Subsea application of the Quickflange cold flanging technology

Innledning Quickflange har utviklet og leverer rørkoblinger til industrien som kan sammenføyes permanent til rør uten bruk av sveising eller annet såkalt varmt arbeide. Aktører med behov for sammenføyning av rør under vann har sagt at en tilsvarende kobling vil være ettertraktet til bruk Subsea, da sveising på havbunnen er svært komplisert og kostnadskrevende. Quickflange søkte derfor om støtte til å utvikle teknologien til også å kunne benyttes på havbunnen. Dette for å skape et nytt ben for bedriften å stå på, samt å bidra til et mer kostnadseffektivt og tryggere vedlikehold og beredskap ved lekkasjer på undervanns rørsystemer gjennom ny teknologi for sammenføyning av rør på havbunnen. Hovedproblemstillinger Quickflange sine eksisterende koblinger var godkjent for opp til 20 bars trykk, små rør og for bruk til et begrenset antall ikke farlige væsker. Rørsystemer på havbunnen har et innvendig trykk på flere hundre bar, er store i diameter, inneholder farlige væsker og gasser, og utsettes for større krefter. En mye dypere forståelse av de mekaniske prinsippene i koblingen måtte utvikles for å kunne lage koblinger som kan brukes på slike rør. Mål med utviklingsprosjektet var: - Utvikle teknologien for å kunne lage koblinger som tåler testtrykk på minst 750 bar - Utvikle teknologien til å kunne lage koblinger opp til 16" i størrelse - Metoden, verktøy og kobling må i tillegg - utvikles for å unngå at vann i hulrom hindrer sammenføyningsprosessen - muliggjøre fjernstyrt sammenføyning - tåle sjøvann og katodisk beskyttelse uten å forringes Funn / Resultater Ved å benytte egenutviklet metodikk for beregningsprogrammet Abaqus med eksplisitt løsning har det lykkes med å analysere sammenføningsforløpet til tross for store lokale plastiske deformasjoner i materialene. Dette har økt forståelsen for koblingen og rørets interaksjon når metallene deformeres elastisk og plastisk mot hverandre, for metallets elastiske tilbakefjæring etter plastisk deformasjon, gjenværende spenninger i sammenføyningen og resultatet med hensyn på tetthet og mekanisk styrke. Dette har igjen muliggjort utvikling av teknologien til å klare kravene til sammenføyning av rør på havbunnen. Utviklet metodikk for ikke lineær finit element analyse er kalibrert ved fysiske tester utført ved Universitetet i Agder, Sintef i Trondheim og internt hos Quickflange AS. Den første publikasjonen i prosjektet basert på dette arbeidet har tittelen "FEM simulation of cold deforming pipe into flange" og publikasjonen er et såkalt konferanse-paper til "The 26th Nordic Seminar on computational mechanics" den 23-25 oktober 2013. Artikkel nr 2 i prosjektet er publisert i Journal of Material Processing Technology den 16. januar 2015. Tittel er "Numerical and experimental verification of new method for connecting pipe to flange by cold forming". Vi har lykkes i å utvikle koblinger som i test har motstått indre rør trykk på 1200bar. Vi har utviklet koblinger for opp til 14" (diameter 35cm) rør, og mener prosjektet gjør oss i stand til å lage enda større koblinger. Vi har testet tetthet med hensyn på gass med godt resultat. Vi har utviklet ulike metoder for å unngå problemer knyttet til hydrostatisk låsing under sammenføyningsprosessen. En er å skille tetting og mekanisk grep og da kunne ventilere ut vann fra hulrom. En annen er å fylle hulrom med spesielt material som ikke komprimeres av omgivende vanntrykk, men kollapser under sammenføyningsprosessen. Kontakttrykk mellom glidende deler i verktøyet på opp til 2 GPa (20 000 kg/cm2) gjør at vanlig friksjonsteori ikke uten videre kan brukes. Vi har utført friksjonstester og analyser hos Sintef for å fastlegge friksjonen. Utfordringen i forhold til korrosjon er løst i konsultasjon med Professor Roy Johnsen ved NTNU. For eksempel problem i forhold til hydrogens innvirkning på høyfaste komponenter i koblingen under katodisk beskyttelse, har blitt løst ved at disse komponentene ikke belastes etter at koblingen er ferdig installert. En belastning det må testes for før bruk i kritiske systemer er trykkpulser. Sintef har utviklet testutstyr for å utføre slik testing med hensyn på trykkpulser og har så utført trykkpulstesting på en protyp Quickflangekoblingen med godt resultat. Dette demonstrerer koblingens egnethet i forhold til kritiske rørfluider som f.eks hydrokarbon gass. Vi har levert en prototyp undervannskobling for 4" rør for testing hos mulig fremtidig kunde, PTTEP Australasia i Australia. Denne ble testet hos oss til et trykk på 940 bar for deretter å bli sent til PTTEP. Vi har fått eksperthjelp fra, og arbeidet med Statoils PRS base på Killingøy. PRS er et senter for teknisk beredskap i forhold til reparasjoner på undervanns rørledninger i Nordsjøen. Etter deres krav har vi utviklet og testet med godt resultat en prototyp undervannskobling for et aktuelt rør i Nordsjøen.

The underlying idea of this project is to develop a faster and more cost effective method for attaching flanges to pipes subsea. This is to be achieved by developing the Quickflange cold-flanging technology of standard flanges for subsea use. The projec t goal is to be reached through research on materials properties of metals. In particular, the forces generated by the difference in spring-back effect in the pipe and flange after linear and non-linear elongation, occurring when the external forces from the hydraulic tool is released. The results from this research are to be used to extend the flanging method for pipe pressures and diameters commonly found subsea. In combination with development of tools and methods for use subsea and field tests with di vers and ROVs, subsea use of the Quickflange technology will be enabled. The main collaboration partners are The University of Agder (UiA), Det Norske Veritas, SINTEF, The University of Stavanger (UiS) and The National Hyperbaric Centre and Petrobras. T he results will have a significant impact on time consumption and costs incurred by all pipeline construction, intervention, and maintenance operations subsea. It will result in a new way of thinking when working with pipes subsea, as the operation will b e less complex, improve safety through reduced use of divers and the costs of carrying contingency equipment. This project primarily addresses Technology Target Area 7: Deepwater, subsea and Arctic production technology; Priority Area 2: Development of n ew systems for subsea installation, inspection and maintenance of equipment and pipelines, but the implications of the project are also relevant for TTA9: Health, safety and the work environment.