Titan for offshore og marine applikasjoner

Innenfor alle ingeniørfelt, spesielt innen marine og offshore-sektorer, er designere, produsenter og sluttbrukere lettere enn noen gang før til å vurdere titan for et stadig større bruksområde. I dag, med flere tusen tonn titan i bruk offshore, er det mindre sannsynlighet for at gamle – og falske – oppfatninger om kostnader, tilgjengelighet og fabrikasjon enn noen gang vil påvirke ingeniører som tydelig kan se alle de utmerkede fordelene som titan gir til marine og offshore operasjoner. Titan er ikke et "eksotisk" metall, det er relativt billig og allment tilgjengelig. Et stort antall leverandører og produsenter leverer jevnlig komponenter og utstyr til priser som legger vekt på at metallet er enklere og rimeligere å fremstille og sveise enn de fleste legert stål og nikkellegeringer. Faktum er at for sjøvannsapplikasjoner er det ikke noe annet materiale som kan nærme seg, økonomisk eller teknisk, ytelsen som tilbys av titan.

Titan er like sterkt som stål, men likevel 45 % lettere. Den høye styrken, lave tettheten og korrosjonsbestandigheten til titan bidrar positivt til kostnadsreduksjon. Vektbesparelse er av stor betydning for offshoreplattformer. En vektreduksjon på ett tonn toppside sparer mer enn ¬£100,000, NOK 1 million, i stål på undervannsjakken. All oppvekt på halvt nedsenkbare plattformer inkludert strekkbensplattformer (TLP-er) er like kritiske, reduksjonen i hengevekt kan matches med en 3-5 ganger vektreduksjon i plattformstrukturen, flyte- og fortøyningssystemet. På hurtigferger er vektreduksjon en kritisk faktor som bidrar til økt nyttelast og hastighet med redusert drivstofforbruk.

Titan krever ingen korrosjonsgodtgjørelse, så utstyr kan designes for å tilfredsstille minimumskravene til mekanisk styrke og håndtering. Den enestående korrosjonsmotstanden til titan selv i sterkt forurenset sjøvann, offshoreproduserte væsker og alle unntatt noen få ikke-produserte væsker skyldes metallets stabile, seige og permanente oksidfilm. I rennende eller statisk sjøvann ved temperaturer opp til 130 grader, er titanoverflater immune mot korrosjon og motstår erosjon under forhold som forårsaker rask forringelse av andre vanlig brukte metaller og legeringer. Titan er immun mot sprekkkorrosjon opp til minst 70 grader i sjøvann, forhold der enkelte rustfrie stål er begrenset til 10 grader.

Lærdommene av tidligere dyre feil gjort i valg av mindre brukbare legeringer for korrosjonsbestandige oppgaver har blitt godt lært. Offshore er kostnadene ved utskifting flere ganger høyere enn tilsvarende landanlegg. På samme måte øker straffene stadig på militære og kommersielle fartøyer for utstyrssvikt og uplanlagte driftsstans.

Spesifikasjon av titan fra begynnelsen, kombinert med kostnadseffektiv design, fabrikasjon, installasjon og bruk er et grunnleggende element i sikker og pålitelig ytelse. Dette gjelder like mye for skip og andre fartøy, der høy tilgjengelighet og reduserte vedlikeholdskostnader er et vesentlig krav, som for offshoreinstallasjoner som er planlagt for levetid på opptil 70 år. Titan vil ofte være konkurransedyktig på første pris, men vil pålitelig gi de laveste eierkostnadene og alltid være vinneren av livssykluskostnadskonkurransen.

Korrosjonsytelse for titanlegeringer i naturlig og forurenset sjøvann i forhold til andre legeringer

1. Avhengig av forurensningsnivå/sjøvannskjemi
2. Grader 7,11,12, 16,17,20,21,24, 28,29 motstandsdyktig mot minst 200 grader
3. Standard grad 5 har begrenset følsomhet, grad 23 (ELI) har forbedrede K1SCC-verdier

TITANIUM OFFSHORE – AKTUELLE APPLIKASJONER

Antallet og variasjonen av anvendelser av titan og titanlegeringer offshore fortsetter å øke. Fra ikke mer enn noen få hundre kilo i kloreringssystemer og varmevekslere for tjue år siden, nærmer det totale forbruket seg nå tre tusen tonn, hovedsakelig som sjøvanns- og prosessvæskehåndteringssystemer og varmevekslere. Disse store applikasjonene kompletteres av et bredt spekter av diverse oppgaver, mange kritiske for plattformdrift og sikkerhet.

Offshoreingeniører som er bekymret for vedvarende feil i rustfritt stål og kobberbaserte legeringer beregnet for bruk av sjøvann, har i økende grad vendt seg til titan. Titan er tilgjengelig til konkurransedyktige og stabile priser, og det har vært en støttende vekst av erfaring fra fabrikasjonsindustrien og kapasitet til å levere et bredt spekter av titanprodukter, spesielt rør og fittings og systemer som kreves av marine- og offshoreindustrien. Et modent organ av titanprodusenter har lenge eksistert i EC-landene, og betjener det europeiske kjemiske, petrokjemiske og kraftverk samt det voksende markedet for offshore-applikasjoner. Siden 1990 har rundt femten norske produsenter utviklet evnen til å levere titan, og det tar kun relativt kort tid å bli dyktige i alle aspekter av maskinering, bøying og sveising. utviklingen av kaldbøying av tynnvegget titanrør har gitt et gjennombrudd i den generelle konkurranseevnen til titansystemer.

Utvalgte offshore-applikasjoner av titan

På grunn av høy styrke, høy seighet og eksepsjonell erosjons-/korrosjonsbestandighet, brukes titan for tiden også til:

• Ubåtkuleventiler
• Brannpumper
• Varmevekslere
• Skrogmaterialer for nedsenkbare havbåter
• Vannjet fremdriftssystemer
• Propellaksler og propeller
• Eksosstabelforinger
• Marinerustning
• Undervannsmanipulatorer
• Høystyrke festemidler
• Yachtbeslag
• Ombord av kjøle- og rørsystemer
• Mange andre komponenter i skipsdesign.

Den første fiskebåten av titan ble lansert i Japan i 1998. Med en vekt på 4,6 tonn kan det 12,5 meter lange fartøyet reise i 30 knop med forbedret drivstoffeffektivitet. Driftskostnadsbesparelser inkluderer ingen nødvendighet for skrogmaling og enklere fjerning av biobegroing. Den progressive nedbrytningen av glassfiberbåtskrog ved gjentatt begroing og rengjøring er en pågående straff for den japanske kystfiskeflåten.

HØYTRYKKSSYSTEMER

Stigerør, koniske spenningsskjøter, produksjonsrør og foringer, strømningslinjer og lignende høytrykkssystemer gir applikasjoner der, ettersom levetidskravene forlenges og drifts- og sikkerhetskravene blir mer krevende, kan titan overgå stål og ikke-bundne fleksible rør. konseptet med å bruke titan i slike applikasjoner er ikke nytt.

En fullskala konisk spenningsskjøt ble levert til Mexicogulfen for Placid Oil i Green Canyon-feltet i 1987. Skjøten ble hentet i 1989. Til tross for at denne tjenesteperioden var kort, manglet installasjonen ingenting av de mest alvorlige testforholdene , som ble utsatt for 100 års bølgebelastning gjennom forekomsten av Gulf loop-strømmene som vedvarte i over to uker i løpet av 1988. Titanlegeringsskjøten overlevde uskadet på noen måte, og etter en periode med lagring ble den pusset opp og installert offshore for Ensearch ( Garden Banks) i juli 1995. Totalt femten Ti-6Al-4V koniske spenningsskjøter er levert til Oryx Neptune-feltet.
Titanium taper stress skjøter (TSJ) er vanligvis en halv til en tredjedel av lengden, en fjerdedel av vekten og rimeligere enn deres funksjonelle motstykker i stål.

Titan er foretrukket fremfor tyngre og dyrere ikke-bundne fleksible rør der:

• Vektbelastning på fartøyet eller plattformen er kritisk
• Trykk og temperatur på produksjonssiden<125°C
• Større rørdiametre
• Kollapsbegrensninger på dypt vann
• Ytelsespålitelighet og lang service er avgjørende.

Titan er foretrukket fremfor tyngre stivere og mindre korrosjonsbestandige stålrør der:

• Fartøyets bevegelser er store og sjøtilstanden alvorlig
• Tretthet og bøyespenninger er et potensielt problem
• Vortex-indusert vibrasjonstretthet er et potensielt problem
• Vektbelastning på fartøyet eller plattformen er kritisk
• Grunne vann gir høye bøyelaster på stigerør i stål
• Det produseres etsende, varm saltlake og sure væsker.

De pågående funnene av olje- og gassfelt på dypt vann legger økt vekt på utviklingen av en langsiktig teknisk og kostnadseffektiv løsning for stigerørsmaterialer. Interessen er konsentrert om titan for dets gunstige styrkevektforhold, fleksibilitet og lave tetthet. Titan vil ikke påvirke, samhandle med eller forurense det naturlige marine miljøet.

Minimering av vekt er et stadig mer kritisk problem for flytende plattformer etter hvert som vanndybden øker. Utviklingen av komposittstigerør som bruker en titanforing med redusert tykkelse i forbindelse med fiberforsterkning markerer et steg mot ytterligere vektreduksjon sammenlignet med alle metallsystemer

Verdens første stigerør av titaniumlegering (Ti-6Al-4V ELI – ASTM Grade 23) er det 400 meter lange borestigerøret på Heidruns strekkbensplattform. Titan sørger for en betydelig reduksjon av oversidevekten, reduserte strekkkrav og eliminering av oppdriftselementer og de kostbare og tungvinte fleksible skjøtene, begge tradisjonelt brukt med stålborestigerør. Klasse 23 er også den nominerte legeringen for den 711 mm (28 tommer diameter x 670 m) lange fritthengende kombinert gasseksport- og grisutsettingsstigerøret for Asgard-plattformen. Økende temperatur og trykk (Heidrun borestigerør er vurdert til 31 MPa (4500 psi)), og forventningen om at gassen og oljen som utvinnes vil bli "sur" på lengre sikt gjør titan til et svært attraktivt alternativ.Eksisterende ikke-bundet fleksibelt rør kan ikke tolerere de forutsagte høyere produkttemperaturene eller termisk syklus. Utvalget av titanlegeringer inkluderer evnen til å håndtere produkttemperaturer på over 200 grader, og termisk sykling er ikke et problem

Evnen til å resirkulere brukte stigerør med en relativt høy gjenvinningsverdi ved slutten av den planlagte levetiden er en ytterligere bonus i den gunstige livssykluskostnadslikningen for titan.