JP5123327B2 - 管試験方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中パイプラインの形成に使用するような管の試験方法および装置に関する。

世界中でガスおよび／またはオイルの大深海貯留層の開発が進展してきている。約１０年前まで、大深海は約１０００ｍを超える深度と定義されていた。しかし、現在は多くのパイプラインがこれを超える深度に設置されており、大深海の定義は現在約２０００ｍである。この設置能力の発展は続いており、現在水深３５００ｍのパイプラインが計画されている。

通例、パイプラインは、空の状態、すなわち大気圧の空気が充填されて設置され、設置が完了して初めて圧力下のオイルまたはガスが充填される。これらの深海パイプラインの設置中に直面する主なリスクは、海水から受ける圧力が、管をその最初の円形状態から変形させてほぼ平坦な構成に変形させることに起因する。これは外圧崩壊と呼ばれ、制御されない場合にはパイプラインの全損を招きかねない。そのため、大深海パイプラインの寸法、すなわち直径および肉厚ならびにそれほど重要性はないが材料特性は、外圧崩壊の可能性により決定される。

これは、肉厚が外圧よりも運ぶべき流体からの内圧に耐えるような大きさに形成された、従来の浅水または陸上パイプラインの設計とはまったく対照的である。

外圧崩壊の様々な理論的研究が行われるとともに、規定寸法を有するパイプラインを安全に設置可能な最大水深を算出するために数値モデリングも用いられてきた。しかし、外圧崩壊座屈の結果は非常に重大であり、これらの理論的研究は確実な危機管理には充分ではない。また、管の肉厚を増大させることによりそのような局所的崩壊の可能性を低減する最も重要な方法は、非常に費用がかかるとともに場合によっては技術的に実現できず、提案されているパイプラインが商業的に実現可能ではない場合もある。これはひいてはガスまたはオイル貯留層の開拓を諦めるという可能性をもたらす。

理論による結果に基づいて全設計を行うことの代替案はさらに試験を実施することである。実際に、管肉厚の範囲に対していくつかの試験が実施された。これらの試験は特別な圧力室内に特製の長い管を配置すること、および崩壊が発生するまで外圧を上昇させることを含む。１、２の研究所しかこのような利用可能な設備を有しておらず、かつ試験は非常に費用がかかり、一回の試験に１００，０００ドル程度である。

規定の大深度で機能するために必要な管の寸法の算出のための基準を提供するためのコードが準備されてきた。これらのコードは、長さ１０００ｋｍにもなるパイプラインの製造中に発生する管寸法および材料特性の自然変動がパイプラインの能力を損なわずに、崩壊の発生なく確実に外圧に耐える目的の安全係数を含む。しかし、これらの係数は以前から利用可能な２、３の試験に基づいており、これらの試験は設定および完了するのに多大な時間がかかるため、管の作製中に接続される管全体にこのような試験を実施する可能性は現実的ではない。

ライン全体を水浸しにさせるにはパイプラインのたった１つの接続される管を崩壊させるだけで充分である。そのため、長い深海パイプラインの方が短い深海パイプラインより崩壊しやすいことは明らかであり、それは単に充分規格外で製造された１つの接続される管を有する長いラインの方が、崩壊を引き起こす統計的確率が高いためである。外圧崩壊に起因するパイプラインの破損に関して「環の最弱リンク」との直接的類似性がある。実際のコードが僅かな有限数の接続される鋼管の崩壊試験結果に基づいている場合、設計コードは、単に長いラインの１つの致命的規格外の接続される管に対する統計的露出の増大に対処するために、全経路に沿って肉厚を増大させるために、全長に基づく係数を導入しなければならない。

そのため、外圧の影響を再現して長いパイプラインの崩壊を発生させることができるとともに、設定および完了が容易な試験方法が必要である。

本発明は、外圧崩壊につながる変形が管に沿って均一であり、そのため外圧崩壊の発生は管から切り取られたリングの場合も、真に外圧にさらされる接続される管の全長の場合と同じになるという認識に基づいている。

本発明の第１の態様は、
海底パイプラインの作製時に用いられる管の試験方法であって、
−パイプラインを作製するために用いられる種類の１つまたは複数の管からリングを切り取るステップと、
−リングの両端部で平坦な、実質的に平行な面を形成するステップと、
−リングの歪みおよび変形を測定する手段を設けるステップと、
−リングの端部が圧力室の対向壁と共にシールを形成してリングの内側を外側から隔てるように、リングを圧力室内に載置するステップと、
−リングの外側の圧力を上昇させるとともに、圧力が上昇する際のリングの歪みおよび変形を測定するステップと、
−変形および歪み測定値を用いてパイプラインに用いられる管の肉厚を決定するステップと、
を含む方法を含む。

歪みおよび変形を測定する手段は、リングに取り付けられるセンサであるのが好ましい。それらをリングの内面に配置することが特に好ましい。

リングを圧力室内に載置するステップは、リングの端部と圧力室の壁との間にシールを設けるステップを含むことが好ましい。

圧力を上昇させるステップは通例、加圧流体をリングの外側周囲の圧力室内に送り込むステップを含む。

この方法は、加えられた圧力と測定された最大歪みとの比較を判定し、圧力の上昇に伴うリング径の加速度的な非線形減少の開始を検出するステップをさらに含み得る。

管から切り取られるリングの長さは、管がパイプラインに用いられる許容範囲内に留まるように選択されることが好ましい。通例、肉厚の約２倍になるように選択される。

本発明の第２の態様は、
海底パイプラインの作製時に用いられる管から切り取られたリングの試験装置であって、
−一緒に配置されたときに被試験リングを受容する試験室を画定する、第１および第２の試験室部分と、
−リングの歪みおよび変形を測定する１つまたは複数のセンサと、
−室内に受容されたときのリングに対するシールを形成する、室内に配置された封止手段と、
−第１および第２の部分を互いに固定して試験室を形成するとともに、室内に受容されたときのリングに対して封止手段を係合させて、リングの内側と外側との間に耐圧シールを形成する手段と、
−室内に受容されたときのリングの外側の室内に加圧流体を進入可能にする、試験室部分の一方内の流体流入口と、
を備える装置を提供する。

好ましい一実施形態において、第１の部分は、第２の部分によって閉鎖されて試験室を形成する凹部を画定する。流体流入口は第１の部分の壁に形成されることが好ましい。

第１および第２の部分は、試験室を形成する際の一方の他方に対する正確な配置を可能にする、差込部および凹部などの内部係合構造を含み得る。

第１および第２の部分の係合面にシールを設けてもよい。

第１および第２の部分のどちらか一方に、試験中にリングの内側と大気圧との間の均圧化を可能にする空気抜き孔をさらに設けてもよい。

一実施形態において、固定する手段は、一方の部分内の孔を通ってリング内側の試験室内に延在し、かつ他方の部分内のねじ穴に内嵌する１つまたは複数のねじを備える。

他の実施形態において、固定する手段は、内部に配置されたピストンを有する一方の部分内に形成されたシリンダを備え、ピストンはシリンダからリング内側の試験室を通って延在し、かつ他方の部分に固定された端部を有し、ピストンの固定端部をシリンダに向かって引き寄せるとともに２つの部分を互いに固定するように動作可能な駆動流体の供給がシリンダに接続される。

本発明による方法および装置は、
−合理的なコストで実施される試験が、設計コードおよび計算のより包括的な基準を提供できるようにする、
−実施される多数の試験が、特定のパイプラインの設計に先立って材料特性および管の形状の変動の影響を判定できるようにする、
−特定の深度でのおよび特定の装置による設置用の管の肉厚を最適化する基準を提供するため、コスト削減を実現可能にする、さらに
−特定の管の作製中に実施される試験が、外圧崩壊に対する安全レベルが維持されていることを確認できるようにする、などの多数の利点を有する。

本発明による試験用の種類のパイプラインを示す。 図１の管から切り取られた試験リングの断面を示す。 本発明の第１の実施形態による試験装置の断面を示す。 図３のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。 本発明の第２の実施形態による試験装置の断面を示す。

接続される個々の管の長手方向断面に対する試験は、外部からの崩壊につながる変形は管に沿って均一であるということを示している。この所見は、理論的研究および数値モデリングにより裏付けられている。この意味は、外圧崩壊の発生は、管から切断されたリングの場合も、真に外圧にさらされる管の接続される全長の場合と同じであるということである。そのため、本発明の試験手法は、管から短い部分を切り取ってそのリングを均一の長さに加工することに基づいている。このリングは、リングの外周面のみに圧力をかけられるように、リングの加工面を封止できる剛性枠に配置される。リングの内周面は大気圧に維持されているため、リングの外周面にかかる圧力により生じる歪みおよび変形を測定する装置の取り付けに適している。

リングの両加工平坦面上のシールは、圧力がリングの外周面上のみにかかるように制約され、平坦加工面上にはかからないようになっている。シールは、リングの周面の変形が防止されるように、リングが加工平坦面に平行な大きな力にさらされないようになっている。

圧力は、リングの外周面を囲む空間に対する規定量の流体の追加または削減によって増減するように、外部ポンプからかけられる。この装置により、外周面にかかる圧力によって生じるリングの半径方向の変形を制御して増減することができる。

リングの加工平坦面に対するシールの作用は、シールにおける変形を確実になくす形状の剛性ブロックにリングを入れることによって達成することができる。代替装置は、シールが調節可能に、かつリングの外周面に加えられる圧力と同じ（または異なる）圧力にさらされるピストンの作用によって制御されて動作する空間を有さなければならない。

典型的な試験は以下のステップを含む。
ａ．管からリングを切り取って、両端部を所定の許容範囲内で平坦かつ平行に加工する、
ｂ．付属装置を取り付けてリングの歪みおよび変形を測定する、
ｃ．リングをシールで枠内の適切な位置に取り付ける、
ｄ．圧力を加えてシールを機能させて有効にする、
ｅ．圧力を上昇させて、歪みおよび変形測定値を記録する、さらに
ｆ．最大値に達するまで圧力の上昇を続ける。

測定された最大歪みに対して加えられた圧力の曲線をプロットし、シールを越える水圧流体の漏れとは関係のない、圧力の上昇に伴うリング径の加速度的な非線形減少の開始を検出することも有用であり得る。

図１は、海底パイプラインで用いられる管１０を示す。典型例は長さ約１２．２ｍであり、外径５０８ｍｍおよび肉厚３５ｍｍを有する。試験リング１２（図２にも示す）は管の一端から切り取られ、７０ｍｍ、すなわちおよそ肉厚の２倍の長さを有する。この長さのリングが切り取られた後でも、管１０はパイプラインの架設に用いることができる。リング１２の両端面１４は実質的に平行かつ平坦になるように加工され、例えばリングの全長で＋０〜−０．０１ｍｍの許容範囲が通例である。

図３および４は、リングが試験の所定位置において設定された、本発明による装置の一実施形態を示す。試験リング１２は、結合して試験室を画定する上部分１６と下部分１８との間に載置される。圧力試験室の２つの半部１６、１８には、関連シール２１を有する対応位置決め孔に位置する位置決め差込部１９が設けられており、２つの半部の位置決めを可能にする。Ｏリングまたは圧力励起耐圧シール２０が上下部分内に設けられている。これらは試験リング１２により係合されて、適切な流入口２４を介して加圧液圧試験流体の供給を行うことが可能な環を形成する。試験リング１２の内側の中心空洞２６は、径のかなり大きな空気抜き孔２８を介して大気に通気されており、また、中心空洞２６により、任意の計装ケーブルを試験リング１２の内側円柱面上の歪み計（図示せず）に入れることができる。

２つの半部１６、１８は機械的封止ねじ３０によって結合される。ねじ３０は上部分１６内の孔３２内を延在し、かつ空洞２６を通って下部分１８内のねじ穴３４に内嵌する。２つのねじ３０が示されているが、適正な締め付けを確保するのに適した数を用いることができる。

２つの半部が結合される力は、環２２を耐圧シール２０、２１に対して内部および外部で気密にするのに充分である。リング１２が管から切り取られる許容範囲は、環２２から空洞２６内への漏れが発生しないと同時に、水圧荷重下でリング１２外径の内側への半径方向移動に対する摩擦の過度の抑制を回避するものである。

図５は、図３および４に示した固定ねじを液圧ピストン装置に代えた、試験装置の第２の実施形態を示す。ピストン３８が摺動可能に配置された下部分１８内にシリンダ３６が形成されている。シリンダの外端はプレート４０によって閉鎖されている。摺動シールを備えた穴４２が、シリンダ３６の内端から空洞２６まで延在している。接続棒４４がピストン３８から穴４２を通って上部分１６内の位置決め穴４６まで延在し、そこでピストンリング締め具４８に固定されている。流入口５０がシリンダ３６の下端に設けられて加圧流体が進入可能になり、これによりピストン３８がシリンダ３６に沿って駆動されて上部分１６が下部分１８に固定される。

本発明による方法および装置は従来の技術に優る多数の利点を示す。それらによって長い深海パイプラインに必要な全ての接続される鋼管から取られた試験リングの代表サンプルの試験は、外部静水圧崩壊に耐えるためのこれらの標本の各々の能力の直接物理的定量化された証拠を与えることができる。各標本試験リングの崩壊許容範囲を、標本試験リングが切り取られた接続される管の崩壊許容範囲の代表として確実に保持することができる。説明した方法での本発明の利用により、充分規格外の１つの接続される管が崩壊を引き起こす統計的確率の増加に対して、長さの増大に伴うパイプラインの露出の増大に基づいてライン全体の肉厚を増加させる、設計プロセスで現在使用されている係数の低減を可能にする。各試験リングが切り取られた接続される管はなお製品として利用することができ、無駄にならない。最終結果は、鋼管の商業的入手性の改善および大幅なコスト削減をもたらす、パイプライン肉厚の極めて大幅な低減となり得る。

Claims (16)

1. 海底パイプラインの作製時に用いられる管の試験方法であって、
   −前記パイプラインを作製するために用いられる種類の１つまたは複数の管からリングを切り取るステップと、
   −前記リングの両端部に平坦な、実質的に平行な面を形成するステップと、
   −前記リングの歪みおよび変形を測定する手段を設けるステップと、
   −前記リングの端部が圧力室の対向壁と共にシールを形成して圧力が前記リングの外側だけに適用されることができるように前記リングの内側を外側から隔てるように、前記リングを前記圧力室内に取り付けるステップと、
   −前記リングの外側の圧力を上昇させるとともに、圧力が上昇する際の前記リングの歪みおよび変形を測定するステップと、
   −変形および歪み測定値を用いて前記パイプラインに用いられる管の肉厚を決定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記歪みおよび変形を測定する手段を設けるステップは、前記リングにセンサを取り付けるステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記センサを前記リングの内面に配置するステップを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記リングを前記圧力室内に取り付けるステップは、前記リングの端部と前記圧力室の壁との間にシールを設けるステップを含む請求項１、２または３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記圧力を上昇させるステップは、加圧流体を前記リングの外側周囲の前記圧力室内に送り込むステップを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 加えられた圧力と測定された最大歪みとの比較を判定し、圧力の上昇に伴うリング径の加速度的な非線形減少の開始を検出するステップをさらに含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記管が前記パイプラインに用いられる許容範囲内に留まるように、前記管から切り取られるリングの長さを選択するステップを含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記管の肉厚の約２倍である長さを選択するステップを含む請求項７に記載の方法。
9. 海底パイプラインの作製時に用いられる管から切り取られたリングの試験装置であって、
   −一緒に配置されたときに被試験リングを受容する試験室を画定する、第１および第２の試験室部分と、
   −前記リングの歪みおよび変形を測定する１つまたは複数のセンサと、
   −使用中に圧力が前記リングの外側だけに適用されることができるように前記室内に受容されたときの前記リングに対するシールを形成する、前記室内に配置された封止手段と、
   −前記第１および第２の部分を互いに固定して前記試験室を形成するとともに、前記室内に受容されたときの前記リングに対して前記封止手段を係合させて、前記リングの内側と外側との間に耐圧シールを形成する、固定手段と、
   −前記室内に受容されたときの前記リングの外側の前記室内に加圧流体を進入可能にする、前記試験室部分の一方内の流体流入口と、
   を備える装置。
10. 前記第１の部分は、前記第２の部分によって閉鎖されて前記試験室を形成する凹部を画定する請求項９に記載の装置。
11. 前記流体流入口は、前記第１の部分の壁に形成される請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１および第２の部分は、前記試験室を形成する際の一方の他方に対する正確な配置を可能にする内部係合構造を含む請求項９または１０に記載の装置。
13. 前記第１および第２の部分の係合面にシールが設けられる請求項９〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記第１および第２の部分のどちらか一方に、試験中に前記リングの内側と大気圧との間の均圧化を可能にする空気抜き孔をさらに備える請求項９〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記固定手段は、一方の部分内の孔を通って前記リング内側の前記試験室内に延在し、かつ他方の部分内のねじ穴に内嵌する１つまたは複数のねじを備える請求項９〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記固定手段は、内部に配置されたピストンを有する一方の部分内に形成されたシリンダを備え、前記ピストンは、前記シリンダから前記リング内側の前記試験室を通って延在し、かつ他方の部分に固定された端部を有し、前記ピストンの固定端部を前記シリンダに向かって引き寄せるとともに前記２つの部分を互いに固定するように動作可能な駆動流体の供給が前記シリンダに接続される請求項９〜１４のいずれか一項に記載の装置。

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