Le piattaforme petrolifere e gas offshore operano in alcune delle condizioni più pungenti sulla Terra. L'aria salata, gli ambienti subacquei ad alta pressione e le altalene a temperatura estrema richiedono materiali che possono svolgere in modo affidabile per decenni senza guasto.

Cosa sono i polimeri marini?

I polimeri marini sono materiali sintetici progettati per resistere al degrado delle acque salate, dei prodotti chimici aggressivi e della luce ultravioletta, condizioni che corrodono rapidamente l'acciaio e degradano le gomme comuni.

Perché Rigs olio offshore domanda materiali ad alta efficienza

I sistemi di tubazione portano idrocarburi a pressioni superiori a 15.000 psi, mentre gli alberi subacquei e i collettori siedono a 3.000 metri sotto la superficie dove le temperature si accumulano intorno a 2°C. Allo stesso tempo, le apparecchiature di lavorazione sul ponte possono superare i 150°C.

I metodi di guasto dei materiali tradizionali in ambienti offshore sono ben documentati. Stress corrosione cracking di acciai inossidabili duplex, embrittlement dell'idrogeno in leghe ad alta resistenza, e corrosione galvanica tra i metalli dissimili tutti i problemi attuali ricorrenti per i team di manutenzione.

Tipi di polimeri marini ad alta efficienza

Politetrafluoroetilene (PTFE)

Il suo legame di carbonio-fluorina è uno dei più forti nella chimica organica, dando la resistenza chimica quasi universale. In ambienti di backup offshore, PTFE è usato in guarnizioni, guarnizioni, imballaggio valvola e rivestimenti anti-corrosione. Rimane le temperature criogeniche flessibili e può gestire il servizio continuo

Chetone Ether Polyether (PEEK)

PEEK è il cavalletto di lavoro di applicazioni di profonda acqua e ad alta temperatura. [KLT:0]Le proprietà di tenuta di PEEK di Victrex e i gradi simili offrono una resistenza meccanica eccezionale fino a 260°C, un'eccellente resistenza alla fatica e l'assorbimento di acqua trascurabile. Può sostituire il metallo in componenti strutturali come gli anelli di backup, i cuscinetti di usura e le piastre di compressione di valvole.

Polietilene ultra-alto- molecolare (UHMWPE)

La sua resistenza molecolare varia da 3 a 6 milioni di g/molo, creando un materiale estremamente resistente ma leggero. Ha un coefficiente di attrito circa un terzo quello di acciaio-sul-acciaio che riduce il mooring del bacino e la piattaforma galleggiante, Fibra di UHMWPE (Dyneema)

Elastomeri di poliuretano

I sistemi di isolamento termico in acciaio inox, che consentono di ridurre i costi di protezione dei metalli, sono in grado di proteggere i componenti di acciaio inossidabile e di ridurre i costi di resistenza dei metalli.

Poliammide-Imide (PAI)

Anche se meno comune di PTFE o PEEK, la poliammide-imide occupa una nicchia per applicazioni estremamente ad alta temperatura, ad alta temperatura. Con una temperatura di transizione del vetro superiore a 275°C e una resistenza alla compressione eccezionale, PAI è utilizzato in boccole e anelli di usura su piattaforme di perforazione topdrive dove il contatto continuo scorrevole con l'acciaio ad alti carichi è inevitabile.

Proprietà chiave per applicazioni marine offshore

La scelta del giusto polimero marino richiede la valutazione di una suite di proprietà che interagiscono in modi complessi:

  • Resistenza alla corrosione e chimica:[ I polimeri non si arrugginiscono. Resistono agli acidi, agli alcali, agli idrocarburi, al solfuro di idrogeno e al metanolo, che viene spesso iniettato per prevenire la formazione di idratazione. Questa proprietà può eliminare la necessità di un rivestimento in acciaio inossidabile costoso o duplex.
  • Resistenza meccanica e cripto:[] I componenti devono tenere la loro forma sotto carico costante. I gradi riempiti PEEK e rinforzati PTFE possono sopportare sollecitazioni di compressione superiori a 200 MPa senza deformazione significativa, garantendo l'integrità della tenuta durante anni in connettori subacquei.
  • Tolleranza alla temperatura:[ Le applicazioni Deepwater richiedono una resistenza a bassa temperatura, mentre i sistemi ad olio caldo di alto livello richiedono stabilità ad alta temperatura. PTFE e PEEK sculacciano entrambi gli estremi, mentre UHMWPE è più adatto per le sezioni più fredde. Per gli sviluppi in mare aperto articole, i polimeri devono mantenere la resistenza all'impatto a -40°C, che elimina molte plastiche standard.
  • Low Friction e autolubrificazione:[ Molti polimeri possono funzionare a secco o con una lubrificazione minima, riducendo la manutenzione e evitando la contaminazione dell'acqua di mare da grasso. PTFE e UHMWPE possiedono naturalmente una superficie slick che impedisce la scivolata a bastone in valvole a lento consumo.
  • Resistenza alla pace e alla RGD:[ Sotto carico ciclico, polimeri come PEEK espongono limiti di resistenza che i metalli rivali. Per scenari di decompressione esplosiva, la loro bassa permeabilità e alta resistenza interna impediscono le catastrofi vesciche.
  • Stabilità idrostatica:[ A profondità superiori a 3.000 metri, la pressione idrostatica può superare 300 bar. I polimeri devono resistere al collasso ed evitare l'ingresso dell'acqua che potrebbe degradare l'isolamento elettrico.

Considerazioni di fabbricazione e fabbricazione

Le prestazioni dei polimeri marini dipendono non solo dal grado di materiale ma anche dal processo di produzione. Lo stampaggio ad iniezione produce geometrie complesse con tolleranze strette per i sigilli e i sedili della valvola, ma il processo deve controllare i tassi di raffreddamento per evitare stress interni che potrebbero portare a cracking in servizio.

Applicazioni sulla piattaforma offshore

Connettori e guarnizioni sottomarine

I connettori idraulici e quelli elettrici subsea si basano su inserti isolanti polimerici e guarnizioni a tenuta stagna. Il PEEK è spesso utilizzato per l'isolamento interno dei pin perché mantiene la resistenza dielettrica anche dopo l'assorbimento di acqua. Quando è intasato con gusci metallici, gli anelli di backup PTFE impediscono l'estrusione di fili elastomerici a pressione che raggiungono i 10.000 psi.

Componenti e Sedili Valve

Valvole a sfera, valvole a cancello e valvole a contorno nei collettori di produzione sperimentano un'erosione grave da sabbia prodotta e corrosione da fluidi ben. Ridurre i sedili in metallo con PEEK o PTFE rinforzato estende notevolmente gli intervalli di servizio. Il sedile polimerico si conforma leggermente alla palla, creando una tenuta stretta senza galera, e resiste a scanalature e graffi che rovinerebbero un sedile in metallo.

Cuscinetti e cuscinetti

Le zone di scavo del gru, i rulli di tenditore del sollevamento e i blocchi di guida del pavimento del trapano beneficiano tutti dei cuscinetti UHMWPE o poliammide (PAI). Un studio presentato a OTC 25998] ha dimostrato che i cuscinetti di polimero nella conservazione della produzione galleggiante e nei sistemi di torsione (FPSO) hanno ridotto l'attrito di oltre il 60% rispetto ai sistemi di rilascio alternativi bronzi, mentre eliminano

Risvegli flessibili e ombelicali

I tubi flessibili trasportano olio e gas dal fondale alla piattaforma, che richiedono strati di guaine polimeriche per prevenire la corrosione e il collasso. I polietilene ad alta densità (HDPE) e il polietilene reticolato (XLPE) sono comuni liner interni, mentre i giacche esterni sono spesso estrusi da poliuretano termoplastico per resistenza ai morsi di pesce e all'abrasione.

Rivestimenti e rivestimenti protettivi

Mentre l'epossigeno in fusione rimane un rivestimento standard del tubo, i più recenti rivestimenti in polimero realizzati in nylon 11 o polipropilene sono inseriti in tubi d'acciaio come una barriera di corrosione. Questi rivestimenti sono particolarmente preziosi nei pozzi di iniezione dell'acqua in cui l'acqua di mare ossigenata attacca rapidamente l'acciaio.

Isolamento elettrico

Le resine e i polimeri di silicone sono utilizzati per gli isolatori a boccola, le alloggiamenti interruttori e le terminazioni dei cavi. I connettori elettrici subacquei devono sopravvivere alla pressione idrostatica senza formazione di vuoto; i polimeri di PEEK e i polimeri di cristallo liquidi eccellono qui perché possono essere stampati ad iniezione in forme complesse senza fori di scarico.

Vantaggi Sopra i metalli tradizionali

Il passaggio dai metalli ai polimeri nei componenti non-load-critical è guidato da diversi fattori convincenti. In primo luogo, la riduzione del peso è drammatica—PEEK è circa un sesto il peso dell'acciaio, che facilita la movimentazione, riduce il carico strutturale e semplifica l'installazione su piattaforme galleggianti. In secondo luogo, il vantaggio del costo della vita è significativo: eliminare materiale di resistenza alla corrosione, la pittura e i sistemi di protezione cattodica risparmiano milioni di consolidamento di massa.

Sfide e considerazioni

I polimeri di dilatazione sono generalmente più costosi dell'acciaio al carbonio, anche se i costi del ciclo di vita solitamente invertiscono l'equazione. I coefficienti di espansione termica possono essere cinque a dieci volte superiori all'acciaio, quindi i progettisti devono tenere conto delle autorizzazioni o utilizzare le legature strategiche.

Case study: Anelli di backup PEEK in Pozzi di gas Deepwater

Gli anelli di backup PTFE originali sono stati estrusi nel gap di sdoganamento sotto pressione 15 ksi, che porta a O-ring blowout. Gli ingegneri hanno sostituito gli anelli di backup del 30% con un grado di PEEK rinforzato con fibra di vetro. Gli anelli PEEK tollerato la stessa pressione senza estrusione, anche dopo 200 cicli di pressione / temperatura ben perdite.

Test e standard di qualificazione

API 6A e API 17D specificano test per i materiali di tenuta, tra cui ciclismo RGD, cicli di temperatura e test di resistenza in condizioni di servizio simulate. Lo standard NORSOK M-710 fornisce un protocollo completo di qualificazione per i materiali non metallici utilizzati nei servizi di assistenza, coprendo cambiamenti di durezza, e la perdita di peso dopo l'esposizione agli ambienti H2S.

Le innovazioni future nei polimeri marini

I materiali di esplorazione a gas ad alte prestazioni sono ora disponibili in aree di ottimizzazione dei polimeri marini. I polimeri di auto-riduzione possono essere utilizzati per la loro ottimizzazione dei costi di produzione e per la loro ottimizzazione dei sistemi di produzione.

Conclusioni

I polimeri marini ad alte prestazioni non sono più alternative esotiche; sono materiali di ingegneria standard che risolvono la corrosione, il peso e le sfide di fatica in tutta la catena di valore del petrolio e del gas offshore. Dai connettori subsea ai cuscinetti di alto livello, PTFE, PEEK, UHMWPE, e i sistemi di eolico sono in grado di estendere gli intervalli di manutenzione e la salvaguardia dell'ambiente.