Thermoplastische composietbuis in opkomst in de diepzee

Bezoek de nieuwspagina's van de websites Airborne Oil &Gas (AOG, IJmuiden, Nederland) en Magma Global Ltd. (Portsmouth, VK) en u krijgt de indruk dat 2018 een keerpunt was voor deze twee toonaangevende fabrikanten van thermoplast composietbuis (TCP) voor diepzeetoepassingen. Maar wees niet verbaasd als 2019 nieuws over deze snelgroeiende markt voor composieten dat van het voorgaande jaar overschaduwt.

Enkele opmerkelijke prestaties van 2018 voor AOG:In juni startte het bedrijf een kwalificatieprogramma voor stijgbuizen van koolstofvezel/polyvinylideendifluoride (PVDF) (buizen die onderzeese productiesystemen en oppervlakteproductievaartuigen met elkaar verbinden) voor een grote operator in Zuid-Amerika. AOG werkte aan dit project samen met Subsea 7 (Luxemburg), een grote offshore installatie-aannemer. In augustus, na een uitgebreid vijfjarig kwalificatieprogramma, gevolgd door 's werelds eerste proefinstallatie op koolwaterstof (volledige boorput) service van een glasvezel/high-density polyethyleen (HDPE) stroomleiding (pijp die de bronkop verbindt met verdere verwerkingsapparatuur ), erkende Petronas (Kuala Lumpur, Maleisië) dat AOG's TCP-stroomlijn technologiegereedheidsniveau 6 (bèta-prototypeverificatie) had bereikt. "En we verwachten in 2019 TRL 7 [pilotsysteemdemonstratie] te bereiken", meldt Martin Van Onna, AOG CCO. Naast deze succesvolle kwalificaties en pilotprogramma's meldt AOG een groeiend commercieel trackrecord, vooral met zijn glasvezel/HDPE TCP.

Wat Magma betreft, was 2018 even veelbewogen. In maart heeft Tullow Ghana een contract gegund aan Magma voor een 2,5 kilometer lange stroomlijn voor de ontwikkeling van offshore-velden in Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN). In mei voltooide Magma, in samenwerking met Ocyan (Rio de Janeiro, Brazilië), een offshore-servicebedrijf, validatie door een derde partij van een Composite Multi-Bore Hybrid Riser (CMHR)-ontwerp dat gebruik maakt van Magma's koolstofvezel/polyetheretherketon (PEEK) m -pijp. Magma en Ocyan bieden de CMHR een bod op diepwaterontwikkelingen in Brazilië. Magma kondigde in augustus aan dat een gezamenlijk initiatief met Equinor (Stavanger, Noorwegen) £ 10,5 miljoen aan financiering had binnengehaald van Innovate UK, een financieringsbron van de overheid, om een ​​volledig Magma-oplossing voor jumpers (buizen die stroomleidingen en/of onderzeese faciliteiten met elkaar verbinden) te kwalificeren. ). Ten slotte heeft het Energy Institute (Londen, VK) in november zijn 2018 Award for Innovation aan Magma toegekend voor zijn m-pijp, daarbij verwijzend naar het vermogen van de pijp om de uitdagingen van de olie- en gasproductie in diepwaterreserves op te lossen, evenals het vermogen om worden hergebruikt.

In 2019 hebben AOG en Magma grote plannen voor een grotere productiecapaciteit, aangezien ze de bloeiende composietenmarkt bedienen. “Vooral in de tweede helft van vorig jaar”, bevestigt Van Onna, “groeit de vraag zo snel dat we echt heel, heel snel moeten groeien.”

TCP-bezwaar

Deze snelle groei wordt onderstreept door de relatief korte geschiedenis van het gebruik van TCP in diepzee-olie- en gastoepassingen. Merk op dat TCP verschilt van versterkte thermoplastische buis - RTP - die al sinds de jaren negentig bestaat. RTP bestaat uit een thermoplastische voering omwikkeld met ongebonden aramide- of glasvezelcomposieten, daarna gecoat met thermoplast. Het wordt gebruikt in toepassingen met lagere druk en minder veeleisende temperatuur in vergelijking met het volledig gebonden TCP. Hoewel TCP uit een vergelijkbare set materialen bestaat, is het om twee redenen geschikt voor hogere drukken en een groter temperatuurbereik. Ten eerste gebruiken sommige TCP beter presterende thermoplastische harsen, zoals PEEK, en/of versterkingen met een hogere sterkte zoals koolstofvezel. Ten tweede zijn TCP-lagen gebonden aan elkaar via een smeltsmeltproces, dat betere prestatie-eigenschappen oplevert dan RTP gemaakt van dezelfde materialen.

Slechts 11 jaar geleden, vertelt Van Onna, nee TCP was ingezet in diepzeetoepassingen. In 2009 ontwikkelde en implementeerde AOG de eerste offshore TCP-downline (gebruikt om vloeistoffen naar de zeebodem te pompen voor injectie in onderzeese pijpleidingen of onderzeese putkoppen). Het bedrijf bouwde in 2012 een volledige TCP-productielocatie. Tegen 2018 had AOG de productiecapaciteit verhoogd met drie productielijnen en productiecapaciteit met glasvezel/HDPE voor toepassingen tot 65˚C/150˚F en 5 ksi; koolstofvezel/polyamide 12 voor toepassingen tot 80˚C/180˚F en 10 ksi; en koolstofvezel/PVDF voor toepassingen tot 121˚C/250˚F en 15 ksi.

In de tussentijd werd Magma in 2009 opgericht en begon het in 2012 met de ingebruikname van zijn m-pipe, en opende zijn productielocatie in Portsmouth, VK in 2016. Tijdens de viering van het vijfjarig jubileum van het bedrijf merkte CEO Martin Jones op:“De luchtvaartindustrie is een goed precedent waar het gebruik van koolstofvezel nu standaard is. Het gebeurt nu ook in olie en gas. We zijn momenteel in gesprek met alle grote operators.”

De toenemende acceptatie van TCP komt voort uit de talrijke kostenbesparende voordelen ten opzichte van conventionele buizen. Ondanks hogere materiaalkosten genereert AOG's best presterende koolstofvezel/PVDF in een stroomlijntoepassing een gerapporteerde besparing van 30 procent op de installatiekosten in vergelijking met metalen stroomlijnen. Evenzo schatte een Calash (Londen, V.K.) commerciële beoordeling van m-pijp versus staal in een enkellijnige offset-stijgbuis (SLOR)-toepassing een kostenbesparing na installatie van 11 procent. Deze besparingen zijn het gevolg van verschillende TCP-eigenschappen die het transport, de voorbereiding (bijvoorbeeld het afsluiten van leidingen met eindfittingen) en de installatie aanzienlijk goedkoper maken dan het uitvoeren van deze taken met leidingen die van andere materialen zijn gemaakt.

Zoals vaak het geval is met composieten, is de eerste dergelijke eigenschap licht van gewicht - TCP weegt slechts een tiende van het gewicht van stalen buizen - maar de combinatie van lichtgewicht en flexibiliteit van de buis zorgt voor een cruciaal voordeel:de buis kan worden gespoeld op relatief kleine vaten en onderzeese pallets. Hierdoor kunnen kleinere schepen lange overspanningen van TCP transporteren en installeren - een logistieke en economische zegen op meer afgelegen offshore-locaties (bijvoorbeeld voor de West-Afrikaanse kust), waar de inzet van conventionele heavy-lift schepen een kostbare aangelegenheid is. Een ander kostenbesparend voordeel dat wordt gecreëerd door de smeltsmeltcapaciteit van TCP is dat de buis kan worden afgesloten en dat de eindfittingen ter plaatse kunnen worden geïnstalleerd.

TCP biedt een combinatie van hoge sterkte, flexibiliteit en gemakkelijke afsluiting, waardoor het de beste eigenschappen heeft van conventionele metalen buizen (sterk maar stijf) en flexibele buizen gemaakt van niet-gebonden lagen spiraalvormig aangebrachte metaaldraden en geëxtrudeerde thermoplasten (flexibel maar zwaar en zeer duur om ter plaatse te beëindigen). TCP is volledig in staat om efficiënt om te gaan met de veeleisende drukken en temperaturen van onderzeese toepassingen - zowel van externe omstandigheden als van de interne omstandigheden die worden gecreëerd door de vloeistoffen die er doorheen gaan. De thermoplastische voering van TCP biedt ook hoge stroomsnelheden vanwege de lage wrijvingscoëfficiënt. Ten slotte maken twee andere belangrijke TCP-eigenschappen - corrosie en weerstand tegen vermoeiing - TCP's zeer duurzaam, zelfs nu energiebedrijven vaker zure (dat wil zeggen zure) ruwe olie verpompen die dieper onder de grond wordt gevonden.

Versnelde pijpproductie

AOG bereidt zich voor om aan de toenemende vraag te voldoen en is een jaar bezig met een driejarig programma dat is ontworpen om de productiecapaciteit van het bedrijf met een factor vijf te vergroten. "We voeren meer dan 10 individuele maatregelen uit die allemaal leiden tot een verhoogde productiecapaciteit", zegt Van Onna.

TCP wordt bij AOG in drie doorlopende stappen geproduceerd. Eerst wordt een thermoplastische voering geëxtrudeerd. Vervolgens windt automatisch tape leggen (ATL) met in-situ consolidatie ergens tussen enkele en 100 lagen van de vezelversterkte thermoplastische tape, waarbij elke laag op voorgaande lagen smelt. Ten slotte wordt de pijp door een coating-extrusiematrijs geleid. Dit is geen reguliere co-extrusie, legt Van Onna uit. “We smelten de buitenste composietlaag en persen de coating op het laminaat. Het resultaat is een buis met een hoge afschuifsterkte tussen de coating en het laminaat, waardoor onze klanten onze TCP overal kunnen afsluiten, terwijl een zeer sterke, duurzame en beschermende coating behouden blijft.”

AOG voegt wikkelstations toe, een voor de hand liggende manier om de capaciteit te vergroten, maar het verhoogt ook de extrusie- en wikkelsnelheden. Het bedrijf heeft een eigen automatisch inspectiesysteem in de productielijn geïntegreerd, dat zorgt voor consistente kenmerken en eigenschappen, zelfs als de productiesnelheid wordt verhoogd.

Het productieproces van Magma vertoont gelijkenis met dat van AOG. Magma m-pipe bestaat uit ongeveer 25 procent koolstofvezel, 25 procent S2 glasvezel en 50 procent PEEK. Magma verwijst naar zijn productieproces als een "volledig geautomatiseerd robot 3D-laserprintproces". Het bestaat uit extrusie van een gladde binnenpijpprecursor gemaakt van PEEK waarop een ATL-proces een laser gebruikt om afwisselende lagen glasvezel/PEEK- en koolstofvezel/PEEK-tapes te versmelten. Magma koos voor PEEK, dat het bedrijf overneemt van Victrex (Lancashire, V.K.), vanwege zijn zeer hoge vermoeiingscapaciteit. Toray Industries (Tokyo, Japan) levert de versterkingen die worden gebruikt in m-pipe. Magma houdt niet alleen de productie-eisen bij met zijn interne productielijn in Portsmouth, V.K., maar ook met mobiele in-country productiemodules (ICMM), waarvan de eerste ook in Portsmouth actief is. Magma verwacht meer ICMM's in te zetten, aangezien het bedrijf de voorkeur geeft aan lokale productie, zowel logistiek als financieel, vooral voor riser-toepassingen.

Commercieel succes binnenkort

Belangrijk is dat de ontwikkeling van TCP gepaard ging met de creatie van een formele standaard voor het ontwerp en de kwalificatie van TCP in onderzeese toepassingen. De weg naar deze standaard was moeizaam, zegt Van Onna, maar het resultaat is een document en richtlijn die energieprofessionals veel vertrouwen geeft in de langetermijnprestaties van het product, evenals in de verwachte gebruikskosten. Men kan zich voorstellen dat een dergelijk vertrouwen van cruciaal belang is in een sterk gereguleerde en nauwlettende industrie zoals offshore olie- en gasproductie, waar het falen van pijpleidingen gewoon onaanvaardbaar is. De norm, legt Van Onna uit, omvat zowel de kwalificatie van de grondstoffen als de ontwerpmethode en natuurlijk de productietechnologie. AOG heeft kunnen aantonen dat zijn TCP-basismaterialen en productiekwaliteit gelijk zijn aan die van de benchmark, autoclaaf-uitgeharde composietstructuren zoals die worden gebruikt in de ruimtevaart.

AOG's benadering van kwalificatie, vervolgt Van Onna, was om "een afzonderlijke kwalificatie uit te voeren voor al onze basismaterialen. Vervolgens ontwerpen en vervaardigen we buizen van elke maat met behulp van die gekwalificeerde materialen.” Door kwalificatie te behalen en door TRL-niveaus te klimmen, is TCP nu klaar voor een massale hoeveelheid producten vanaf 2019, meent Van Onna.