DE69601883T2

DE69601883T2 - Biegsames rohr mit textiler armierung

Info

Publication number: DE69601883T2
Application number: DE69601883T
Authority: DE
Inventors: Anh Tuan Do; Joel Le Nouveau
Original assignee: Coflexip SA
Current assignee: Technip Energies France SAS
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: EP0853739B1; WO1997013091A1; AU7134896A; AU713018B2; DE69601883D1; EP0853739A1; US6099925A; PL326199A1; CA2234256C; FR2739673B1; PL180721B1; CA2234256A1; FR2739673A1; ATE178131T1; ES2130853T3

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Rohr mit textiler Armierung, insbesondere ein flexibles Rohr zum Transportieren eines Fluids unter hohem Druck, dessen Innendurchmesser größer ist als etwa 4 cm.
Solche Rohre werden z. B. zum Transportieren von Gas, Erdöl, Wasser oder anderen Fluiden über große Entfernungen und unter Drücken von mehreren hundert Bar benutzt.
Der Aufbau dieser Röhre umfaßt in der einfachsten Form zumindest ein dichtes Innenrohr, in dem das Fluid zirkuliert,
- eine um das Innenrohr angeordnete Armierung, deren Aufgabe darin besteht, dem im Innern des Innenrohrs herrschenden Druck und verschiedenen äußeren Kräften Widerstand zu leisten,
- und eventuell einen um die Armierung angeordneten äußeren Schutz- und/oder Dichtungsmantel.
Die Verbesserungen und weitere Perfektionierungen für Rohre dieser Art betreffen im allgemeinen, jedoch nicht ausschließlich die Armierung.
Bei einer bekannten Ausführungsform wird die Armierung durch Umflechten des dichten Innenrohrs mit Filament-Lunten aus Kunststoff hergestellt. Eine solche Armierungstechnik hat jedoch Nachteile, darunter insbesondere den Nachteil, daß der Innendurchmesser des dich- ten Innenrohrs auf Werte von weniger als 4 cm begrenzt wird, wodurch die Verwendung des biegsamen Rohrs erheblich eingeschränkt wird. Bei Innendurchmessern von mehr als 4 cm sind nämlich die Mittel zur Herstellung von geeigneten Beflechtungen prohibitiv aufwendig, weil sie eine große Anzahl von großen Spulen mit Filament-Lunten und, wegen des Gewichts der Spulen, sehr umfangreiche Organe zur Handhabung erfordern. Mit den derzeit verfügbaren Mitteln ist es sehr schwierig, um nicht zu sagen unmöglich, eine kompakte Armierung herzustellen, die das dichte Innenrohr über sehr große Längen (z. B. bei einem Innendurchmesser von 5 cm über mehr als einen Kilometer) vollständig überdeckt. Eine kompakte Armierung oder eine vollständige Überdeckung des Innenrohrs ist jedoch notwendig, um dem biegsamen Rohr gute Festigkeit zu verleihen. Falls der größere Wert auf eine kompakte Armierung oder einen guten Überdeckungsgrad des Innenrohrs gefegt wird, also auf die Innendruckfestigkeit, ist man gezwungen, die Länge der im Durchlaufverfahren hergestellten Rohre zu reduzieren. Daraus folgt, daß man für den Transport der Fluide über große Entfer nungen mehrere Rohre durch Verbindungsmuffen stumpf miteinander verbinden muß. Dies ist lästig und hat den Nachteil, daß in dem Rohr Schwächungszonen bezüglich der Dichtigkeit entstehen.
Außerdem werden durch das Aufbringen einer sehr kompakten Umflechtung die Taktzeiten bei der Produktion der Rohre spürbar verlangsamt.
Schließlich führt die Umflechtung mit Filament-Lunten zu einer großen Zahl von Überkreuzungen der Filament-Lunten mit der Folge, daß der erzielbare Nutzeffekt gering ist. Der Nutzeffekt ist umso geringer, je größer die Zahl der übereinanderliegenden Flechtlagen ist. Man hat nämlich festgestellt, daß die von der Längsachse (der zentralen Achse) des Innenrohres am weitesten entfernten Lagen weniger zu der Widerstandsfähigkeit gegen den auf die Innenwandung des Innenrohrs ausgeübten Druck beitragen als die anderen Lagen.
Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Armierung aus einer oder mehreren sich kreuzenden Lagen, wobei jede Lage aus einer spiralförmigen Wicklung dicker Lunten, wie Schnüren oder Litzen mit annähernd kreisförmigem Querschnitt, hergestellt ist, deren Windungen mehr oder weniger aneinanderstoßen. Diese Technik hat den Nachteil, daß sie Ursache für ein Phänomen ist, durch die das Innenrohr tordiert wird, wenn es unter Druck steht, weil die Armierungslunten von einer Lage zur anderen ungleiche Dehnungen haben. Dieses Phänomen kann eine Beschädigung des Innenrohrs hervorrufen und die Effizienz des biegsamen Rohrs verringern.
Das Dokument US 4 104 095 beschreibt ein flexibles Rohr, bestehend aus einem Kunststoff- Innenrohr, auf das ein Band aus Glasfasergewebe gewickelt ist, wobei das ganze anschließend erwärmt wird, um eine innige Verbindung des Kunststoffmantels und, des Glasfasergewebes durch oberflächliche Fusion des Mantels und plastisches Fließen in die freien Zwischenräume des Glasfasergewebes zu bewirken. Auf diese Weise entsteht ein Gebilde, das üblicherweise als "bonded"-Schlauch bezeichnet wird.
Das Patent EP 539 429 betrifft ein Komposit-Rohr, in dem ein Fluid unter hohem Druck zirkulieren kann. Das Rohr umfaßt ein Innenrohr aus thermoplastischem Material, eine oder mehrere um das Innenrohr gewickelte Lagen aus einem bandförmigen Material und einen äußeren Schutzmantel. Das Band kann aus imprägniertem oder nichtimprägniertem Kunststoff- Fasermaterial bestehen, ggf. verstärkt durch einen gewebten Stoff aus Fasern oder Metall. In einer Ausführungsform stoßen die Windungen der ersten Lagen nicht aneinander, und die Überdeckung des Zwischenraums zwischen den Windungen wird durch die nachfolgende Lage oder die nachfolgenden Lagen erreicht, die über der genannten ersten Lage angeordnet ist, wobei jede Lage mit der benachbarten Lage durch Verschweißen ihrer Endbereiche ver bunden ist. Was die erste Lage betrifft, so kann sie mit dem Innenrohr verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform liegen die Windungen aller Wicklungen aneinander, und ihre Verbindung wird durch Schweißpunkte an den benachbarten Rändern der Windungen erzielt.
Ein solches Rohr könnte befriedigend erscheinen, in Wirklichkeit ist sie es jedoch keineswegs. Wenn das Rohr nämlich nur ein Wicklungsband besitzt, ist nur die zweite Ausführungsform möglich. Letztere hat hauptsächlich den Nachteil, daß sie ein starres und kein biegsames Rohr ergibt, da die Armierungsbänder sich bei einer möglichen Krümmung des Rohrs nicht verschieben können.
Der Hauptnachteil der ersten Ausführungsform besteht darin, daß wenigstens drei übereinanderliegende Lagen benötigt werden, von denen wenigstens zwei im gleichen Richtungssinn gewickelt sein müssen, damit die Zwischenräume zwischen den nicht aneinanderstoßenden Windungen der unteren Lage überdeckt werden.
Schließlich und vor allem, und das gilt für beide Ausführungsformen, ist keinerlei Hinweis und/oder keine Anregung zur Struktur des Bandes gegeben, mit Ausnahme der Tatsache, daß es aus Kunststoffasern besteht, imprägniert ist oder nicht und verstärkt sein kann. Letztlich gibt dieses Patent weder eine Lehre noch eine Anregung dazu, wie ein optimiertes biegsames Rohr, d. h. ein Rohr mit optimaler Festigkeits-Kosten-Relation zu realisieren ist, und dabei das oben erwähnte Verdrehungsphönomen kontrolliert werden.
Von einem strengen industriellen und ökonomischen Standpunkt aus sind die beiden Seiten des Festigkeits-Kosten-Relation untereinander nämlich keineswegs kohärent. Im Stand der Technik und bis jetzt wird eine Erhöhung der Festigkeit mit einem Kostennachteil erkauft. So hat man beispielsweise immer widerstandsfähigere aber auch sehr teuere Fasern verwendet, wie Fasern aus Kohlenstoff, aromatischen Polyamiden usw., ohne Berücksichtigung ihres technischen und ökonomischen Nutzeffekts verwendet. Derzeit ist man ständig bestrebt, ein biegsames Rohr herzustellen, das bei niedrigeren Kosten die geforderten Qualitäten erbringt.
Das ist das Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, deren Ziel darin besteht, ein biegsames Rohr vorzuschlagen, das bezüglich einer Festigkeit gegen inneren Druck und äußere Kräfte, gegen insbesondere Zugkräfte, als auch in ökonomischer Hinsicht optimiert ist, wobei das Rohr insbesondere großen Durchmesser und große Länge aufweist.
Ein anderes Ziel besteht darin, ein biegsames Rohr vorzuschlagen, bei dem die zu seiner Herstellung verwendeten Materialien und/oder die Teilkomponenten, wie das Armierungsband, selbst die beste Festigkeit-Kosten-Relation ergeben.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfachere industrielle Fabrikation des biegsamen Rohrs mit vorhandenen Mitteln oder Verfahren zu ermöglichen, ohne daß man zu komplizierten und spezifizierten Techniken greifen muß und ohne daß die Produktionstaktzeiten spürbar herabgesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein biegsames Rohr zum Transportieren eines Fluids unter hohem Druck, des Typs mit mindestens:
- einem dichten Innenrohr,
- einer Armierung, die mindestens ein Band aufweist, das spiralförmig um eine zentrale Achse des Innenrohrs gewickelt ist, wobei das Band flach ist und mindestens eine Schicht aus Längsfilament-Lunten aufweist, die durch Verbindungsmittel, die gewebte Schußfäden aufweisen, miteinander verbunden sind, wobei das Rohr dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schuß mit einem Sprung gewebt ist, der mehr als das Fünffache des Durchmessers des Schußfadens ist, daß das Bindematerial mindestens an der Grenzfläche der Filament-Lunten und des Schußgarns angeordnet ist, wobei die Verbindungsmittel so angeordnet sind, daß sie auf ihrer ganzen Länge die Längslunten aneinander gepreßt halten und dem Band eine Dichte von mindestens gleich 39% verleihen.
Durch diese Merkmale wird das biegsame Rohr sowohl bezüglich der Inndruckfestigkeit als auch in ökonomischer Hinsicht optimiert, oder mit anderen Worten, es liefert die beste Festigkeit-Preis-Relation.
Es erfüllt die Kriterien leichter Ausführbarkeit, weil es von der Armierungstechnik mit spiralförmiger Umwicklung Gebrauch macht. Es läßt sich mit großem Durchmesser mit gutem Überdeckungsgrad und in großer Länge herstellen, ohne daß die Produktionstaktzeiten erheblich reduziert werden.
Es benutzt außerdem als Teilkomponente ein Band, das vorteilhafterweise eine optimierte Festigkeit-Kosten-Relation aufweist.
Aus Gründen der Bequemlichkeit und der Einfachheit wird das Bindematerial an der genannten Grenzfläche durch die Verwendung von Schußfäden eingebracht, die vor dem Verweben mit einem thermoplastischen Material ummantelt werden.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung, durch das eine Verbesserung des Zusammenhalts der Lunten in dem Band und eine Verbesserung seiner Stabilität und ein besserer Schutz der Längslunten gegen abrasiven Verschleiß und chemischen Angriff erreicht werden soll, benutzt man Lunten, die vor dem Weben des Schußgarns mit Thermoplaste ummantelt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugte Ausführungsbeispielen der Erfindung und den anliegenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Teilschnitt eines biegsamen Rohrs gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine partielle Aufsicht des gewebten Bandes, das für die Armierung des biegsamen Rohres gemäß der Erfindung verwendet wird,
Fig. 3 zeigt eine geschnittene Teilansicht des Bandes von Fig. 2,
Fig. 4 zeigt eine geschnittene Teilansicht des Bandes von Fig. 2 in einer anderen Ausführungsform.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Rohrs gemäß der Erfindung umfaßt letzteres in der Reihenfolge von innen nach außen:
- ein dichtes Innenrohr 1 zum Transportieren eines Fluids unter Druck, z. B. aus Thermoplast, im vorliegenden Fall aus Polyethylen mit hoher Dichte, entsprechend der Norm NFT- 54-065, dessen Innen- und Außendurchmesser 73,6 mm bzw. 90 mm betragen,
- eine Armierung 2, bestehend aus zwei Lagen 3 und 4 mit mehreren Bändern, die üblicherweise als Armierungsbänder bezeichnet werden und spiralförmig mit entgegengesetztem Wicklungssinn unter einem Winkel von etwa 55º um das dichte Innenrohr 1 gewickelt sind, und
- eine äußere Schicht 5, bestehend aus einem Schutzmantel, der z. B. aus einem thermoplastischen Material, wie Polyethylen hergestellt ist und eine Stärke von etwa 4 mm hat.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Armierungsfaden der Schichten 3 und 4 aus einem flachen Band 10 mit longitudinalen Kettfäden 6, die eine Schicht 6' aus Längsfilament-Lunten bilden, und aus Mitteln zum Verbinden der Kettfäden in Form von Schußfäden 7 sowie aus Bindematerial 8. Die Verbindungsmittel sind so angeordnet, daß sie die Kettfäden über die gesamte Länge gegeneinander gepreßt halten und dabei dem Band im Ruhezustand eine bestimmte Dichte verleihen, die weiter unten definiert wird.
In dem Beispiel (Fig. 2) verbindet das Schußgarn die Kettfäden durch ein schlaffes Gewebe, d. h. mit einem Sprung P zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen, der deutlich größer ist als der üblicherweise verwendete Wert, vorzugsweise größer als der fünffache Durchmesser des Schußfadens. Gute Resultate wurden mit einem Sprung von etwa 0,5 cm erzielt. Durch diese Anordnung haben die Lunten insbesondere in Breitenrichtung eine gute Maßhaltigkeit, und ihr Verlust ist minimiert. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, daß der Ausdruck Verlust den prozentualen Reißfestigkeitsverlust der zusammengestellten Lunten, bezogen auf die Reißfestigkeit der einzeln genommenen Lunte, bezeichnet.
Der longitudinale Kettfaden 6 ist vorzugsweise eine Filament-Lunte hoher Reißfestigkeit, z. B. aus Fasern aus aromatischem Polyamid, wie Aramidfasern, oder auch Kohlenstoff-, Glasfasern usw.. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um Aramidfasern mit 330 tex, genauer um fortlaufende Aramid-Filamente, die durch Zwirnen zusammengefaßt sind.
Als Schußfaden im Sinne der Erfindung wird jedes Element auf der Basis von Fäden betrachtet, die relativ zur Längsrichtung des Bandes schiefwinkelig oder senkrecht transversal zu den Lunten angeordnet sind, so daß sie letztere aneinandergepreßt halten, wobei der gewebte Schuß eine praktische Ausführungsform bildet. Der Schuß ist so angeordnet, daß er die longitudinalen Lunten verwebt, indem er sie zumindest einzeln nacheinander faßt und die Schicht 6' durchdringt.
Der Schußfaden 7 kann ein Faden mit 44 tex aus aromatischen Polyamidfasern, ein Faden mit 56 tex aus Polyesterfasern oder ein Faden mit 70 tex aus Glasfasern sein. Auch andere Fasern und andere Titer können geeignet sein. Der Durchmesser des Schußfadens 7 entspricht etwa einem Drittel des Durchmessers des Kettfadens 6.
Erfindungsgemäß ist zumindest auf der Grenzfläche zwischen den longitudinalen Lunten 6 und den Schußfäden 7 ein Bindematerial angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform (Fig. 3) ist der Schußfaden 7 mit einem thermoplastischen Mantel umgeben, der nach dem Informbringen des Bandes an den longitudinalen Lunten 6 so stark haftet, daß das Band keine Durchbrechungen aufweist und kein Spiel oder Luftzwischenraum zwischen den longitudinalen Lunten 6 vorhanden ist. Falls die Lunten stark gepreßt werden, können sie stellenweise einander überlagern, statt seitlich nebeneinander in einer Reihe zu liegen. Sie überlagern sich insbesondere im Bereich der einzelnen gewebten Schußfäden. Die Überlagerung endet in einer Zone in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schußfäden.
Das Bindematerial wird unter den Materialien ausgewählt, die die Lunten direkt oder indirekt durch physikalische und/oder chemische Haftung verbinden und deren Verformung, insbesondere ihrer Längsdehnung folgen können. Es wurde festgestellt, daß für ein Band mit Lunten aus Aramidbündeln Materialien mit einer Härte bis etwa 60 shore D geeignet sind.
Das Bindematerial kann aus Thermoplasten, wie Polyamiden, Polyolefinen, Vinyl-Thermoplasten, fluorierten Thermoplasten, insbesondere thermoplastischen Copolymeren und elastomeren Thermoplasten ausgewählt werden, oder auch aus Elastomeren, wie natürlichem oder synthetischem Kautschuk, Polyurethan, Silikon. Wärmeaushärtende Materialien, wie PTFE, bestimmte Polyurethane, kommen ebenfalls in Betracht, unter der Bedingung jedoch, daß sie nur in schwacher Proportion benutzt werden, damit das Band flexibel bleibt.
Wegen ihrer leichten Handhabbarkeit bei der Herstellung des Bandes werden thermoplastische Materialien bevorzugt.
Bei einer anderen Ausführungsform sind die Kettfäden oder Filament-Lunten 6 jeweils in einem Thermoplastmantel 9 angeordnet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wobei die Schußfäden 7 ebenfalls ummantelt sind. Es hat sich herausgestellt, daß die Ummantelung der longitudinalen Lunten ihre individuelle Dichte in dem Band, insbesondere im Ruhezustand, verbessert.
In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform sind die Kettfäden mit einem Thermoplast ummantelt, während es der oder die Schußfäden nicht sind. Dies hat zur Folge, daß der Schuß trotz des schlaffen Sprungs, mit dem er angeordnet ist, stabilisiert ist. Auf der anderen Seite erlaubt dies, auf die Ummantelung des Schußfadens mit Thermoplast zu verzichten.
Nach dem Weben wird das Band warm kalandriert.
Das Band eignet sich offensichtlich für die Zwecke der Erfindung, weil es im Ruhezustand ein Faserverhältnis oder eine Dichte von mehr als 39% hat. Dieser Wert entspricht der Dichte eine Bandes, das aus n, z. B. 11 Aramid-Lunten mit 330 tex mit einem Ruhedurchmesser von 0,765 mm besteht, unter der Voraussetzung, daß die Lunten in diesem Zustand eine Dichte von etwa 50% haben, wenn sie seitlich nebeneinander in einer Ebene liegen, d. h. aneinandergrenzen. Das Band sollte vorzugsweise einen Verlust von weniger als 10% haben.
Im Beispiel besitzt das flache Band 11 Längslunten 6 aus aromatischen Polyamidfasern mit jeweils 330 tex mit einer Ummantelung aus Copolyamid mit einem Sprung von 0,5 cm. Die Zugfestigkeit des Bandes liegt in der Größenordnung von 191 cN/tex (695 daN) mit einer Bruchdehnung in der Größenordnung von 3,7% und einem Verlust von 6%.
Das so hergestellte Band hat einen Breitenfüllgrad, der 4537,5 tex/cm oder nach einem anderen Aspekt als Dichte ausgedrückt, einem Faserverhältnis in dem Band von 53% entspricht. Dieses Verhältnis ist gleich s/S, wobei s die von den Fasern besetzte Querschnittsfläche und S die Fläche des den Querschnitt des Bandes umhüllenden Rechtecks ist.
Man bestimmt die Fläche des den Querschnitt des Bandes umhüllenden Rechtecks, indem man von seinen Abmessungen im Ruhezustand ausgeht.
Die Dicke des Bandes kann beispielsweise gemessen werden, indem man den Abstand nimmt, der zwei Platten voneinander trennt, die über und unter dem Band angeordnet sind und einen Druck von weniger als 10 g/cm² auf das Band ausüben. Seine Breite kann gemessen werden, wenn es unter diesem Druck steht.
Was die von den Fasern besetzte Fläche betrifft, so läßt sich diese bestimmen, indem man den Titer der Längslunten und die Dichte der die einzelnen Lunten bildenden Fasern in Rechnung stellt.
In dem Beispiel ist die gemessene Breite gleich 8 mm, und seine Dicke ist gleich 0,6 mm. Die Fläche s, die gleich 0,254 mm² ist; wurde aus der Dichte der Lunten gewonnen, die 1440 kg/m³ beträgt.
Falls die Längslunten mit einem Bindematerial ummantelt sind, bestimmt man dessen Verhältnis, indem man einen mikrografischen Schnitt durchführt und eine Bildanalyse, z. B. mit Hilfe der Software-"Photoshop" und "Optilab" durchführt. Die anderen Komponenten können gegebenenfalls auf die gleiche Weise bestimmt werden.
Wenn das gewebte Band warm kalandriert ist und für den Fall, daß die Längslunten 6 mit Thermoplast ummantelt sind, wird empfohlen, Luft zwischen den Fasern der Lunten zu belassen, damit das Band gute Flexibilität oder Biegsamkeit behält, indem man beispielsweise für jede Lunte ein Luftverhältnis von etwa 23% und, bezogen auf die tatsächliche Querschnittsfläche des Bandes, in der Größenordnung von 16% vorsieht. In dem Beispiel (Fig. 4) beträgt der Anteil des Bindematerials in dem Band 33%.
Es hat sich herausgestellt, daß die geeigneten Proportionen der verschiedenen Komponenten des Bandes im Ruhezustand im großen ganzen folgendermaßen bestimmt werden können.
Falls die Längslunten nicht mit Thermoplast ummantelt sind, enthält jede Lunte wenigstens 50% Fasern, wenn der Faseranteil in dem Bande bei Betrachtung des umhüllenden Rechtecks größer oder gleich 39% ist. Die Menge an Bindematerial indem Band entspricht in diesem Fall der Menge des für die Ummantelung dieses Schußfadens benötigten Materials.
Falls die Längslunten mit Thermoplast ummantelt werden, empfiehlt es sich, die entsprechenden Anteile der Komponenten durch Bildanalyse zu messen, wobei man die von dem Querschnitt des Bandes tatsächlich besetzte Fläche betrachtet und nicht den Querschnitt des umhüllenden Rechtecks, damit man repräsentativere Anteile erhält. Die geeigneten Anteile sind dann:
- Fasern in jeder Lunte: 60% bis 90%
- Fasern in dem Band: mehr als etwa 50%
- Bindematerial: 5% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 35%
- Luft in der Lunte: 5% bis 40%, vorzugsweise 10% bis 30%.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besitzt die Armierung 2 zwei übereinanderliegende Armierungslagen 3, 4 mit jeweils mehreren Armierungsbändern 10, wobei die Bänder der ersten Lage 3 unter einem Winkel zwischen 54º und 56º relativ zur Achse 11 des biegsamen Rohrs gewickelt sind, während die Bänder der zweiten Lage in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Der Ummantelungswinkel einer Lage kann beispielsweise kleiner als 55º und der Ummantelungswinkel der anderen Lage größer als 55º sein. Bei einem solchen Ummantelungswinkel hält man die Längsdehnung des biegsamen Rohrs auf einem niedrigen Wert. Es hat sich gezeigt, daß das Band im großen ganzen den folgenden Bedingungen entsprechen soll, um die Ziele der Erfindung zu erfüllen. Es sollte vor allem große Dichte haben, gute Dimensionsstabilität, gleiche Spannung für alle Lunten, wenn es durch Abstützung auf einer gekrümmten Fläche beansprucht wird, sowie geringen Verlust aufweisen. Wenn das Band im Verlauf der Ummantelung unter Spannung aufgewickelt wird, wird seine Dichte größer als die Dichte im Ruhezustand. Der Faseranteil im Innern jeder Lunte kann sich einem theoretischen Maximalwert von 90% annähern. So hat das Rohr gemäß der Erfindung den Vorteil, daß das Verdrehungsphänomen, das zur einer Beschädigung führen könnte, minimiert wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird um die Armierung 2 ein Abhebe- oder Antihaftband 12 mit Überdeckung um die zweite Armierungslage 4 so gewickelt, daß diese sie ganz überdeckt, um den äußeren Schutzmantel des biegsamen Rohrs zu trennen. Auf diese Weise kann die äußere Schutzhülle die Armierungsbänder 10 nicht imprägnieren, so daß das erhaltene biegsame Rohr ein Rohr vom sogenannten "non-bonded"-Typ nach der Bestimmung API (American Petroleum Institute) ist. Das Antihaftband kann aus MYLAR, TERPHA- NE oder aus einer teflonierten Folie mit einer Stärke zwischen 0,5 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,75 und 1,5 mm, hergestellt sein.
Ein biegsames Rohr nach dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einem Innendurchmesser von 5 cm (2 Zoll) hat ein längenbezogenes Gewicht von 3,61 kg/m und einen Berstdruck P in der Größenordnung von 254 Bar. Auf der ökonomischen Seite stellt man fest, daß die für den laufenden Rohrmeter benötigte Fasermenge Q in der Größenordnung von 180 g liegt, was eine Fasermenge Q pro Rohrmeter und pro Einheit des Berstdrucks Q/P von etwa 0,7 g/m·bar (= 180/254) ergibt.
Die an biegsamen Rohren mit größerem Durchmesser, z. B. einem Innendurchmesser von 152,4 mm (6 Zoll) und einem Außendurchmesser von 187 mm durchgeführten Versuche zeigen, daß man ein flexibles Rohr mit einem Gewicht von 8,58 kg/m, einem Berstdruck P von 138b und einer Fasermenge Q von 500 g/m erhält, wobei letzterer Wert ein Verhältnis Q/P von 500/138 = 3,6 g/m·bar ergibt.
Die oben angegebenen Resultate betreffen Bänder, deren Längslunten aus Aramid bestehen. Natürlich ließe sich im Sinne der Erfindung eine Optimierung mit Lunten unterschiedlicher Art, wie Kohlenstoff-, Keramik-, Glasfasern, für hohe Reißfestigkeit oder mit Polyesterfäden für mittlere Reißfestigkeit erreichen.
Im Sinne der Erfindung könnte das dichte Innenrohr
- ein Polymerrohr, z. B. aus Thermoplasten...,
- ein aufwickelbares Metallrohr, z. B. ein Wellrohr,
- eine Kombination aus beiden
sein.
Wenn das dichte Innenrohr ein Polymerrohr ist, könnte dies den Nachteil haben, daß das Rohr unrund wird oder Schwäche gegenüber äußeren Quetschdruck zeigt. Diese Schwäche kann beispielsweise von dem von den Werkzeugen zum Greifen und Halten des Rohrs ausgeübten Druck herrühren oder beim Übergang des Rohrs über einen gekrümmten Träger oder, beim Einsatz in tiefem Wasser, z. B. in einer Wassertiefe von 100 m, von dem hydrostatischen Druck auftreten.
Um diesem Nachteil zu begegnen, kann das Rohr in an sich bekannter Weise eine quetschfeste flexible Röhre aufweisen, z. B. eine nichtdichte Karkasse aus verklammertem Bandmaterial oder aus verklammertem und mit geringer Schrittweite aufgewickeltem Draht. Je nach Verwendung des Rohrs kann die genannte quetschfeste Röhre innerhalb oder außerhalb der Polymerschicht angeordnet sein, je nachdem ob es sich um ein Rohr vom Typ "rough bore" oder vom Typ "smooth bore" handelt.
Daraus folgt, daß die Armierung direkt mit der Polymerschicht oder direkt mit einem Zwischenrohr, wie z. B. der genannten flexiblen quetschfesten Röhre, in Kontakt stehen kann.
Der Schutzmantel betrifft kann von beliebiger Art, z. B. eine vorzugsweise extrudierbare Polymerummantelung oder eine Plastikbandumwicklung, sein.
Ob man einen extrudierbaren Mantel, ein einfaches Band oder ein Klebeband wählt, hängt von den Einsatzbedingungen ab.
Hauptaufgabe dieser Schutzschicht ist die Verhinderung
- jeder Art von externer Infiltration, die die Armierungsschichten beschädigen kann und/oder
- aller Angriffe mechanischer Art (Abrasion, Perforierung) oder physikalisch/chemischer Art (Hydrolyse, photochemisch...).
Wenn das biegsame Rohr für den Transport von Gas oder von mehrphasigen Produkten mit Gas verwendet wird, kann das Gas im Lauf der Zeit durch das Innenrohr diffundieren und sich in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem äußeren Dichtungsmantel und den Armierungsschichten sammeln. In dem ringförmigen Zwischenraum entwickelt sich ein gewisser Partialdruck, der auf die Gasdiffusion zurückzuführen ist. Dieser Partialdruck kann dazu führen, daß das Innenrohr kollabiert, da dieses keinen Innendruck mehr hat, oder daß der Schutzmantel birst, wenn die Stärken und die Festigkeiten des Rohrs und des Mantels unzureichend sind.
Man kann den ringförmigen Druck, der auf die Gasdiffusion zurückzuführen ist, technisch verringern:
- durch die Schaffung von Belüftungspunkten (Evakuieren des Gases an den Endpunkten der Verbindung, regelmäßige Perforierung des Schutzmantels),
- oder durch Wahl eines Polymermaterials für den Schutzmantel, das größere Durchlässigkeit besitzt als das Material des Innenrohrs,
- oder durch Verwendung eines einfachen Bandes oder eines Klebebandes als Ersatz für den äußeren Dichtungsmantel.
Um den ringförmigen Druck zu verringern, sollten für den äußeren Mantel 5 und das Innenrohr 1 Materialien gewählt werden, deren Permeabilitätskoeffizienten K&sub2; bzw. K&sub1; unterschiedlich sind, wobei K&sub2; > K&sub1; ist. Das Verhältnis K&sub2;/K&sub1; sollte vorteilhafterweise wenigstens gleich 3, vorzugsweise gleich 4 sein. Desgleichen wählt man die Dicke e&sub2; für den Außenmantel 5 und die Dicke e&sub1; für das Innenrohr 1 unterschiedlich, wobei e&sub2; insbesondere kleiner ist als e&sub1;. Das Verhältnis e&sub1;/e&sub2; sollte beispielsweise zwischen 3 und 4 liegen.
Es wurden Berechnungen durchgeführt, um festzustellen, ob der Sicherheitskoeffizient für bestimmte Materialien berücksichtigt wurde.
In einem ersten Beispiel verwendete man für den Außenmantel 5 und das Innenrohr 1 das gleiche Material, z. B. ein Polyethylen hoher Dichte des Typs PE80 nach den Normen NF T 5465 und NF T 5403 mit den folgenden Parametern:
e&sub1; = 3e&sub2;,
Innenradius des Rohrs R&sub1; = 65,4 mm,
Außenradius des Mantels 5: R&sub2; = 82 mm,
- Innendruck in dem Rohr 1: Pi = 20 bar,
Druck in dem ringförmigen Zwischenraum: Pa = Pi/4 = 5 bar.
Die Berechnungen ergaben, daß die Spannung σ, die sich in dem Mantel entwickelte, über der zulässigen Maximalspannung lag (MRS: Maximum Strength Required). Eine solche Lösung ist nicht akzeptabel.
Bei einem anderen Beispiel, bei dem man für die Materialien des Mantels 5 und des Rohrs 1 PEBD bzw. DOW 300 PE 32 verwendet, erhält man ein Verhältnis K&sub2;/K&sub1; von etwa gleich 4 (K&sub2; = 1,4 · 10&supmin;&sup8; und K&sub1; 0,35 · 10&supmin;&sup8;). Wenn man e&sub1;, e&sub2;, R, und R&sub2; so wählt, daß R&sub2;/R&sub1; = 1,26; e&sub1;/e&sub2; = 3, findet man für einen Druck Pa = 1,27 bar, einen Wert für a, der etwa gleich 2,14 Mpa oder 21,4 bar ist. Dies ist akzeptabel. Der Verlustdurchsatz für die Leitung läge in der Größenordnung 1,83 · 10&supmin;&sup8; cm³/s, d. h. in der Größenordnung von 5,6 m³ pro Jahr und Längenkilometer.
Ein sehr geeignetes Material für den Außenmantel 5 ist eine Polyurethanlegierung, wie z. B. PU ELASTOLLAN 1185 A der Firma ELASTROGRAN.
In seiner einfachsten Form kann das Rohr ohne Schutzmantel ausgeführt sein. Es umfaßt dann nur ein dichtes Innenrohr und eine Armierung auf der Basis eines Bandes gemäß der Erfindung. Dieser Fall ist insbesondere mit einem Band aus Polyesterfasern denkbar.
Die Rohre können mit Verbindungsmuffen bekannter Art ausgestattet sein, wobei die Enden der Bänder, wie Bänder von Metallarmierungen, direkt an der Muffe befestigt sind.
Bei einer nicht dargestellten anderen Ausführungsform kann das Rohr eine Armierung mit einem Band aufweisen, das mit geringer Schrittweite, z. B. von 85º, aufgewickelt ist und als Druckgewölbe gegen Umfangsspannungen wirkt.
Nach einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform kann das Rohr eine Zugarmierung aufweisen mit mehreren Bändern, die spiralförmig unter einem Winkel von weniger als 55º, z. B. 30º, um die zentrale Achse des Rohrs gewickelt sind. Diese Zugarmierung wird beispielsweise auf ein Druckgewölbe gesetzt.
Das Druckgewölbe kann vorzugsweise mit dem Band gemäß der Erfindung hergestellt werden, wie es oben angegeben wurde, oder mit einer Komponente aus einem relativ leichten Material, wie verklammerten Draht aus einer Aluminiumlegierung oder aus einem Profilmaterial aus formfestem Verbundwerkstoff FRP.
Im Sinne der Erfindung versteht man unter Lunten eine Menge oder eine Gruppe von kontinuierlichen Fäden, die miteinander verzwirnt sind oder nicht, wobei jeder Faden ein Monofilament oder eine Gruppe von fortlaufenden oder unterbrochenen Fasern oder Filamenten sein kann, die insbesondere durch Verzwirnen oder Verspinnen miteinander verbunden sind.
Gegebenenfalls kann eine Lunte durch das Zusammenfügen mehrerer elementarer Lunten, z. B. durch Verzwirnen, oder einfach durch parallele Gruppierung mehrerer elementarer Lunten hergestellt werden.

Claims

1. Biegsames Rohr zum Transportieren eines Fluids unter hohem Druck, des Typs mit mindestens:

- einem dichten Innenrohr (1),

- einer Armierung (2), die mindestens ein Band (10) aufweist, das spiralförmig um eine zentrale Achse (11) des Innenrohrs gewickelt ist, wobei das Band, (10) flach ist und mindestens eine Schicht aus Längsfilament-Lunten (6) aufweist, die durch Verbindungsmittel, die gewebte Schußfäden aufweisen, miteinander verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schuß mit einem Sprung gewebt ist, der mehr als das Fünffache des Durchmessers des Schußfadens ist, daß das Bindematerial (8) mindestens an der Grenzfläche der Filament-Lunten und des Schußgarns angeordnet ist, wobei die Verbindungsmittel so angeordnet sind, daß sie auf ihrer ganzen Länge die Längslunten aneinander gepreßt halten und dem Band eine Dichte von mindestens gleich 39% verleihen.

2. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlust der Lunten in dem Band unter 10% liegt.

3. Biegsames Rohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung zwei übereinanderliegende Lagen (3, 4) aufweist, die jeweils aus mehreren flachen Bändern (10) bestehen, die spiralförmig gewickelt sind, eine Lage in entgegengesetzter Richtung zur anderen.

4. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schußfäden (7) ungefähr 0,5 cm ist.

5. Biegsames Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schußfaden (7) mit Thermoplaste ummantelt ist.

6. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsfilament-Lunten (6) Fasern oder Filamente aus aromatischem Polyamid aufweisen.

7. Biegsames Rohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Filament-Lunte mit Thermoplaste (9) ummantelt ist.

8. Biegsames Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schußfaden (7) aus Fasern aus aromatischem Polyamid ist.

9. Biegsames Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schußfaden (7) aus Polyesterfasern ist.

10. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Antiklebeband (12) aufweist, das mit Überdeckung um die letzte Armierungslage gewickelt ist.

11. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (8, 9) weniger als 40 Volumenprozent des flachen Armierungsbands hat.

12. Biegsames Rohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser des Schußfadens (7) ungefähr gleich einem Drittel des Durchmessers des Kettfadens (6) ist.

13. Biegsames Rohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Innenrohr ein aufwickelbares Metallrohr ist.

14. Biegsames Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Innenrohr ein Polymerrohr ist.

15. Biegsames Rohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung ein spiralförmig gewickeltes Band mit einem geringen Sprung aufweist.

16. Biegsames Rohr nach Anspruch 1, des Typs, der ferner einen äußeren Schutzmantel (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (5) und das Innenrohr (1) jeweils Permeabilitätskoeffizienten K&sub2; und K&sub1; aufweisen, wobei K&sub1; < K&sub2;.

17. Biegsames Rohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis K&sub2;/K&sub1; größer als 3 ist.

18. Biegsames Rohr nach Anspruch 1 des Typs, der ferner einen Schutzmantel (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmantel (5) und das Innenrohr (1) jeweils Dicken e&sub2; und e&sub1; aufweisen, so daß e&sub2; kleiner als e&sub1; ist und vorzugsweise mit einem Verhältnis e&sub1;/e&sub2; zwischen 3 und 4.

19. Biegsames Rohr nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (5) aus Polyurethan und das Innenrohr aus Polyethylen ist.