Высокопроизводительные морские полимеры для морских нефтяных буровых установок

Морские нефтегазовые платформы работают в самых суровых условиях на Земле. Нагруженный солью воздух, подводная среда под высоким давлением и экстремальные перепады температур требуют материалов, которые могут надежно работать в течение десятилетий без сбоев. Высокопроизводительные морские полимеры незаметно изменили то, как операторы проектируют, строят и поддерживают эти массивные структуры. Заменив традиционные металлы и эластомеры в стратегических приложениях, эти передовые синтетические материалы продлевают срок службы оборудования, сокращают незапланированные простои и снижают затраты на жизненный цикл. Понимание науки, стоящей за этими материалами - их типы, свойства и развертывание в реальном мире - необходимо для инженеров, специалистов по закупкам и управляющих активами. По мере того, как отрасль перемещается в более глубокие воды и более агрессивные резервуары, роль передовых полимеров стала не только практичной, но и необходимой.

Что такое морские полимеры?

Морские полимеры представляют собой синтетические материалы, разработанные для сопротивления деградации в соленой воде, агрессивных химических веществах и ультрафиолетовом свете - условия, которые быстро корродируют сталь и деградируют обычные каучуки. В отличие от товарных пластмасс, высокопроизводительные морские полимеры сохраняют свою механическую прочность, стабильность размеров и целостность поверхности даже при непрерывном погружении или воздействии абразивных буровых грязей. Они могут быть аморфными или полукристаллическими и часто содержат добавки, такие как углеродное волокно, стекловолокно или твердые смазочные материалы, чтобы адаптировать производительность. Категория охватывает фторополимеры, ароматические поликетоны, ультра-высокомолекулярные полиэтилены и специализированные полиуретановые эластомеры, каждый из которых выбран для конкретных морских применений. Эти материалы не являются одноразовыми; они могут быть сформулированы для удовлетворения взыскательных стандартов для тепловых, химических и механических характеристик одновременно.

Почему морские нефтяные скважины требуют высокопроизводительных материалов

Плавающий производственный блок или фиксированная платформенная куртка по существу является химическим заводом, окруженным морской водой. Системы трубопроводов переносят углеводороды при давлении, превышающем 15 000 фунтов на квадратный дюйм, в то время как подводные деревья и коллекторы находятся на 3000 метров ниже поверхности, где температура колеблется около 2 ° C. В то же время, технологическое оборудование на палубе может превышать 150 ° C. Добавьте вибрацию, динамические нагрузки и биообрастание от морских организмов, и матрица выбора материала становится чрезвычайно узкой. Металлы, такие как углеродистая сталь, страдают от прокола и коррозионного растрескивания напряжения; даже нержавеющая сталь уязвима для коррозионного расщепления в застойной морской воде. Высокопроизводительные полимеры заполняют этот разрыв, потому что они по своей сути коррозионно-защищенные, легкие и могут быть сформулированы для обработки конкретных тепловых и механических требований без какого-либо защитного покрытия, которое может выйти из строя. Полимеры также устраняют необходимость в системах катодной защиты и уменьшают нагрузку на плавучие

Режимы отказов традиционных материалов в оффшорных средах хорошо документированы. Стрессовое коррозионное растрескивание дуплексных нержавеющих сталей, водородная хрупкость в высокопрочных сплавах и гальваническая коррозия между несходными металлами - все это представляет собой повторяющиеся проблемы для обслуживающих групп. Полимеры полностью обходят эти электрохимические механизмы. Их химическая инертность также делает их невосприимчивыми к микробиологическим воздействиям коррозии (MIC), которая может быстро разбить углеродистую сталь в системах впрыска морской воды. С промышленностью, стремящейся к более длительным интервалам производства между остановками, надежность, предлагаемая передовыми полимерами, стала краеугольным камнем современного управления целостностью активов.

Типы высокоэффективных морских полимеров

Политетрафторэтилен (ПТФЭ)

PTFE наиболее известен под торговой маркой Teflon. Его углеродно-фторная связь является одной из самых сильных в органической химии, придавая ему почти универсальную химическую стойкость. В морских условиях PTFE используется в уплотнениях, прокладках, клапанной упаковке и антикоррозионных накладках. Он остается гибким при криогенных температурах и может обрабатывать непрерывное обслуживание до 260°C. Поскольку PTFE имеет низкий коэффициент трения, он предотвращает галечный эффект в динамических механических системах, что имеет решающее значение для подводных приводов, которые могут быть циклированы тысячи раз. Однако чистый PTFE относительно мягкий и склонен к ползучести при тяжелых нагрузках, поэтому он часто усиливается бронзовыми, стеклянными или углеродными наполнителями для уплотнительных стеков высокого давления. Наполненные PTFE соединения сохраняют химическую стойкость базового полимера при резком улучшении несущей способности. Например, 25% заполненных стеклом PTFE могут выдерживать сжатие напряжений выше

Полиэфир Этер Кетон (PEEK)

PEEK — рабочая лошадка глубоководных и высокотемпературных применений.Victrex PEEK и подобные марки предлагают выдающуюся механическую прочность до 260°C, отличную утомляемость и незначительное водопоглощение. Он может заменить металл в структурных компонентах, таких как резервные кольца, износные прокладки и пластины клапанов компрессора. Одной из его наиболее ценных черт является устойчивость к быстрому разрушению газовой декомпрессии (RGD). Стандартные эластомерные уплотнения могут волдыри и трещины, когда газ высокого давления пронизывает и затем внезапно расширяется во время декомпрессии; конструкции уплотнения на основе PEEK сопротивляются этому режиму отказа, что делает их незаменимыми в газовом подъемнике высокого давления и оборудовании для переработки углеводородов. PEEK также предлагает исключительное сопротивление ползучести, поддерживая стабильность размеров при устойчивых нагрузках до 100 МПа при 150°C. Эта комбинация тепловых и механических свойств позволяет инженер

Ультра-высокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE)

UHMWPE все чаще используется для подшипников, снопов и ударных площадок на морских буровых установках. Его молекулярная масса колеблется от 3 до 6 миллионов г/моль, создавая материал, который чрезвычайно прочен, но легок. Он имеет коэффициент трения около одной трети от стального швартовочного оборудования. В системах швартовки с сухой док-станцией и плавающей платформой UHMWPE (Dyneema) UHMWPE используется для высокомодульного каната (Dyneema) , который превосходит стальной провод в соотношении прочность-вес. Bulk UHMWPE также сопротивляется морским бурерам и химической атаке, что делает его пригодным для систем крылья и износа полос на подшипниках башни. Его температурный диапазон более узкий, чем PEEK - обычно ограничен примерно 90°C - но для большинства направляющих подъемников верхнего напряжения и опор седла трубопровода, что более чем достаточно. UHMWPE также обладает превосходным

Полиуретановые эластомеры

Морской полиуретан - это не один материал, а настраиваемое семейство. Регулируя изоцианатную и полиоловую магистрали, производители создают эластомеры, которые могут быть такими же мягкими, как подошва обуви или такими же твердыми, как шар для боулинга. Оффшорный полиуретан обычно отливается в гибкие соединения для стояков, уплотняющие элементы для баранов BOP и изгибающие жесткости, которые предотвращают перегиб гибких труб на интерфейсе платформы. Его сопротивление истиранию легендарно - некоторые составы выдерживают сталь в пять раз при обработке суспензии. Полиуретан также хорошо связывается с металлическими подложками, что позволяет композиционным компонентам, которые сочетают структурную жесткость стали с коррозионной и ударной стойкостью полимера. В системах обработки грязи полиуретановые трубы снижают скорость эрозии из абразивных буровых жидкостей до 80% по сравнению с необработанной сталью. Кроме того, полиуретановые покрытия применяются к подводным

Полиамид-Имид (PAI)

Хотя полиамид-имид менее распространен, чем PTFE или PEEK, он занимает нишу для чрезвычайно высокотемпературных, высокоизносных применений. При температуре стеклования, превышающей 275 ° C, и выдающейся прочности на сжатие PAI используется в втулках и износных кольцах на буровых установках верхнего привода, где непрерывный скользящий контакт со сталью при высоких нагрузках неизбежен. PAI детали могут работать сухими с минимальной смазкой, избегая загрязнения окружающей среды от смазки. В некоторых высококачественных конструкциях подводных приводов PAI используется для уплотнения элементов, которые должны выдерживать температуры выше 200 ° C при сохранении целостности давления, преодолевая разрыв между стандартными полимерами и металлическими уплотнениями.

Ключевые свойства для морских морских применений

Выбор правильного морского полимера требует оценки набора свойств, которые взаимодействуют сложными способами:

Соображения в отношении производства и изготовления

Производительность морских полимеров зависит не только от сорта материала, но и от процесса изготовления. Инъекционное формование производит сложные геометрии с плотными допусками для уплотнений и клапанных сидений, но процесс должен контролировать скорости охлаждения, чтобы избежать внутренних напряжений, которые могут привести к растрескиванию в эксплуатации. Компрессионное формование предпочтительно для больших, толстых деталей, таких как подшипниковые подушки, где медленное, равномерное охлаждение обеспечивает согласованность кристалличности. Аддитивное производство или 3D-печать появились в качестве игрового механизма для морской логистики. С PEEK и UHMWPE, теперь доступные в форме нити для FDM-принтеров, операторы могут производить запасные части по требованию в отдаленных морских местах, сокращая запасы и время отжига. Однако печатные детали должны проходить постобработку, такую как отжига для восстановления кристалличности и механических свойств вблизи тех из формованных эквивалентов. Выбор метода производства также влияет на скорость износа и эффективность уплотнения.

Приложения через оффшорную платформу

Подводные коннекторы и тюлени

Гидравлические и электрические подводные соединители опираются на полимерные изоляционные вставки и герметичные уплотнения. PEEK часто используется для внутренней изоляции штифта, поскольку сохраняет диэлектрическую прочность даже после поглощения воды. При спаривании с металлическими оболочками резервные кольца PTFE предотвращают экструзию более мягких эластомерных O-кольцев при давлениях, достигающих 10 000 пси. Эта комбинация позволяет милям пуповинных линий поддерживать целостность сигнала и передачу гидравлической мощности. Подводные распределительные блоки (SDU) используют полимерные композиционные пластины для изоляции электрических шин от морской среды, предотвращая короткие замыкания. Размерная стабильность PEEK при гидростатических нагрузках гарантирует, что силы спаривания соединителей остаются постоянными в течение срока службы поля.

Valve компоненты и сиденья

Шаровые клапаны, затворные клапаны и затворные клапаны в производственных коллекторах испытывают сильную эрозию из продуцированного песка и коррозию из скважинных жидкостей. Замена металлических сидений на PEEK или усиленный PTFE резко расширяет интервалы обслуживания. Полимерное сиденье слегка прилегает к шару, создавая плотное уплотнение без скачков, и сопротивляется канавкам и царапинам, которые разрушали бы металлическое сиденье. Некоторые производители клапанов теперь предлагают полностью выложенные корпуса PTFE для чрезвычайно коррозионных газовых потоков. В подводных затворных клапанах элементы полиуретановой отделки поглощают воздействие твердых частиц, снижая скорость износа до 50% по сравнению с покрытиями из карбида вольфрама. Кроме того, вставки полимерных клапанов можно заменить быстрее и по более низкой цене, чем восстановление металлических сидений.

Подшипники и стойки для ношения

Слои крана, ролики натяжителя подъемника и направляющие блоки бурового пола все выгоды от подшипников UHMWPE или полиамид-имида (PAI). Исследование, представленное на OTC 25998 , продемонстрировало, что полимерные подшипники в плавающих производственных системах хранения и разгрузки (FPSO) башенных систем уменьшили трение более чем на 60% по сравнению с бронзовыми альтернативами, а также устранили необходимость в смазке смазки. Это сокращает часы обслуживания и предотвращает высвобождение смазочных материалов. В системах верхнего привода, накладки износа PEEK на перилах работают более 10 000 часов без замены, что значительно превышает влагопоглощение PEEK предотвращает отек, который может вызвать связывание в зонах брызг морской воды.

Гибкие резцы и Umbilicals

Гибкие трубы переносят нефть и газ с морского дна на платформу, требуя слоев полимерных оболочек для предотвращения коррозии и коллапса. Полиэтилен высокой плотности (HDPE) и сшитый полиэтилен (XLPE) являются обычными внутренними вкладышами, в то время как внешние куртки часто выдавливаются из термопластичного полиуретана для устойчивости к укусам рыбы и истиранию. В пупочных полимерных трубках гидравлическая жидкость и метанол переносят; их гибкость и усталостная выносливость позволяют им выживать в бесчисленных волновых циклах без трещин. Последние инновации используют нейлон 12 для его низкой проницаемости для газов, таких как CO2 и H2S, необходимых для применения в теплоизоляции. Полимерные слои также имеют решающее значение для теплоизоляции; передовые синтаксические пены, включающие полые стеклянные микросферы в эпоксидных или полиуретановых матрицах, поддерживают гарантию потока в глубоководных восходителях.

Защитные покрытия и накладки

В то время как эпоксидная сплавляющая смесь остается стандартным покрытием для труб, новые полимерные вкладыши из нейлона 11 или полипропилена вставляются в стальные трубы в качестве коррозионного барьера. Эти вкладыши особенно ценны в скважинах для закачки воды, где кислородсодержащая морская вода быстро атакует сталь. Аналогичным образом, оборудование и резервуары с заносом могут быть выложены с помощью полиуреи или фторполимеров, наносимых на брызги, чтобы противостоять агрессивным химическим воздействиям. В зонах брызг, где волны многократно влажные и сухие стали, полимерные обертки с использованием PTFE или PEEK ткани, встроенной в смоловую матрицу, обеспечивают прочный барьер против коррозии и удара. Эти обертки могут быть применены по существующим корродированным поверхностям в качестве модернизированного метода защиты, избегая дорогостоящих структурных замен.

Электрическая изоляция

Высоковольтное верхнее оборудование должно избегать дуги и отслеживания в соленом, влажном воздухе. Эпоксидные смолы и силиконовые полимеры используются для изоляторов для втулки, корпусов распределительных устройств и кабельных окончаний. Подводные электрические разъемы должны выдерживать гидростатическое давление без образования пустот; ПЭЭК и жидкокристаллические полимеры превосходят здесь, потому что они могут быть отлиты в сложные формы без пинхолов. В приложениях с переменной частотой привода (VFD) полимерная изоляция должна выдерживать эффекты частичного разряда, вызванные быстрым переключением переходных процессов. Такие материалы, как полиэтеримид (PEI), набирают тягу из-за высокой диэлектрической прочности и термической стабильности. Тенденция к электрификации морских платформ - с использованием полностью электрических подводных систем управления и электрических погружных насосов - предъявляет повышенные требования к производительности полимерной изоляции при высоких напряжениях и давлениях.

Преимущества перед традиционными металлами

Переход от металлов к полимерам в некритических компонентах обусловлен несколькими убедительными факторами. Во-первых, снижение веса является драматическим - ПЭЭК составляет около одной шестой веса стали, что облегчает обработку, снижает структурную нагрузку и упрощает установку на плавучих платформах. Во-вторых, преимущество в стоимости жизни является значительным: устранение материалов, допускающих коррозию, окраску и катодные системы защиты экономит миллионы на протяжении срока службы поля. В-третьих, полимеры позволяют консолидировать детали; сложная металлическая сборка часто может быть заменена одним литьем в форме впрыска полимерной детали, уменьшая запасы и потенциальные пути утечки. Наконец, присущее вибрационное демпфирование полимеров снижает шум и усталость в динамическом оборудовании, таком как компрессоры и насосные базы. Эти преимущества усиливаются в глубоководных плавучих системах, где каждая тонна сэкономленного верхнего веса позволяет увеличить полезную нагрузку или уменьшить размер корпуса.

Проблемы и соображения

Несмотря на их прочность, морские полимеры требуют тщательной инженерии. Они, как правило, дороже на килограмм, чем углеродистая сталь, хотя затраты на жизненный цикл обычно меняют это уравнение. Коэффициенты теплового расширения могут быть в пять-десять раз выше, чем сталь. УФ-деградация, в то время как управляемая с углеродным черным или химическими стабилизаторами, требует внимания для открытых верхних компонентов. В газовой службе высокого давления должны быть выбраны полимеры с низкой проницаемостью, иначе небольшие молекулы могут проникать и вызывать волдыри при быстром высвобождении давления. Стандарты, такие как NORSOK M-630 и API 6A/17D квалификационные испытания необходимы для обеспечения того, чтобы выбранный полимер соответствовал всем механическим, термическим и химическим требованиям. Кроме того, поглощение влаги может ухудшать механические свойства в некоторых полимерах, таких как полиамиды, поэтому сорта с низким потреблением воды предпочтительны для подводных применений. Долгосрочное старение полимеров при одновременном воздействии тепла, химических веществ и стресса по-прежнему является активной областью исследований, и

Тематическое исследование: резервные кольца PEEK в скважинах Deepwater Gas Wells

Оператор в Мексиканском заливе испытывал отказы уплотнения в подводных уплотнительных соединителях после повторных циклов давления. Оригинальные резервные кольца PTFE выдавливались в зазор зазора под давлением 15 кси, что приводило к выдуванию колец O-кольца. Инженеры заменили резервные кольца с 30%-ным усилителем из стекловолокна марки PEEK. Кольца PEEK переносили то же давление без экструзии, даже после 200 циклов давления / температуры. Уплотнение уплотнения оставалось герметичным в течение дополнительных восьми лет службы. Модификация стоила примерно 500 долларов за уплотнение, но избегала вмешательства скважины, которое превысило бы 20 миллионов долларов. Этот пример подчеркивает непропорциональное повышение надежности, которое может обеспечить небольшая модернизация полимера. Оператор позже стандартизировал резервные кольца PEEK во всех глубоководных завершениях, уменьшая общие показатели отказа уплотнения более чем на 90%.

Стандарты испытаний и квалификации

Перед тем, как полимер может быть развернут на шельфе, он должен пройти строгие квалификационные испытания. API 6A и API 17D определяют тесты на уплотнительные материалы, включая циклические испытания RGD, циклические испытания температуры и испытания на выносливость в моделируемых условиях обслуживания. Стандарт NORSOK M-710 обеспечивает всеобъемлющий квалификационный протокол для неметаллических материалов, используемых в кислой службе, охватывающий отек, изменения твердости и потерю веса после воздействия среды H2S. Для подшипников и износостойких прокладок тесты ASTM G99 (pin-on-disk) измеряют трение и износ в сухих и смазанных условиях. Операторы также используют анализ конечных элементов (FEA) для моделирования распределения напряжений в полимерных компонентах, гарантируя, что они остаются в пределах упругих пределов материала при максимальной нагрузке. Комбинирование физических испытаний и моделирования дает уверенность для оффшорного развертывания. По мере того, как новые полимеры выходят на рынок, операторы все чаще полагаются на сторонние лаборатории для проверки производительности перед полевыми испытаниями.

Будущие инновации в морских полимерах

Исследования подталкивают морские полимеры к еще большим крайностям. Аддитивное производство (3D-печать) запчастей PEEK и UHMWPE теперь позволяет быстро создавать прототипы и по требованию, сокращая время свинца для отдаленных морских мест. Самоисцеляющиеся полимеры, которые содержат микрокапсулы целебных агентов, высвобождаемых при растрескивании, тестируются в приложениях для нанесения покрытий. Био- и перерабатываемые полимеры выходят на рынок для достижения целей устойчивого развития, хотя их квалификация для обслуживания углеводородов высокого давления все еще находится на стадии разработки для критических мест уплотнения и мониторинга температуры, обеспечивая данные о целостности в реальном времени. По мере того, как морские исследования перемещаются в более глубокие и более кислые резервуары, роль высокопроизводительных морских полимеров будет только расширяться. Нанокомпозиты - где углеродные нанотрубки или графен диспергируются в полимерной матрице - показывают перспективы для повышения как механической прочности, так и свойств газового барьера. Синергия между материаловедением и цифровыми двойниками может вскоре позволить

Заключение

Высокопроизводительные морские полимеры больше не являются экзотическими альтернативами; это стандартные инженерные материалы, которые решают проблемы коррозии, веса и усталости по всей морской цепочке создания стоимости нефти и газа. От подводных соединителей до верхних подшипников, PTFE, PEEK, UHMWPE и полиуретановые системы расширяют интервалы обслуживания и защищают окружающую среду. Понимая конкретные свойства и пределы применения каждого семейства полимеров, операторы и дизайнеры могут значительно повысить надежность платформы при одновременном снижении общих расходов. Морская полимерная революция уже идет, и ее продолжающаяся эволюция обещает еще большие достижения в области безопасности, эффективности и устойчивости для морской промышленности. По мере перехода к энергии эти полимеры также найдут свое место в возобновляемых морских установках, включая плавучие ветровые турбины и преобразователи энергии волн, гарантируя, что опыт, накопленный в нефти и газе, остается ценным на десятилетия вперед.