DE2348657B2

DE2348657B2 - Rohrleitungselement fuer tiefsttemperaturfluide

Info

Publication number: DE2348657B2
Application number: DE19732348657
Authority: DE
Inventors: Tadeusz Josef New York; DeBock Luke Francois Fresh Meadows; N.Y. Marchaj (V.St.A.)
Original assignee: Preload Technology Inc
Current assignee: Preload Technology Inc
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS4971514A; CA988044A; DE2348657C3; GB1390873A; JPS545522B2; DE2348657A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohrleitungsele ment für Tiefsttemperaturfluide gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Rohrleitungs

'5 system, bestehend aus derartigen Rohrleitungselemen ten, sowie auf ein Verfahren zum Bilden eines derartige! Rohrleitungssystems.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung is der Transport von verflüssigtem Naturgas von dei Produktionsstätten oder von Häfen zu den Verwen dungsorten. Dabei tritt das Problem auf, daß dl· Rohrleitung ihre Länge ändert, wenn sie von Umge bungs- auf Betriebstemperatur gekühlt oder voi Betriebs- auf Umgebungstemperatur erwärmt wire Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht in Einbau von Dehnungsverbindungen, wie etwa Faltver bindungen, in ein Rohrleitungssystem; solche Deh nungsverbindungen tragen jedoch erheblich zu dei Kosten eines Rohrleitungssystems bei, besonders, wem es sich um große Temperaturänderungen und dami große Längenänderungen handelt, die durch eins entsprechend große Anzahl Dehnungsverbindungei aufgenommen werden müssen.

Bei einem bekannten Rohrleitungselement der in Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Ar (US-PS 26 11 567) erstreckt sich der an der Innenleitunj befestigte Ringflansch durch den aus einer Wärmeisolie rung, einer Asphaltschicht und einer metallischer Außenhülle bestehenden Außenmantel nach außen um ist dort in einem im Erdboden eingegrabener Betonblock verankert. Eine solche Verankerung is relativ aufwendig und in manchen Bereichen, wie ζ. Β unter Wasser, häufig kaum durchführbar.

Es ist ferner bekannt (DT-GBM 69 14 690), an einei Innenleitung einen Außenmantel mittels einer Struktui zu verbinden, die einerseits die Wärmeableitung von dei Innenleitung auf den Außenmantel gering hält unc andererseits thermische Spannungen der Innenleitunj auf den Außenmantel überträgt. Die Struktur besteh dabei aus mehreren die Innenleitung fest ergreifender Rohrschellen, an denen Laschen angeschweißt werden die sich über die gesamte Länge der Leitung erstrecker und mit ihren Außenkanten mit dem Außenmante verschweißt sind. Die Wärmeisolierung besteht au; einer Zwischenschicht auf Asbestbasis zwischen dei Innenleitung und den Rohrschellen. Die Verlegung einei solchen Rohrleitung ist relativ arbeitsaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eir Rohrleitungselement der im Oberbegriff des Patentan

'«' spruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß du thermisch bedingten Spannungen der Innenleitunj wirksam aufgefangen werden und das Rohrleitungsele ment auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen wie unter Wasser usw., ohne übermäßig großer

^fl> iViontageaufwand verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen de· Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dem Rohrleitungselement nach der Erfindung

werden die durch thermische Kontraktion der Innenleitung entstehenden Kräfte auf die Betonaußenröhre übertragen und wirken auf diese im Sinne einer Kompression ein, so daß thermisch bedingte Längenänderungen der Innenleitung im wesentlichen von der Betonaußenröhre aufgefangen werden. Dabei ist eine Verankerung in der Umgebung nicht erforderlich, so daß das Rohrleitungselement nach der Erfindung auch in schwierigem Gelände sowie unter Wasser verwendbar ist. Das Rohrleitungselement ist ferner mit relativ geringem Arbeitsaufwand verlegbar, und der Herstellungsaufwand für ein einzelnes Rohrleitungselement, das aus sehr wenigen Teilen besteht, ist ebenfalls relativ gering, was bei Rohrleitungen, die eine Gesamtlänge von einigen hundert km haben können, erheblich ins Gewicht fällt.

Bei dem Rohrleitungselement nach der Erfindung werden die hohen Zugfestigkeitseigenschaften der metallischen Innenleitung, die typischerweise ein Legierungsstahl ist, und die hohen Druckfestigkeitseigenschäften der Betonaußenröhre genutzt. Der Betrag der Kontraktion der Innenleitung wird gegenüber einer nichteingespannten entsprechenden Innenleitung beträchtlich vermindert. Berechnungen zeigen, daß z. B. eine nichteingespannte Innenleitung aus 9 %-Nickelstahl und einer Länge von etwa 305 m bei einer Temperatursenkung um 200⁰C eine Längenänderung von etwa 50,8 cm erfahren würde, während diese Längenänderung bei einer an einer Betonaußenröhre eingespannten Innenleitung und bei Annahme einer Einspannkraft von 122 kp/cm² nur etwa 10,1 cm beträgt. Die Anzah! einzubauender Dehnungsverbindungen ist daher um einen Faktor 5 herabgesetzt.

Eine weitere Ausbildung des Rohrleitungselements nach der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Aus Rohrleitungselementen nach der Erfindung bestehende Rohrleitungssysteme sind in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben. Ein Verfahren zum Bilden eines derartigen Rohrleitungssystems ist Gegenstand der Patentansprüche 5,6 und 7.

Alisführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Rohrleitungssystems für Betrieb bei niedriger Temperatur zwischen zwei festangeordneten Verbindungsstellen,

F i g. 2 im Schnitt eine detaillierte seitliche Draufsicht eines Abschnitts des Rohrleitungssystems entlang der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von Fig. 1 und 2 entlang der Linie 3-3 von Fi g. 2,

Fig.4 eine zweite Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von Fig. 1 und 2 entlang der Linie 4-4 von F ig. 2,

F i g. 5 im Schnitt eine seitliche Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rohrleitungssystem mit einer Dehnungsverbindung, und

Fig. 6 eine Enddraufsicht im Schnitt auf das Rohrleitungssystem von F i g. 5 entlang der Linie b-b von F i g. 5.

In F i g. I sind zwei ortsfeste Stationen 10 und 12 gezeigt, die Pumpstationen, Tanks oder andere Einrichtungen sein können, die einer Anlage für verflüssigtes Naturgas oder andere kalte Fluide zugeordnet sind. Ein Rohrleitungssystem 14 besteht aus einer Anzahl von endweise angeordneten Abschniiten, die z. T mit 16, 18 und 20 bezeichnet sind.

F i g. 2, 3 und 4 zeigen im einzelnen Teile jedes von zwei Rohrleitungsabschniuen, die schematisch in Fi g. 1 gezeigt sind. Diese beiden Rohrleitungsabschnitte sind mit 22 und 24 bezeichnet. Der Leitungsabschnitt 24 besteht aus einer Stahlinnenleilung 26, die beispielsweise nach Maßgabe der Betriebsbedingungen Kohlenstoffstahl oder Legierungsstahl sein kann, und einer Betonaußenröhre 28. Die Innenleitung 26 ist unter Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen. Die Leitung 26 und die Röhre 28 sind in im wesentlichen ringförmiger Orientierung gehalten durch einen starren Abstandskörper 30. Der starre Abstandskörper 30 kann aus einem harten Isolationsmaterial wie Polyvinylchlorid oder Balsaholz bestehen, und er kann in der gezeigten Weise kontinuierlich sein oder aus einem oder mehreren getrennten Abschnitten bestehen, die die Unterseite der Leitung abstützen. Wenn der starre Abstandskörper 30 kontinuierlich ist, ist es wünschenswert, ihn mit Löchern 32 und 34 zu versehen, so daß der Ringzwischenraum 36 zwischen der Innenleitung und der Außenröhre mit einem Isolationsmaterial wie Perlit gefüllt werden kann. Das Isolationsmaterial ist mit 38 bezeichnet.

Ein Ringflansch 40 ist beispielsweise durch Schweißen um den Umfang der Stahlinnenleitung 26 herum befestigt. Der Flansch 40 ist verstärkt durch eine Reihe von Verstärkungsplatten 42, die ebenfalls um den Umfang der Innenleitung herum positioniert sind. An jeder Seite des Flansches 40 sind starre Isolationsringe 44 und 46 angeordnet. Diese Ringe liegen wiederum an Flanschen 48 und 50 der Betonröhre 28 und der benachbarten Betonröhre 78 an. So wirkt bei der gezeigten Konfiguration der Ringflansch 40 gegen die Flansche 48 und 50 durch starre Isolationsringe 44 und 46. Wenn die Rohrleitung 26 abkühlt und sich zusammenzieht, verschiebt sich der Flansch 40 in Längsrichtung und bewirkt ein Zusammendrücken der Betonröhre 28 oder 78. Die Gesamtkontraktion des kombinierten Systems, das aus der Metallinnenleitung und der Betonaußenröhre besteht, ist jedoch beträchtlich geringer als die einer Leitung, die in keiner Weise eingespannt ist.

Die linke Hälfte von F ι g. 2 zeigt einen benachbarten Rohrleitungsabschnitt 22, der mit dem vorher beschriebenen Abschnitt 24 verbunden ist. Der Leitungsabschnitt 22 besteht aus einer Stahlinnenleitung 76 und einer Betonaußenröhre 78. Die Innenleitung und die Betonaußenröhre sind voneinander getrennt durch einen starren ringförmigen Abstandskörper 80 mit Löchern 82 und 84. Die Innenleitung 76 ist mit der Innenleitung 26 bei 85 durch Stoßschweißen verbunden zur Bildung einer kontinuierlichen Rohrleitung, die unter I imgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist, die jedoch bei Kontraktion unter Betriebstemperaturbedingungen unter Spannung gestellt wird.

Aufeinanderfolgende Leitungsabschnitte weisen Ringflansche auf (nicht gezeigt), die gegen entsprechende Flansche von Betonaußenröhren wirken. Im Betrieb zieht sich das gesamte Rohrleitungssystem zusammen, wodurch ein dich! geschlossenes System gebildet wird. Durch Verbinden von Leitungsabschnitten 22 und 24 miteinander ist es möglich, einen langen Rohrleitungsabschnitt herzustellen, der sich nur um einen Bruchteil der Länge einer nichteingespannten Stahlröhre zusammenzieht. Isolation kann in den ringförmigen Zwischenraum eingeführt werden nach Hinzufügen jedes weiteren Leitungsabschnitts und Betonröhrenab-

Schnitts. Falls gewünscht, kann zwischen dem Flansch 40 und der anliegenden Fläche des Isolationsringcs 44 ein kleiner Spalt belassen werden, um eine geringe Kontraktion der Inncnlcitung durch Abkühlung derselben zu gestatten, bevor auf die Betonaußenröhre eine Druckbeanspruchung übertragen wird. Durch dieses Vorgehen kann die in der Innenleitung unter Betriebsbedingungen entwickelte innere Zugbeanspruchung verringert werden. Falls überhaupt ein derartiger Spalt vorgesehen wird, hängt seine Größe ab von der Geometrie und den Materialien des Systems sowie den Betriebsbedingungen.

Fig.5 und 6 zeigen zwei einander benachbarte Rohrleitungsabschnitte 100 und 102. Die Abschnitte 100 und 102 sind durch einer herkömmliche Dehnungsverbindung 104 mit einer Vielzahl von Falten 106 verbunden. Die Konstruktion derartiger Dehnungsverbindungen 104 ist hinreichend bekannt. Der Leitungsabschnitt 102 besteht aus einer Stahlinnenleitung 108 und einer Betonaußenröhre UO. Im Inneren der Bctonuußcnröhrc 110 ist ein kontinuierlicher zylindrischer Stahlmantel 112 vorgesehen als Barriere gegen ein Eindringen oder Austreten von Fluiden durch die Betonwandung. Die zylindrische Wandung 112 ist aus einer Anzahl von Abschnitten von Stahlumhüllungen 112 und 114 gebildet. Fig. 5 zeigt auch umfangsmäßig angeordnete Vorspanndrahte 118, die mittels bekannter Verfahren um die Betonwandung gewickelt sind. In die Röhre HO können auch längsorientierte Vorspannelemcnte eingebettet sein.

Der l.eitungsabschnitt 102 weist einen Ringflansi-h 120 auf. der mit der Innenleilung 108 verschweißt ist. sowie Verstärkungsplatten 122 zur Aufnahme des an der Oberfläche des Flansches 120 entwickelten Biegemomente, wenn das System auf Betriebstemperaturen gekühlt wird. Der Flansch !20 liegt an einem starren Dichtungsring 124 an, der wiederum an einem Stahlmantel 116 anliegt, der einen Schulterflansch der Betonröhre 110 bekleidet. Die Konfiguration gemäß F i g. 5 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 2-4 dadurch, daß der benachbarte Leitungsabschniti 100 nicht direkt daran anliegt. Die Nettokontraktions- oder lixpansionskräfle zwischen den Abschnitten 100 und 102 werden in der Dehnungsverbindung 104 aufgenommen. Diese ist in einem zylindrischen Stahlmantel 130 eingekapselt, der mit den verlängerten Abschnitten des dem Leitungsabschnitt 102 zugeordneten Stahlmantels 116 und den entsprechenden verlängerten Abschnitten des dem Leitungsabschnitt 100 zugeordneten Stahlmantels verbunden ist. Der von dem zylindrischen Stahlmantel 130 eingeschlossene Bereich kann mit Isolation gefüllt werden, um ein Eindringen von Wärme durch die Dehnungsverbindung zu verhindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrleitungselement für Tiefsttemperaturfluide mit einer metallischen Innenleitung für das Tiefsttemperaturfluid, einem die Innenleitung konzentrisch mit Abstand umgebenden Außenmantel und einem an der Innenleitung befestigten und dieselbe umgebenden Ringflansch, der zur Abstützung des Innenrohrs bezüglich der beim Betrieb des Rohrleitungssystems an der Innenleitung auftretenden Längsspannung dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einer mit Endflanschen (48, 50) versehenen vorgefertigten Betonaußenröhre (28; 110) besteht, und daß der mit Versteifungen versehene Ringflansch (40; 120) der Innenleitung (26; 108) entweder direkt oder über einen festen Jsolierring (44, 46; 124) an dem zugeordneten Endflansch (48, 50) der Betonaußenröhre anliegt, so daß die Betonaußenröhre (28; UO) bei unter Einfluß des Fluids an der Innenleitung auftretenden Längsspannungen unter axialen Druckspannungen steht.

2. Rohrleitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß starre Abstandskörper (30) zwischen der Innenleitung (26) und der Betonaußenröhre (28) vorgesehen sind.

3. Rohrleitungssystem, bestehend aus Elementen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringflansch (40) zwischen zwei Isolationsringen (44,46) angeordnet ist.

4. Rohrleitungssystem, bestehend aus Elementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleitungen (26) an ihren Enden durch Stoßschweißen (85) miteinander verbunden sind.

5. Verfahren zum Bilden eines Rohrleitungssystems nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Positionieren eines ersten Elements einer Metallinnenleilung (26), die unier Umgebungsbedingungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist,
Positionieren einer Flansche (48) aufweisenden Betonaußenröhre (28) um das metallische Innenleitungselement (26) im Abstand von diesem, so daß ein Ringzwischenraum (36) definiert ist,
Befestigen eines Ringflanschs (40) an der Außenseite des Innnenleitungselements (26), wobei der Ringflansch (40) an dem Flansch (48) der Betonaußenröhre (28) anliegt.

Befestigen eines zweiten Elements einer metallischen Innenleitung (76) an dem ersten Element (26), wobei das zweite Leitungselement (76) unter Umgebungsbedindungen im wesentlichen frei von Längsspannungen ist.

Positionieren einer zweiten Betonaußenröhre (78) mit Flanschen (50) um das zweite Metallinnenleitungselement (76) im Abstand von diesem zur Begienzung eines Ringzwischenraums, wobei ein Flansch (50) der zweiten Betonaußenröhre (78) an dem am ersten Innenleitungselement (26) befestigten Ringflansch (40) anliegt, und
Wiederholen der genannten Verfahrensschritte zur Bildung eines kontinuierlichen Rohrleitungssystem.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringflanschen (40) und den daran anliegenden Flanschen (48, 50) der Betonaußenröhren (28, 78) starre ringförmige Isolierblöcke (44,46) positioniert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnc durch Belassen eines Spalts zwischen den Ringflan sehen (40) der Innenleitung (26) und den Flunschei (48) der Betonaußenröhre (28), und Abkühlen de Innenleitung (26), wodurch diese sich zusammenzieh derart, daß ihre Flansche (40) an den Flanschen (48 der Betonaußenröhre (28) anliegen.