NO176368B - Böyningsbegrensende anordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en bøyningsbegrensende anordning som anvendes der hvor kabler, fleksible stigerør, navlestrenger (umbilicals) etc. føres inn i en mottakerstasjon, f.eks. en of f shore-plattf orm. Den bøyningsbegrensende anordning består av en elastisk sammensatt, armert konstruksjon med en innvendig aksial boring og en flens for montering av den bøyningsbegrensende anordning til mottakerstasjonen. Nærmere bestemt gjelder oppfinnelsen nevnte flens og innfesting av den bøyningsbegrensende anordnings aksielle armering til denne.

Tradisjonelt finner den bøyningsbegrensende anordning av ovennevnte type anvendelse i de tilfeller der det stilles krav til kablers etc. bøyeradius eller hvor det generelt er ønske-lig å beskytte kabler ved innføring i en mottakerstasjon. Et anvendelseseksempel kan være ved innføring av fleksible stige-rør i en strekkstagplattforms flytende konstruksjon.

Bøyningsbegrensende anordninger av foreliggende type er spesielt kjent innen offshore-industrien, og tradisjonelt er slike bøyningsbegrensende anordninger bygget opp av en massiv stålflens med påsveiset aksialarmering mot den bøyningsbe-grensende anordnings fleksible del.

Det har vist seg at forbindelsen mellom flens og aksialarmering har stor betydning for den bøyningsbegrensende anordnings egenskaper med hensyn på f.eks. ønsket stivhet og levetid (utmatting) . Dessverre har sistnevnte egenskap - utmatting - i noen tilfeller medført at den bøyningsbegrensende anordning med tradisjonell oppbygning har brutt sammen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås en bøyningsbe-grensende anordning som gir en bedre fordeling av kreftene og dermed en betydelig øket utmattingsstyrke i forhold til tradi-sjonelle løsninger.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at den bøyningsbe-grensende anordning beregnet for montering til en mottakerstasjon, fortrinnsvis en offshore-plattform, hvor ved bruk, kabler, fleksible stigerør, navlestrenger etc, føres inn gjennom en innvendig aksiell boring i den bøyningsbegrensende anordning, idet den bøyningsbegrensende anordning omfatter en innfestingsende anordnet til mottakerstasjonen, bestående av en sirkulær flens med en indre boring, hvor det til og innvendig av denne, er anordnet en sylindrisk innsats med en innvendig boringsdiameter lik den bøyningsbegrensende anordnings boring, en oppbygging av en gummiblanding med en innvendig boring, og ytre dimensjoner lik den bøyningsbegrensende anordning er festet til endeflensen/innsatsen og er i lengderetning utformet med en fortrinnsvis konisk ytre avsmalning mot den bøyningsbegrensende anordnings fleksible ende, oppbyg-gingen innbefatter videre lag av aksiell armering, forbundet med kryssende kordlag derimellom og armering og et et ytre beskyttelseslag viklet rundt ytre periferi av den bøynings-begrensende anordning. Den bøyningsbegrensende anordning er kjennetegnet ved at flensen er utformet med et antall radielle åpninger fordelt rundt flensen, og den aksielle armering går fra den bøyningsbegrensende anordnings fleksible parti mot og gjennom en radiell åpning i flensen og tilbake mot den bøy-ningsbegrensende anordnings fleksible parti gjennom en annen radiell åpning i flensen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives ved hjelp av et utførelseseksempel og med henvisning til vedføyde teg-ninger, hvor: Fig. 1 viser et sidesnitt av den bøyningsbegrensende anordning ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2 viser et tverrsnitt av den bøyningsbegrensende anordnings endeflens fra fig. 1.

Med henvisning til figurene, er en utførelse av en bøy-ningsbegrensende anordning 1 ifølge oppfinnelsen, beskrevet. Fremstilling og beregning av denne spesifikke bøyningsbegrens-ende anordning 1 er også omtalt i dette utførelseseksemplet.

Konstruksjonen (den bøyningsbegrensende anordning) 1 er basert på en elastisk sammensatt konstruksjon som avsluttes med en stålflens 2. Den elastiske blandingen består av en sammenstilling av armeringskorder 8, 9 og gummimatriks 7. Egenskapene til slike blandinger er avhengig av fibrenes leggevinkel, fraksjonsfyll, gummitykkelse mellom fiberlagene, lastretning og materialegenskaper. De valgte materialer er innen produksjons- og fremstillingsområdet for oppfinnerens virksomhet. Omfattende beregninger er utført for å utvikle en hensiktsmessig utførelse basert på de tilgjengelige materialer. Detaljerte analyser av den bøyningsbegrensende anordning 1 har blitt utført ved å benytte FEM-teknikker.

Den bøyningsbegrensende anordning 1 har en innvendig aksiell boring 6 og er konstruert for et fleksibelt gass-injeksjonsstigerør med innvendig diameter på 203,2 mm (8") og 414 bar innvendig trykk. Den bøyningsbegrensende anordning 1 er videre konstruert for en levetid på 20 år, og tilpasset for å anvendes i et offshore-miljø i luft, i skvalpe-sone, og i neddykket tilstand. Konstruksjonsmessige elementer laget av polymer-materiale, f.eks. aramidfibre, skal maksimalt utnyttes til 50% av bruddstyrke ved strekk. Den bøyningsbegrensende anordnings 1 utforming er en optimal kombinasjon av material-og produksjonsteknologi som benytter elastiske blandinger og avanserte beregningsteknikker. Den bøyningsbegrensende anordning 1 er en elastisk kompositt-konstruksjon, bestående av følgende elementer:

endeflens 2 av stål,

aksiell aramid-armering 8,

periferisk aramid-armering 11,

krysslagt stålkord 9,

naturgummi-blanding 7,

rayon-perler 10, og

ytre lag av neopren 12.

Den bøyningsbegrensende anordning 1 er vist i fig. 1. Endef lensen 2 boltes 5 til det fleksible rørets avslutning 14. Den bøyningsbegrensende anordning 1 er festet til endeflensen 2 ved tre mekanismer:

1) gummien 7 er bundet til stålet 2,

2) den aksielle aramid-armeringen 8 er laget av bånd som går fra den bøyningsbegrensende anordnings 1 fleksible ende 13, gjennom en radiell åpning 3 i flensen 2 og tilbake inn i den bøyningsbegrensende anordning 1 gjennom en annen radiell åpning 3. Området mellom de radielle åpningene 3 er maskinert til sylindrisk form for å unngå stresskonsentrasjon. Sylin-derdiameteren er mer enn 2 0 fiberrepdiametre. (2 0 repdiametre benyttes for å oppnå full styrkeeffektivitet av aramidrepene og 3) sylindrisk stålinnsats 4 med en bulb ved den ytre enden benyttes innvendig. Denne innsatsstiveren 4 er den innerste delen av konstruksjonen 1 og fremskaffer ytterligere forankring av den bøyningsbegrensende anordning 1 til endeflensen 2.

Den aksielle aramid-armeringen 8 er hovedmekanismen for å terminere kreftene. I tillegg gir den aksielle aramid-forsterkningen 8 betydelig bidrag til bøyningstivheten av konstruksjonen 1.

Den periferiske aramid-armeringen 11 er viklet på utsiden av den bøyningsbegrensende anordning 1. Dette er gjort for å sikre at den bøyningsbegrensende anordnings 1 trykkside skal kunne ta trykkrefter. Med denne periferiske forsterkningen 11 er den radielle ekspansjonen begrenset ved kompresjonssiden. Kompresjonen vil således resultere i oppbygning av trykk i gummien 7. Dette trykket vil være en viktig del av kompre-sjonsstivheten til den bøyningsbegrensende anordning 1.

For konstruksjoner 1 som utsettes for høye belastninger er det nødvendig med ytterligere avstivning. I denne konstruksjonen oppnås dette ved inkludering av krysslagt stålkord 9 i den indre delen av den bøyningsbegrensende anordning 1. Disse kordlagene 9 er bundet til den aksielle aramid-armeringen 8. Antall stålkordlag 9 og aramidlag 8 er valgt for å gi tilstrekkelig stivhet og konstruksjonsspenninger. For å unngå uforholdsmessig store skjærspenninger i gummien 7, er den effektive aksielle stivheten av den krysslagte stål-korden 9 lik den aksielle stivheten av aramidet 8.

Den valgte matriksen er en naturgummi-blanding 7 på grunn av den utmerkede bindingen til stål 2, 4, de utmerkede utmat-tingsegenskaper og det at materialet 7 er godt tilpasset for fremstilling av slike anordninger. Et ytre belegg 12 av kloropren benyttes for å sørge for UV- og ozon-motstand av den bøyningsbegrensende anordning 1.

Dimensjoneringsanalysen er utført ved å benytte element-programmet NISA.

Den bøyningsbegrensende anordning 1 er bygd opp av lag med naturgummi-blanding 7 og kord 9 på en ståldor (kjerne) med flenser som kan festes i hver ende. Ende- (terminer-

ings-) flensen 2 er festet i en ende til doren. Lag av gummi 7 er bygd opp på doren. Når den utvendige gummi-diameteren samsvarer med diameteren til det innvendige aramid-kordlaget, påføres 50 mm brede sjikt med aksielle aramid-korder 8. Aramid-sjiktet (Kevlar-folien) 8 legges gjennom terminerings-flensens 2 radielle åpninger 3, rulles flatt og festes til gummien 7 i den spesifiserte lengde. Mellom aramid-foliene 8 vil tilhørende gummi-emner 7 fylles opp. To krysslagte lag av stålkord 9 tilføres ved 37,5° vinkel med aramidet 8. Gummi 7 legges inntil diameteren samsvarer med det neste aramid-laget 8. De frie endene til det ene aramid-lag 8 trekkes gjennom den andre radielle åpnings 3 sirkel, rulles ut og festes. Operasjonen repeteres inntil alle de nødvendige aksielle aramid- 8 og stålkord-lagene 9 er bygd inn. Et lag av periferisk aramid 11 vikles rundt den bøyningsbegrensende anordning 1 for å tilveiebringe ringstyrke av den bøyningsbegrens-ende anordning 1. Til slutt plasseres et gummilag av neopren 12 over den bøyningsbegrensende anordning 1 og terminerings-flensen 2. I tillegg påføres neopren 12 på baksiden av flensen 2 for å beskytte aramidet. For å sikre metall-til-meta 11-kontakt i bolte-sirkelen 5, maskineres baksiden av flensen 2 ned i området hvor gummi påføres.

FEM-analyseresultatene ble sammenlignet med en fullskala-test, og disse to testresultatene viste seg å stemme godt overens. Utgangspunktet for konstruksjonen 1 har vært et fleksibelt gasstigerør på 203,2 mm (8") med 414 bars trykk som benyttes på et produksjonsfartøy i 300 m vanndybde. Dette svarer til en øvre strekkbelastning på 700 kN og 30° vinkel med kurvatur radius på 3,1 m i den bøyningsbegrensende anordning 1. Vekten av den omtalte bøyningsbegrensende anordning 1 er på omkring 1500 kg, den har en aksiell lengde på 1,8 m og diameteren ved endeflaten er 1,2 m.

Analysen har vist at utformingen av den bøyningsbegrens-ende anordning 1 kan møte de påkrevde belastninger og at utnyttelsen av forskjellige komponenter er under de lovlige verdier. Termineringen av den elastiske blandingen til stål-f lensen 2, oppnås ved mekanisk terminering av forsterknings-delene 8 på en måte som reduserer spenningskonsentrasjonen. Termineringen inkluderer ikke ytterligere komponenter eller andre tilsetninger. Utførelsen er basert på standard materialer som er tilgjengelig hos oppfinneren, det er et potensiale for optimalisering ved å velge stivere polymermaterialer som innbefatter kortfibret, forsterket gummi.

Claims (7)

1. Bøyningsbegrensende anordning (1) beregnet for montering til en mottakerstasjon, fortrinnsvis en of f shore-plattf orm, hvor ved bruk kabler, fleksible stigerør, navlestrenger etc., føres ,inn gjennom en innvendig aksiell boring (6) i den bøy-ningsbegrensende anordning (1) , idet anordningen (1) omfatter en innfestingsende (14) anordnet til mottakerstasjonen, bestående av en sirkulær flens (3) med en indre boring, hvor det til og innvendig av denne, er anordnet en sylindrisk innsats (4) med en innvendig boringsdiameter lik den bøyningsbegrens-ende anordnings (1) boring (6) , en oppbygning (7) av en gummiblanding med en innvendig boring (6) og ytre dimensjoner lik den bøyningsbegrensende anordning (1) er festet til endef lens-en/innsatsen (2, 4) og er i lengderetning utformet med en fortrinnsvis konisk ytre avsmalning mot den bøyningsbegrensende anordnings (1) fleksible ende (13) , oppbygningen (7) innbefatter videre lag av aksiell armering (8) forbundet med kryssende kordlag (9) derimellom, og armering (11) og et ytre beskyttelseslag (12) viklet rundt ytre periferi av den bøy-ningsbegrensende anordning (1) , karakterisert ved at flensen (2) er utformet med et antall radielle åpninger (3) fordelt rundt flensen (2) , og den aksielle armering (8) går fra den bøyningsbegrensende anordnings (1) fleksible parti (13) mot og gjennom en radiell åpning (3) i flensen (2) og tilbake mot den bøyningsbegren-sende anordnings (1) fleksible parti (13) gjennom en annen radiell åpning (3) i flensen (2).

2. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge krav 1, karakterisert ved at de radielle åpninger (3) i flensen (2) har en avlang form med avrundede kanter.

3. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge krav 1-2, karakterisert ved at området mellom de radielle åpninger (3) på flensen (2) er avrundet med en krumnings-diameter (sylinderdiameter) større enn 2 0 fiberrep-diametre.

4. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at de radielle åpninger (3) er anordnet i radielle rader med regelmessig innbyrdes av-stand.

5. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge kravene 1-4, karakterisert ved at den aksielle armering (8) er i form av aramid-tråder/bånd.

6. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge kravene 1-5, karakterisert ved at det kryssende kordlag (9) er anordnet ved en vinkel på 37,5° i forhold til den aksielle armering (8) .

7. Bøyningsbegrensende anordning (1) ifølge krav 1-6, karakterisert ved at innsatsen (4) omfatter en bulb anordnet ved innsatsens (4) avslutning mot den bøy-ningsbegrensende anordnings (1) fleksible ende (13).