Thermoplastische Verbundrohre auf dem Vormarsch in der Tiefsee

Besuchen Sie die Nachrichtenseiten der Websites von Airborne Oil &Gas (AOG, IJmuiden, Niederlande) und Magma Global Ltd. (Portsmouth, Großbritannien) und Sie werden den Eindruck haben, dass 2018 für diese beiden führenden Hersteller von Thermoplasten ein Wendepunkt war Verbundrohr (TCP) für Tiefseeanwendungen. Aber seien Sie nicht überrascht, wenn die Nachrichten aus dem Jahr 2019 über diesen aufstrebenden Markt für Verbundwerkstoffe die des Vorjahres in den Schatten stellen.

Einige bemerkenswerte Erfolge des Jahres 2018 für AOG:Im Juni startete das Unternehmen ein Qualifizierungsprogramm für Kohlefaser/Polyvinylidendifluorid (PVDF)-Riser (Rohre, die Unterwasser-Produktionssysteme und Übertage-Produktionsschiffe verbinden) für einen großen Betreiber in Südamerika. AOG arbeitete bei diesem Projekt mit Subsea 7 (Luxemburg), einem großen Offshore-Installationsunternehmen, zusammen. Im August, nach einem umfangreichen fünfjährigen Qualifizierungsprogramm, gefolgt von der weltweit ersten Pilotinstallation auf Kohlenwasserstoff (Full Well Bore) Service einer Glasfaser/High-Density Polyethylen (HDPE) Flowline (Rohr, das den Bohrlochkopf mit der Weiterverarbeitungsausrüstung verbindet) ), Petronas (Kuala Lumpur, Malaysia) erkannte die TCP-Flowline von AOG als Technologiereifestufe 6 (Beta-Prototyp-Verifizierung) an. „Und wir erwarten, 2019 TRL 7 [Pilotsystemdemonstration] zu erreichen“, berichtet Martin Van Onna, CCO von AOG. Zusammen mit diesen erfolgreichen Qualifizierungs- und Pilotprogrammen verzeichnet AOG eine wachsende kommerzielle Erfolgsbilanz, insbesondere mit seinem Glasfaser/HDPE-TCP.

Auch für Magma war 2018 ein ebenso ereignisreiches Jahr. Im März hat Tullow Ghana Magma einen Auftrag über eine 2,5 Kilometer lange Flowline für die Entwicklung der Offshore-Felder Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN) erteilt. Im Mai hat Magma in Zusammenarbeit mit Ocyan (Rio de Janeiro, Brasilien), einem Offshore-Dienstleistungsunternehmen, die Validierung eines Composite Multi-Bore Hybrid Riser (CMHR)-Designs, das Karbonfaser/Polyetheretherketon (PEEK) von Magma verwendet, abgeschlossen und von Dritten validiert -Rohr. Magma und Ocyan bieten beim CMHR ein Angebot für Tiefseeentwicklungen in Brasilien an. Magma gab im August bekannt, dass eine gemeinsame Initiative mit Equinor (Stavanger, Norwegen) 10,5 Mio ). Im November schließlich verlieh das Energy Institute (London, UK) Magma seinen 2018 Award for Innovation für seine m-pipe und verwies auf die Fähigkeit des Rohres, die Herausforderungen der Öl- und Gasförderung in Tiefseevorkommen zu lösen, sowie seine Fähigkeit, wiederverwendet werden.

Im Jahr 2019 haben AOG und Magma große Pläne für eine Erhöhung der Produktionskapazität, da sie den aufstrebenden Markt für Verbundwerkstoffe bedienen. „Gerade in der zweiten Hälfte des letzten Jahres“, bestätigt Van Onna, „wächst die Nachfrage so schnell, dass wir wirklich sehr, sehr schnell wachsen müssen.“

TCP-Einspruch

Dieses schnelle Wachstum unterstreicht die relativ kurze Geschichte des TCP-Einsatzes in Tiefsee-Öl- und Gasanwendungen. Beachten Sie, dass TCP sich von verstärktem thermoplastischem Rohr – RTP – unterscheidet, das es seit den 1990er Jahren gibt. RTP besteht aus einem thermoplastischen Liner, der mit ungebundenem . umwickelt ist Aramid- oder Glasfaserverbundwerkstoffe, anschließend thermoplastisch beschichtet. Es wird in Anwendungen mit niedrigerem Druck und weniger anspruchsvollen Temperaturanwendungen im Vergleich zum vollständig gebundenen TCP verwendet. Obwohl TCP aus ähnlichen Materialien besteht, ist es aus zwei Gründen für höhere Drücke und einen größeren Temperaturbereich geeignet. Erstens verwenden einige TCP thermoplastische Harze mit höherer Leistung wie PEEK und/oder Verstärkungen mit höherer Festigkeit wie Kohlefasern. Zweitens sind TCP-Schichten gebunden miteinander durch einen Schmelzsicherungs-Herstellungsprozess, der bessere Leistungseigenschaften als RTP aus den gleichen Materialien liefert.

Vor nur 11 Jahren erzählt Van Onna, nein TCP wurde in Tiefseeanwendungen eingesetzt. Im Jahr 2009 entwickelte und implementierte AOG dann die erste Offshore-TCP-Downline (die zum Pumpen von Flüssigkeiten auf den Meeresboden zur Injektion in Unterwasser-Pipelines oder Unterwasser-Bohrlöcher verwendet wird). Das Unternehmen baute 2012 eine vollständige TCP-Produktionsstätte. Bis 2018 hatte AOG die Produktionskapazität auf drei Produktionslinien sowie Fertigungskapazitäten mit Glasfaser/HDPE für Anwendungen bis 65 °C/150 °F und 5 °C erhöht ksi; Kohlefaser/Polyamid 12 für Anwendungen bis 80˚C/180˚F und 10 ksi; und Kohlefaser/PVDF für Anwendungen bis 121˚C/250˚F und 15 ksi.

In der Zwischenzeit wurde Magma 2009 gegründet und begann 2012 mit dem Einsatz seiner m-pipe und eröffnete 2016 seinen Produktionsstandort in Portsmouth, Großbritannien. Bei der Feier zum fünfjährigen Firmenjubiläum sagte CEO Martin Jones:„Die Luftfahrtindustrie ist ein guter Präzedenzfall, wo die Verwendung von Kohlefaser heute Standard ist. Es passiert jetzt auch bei Öl und Gas. Wir arbeiten derzeit mit allen großen Betreibern zusammen.“

Die zunehmende Verbreitung von TCP beruht auf seinen zahlreichen Kosteneinsparungsvorteilen gegenüber herkömmlichen Rohren. Trotz höherer Materialkosten generiert AOGs leistungsstärkste Kohlefaser/PVDF in einer Flowline-Anwendung beispielsweise 30 Prozent Einsparungen bei den Installationskosten im Vergleich zu Metall-Flowlines. In ähnlicher Weise schätzte eine kommerzielle Überprüfung von M-Rohr im Vergleich zu Stahl in einer Einstrang-Offset-Riser-Anwendung (SLOR) von Calash (London, Großbritannien) eine Kosteneinsparung von 11 Prozent bei der Installation. Diese Einsparungen resultieren aus mehreren TCP-Eigenschaften, die den Transport, die Vorbereitung (z. B. das Abschließen von Rohren mit Endfittings) und die Installation erheblich kostengünstiger machen als die Durchführung dieser Aufgaben mit Rohren aus anderen Materialien.

Wie so oft bei Verbundwerkstoffen ist die erste Eigenschaft das geringe Gewicht – TCP wiegt nur ein Zehntel des Gewichts von Stahlrohren – aber die Kombination aus geringem Gewicht und Flexibilität des Rohres bietet einen entscheidenden Vorteil:Das Rohr kann auf relativ kleine Trommeln und Unterwasserpaletten gespult werden. Aus diesem Grund können kleinere Schiffe lange TCP-Spannweiten transportieren und installieren – ein logistischer und wirtschaftlicher Segen an entlegeneren Offshore-Standorten (zum Beispiel vor der westafrikanischen Küste), wo der Einsatz konventioneller Schwergutschiffe ein kostspieliges Unterfangen ist. Ein weiterer kostensparender Vorteil, der durch die Schmelzschmelzfähigkeit von TCP entsteht, besteht darin, dass das Rohr abgeschlossen und Endfittings vor Ort installiert werden können.

TCP bietet eine Kombination aus hoher Festigkeit, Flexibilität und einfacher Konfektionierung, wodurch es die besten Eigenschaften von herkömmlichen Metallrohren (stark, aber steif) und flexiblen Rohren aus unverbundenen Schichten spiralförmig aufgebrachter Metalldrähte und extrudierten Thermoplasten (flexibel, aber schwer und sehr kostspielige Kündigung vor Ort). TCP ist in der Lage, die anspruchsvollen Drücke und Temperaturen von Unterwasseranwendungen effizient zu bewältigen – sowohl aufgrund der äußeren Bedingungen als auch aufgrund der inneren Bedingungen, die durch die durch sie hindurchfließenden Flüssigkeiten erzeugt werden. Der thermoplastische Liner von TCP bietet aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten auch hohe Durchflussraten. Schließlich machen zwei weitere wichtige TCP-Eigenschaften – Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit – TCPs sehr langlebig, auch wenn Energieunternehmen häufiger saures (d. h. saures) Rohöl pumpen, das tiefer unter der Erde gefunden wird.

Beschleunigung der Rohrproduktion

Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, läuft bei AOG ein dreijähriges Programm, das darauf abzielt, die Produktionskapazität des Unternehmens um das Fünffache zu erhöhen. „Wir setzen mehr als 10 Einzelmaßnahmen um, die alle zu einer erhöhten Produktionskapazität führen“, sagt Van Onna.

TCP wird bei AOG in drei kontinuierlichen Schritten hergestellt. Zuerst wird ein thermoplastischer Liner extrudiert. Als nächstes werden beim automatischen Tapelegen (ATL) mit in-situ-Konsolidierung einige bis 100 Schichten des faserverstärkten thermoplastischen Tapes gewickelt, wobei jede Schicht mit den vorhergehenden Schichten schmelzverschmolzen wird. Zuletzt wird das Rohr durch eine Beschichtungs-Extrusionsdüse geführt. Dies ist keine normale Coextrusion, erklärt Van Onna. „Wir schmelzen die äußere Verbundschicht und pressen die Beschichtung auf das Laminat. Das Ergebnis ist ein Rohr mit hoher Scherfestigkeit zwischen Beschichtung und Laminat, das es unseren Kunden ermöglicht, unser TCP überall zu terminieren und gleichzeitig eine hochfeste, haltbare und schützende Beschichtung beizubehalten.“

AOG fügt Wickelstationen hinzu, eine offensichtliche Möglichkeit, die Kapazität zu erhöhen, aber es erhöht auch die Extrusions- und Wickelgeschwindigkeiten. Das Unternehmen hat ein proprietäres automatisches Inspektionssystem in die Produktionslinie integriert, das auch bei steigender Produktionsgeschwindigkeit gleichbleibende Eigenschaften und Eigenschaften gewährleistet.

Der Produktionsprozess von Magma ähnelt dem von AOG. Magma m-pipe besteht zu etwa 25 Prozent aus Kohlefaser, 25 Prozent S2-Glasfaser und 50 Prozent PEEK. Magma bezeichnet seinen Herstellungsprozess als „vollautomatischer Roboter-3D-Laserdruckprozess“. Es besteht aus der Extrusion eines glattläufigen Innenrohr-Precursors aus PEEK, auf das im ATL-Verfahren mit einem Laser abwechselnd Schichten aus Glasfaser/PEEK- und Kohlefaser/PEEK-Bändern aufgeschmolzen werden. Magma hat sich aufgrund seiner sehr hohen Ermüdungskapazität für PEEK entschieden, das das Unternehmen von Victrex (Lancashire, Großbritannien) erwirbt. Toray Industries (Tokio, Japan) liefert die in m-pipe verwendeten Verstärkungen. Magma hält nicht nur mit seiner internen Produktionslinie in Portsmouth, Großbritannien, mit den Produktionsanforderungen Schritt, sondern auch mit mobilen In-Country-Fertigungsmodulen (ICMM), von denen das erste auch in Portsmouth in Betrieb ist. Magma geht davon aus, mehr ICMMs einzusetzen, da das Unternehmen die lokale Produktion sowohl logistisch als auch finanziell bevorzugt, insbesondere bei Steigleitungen.

Gemeinsamer kommerzieller Erfolg

Wichtig ist, dass die Entwicklung von TCP von der Schaffung eines formalen Standards für das Design und die Qualifizierung von TCP in Unterwasseranwendungen begleitet wurde. Der Weg zu diesem Standard war mühsam, sagt Van Onna, aber das Ergebnis ist ein Dokument und eine Richtlinie, die bei Energiefachleuten großes Vertrauen in die langfristige Leistung des Produkts sowie die erwarteten Nutzungskosten wecken. Man kann sich vorstellen, dass ein solches Vertrauen in einer stark regulierten und streng überwachten Branche wie der Offshore-Öl- und Gasförderung, in der ein Versagen von Rohren einfach inakzeptabel ist, von entscheidender Bedeutung ist. Der Standard, erklärt Van Onna, umfasst die Qualifizierung der Basismaterialien ebenso wie die Konstruktionsmethode und natürlich die Produktionstechnologie. AOG konnte zeigen, dass seine TCP-Basismaterialien und seine Produktionsqualität denen der Benchmark, autoklavgehärteter Verbundstrukturen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, ebenbürtig sind.

Der Qualifizierungsansatz von AOG, fährt Van Onna fort, bestand darin, „eine separate Qualifizierung für alle unsere Basismaterialien durchzuführen. Dann entwickeln und fertigen wir Rohre jeder Größe unter Verwendung dieser qualifizierten Materialien.“ Nach dem Erreichen der Qualifikation und dem Erklimmen der TRL-Stufen ist TCP nun bereit für eine Massenproduktion von Produkten ab 2019, glaubt Van Onna.