DE68913708T2

DE68913708T2 - Verfahren zum Anbringen eines metallischen Endstückes auf ein aus gewickeltem Verbundmaterial bestehendes Rohr.

Info

Publication number: DE68913708T2
Application number: DE68913708T
Authority: DE
Inventors: Marcel Auberon Marcel Auberon; Jean-Francois Fuchs; Pierre Odru Pierre Odru; Charles Sparks Charles Sparks
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Airbus Group SAS
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: EP0377382A1; US5062914A; CA2006669A1; JP3066034B2; ES2054070T3; NO180760B; DE68913708D1; NO895330L; NO180760C; CA2006669C; EP0377382B1; DK669489D0; FR2641841B1; NO895330D0; FR2641841A1; JPH02283427A; DK669489A

Description

Die vorliegende Erfinduug bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen eines metallischen Endstückes auf einem aus einem Verbundmaterial bestehenden Rohr. Derartige Rohre aus Verbundmaterial sind insbesondere für den Einsatz bei der Erdölsuche im Meer vorgesehen.
Auf diesem speziellen Gebiet müssen die Rohre und ihre Endstücke Zugkräften widerstehen, die unter normalen Einsatzbedingungen ungefähr eine Million Newton erreichen können: deshalb wird auch heute noch die Verwendung von metallischen Rohren mit metallischen Endstücken bevorzugt, von denen die Festigkeit gegenüber derartigen Belastungen vollkommen bekannt ist. Denn es konnte berechnet werden, daß der mechanische Zugfluß, der durch die Formel T/πD ausgedrückt wird, in der T die Zugbelastung und D den Durchmesser des Rohres darstellt, auf diesem Gebiet ungefähr 3.500.000 Newton/Meter erreichen kann.
Auf diesem Gebiet, wie demjenigen der Erdölsuche im Meer, weisen die mit metallischen Endstücken versehenen Rohre aus Verbundmaterial, deren Leist keiten mit denjenigen von heutigen metallischen Rohren vergleichbar sein können, best Vorteile auf, insbesondere aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Ermüdung und Korrosion sowie ihres geringeren Gewichtes.
Im übrigen ist zu bemerken, daß bekannte Verbindungen von Rohren aus Verbundmaterialien, die mit ebenfalls aus Verbundmaterial bestehenden Endstücken versehen sind, für diese speziellen Anwendungen nicht akzeptabel sind, denn sie erlauben auch nicht, die erforderlichen Leistungsfähigkeiten zu erreichen.
Heutzutage sind industrielle Verfahren zur Realisierung von Rohren aus Verbundmaterial bekannt, die mit metallischen Endstücken versehen und in der Lage sind, beträchtliche Zugbelastungen auszuhalten, wie in GB-A 2 051 303 und EP-A-0 044 380 beschrieben.
Gemäß einem ersten Verfahren, wie es in der französichen Patentschrift 2 509 011 beschrieben ist, wird ein konisches, metallisches Einsatzteil am Ende eines Rohres aus Verbundmaterial angeordnet und zwischen der Außenfläche dieses Endstückes und der Innenwand des Rohres ist eine Elastomerfolie angeordnet, die an diese Außenfläche angeklebt ist, so daß die Belastungen mit Hilfe dieser Elastomerschicht ühertragen werden. Nach einer ersten Polymerisation des Rohres wird ein zweites. muschelförmiges metallisches Element auf dem polymerisiert en Verbund angeordnet und dann durch eine Umfangswicklung, zum Beispiel aus Glasfasern, umschnürt. Die Verbindung zwischen Metall und Verbund wird außerdem mit Hilfe einer weiteren Elastomerschicht bewirkt, und folglich ist eine zweite Aushärtung notwendig, um die Polymerisation der äußeren Umschnürung und der Klebefilme sicherzustellen.
Gemäß einem anderen Verfahren, das die Fertigung eines Rohres erlaubt, welches durch Bewicklnng von Fasern aiif einen anderen Körper realisiert ist, sind hohle und rohrförmige metallische Ummantelungen zwischen Faserschichten eingefügt, die durch Bewicklung von in radialer Richtung beabstandeten Fasern realisiert sind, und zwar auf Höhe der Endstücke. Die Verbindung wird durch Fixierungselemente erreicht, die den Verbund und die metallischen Ummantelungen durchqueren. In diesem Fall wird die auf das metallische Endstück ausgeübte Zugbelastung durch eine Verklemmwirkung auf die Verbundstruktur übertragen.
Mit diesen Verfahren ist die Herstellung jedoch langwierig und kostspielig, denn sie benötigt zahlreiche manuelle Eingriffe während der Herstellung oder langwierige Herstellungszyklen insbesondere aufgrund mehrerer Polymerisationszyklen und zahlreicher von diesen verursacht er Handhabungsschritte, oder außerdem spezielle Geräte, die für eine gute Qualität der Herstellung unentbehrlich sind, wie zum Beispiel das Durchbohren und das Positionieren von Fixierungselementen, die für das zweite Verfahren erforderlich sind.
Es gibt noch ein weiteres Verfahren, um ein metallisches Endstück und ein Rohr aus Hochdruck-Verbundmaterial zusammenzuftigen, bei dem das Ende eines Teils aus Verbundmaterial ein Endstück überdeckt, dessen Ende einen Absatz von zum Beispiel trapezförmiger Form aufweist, um den herum Verstärkungsfasern aus dem Verbundmaterial gewickelt sind, ein Endstück, dessen anderes Ende ein Hochdruck-Verbindungsstück zum Zusammenbau mit dem zusammenzufügenden Metallstück aufweist. Die Winkel der Bewicklung bezüglich der Achse des Leitungsrohres sind in der Größenordnung von 500 bis 600 gewählt, was von Bedeutung ist und eine geringe longitudinale Festigkeit zur Folge bat, was die Zugfestigkeit schwächt und die Dehnungseffekte des Verbundrohres erhöht.
Eines der Ziele der Erfindung besteht demzufolge in der Bereitstellung eines Verfahrens, das die Schwierigkeiten, die den bekannten, zuvor genanulen Systemen eigen sind, vermeidet und die Befestigung eines metallischen Endstückes auf einein Rohr aus Verbundniaterial gemäß einem einfachen Verfahren erlaubt, das ein Minimum an manuellen und folglich automatisierbaren Eingriffen benötigt.
Der Gegenstand der Erfindung besteht folglich aus einein Verfahren zum Anbringen eines metallischen Endstückes auf ein Rohr aus gewickeltem Verbundmaterial, das daraus besteht, im wesentlichen longitudinale Fasern fortlaufend zugleich um eine zyliudrische Wickelhülse herum zur Bildung des laufenden Teils des Verbundrohres und um ein metallisches Endstück herum, das die Form eines Doppelkegels aufweist, zu wickeln, einem Verfahren, gemäß dem longitudinale Fasern oder Gelege aus longitudinalen Fasern, die um Dorne herum zurücklaufen, welche auf einem Ring verteilt sind, der auf einem außen mit einem Gewinde versehenen Teil angeordnet ist, welcher das doppelkegelförmige metallische Endstück verlängert, auf die Wickelhülse und das Endstück gewickelt werden, gemäß dem der noch nicht polymerisierte Verbund beschnitten wird, wenn alle longitudinalen Fasern angebracht sind, gemäß dem der Ring mit seinen Dornen entfernt wird, gemäß dem eine Mutter auf dem außen mit einem Gewinde versehenen Teil vorgeschoben wird, bis sie gegen das Ende des konischen Teils des Endstückes zum Anschlag kommt, und gemäß dem Umfangsfasern, die durch die Mutter fixiert sind, direkt über die longitudinalen Fasern gewickelt werden, bevor eine endgültige Polymerisation des Rohres erfolgt.
Dabei können eine Faser oder ein Gelege aus longitudinalen Fasern um zwei Dorne herum zurücklaufen, wobei sie zwischen den zwei Dornen, die sie umfahren, eine Umfangsbahn beschreiben.
Gemäß einem weiteren speziellen Merkmal der Erfindung wird der fortlaufenden Wicklung der longitudinalen Fasern vorausgehend eine Abdichthaut aus Elastomer auf den Teil der Wickelhülse gewickelt, der nicht durch das Endstück überdeckt ist.
Gemäß einer Variante ist außerdem vorgesehen, auf Höhe der Grenzfläche zwischen dem Verbund und dem metallischen Endstück mittels einer Elastomerfolie eine Verklebung anzubringen.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Verbundrohres, das mit dem metallischen Endstück verbunden ist;
Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren vereinfachten Verbindungsart;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer Variante der Figur 3.
In Figur 1 wurde ein metallisches Endstück (2) von der besagten Form eines Doppelkegels dargestellt, das heißt dessen Außenwand sich ausgehend von einem seiner Enden bis zu seinem größten Außendurchmesser (D) stetig vergrößert und dann in Richtung seines anderen Endes abnimmt. Dieses Endstück (2) ist dazu vorgesehen in longitudinale Fasern eingehüllt zu werden, die das Rohr (1) aus Verbundmaterial bilden. Eine Umschnürung aus Umfangsfasern (7) überdeckt das Rohr sowie das Endstück und hält die longitudinalen Verbundfasern fest in engem Kontakt gegen das Endstück das auf diese Weise in die Fasern eingefügt ist. Es versteht sich daß mit einer derartigen Vorrichtung eine auf das Endstück ausgeübte Zugbelastung durch eine Klemmwirkung auf den Verbund übertragen wird: die Dicke der Umfangsumschnürung (7) ist so berechnet, daß die durch die konische Form des Einsatzteils hervorgerufenen radialen Belastungen aufgenommen werden. Denn eine Zugbelastung neigt dazu den Verbund aufzuspreizen, und wenn die Umschnürung (7) ausreichend ist, kann das Endstück (2) aufgrund seiner doppelkegeligen Form nicht herausgehen und verbleibt umschlossen. Die Wirksamkeit dieser Verbindung durch Verklemmung ist maximal, wenn das Endstück bezüglich des Verbundes verschoben ist, denn es ist eine Selbstklemmwirkung vorhanden. Was die das Rohr (1) bildenden longitudinalen Fasern betrifft, die dazu vorgesehen sind, die Zugbelastungen in dem Rohr aufzunehmen, sind sie unter Winkeln gewickelt die von 50 bis 400 bezüglich der Rohrachse betragen können. Das Rohr kann auch auf seinem laufenden Teil Umfangsfasern (6) aufweisen.
Das auf diese Weise dargestellte doppelkegelförmige, metallische Endstück (2) wird durch einen außen mit einem Gewinde versehenen Teil (11) verlängert, das dazu vorgesehen ist, zur Verbindung verschiedener Rohre miteinander zu dienen. Dieses Gewinde wird zur Positionierung eines Ringes (8) ausgenutzt, auf dessen Umfang eine Reihe von Dornen (9) eingesetzt ist, die bezüglich einer zur Rohrachse senkrechten Ebene geneigt sein können. Diese Neigung erlaubt eine Erleichterung des Verhakens.
Wenn man diesen Verbindungskomplex realisieren möchte, wird mit dem Aufbringen des mit seinem Ring (8) versehenen Endstückes (2) auf einen Wickelhülsenträger (4) begonnen. Dann wird auf den Teil der Wickelhülse, der nicht durch das Endstück überdeckt ist, eine Abdichthaut aus Elastomer (5) gewickelt. Danach werden die das Rohr (1) bildenden longitudinalen Fasern fortlaufend gewickelt wobei sie um die von den Ringen (8) getragenen Dorne (9) herum zurückjaufen. Genauer unfährt eine longitudinale Faser oder ein Gelege aus longitudinalen Fasern einen Dorn (9), dann gelangt sie/es auf einer kurzen Umfangsbahn zu einem weiteren, benachbarten Dorn (9) um ihn selbst zu umfahren und das umkehren zu bewirken, um longitudinal über dem Endstück und dem Rohr wieder zurückzulaufen. Es ist zu erwähnen, daß die Fasern auf diese Weise einen einzdnen Dorn oder zwei unmittelbar benachbarte Dorne oder auch zwei nicht unmittelbar benachbarte Dorne umfahren können. In diesem letzteren Fall beschreiben die Fasern eine Umfangsbahn über dem Ring (8) zwischen den zwei Dornen, die sie umfahren. Auf diese Weise sind die Fäden während der Umkehrung der Legerichtung der longitudinalen Fasern selbst-stabilisiert. Danach erfolgt wie zuvor erwähnt, eine Vmfangsbewicklung (7) zum Umschnüren der longitudinalen Scliichten auf dem nietallischen Endstück (2). Eine letzte Polymerisation des Rohres verleiht dem Verbund seine endgültigen Eigenschaften.
Gemäß der Erfindung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, wird wenn alle longitudinalen Gelege angebracht sind, der noch nicht polymerisierte Verbund beschnitten, der Ring mit Dornen wird entfernt und dann wird eine Mutter (10) auf dem Gewinde (11) vorgeschoben, bis sie gegen das Ende des konischen Teils des Endstückes (2) zum Anschlag kommt. Dann wird eine Verstärkung aus Umfangsfasern (7) gewickelt, wobei deren Ende durch die Mutter (10) gehalten und fixiert ist. Eine letzte Polymerisation verleiht dem Rohr seine Steifigkeit. Die mit dem Zug verbundene Dehnung kann verhältnismäßig groß und lediglich durch eine Klemmwirkung zwischen dem Rohr und dem doppelkegefförmigen Endstück (2) kompensiert sein deshalb besteht Interesse daran, wie in Figur 4 dargestellt, den Verbund mit dem metallischen Endstück (2) durch eine Verklebung, zum Beispiel mit Hilfe eines Epoxidklebers, auf Höhe der Grenzfläche zwischen Endstück und Rohr mittels einer Elastomerfolie (3) zu verbinden. Die relativen Bewegungen des Metalls in bezug auf den Verbund sind folglich auf die Scherdeformation der durch die Elastomerschicht (3), welche die um den laufenden Teil des Rohres herum vorgesehene Elastomerschicht (5) verlängert, gebildeten Verbindungsschichten begrenzt.
Mittel zum Verhaken der longitudinalen Fasern, die aus Nadeln, Haken oder analogen Elementen bestehen können, können die Dorne ersetzen.

Claims

1. Verfahren zum Anbringen eines metallischen Endstückes auf ein aus Verbundmaterial bestehendes Rohr, bei dem Fasern fortlaufend zugleich um eine zylindrische Wickelhülse herum zur Bildung des laufenden Teils des Verbundrohres und um ein metallisches Endstück herum, das die allgemeine äußere Form eines Doppelkegels aufweist, gewickelt werden, gekennzeichnet dadurch, daß longitudinale Fasern (1) oder Gelege aus longitudinalen Fasern, die um Dorne (9) herum zurücklaufen, welche auf einem Ring (8) verteilt sind, der auf einem außen mit einem Gewinde versehenen Teil (11) angeordnet ist, welcher das doppelkegelförmige metallische Endstück verlängert, auf die Wickelhülse (4) und das Endstück (2) gewickelt werden, dadurch, daß der noch nicht polymerisierte Verbund beschnitten wird, wenn alle longitudinalen Fasern angebracht sind, dadurch, daß der Ring mit seinen Dornen entfernt wird, dadurch, daß eine Mutter (10) auf dem außen mit einem Gewinde versehenen Teil vorgeschoben wird, bis sie gegen das Ende des konischen Teils des Endstückes zum Anschlag kommt, und dadurch, daß Umfangsfasern (7), die durch die Mutter fixiert sind, direkt über die longitudinalen Fasern gewickelt werden, bevor eine endgültige Polymerisation des Rohres erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Rohr (1) bildenden longitudinalen Fasern mit zwischen 50 und 400 variierenden Winkeln in Bezug auf die Achse des Rohres gewickelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Umfangsfasern (6) direkt auf den laufenden Teil des Rohres (1) gewickelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dorne (9) bezüglich einer zur Achse des Rohres senkrechten Ebene geneigt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fortlaufenden Wicklung der longitudinalen Fasern (1) vorausgehend eine Abdichthaut (5) aus Elastomer auf den Teil der Wickelhülse (4) gewickdt wird, der nicht durch das Endstück (2) überdeckt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faser oder ein Gelege aus longitudinalen Fasern um zwei Dorne (9) herum zurückläuft, wobei sie zwischen den zwei Dornen, die sie umfährt, eine Umfangsbahn beschreibt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf Höhe der Grenzfläche zwischen dem Verbund und dem metallischen Endstück mittels einer Elastomerfolie eine Verklebung angebracht wird.