Thermoplastische composietpijp ingesteld om diepzeewerkingen te revolutioneren

Bezoek de nieuwssecties van de Airborne Oil & Gas (AOG, IJmuiden, Nederland) en Magma Global Ltd. (Portsmouth, VK) websites en je krijgt de indruk dat 2018 een doorslaggevend jaar was voor deze twee toonaangevende fabrikanten van thermoplastische composietpijp (TCP) voor diepzeetoepassingen. Maar wees niet verrast als 2019 nieuws over deze opkomende markt voor composieten die van het voorgaande jaar overstijgt.

Enkele opvallende prestaties van 2018 voor AOG: In juni startte het bedrijf een kwalificatiesprogramma voor koolstofvezel/polyvinylidene difluoride (PVDF) risers (pijpen die subsea productiesystemen en oppervlakte productieschepen verbinden) voor een grote operator in Zuid-Amerika. AOG werkte in samenwerking met Subsea 7 (Luxemburg), een grote offshore installatie-aannemer, aan dit project. In augustus, na een uitgebreid vijfjarig kwalificatiesprogramma gevolgd door de werelds eerste pilotinstallatie op koolwaterstof (volledige put) dienst van een glasvezel/hoge-dichtheid polyethyleen (HDPE) flowline (pijp die de putkop verbindt met verdere verwerkingsapparatuur), erkende Petronas (Kuala Lumpur, Maleisië) AOG's TCP flowline als technologie-gereedheidsniveau 6 (beta-prototype verificatie) bereikt te hebben. "En we verwachten TRL 7 [pilot systeem demonstratie] in 2019 te bereiken", rapporteert Martin Van Onna, AOG CCO. Naast deze succesvolle kwalificaties en pilotprogramma's, rapporteert AOG een groeiende commerciële track record, met name met zijn glasvezel/HDPE TCP.

Wat Magma betreft, was 2018 evenementrijk. In maart toewijdde Tullow Ghana een contract aan Magma voor een 2,5-kilometer flowline voor de ontwikkeling van Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN) offshore velden. In mei, werkend met Ocyan (Rio de Janeiro, Brazilië), een offshore dienstverlener, voltooide Magma en ontving derde-partij validatie van een Composite Multi-Bore Hybrid Riser (CMHR) ontwerp dat Magma's koolstofvezel/polyetheretherketone (PEEK) m-pijp gebruikt. Magma en Ocyan bieden de CMHR aan voor diepwaterontwikkelingen in Brazilië. Magma kondigde in augustus aan dat een gezamenlijke initiatief met Equinor (Stavanger, Noorwegen) £10,5 miljoen aan financiering had beveiligd van Innovate UK, een overheidsfinancieringsbron, om een volledig Magma-oplossing voor jumpers (pijpen die flowlines en/of subsea faciliteiten verbinden) te kwalificeren. Ten slotte, in november, kennde het Energy Institute (Londen, VK) zijn 2018 Innovatieprijs toe aan Magma voor zijn m-pijp, met name de capaciteit van de pijp om de uitdagingen van olie- en gasproductie in diepwaterreserves op te lossen, alsook de mogelijkheid om hergebruikt te worden.

In 2019 hebben AOG en Magma grote plannen voor verhoogde productiecapaciteit naarmate 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-aantrekkingskracht

Ondersteunend deze snelle groei is de relatief korte geschiedenis van TCP-implementatie in diepzee olie- en gastoepassingen. Let op dat TCP verschilt van versterkte thermoplastische pijp - RTP - die sinds de jaren 90 bestaat. RTP bestaat uit een thermoplastische liner overwrapped met ongebonden aramide of glasvezelcomposieten, dan gecoat met thermoplastiek. Het wordt gebruikt in lagere druk en minder veeleisende temperatuursomstandigheden vergeleken met de volledig gebonden TCP. Hoewel TCP uit een vergelijkbare set materialen bestaat, is het geschikt voor hogere drukken en een groter temperatuurbereik om twee redenen. Ten eerste, sommige TCP gebruiken hoger presterende thermoplastische harsen, zoals PEEK, en/of hogere sterkte versterking zoals koolstofvezel. Ten tweede, TCP-lagen zijn gebonden aan elkaar door een smelt-fusie productieproces, wat hogere prestatie-eigenschappen oplevert dan RTP gemaakt van dezelfde materialen.

Pas 11 jaar herinneren, herinner Van Onna zich, was geen TCP geïmplementeerd in diepzeetoepassingen. Toen in 2009, ontwikkelde en implementeerde AOG de eerste offshore TCP downline (gebruikt om vloeistoffen naar de zeebodem te pompen voor injectie in subsea-pijplijnen of subsea-putkoppen). Het bedrijf bouwde een volle-schaal TCP-productielocatie in 2012. In 2018 had AOG de productiecapaciteit verhoogd om drie productielijnen te omvatten alsook productiemogelijkheden die glasvezel/HDPE voor toepassingen tot 65˚C/150˚F en 5 ksi omvatten; 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.

Ondertussen werd Magma opgericht in 2009 en begon in 2012 met het implementeren van zijn m-pijp, met de opening van zijn productielocatie in Portsmouth, VK in 2016. Op het vijfjarig jubileum van het bedrijf, commentariëerde CEO Martin Jones, "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 betrokken bij alle grote operators."

De groeiende adoptie van TCP stamt uit de talloze kostenbesparende voordelen ten opzichte van conventionele pijpen. Bijvoorbeeld, ondanks hogere materiaalkosten, genereert AOG's hoogste prestaties koolstofvezel/PVDF in een flowline-toepassing een gerapporteerde 30 procent besparing op as-geïnstalleerde kosten vergeleken met metaal flowlines. Een Calash (Londen, VK) commerciële review van m-pijp versus staal in een single-line offset riser (SLOR) toepassing schatte een as-geïnstalleerde kostenbesparing van 11 procent. Deze besparingen resulteren uit diverse TCP-eigenschappen die transport, voorbereiding (bijv. pijpen beëindigen met eindkoppelingen), en installatie aanzienlijk goedkoper maken dan deze taken met pijpen van andere materialen uit te voeren.

Zoals vaak het geval is met composieten, is de eerste dergelijke eigenschap licht gewicht - TCP weegt zo min als een tiende van het gewicht van staal pijp - maar de combinatie van licht gewicht en flexibiliteit van de pijp creëert een cruciale voordeel: de pijp kan opgespoeld worden op relatief kleine trommels en subsea-palletten. Hierdoor kunnen kleinere schepen lange afstanden TCP transporteren en installeren - een logistiek en economisch voordeel in meer afgelegen offshore-locaties (bijv. voor de West-Afrikaanse kust), waar implementatie van conventionele zware-hijschappen een kostbare voorstelling is. Een ander kostenbesparend voordeel gecreëerd door de smelt-fusie capaciteit van TCP is dat de pijp on-site beëindigd kan worden en eindkoppelingen geïnstalleerd.

TCP biedt een combinatie van hoge sterkte, flexibiliteit en gemakkelijke beëindiging, wat het de beste kwaliteiten geeft van conventionele metalen pijp (sterk maar rigide) en flexibele pijp gemaakt van ongebonden lagen van helicaal toegepaste metalen draden en geëxtrudeerde thermoplastieken (flexibel maar zwaar, en zeer kostbaar om on-site te beëindigen). TCP is volledig in staat om de eisende drukken en temperaturen van subsea-toepassingen efficiënt te hanteren - zowel van externe omstandigheden als van de interne omstandigheden gecreëerd door de vloeistoffen die erdoor stromen. TCP's thermoplastische liner biedt ook hoge doorstroomsnelheden door de lage wrijvingscoëfficiënt. Ten slotte maken twee andere cruciale TCP-eigenschappen - corrosie- en vermoeidingsbestendigheid - TCP's uiterst duurzaam, zelfs als energiemaatschappijen vaker zure (dat is, zuur) ruwe olie pompen die dieper ondergronds gevonden wordt.

Versnelling van pijpproductie

Voorbereidend op versnellende vraag, is AOG een jaar in een driejaarprogramma ontworpen om de productiecapaciteit van het bedrijf met een factor vijf te verhogen. "We implementeren meer dan 10 individuele maatregelen die allemaal leiden tot verhoogde productiecapaciteit", zegt Van Onna.

TCP wordt bij AOG in drie continue stappen geproduceerd. Eerst wordt een thermoplastische liner geëxtrudeerd. Vervolgens windt automatische bandlegging (ATL) met in-situ consolidatie overal van een paar tot 100 lagen van de vezelversterkte thermoplastische band, met elke laag gesmolten op de voorgaande lagen. Ten slotte wordt de pijp door een coating-extrusie-die gelopen. Dit is geen gewone co-extrusie, legt Van Onna uit. "We smelten de buitenste composietlaag en druk-vormen de coating op het laminaat. Het resultaat is een pijp met hoge afschuifsterkte tussen de coating en laminaat, wat onze klanten in staat stelt onze TCP overal te beëindigen, terwijl een hoge sterkte, duurzame en beschermende coating behouden blijft."

AOG voegt winderstations toe, een duidelijke manier om capaciteit te verhogen, maar het verhoogt ook extrusie- en windsnelheden. Het bedrijf heeft een eigen automatisch inspectiesysteem geïntegreerd op de productielijn, wat consistente kenmerken en eigenschappen garandeert zelfs als de productiesnelheid toeneemt.

Magma's productieproces lijkt op dat van AOG. Magma m-pijp bestaat uit ongeveer 25 procent koolstofvezel, 25 procent S2 glasvezel en 50 procent PEEK. Magma noemt zijn productieproces een "volledig geautomatiseerde robotische 3D laser printproces." Het bestaat uit extrusie van een gladde-binnenste pijp-voorganger gemaakt van PEEK waarop een ATL-proces een laser gebruikt om afwisselende lagen van glasvezel/PEEK en koolstofvezel/PEEK banden te smelten. Magma gekozen PEEK, wat het bedrijf verkrijgt van Victrex (Lancashire, VK), vanwege de zeer hoge vermoeidingscapaciteit. Toray Industries (Tokio, Japan) levert de versterkingen gebruikt in m-pijp. Magma houdt productievraag niet alleen bij met zijn interne Portsmouth, VK, productielijn maar met mobiele in-land productiemodules (ICMM), de eerste waarvan ook in Portsmouth werkt. Magma anticipeert meer ICMM's te implementeren, aangezien het bedrijf lokale productie prefereert, zowel logistiek als financieel, met name voor riser-toepassingen.

Commercieel succes binnenkort

Belangrijk is dat de ontwikkeling van TCP vergezeld is gegaan door de creatie van een formele standaard voor ontwerp en kwalificatie van TCP in subsea-toepassingen. De weg naar deze standaard is pijnstakend geweest, zegt Van Onna, maar het resultaat is een document en richtlijn die onder energieprofessionelen een groot vertrouwen in de langetermijnprestaties van het product wekt, alsook de verwachte kosten in gebruik. Zulk vertrouwen kan men zich voorstellen, is cruciaal in een sterk gereguleerde en nauwgezet bewaakte industrie zoals offshore olie- en gasproductie, waar pijpfaling simpelweg onacceptabel is. De standaard, legt Van Onna uit, dekt de kwalificatie van de basismaterialen alsook de ontwerpmethode en, natuurlijk, de productietechnologie. AOG heeft kunnen aantonen dat zijn TCP-basismaterialen en productiekwaliteit gelijk zijn aan die van de benchmark, autoclave-geharde composietstructuren zoals gebruikt in de luchtvaart.

AOG's benadering voor kwalificatie, vervolgt Van Onna, was om "afzonderlijke kwalificatie voor al onze basismaterialen te draaien. Dan ontwerpen en produceren we pijp van elke grootte met die gekwalificeerde materialen." Het behalen van kwalificatie en het klimmen door TRL-niveaus, TCP is nu klaar voor een massa-volume producten vanaf 2019, gelooft Van Onna.