Materialteknologi for små felt, dypt vann og undervanns- og nedihulls prosessering (Ikke-metalliske materialer med fokus på plast, gummi, kompositter) Aage Stori, SINTEF Materialer og kjemi Fokus på framtidige kompetansebehov og forskningsoppgaver 1
Plastmaterialer som er i bruk i oljeindustrien Termoplaster Polyetylen PE Polypropylen PP Polyamid (nylon) PA Polyvinylklorid PVC PVDF PTFE PEEK POM Voks Herdeplaster Polyester Vinylester Epoksy Fenol Gummier EPDM NBR HNBR TPE Fluorelastomerer Polyuretan 2
Eksempler på anvendelser Nedihull Tetninger og forankringer (Packer) Foringer i produksjonsrør Elektriske kabler Pumper og måleinstrumenter Kveilerør (PVDF, Karbonfiber, glassfiber, epoksy) Stigerør Fleksible rør (PVDF, PA 11, PE, PEX) Kompositt stigerør Isolasjon av metalliske rør Oppdriftselementer Bøyestivere Flekse-elementer Dyptvann Beskyttelsesstrukturer Korrosjonsbeskyttelse Rørisolasjon (skum og syntaktisk skum) 3
Forskning innen temaet i dag Oljeselskapene (noe kompetanse, mye produktrelatert) Leverandørindustrien (fokusert FoU, produktrelatert) SINTEF MK og SINTEF Marintek NTNU DNV 4
Bidrag fra FoU-miljøene (eksempler, med vekt på dyptvann og nedihulls anlegg) Hydraulikk sylindere for undervannsanvendelse Små diameter lavtrykksrør i komposittmaterialer Sandwich paneler for undervanns beskyttelsesstrukturer Isolerte rørledninger for offshore olje transport Dimensjoneringskriteria for lastbærende komposittstrukturer PVC-skum brukt som oppdriftselementer på store havdyp Langtidsegenskaper for kompositter i strukturelle anvendelser Effekt av langsom diffusjon og hurtig trykkavlastning 5
Example: Mechanical load at interfaces A flexible pipe with a multi-layer polymeric liner had failed due to collapse of the internal structure P=0.2 MPa 39MPa 70 C p T o o = 0.2MPa = 10 C Work on internal structure: W=10J/mm Determine pressure (concentration) distribution as a function of time during compression and decompression of the riser Estimate potential energy in the gas solved in the liner 6
Bidrag fra FoU-miljøene (eksempler, med vekt på dyptvann og nedihulls anlegg) Bruk av komposittmaterialer i offshore installasjoner Fleksibilitetsanalyse av rørsystemer Water hammer motstand Slagresistens for GRP rør og fittings Down hole tubing in GRP Erosjonsmotstand for GRP-rør Guidelines for kompositt tanker og beholdere offshore 7
Polymermiljøene ved SINTEF, Universitetet i Oslo og NTNU har sammen med 8 bedrifter gått sammen om en forpliktende søknad mot SFI-ordningen: Centre for Demanding Polyolefin Applications CeDePA A centre for research based innovation within polymer science 8
CeDePA Vision: To become a leading European innovation engine for demanding polyolefin applications in selected market segments 9
CeDePA Scope: Fundamental knowledge will be generated by particularly addressing three segments that have been selected because of particularly high end-product demands, and the presence of strong national stakeholders: Pipe systems, electrical power cables and umbilicals for off-shore applications Automotive parts Consumer and pharmaceutical packaging 10
CeDePA The scientific platform will consist of: A thorough mechanistic understanding of the relationship between material structure down to the molecular level and selected demanding macroscopic end-product properties, and how conversion process parameters may affect these. Easy accessible and well developed state-of-the-art experimental tools, methods and skills Predictive models Operational access to and interaction with rapidly developing scientific platforms with large innovation potential, particularly surface and nano technology. 11
Materialteknologi for små felt, dypt vann og undervannsog nedihulls prosessering (Ikke-metalliske materialer med fokus på plast, gummi, kompositter) Noen fellestrekk for materialvalg - Vedlikeholdsfrie installasjoner - Pålitelighet og sikkerhet i materialvalg - Lang levetid - Høye trykk og temperaturer i kombinasjon med kjemikalier - Funksjon ved lave temperaturer - Lav vekt - Meget spesielle miljøpåvirkninger, som ikke tidligere er utprøvet. Materialteknologisk FoU knyttet til å utvikle eksperimentelle teknikker og beregningsmetoder for å prediktere levetid og restlevetid for plast og kompositter 12
Pålitelighet og strukturell integritet for komposittmaterialer Eksempler på konkrete FoU-oppgaver: Skaderesistens og reststyrke etter slagpåvirkninger Simulere skade og prediktere reststyrke etter skade. Etablere feilkriterier for de ulike skademekanismer. Fastlegge kritiske og ikke kritiske skader. Utvikle eksperimentelle teknikker og beregningsmetoder for å prediktere levetid ved statisk og dynamisk utmatting Innflytelse av skade, ulike kjemiske miljøer og temperatur på utmattingslevetiden. Metoder for å karakterisere skadeutbredelse. Prediktere levetid og restlevetid med minst mulig behov for testing. Spesielt studere utmatting av skjøteforbindelser. Utvikle metoder for å overvåke tilstanden til komposittmaterialer. Utvikle sensorteknologi for dette. Benytte data til å vurdere restlevetid. 13
Levetid for plast og gummi i ekstreme miljø Eksempler på konkrete FoU-oppgaver: Utvikle eksperimentelle metoder for å kvalifisere materialer for bruk i ekstreme miljøer. ( Høye trykk (300-350 bar), høye temperaturer (200-250 C), elektriske belastninger og korrosive kjemiske miljø kombinert med realistiske mekaniske belastninger. Utvikle pålitelige prosedyrer for akselerert testing Med basis i grunnleggende kunnskap om materialenes degraderingsmekanismer Utvikle beregningsmodeller for å kvalifisere materialer for gitte levetider under driftsbetingelser med minimalt behov for testing 14
Diffusjon av gass og væsker i plast, kompositter og gummi Fleksible rør og risere, linermaterialer, pakninger, tetninger og materialer utsatt for ulike kjemiske miljøer. Eksempler på konkrete FoU-oppgaver: Utvikle eksperimentelle teknikker for å måle diffusjon av gass og væsker i plastmaterialer ved ulike betingelser av trykk og temperatur (karakterisere innvirkning på materialegenskaper) Utvikle prosedyrer for akselerert testing Utvikle regnemodeller for å simulere diffusjon basert på data fra målinger. (inkludere interaksjon mellom inndiffundert medium og materialet) 15
Transport av ubehandlet brønnstrøm over lange avstander (Kostnadseffektiv isolering av rørledninger) Utvikle polymerbaserte isolasjonsmaterialer med økt styrke, bedre lavtemeperaturegenskaper og forbedrede langtids sigeegenskaper for store havdyp og som tåler høye temperaturer i rørveggen (Utnytte nanoteknologi for å øke styrken i celleveggene i skumisolasjonen, polymere skum med høy styrke viktig også i forbindelse med oppdrift) Utvikle metoder for å måle siging under realistiske betingelser og modeller for å prediktere lang tids sigeegenskaper. Produksjonsteknologi for kostnadseffektiv isolering av rørledninger Drag reduction med bruk av mikrofibrillert cellulose 16
Materialer for rense- og separasjonsprosesser (Rensing av produsert vann og reduksjon av CO 2 utslipp) Nye prosesser for rensing og separasjon som krever nye materialer. Membraner, adsorbenter og absorbenter basert på uorganiske materialer (keramer), polymerer og hybridmaterialer av disse. Splitting av metan i hydrogen og CO2 og transport av hydrogen i stedet for metan. Effektiv separasjon av H 2 og CO 2 for eksempel ved membraner. 17
Belegg og malinger med forbedrede egenskaper og økt levetid (Vedlikeholdsfrie installasjoner) Utnytte nanoteknologi og nanopartikler for å forbedre ytelse med hensyn til diffusjon, skaderesistens og heft til substratet. Selvreparerende malinger og belegg 18
Viktige fremtidige kompetansebehov 1. Durability and Structural Integrity of Light Weight Composite Materials The main goal is to establish experimental and computational procedures in order to be able to predict lifetime and health condition of structural components of polymer composite laminates of glass and carbon fiber under various environmental exposures. 19
Viktige fremtidige kompetansebehov 2. Ageing and degradation of polymers and elastomers in severe environments Develop methodologies to qualify polymeric materials for given lifetimes under exposure to severe environmental coneditions based on combination of test results and competence regarding ageing and degradation mechanisms. This shall in the future be achieved with a minimum of testing 20
Viktige fremtidige kompetansebehov 3. Diffusion of gas and liquids in polymers Develop experimental methods and mathematical models in order to determine diffusion and sorbtion properties of gas and liquids in various polymers at high pressure and temperature 21
Viktige fremtidige kompetansebehov 1. Pålitelighet og strukturell integritet for konstruksjoner i lette komposittmaterialer Hovedmålet er å utvikle eksperimentelle prosedyrer og beregningsmetoder for å kunne prediktere levetid og tilstand til strukturelle komponenter i komposittmaterialer med glass- og karbonfiber ved ulike belastninger og i ulike kjemiske miljø. 22
Viktige fremtidige kompetansebehov 2. Aldring og degradering av polymerer og gummi i krevende kjemiske miljø Utvikle metodikker for å kvalifisere polymermaterialer for gitte levetider under eksponering i krevende kjemiske miljø ved å kombinere avansert testing og modellering med kompetanse om materialenes aldrings- og degraderingsmekanismer. Målet er fremtidig kvalifisering av materialene med minst mulig behov for testing. 23
Viktige fremtidige kompetansebehov 3. Diffusjon av gass og væsker i polymerer Utvikle eksperimentelle metoder og matematiske modeller for å bestemme diffusjon av gass og væsker i ulike polymermaterialer ved høye trykk og temperaturer. 24