SE513235C2 - Användning av en rostfri stållegering såsom umbilicalrör i havsmiljö - Google Patents

Description

513 235 2 I denna umbilical samlas ett antal rör 4 för den hydrauliska och elektriska kontrollen tillsammans med ett centralt rör för injektion av kemikalier såsom metanol till ett rörknippe. Umbilicalen kan ha olika konfiguration beroende på servicekravet för havsbottenenhetema men vanligt är att ha ett grövre rör 5 i centrum för metanolinj ektion med klenare rör tvinnade runt detta. Ofta används ett ytterhölje 6 av plast för att samla umbilicalrören och göra helheten hanterbar för utläggning och installation.

De krav som ställs på rören 4, 5 i en umbilical är främst relaterade till korrosion och mekaniska egenskaper. Rörrnaterialet måste vara resistent mot korrosion i havsvatten, som omsluter rörens ytteryta, denna egenskap är den som anses vara viktigast eftersom havsvatten kan vara mycket korrosivt mot rostfria stål. Dessutom måste materialet ha hög korrosionsresistens mot de eventuella korrosiva lösningar som skall injiceras i oljekällan. Materialet måste vara kompatibelt med hydrauliska vätskor som man ämnar använda för den hydrauliska kontrollen, utan att kontaminera vätskan. Eventuella föroreningar kan påverka servicefurrktionen hos kontrollenheten vid havsbotten mycket negativt.

De mekaniska egenskaperna hos det använda rörrnaterialet är mycket viktigt för applikationen umbilicalrör. Eftersom djupet kan vara ansenligt på platsen för oljeutvinningen blir den dynamiska delen av umbilicalen i allmänhet lång, och därigenom tung. Denna vikt måste bäras av plattformen eller det flytande produktionsskeppet och om umbilicalen görs lättare kan den flytkraft man har tillgänglig användas till annat än att lyfta umbilicalen. I praktiken finns två sätt att minska vikten hos en umbilical med en given konfiguration. Man kan välja ett lättare material eller man kan välja ett material med samma densitet men med högre sträck- och brottgränser.

Genom att välja ett material med högre styrka kan rör med tunnare vägg användas, och därigenom reduceras den totala massan hos umbilicalen. Ju djupare hav vid utvinningsplatsen, desto viktigare blir den totala vikten per meter umbilical hos materialet. 513 235 3 Förutom goda korrosionsegenskaper och hög styrka krävs att det använda materialet har goda utmattningsegenskaper. Främst gäller detta för den dynamiska delen av umbilicalen, som påverkas i stor utsträckning av vattnets och den flytande enhetens rörelser.

De generella kraven på material för umbilicals kan sammanfattas i följande: Ferrithalt: 35-55% PRE (Cr+3,3Mo+l6l\T): min 40 Sträckgräns Rp0,2 min = 650 MPa.

Brottgräns Rm = 800-1000 MPa.

Brottförlängning A5 min 25% Provningstemperatur enligt ASTM G48A min 5 0°C Provningstemperatur enligt ASTM G48B min 35°C Svetsbarhet God Utmattningsbeständighet För umbilicals har det hittills mest använda materialet varit ett ferrit-austenitiskt rostfritt stål som saluföres under beteckningen Sandvik SAF 2507, vilket standardiserats under beteckningen, UNS 532750. Detta material har hittills befunnits väl tillgodose ställda krav på korrosionsbeständighet och hållfasthet. Denna stållegering finns närmare beskriven i europeiska patentskriften EP-A-220l4l.

Det har nu överraskande visat sig att man genom att gå upp i legeringshaltema för de viktiga legeringsämnena Cr, N samt lämplig halt av Mo, till bildande av en super- duplex-legering, som efter strängpressning till sömlösa rör sedan kallvalsas till önskad slutdimension och därefter slutligen fardigglödgas vid en noga vald temperaturnivå kan åstadkomma ett rörmaterial med ökad sträickgräns och ökad brottgräns men med samtidigt bibehållen god duktilitet och goda punktkorrosionsegenskaper. 513 235 4 Denna nya typ av material för applikationer umbilicalrör och jämförande prövningar kommer i det följ ande att redovisas närmare.

Exempel 1 Försöksmaterial tillverkades genom gjutning av 170 kg göt, dessa varmsmiddes till rundstång diameter 126 mm och extruderades till sömlösa rör dimension 48x5 mm samt kallvalsades till dimension 31x3 mm. Färdigglödgning skedde vid 1040°C, hålltid 5 minuter följt av vattensläckning. Sammansättningar framgår av tabell 1. Dessa legeringar har tagits med som ett jämförande exempel, och som visar att sådana material som för övrigt är kända genom USA patent 5582656 generellt ej uppfyller kraven i föreliggande applikation, utan att en optimerad variant med specifika krav på tillverkning krävs för att uppnå de tidigare i beskrivningen ställda kraven på denna applikation.

Tabell 1. Sammansättning av försöksmaterial, vikt-% Charge C Si Mn P S ppm Cr Ni Mo N 654667 0,016 0,19 1,02 0,010 49 29,37 8,62 1,55 0,26 654668 0,015 0,19 0,99 0,009 46 29,30 8,84 2,03 0,25 654669 0,015 0,19 0,91 0,010 43 29,26 8,00 2,07 0,31 654670 0,015 0,19 0,88 0,011 30 29,08 9,09 2,57 0,26 654671 0,016 0,16 1,01 0,012 32 28,81 7,48 2,50 0,37 654672 0,015 0,15 1,00 0,012 36 29,01 6,66 2,51 0,40 654674 0,016 0,16 0,88 0,011 32 29,92 9,38 1,57 0,26 654675 0,016 0,16 0,92 0,012 35 30,39 7,74 1,50 0,39 654676 0,017 0,17 1,03 0,011 35 30,50 6,94 1,53 0,40 654678 0,017 0,17 0,99 0,011 31 30,11 9,62 2,01 0,26 654679 0,016 0,16 0,89 0,012 38 30,15 7,95 2,08 0,35 654680 0,016 0,16 0,87 0,012 42 30,51 6,20 2,08 0,44 654683 0,016 0,16 0,96 0,011 38 30,15 8,11 2,56 0,35 654684 0,015 0,15 0,91 0,011 44 30,61 5,71 2,57 0,48 Materialen punktkorrosionsprovades i 6% FeCl3 enligt ASTM G48C, med en starttemperatur av 40°C och steg om 5°C tills dess punktkorrosionsangrepp erhölls. Den temperatur då detta först inträffar kallas kritisk punktfrätningstemperatur (CPT). 513 235 Dragprovning utfördes också vid rumstemperatur. Resultaten av provningama framgår av tabell 2.

Tabell 2. Resultat av korrosionsprovning enligt ASTM G48C provning samt dragprovning av sömlösa rör, dimension 31x36 mm. Medelvärden av två prover per charge. chmge CPT Rp02 ' Rnr A5 §ï92, OWPQ :GWPQ 00 654667 40 635 _ 861 32 654668 40 646 § 867 31 654669 626 665 '885 34 654670 55 666 0 882 30 654671 75 687 ' 908 32 654672 75 694 ' 912 ”_35 654674 53,8 667 ' 879 31 654675 65 689 6 914 35 654676 60 698 ' 903 35 654678 45 678 ' 890 34 _ 654679 75 692 ' 916 35 654680 60 695 “ 914 35 654683 65 715 4 926 33 654684 60 702 f 932 33 Exempel 2 Material tillverkades genom AOD-tillverkning, stränggjutning, varmvalsning till rundstång diameter 126 mm, extrusion av fsömlösa rör till dimensionen 33,2x3,5 mm samt kallvalsning till dimension l5,lxl,2 Glödgning utfördes vid två temperaturer, l020°C och lO60°C, hålltid 2 minuter följt av vattensläckning.

Sammansättning av materialet framgår av tabell 3. Materialets sammansättning ligger inom det nu sökta patentintervallet.

Tabell 3. Sarnmansättning av provat material, vikts-%.

C Si Mn P S Cr Ni Mo N Ca 0,021 0,27 0,90 0,016 0,001 28,80 6,62 2,20 0,38 0,0026 513 235 6 Materialet har undersökts med avseende på punktkorrosion dels i artificiellt havsvatten vid förhöjd potential (se tabell 4), dels i 6 % FeCl3 (se tabell 5), som ofta används vid leveransprovning av höglegerade rostfria material och som specificeras i ASTM G48 standard. I dessa tester har materialet undersökts i sin slutgiltiga form, det vill säga i stegvalsat och glödgat skick, med ytorna bandslipade efter glödgning. Ingen vidare slipning av inner- och ytterytorna utfördes innan provning. Resultaten visar att materialet i denna form har punktkorrosionsegenskaper väl i linje med de för SAF 2507.

Tabell 4. Kritisk punktfrätningstemperattir av umbilicalrör enligt uppfinning i syntetiskt havsvatten potentiostatiskt vid +600 mV SCE av material med olika slutglödgningstemperaturer (1020°C och l060°C).

Test CPT CPT CPT CPT CPT CPT CPT S (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) I 2 3 4 5 6 medelvärde l 75 75 70 75 75 70 73 3 ( l060°C) 2 65 65 70 65 65 70 67 3 (1020°C) Tabell 5. Kritisk punktfrätningstemperatur (CPT) av umbilicalrör i 6% FeCl3 (ASTM G48C test) av material med olika slutglödgningstemperaturer (1020°C och l060°C).

Test CPT (°C) CPT (°C) Jrov 1 prov 2 1 §1060°C) 75 75 2 (1020°C) 65 65 Rör med dimensioner omkring 10-20 mm innerdiameter används vanligen för hydraulikrören i en umbilical. För stålsorten SAF 2507 används för dessa dimensioner en sträckgräns om 650 MPa och en brottgräns om 850 MPa som de värden som kan garanteras och därigenom kan användas för designberäkriingarna på umbilicalen. De rör som tillverkats på motsvarande sätt i den stålsort föreliggande ansökan avser, med motsvarande dimensioner, har överraskande visat sig ha en sträckgräns över 850 MPa och en brottgräns över 1000 MPa, med bibehållen duktilitet, A min. 25 % (se tabell 5). 513 235 7 För att klara min kravet på förlängning krävs en färdigglödgningstemperattir av 1060°C, medan en färdigglödgningstemperatur av lO20°C innebär att minimikravet på förlängning ej med säkerhet kan uppfyllas, Dessa resultat indikerar att rörväggen kan reduceras med uppemot 20-25% jämfört med ett SAF 2507 rör för samma applikation.

För en 2 km umbilical med exempelvis 12 rör i konfigurationen skulle en sådan väggreducering innebära en högst betydande total viktreducering.

Tabell 6. Hållfasthetsvärden för umbilicals rör dimension 15 ,lx1 ,2 mm vid rumstemperatur och två olika glödgningstemperaturer (1 O20°C och 1060°C).

RpO,2 (MP3) Rm (MP3) A (%) 1060°C i 1 876 1021 271,6 2 882 1029 28,1 3 893 1059 27,5 4 891 1043 27,2 912 1070 27¿ 6 883 1039 27,2 medel 890 1044 27,5 1020°C ' 1 892 1036 24,5 2 887 1026 23,6 3 886 1033 25,0 4 894 1032 26,6 900 1035 24,1 6 889 1024 26,4 medel 891 1031 25,0 Det är uppenbart att en glödgningstemperatur av 1060°C är mer gynnsam än en glödgningtemperatur av lO20°C. Kritiskt punktfrätningsmotstånd är högre för material glödgat vid 1060°C och medelvärdet för förlängningen vid dragprovníng är också högst för material glödgat vid 1060°C. Speciellt man observera att material glödgat vid 1020°C ej klarar kravet på min 25% förlängning som är kravet för nuvarande umbilicalmaterial. En lämplig glödgningstemperatur för materialet är kring 1060°C, företrädesvis inom intervallet 1040-1080°C. 513 235 8 Material från rören stumsvetsades med hjälp av 0,8 mm TIG-tråd med likartad sammansättning som grundmaterialet. Som skyddsgas vid svetsningen användes Ar+3%N2_ Sammansättningen för tillsatsmaterialet framgår av tabell 7.

Tabell 7. Sammansättning hos TIG tråd som användes i svetsförsöket.

C Si Mn P S Cr Ni Mo N 0,013 0,23 1,15 0,018 0,001 29,49 8,03 2,51 0,30 Materialet dragprovades och korrosionsprovades enligt ASTM G48C, med en startemperatur av 40°C och med steg om 5°C. Resultaten framår av tabell 8.

Tabell 8. Resultat av dragprovning och punktkorrosionsprovning (Kritisk punktfrätningstemperatur enligt ASTM G48C) av stumsvetsade rör med två olika glödgningstempcraturer för rör-materialet.

CPT Rpo; Rm A5 (°C) (MPH) (MP2) (%) l020°C 40°C 873 1056 15,3 l060°C 42,5°C 859 1057 16,4 Töjningsutmattningsegenskapema för materialet har studerats och jämförts med de för andra höglegerade rostfria stål. Provningen utfördes som töjningsstyrd utmattning med växlande last med en sinusforrnad vâgforrn och medeltöjningshastighet 5xl0'3 S'1.

Resultaten framgår av figur 2.

Det har visat sig att ett material, som är mest lämpat för den ovan angivna slutglödg- ningen och i övrigt väloptimerat för applikationen umbilicalrör, skall ha en samman- sättning begränsad till C max 0,05 %, Si max 0,8 %, Mn 0,30-1,5 %, Cr 28,0-30,0 %, Ni 5,80-7,40 %, Mo 2,00-2,50 %, N 0,30-0,40 %, Cu max 1,0 %, W max 2,0 %, S max 0,010 %, samt resten Fe och normalt förekommande föroreningar, varvid ferrithalten utgör 30-70 % och resten austenit. Efter slutlig kallvalsning genomgår rören en 513' 235 9 avslutande glödgning vid 1040-1080°C under en tid av 3-10 min följt av vattensläck- ning.

Det visar sig att stålet för föreliggande patentansökan har utmattningsegenskaper i linje med vad SAF 2507 har. Töjningsutmattningsegenskaperna ger information om hur mycket, och hur många gånger, ett material kan töjas, innan töjningsutmattningssprickor uppstår i materialet. Eftersom umbilicalrör svetsas samman till långa längder hasplas på trummor innan de tvinnas in i umbilicalen är det inte ovanligt att det sker ett antal operationer där viss plastisk deformation uppstår, innan umbilicalen kommer i funktion.

De töjningsutrnattningsdata som tagits fram understryker att risken for brott till följd av töjningsutmattning i ett umbilical rör gränsar till obefintlighet.

Stålet enligt den ovan angivna analysen innehar egenskaper som passar ypperligt for användande som umbilicalrör. Materialet har hög korrosionsresistens i havsvatten tack vare sitt höga PRE-tal och är kompatibelt med de idag oftast använda vätskor som transporteras i umbilicalens olika rör. Den höga styrkan hos materialet gör att väggtjocklekarana kan reduceras betydligt jämfört med det vanligaste materialet for denna applikation idag, SAF 2507. Viktbesparingar i umbilicals är av yttersta vikt for oljeutvinning på stora havsdjup, som blir allt vanligare.

Skarvsvetsning av rör fungerar tillfredsställande, vilket är ett krav for att umbilicalen skall kunna tillverkas. Utmattningsegenskaperna visar att risken för töjningsinducerat utmattningsbrott gränsar till obefintlighet.

Claims (5)

10 15 20 513 235 10 Patentkrav

1. Användning av en fenit-austenitisk legering med sammansättning begränsad till C max 0,05 %, Si max 0,8 %, Mn 0,30-l,5 %, Cr 28,0-30,0 %, Ni 5,80-7,40 %, Mo 2,00-2,50 %, N 0,30-0,40 % , Cu max 1,0 %, W max 2,0 %, S max 0,010 %, 30-70 % ferrit och resten austenit för rör fyllda med hydraulikvätska, som transportör av lösningar för kemisk injektion, eller annan användning i applikationen umbilicals.

2. Användning av en legering enligt patentkrav 1, som uppvisar en sträckgräns i sömlösa rör av minst 750 MPa och samtidigt en brottforlängning av minst 25 %

3. Användning av en legering enligt patentkrav 1, som uppvisar en sträckgräns i sömlösa rör av minst 850 MPa och samtidigt en brottforlängning av minst 25 %

4. Användning av en legering enligt någon eller några av kraven 1-3 ovan, i form av stålrör som stumsvetsas och hasplas på rulle.

5. Användning av en legering enligt något av kraven 1-4, varvid materialet används i forrn av strängpressat sömlöst rör som efter kallvalsning underkastats en slutlig glödgning vid en temperatur av 1040-1080°C under en hâlltid av 3-10 minuter följt av vattensläckning.