Materialvalg for instrument og ventiler, Bergen 13. 14.12.11 Hvorfor kvalifisering av materialprodusenter - og hvordan? - NORSOK M-650 Tor Gunnar Torgersen, Scana Steel Stavanger Material Technology Center (MTC)
Scana Steel Stavanger: Smelteverk med AOD Støperi Smiing Varmebehandling Material testing Material Teknisk senter
Hvorfor kvalifisering av materialprodusenter - og hvordan? - NORSOK M-650 Innhold: Bakgrunn Materialvalg Litt metallurgi Eksempler på material relaterte skader NORSOK standard M-650
Bakgrunn: Vær og klima miljøet offshore i Norge er krevende. Det setter store krav til materialer og fabrikasjon.
Bakgrunn Konsekvenser av material feil eller fabrikasjons relaterte feil kan fort bli dramatiske. Under Alexander Kielland ulykken i 1980 omkom 123 personer da riggen kantret. En sterkt medvirkende årsak var sub standard sveis(fabrikasjonsrelatert) på en flens som førte til utmatting
Bakgrunn: I tillegg til eksponering fra eksterne krefter på strukturer fra vind og bølger, krever det eksterne marine miljøet og reservoir forholdene (høy temperatur, høyt trykk, brønnstrøm sammensetning, sand osv) enten spesiell god beskyttelse og/eller materialer av høy kvalitet av alt utstyr for at omfanget korrosjon eller skader skal minimaliseres. Mange feil og skader som skyldes feil under material framstillling eller av fabrikasjonsrelaterte årsaker har oppstått gjennom årenes løp. Feil som har ført til prosjekt forsinkelser, dyre reparasjoner, eller produksjons nedstegninger. Det er hevdet av en engineering kontraktor at material relaterte saker i perioder har stått for ca 30 % av garantisakerne etter et prosjekt.
Eksempel på korrosjon under isolasjon på riser som følge av sjøvannseksponering og relativ høy temperatur
Et par eksempler på ekstern korrosjon som følge av eksponering i marin atmosfære
Eksempler på innvendige skader i rørsystem som følge av brønnmiljø eksponering Erosjonskader som følge av sand produksjon Områder med bakteriell korrosjon - avløpsystem
Materialvalg i et prosjekt Detaljerte spesifikasjoner for materialvalg og fabrikasjon, inkludert for instrumenter og ventiler, utarbeides normalt av hovedkontraktor for en utbygging. Disse er som regel bygget på: Myndighetenes(les Ptil) forskrifter og Retningslinjer Oljeselskapets design basisdokumenter for det aktuelle feltet Hovedkontraktors Material Selection report Eksempel på et materialvalgs diagram for et prosess system som indikerer mange forskjellige materialer basert på design krav og vurderinger og økonomiske vurderinger
Materialvalg i et prosjekt, forts. I løpet av de siste 30 årene er det i betydelig grad tatt i bruk høylegerte rustfrie stål som f.eks 22%Cr dupleks, 25%Cr superdupleks og 6Mo og Titan i prosess systemer, instrumenter og utstyr.
Materialvalg i et prosjekt, forts. Årsaken til at det er tatt i bruk rustfrie høylegerte materialer er bl.a: eksponeringene materialene blir utsatt for under drift kostnadsvurdering når vedlikeholdskostnader, f.eks malingsvedlikehold offshore, gjennom levetiden, tas i betraktning vekt besparelser, ikke korrosjonstillegg, dvs mindre godstykkelse Men, disse høylegerte materialene krever meget god kompetanse og korrekt utstyr for å kunne framstilles korrekt slik at de forventede egenskapene oppnås.
NORSOK M-650 Dessverre er det veldig mange eksempler der feil i material framstillingen har enten har ført til skader under drift, både top-side og sub sea, eller feil har oppstått under prosjektfasen Med bakgrunn i dette ble en NORSOK standard utviklet. NORSOK M-650 Qualification of manufacturers of special materials. Denne er nå nylig utgitt som Edition 4 Denne standarden har vist seg å være et effektivt redskap for både spesifisering og oppfølging av leverandører av denne type høylegerte og spesielle materialer. The NORSOK standards are developed by the Norwegian petroleum industry to ensure adequate safety, value adding and cost effectiveness for petroleum industry developments and operations. Furthermore, NORSOK standards are as far as possible intended to replace oil company specifications and serve as references in the authorities regulations. The NORSOK standards are normally based on recognised international standards, adding the provisions deemed necessary to fill the broad needs of the Norwegian petroleum industry
NORSOK M-650 Denne NORSOK standarden kreves normalt for alle nye utbyggingsprosjekt og modifikasjonsprosjekt offshore i Norge. Helt tilsvarenede spesifikasjoner er etablert av internasjonale oljeselskap. F.eks Exxon Mobile, som har sin egen "global" baserte spesifikasjon for kvalifisering av de aktuell materialtypene. M-650 Edition 4 vil etter all sannsynlighet også bli etablert som en ISO standard i løpet av 2-5 år. Den er allerede presentert for ISO.
Litt metallurgi for å belyse litt av bakgrunnen for standarden NORSOK M-650 retter seg i hovedsak mot de mer spesielle og framstillingsmessig kompliserte legeringene. F.eks kreves det ikke kvalifisering av 316 rustfritt stål. Følgende legeringer er de som vanligsvis blir kvalifisert : 22% Cr dupleks som inneholder bl.a ca 22.5 %krom, 5.5% nikkel, 3.2% molybden, 0.20 % nitrogen 25% superdupleks som inneholder bl.a ca 25 %krom, 7% nikkel, 4% molybden, 0.24 % nitrogen samt noen typer også wolfram og kobber 6Mo/254SMO som inneholder bl.a ca 27 %krom, 31% nikkel, 6.2 % molybden, 0.24 % nitrogen I tillegg andre nikkel legeringer og Titan
Litt metallurgi for å belyse litt av bakgrunnen for standarden: 22% Cr dupleks er blitt en slags "arbeidshest" for offshore installasjoner de senere år og benyttes mye i prosess systemer. Har relativt høy fasthet(minimum 450 MPa som smidd) og rimelig gode korrosjonsegenskaper i marin atmosfære: Ferritisk-austenittisk metallstruktur 25% Cr superdupleks er sjøvannsbestandig (opp til maks 20 oc iflg NORSOK M-001) og med en fasthet på minimum 550 MPa(som smidd) Ferritisk-austenittisk metallstruktur 6Mo har tilsvarende korrosjonsegenskaper som 25 %Cr superdupleks, lavere fasthet (minimum 300 Mpa) men svært gode lav temperaturegenskaper, e.g. ned til minus 100 oc( aktuelt f.eks. i flare systemer). Austenittisk metallstruktur
Litt metallurgi for å belyse litt av bakgrunnen for standarden Struktur av ferritiskaustenittisk rustfritt stål, dupleks /superdupleks Struktur av et austenittisk rustfritt stål,6mo (316 er tilsvarende) Lyse korn =austenitt, mørke = ferritt Det er det høye innholdet av legeringselementer som gir de gode korrosjonsegenskapene og for dupleks stålene den kombinerte strukturen ferritt austenitt som gir den høye fastheten
Litt metallurgi for å belyse litt av bakgrunnen for standarden På grunn av det høye legeringsinnholdet er spesielt dupleks og ikke minst superdupleks stålene følsomme for at en ved feil varmebehandling inkl avkjøling får utfelt andre faser enn ferritt og austenitt, f.eks intermetalliske forbindelser som sigmafase, som reduserer både mekaniske egenskaper, dvs seighet, og korrosjonsegenskapene dramatisk: sigmafase for å unngå disse uønskede fasene må materialet bråkjøles i vann etter varmebehandling
Et typisk offshore felt som kan indikere hvor kostbart det vil være å gjøre en reparasjon subsea om noe skulle feile
Sprøbrudd etter 1mm komprimering Skade eksempel Lekkasje i et ½" Superduplex hydraulikk umbilical rør på grunn av intermetalliske utfellinger som følge av utilstrekkelig varmebehandling under framstilling. Korrekt varmebehandlet, sprekkdannelse først etter 11 mm komprimering
NORSOK M-650 Hensikten med M-650 standarden: Standarden etablerer flere kvalifikasjonskrav for å verifisere at en produsent har tilstrekkelig kompetanse og erfaring med de aktuelle materialene, og nødvendig utstyr for å kunne produsere disse i de former og størrelser med akseptable resultater. Viktige krav i standarden: Produsenten skal utarbeide en detaljert Manufacturing Summary av produsksjonsprosessen. En kvalifikasjonsprosess skal gjennomføres basert på denne Manufacturing Summary Ved senere produksjon i henhold til NORSOK skal denne Manufacturing Summary følges Standarden dekker alle produktformer. Dvs plater, smigods støpegods, rør, instrument tubing etc
NORSOK M-650 Eksempel på del av en Manufacturing Summary for smigods
NORSOK M-650 Som nevnt er korrekt varmebehandling kritisk for disse legeringene. Kvalifiseringen krever blant annet : en meget detaljert kalibrering, "Uniformity survey" av varmebehandlingsovnene detaljerte prosedyrer for stabling av godset for å sikre en god sirkulasjon under oppvarming og uneder bråkjøling i vann quenching.
NORSOK M-650 Varmebehandling av 22% Cr duplex ventil støpegods: tid på overføring mellom ovn(temp ca 1100 oc) og til vannbad skal være maksimum 60 sekunder
NORSOK M-650 NORSOK M-650 ble nylig utgitt i ny revisjon. Et nytt krav som er kommet er at varmebehandlingsprosedyren skal verifiseres ved at termoelementer plasseres på eller inne i utborrede hull av godset. Dette for å verifisere at den tid varmebehandlingen utføres er tilstrekkelig til at godset oppnår spesifisert temperatur gjennom hele tverrsnittet.
NORSOK M-650 Ved varmebehandling av disse legeringene må en sørge for korrekt høy nok temperatur og bråkjøling i vann for å unngå uønskede faser Correct cooling For langsom avkjøling eller for lav temperatur
RIKTIG VARMEBEHANDLING: Plasseres rørene på et brett, slik som dette, vil alle rør utsettes for lik temperatur Feil på 10.000 rør offshore Inntil 10.000 rørdeler på norsk sokkel kan være produsert feil. Det øker faren for brudd og rust. Publisert 27.03.2009 14:05 - Oppdatert 27.03.2009 18:56 Utklipp fra Stavanger Aftenblad, mars 2009 FEIL VARMEBEHANDLING: I en kurv som dette, vil ikke alle rørene utsettes for lik temperatur. (Foto: OLF)
NORSOK M-650 Kvalifikasjonstesting skal gjennomføres og skal baseres på produkter produsert helt i henhold til nevnte Manufacturing Summary Kvalifikasjonstestingen skal utføres både på produktet, dvs et produkt må "ofres" for testing, i tillegg til testing av standard prøvestaver. Omfatter mekanisk testing, Charpy V, mikrostruktur undersøkelser og for visse typer også en krevende korrosjonstest. Charpy V kravet("sprøbruddstest") er høyere (+ 20 Joules) for kvalifikasjonstesten enn ved normal produksjon. Testomfang og krav er forøvrig som definert i NORSOK M-630 "Material data sheets and element data sheets for piping "
Eksempel på uttak av test prøver for en smidd stang Eksempel på uttak av test prøver for eet støpt ventilhus
NORSOK-M650 Edition 4 Noen andre krav i M-650 : Krav til spesiell stålraffineringsmetode ved smelting for å sikre rent stål(f.eks AOD eller vakumbehandling) Tilleggstesting i mid-thickness av komponenter med en tykkelse på > 50 mm (ikke støpegods) Krav til in-house kunnskap av relevante metallurgiske aspekter av de aktuelle legeringene Krav til at test laboratoriet skal være sertifisert/akkreditert i henhold et kvalitetsystem som ISO 17025 Kvalifiseringen skal gjennomføres av et Qualifying Company som også må gjennomgå bedriften og verifisere varmebehandlingsrutinene og signere kvalifikasjonsdokumentasjonen Kvalifiseringen er gyldig i 5 år
QTR forside: M-650 lister også det som kalles "mandatory condition. F.eks dersom noe av framstillingen er kvalifisert med bakgrunn i og må utføres av andre Dersom framstillingen skjer utenom det som er listet som "mandatory conditions" krever det en full rekvalifisering
Eksempel på skader som følge av utilstrekkelig varmebehandling Spalt korrosjon som følge av utilstrekkelig varmebehandling av 6Mo material Brudd som følge av utilstrekkelig varmebehandling av 6Mo
Et eksempel på utilstrekkelig varmebehandling, 6Mo
Kort oppsummering Bruk av høylegert rustfrie stål i prosess systemer offshore har bidratt til lengre levetid, vektreduksjoner,betydelig mindre korrosjons problemer og da lavere vedlikeholdskostnader. De høylegerte materialene krever imidlertid meget god kompetanse og ustyr ved fremstilling for at de forventede egenskapene skal kunne oppnås Det er mange eksempler på at feil framstilling har ført til store ekstrakostnader og sikkerhetsproblematikk etter at komponentene er montert offshore NORSOK M-650 standarden har vist seg å være et godt redskap i oppfølgingen av leverandører for å få fram komponenter med de riktige egenskapene.