Classification: Statoil internal Status: Draft Materialutfordringer i arktiske områder? NFR seminar 25 & 26 april 2006 Per Egil Kvaale
2 Utfordringer i arktiske områder Islaster Krevende arbeids/konstruksjons og drifts forhold Følsomt område for forurensninger Mangelfullt regelverk? (Designkriterier) Avstander til offshore produksjonsanlegg under is Utfordringer for transportrør, brønnstrømsrør og prosessering Kraft og signaloverføringer Onshore temperaturer ned mot -60/70 o C Hvilke utfordringer og krav setter dette til Materialteknologien?
3 Materialutfordringer Driftstemperatur ned mot -60 o C gir nye krav til: Konstruksjonsstål /Rørstål Tilsettsmaterialer for sveising Termisk beskyttelse, - polymere materialer Designkriterier Nye standarder? Videreutvikling ASTM, DNV, Norsok, EN osv. Alternative løsninger? Mindre utnyttelse Strengere krav til feil (sveisefeil etc) Kan medføre enklere materialtekniske krav.
4 Nedising og permafrost Økt lastbærende areal Vindseileffekt Økt vekt Økt utmattingsfare Krever økt sikkerhetsfaktorer? Korrosjonsutfordringer i permafrostområder Beskyttelse under is. Virker katodisk beskyttelse tilfredsstillende? Slitasjeegenskaper for overflatebelegg?
5 Arbeidsforhold Lavtempertur utfordringer for konstruksjonsarbeider Sveisetekniske utfordringer Vedlikehold og drift av utstyr Malingsteknikker Mørketid Vind, snø og is hindringer ( Tundra effekter, søle i sommerhalvåret?) Store avstander uten god kommunikasjon. Transport av varer og personell (Kostnader?)
6 Forurensninger & drift Begrenser bruk av kjemikalier? Mer krevende utslippskrav? Krevende vedlikeholdsstrategier Egnede temperaturforhold for vedlikehold kan forventes kun i korte perioder. Hva medfører eventuelt slike begrensinger for materialvalg og konstruksjoner? Nær vedlikeholdsfrie konstruksjoner vil være ønskelig?
7 Regelverk, konstruksjoner Konstruksjoner, hvordan forholder eksisterende koder og regler seg til temperaturer under -40 o C? Erfaringer med ASTM konstruksjonsmaterialer (C-Mn stål) stopper ofte ved -50 o F ( -46 o C). ISO 19902 spesifiserer (The Lowest Anticipated Service Temperature LAST) som prøvetemperatur for skårslagsprøving av konstruksjonsstål. Avhengig av tykkelse og stålgruppe settes prøvetemperaturen til LAST -0 o C, -10 o C eller -30 o C. Krav til slagseighetsverdier er nær 10% av flytegrensen i stålet. Skal disse kravene tilfredsstilles vil prøvetemperaturene bli urimelig lav, ned mot -90 o C for de høyeste seighetsklasser.
8 Regelverk for skip i arktiske farvann Eksisterende regelverk er av DNV foreslått modifisert med en egne klasse for skip til arktiske fravann. Lavtemperatur skipsplater? Krav til sprekk vekst, sprøbrudds risiko
9 Regelverk, rørledninger Regelverk og standarder: ASME 31.3, 31.4 eller 31.8. DNV OS-F-101. EN 1594 & EN12732 For rør produksjon. ISO 3183 API 5L ( ISO) De nevnte koder og standarder er ulikt bygd opp og innehar ulike krav. For skårslagsprøving variere både prøvetemperatur og krav til seighet. DNV benytter 10% av SMYS og T D -10/20 o C som test temperatur, mens EN/ISO krever 40J og prøving ved T D som hovedprinsipp.
Eksempler: Charpy-V resultater for moderne rørstål v/-30 o C 10
Utviklingsprosjekt Simulert HAZ (T>1200 o C) seighet. 11 CV 400 350 300 250 200 150 100 50 0-40 -20 0 20 o C Sim CV root, stål 1 Sim Cv rot, stål 2 Sim CV Cap stål 1 Sim CV cap stål 2
12 Effekt av temperatur for utnyttelse? Utnyttelse 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-100 -90-80 -70-60 -50-40 -30-20 -10 0 T (C) Ved en gitt temperatur oppnås en gitt seighet som begrenser utnyttelsen av materialet.
13 Termisk isolasjon av transportrør Inntil 100mm tykke belegg med skummet polymere materiale er aktuelt som rør isolasjon i arktiske strøk. Polypropen (PP) benyttet i Nordsjøen har en glasstemperatur rundt - 20 o C, slik at de er lite egnet som lavtemperatur isolasjonsmateriale. Polyeten (PE) er et aktuelt materiale for temperaturer ned mot -60 o C Polyuretan (skum) er egnet som isolasjonsmateriale. Dette materialet er relativt sprøtt og krever en mantling i form av f.eks en PE kappe. Utfordringer vi står ovenfor er: Optimal påføringsteknikk for større beleggstykkelser slik at jevn isolasjon oppnås rundt og langs røret Utvikling av nye polymerer til dette formålet. Feltskjøt problematikk
14 Beskyttelse av stålkonstruksjoner Malingssystemer. Hovedutfordringen er: Krav til påføringstemperatur. Temperaturer under 0 o C er lite dokumentert som påføringstemperatur. Slitasjeegenskaper under nedising? De malingssystemer vi benytter antas tilfredsstillende gitt korrekt påføringsteknikk.
15 Alternative konstruksjonsmaterialer. Glassfiberarmerte plaster. Fordeler Lettere å transportere enn stålkonstruksjoner Temperatur uavhengig Korrosjonsmotstandig Relativt korte leveringstider Enkelt å spesialsy Ulemper Sammenføyningsegenskaper (Liming og skruforbindelser) Meget begrenset formbarhet Brennbart
16 Pakninger/tetninger Stort temperaturintervall gir utfordringer. (Fra +40 o C til -60 o C) Ingen kjente pakninger er kvalifisert for disse temperaturintervallene. => Krever ny utvikling og kvalifisering
17 Konklusjoner, stål De viste eksempler viser et reelt avvik mellom kodekrav og vanlig rørproduksjon i dag. Tilsvarende bilde gjelder også for konstruksjonstål. Løsninger? Endrede kodekrav? Lavere utnyttelse Mindre sveisefeil Bruk av mer legerte stål? Økte kostnader Sveisbarhets/produksjons begrensninger?
18 Konklusjoner Polymere materialer og korrosjon Egnede konstruksjonsstandarder må videreutvikles ut fra leverandør beskrivelser og byggforskrifter. Påføringsteknikker for tykke skumbelegg må etterprøves. Koalesens egenskaper i de polymere materialene må analyseres bedre i denne sammenhengen. Kvalifisering av optimale polymere materialer og løsninger for lavtemperaturformål (Lamineringsprinsipper?) Effekt av Cp under is Korrosjonsovervåkning (ph stabilisering) og lange avstander
19 Utvikling av stål og regelverk. De materialer som benyttes i dag vil ikke tilfredsstille krav i eksisterende regelverk ved f.eks -60 o C Utvikling av lavtemperatur konstruksjonstål er nødvendig. Samarbeide med stålindustrien på verdensbasis er initiert Utvikling og utprøving av tilsettsmaterialer for sveising Samarbeide med leverandører av tilsettsmaterialer pågår Optimalisering av materialtyper målt mot utnyttelse og egenskaper vil være en viktig aktivitet. Revidering av koder/regelverk er sannsynligvis påkrevd. Ref LAST krav i ISO 19902, hvor prøvetemperaturen for stål med krav til seighet settes til T D -30 o C, dvs ned mot -90 o C for de arktiske områdene.
20 Utvikling polymere materialer og korrosjon Er teknologi for fjernkontroll av olje og gass produksjon tilgjengelig? Måleteknisk Korrosjonskontroll (ph stabilisering og krav til analysenøyaktighet) CP under is må kvalifiseres, etterprøves Polymere materialer for termisk isolering må videreutvikles Nye materialtyper må vurderes. Sammenføyningsteknikker for bla feltskjøter må utvikles. (lim/sveisefuger) Standarder for bruk av polymere materialer må videreutvikles.
Verdi for industrien ved involvering av FOU miljøene. En viktig oppgave er relevant utdanning av nye ingeniører. Etablerer og vedlikeholder et kompetansemiljø som brukes aktivt ifbm de utfordringer vi står ovenfor i en dynamisk hverdag. Bidrar aktivt til utvikling av optimale og kostnadseffektive løsninger. Viktig for vedlikehold av Norsk olje og gassindustris konkurransekraft i et internasjonalt marked. 21
22 Genereres det nye ideer i FOU miljøene? Dette er mer et samspill mellom FOU miljøer og industrien Utfordringene er som regel først synlig for operatørene? Gjennom samarbeid rundt problemløsninger oppstår nye ideer til løsninger i alle miljøer som er involverte.