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応用

オフショアアプリケション用チタン
Dec 09, 2016

バックグラウンド


海水、汽水および汚染水、および石油精製環境におけるチタンおよびその合金の優れた性能は、近年、海上の石油およびガス産業によって十分に活用されている。 現在、ノルウェのノルウェのセクタでは、オフショアのチタンおよびチタン合金の数と種類が指数関数的に増加しています。

20年前の塩素化システムや熱交換器で使用された数百キロ以下から、チタンの総消費量は現在数千トンを超えており、新しいプロジェクトごとにチタンの使用量が前の表1よりも高くなる可能性があります。鋼の問題、特に隙間腐食は、低圧バラスト、火およびサビス給水配管のためのチタンの使用によって排除されている。 トップサイド配管の一般的な消費量は、1台のプラットフォムにつき50〜150トンです。

オフショアアプリケションでチタンを使用する理由

3つの主な要因が、オフショアエンジニアによる材料選択のこの劇的な切り替えを引き起こしました。

第1に、ステンレス鋼および銅ベスの合金の非常に破壊的な欠陥が増加するにつれて、実行可能な最低のライフサイクルコストで、プラントの安全性および環境保護のための懸念が高まった。

第二に、チタンは引き続き競争力のある比較的安定した価格で提供され続けており、これにより、製造業の拡大とオフショア産業で必要とされるパイプ、継手、システムなどの幅広いチタン製品の供給能力が支えられています。 1990年以来、15人のノルウェの工作機械が、機械加工、曲げ、溶接のすべての面で熟練するために、比較的短時間でしかチタンを供給する能力を開発していない。 薄肉チタン配管の冷間曲げの開発は、チタンシステムの全体的な競争力を画期的に向上させました。

チタンの仕様と使用の増加の第3の要因は、チタニウムのコストを効果的に特定して使用するという実用的な側面と共に、チタンが独自に保有するプロパティの有用な組み合わせを設計エンジニアやオフショアオペレタに提供する情報の向上です。 チタン情報グルプは、ノルウェチタン技術フォラムと協力して、この成果に大きく貢献しました。 オフショアの交換費用は、同様のオンショア作業の場合の27倍です。 コスト効率の高い設計、製造、設置、使用と相まって、チタンの仕様は、30年から50年のライフサイクルで設計されているオフショア設備には完全に適していると考えられます。 チタンは頻繁に最初のコストで競争力があり、ライフサイクルコストコンテストでは常に勝者となります。

1994年のElf Petroleum NorgeのFriggプラットフォムのパイロットプロジェクトは、200m×15cm 2MNm -2海水ラインのチタンの設置コストが炭素鋼の20%以下であることを示す結果をもたらした。 冷間曲げの使用は、溶接作業の80%以上を排除した。 曲げやフィッティングが少なくて済み、溶接が少なくなりました。 フランジ付きジョイントは、パイプ端部の冷たいフレアによって作られた。

チタンパイプの重量が軽いため、設置が容易になりました。 設置後の表面処理、ショットブラストおよびチタンの塗装は不要であった。

消防システム

非絶縁薄壁溶接チタン管は、NPD H級炭化水素火災試験に合格しています。 爆発、火災またはその他の災害が発生した場合、チタンの独自の耐衝撃性と耐損傷性が生存可能性を最大限に引き出します(図1)。

図1。 商業的に純粋なチタンから作られたオフショア用のパイプライン。

英国の消火システムメカGrinnellは、冷間曲げを使用して最小限のコストで設置されたすべてのチタンスプリンクラおよび洪水システムの検出器、ノズル、バルブおよび配管を提供しています。 Froy / TCP(Elf Petroleum)、Sleipner West(Statoil)、Troll B and Brage(Norsk Hydro)にチタン消火システムが導入されました。

高圧熱交換器

厚い壁管およびシェル側の冷却水を通すガスを入れたチタン管およびシェル高圧ガス冷却器は、一般に大きく、重い。 ロルス·ラバルがTi合金であるTi-6Al-4Vを用いて開発したコンパクトな熱交換器を使用し、超塑性成形と拡散接合を行うことで、このようなユニットのスペスと重量を大幅に節約できます。 第1のユニットは、管状の対応物の体積の1/10および重量の1/7を占めており、現在は使用中である。


ライザアプリケション

浮動型生産貯蔵およびオフロディング(FPSO)プラットフォムを使用して深海域からの抽出の必要性は、穿孔および柔軟な生産立上げのためのチタン管の潜在的な市場を提供してきた。 今後の開発のためのオフショア分野には、水深が300メトル(1000フィト)を超える多数の場所があります(表2)。

チタンは、多くのエンジニアによって、ガスまたは油の温度が125℃を超えるこれらの水深で動作する柔軟なライザに適した唯一の材料とみなされています。 既存のフレキシブルパイプは、圧力、より高い製品温度または熱サイクルに耐えられません。 深水製造ライザ設計のためのチタン合金の適用は、ライザシステム当たり500トン以上の合金を必要とする。 この用途におけるチタン合金の適格性は、商業的に純粋なチタンおよび低強度チタン合金(300-600MNm -2引張強さ)の圧力クラス150および300に対する現在の制限を除去して、高圧プロセスプラントに読み取られる。

ライザの用途でチタンを使用するという概念は新しいものではありません。 1970年代後半に、キャメロン(現ワイマンゴドン)ヒュストンは、100年の北海波をシミュレトした条件下で、3分の1スケルのチタン合金応力継手を試験しました。 フルスケルのテパ応力継手が、1987年にグリンキャニオンのメキシコ湾に供給された。プラシッドオイルは1989年に回収された。

このサビス期間の簡素化にもかかわらず、設置には1988年に2週間以上続いた湾曲ルプ電流の発生による100年の波浪負荷にさらされる最も厳しい試験条件はなかった。チタン合金継手は損傷を受けずに生き延びた1995年7月にEnserchのために改装され、オフショアに設置された.Oryx Neptune分野のTi-6Al-4Vテパ応力継手について、さらに実質的な命令が出された。

耐食性

チタンは、オフショアで発生したすべての生成された流体と、少数の生成されていない流体を除き、すべて抵抗します。 ダウンホルの使用に適したチタン合金は、すべての無酸素状態で完成した流体に適合しています。 サワサビスに適したチタン合金は、空気混入および脱気された塩化物含有水(例えば、海水および塩水)中の孔食および応力腐食割れ(SCC)を含む腐食の影響を受けない。

チタンと一緒に使用される酸性化液は、選択においてより注意を必要とする。 全てのチタン合金は、阻害することなく有機酸と適合する。 選択された合金に応じて、塩酸には特別な配慮が必要です。 最も耐性のあるパラジウム含有合金の中には、酸阻害を必要としないものもある。

全てのチタン合金は、非常に希薄な濃度であっても、またpH7以下のフッ化物含有溶液においても、フッ化水素酸によって急速に攻撃される。 通常のHF酸性化が予想される場合、チタンは使用できません。 (チタンライザの使用は、フッ化水素酸の使用を禁止し、チタンの下穴および上面の適用のさらなる機会を提供する。)

メタノルは、チタン合金中でSCCを引き起こす可能性のある特殊な環境および媒体のうちの1つである。 チタンの不具合は乾燥メタノル中、メタノル/ハライドおよびメタノル/酸混合物中で発生している。 歴史的には、商業的に純粋なチタンに対しては、おそらく最も厳しい条件(市販の純度が使用温度または動作圧力のために使用されない可能性が最も高い)に対して、2%の最小含水率が推奨されている。 最近では、オフショアで使用されているすべての合金およびすべての予期された条件をカバするために、5%水の改訂推奨が発行されています。

疲労と靭性

滑らかなチタン合金試験片の疲労強度は、典型的には、引張強度値の50%〜60%である。 ノッチ付き試験片試験は、より低い値を与える。 応力集中要因、表面仕上げ性の悪さ、鋭い断面遷移、ブレンドされていない半径およびコナなどを避けるために、設計および製造には常に注意が必要です。

ライザ用途のためにチタン合金に要求される表面品質以上の問題が引き続き発生しています。 現在、生産中に発生する可能性があるすべての裂け目、割れ目、亀裂、亀裂およびその他の欠陥が除去された、非常に高い仕上げ基準を提供することが不可欠であるとみなされている(図2)。

図2. Ti-6Al-4V製の掘削ライザのセクション。Ti-3Al-2.5V製のブスタライン。

腐食疲労は一般にチタンおよびその合金にとって問題ではない。 商業的に純粋なチタンの海水中の疲労き裂進展速度は空気中のそれらに類似しているが、Ti-6Al-4VおよびTi-6Al-4VELI合金の速度は、海水および他の腐食環境において、空気中の速度に比べてわずかに高い。 絶対的な亀裂伝播速度は、特定の合金組成、微細構造、亀裂の方向および荷重によって変化するが、ガルバニックに生成された水素の存在または高められた陰極電位によって増加する可能性がある。 Ti-6Al-4V ELIを含むいくつかの合金は、空気中80 MNm -3/2を超える破壊靱性(K IC )レベルを有するが、海水(K ISCC )および他の攻撃的環境では靱性レベルが低下する。

図3. 種々の条件におけるTi-6Al-4VおよびTi-6Al-4V ELIの典型的なK 1CおよびK ISCC値。

ガルバニック腐食

チタンが混合金属プラントまたは機器に組み込まれている場合、ガルバニ対が存在するか、または生成される場合、通常はカソドである。 ガルバニック腐食を防止または制限するためにオフショアで使用される設計戦略は、非導電性のガスケットおよびスリブボルトの使用によるチタンの電気的絶縁、化学薬品の投与、貴金属の少ない容易に交換された重壁セクションの設置を含む(254SM0、Zeron 100)および高ニッケル合金(インコネル625、ハステロイC)のような、複合材料またはガルバニックに近い合金、例えばオステナイトおよびデュプレックス鋼を含むモリブデンに結合することができる。

いくつかのオペレタは、陰極/陽極比を減少させるために露出したチタン表面を被覆している。 ベス金属の潜在的陰極保護の可能性は、-0.8V SCEを超えてはならない。 同様に、抵抗制御の対象とならない場合の犠牲アノドは、-0.8V SCE未満の負電位を生成するように選択する必要があります。 重要なチタンの領域が鋼の海底に取って代わる場合、陰極保護システムの見直しが不可欠です。 耐環境性の低い金属のガルバニック腐食は、条件が水素の吸収をもたらす場合、カソドとしてチタンに有害である可能性がある。 水素吸収は、以下によって引き起こされるか、または悪化する可能性があります。

·耐腐食性の低い金属へのチタンのカップリング

電位を生成する陰極保護システム:-0.8V SCE

·吸収が生じている場合の引張荷重または残留応力

pHが3未満または12を超えると、摂取のリスクが増加する

·アノドでの腐食の増加およびカソドでのより高い水素活性を引き起こすより高い温度

硫化水素。これは、陰極電位の存在下での水素摂取を促進する。

結論

前述のことから、オフショア産業における石油およびガス製造設備の確立された場所でチタンが正当に勝利したことは明らかである - 低圧および高圧の水および製品配管、熱交換器、船舶および補助装置。 深い水田の開発には、柔軟なライザとしてのチタン管の使用が必要であり、作業は環境のパラメタを完全に把握し、アプリケションで確実に実行できる潜在的な候補範囲から合金を特徴付けるために、 迅速で積極的な進歩は、相当量の集中的な投資プログラムによって大きく助けられ、現時点で資源とモチベションの両方を持っているチタンの使用による管状企業と受益者のエンドユザとしての石油会社自身であるそのレベルの投資をする。