Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ГИБКИЙ ПОЛЫЙ ТРУБОПРОВОД, СОДЕРЖАЩИЙ ПОЛУЮ ГЕРМЕТИЧНУЮ ОБОЛОЧКУ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ГИБКИЙ ПОЛЫЙ ТРУБОПРОВОД, СОДЕРЖАЩИЙ ПОЛУЮ ГЕРМЕТИЧНУЮ ОБОЛОЧКУ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ГИБКИЙ ПОЛЫЙ ТРУБОПРОВОД, СОДЕРЖАЩИЙ ПОЛУЮ ГЕРМЕТИЧНУЮ ОБОЛОЧКУ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: гибкие полые трубопроводы, предназначенные для эксплуатации нефтяных месторождений, залегающих под морским дном, и способ изготовления такого трубопровода. Сущность изобретения: трубопровод содержит по меньшей мере один армирующий слой, расположенный вокруг полой герметичной оболочки. Полая герметичная оболочка содержит гомополимер и/или сополимер этилена с привитым силаном, сшитого путем гидролиза со степенью сшивания выше 60% и, предпочтительно, выше 70%. Способ изготовления трубопровода включает стадию заполнения гибкого полого трубопровода жидкостью, содержащей воду, и для ускорения процесса сшивания полую оболочку нагревают. 2 с. и 12 з. п. ф-лы, 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2073612
Класс(ы) патента: B32B1/08, B32B27/32, B29D23/00, F16L11/02, B29L23:22
Номер заявки: 5011590/04
Дата подачи заявки: 18.06.1991
Дата публикации: 20.02.1997
Заявитель(и): Кофлексип (FR)
Автор(ы): Жан Арди[FR]; Мишель Моран[FR]
Патентообладатель(и): Кофлексип (FR)
Описание изобретения: Изобретение относится к гибким полым трубопроводам, содержащим по меньшей мере одну трубу и/или оболочку из сшитого полиэтилена, и способу изготовления гибких трубопроводов высокой прочности, предназначенных, в частности, для эксплуатации нефтяных месторождений, залегающих под морским дном, которые должны обеспечивать гарантию герметичности в течение длительных сроков, например 20 лет.
Известно изготовление гибких полых трубопроводов, содержащих по меньшей мере одну трубу или герметичную оболочку из пластического материала и армирующие слои, обеспечивающие прочность под давлением и при растяжении. В частности, фирма-заявитель разработала и поставляет на рынок высокоэффективные гибкие полые трубопроводы, предназначенные для добычи нефти из местоpождений, залегающих под морским дном, описание которых было дано на конференции "Improved Thermoplastic Materials for offshore Flexible Pipes" в докладе F. A.Dawans, J.Jarrin, T. Lefevre, M.Pelisson в ходе XVIII сессии ОТС в Хьюстоне (ОТС 5231).
Для труб или герметичных оболочек используют различные пластические материалы.
Полиолефины, главным образом полиэтилен, а особенно полиэтилен высокой плотности (ПЭВП или НДРЕ по англо-саксонской терминологии), подвергаются физико-химическим воздействиям со стороны сырой нефти, содержащей газ (live crude по англо-саксонской терминологии).
Полиамиды 11 и 12 очень устойчивы к сырой нефти и обычно удовлетворяют потребности, но они дорогостоящие. Кроме того, эти полиамиды могут подвергаться гидролизу в присутствии воды. Сырая же нефть часто содержит воду. Этот гидролиз обычно не приводит к неприемлемому последствию для функционирования неподвижных гибких полых трубопроводов. Напротив, для гибких полых трубопроводов, содержащих оболочку из полиамида 11 или 12, которые подвергаются чередующимся деформациям, как, например, в случае гибких полых трубопроводов, подвешенных в виде цепочки между двумя подвижными опорами (jumper по англо-саксонской терминологии), или гибких полых трубопроводов, предназначенных для подъема со дна на поверхность сырой нефти (riser по англо-саксонской терминологии), можно наблюдать разрушение пластического материала, приводящее к потерям герметичности, если сырая нефть содержит воду и находится при относительно высокой температуре. Эти потери герметичности обусловлены развитием трещин в частично гидролизованном полиамиде. В подобном случае даже увеличение толщины, не учитывая увеличения себестоимости гибкого полого трубопровода, не дает гарантии на герметичность в течение длительного периода использования, например 5-20 лет. Соотношение между скоростью разрушения и температурой, достигаемой пластическим материалом, выражается формулой типа закона Аррениуса. Помимо прочего, полиамиды обладают относительно очень высокой проницаемостью для метанола, который обычно используется в установках по добыче нефти из месторождений, залегающих под морским дном, и для других жидкостей из семейства спиртов. Таким образом, было обнаружено, что это явление является причиной значительных утечек, которые наблюдались на пуповидных трубопроводах большой длины. Эти факты приводят к необходимости поиска другого материала вместо полиамидов 11 или 12, которые предпочитались для этих приложений как наилучшие материалы, способные проявлять прочность в особых условиях применения, в частности совместимость с сырой нефтью.
Таким образом, для гибких полых трубопроводов, предназначенных для переноса углеводородов с высокой температурой, содержащих воду или жидкости из семейства спиртов и подвергаемых, в частности, динамическим нагрузкам, было решено использовать пластики, содержащие поливинилиденфториды (ПВДФ или PVDF по англо-саксонской терминологии) в виде гомополимера или сополимера. Однако фторированные пластики имеют чрезвычайно высокую стоимость, которая в 20 раз может превышать цену соответствующего объема полиэтилена.
С другой стороны, известна возможность улучшения некоторых свойств полиэтилена в результате сшивания. Причем могут применяться три метода сшивания: под действием облучения, под действием силана или химическим путем, особенно под действием силана или химическим путем, особенно под действием пероксида. В частности, метод под действием силана со сшиванием в результате гидролиза метоксигрупп R-Si-(OCH3)3 был, например, изложен в Applied Organometallic Chemistry за 1988 г. (в сообщении "Silane compaind in hotwater pipe and cable technology", p. 17-31).
Из заявки на европейский патент N 83400256, опубликованной под N 0087344 /1/, известна возможность улучшения механического поведения полиэтиленов (для труб больших диаметров) в результате химического сшивания при использовании пероксидов. Химический метод сшивания требует больших количеств тепла. Его никогда не могли осуществить в промышленном масштабе при изготовлении труб из полиэтилена для высокоэффективных гибких структур, поскольку увеличение температур до значений, необходимых для получения сшивания, не позволяет трубам выдерживать свой собственный вес.
Из известных гибких трубопроводов наиболее близкими аналогами являются трубопровод и способ изготовления гибкого полого трубопровода /2/, содержащего полую герметичную оболочку из сшитого полиэтилена и по меньшей мере один армирующий слой, расположенный вокруг полой оболочки.
Задачей настоящего изобретения являются повышение устойчивости трубопроводов к углеводородной среде, снижение их себестоимости.
Технический результат достигается тем, что полая оболочка содержит гомополимер и/или сополимер этилена с привитым силаном с плотностью выше или равной 0,931 г/см2, преимущественно выше или равной 0,940 г/см2, и сшитого путем гидролиза со степенью сшивания выше 60% и, предпочтительно, выше 70% а также тем, что при осуществлении способа изготовления трубопровода для ускорения процесса сшивания гибкий полый трубопровод заполняют жидкостью, содержащей воду, а полую оболочку нагревают.
В результате исследовательских работ, проведенных фирмой-заявителем, было найдено совершенно неожиданно, что труба или герметичная оболочка из полиолефина, преимущественно из полиэтилена, сшитого под действием силана, сохраняют удовлетворительные механические свойства, когда они выдерживаются в течение длительного времени в сырой нефти, содержащей газ, (live crude), при относительно высокой температуре, превышающей 60oC, которая может достигать по меньшей мере 90oC и, в случае необходимости, 100oС. При этом совместимость с сырой нефтью, содержащей газ, достигается, когда степень сшивания под действием силана составляет по меньшей мере 60% Возможный срок службы варьируется в зависимости от особенностей применения, но всегда превышает 1 год, составляя обычно несколько лет, и может достигать, например, 20 лет. В указанном выше патенте ЕПВ N 0087344 было показано, что такое свойство проявлять стойкость в углеводородной среде может быть достигнуто с полиэтиленом высокой или средней плотности, сшитым химическим путем под действием пероксида, содержащего особый пластификатор. До настоящего времени считалось, что полиэтилен, сшитый под действием силана, не может применяться в углеводородной среде. В частности, применение труб из полиэтилена, сшитого под действием силана, было известно до настоящего времени только для изготовления установок центрального отопления горячей водой при степени сшивания, превышающей 65% но реально измеренное значение которой для изготовленной трубы не превышает на практике 72% хотя иногда указываются теоретические значения, которые могут доходить до 80%
Таким образом, было установлено, что поведение в присутствии сырой нефти трубы или оболочки из сшитого полиолефина обусловлено степенью сшивания последнего. Кроме того, было найдено, что значение степени сшивания, которое реально достигается по окончании процесса изготовления, когда завершается операция сшивания, оказывает определяющее влияние на указанное поведение, причем независимо от последующего увеличения степени сшивания, которое может происходить самопроизвольно. Действительно, поскольку значение степени сшивания, которое достигается по окончании операции сшивания, в той или иной степени неизбежно меньше максимально возможного значения, соответствующего понятию возможной степени сшивания (или степени гелеобразования) ниже, то оказывается, что степень сшивания продолжает увеличиваться в последующем по окончании операции сшивания в процессе хранения или эксплуатации в зависимости от естественных условий окружающей среды или условий применения. В частности, предпочтительно, чтобы разница между степенью сшивания, которая реально достигается по окончании операции сшивания, и возможной степенью сшивания была относительно небольшой. Действительно, было найдено, с одной стороны, что если эта разница является значительной, то последующее изменение степени сшивания в зависимости от обстоятельств становится непредсказуемым, и, с другой стороны, полиолефины, в частности полиэтилены, используемые для изготовления трубы или герметичной оболочки, должны находиться в приблизительно стабильном состоянии, для того чтобы было возможно гарантировать тем самым хорошую устойчивость по отношению к углеводородам.
Например, было найдено, что сшивание, для которого разница между возможной степенью сшивания и степенью сшивания, реально достигаемой по окончании процесса сшивания, была равна 5% (возможная степень сшивания 80% реально достигаемая степень сшивания 75%), обеспечивает превосходную устойчивость сшитой оболочки по отношению к углеводородам. Аналогично различия в 8% и примерно 10% позволили констатировать хорошую устойчивость по отношению к углеводородам. Различия порядка 10% позволяют гарантировать желаемую хорошую устойчивость по отношению к углеводородам, тогда как разница в 15% может привести со временем к деградации устойчивости оболочки или трубы по отношению к углеводородам.
В соответствии с изобретением были получены интересные результаты при варьировании типов исходного полиэтилена, а также содержания инициатора (промотора) свободных радикалов и сшивающего агента (силана) и/или при регулировании условий проведения операции сшивания так, чтобы получить степень сшивания, превышающую 70% по окончании операции сшивания.
Предпочтительно труба или герметичная оболочка образуются из сшитого под действием силана полиэтилена, имеющего степень сшивания, равную или превышающую 75%
Поведение в присутствии сырой нефти является особенно хорошим, когда материалами, полученными в результате экструзии для изготовления трубы или герметичной оболочки, подлежащих сшиванию, являются гомополимеры или сополимеры этилена, или их смеси типа полиэтилена высокой плотности (ПЭВП или НДРЕ по англо-саксонской терминологии) или полиэтилена средней плотности (ПЭСП и МДРЕ по англо-саксонской терминологии), которые не содержат полиэтиленов низкой плотности (ПЭНП или LDPE по англо-саксонской терминологии).
Можно осуществить различные способы превращения и сшивания полиэтилена, примеры которых по сшиванию под действием силана описаны ниже.
Преимуществом является исключение полиэтилена, плотность которого меньше некоторого минимального значения. Это исключение распространяется на используемое соединение, в частности на полученную в результате прививки смесь, образованную в ходе предварительной операции полиэтиленом, привитым под действием силана, а также на полиэтилен, служащий основой, на соединение, называемое маточной смесью (мастер-беч), которое в случае необходимости содержит катализатор, и на другие соединения на основе полиэтилена, не привитого и не комбинированного с катализатором.
Можно осуществить различные способы превращения и сшивания полиэтилена, примеры которых по сшиванию под действием силана описаны ниже. Минимальное значение плотности полиэтилена, ниже которого не следует опускаться, зависит от осуществляемого способа.
Хотя не было найдено теоретического объяснения полученных результатов, было обнаружено, что совместимость с сырой нефтью является значительно менее хорошей, если одно из соединений, используемых для превращения посредством экструзии, основано на полиэтиленах средней плотности с невысокими значениями. Это относится и к маточной смеси, хотя последняя составляет очень ограниченный процент от общего количества используемого полиэтилена. В качестве сравнения можно отметить, что смеси, используемые в соответствии с известными ранее применениями для изготовления пластиковых труб для горячей воды или герметизации электрических кабелей, практически всегда содержат по меньшей мере одно соединение, образованное из (или на основе) полиэтилена низкой плотности или полиэтиленов средней плотности с низкими значениями последней.
С другой стороны, результаты исследований аналогов показали, что по сравнению с трубами или внутренними герметичными оболочками, изготовленными из тех же самых материалов, но не в сшитом состоянии, трубы или внутренние герметичные оболочки гибкого полого трубопровода, изготовленные из полиолефина, в частности из полиэтилена, которые сшиты в результате гидролиза, имеют значительно более высокую устойчивость к эффектам растрескивания в напряженном состоянии (stress craeking по англо-саксонской терминологии) не только в присутствии углеводорода (причем эти эффекты могут в таком случае развиваться помимо эффектов выпучивания, описанных ниже), но также и в присутствии жидкостей из семейства спиртов, таких как метанол. Это свойство является очень важным для случая, в частности, гидравлических гибких передач, используемых в установках для добычи нефти.
Получение и смешивание полиолефина, предпочтительно полиэтилена, содержащего силан, могут осуществляться, например, в результате способа "SIOPLAS", способа "NOSIL" или любого другого способа, использующего реакцию гидролиза. Под реакцией гидролиза здесь понимают известную саму по себе реакцию гидролиза групп типа

c конденсацией двух имеющихся силоксановых функций с двумя различными олефиновыми цепями в присутствии катализатора и под действием тепла, что приводит к образованию связи
,
характерной для сшивания, причем силоксановые функции предварительно получаются в результате замещения радикала ОН на по меньшей мере один из трех радикалов O-R, O-R', O-R" в привитой части полиолефина, а каждый из трех радикалов O-R, O-R', O-R" является обычно метоксирадикалом или этоксирадикалом, или же другим радикалом алкана, содержащим кислород, связываемый с кремнием. Кроме того, прививка полиолефина проводилась в ходе предварительной операции в результате связывания силана на полиолефине, который имеет свободно-радикальные центры вследствие воздействия инициатора (промотора) свободных радикалов, обычно пероксида.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением внутреннюю часть гибкого трубопровода заполняют водой в жидком и/или газообразном виде или водным раствором, чтобы провести гидролиз.
В частном варианте осуществления по меньшей мере часть катализатора, который благоприятствует реакции гидролиза, переводится в суспензию или растворяется в воде или в жидкости, содержащей воду, которые находятся внутри гибкого трубопровода, подлежащего сшиванию. Таким образом, можно либо комбинировать действие катализатора, содержащегося в жидкости, находящейся внутри трубопровода, с действием катализатора, введенного в экструдер вместе с полиолефиновыми смолами (например, по способу SIOPLAS или MONOSIL), либо применять весь используемый катализатор путем растворения или диспергирования в жидкости, находящейся внутри трубопровода. Было найдено, что можно увеличить эффективность операции сшивания и, в частности, получить относительно высокие степени сшивания без необходимости увеличивать продолжительность операции, когда весь используемый катализатор вносится посредством жидкости внутри трубопровода.
Тепло, необходимое для того, чтобы процесс сшивания развивался подходящим образом, может выделяться и передаваться к трубе или к герметичной оболочке, подлежащим сшиванию при помощи любого известного средства.
В преимущественном варианте вода или жидкость, содержащая воду, приводятся в движение внутри гибкого трубопровода для проведения гидролиза и нагреваются до температуры, достаточной, чтобы вызвать желаемую реакцию в течение разумного времени.
Действительно, при проведении фирмой-заявителем работ, посвященных изучению различных рассматриваемых способов сшивания, было установлено, что в случае непрерывных гибких трубопроводов большой длины, таких как трубопроводы, используемые на установках для добычи нефти из месторождений, залегающих под морским дном, и, в частности, когда эти гибкие трубопроводы имеют относительно толстую стенку, состоящую из нескольких слоев пластичных или эластомерных оболочек, а также из армирующих слоев, придающих ей повышенную прочность, особенным преимуществом является использование внутреннего трубопровода гибкой передачи для обеспечения циркуляции под давлением жидкости, которая вносит в трубу или в герметичную оболочку воду и/или тепло, которые позволяют осуществлять сшивание в хороших условиях.
Гибкие трубопроводы высокой прочности со структурой из нескольких слоев, обладающие особыми преимуществами, имеют диаметры, варьирующиеся от 25 до 500 мм, и допустимое внутреннее давление, которое может варьироваться в зависимости от диаметра, составляющее как минимум 20 бар и могущее достигать 1000 бар.
В общем случае особенно важно, чтобы способ, используемый для осуществления операции сшивания, позволял получать желаемую степень сшивания в течение относительно короткого времени протекания операции, причем эта продолжительность на практике может составлять несколько дней или порядка десятка дней. Независимо от желания сократить продолжительность изготовления, данный способ сшивания в соответствии с изобретением, заключающийся во внутренней циркуляции воды или жидкости, содержащей воду, при высокой температуре, обладает особым преимуществом высокой эффективностью, так было обнаружено, что устойчивость к сырой нефти у полиэтилена, сшитого под действием силана, обусловлена, помимо прочего, достаточно высокой степенью сшивания после завершения операции сшивания при небольшом различии по сравнению с возможной степенью сшивания. Однако слишком медленный процесс сшивания приводит к образованию связей различного типа между олефиновыми цепями, причем эти связи могут, с одной стороны, быть не пригодными для содействия противостоянию по отношению к сырой нефти у полиолефина, сшитого под действием силана, а с другой стороны, занимают место искомых связей типа:

Для того, чтобы операция сшивания была осуществлена необходимым образом и за разумный срок, существенно, чтобы в течение всей операции сшивания температура рассматриваемой трубы или герметичной оболочки поддерживалась на протяжении всей длины гибкого трубопровода между двумя определенными пределами. С одной стороны, температура должна оставаться меньше некоторого верхнего предела, определяемого в зависимости от используемого материала для сохранения механических свойств на желаемом уровне, и который не должен превышать для полиэтилена температуру примерно 120oC (порог плавления мелких кристаллитов). С другой стороны, температура должна оставаться выше некоторого нижнего предела, который устанавливается в зависимости от энергии, необходимой для получения кинетики сшивания, совместимой с приемлемой продолжительностью операции, напримерменее одной недели. Минимальная температура составляет по меньшей мере 85oC, а предпочтительно 90oC для полиэтилена.
Для осуществления сшивания за разумный срок и обеспечения качества полученного продукта проведенные фирмой-заявителем исследования показали, что очень важно проверять соблюдение ограничений температуры в ходе операции сшивания в сочетании с контролем за другими факторами, влияющими на сшивание материала, опираясь на сопоставление с предварительными опытами по регулированию процесса.
Настоящее изобретение распространяется на изготовление труб, например, полимерных для переноса воды, а также на изготовление гибких полых трубопроводов с композиционной структурой, включающей по меньшей мере один армирующий слой, противостоящий внутреннему давлению и аксиальным нагрузкам, расположенный вокруг полой оболочки.
Арматура может содержать один или несколько слоев, образованных в результате наматывания металлических или пластических нитей или из композиционного материала, и/или волокон. В частности, указанные гибкие полые трубопроводы могут быть пригодны при эксплуатации нефтяных месторождений, залегающих под морским дном.
На рис. 1 представлена блок-схема способа; на рис.2 пример структуры гибкого полого трубопровода, вид в разрезе; на рис.3 второй пример структуры гибкого полого трубопровода, вид в разрезе; на рис.4 третий пример структуры гибкого полого трубопровода, вид в разрезе; на рис.5 схема, иллюстрирующая первый пример осуществления способа посредством устройства для сшивания гибкого полого трубопровода; на рис.6 схема, иллюстрирующая второй пример осуществления способа посредством устройства для сшивания гибкого полого трубопровода; на рис.7 схема, иллюстрирующая муфту, которая может быть осуществлена в способе по настоящему изобретению.
На рис.1 можно проследить за стадиями способа по настоящему изобретению.
На стадии 1 осуществляют получение пластического материала, необходимого для изготовления герметичной оболочки из полиолефина. Переходят ко второй стадии. На стадии 2 осуществляют изготовление гибких полых трубопроводов. Переходят к стадии 3. На стадии 3 осуществляют подсоединение гибкого полого трубопровода к устройству для сшивания, а также термоизоляцию гибкого полого трубопровода.
Таким образом, в случае, когда рассматриваемый гибкий полый трубопровод содержит несколько слоев вокруг трубы или внутренней герметичной оболочки, подлежащих сшиванию (так как это проиллюстрировано на рис.2, 3 и 4), к операции сшивания желательно приступать после того, как изготовление последовательных слоев трубопровода полностью завершено, причем обе концевые муфты смонтированы окончательно и позволяют подсоединять трубопровод непосредственно к устройству для сшивания. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что делает возможным изготовление гибких трубопроводов, имеющих более значительную непрерывную длину, несмотря на увеличение потерь напора, поскольку структура гибкого трубопровода становится способной, благодаря наличию упрочняющей арматуры, противостоять высоким внутренним давлениям, создаваемым указанным образом.
В качестве альтернативного варианта можно также приступать к операции сшивания до изготовления системы слоев, которые должны устанавливаться вокруг трубы или герметичной оболочки, подлежащих сшиванию. Так, можно подсоединять гибкий трубопровод к устройству для сшивания либо непосредственно после изготовления в результате экструзии герметичной трубы 12 (рис. 1) или герметичной внутренней оболочки 19, покрывающей сшитый скобками тонкий полосовой материал 18 (рис. 3 или 4), либо после того, когда были изготовлены только один или несколько последовательных слоев, причем один или несколько из внешних слоев еще не изготовлены. Чтобы облегчить подсоединение, на концах можно установить временные муфты.
Переходят к стадии 42. На стадии 42 осуществляют заполнение гибкого полого трубопровода.
В качестве альтернативного варианта после заполнения и перед началом нагревания можно провести испытание при предварительном давлении.
Переходят к стадии 4. На стадии 4 осуществляют нагревание жидкости, заполняющей гибкий полый трубопровод, обеспечивая преимущественно циркуляцию указанной жидкости.
Переходят к стадии 5. На стадии 5 проверяют, была ли достигнута минимальная температура Θmin, необходимая для получения сшивания, соответствующего предусмотренному времени обработки. В противном случае переходят к стадии 4. Если да, то переходят к стадии 6.
На стадии 6 продолжают осуществлять циркуляцию воды, поддерживая нагревание, которое обеспечивает поддержку температуры Θmin внутри гибкого полого трубопровода, в течение времени, установленного для операции.
Переходят к стадии 7. На стадии 7 прекращают нагревание для поддержки температуры в момент времени tmin, к которому было достигнуто желаемое сшивание.
Переходят к стадии 8. На стадии 8 осуществляют охлаждение гибкого полого трубопровода по настоящему изобретению.
Переходят к стадии 9. На стадии 9 осуществляют преимущественно испытание гибкого полого трубопровода в соответствии с настоящим изобретением.
Переходят к стадии 10. На стадии 10 гибкий полый трубопровод по настоящему изобретению изготавливается и испытывается. Способ по настоящему изобретению закончен.
Получение пластических материалов на стадии 1 зависит от типа гибкого полого трубопровода, который хотят изготовить. Чтобы изготовить трубопроводы для эксплуатации нефтяных месторождений, залегающих под морским дном, которые требуют гибких полых трубопроводов очень высокого качества, реализуют, например, два следующих соединения.
Для первого соединения используют, например, полиэтилен, плотность которого относительно воды превышает 0,930. Используют преимущественно гомополимер или сополимер этилена, или смесь обоих плотность которых заключена между значениями 0,930 и 0,965. Первая стадия заключается в создании свободных радикалов под действием инициатора реакции (пероксида) таким образом, чтобы обеспечить прививку силановых функций. Потом осуществляют прививку звеньев, содержащих одну или несколько силановых функций. Преимущественно используют реагент типа ВТМОС (винилтриметоксисилан), хлорпропилтриметилметоксисилан, эпокситриметоксисилан или метакрилаттриметоксисилан. Осуществляют экструзию и гранулирование этой "привитой смеси".
Для второго соединения готовят смесь из полиэтилена, одного или нескольких агентов, позволяющих противостоять ультрафиолетовому облучению, одного или нескольких антиоксидантов и катализатора. Используют, например, 500 ppm катализатора. В качестве катализатора применяют, например, диоктилдилауратолово или дибутилдилауратолово. Количество полиэтилена является достаточным, чтобы обеспечить экструзию второй смеси, называемой обычно "маточная смесь" ("мастер-беч"). После экструзии проводят гранулирование.
Чтобы получить гранулированный материал, подлежащий использованию для изготовления в результате экструзии трубы или герметичной оболочки из полиэтилена, которые подлежат сшиванию, приготавливают смесь из гранул двух полученных соединений таким образом, чтобы доля полиэтилена, привитого силаном, соответствовала, например, 98% и чтобы смесь, содержащая антиоксидант, УФ-стабилизатор и катализатор, которая обычно называется "маточная смесь", была эквивалентна 2%
В таком случае можно изготовить в результате экструзии трубу или герметичную оболочку в соответствии с полностью классическим способом. Описанные операции соответствуют осуществлению известного способа "SIOPLAS". Можно было бы также проводить изготовление экструдированной трубы или оболочки, следуя другому способу, использующему реакцию гидролиза, такому как, например, способ "MONOSIL".
Стадия 2 изготовления гибкого полого трубопровода зависит от типа гибкого полого трубопровода, который хотят изготовить.
Гибкий полый трубопровод 11 на рис. 2 содержит герметичную внутреннюю трубу 12 из полиэтилена, первый свод 13 для противостояния радиальному действию давления, второй свод 14 для увеличения стойкости к давлению, промежуточную пластическую оболочку 15, два перекрещивающихся армированных слоя 16 для противодействия аксиальному растяжению и один внешний защитный пластический слой 17.
Слой 12 обеспечивает герметичность, особенно по отношению к сырой нефти. Он преимущественно изготавливается в результате экструзии, исходя из подлежащей сшиванию гранулированной смеси, приготовленной, как описано выше.
Слой 13 позволяет противостоять внутреннему давлению или внешнему и гарантирует отсутствие слишком больших зазоров между витками. Он изготавливается в результате наматывания с небольшим шагом (винтообразно) нити в самосшиваемом виде (например, в виде Z).
Слой 14 увеличивает стойкость к внутреннему и внешнему давлению, он изготавливается винтообразно из нити, например, прямоугольного сечения.
Слой 15 обычно изготавливается в результате экструзии. Он может быть герметичным или негерметичным.
Перекрещивающиеся арматуры 16 позволяют противодействовать аксиальному растяжению. Они размещаются под углом примерно 35o.
Внешний слой 17 обеспечивает защиту гибкого полого трубопровода в ходе установочных (крепежных) операций, а после установки гибкого полого трубопровода он препятствует морской воде проникать вовнутрь гибкого полого трубопровода. Слой 17 обычно изготавливается в результате экструзии.
Гибкий полый трубопровод 11, изображенный на рис. 3, содержит помимо прочего, сшитый скобками тонкий полосовой материал 18, размещенный с внутренней стороны герметичной оболочки 19 из полиолефина, подлежащего сшиванию.
В зависимости от особых свойств, присущих структуре гибкого полого трубопровода 11, подлежащего обработке, наличие сшитого скобками тонкого полосового материала 18 с внутренней стороны герметичной оболочки 19 может задерживать (в большей или меньшей степени) развитие процесса сшивания. Было найдено, что, поддерживая достаточное внутреннее давление в гибком полом трубопроводе 11, например 20 бар, можно было быстрее достигнуть желаемого значения степени сшивания. Это позволяет, в частности, увеличить часть внутренней поверхности герметичной внутренней оболочки 19, подлежащей сшиванию, которая представляет собой поверхность раздела при контакте с водой (в виде жидкой или газообразной фазы), присутствующей в жидкости, которая содержится в гибком полом трубопроводе.
На рис. 4 можно видеть упрощенный гибкий полый трубопровод 11, содержащий сшитый скобками тонкий полосовой материал 18, окруженный герметичной оболочкой 19, перекрещивающиеся арматуры 16 для противодействия растяжению, размещенные под углом, практически равным 55o, чтобы изготовить уравновешенный полый трубопровод 11 и внешнюю оболочку 17.
Разумеется, применение неметаллических арматур, использующих, например, волокна, в частности стекловолокна, арамидные волокна или волокна, размещенные в термореактивной или термопластической матрице, не выходит за рамки настоящего изобретения.
На стадии 3 (рис. 1) осуществляют подсоединение изготовленного гибкого полого трубопровода к устройству для сшивания, такому как изображенное на рис.5 или 6.
Оригинальность изобретения заключается в использовании самого гибкого полого трубопровода для осуществления сшивания герметичной оболочки.
На стадии 42 обеспечивают заполнение гибкого полого трубопровода жидкостью, обеспечивающей подвод тепла и/или воды, необходимых для сшивания путем гидролиза.
Преимущественно используют воду при высокой температуре, однако меньшей порога плавления мелких кристаллитов, т.е. около 120oC, чтобы обеспечить повышение, а затем поддержание температуры, а также подвод воды, необходимой для реакции гидролиза. Вода находится предпочтительно в жидком виде. Однако использование водяного пара не выходит за рамки настоящего изобретения. Для данной термоизоляции часто бывает необходимо получать очень большие расходы водяного пара, чтобы обеспечить поддержание минимальной температуры, гарантирующей осуществление желаемого сшивания в течение времени реакции. Однако поскольку водяной пар имеет очень малую вязкость, то поддержание таких расходов может быть обеспечено. Перед тем как приступить к осуществлению циркуляции нагретого пара, необходимо проведение циркуляции горячей воды.
В ходе проведения операции заполнения водой гибкого полого трубопровода убеждаются преимущественно в удалении воздуха, чтобы избежать образования трудно контролируемой смеси.
На стадии 4 обеспечивают первоначальное нагревание, необходимое для достижения в нижней части гибкого трубопровода, по крайней мере, минимальной температуры Θmin, при которой хотят осуществить реакцию сшивания. Это условие выполняется при осуществлении циркуляции используемой жидкости, например воды, с достаточно высоким расходом для того, чтобы понижение температуры от верхнего конца до нижнего конца трубопровода оставалось меньше минимального значения, установленного для операции в зависимости, в частности, от предусмотренной продолжительности, в течение которой нужно обеспечить циркуляцию горячей воды, поддерживая температуру в определенных пределах. Одновременно убеждаются, что интенсивность нагрева остается внутри пределов, таких, чтобы температура на верхнем конце гибкого трубопровода оставалась меньше предписанной максимальной температуры Θmin. Этот предел Θmax, например 98oC, устанавливается таким образом, чтобы прочность при сжатии полиэтилена оставалась больше некоторого минимума, например 5 МПа.
На стадии 5 поддерживают регулируемое первоначальное нагревание таким образом, чтобы температура на входе не превышала Θmax, а также поддерживают расход, пока не достигается минимальная температура.
Следовательно, например, интенсивность нагревания и расход воды регулируются таким образом, чтобы температура Θ в любой точке трубы или оболочки, подлежащих сшиванию, поддерживалась между 92 и 98oC (98oC на входе и 92oC на выходе).
Когда достигается минимальная температура, продолжают, как изображено на стадии 6, осуществлять циркуляцию воды, контролируя интенсивность нагревания и расход таким образом, чтобы температуры на входе и на выходе гибкого трубопровода оставались соответственно меньше qmax и больше Θmin. Таким образом, операция продолжается в течение минимального времени, гарантирующего желаемую степень сшивания. Например, в случае описанного выше полиэтилена для минимальной температуры 92oC внутри гибкого полого трубопровода в течение времени t, равного четырем дням, получают степень сшивания по меньшей мере 75% продление процесса позволяет в комбинации с увеличением содержания ВТМОС, пероксида и катализатора достигать степени сшивания 85% Минимальная продолжительность, в течение которой на стадии 6 должна осуществиться операция сшивания, начиная с момента, когда минимальная температура Θmin достигается в любой точке трубопровода, определяется, исходя из предварительных испытаний, целью которых является определение кинетики сшивания. Указанным образом можно поступать при сшивании различных образцов из материала, идентичного материалу, предусмотренному для изготовления трубы или оболочки из полиолефина, подлежащего сшиванию, причем эти исследования сшивания проводятся при варьируемых температурах. Для каждой из испытанных указанным образом температур сшивания измеряют в зависимости от продолжительности операции изменение полученной степени сшивания, причем такое определение может преимущественно проводиться путем измерения степени гелеобразования. В условиях осуществления изобретения было найдено, что температура сшивания должна быть преимущественно выше 85oC, а предпочтительно выше 90oC, что позволяет получить за разумный срок степень сшивания, по меньшей мере равную 80% от возможной степени сшивания, которая может обычно достигать почти 100% от этого значения. Для сшиваемого материала данного состава возможная степень сшивания соответствует предельному значению, к которому стремится степень сшивания, когда продолжительность операции увеличивается. В случае изготовления гибких трубопроводов, предназначенных для нефтяных установок морских месторождений, особенно важным является уменьшение времени, требуемого для операции, так как оно задерживает срок поставок, причем этот срок обычно имеет важное значение.
На основе предварительных исследований определяют указанным образом минимальную продолжительность, требуемую для операции, так, чтобы получить установленную степень сшивания в зависимости от рассматриваемой температуры, причем эта температура должна соответствовать минимальной температуре, подлежащей соблюдению в любом месте материала, подвергаемого сшиванию, т.е. на практике температуре на выходе Θвых в нижнем конце трубопровода, подсоединенного к устройству для сшивания. Температура на входе Θвх в верхнем конце устанавливается при данном значении, ограниченном максимальным значением Θmax, определенным, как описано выше, поэтому в таком случае можно определить расход циркуляции воды, необходимый для поддержания падения температуры (Θвхвых) меньше предусмотренного значения, и соответствующие потери напора, а также, в зависимости от термоизоляции 22, мощность нагрева, позволяющую поддерживать температуру Θвх при установленном значении. Таким образом, в каждом случае можно оптимизировать параметры режима для операции, причем общая продолжительность может быть уменьшена ценой увеличения расхода и мощности нагрева.
Установив указанным образом параметры режимов для операции при данном изготовлении, можно гарантировать на такой основе конечное качество изделия, осуществляя операцию сшивания в течение продолжительности, равной по меньшей мере минимальной продолжительности, определенной, как указано выше, причем расход циркуляции горячей воды поддерживается при значении, равном по меньшей мере значению, также упомянутому выше. Поскольку температура Θвх измеряется при помощи датчика, например, термопары 44, установленной в контуре устройства для сшивания непосредственно перед его подсоединением к верхнему концу гибкого трубопровода, то интенсивность нагревания регулируется таким образом, чтобы Θвх всегда была по меньшей мере равна значению, предусмотренному, как указано выше, оставаясь при этом меньше предела Θmax.. Из результатов сравнения с предварительными испытаниями следует, что полученная степень сшивания в любой точке гибкого трубопровода по меньшей мере равна установленному значению, в том числе и в нижнем конце трубопровода, т.е. там, где температура, а тем самым и степень сшивания имеют наиболее низкие значения. Можно дополнить устройство непосредственным измерением Θвых при помощи второго датчика, например, термопары 45 в контуре устройства для сшивания сразу после его подсоединения перед нижним концом гибкого трубопровода.
Кроме того, когда операция сшивания была осуществлена в первый раз, для гибкого трубопровода с заданными свойствами и в заданных операционных режимах можно проверить полученный результат, отсоединяя муфту от нижнего конца, чтобы непосредственно измерить степень сшивания. Эта проверка для первого изготовления позволяет в таком случае квалифицировать все последующие изготовления для гибких трубопроводов с одинаковыми свойствами.
Как только достигается минимальное время, есть уверенность, что получается герметичная оболочка, сшитая до желаемой степени.
Отметим, что первая предварительная стадия сшивания уже была осуществлена в ходе переходной фазы поднятия температуры, соответствующей стадиям 4 и 5, и что аналогичным образом дополнительная стадия сшивания совершается в ходе конечной переходной фазы охлаждения, соответствующей стадии 8. Поскольку эти дополнительные фазы процесса сшивания добавляются к основной операции сшивания, которая совершается в течение продолжительности, равной по меньшей мере минимальной продолжительности, и соответствует стадии 6, то отсюда следует наличие подстраховывающего резерва, позволяющего укрепить уверенность в том, что искомая степень сшивания была получена. В качестве альтернативного варианта можно принимать во внимание (полностью или частично) дополнение процесса сшивания, обусловленное начальной и конечной переходными фазами.
Начиная с этого момента (стадия 7 на рис. 1), можно осуществлять охлаждение (стадия 8) гибкого полого трубопровода. Это охлаждение может быть получено, например, удаляя термоизоляцию 22, описанную ниже, которая была установлена на стадии 3, и/или обеспечивая охлаждение воды, циркулирующей в гибком полом трубопроводе.
Преимущественно (для большей уверенности) осуществляют измерение полученной степени сшивания каждый раз, когда изменяют важную характеристику гибкого полого трубопровода, которая может повлиять на процесс сшивания. Это испытание, например, осуществляется при демонтаже муфты в нижней части, пует отсоединения части сшитой оболочки и измерения достигнутой степени сшивания. Муфту устанавливают снова, если гибкий полый трубопровод отвечает техническим требованиям.
Гибкие полые трубопроводы обязательно должны по окончании изготовления подвергаться испытанию путем воздействия на них гидростатического давления. В том случае, когда гибкий полый трубопровод 11 находится в конечной стадии изготовления, причем концевые муфты 25 уже смонтированы, можно проводить стадию 9 для испытания давления по окончании изготовления. В случае, когда трубопровод 11, подсоединенный к устройству для сшивания, находится в промежуточной стадии изготовления и должен быть дополнен другими слоями структуры, такими как свод давления и/или арматура, и/или другие экструдированные оболочки, трубопровод отсоединяется по окончании стадии 8 с целью приступить к завершению изготовления классическим способом.
На рис. 5 можно видеть первый пример осуществления способа посредством устройства для сшивания по настоящему изобретению. Устройство (рис. 5) включает источник горячей воды в гибком полом трубопроводе 11. Горячая вода подается, например, из первого резервуара 20, содержащего воду при температуре 80oC, чтобы обеспечить предварительный нагрев гибкого полого трубопровода 11, или из второго резервуара 21, содержащего воду, температура которой - между 95 и 98oC. Резервуары 20 и 21 соединяются для подачи воды как туда, так и обратно при помощи вентилей 26 с общим контуром воды. В примере на рис. 6 вода приводится в движение посредством системы насосов 27. Давление, создаваемое насосами 27, определяется в зависимости от требуемого расхода потерями напора по длине гибкого трубопровода и в трубах и частях устройства для сшивания, а также, в случае необходимости, минимальным давлением, предусмотренным для нижнего конца основного гибкого трубопровода. Основной водяной контур через посредство соединительных устройств 24, позволяющих вводить скреперы или другие элементы в катализационный контур, соединяется с муфтами 25, предварительно установленными на каждом конце гибкого полого трубопровода 11. В примере, изображенном на рис. 5, гибкий полый трубопровод наматывается на опору 23, преимущественно на бобину (барабан). Он термоизолируется при помощи термоизоляции 22. Один лишь факт наматывания гибкого полого трубопровода на бобину 23 ограничивает тепловые потери мощности до, например, 180 кВт для внешней температуры 0oC и температуры на входе 98oC и с разницей температур между входом и выходом гибкого полого трубопровода, подлежащего сшиванию, 6oC. Термоизоляция может состоять, например, из изоляции боковых стенок и внешних витков. Термические потери зависят от размеров бобины и качества изоляции. В примере осуществления для термоизоляции потери составляют 70 кВт для бобины диаметром 8,2 м.
Термоизоляция является особенно преимущественной в случае относительно малых диаметров, меньших приблизительно 100 мм.
На рис. 6 можно видеть второй пример осуществления способа посредством устройства для сшивания по настоящему изобретению. Устройство на рис. 6 включает резервуар 20, способный заполнять контур циркуляции воды, а также наибольший гибкий полый трубопровод, который хотят обработать. Устройство по настоящему изобретению включает нагревательное устройство 35, обеспечивающее повышение и поддержание температуры, необходимой для реакции сшивания. Циркуляция воды в подлежащем сшиванию трубопроводе обеспечивается, например, посредством двух насосов 27, присутствующих в контуре. Поддержание минимального давления в нижнем конце гибкого полого трубопровода преимущественно обеспечивается при помощи насоса 29, создающего, например, обратное давление величиной 20 бар. В качестве альтернативного варианта минимальное давление может быть получено при пропускании жидкости, выходящей из гибкого трубопровода, через калиброванное отверстие, такое как сопло или дроссель (chone по англо-саксонской терминологии), или при подключении в жидкостной контур пневматического аккумулятора, отрегулированного на желаемое давление.
Охлаждение на стадии 8 (рис. 1) обеспечивается преимущественно при помощи охлаждаемого устройства 36, которое может быть изолировано посредством вентилей 26. В примере, изображенном на рис. 6, система гидравлического испытания 43 позволяет обеспечить испытание давления в гибком полом трубопроводе после сшивания. Устройство преимущественно содержит классические устройства, позволяющие функционировать гидравлическим контурам. Приведение в действие, особенно насосов, обеспечивается электромоторами 28. Устройство для умягчения воды 40 снабжает резервуар 20 водой, освобожденной от минеральных солей. Инжектирующее устройство 41 поставляет в гидравлический контур ингибиторы коррозии.
Может возникнуть необходимость обрабатывать гибкие полые трубопроводы, внутренний диаметр которых, например, между 10 и 500 мм, обычно между 75 и 300 мм. Более того, для одного и того же диаметра бобины для хранения 23, хранимая длина увеличивается, когда диаметр трубопровода уменьшается. Например, для классических гибких полых трубопроводов, предназначенных для эксплуатации нефтяных морских месторождений, можно хранить 6,2 км гибких полых трубопроводов с внутренним диаметром 75 мм и 950 м, полых трубопроводов с внутренним диаметром 300 мм. Поскольку потери напора увеличиваются с длиной и с уменьшением диаметра, то оказывается преимуществом использовать для гибких полых трубопроводов, внутренний диаметр которых меньше, например, 75 мм, насос, отличающийся от насоса, используемого для гибких полых трубопроводов с внутренним диаметром, равным или превышающим 75 мм.
Расход, необходимый для поддержания разницы температур (Θвхвых) меньше установленного предела, обеспечивается насосами 27. В случае размеров для диаметра и длины обычно изготавливаемых гибких полых трубопроводов, таких как описанные выше, необходимый расход варьируется между, например 5 т воды в час для внутреннего диаметра 50 мм и примерно 50 т в час для внутреннего диаметра, равного или превышающего 150 мм. В этом случае, когда способности к хранению на бобине или в коробе в будущем смогут увеличиться от 2 до 5 раз, например, по сравнению с сегодняшними, необходимый расход мог бы достигать от 100 до 200 т в час.
В случае, представленном на рис. 6, нагревательные средства 35, необходимые на первой фазе операции, соответствующей стадиям 4 и 5, для получения температуры Θmin в любой точке трубопровода 11 за разумный срок (обычно это критерий технического расчета для мощности нагрева), а впоследствии на стадии 6 для компенсации тепловых потерь, с тем чтобы обеспечить поддержание температуры выше Θmin, включают паровой котел 33, генерирующий пар низкого давления, который осуществляет нагревание основного водяного контура посредством теплообменника 31. Контур пара низкого давления преимущественно включает блок для расширения 32. Возвращение сконденсированного пара в паровой котел 3 обеспечивается при помощи насоса 30. В иллюстрируемом примере паровой котел нагревается газовыми горелками 34. Паровой котел имеет, например, мощность 600 кВт для обработки бобины и 1000 кВт для одновременной обработки четырех бобин 23 с гибким полым трубопроводом. Датчик 45, например, термопара, установленный в системе циркуляции воды поблизости от нижнего подсоединения 24, позволяет измерять температуру на выходе Θвых и проверять, чтобы Θвых оставалась выше или равной минимальной температуре, гарантирующей желаемое сшивание Θmin..
Для возможности иметь гарантию того, чтобы температура воды, циркулирующей в гибком полом трубопроводе, подлежащем обработке, не превышала установленную максимальную температуру Θmax, водяной контур оборудован первым трехходовым вентилем 33, позволяющим смешивать горячую воду, выходящую из теплообменника 31, с холодной водой из гибкого трубопровода, которая при помощи одного из насосов 27 доводится до давления, позволяющего обеспечить установленное значение расхода. Таким образом, можно регулировать температуру на входе Θвх гибкого трубопровода до установленного значения, причем температура на входе Θвх измеряется при помощи датчика 44, например, термопары, что позволяет иметь гарантию того, что температура воды, циркулирующей в трубопроводе, не превышает установленную максимальную температуру Θmax/ . Второй трехходовой вентиль 33 обеспечивает первоначальное заполнение гибкого полого трубопровода, подлежащего обработке, при подсоединении резервуара 20 к одному из насосов 27. После осуществления заполнения второй трехходовой вентиль 33 позволяет сформировать замкнутый контур, исключающий резервуар 20.
Охлаждающий контур 36 преимущественно включает воздушный холодильник, содержащий воздушный винт 37, приводимый в действие электромотором 28, который (винт) обдувает радиатор 38. Для расхода воздуха 50 т в час при внешней температуре 20oC удается довести температуру гибкого полого трубопровода от 98 до 35oC по истечении 24 часов.
В интересном, но не проиллюстрированном варианте устройство для сшивания, например, подобное устройству, изображенному на рис. 6, может быть дополнено блоком подачи катализатора, который может быть установлен, например, аналогично блоку для инжектирования ингибиторов коррозии 41.
Таким образом, например, были получены следующие значения:
Пример 1. Исследования с гибкой передачей типа "Bugh Bore":
внутренний диаметр 101,6 мм;
толщина оболочки 19 из полиэтилена 6 мм;
минимальная температура, поддерживаемая на выходе Θmin, 90oC;
полученная степень сшивания, равная: по истечении 60 часов 65% по истечении 90 часов 70% и практически равная возможной степени сшивания величиной 72% за менее чем 120 часов.
Примеры 2, 3, 4 и 5 относятся к гладким трубопроводам (Smooth Bore) c внутренней трубой 12 из полиэтилена
Пример 2. Внутренняя труба 12 с диаметром 63 мм и толщиной 5 мм:
обеспечиваемая минимальная температура 95oC;
продолжительность операции сшивания 48 часов;
полученная степень сшивания 71% (при возможной степени сшивания 74%).
Пример 3. Внутренняя труба 12 с диаметром 304,8 мм и толщиной 10 мм:
длина гибкого трубопровода 950 м;
минимальная температура 92oC;
продолжительность 96 часов;
полученная степень сшивания 69%
при расходе горячей воды: 50 т/час, который обеспечивает понижение температуры (Θвхвых)=6°C и определяет потерю напора в гибком трубопроводе 11, равную 0,025 бар.
Пример 4. Внутренняя труба 12 с диаметром 50,8 мм и толщиной 10 мм:
длина трубопровода 7000 м;
минимальная температура 92oC;
продолжительность 96 часов;
полученная степень сшивания 69%
при расходе горячей воды: 9 т/час, который обеспечивает понижение температуры 6oC в комбинации со значительной термоизоляцией и определяет потерю напора величиной 23 бар.
Пример 5. Внутренняя труба с диаметром 101,6 мм:
толщина 6 мм;
длина трубопровода 6000 м;
минимальная температура 94oC;
продолжительность 72 часа;
полученная степень сшивания 68%
при возможной степени сшивания величиной 70% с расходом 25 т воды в час, который обеспечивает разницу температур величиной 4oC и определяет потерю напора величиной 9,5 бар.
Примеры 6 и 7 относятся к изготовлению прототипных трубопроводов типа "Rough Bore" c внутренним каркасом из сшитого скобками тонкого полосового материала.
Пример 6. Гибкий трубопровод, содержащий при переходе от внутренней части к внешней:
внутренний каркас 18 из сшитого скобками тонкого полосового материала, внутренний диаметр 152,4 мм;
герметичную оболочку 19 из сшитого полиэтилена: внутренний диаметр - 165 мм; внешний диаметр- 177 мм; толщина 6 мм;
арматуру 16, образованную двумя слоями стальных нитей, намотанных винтообразно;
внешнюю оболочку 17 из несшитого полиэтилена.
Длина гибкого трубопровода, подсоединенного к устройству для сшивания - 3600 м.
Основные параметры операции сшивания:
расход 60 м3/час;
давление в нижней части гибкого трубопровода 25 бар;
давление в верхней части гибкого трубопровода 33 бар;
потеря напора в гибком трубопроводе 8 бар;
температура на входе в гибкий трубопровод 105oC;
температура на выходе из гибкого трубопровода 100oC;
продолжительность первоначальной фазы повышения температуры 16 часов;
продолжительность операции при постоянной температуре 120 часов;
продолжительность завершающей фазы охлаждения 20 часов;
степень гелеобразования, измеренная в нижнем конце трубопровода в зоне оболочки из полиэтилена, где степень сшивания является наиболее низкой, 74%
Устройство не содержало термоизолирующего средства для внешней части намотанного на бобину гибкого трубопровода.
Пример 7. Гибкий трубопровод, содержащий при переходе от внутренней части к внешней:
внутренний каркас 18 с внутренним диаметром 152,4 мм;
герметичную оболочку 19 из сшитого полиэтилена: внутренний диаметр - 165 мм; внешний диаметр 177 мм; толщина 6 мм;
арматуру 16, образованную двумя слоями стальных нитей, намотанных винтообразно;
оболочку из полиэтилена;
термоизолирующий слой толщиной 16,5 мм из неплотного ПВХ;
внешнюю оболочку из несшитого полиэтилена.
Общая длина гибкого трубопровода, намотанного на бобину и подсоединенного к устройству для сшивания, 4262 м.
Основные параметры операции сшивания:
расход 50-55 м3/час;
давление в нижней части гибкого трубопровода 25 бар;
давление в верхней части гибкого трубопровода 32-33 бар;
температура на входе в гибкий трубопровод 100oC;
температура на выходе из гибкого трубопровода 95oC;
первоначальное повышение температуры 14 часов;
поддержание при постоянной температуре 240 часов;
охлаждение 18 часов.
Степень гелеобразования, измеренная там, где ее значение является наиболее низким, 74%
Следует отметить, что в случае примера 7 термоизоляция, объединенная со стенкой гибкого трубопровода, играет благоприятную роль, аналогичную той роли, которую играли бы термоизолирующие средства, которые могут быть установлены так, как иллюстрирует позиция 22 на рис. 5 и 6, вокруг пространства, занимаемого гибким трубопроводом. С другой стороны, ясно, что для неизолированного гибкого трубопровода было бы практически невозможно осуществить сшивание герметичной внутренней оболочки 19 этого гибкого трубопровода с термоизоляцией, используя известный способ сшивания путем подвода тепла через внешнюю часть трубопровода.
Образцы труб толщиной 6 мм, изготовленные из полиэтилена, имеющего степень сшивания в интервале от 70 до 74% и плотность величиной 0,945, помещались в автоклавную камеру, нагреваемую до температуры 100oC и поочередно заполняемую сырой нефтью и метаном. Таким образом, образцы подвергаются последовательным воздействием циклами создания давления и снятия давления, причем давление очень быстро изменяется в интервале между 100 бар и атмосферным давлением. Процедура испытания заключается в повторении последовательностей элементарных циклов "создание давления/снятие давления", причем каждая последовательность продолжается 200 часов и включает 10 циклов в присутствии сырой нефти и 10 циклов в присутствии метана.
Первая партия образцов (образцы А) была изготовлена по способу типа SIOPLAS со следующими характеристиками:
95% привитой смеси, образованной привитым полиэтиленом с плотностью 0,943, причем используемый силан является ВТМОС;
5% маточной смеси (мастер-беч) на основе полиэтилена с плотностью 0,943, содержащего ДБДЛО в качестве катализатора.
Таким образом, были изготовлены образцы из полиэтилена, сшитого под действием силана, которые имеют измеренную степень сшивания величиной 72% очень близкую к возможной степени сшивания.
Эти образцы А были подвергнуты действию 50 серий по 20 циклов, причем общая продолжительность испытания достигает 10000 часов. В этих образцах не наблюдали никаких следов выпучивания и трещинообразования.
На основе известного испытания, относящегося к поведению полимеров и/или сополимеров при эксплуатации в реальных условиях использования, путем сравнения с результатами, полученными с теми же самыми материалами, подвергнутыми процедуре испытания, описанной выше, было установлено, что внутренние герметичные оболочки или трубы гибких полых трубопроводов, изготовленных из указанных пластических материалов, обладают хорошей стойкостью по отношению к углеводородам в реальных условиях эксплуатации и в течение значительных сроков использования, когда образцы из материала, образующего трубу или оболочку, с успехом подвергались испытаниям, описанным выше, в течение 10000 часов. Полученные указанным образом результаты показывают, что вопреки тому, что допускалось до настоящего времени, трубы или оболочки из полиолефина, в частности из полиэтилена, сшитого под действием силана, обладают совместимостью с сырыми углеводородами, которая полностью удовлетворяет техническим требованиям.
Описанные выше исследования (с образцами) осуществляются при использовании метода, принцип которого был изложен в ходе конференции "Improved Thermoplast Materials Thermoplastic Materials for offshore Flexible Pipes" в докладе, сделанном F.A.Dawans. J.Jarrin. T.Lefevre, M.Pelisson на XVIII сессии ОТС в Хьюстоне (ОТС 5231), как указывалось выше, и который был разработан таким образом, чтобы иметь возможность оценить совместимость пластических или эластомерных материалов с углеводородами, испытывая их стойкость к выпучиванию (blistering по англо-саксонской терминологии), к набуханию и к разрушению в присутствии газообразных или жидких углеводородов, и который позволяет, в частности, сравнивать различные материалы, рассматриваемые для подобных приложений.
Кроме того, были проведены дополнительные испытания с различными образцами, с использованием процедуры, разработанной фирмой-заявителем, которая заключается в осуществлении последовательных циклов "создание давления/снятие давления" по отношению к образцам, помещенным в камеру (ячейку), заполненную специальным углеводородом. Этот метод позволяет более быстро получать результаты, и было найдено, что полученные указанным образом результаты эквивалентны результатам, полученным при помощи первого метода, который чередует циклы с сырой нефтью с циклами с метаном.
Вторая партия образцы В была приготовлена по способу типа SIOPLAS, исходя из 95% привитого полиэтилена с плотностью 0,945 и 5% маточной смеси (мастер-беч) на основе полиэтилена с плотностью 0,945 в присутствии катализатора ДБДЛО, причем полученная степень сшивания составляет 75% и отличается, следовательно, не более чем на 5% от возможной степени сшивания, которая была оценена приблизительно от 78 до 80% Эти образцы подвергались без какого-либо ущерба испытаниям в соответствии с ускоренным методом, описанным выше.
Третья партия образцы С была изготовлена опять же по способу SIOPLAS, также с 5% той же самой маточной смеси, что и образцы В, но из привитого полиэтилена с плотностью 0,963. Полученная степень сшивания составила 72% причем возможная степень сшивания составляет приблизительно от 72 до 75% Несмотря на значение степени сшивания, меньшее, чем у образцов В, испытания по ускоренному методу дали превосходные результаты, качественно лучшие, чем результаты для образцов В. Это показывает очень благоприятное влияние высокой плотности используемых полиэтиленов.
Различные сравнительные исследования, с другой стороны, показали, что для получения хорошего результата необходимо соблюдать определенные минимальные значения, относящиеся к плотности используемых полиэтиленов и к достигаемой степени сшивания, в частности к разнице между возможной и достигаемой степенями сшивания.
Первая партия сравнения образцы Д была изготовлена по способу SIOPLAS, исходя из 95% привитого полиэтилена с плотностью 0,928, т.е. меньше установленного значения величиной 0,930, и из маточной смеси на основе полиэтилена с той же самой плотностью 0,928. Несмотря на относительно высокую степень сшивания 80% практически равную возможной степени сшивания, эти образцы, подвергнутые испытаниям согласно процедуре с чередованием сырой нефти и метана были полностью разрушены менее чем за 200 часов.
Вторая партия сравнения образцы Е была изготовлена по способу SIOPLAS, исходя из 95% привитого полиэтилена с плотностью 0,943 и из 5% маточной смеси на основе полиэтилена с плотностью 0,930. Несмотря на более высокие плотности, чем плотности образцов Д, и степень сшивания 75% практически равную возможной степени сшивания, следы выпучивания появляются менее чем за 1000 часов, что неприемлемо в нефтяной промышленности при испытаниях согласно методу с чередованием сырой нефти и метана. Таким образом, было подтверждено, что один лишь факт использования полиэтилена с плотностью 0,930, т.е. точно ниже установленного предела, является достаточным для того, чтобы считать результат неприемлемым, хотя соединение, имеющее такую недостаточную плотность, составляет только 5% от общего веса сшитого полиэтилена.
Третья партия сравнения образцы F была изготовлена по способу SIOPLAS, исходя из 95% привитого полиэтилена (причем использованный силан является ВТМОС) с плотностью 0,951 и из маточной смеси на основе полиэтилена с плотностью 0,928, причем степень сшивания составляет 72% что практически равно возможной степени сшивания. После того, как эти образцы Г были подвергнуты испытаниям в соответствии со второй ускоренной процедурой, было отмечено выпучивание менее чем на 1000 часов испытаний, что подтверждает несовместимость этих образцов с сырой нефтью. Кроме того, что оно подтверждает неспособность противостоять сырой нефти для полиэтиленов, имеющих плотность, меньшую установленного предела, это испытание показывает также, что имеется удовлетворительная проверка фактов путем сопоставления результатов, полученных двумя использованными методами испытаний.
На рис. 7 можно видеть пример муфты 25, содержащей отверстие 58 для извлечения жидкости, выделяемой в кольцеобразное пространство гибкого полого трубопровода 11 в ходе сшивания. В иллюстрируемом примере отверстие 58 является круговым с осью, перпендикулярной оси 60 трубопровода 11. В иллюстрируемом примере муфта 25 оборудована клапаном 59. Разумеется, можно заделать отверстие 58, например, путем сварки (пайки). Однако может оказаться выгодным использовать отверстие 58 посредством клапана 59 для вывода жидкостей, в основном газов, диффундирующих через герметичную оболочку 19. Например, оболочка по настоящему изобретению не будет полностью герметичной для природного газа, присутствующего в сырой нефти. Отверстие 58 и клапан 59 позволяют безопасно выводить эти газы наружу из кольцеобразного пространства трубопровода.
Формула изобретения: 1. Гибкий полый трубопровод, содержащий полую герметичную оболочку из сшитого полиэтилена и по меньшей мере один армирующий слой, расположенный вокруг полой оболочки, отличающийся тем, что полая оболочка содержит гомополимер и/или сополимер этилена с привитым силаном с плотностью выше или равной 0,931 г/см2, предпочтительно выше или равной 0,940 г/см2, сшитый путем гидролиза со степенью сшивания выше 60% и предпочтительно выше 70%
2. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что (со)полимер этилена для полой оболочки представляет собой смесь полиэтиленов, причем плотность всех полиэтиленов смеси выше или равна 0,931 г/см3, предпочтительно выше или равна 0,940 г/см3. (
3. Трубопровод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что степень сшивания полой оболочки в конце процесса сшивания ниже возможной степени сшивания на величину, меньшую или равную 10%
4. Трубопровод по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что он снабжен внешней защитной оболочкой.
5. Способ изготовления гибкого полого трубопровода, содержащего полую герметичную оболочку из сшитого полиэтилена и по меньшей мере один армирующий слой, расположенный вокруг полой оболочки, отличающийся тем, что в качестве полиэтилена используют гомополимер и/или сополимер этилена с привитым силаном с плотностью выше или равной 0,931 г/см2, предпочтительно выше или равной 0,940 г/см2, процесс сшивания осуществляют гидролизом, при этом для ускорения процесса сшивания гибкий полый трубопровод заполняют жидкостью, содержащей воду, а полую оболочку нагревают.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нагрев полой оболочки осуществляют нагреванием жидкости, содержащей воду, циркулирующей в полом трубопроводе.
7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что указанная жидкость содержит воду, по меньшей мере частично в жидкой фазе.
8. Способ по одному из пп.5 7, отличающийся тем, что стадию сшивания полой оболочки осуществляют после окончательного монтажа гибкого полого трубопровода.
9. Способ по одному из пп.5 8, отличающийся тем, что во время стадии сшивания в гибком полом трубопроводе поддерживают давление, достаточное для достижения жидкостью полой оболочки, при пересечении армирующего слоя, выполненного в виде внутреннего каркаса.
10. Способ по одному из пп. 5 9, отличающийся тем, что в качестве (со)полимера этилена используют смесь полиэтиленов, причем плотность всех полиэтиленов смеси выше или равна 0,931 г/см3, предпочтительно выше или равна 0,940 г/см3.
11. Способ по одному из пп.5 10, отличающийся тем, что степень сшивания полой оболочки в конце процесса сшивания ниже возможной степени сшивания на величину, меньшую или равную 10%
12. Способ по одному из пп.5 11, отличающийся тем, что он включает стадию извлечения продуктов, образующихся во время сшивания в кольцеобразном пространстве гибкого трубопровода.
13. Способ по одному из пп.5 12, отличающийся тем, что жидкость, заполняющая гибкий полый трубопровод, содержит по крайней мере часть катализатора реакции сшивания.
14. Способ по одному из пп.5 13, отличающийся тем, что во время процесса сшивания гибкий полый трубопровод термически изолирован.