Thermoplastische Composite-Rohre revolutionieren Tiefsee-Operationen

Besucht man die Nachrichten-Seiten von Airborne Oil & Gas (AOG, IJmuiden, Niederlande) und Magma Global Ltd. (Portsmouth, UK), gewinnt man den Eindruck, dass 2018 ein Wendepunkt für diese beiden führenden Hersteller von thermoplastischen Composite-Rohren (TCP) für Tiefsee-Anwendungen war. Doch 2019 könnte die Nachrichtenlage diesen aufstrebenden Composites-Markt noch übertreffen.

TCP-Vorteile

Einige bemerkenswerte Errungenschaften 2018 für AOG: Im Juni startete das Unternehmen ein Qualifizierungsprogramm für Carbonfaser/Polyvinylidenfluorid (PVDF) Risers (Rohre, die Subsea-Produktionssysteme mit Oberflächenproduktionsschiffen verbinden) für einen großen Betreiber in Südamerika. AOG arbeitete in Zusammenarbeit mit Subsea 7 (Luxemburg), einem großen Offshore-Installationsauftragnehmer, an diesem Projekt. Im August, nach einem umfangreichen fünfjährigen Qualifizierungsprogramm gefolgt von der weltweit ersten Pilotinstallation auf Kohlenwasserstoff-Vollbohrloch-Service einer Glasfaser/High-Density Polyethylen (HDPE) Flowline (Rohr, das den Wellkopf mit weiterer Verarbeitungsausrüstung verbindet), erkannte Petronas (Kuala Lumpur, Malaysia) AOGs TCP-Flowline als Technology Readiness Level 6 (Beta-Prototyp-Verifizierung) an. „Und wir erwarten, 2019 TRL 7 [Pilot-System-Demonstration] zu erreichen“, berichtet Martin Van Onna, AOG CCO. Neben diesen erfolgreichen Qualifizierungen und Pilotprogrammen berichtet AOG von einer wachsenden kommerziellen Erfolgsbilanz, besonders bei seinem Glasfaser/HDPE TCP.

Auch für Magma war 2018 ereignisreich. Im März vergab Tullow Ghana einen Auftrag an Magma für eine 2,5 Kilometer lange Flowline für die Entwicklung der Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN) Offshore-Felder. Im Mai, in Zusammenarbeit mit Ocyan (Rio de Janeiro, Brasilien), einem Offshore-Service-Unternehmen, schloss Magma die Drittpartei-Validierung eines Composite Multi-Bore Hybrid Risers (CMHR) Designs ab, das Magmas Carbonfaser/Polyetheretherketon (PEEK) m-pipe einsetzt. Magma und Ocyan bieten den CMHR für Tiefwasser-Entwicklungen in Brasilien an. Magma verkündete im August, dass eine gemeinsame Initiative mit Equinor (Stavanger, Norwegen) 10,5 Millionen Pfund Finanzierung von Innovate UK, einer staatlichen Finanzierungsquelle, gesichert hat, um eine All-Magma-Lösung für Jumper (Rohre, die Flowlines und/oder Subsea-Anlagen verbinden) zu qualifizieren. Schließlich verlieh das Energy Institute (London, UK) im November seinen 2018 Award for Innovation an Magma für sein m-pipe, unter Berufung auf die Fähigkeit des Rohrs, die Herausforderungen der Öl- und Gasförderung in Tiefwasserreserven zu lösen, sowie seine Wiederverwendbarkeit.

2019 haben AOG und Magma große Pläne für erhöhte Produktionskapazität, während sie den blühenden Composites-Markt bedienen. „Besonders in der zweiten Hälfte des letzten Jahres“, bestätigt Van Onna, „wächst die Nachfrage so schnell, dass wir wirklich sehr, sehr schnell wachsen müssen.“

TCP-Attraktivität

Diesem schnellen Wachstum liegt die relativ kurze Geschichte der TCP-Einsatz in Tiefsee-Öl-und-Gas-Anwendungen zugrunde. Beachten Sie, dass TCP von verstärktem thermoplastischem Rohr (RTP) unterschieden wird, das seit den 1990er Jahren existiert. RTP besteht aus einem thermoplastischen Liner, umwickelt mit unverbundenen Aramid- oder Glasfaser-Composites, dann mit Thermoplast beschichtet. Es wird in niedrigeren Druck- und weniger anspruchsvollen Temperaturanwendungen im Vergleich zum voll verbundenen TCP eingesetzt. Obwohl TCP aus ähnlichen Materialien besteht, ist es für höhere Drücke und einen größeren Temperaturbereich geeignet aus zwei Gründen. Erstens verwendet TCP höher performende thermoplastische Harze wie PEEK und/oder höherfeste Verstärkung wie Carbonfaser. Zweitens sind TCP-Schichten verbunden durch einen Schmelzfusions-Fertigungsprozess, der höhere Performance-Eigenschaften liefert als RTP aus denselben Materialien.

Erst vor 11 Jahren, berichtet Van Onna, war kein TCP in Tiefsee-Anwendungen eingesetzt. Dann entwickelte und deployte AOG 2009 die erste Offshore-TCP-Downline (zum Pumpen von Flüssigkeiten zum Meeresboden zur Injektion in Subsea-Pipelines oder Subsea-Wellheads). Das Unternehmen baute 2012 eine vollskalige TCP-Produktionsstätte. Bis 2018 hatte AOG die Produktionskapazität auf drei Produktionslinien sowie Fertigungsfähigkeiten erhöht, die Glasfaser/HDPE für Anwendungen bis 65 °C/150 °F und 5 ksi; Carbonfaser/Polyamid 12 für Anwendungen bis 80 °C/180 °F und 10 ksi; und Carbonfaser/PVDF für Anwendungen bis 121 °C/250 °F und 15 ksi umfassen.

In der Zwischenzeit wurde Magma 2009 gegründet und begann 2012 mit dem Einsatz seines m-pipes, eröffnete 2016 seinen Produktionsstandort in Portsmouth, UK. Bei der Fünfjahresfeier des Unternehmens kommentierte CEO Martin Jones: „Die Luftfahrtindustrie ist ein guter Präzedenzfall, wo der Einsatz von Carbonfaser jetzt Standard ist. Es passiert jetzt auch in Öl und Gas. Wir sind derzeit mit allen großen Betreibern engagiert.“

Die wachsende Akzeptanz von TCP resultiert aus seinen zahlreichen Kostenvorteilen gegenüber konventionellen Rohren. Trotz höherer Materialkosten generiert AOGs höchstleistungsfähiges Carbonfaser/PVDF in einer Flowline-Anwendung Berichten zufolge 30 Prozent Einsparungen bei den Installationskosten im Vergleich zu Metall-Flowlines. Ähnlich schätzte eine kommerzielle Überprüfung von Calash (London, UK) von m-pipe versus Stahl in einer Single-Line-Offset-Riser (SLOR) Anwendung eine Installationskosteneinsparung von 11 Prozent. Diese Einsparungen resultieren aus mehreren TCP-Eigenschaften, die Transport, Vorbereitung (z. B. Enden von Rohren mit Endarmaturen) und Installation erheblich günstiger machen als bei Rohren aus anderen Materialien.

Wie so oft bei Composites ist die erste solche Eigenschaft geringes Gewicht – TCP wiegt nur ein Zehntel des Gewichts von Stahlrohr – aber die Kombination aus geringem Gewicht und Flexibilität des Rohrs schafft einen kritischen Vorteil: Das Rohr kann auf relativ kleinen Trommeln und Subsea-Paletten aufgespult werden. Dadurch können kleinere Schiffe lange TCP-Strecken transportieren und installieren – ein logistischer und ökonomischer Segen in entlegeneren Offshore-Standorten (z. B. vor der westafrikanischen Küste), wo der Einsatz konventioneller Schwerlastschiffe ein kostspieliges Unterfangen ist. Ein weiterer Kostenvorteil durch die Schmelzfusionskapazität von TCP ist, dass das Rohr vor Ort terminiert und Endarmaturen installiert werden können.

TCP bietet eine Kombination aus hoher Festigkeit, Flexibilität und einfacher Terminierung, was ihm die besten Eigenschaften konventioneller Metallrohre (starr, aber steif) und flexibler Rohre aus unverbundenen Lagen helicalförmig aufgebrachter Metalldrähte und extrudierter Thermoplaste (flexibel, aber schwer und sehr kostspielig in der Vor-Ort-Terminierung) verleiht. TCP ist voll in der Lage, die anspruchsvollen Drücke und Temperaturen von Subsea-Anwendungen effizient zu handhaben – sowohl von externen Bedingungen als auch von internen Bedingungen, die durch die durch sie fließenden Flüssigkeiten erzeugt werden. TCP's thermoplastischer Liner bietet auch hohe Durchflussraten aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten. Schließlich machen zwei weitere Schlüsseleigenschaften von TCP – Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit – TCPs hochgradig langlebig, selbst da Energieunternehmen zunehmend saures (also saures) Rohöl fördern, das tiefer unter der Erde gefunden wird.

Beschleunigung der Rohrproduktion

Zur Vorbereitung auf die beschleunigte Nachfrage befindet sich AOG ein Jahr in ein dreijähriges Programm, das darauf ausgelegt ist, die Produktionskapazität des Unternehmens um den Faktor fünf zu erhöhen. „Wir implementieren mehr als 10 einzelne Maßnahmen, die alle zu erhöhter Produktionskapazität führen“, sagt Van Onna.

TCP wird bei AOG in drei kontinuierlichen Schritten produziert. Zunächst wird ein thermoplastischer Liner extrudiert. Als Nächstes wickelt Automatic Tape Laying (ATL) mit In-situ-Konsolidierung zwischen wenigen und 100 Lagen faserverstärktes Thermoplastband, wobei jede Lage auf die vorangehenden Lagen schmelzgefügt wird. Zuletzt wird das Rohr durch eine Beschichtungsextrusionsdüse geführt. Dies ist keine reguläre Coextrusion, erklärt Van Onna. „Wir schmelzen die äußere Composite-Lage und druckformen die Beschichtung auf das Laminat. Das Ergebnis ist ein Rohr mit hoher Scherfestigkeit zwischen Beschichtung und Laminat, was unseren Kunden ermöglicht, unser TCP überall zu terminieren, während eine hochfeste, langlebige und schützende Beschichtung erhalten bleibt.“

AOG fügt Wickelstationen hinzu, eine offensichtliche Möglichkeit zur Kapazitätserhöhung, erhöht aber auch Extrusions- und Wickelgeschwindigkeiten. Das Unternehmen hat ein proprietäres automatisches Inspektionssystem in die Produktionslinie integriert, das konsistente Eigenschaften und Merkmale auch bei erhöhter Produktionsgeschwindigkeit sicherstellt.

Magmas Produktionsprozess ähnelt AOGs. Magma m-pipe besteht aus etwa 25 Prozent Carbonfaser, 25 Prozent S2-Glasfaser und 50 Prozent PEEK. Magma bezeichnet seinen Fertigungsprozess als „vollautomatisierten robotergestützten 3D-Laser-Druckprozess“. Er besteht aus Extrusion eines glattbohrigen inneren Rohrvorläufers aus PEEK, auf den ein ATL-Prozess einen Laser verwendet, um abwechselnd Lagen aus Glasfaser/PEEK- und Carbonfaser/PEEK-Bändern zu verschmelzen. Magma wählte PEEK, das das Unternehmen von Victrex (Lancashire, UK) bezieht, wegen seiner sehr hohen Ermüdungskapazität. Toray Industries (Tokio, Japan) liefert die Verstärkungen für m-pipe. Magma hält mit Produktionsanforderungen nicht nur mit seiner internen Portsmouth-Produktionslinie Schritt, sondern auch mit mobilen In-Country-Manufacturing-Modulen (ICMM), von denen das erste ebenfalls in Portsmouth operiert. Magma erwartet den Einsatz weiterer ICMMs, da das Unternehmen lokale Produktion sowohl logistisch als auch finanziell bevorzugt, besonders für Riser-Anwendungen.

Kommerzieller Erfolg bald

Wichtig ist, dass die Entwicklung von TCP von der Schaffung eines formalen Standards für Design und Qualifizierung von TCP in Subsea-Anwendungen begleitet wurde. Der Weg zu diesem Standard war mühsam, sagt Van Onna, aber das Ergebnis ist ein Dokument und Leitfaden, der bei Energieprofis großes Vertrauen in die langfristige Performance des Produkts sowie seine erwarteten Kosten im Einsatz schafft. Solches Vertrauen ist, wie man sich vorstellen kann, in einer stark regulierten und genau beobachteten Branche wie der Offshore-Öl-und-Gas-Produktion kritisch, wo Rohrversagen schlicht inakzeptabel ist. Der Standard, so Van Onna, deckt die Qualifizierung der Basismaterialien sowie die Designmethode und natürlich die Produktionstechnologie ab. AOG konnte demonstrieren, dass seine TCP-Basismaterialien und Produktionsqualität denen des Benchmarks, autoklav-gehärteter Composite-Strukturen wie in der Luftfahrt, entsprechen.

AOGs Qualifizierungsansatz, so Van Onna weiter, war, „separate Qualifizierung für all unsere Basismaterialien durchzuführen. Dann designen und fertigen wir Rohre beliebiger Größe mit diesen qualifizierten Materialien.“ Durch Erreichen der Qualifizierung und Durchlaufen der TRL-Level ist TCP nun bereit für ein Massenvolumen an Produkten ab 2019, glaubt Van Onna.