DE69017935T2 - Rohr aus Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen faserigen Beschichtung und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Rohres. - Google Patents

Rohr aus Verbundwerkstoff mit einer thermoplastischen faserigen Beschichtung und Verfahren zum Herstellen eines derartigen Rohres.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr aus faserigem Verbundwerkstoff mit einem warmaushärtenden Bindemittel und bezieht sich genauer auf ein Rohr, das mit einer thermoplastischen, faserigen inneren Beschichtung versehen ist, und dessen Herstellungsverfahren, insbesondere zur Anwendung bei Erdölproduktionsrohren, die bei allen Druckpegeln arbeiten.
  • Auf diesem speziellen Gebiet werden die verwendeten Rohre gewöhnlich durch Wicklung von Fasern, zum Beispiel aus Aramid, aus Glas, aus Kohlenstoff, realisiert, die von warmaushärtenden Matrizen, wie Epoxid, eingehüllt sind. Um bei hohen inneren Drücken in der Größenordnung von 350 bar während des Betriebs dicht zu sein, müssen diese Rohre im Inneren mit einer Schicht aus einem Produkt ausgekleidet sein, das die Dichtigkeit sicherstellt. Gegenwärtig sind die Rohre aus Verbundwerkstoffen mit einer inneren Beschichtung aus Elastomer versehen, für den Transport von Erdöl oder Gas weist diese jedoch den Hauptnachteil auf, daß sie eine im allgemeinen sehr begrenzte Lebensdauer besitzt, wenn sie mit Gas, wie Schwefelwasserstoffsäure H&sub2;S, in Verbindung kommt, von dem man weiß, daß es sich in einem nicht vernachlässigbaren Anteil in den Erdölen finden kann. Es empfiehlt sich daher, diese augenblicklich bekannten elastomeren Beschichtungen durch Materialien zu ersetzen, die nicht oder die wenig empfindlich gegenüber ausströmendem Erdöl sind, und man sieht dafür aus Mangel an adäquaten Elastomeren die Polyamidbeschichtungen vor, wie sie in GB-A-2 077 880 angegeben sind, die thermoplastisch sind und die folglich auf der Innenseite eines Rohres aus Verbundwerkstoff angebracht werden müssen, das aus durch eine warmaushärtende Matrix verbundenen Fasern gebildet wird.
  • Für dieses Anbringen besteht eine erste Lösung daraus, eine Umhüllung aus reinem Polyamid im Inneren des Rohres aus Verbundwerkstoff anzufügen, nachdem dieses hergestellt wurde. Dieser Vorgang ist jedoch aufgrund der Länge der gewöhnlich auf dem Gebiet des Erdöls verwendeten Rohrteilstücke (bis zu etwa zwanzig Meter) ziemlich schwierig, um so mehr als diese Umhüllung mit dem Strukturverbundwerkstoff perfekt verbunden sein muß. Außerdem verbietet sich ein Einbringen von Polyamid in Form einer Flüssigkeit oder eines Pulvers aufgrund der Tatsache, daß ein derartiges Verfahren eine Temperatureinwirkung in der Größenordnung von 200ºC erfordert, die mit dem aus dem Verbundwerkstoff mit warmaushärtender Matrix gebildeten Träger inkompatibel ist. Schließlich benötigt dieses Verfahren eine Einrichtung zum Einbringen des thermoplastischen Materials von einer Länge, die wenigstens gleich der Hälfte derjenigen des Rohres ist.
  • Eine zweite, zu der vorhergehenden inverse Lösung besteht daraus, dieses Mal das Rohr über einer rohrförmigen Umhüllung aus reinem Polyamid (zum Beispiel Rilsan ), die zuvor über eine Wickelhülse gestreift wurde, durch Filamentwicklung von Fasern (Glas, Aramid oder Kohlenstoff) anzufügen, um das Rohr zu bilden.
  • Dieses Verfahren besitzt zwei Nachteile.
  • Einerseits ist es schwierig, ein dünnes und folglich zerbrechliches Rohr auf eine Wickelhülse zu streifen, die eine Länge von 15 Meter oder mehr aufweisen kann. Andererseits resultiert unter der Annahme, daß ein Klebeverfahren ausreichend ist, um die Polyamidumhüllung mit dem Verbundwerkstoff zu verbinden, aus einem derartigen Verfahren ein Zustand von mechanischen Restspannungen in der Umhüllung, der sie besonders zerbrechlich im Gebrauch macht.
  • Außerdem ist ein Verfahren zur Verstärkung einer aus thermoplastischem Polymer geformten Röhre bekannt, das daraus besteht, eine Wicklung aus einem Verstärkungsgewebe, das aus einer Bewehrung aus biegsamen Filamenten, aber auch in gleicher Weise aus Filamenten aus thermoplastischem Polymer gebildet ist, auf dieser Röhre zu befestigen und dann die Außenseite der Röhre mit diesen thermoplastischen Filamenten aus dem Gewebe verschmelzen zu lassen. Diese außen anwendbare Verstärkungstechnik ist für Röhren, die selbst aus thermoplastischem Material bestehen, geeignet, sie ist jedoch nicht mit warmaushärtenden Verbundwerkstoffen anwendbar, die nicht mit thermoplastischen Filamenten verschmelzen können.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, den Nachteilen dieser bekannten Techniken dadurch abzuhelfen, daß sie eine Lösung vorschlägt, welche die Bereitstellung von warmaushärtenden Materialien und von thermoplastischen Materialien erlaubt, die das Halten der Beschichtung auf der mechanisch widerstandsfähigen Struktur des Rohres aus Verbundwerkstoff ohne Ablösung garantieren, und zwar ebensogut während dessen Herstellung wie während seiner Verwendung unter Bedingungen einer besonderen Anwendung, wie vorher genannt.
  • Eine erste Aufgabe der Erfindung bezieht sich folglich auf ein Rohr aus Verbundwerkstoff, das aus einer inneren Schicht aus thermoplastischem Material und einem strukturellen Teil aus Fasern gebildet ist, die von warmaushärtenden Matrizen eingehüllt sind, welche die Rolle eines Bindemittels spielen, ein Rohr, gemäß dem der rohrförmige, strukturelle Teil mit warmaushärtendem Bindemittel versehen ist:
  • - mit einer ersten inneren Beschichtung aus faserigem Verbundwerkstoff mit thermoplastischem Bindemittel, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils dieses rohrförmigen Teils eng verbunden sind, und
  • - unterhalb dieser ersten inneren Beschichtung mit einer zusätzlichen, zweiten inneren Beschichtung aus thermoplastischem, aus reinem Polyamid gebildetem Material, die mit dem thermoplastischen Bindemittel der ersten inneren Beschichtung verschweißt ist.
  • Außerdem ist vorgesehen, daß der rohrförmige strukturelle Teil mit warmaushärtendem Bindemittel mit einer äußeren Beschichtung aus faserigem Verbundwerkstoff mit thermoplastischem Bindemittel versehen ist, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils dieses rohrförmigen Teils eng verbunden sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rohrs aus Verbundwerkstoff, ein Verfahren, gemäß dem auf einer rohrförmigen Wickelhülse eine Bandumwicklung aus einem Polyamidfilm durchgeführt wird, gefolgt von einer Bewicklung mit Fasern, die mit einer thermoplastischen Polyamidmatrix imprägniert sind, wobei eine Erwärmung für das Verschweißen der Matrix erfolgt, dann bei Umgebungstemperatur oberhalb dieser Schicht eine Bewicklung mit einem strukturellen Teil aus Fasern und warmaushärtendem Harz durchgeführt wird und schließlich die Polymerisation bei der Temperatur der warmaushärtenden Matrix durch Verbringen des Komplexes in einen Trockenofen bewirkt wird.
  • Weitere spezielle Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform offensichtlich, wobei auf die einzige Figur Bezug genommen wird, die eine schematische, teilweise Schnittansicht eines Rohrs aus Verbundwerkstoff darstellt.
  • In der Figur wurde ein Rohr dargestellt, das im wesentlichen aus einem strukturellen Teil (1) aus Verbundwerkstoffasern, die von warmaushärtenden Matrizen eingehüllt sind, welche die Rolle eines Bindemittels spielen, und aus einer inneren Beschichtung (2) aus einem zum Beispiel durch Wicklung von Glasfasern erhaltenen, faserartigen Verbundwerkstoff gebildet ist, der durch ein thermoplastisches Bindemittel imprägniert ist. Diese faserartige, thermoplastische Schicht behält nach der Fertigung des Rohrs dank ihrer Bewehrung aus Fasern ihre Herstellungsabmessungen bei. Diese Schicht (2) bildet eine innere rohrförmige Beschichtung, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils des rohrförmigen Teils (1) eng verbunden sind, und befindet sich direkt angrenzend an den rohrförmigen Teil, der aus dem strukturellen Teil gebildet ist und gegenüber aus Erdölprodukten stammenden Gasen und gegenüber beträchtlichen Drücken, denen er unterworfen ist, beständig ist. Dennoch können, wenn es sich um Anwendungen mit sehr hohen Drücken handelt, in der Größenordnung von 500 bar, zwischen den Fasern Mikrorisse entstehen. Deswegen besitzt das Rohr auf seiner Innenseite unterhalb der Schicht (2) eine zusätzliche Schicht (3) aus thermoplastischem Material, die aus reinem, durch Aufwickeln erhaltenem Polyamid besteht, auf welche die mit dem gleichen thermoplastischen Material, das die Schicht (2) aus faserartigem, thermoplastischem Material bildet, imprägnierten Fasern geschweißt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante kann außerdem eine äußere Beschichtung aus gewickelten Polyamidfasern realisiert werden. Diese äußere Beschichtung (4) aus faserartigem Verbundwerkstoff mit thermoplastischem Bindemittel, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils des rohrförmigen Teils eng verbunden sind, ist folglich direkt auf dem strukturellen Teil (1) angeordnet und selbst für Rohre mit großer Länge leicht auszuführen: sie schützt den strukturellen Verbundwerkstoff (1) und verbessert die Dichtigkeit gegenüber Wasser von außen. Diese Beschichtung (4) ist folglich vorteilhaft für gute Alterungsbedingungen des strukturellen Verbundwerkstoffs (1). Sie bildet außerdem einen wirksamen Schutz gegen Stöße.
  • Um ein derartiges Rohr zu realisieren, wird auf die folgende Weise verfahren:
  • Um eine rohrförmige, metallische, zentrale Wickelhülse (5) mit einer Achse (6) wird eine Bandumwicklung aus dem Film aus reinem Polyamid (3) befestigt. Dann wird die Bewicklung über diesen Film hinweg und mit Hilfe einer Bewicklungsmaschine aus Fasern (2) durchgeführt, zum Beispiel aus mit einer (thermoplastischen) Polyamidmatrix imprägnierten Glasfasern. Die Haftung der Fasern, welche die Beschichtung stabilisieren, wird durch Erwärmung und Verschweißen des Bindemittels oder der thermoplastischen Matrix realisiert. Vorteilhafterweise wird die zuvor mit einem thermoplastischen Harz überzogene Faser im gleichen Maße wie ihre Wicklung auf der Wickelhülse (5) erwärmt, die selbst erwärmt und durch eine sich drehende Maschine in Rotation versetzt wird. Die Erwärmung der überzogenen Faser bewirkt die Erweichung des Harzes, das sich mit dem Harz, das die bereits während der vorhergehenden Umdrehung aufgebrachte Faser überzieht, verschweißt.
  • Schließlich wird auf dieser solchermaßen erhaltenen Schicht (2) die Wicklung des strukturellen Teils (1) aus Fasern und warmaushärtendem Harz (zum Beispiel aus Epoxid) bei Umgebungstemperatur bewirkt.
  • Schließlich wird die vervollständigende Wicklung der Schicht (4) mit Hilfe von Fasern, zum Beispiel aus Kevlar, ausgeführt, die mit einer Polyamidmatrix imprägniert sind. Dieser letzte Vorgang vollzieht sich von neuem durch Erwärmung für die Verschweißung des thermoplastischen Bindemittels.
  • Nach Beendigung der Wicklungsvorgänge wird der Komplex in einen Trockenofen verbracht, um die Polymerisation bei der Temperatur des warmaushärtenden Materials zu bewirken. Es ist zu erwähnen, daß die Polymerisation des warmaushärtenden Materials bei einer Temperatur stattfindet, die deutlich niedriger als jene des Schmelzens der thermoplastischen Schicht (2) ist. Beispielhaft sei angegeben, daß der Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials 200ºC bis 220ºC beträgt, während sich die Polymerisationstemperatur des warmaushärtenden Materials auf 140ºC bis 160ºC für eine Polymerisation während 30 Stunden unter Druck beschränkt. Alle Wickelvorgänge stellen übrigens keinerlei besondere Schwierigkeit dar, da sie ja mit Hilfe von bekannten Techniken zum Filamentwickeln ausgeführt werden.
  • Der Filament-Verbundwerkstoff mit warmaushärtender Matrix, der die Schicht (1) bildet, befindet sich folglich polymerisiert zwischen den zwei Häuten, welche die Schichten (2) und (4) bilden, die aus Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix ausgeführt sind. Diese Polymerisation bei abgeschlossenem Raum weist den Vorteil auf, für die Struktur des Rohrs einen beträchtlichen Prozentsatz des Harzes zu bewahren, und ist sehr vorteilhaft hinsichtlich der Alterung in Meeresumgebung.
  • Die Erfindung ist in einer allgemeinen Weise auf die Realisierung eines jeglichen Rohrs anwendbar, welche die Überlagerung und die wirksame Verbindung einer Schicht aus einem"thermoplastisch" genannten Material mit einem warmaushärtenden Material erfordert.

Claims (4)

1. Rohr aus Verbundwerkstoff, das aus einer inneren Schicht aus therinoplastischem Material und einem strukturellen Teil aus Fasern gebildet ist, die von warmaushärtenden Matrizen eingehüllt sind, welche die Rolle eines Bindemittels spielen, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige, strukturelle Teil (1) mit warmaushärtendem Bindemittel versehen ist
- mit einer ersten inneren Beschichtung (2) aus faserigem Verbundwerkstoff mit thermoplastischem Bindemittel, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils dieses rohrförmigen Teils eng verbunden sind, und
- unterhalb dieser ersten inneren Beschichtung mit einer zusätzlichen, zweiten inneren Beschichtung (3) aus thermoplastischem, aus reinem Polyamid gebildetem Material, die mit dem thermoplastischen Bindemittel der ersten inneren Beschichtung verschweißt ist.
2. Rohr aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige strukturelle Teil (1) mit warmaushärtendem Bindemittel mit einer äußeren Beschichtung (4) aus faserigem Verbundwerkstoff mit thermoplastischem Bindemittel versehen ist, deren Grenzschichtfasern durch Polymerisation mit dem Bindemittel des warmaushärtenden Teils dieses rohrförmigen Teils eng verbunden sind.
3. Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es daraus besteht, auf einer rohrförmigen Wickelhülse (5) eine Bandumwicklung aus einem Polyamidfilm (3) durchzuführen, gefolgt von einer Bewicklung mit Fasern (2), die mit einer thermoplastischen Polyamidmatrix imprägniert sind, wobei eine Erwärmung für das Verschweißen der Matrix erfolgt, dann bei Umgebungstemperatur oberhalb dieser Schicht eine Bewicklung mit einem strukturellen Teil (1) aus warmaushärtenden Fasern und Harz durchzuführen und schließlich die Polymerisation bei der Temperatur der warmaushartenden Matrix durch Verbringen des Komplexes in einen Trockenofen zu bewirken.
4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor mit thermoplastischem Harz überzogenen Fasern (2) im gleichen Maße wie ihre Wicklung auf der Wickelhülse (5) erwärmt werden, die selbst erwärmt und durch eine sich drehende Maschine in Rotation versetzt wird.
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