn derart angeordnet sind, daS ©in Zwischenraum zwischen den benachbarten Stäben verbleibt.

9. Längliches flexibles Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstäbe aus einem metallischen Material bestehen.

10. Längliches flexibles Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstab aus einer

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Matrix oder einer Struktur aus Harz gebildet sind, das mit einer Verstärkung bewehrt 1st, die aus im wesentlichen parallelen Drähten von hohem Elastizitätmodul gebildet ist und nur eine Torsion im wesentlichen gleich Null erfahren hat.

11. Längliches flexibles Element nach Anspruch 1O₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der fäden in dfeser Struktur oder Matrix wenigstens 30 Volumenprozent beträgt.

12. Längliches flexibles Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das files© Struktur bildende Harz ein in der Wärme härtbares HarE ist.

13. Längliches flexibles Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet _% daß das diese Struktur bildende Harz ein thermoplastisches Harz ist.

14. Längliches flexibles Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ears verstärkenden Fäden endlose Fäden sind.

15. Längliches flexibles Element aacfe Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet; daß die das Harz verstärkenden Fäden Glasfäden sind.

16. Längliches flexibles Element nach Anspruch 15ι dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfäden vorbehandelt sind, derart, daS das Harz am Glas haftet.

17· Längliches flexibles Element nach Anspruch 10, daduroh gekennzeichnet, daß die das Harz verstärkende

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Faser von hohem Elastizitätsmodul eine kontinuierliche organische Paser von einem Elastizitätsmodul höchstens gleich 700 000 Bar ist, .

18. Längliches flexibles Element nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die organische Faser vorbehandelt ist» derart, daß das Harz an dieser Faser
haftet.

19. Längliches flexibles Element nach Anspruch 17? dadurch gekennzeichnet, daß diese organische Faser
eine Kohlenstoffeser ist.

20. Längliches flexibles Element nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die das Harz verstärkenden Fäden metallische Drähte sind.

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