NO328606B1 - Kobling - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og kobling for forbindelse av en metalldel (2) med i det minste to utsparinger (3,4) i den ytre overflate og en komposittdel (1) hvor man under prosedyren av å påføre fibrøse harpiksinneholdende lag på metalldelen i det minste ett. lag av et elastisk materiale (31,32:33,34,35) er påført mellom to fibrøse harpiksinneholdende lag, hvilke to lag dekker forskjellige utsparinger og i et område som i det minste strekker seg til den utsparingen hvor et første av de to lag terminerer.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår fastgjøring av metalliske ender til et komposittrør.

Fiberforsterkede komposittakslinger utviser fordeler over metalliske stammer i at de er lettere i vekt, mer motstandsdyktige mot korrosjon, sterkere og mer upålitelige. Dette er en spesiell fordel i mange applikasjoner, slik som stigerør, borerør, motorhus og akslinger.

Rørformede fiberforsterkede komposittrør og akslinger er formet av et harpiksholdig materiale, hvilket er forsterket med glassfibrer. Spesielt, er tråder som bærer et ikke-herdet harpiksholdende materiale (f.eks. en ikke-herdet termoherdende harpiks) viklet rundt en spindel inntil den ønskede tykkelsen er etablert. Det er velkjent praksis å vikle hvert lag i forskjellige vinkler i forhold til lengdeaksen, f.eks. det første laget er viklet ved +30° og det neste ved -30°. Komposittmaterialet omfatter gjensidige parallelle fibere, slik som glassfibere, karbonflbere eller aramidfibere, innbakt i en matriks, slik som en termoherdende matriks,. f.eks. en epoksyharpiks, sammenført, ved dens to ender til metalliske endekoblingselementer, viss forbindelse er sikret med forskjellige teknikker. Deretter er det harpiksholdende materialet solidifisert (dvs. herdet). De forhåndsformede gjengede endepartiene kan anordnes ved endene av den rørformede kompositten, slik som ved vikling av trådene direkte rundt endepartiet under viklingsprosessen.

Imidlertid, direkte vikling eller sammenføring av harpiksakslinger til metall vil normalt ikke danne en tilstrekkelig sterk og holdbar forbindelse ut fra en konsistent og pålitelig basis. Problemet ved å sammenføre komposittsylindere og andre rørformede legemer er et gjentagende problem i design og tilvirkning av prosjektillegemer, trykktanker og andre lastbærende strukturer.

Egenskapene til kompositter er slik at de kan finne spesiell benyttelse i offshore olje- og gassutvinning, spesielt i stigerør. Et stigerør er en lang søyle etablert for å forbinde undervannsinstallasjonen med en overflateplattform. Når petroleumsleting beveger seg til enda større havdyp er det fokus på å redusere vekten av stigerørene.

1 tillegg, kan komposittmaterialet tilby høy motstand mot korrosjon, høy termisk

isolasjon og høy dempning kombinert med gode utmattingsegenskaper. Den høye termiske isolasjonen er spesielt viktig for å unngå formasjon av hydratplugger i stigerørene. Et stigerør har typisk en ytre diameter på 20" og må motstå et overtrykk på 500 bar (50 MPa). Stigerørene vil normalt være i strekk, hvilket danner høye strekkrefter i rørene.

Hovedproblemet når man kobler et antall av rør er å sikre at sammenføringen mellom komposittrørene og metallkoblingsdelene er sterk nok til å motstå høye skjærkrefter generert av strekk, f.eks. ved utsetting av en flertall tusen meter lang stigerørssøyle.

I US patent nr. 5 443 099 er det vist en sammenføring hvor kompositten er viklet rundt et indre element, hvilket er et metallendekoblingselement, omfattende et kileformet parti og et separat ytre parti plassert slik for å gripe komposittrørenden i en sandwich, hvor fastgjøringen mellom komposittrøret og metallendekoblingselementet er sikret av metalltapper. Denne løsningen ved å benytte tapper er veldig komplisert, krever presisjonsboring og langtekkelig manuelt arbeid for å fjerne ru og skarpe kanter. I en automatisert sammenstillingslinje krever disse operasjonene ekstra maskineringstrinn. Kreftene vil konsentreres rundt tappene, og derved introdusere lastpunkter, hvilke kan føre til feil.

Et standard tidligere kjent design benytter en metallisk kobling med tre spor. En kombinasjon av heliske og sløyfelag er benyttet, sløyfelagene er benyttet for å "låse ned" de heliske lagene på grunn av den radiale stivheten av sløyfelagene. Den aksiale lasten, enten som et resultat av trykk i et lukket kar (motorrom) eller strekk (stigerør, akslinger), vil resultere i skjærkrefter mellom kompositten og metallet. Disse skjærkreftene må tas opp i overgangsområdet på en slik måte at metallet ikke mister kontakt med kompositten, og samtidig unngå oppbrekking av fibrene i kompositten. Det har vært vanskelig å fordele skjærkreftene jevnt over hele lengden av metallendekoblingen og få et hovedsakelig tilsvarende inngrep med alle sporene. Stive overføringer kan resultere i lastkonsentrasjoner og bøyemomenter som også

vil være en utfordring for å optimalisere designet. Sporene bør være fylt med ett fyll materiale. En glassfiber er spesielt passende for dette siden den har høyere skjærmotstand enn karbon. De høye lastene (torsjon eller strekk) som skal overføres av en komposittaksling krever at en veldig sterk og holdbar forbindelse etableres mellom hylsen og akslingslegemet. Tidligere forslag for å montere hylser ved å påføre klebestoff eller ved å vikle trådbunter rundt omkretssporene på hylsens ytterkant kan ikke stoles på for å tilveiebringe en forbindelse med den krevde styrke og holdbarhet.

I US patent nr. 5 227 208 er det vist en forbindelse av denne type hvor et antall av omkretsliggende spor er kuttet inn i den ytre overflate av metallendekoblingsdelen. De kuttede omkretsliggende sporene er viklet med et trådoverlegg som består av heliske og sløyfeviklinger hvilke utøver lavt og høyt strekk, respektivt. De heliske viklingene av den rørformede komposittstrukturen er påført ved lavt strekk, slik at høyere strekk sløyfelag er benyttet for å trekke de heliske lagene ned inn i sporene.

Imidlertid, analyser av ødelagte forbindelser viser at komposittrådene ikke har mulighet til jevnt å distribuere strekki åstene jevnt langs lengden av endekoblingen. Tester har vist at det første kontaktpunktet (dvs. den første viklingen) bærer hovedlasten. Lastbæringskreftene tenderer derved til å bli konsentrert ved overføringen mellom kompositten og metallet med kreftene overført gjennom bare et fåtall fibere av trådene (dvs. det indre laget). Dette gir en konsentrasjon som gir en potensiell skjær sone som kan forårsake at koblingen ødelegges.

En hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for å sammenføre en metalldel med en komposittdel og også en forbedret sammenføring av en metalldel og en komposittdel. Det er en spesiell hensikt av oppfinnelsen å tilveiebringe nye fremgangsmåter og apparat for å sikre metallendeforbindelseshylser til enden av fiberforsterkede harpiksstammer for å muliggjøre at stammen kan overføre høye torsjonslaster og strekklaster. En spesiell hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe sammenføringen av en rørformet komposittstruktur til en annen metallstruktur på en slik måte at man danner en sammenstilling med adekvat styrke i strekk, innvendig trykk, bøyning, kompresjon og skjær, slik at den er utnyttbar i en vid rekke av applikasjoner.

I henhold til oppfinnelsen er fremgangsmåten for å sammenføre en metalldel med i det minste to rundt omkretsen utover vendte utsparinger, til en komposittdel, forbedret ved å innføre i det minste ett lag av elastisk materiale mellom to fibrøse harpiksinneholdende lag, hvilke lag dekker forskjellige utsparinger i metalldelen i en kobling, dannet i henhold til tidligere kjent teknikk. Det elastiske laget er påført i et område som i det minste strekker seg til utsparingen hvor et første av de to lagene avsluttes.

Når man snakker om lag som strekker seg til, snakker man om et lag som omfatter

et parti av komposittdelen som skal sammenføres med metalldelen, dvs. komposittrøret, akslingen eller stigerøret. Med å strekke seg til menes forløper fra det hele av komposittdelen til et punkt over metalldelen. Det elastiske laget i henhold til oppfinnelsen løper ikke hele veien ned i komposittdelen, men starter et stykke før metalldelen.

Ved dette oppnås en deling av overføringen av spenningskrefter i koblingen mellom

i det minste to områder i koblingen i stedet for ett hovedoverføirngspunkt, hvilket er tilfellet med tidligere kjent teknikk. Disse spenningskreftene er delt mellom to områder, hvilke områder er kantene av utsparingene vendt mot

hovedkomposittdelen av koblingen, dvs. komposittakslingen eller røret. Det viktige området av utsparingen er kanten av utsparingen mot hovedkomposittdelen hvor overføringen av krefter foregår. Det er endringen i ytre dimensjon av metalldelen fra en større til en mindre dimensjon av en f.eks. sirkulær hylse og siden denne endringen i den langsgående retningen av et fibrøst harpiksinneholdende lag som former basisen for overføringen av krefter og det er i dette området at det er viktig å inkludere det elastiske laget.

Denne endringen i den langsgående retningen av det fibrøse laget kan også oppnås ved å ha utover fremstikkende ribber på metallhylsen. Å ha omkretsliggende utsparinger eller ribber er mer eller mindre den samme løsningen, de tilveiebringer begge kanter over hvilke et fibrøst lag løper fra en hovedsakelig langsgående Tetning og deretter i en retning mei mot metalldelen for en kort avstand.

Det elastiske laget i henhold til den foreliggende oppfinnelse er påført mellom to fibrøse lag hvilke hvert terminerer i forskjellige utsparinger, dvs. hvor ett lag løper over én kant og endrer dens retning og det andre laget fortsetter i dens langsgående retning over den nevnte første-kant og endrer dens retning over en andre kant. Det kan i henhold til oppfinnelsen være ett eller flere andre lag mellom disse to lagene. Det elastiske laget kan påføres mellom to lag som terminerer i samme utsparing, dvs. det er i det minste ett fibrøst lag mellom det elastiske laget og det laget som terminerer i den andre utsparingen. I denne utførelsen vil det elastiske laget også endre dens retning.

Imidlertid, laget kan også befinne seg mellom et fibrøst lag og en fyller. I denne utførelsen vil det elastiske laget forløpe bare i en hovedsakelig langsgående retning, og ikke bøyes ned i utsparingen.

De fibrøse lagene kan vikles i et antall av forskjellige mønstre, og normalt vil det også være et annet ytre fibrøst lag, normalt viklet i et annet mønster, for å holde alle lagene og fyllermaterialet på plass. Det er flere måter de forskjellige lagene kan konfigureres, både med hensyn til viklingsmønster, og også mengden av og komposisjonen av de forskjellige lagene avhengig av benyttelsen av koblingen og de nødvendige kreftene som koblingen skal oppta.

Benyttelsen av de elastiske lagene, "strømpene", vil tilveiebringe en liten mengde av glipp mellom lagene. Dette vil "strekke" fibrene og dermed muliggjøre at de har flere punkter for forankring. Dette vil fordele lasten over de forskjellige utsparingene mer jevnt Elastomeren kan være av enhver kjent substans som innehar de korrekte egenskapene, slik som en gummi eller en polymer.

Kalkulasjoner har vist at benyttelsen av en elastomer resulterer i en bedre fordeling av skjærkreftene over koblingen. Hver kant av en utsparing vil bære hovedsakelig den samme lasten, Tidligere har de høye lastene på eller nær den første utsparingen tvunget konstruktører til å benytte mer materiale for å få koblingen til å motstå de påførte kreftene. Denne oppfinnelsen vil resultere i en reduksjon av materialet og samtidig unngå brekking av fibere.

Den integrerte viklede koblingsstrukturen som ytterligere diskutert nedenfor, tilveiebringer en løsning til det gjentatte problem av å sammenføre komposittstnikturer til andre strukturer i frembringelsen av rør, akslinger, trykktanker eller andre lastbærende strukturer.

Den følgende beskrivelsen av oppfinnelsen relateres til en enkel og effektiv måte for å sammenføre et rørformet trådviklet komposittstruktur med sirkulært, firkantet eller andre tverrsnitt til et annet legeme av enhver form. Sammenføringen er oppnådd ved trådvikling over et koblingsrør med passende størrelse og spor i avstand fra hverandre som forløper rundt omkretsen på den ytre overflate. Koblingsrøret må ved den ende som skal sammenføres være utstyrt med gjenger eller en annen form for sammenføringsanordning. Koblingsrøret vil gi en effektiv sammenføring med den trådviklede kompositten ved én ende mens den andre enden vil tilveiebringe, ved gjenger eller på annen konvensjonell måte, for sammenføring av komposittrøret til en annen struktur.

De heliske viklingene av den rørformede komposittstrukturen bør fortrinnsvis være påført ved lavt strekk, slik at heliske lag vil følge konturen av sporene når de legges ned.

Etter konvensjonell komposittherding og separering av sammenstillingen fra spindelen kan komposittrøret sammenføres til et annet legeme ved hjelp av gjenger eller andre konvensjonelle koblingsmekanismer.

Oppfinnelsen vil nå beskrives med referanse til de vedføyde tegninger hvor:

Fig. 1 viser en kobling i henhold til tidligere kjent teknikk,

Fig. 2 viser en første utførelse av oppfinnelsen, og

Fig. 3 viser en annen utførelse av oppfinnelsen.

På fig. 1 er det vist ved et eksempel en tidligere kjent komposittkobling som viser en sylindrisk endekobling med omkretsliggende spor og gjenger for sammenføring av røret med andre rør i et ende-til-ende-forhold. Henvisningstallene 11, 12 og 13 viser retningen av kreftene som virker på koblingen og som forårsaker skjærkrefter i koblingen.

Fremgangsmåten for å forme den integrert viklede koblingen omfatter ferdigstillelsen av følgende trinn: Røret 1 har en metallisk endekobling 2. Endekoblingen har et antall av omkretsliggende spor 3, 4, 5 kuttet inn i dens ytre overflate. Gjenger er tilveiebragt for å forbinde endekoblingen med en korresponderende endekobler i et ende-til-ende-forhold, gjengene er kuttet enten på innsiden av røret eller på utsiden.

I utførelsen vist, er tre spor kuttet inn i den ytre overflate av metallet, men ethvert

antall kan benyttes, som passende for den beregnede lasten. Sporene kan også være av forskjellig form og konfigurasjon. F.eks., er det funnet fordelaktig å tilveiebringe det første sporet med en mindre helning enn de andre sporene. Enden er klargjort på konvensjonell måte for å motta trådviklinger. Røret er plassert på eller i anlegg mot en konvensjonell spindel (ikke vist) og holdt på plass på en slik måte for å integreres inn i trådviklingsstrukturen. Spindelen er forberedt ved å gi den et lag av frigjøringssubstans for å motstå sammenkobling til denne av harpiksen eller klebemidlene.

Først er ett eller flere heliske lag 21, 22 av karbonfibre (± 30°), våtgjort med harpiks og viklet rundt koblingssylinderen. Lagene strekker seg inn i det første sporet 3. Det neste trinnet er å påføre en fyller 23 til det første sporet, sporet er fylt inntil det er i flukt med toppen av det første laget. En glass/epoksyfyller (± 30°) er fortrinnsvis benyttet.

Nå er ett eller flere heliske lag 24, 25 av karbonfibre 30°) viklet rundt røret, omfattende fylleren, og de strekker seg inn i det annet spor.

Det annet spor er på samme måte som det tidligere beskrevet fylt med en glass/epoksyfyller 26 inntil det er i flukt med den ytre overflaten.

Den samme prosedyren er igjen utført for det tredje spor, først legging av ett eller flere karbonfiberlag 27, 28 30°), og sporet fylt med en glass/epoksyfyller 29.

Denne prosedyren kan fortsette så lenge det er nødvendig, i henhold til antallet av spor kuttet inn i metallet. Imidlertid, er det antatt at tre spor vil være tilstrekkelig for å tilveiebringe den nødvendige styrken.

Til sist er sløyfelag 30 viklet på endekoblingen for å tilveiebringe ytterligere radial stivhet, på en konvensjonell måte. Lagene strekker seg fra det sylindriske (rør)området til enden av koblingen. Sløyfelagene er viklet over fyllerlagene i sporområdene, og trekker sikkert ned de heliske inn i sporene.

Alternativt, kan sløyfelag erstatte fylleren i det siste sporet 5. Om det er ønskelig, kan ett eller flere lag av glassklede (eller lignende ortotropt klede hvilket ikke er for stivt for å følge den ytre konturen av endekoblingen), vikles rundt koblingssylinderen for å beskytte karbonen både mot korrosjon og kontaktkrefter mot endekoblingen.

Når trådviklingsfasen av fabrikasjonen er ferdigstilt, kan sammenstillingen plasseres i en konvensjonell ovn og tillates å herde. Kompositten og koblingssylinderen kan deretter fjernes fra spindelen på en normal måte.

På fig. 2 er det vist en første utførelse av oppfinnelsen. Etter det første laget av karbon er ferdigstilt, og det første sporet er fylt, er et lag 31 av et elastomermateriale påført til den ytre overflate av karbon og fylleren. I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er elastomerlaget bare et tynt lag som strekker seg bare delvis mot komposittrøret og delvis inn i det første spor 3.

Deretter er de neste heliske lagene 24, 25 av karbonfibrer viklet rundt røret, og strekker seg inn i enden av det annet spor.

Etter det annet lag (de andre lagene) av karbon er blitt viklet på, er et andre elastomerlag 32 påført på den ytre overflate av karbon og fylleren. Elastomeren strekker seg delvis inn i det andre spor 4.

Deretter er det tredje karbonlaget og fyllerne påført og sløyfelagene er viklet rundt endekoblingen som tidligere beskrevet.

På fig. 3 er det vist en alternativ utførelse av oppfinnelsen, hvor hovedforskjellen mellom denne og utførelsen på fig. 2 er at elastomerlagene 33, 34, 35 befinner seg mellom to karbonlag med forskjellig orientering, mellom 21,24; 22,25; 25,28 henholdsvis.

På grunn av elastomeren erdet foretrukket å benytte en selvherdende harpiks istedenfor å benytte en høytemperaturherding.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å forme en kobling mellom en metall- og en komposittdel, omfattende trinnene av: A. plassere metalldelen, med i det minste to omkretsliggende utsparinger (3,4,5) i den ytre overflate, på et parti av en spindel, B. påføre i det minste ett fibrøst harpiksinneholdende materi all ag (21,22) oppå spindelen og'metalldelen, hvilket lag dekker i det minste et parti av den første utsparingen (3), C. påføre et fyllmateriale (23) i utsparingen (3) som er i det minste delvis dekket av nevnte fibrøse materiallag (21,22), D. påføre i det minste ett andre fibrøst harpiksinneholdende materiallag (24,25) oppå nevnte lag som dekker deler av nevnte utsparing (3), hvilket andre fibrøse materiallag (24,25) også dekker i det minste et parti av en andre utsparing (4), E. repetere trinnene C og D inntil det nødvendige antall av utsparinger (3,4,5) er fylt med fyllmateriale (23, 26, 29), F. herding av det fibrøse harpiksinneholdende materialet og G. fjerning av nevnte spindel hvori under prosedyren av å påføre de fibrøse harpiksinneholdende lagene (21,22,24,25,27,28) i det minste ett lag av et elastisk materiale (31,32; 33,34,35) er påført mellom to fibrøse harpiksinneholdende lag, hvilke to lag dekker forskjellige utsparinger (3,4,5) og i et område i det minste strekkende til utsparingen hvor et første av de to lagene terminerer.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at laget av elastisk materiale (31,32; 33,34,35) er påført mellom to lag, hvilke lag terminerer i den samme utsparingen.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at laget av elastisk materiale (31,32; 33,34,35) er terminert over et fyllmateriale (23,26,29).

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at de forskjellige lagene av harpiksinneholdende materiale over hverandre, er viklet i samme eller forskjellige mønstre.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at et annet lag av fibrøst harpiksinneholdende materiale (30), som forløper over alle utsparingene (3,4,5) er påført til koblingen før trinn F.

6. Kobling mellom en metalldel (2) og komposittdel (1), hvilken metalldel (2) omfatter i det minste to omkretsliggende utsparinger (3,4,5) i den ytre overflate, rundt hvilken metalldel (2) det er tilveiebragt i det minste ett fibrøst harpiksinneholdende lag (21,22) hvilket strekker seg i det minste delvis inn i den første utsparingen (3), fyll material et (23) tilveiebragt på i det minste ett lag (21,22) i den første utsparingen (3), og i det minste et andre fibrøst harpiksinneholdende lag (24,25) hvilket strekker seg i det minste delvis inn i en andre utsparing (4), hvori i det minste ett lag av et elastisk materiale (31 ;33) er tilveiebragt mellom to lag, hvilke to lag terminerer i forskjellige utsparinger, og i et område som i det minste strekker seg til nevnte utsparinger, hvor et første av de to lag termineres.

7. Kobling i henhold til krav 6, hvori det elastiske laget (31,32;33,34,35) er tilveiebragt mellom to lag som terminerer i samme utsparing.

8. Kobling i henhold til krav 7, karakterisert Ved at det elastiske laget er (31,32;33,34,35) tilveiebragt med en terminering på en skrånende overflate av en utsparing (3,4,5).

9. Kobling i henhold til krav 7, karakterisert ved at det elastiske laget (31,32;33,34,35) er tilveiebragt med en terminering i et område over fyllmaterialet (23,26,29).

10. Kobling i henhold til krav 6, karakterisert ved at det er tilveiebragt i det minste ett ytterligere lag av fibrøst harpiksinneholdende materiale som terminerer i den samme utsparingen.

11. Kobling i henhold til ett av de foregående krav, karakterisert ved at det er tilveiebragt i det minste ett ytre lag (30) av fibrøst harpiksinneholdende materiale som dekker alle utsparingene (3,4,5) i metalldelen (2).

12. Kobling i henhold til ett av kravene 6-10, karakterisert ved at de forskjellige lagene av fibrøst harpiksinneholdende materiale er tilveiebragt med samme eller forskjellige viklingsmønstre.