Fundamental studies of materials behaviour for future cold climate applications

Den norske olje og gassindustrien har basert aktivitetene blant annet på NORSOK standardene som omfatter driftstemperaturer ned til -14 °C. Denne industrien har 40 års erfaring med operasjoner i Nordsjøen og Norskehavet. Fremtidige opeerasjoner i arktiske strøk wil imidlertid kunne gi større materialutfordringer på grunn av lave temperaturer og relativt store deformasjoner relatert til store temperaturvariasjoner. Komponenter og konstruksjoner kan i tillegg bli påvirket negativt av høye laster på grunn av ising eller bevelige isfjell. SMACC-prosjektet ble derfor initiaert med formålet å utvikle robuste materialer og løsniinger for bruk i Arktis. Et konsortium bestående av de viktigste industriaktørene er satt sammen for å nå dette målet. Følgende resultater er oppnådd: - Utdanning: 6 PhD-studenter har vært involvert, hvorav 5 av dem er fullt finansiert, og 1 delfinansiert. I tillegg har 20 masterstudenter vært tilknyttet. 14 av dem har hatt sommerjobb i prosjektet. - Publisering: Totalt er 33 artikler publisert i vitenskapelig tidsskrift med referee-ordning. I tillegg er det presentert 36 publikasjoner på internasjonale konferanser. - Database: Det er etablert material database som inneholder alle prosjektets testresultater. Mer enn 2000 datasett er lagt inn. Databasen har også avanserte modeller som gir mulighet for postprosessering av data. - Retningslinjer for design og materialbruk i arktiske strøk. Disse retningslinjene bygger på kompetansen som utvikles i prosjektet og tillater rask implementering til brukerne i industrien. Retningslinjene omfatter både stål og polymer, men aluminiumlegeringer er allerede dekket av Eurocode 9.. - Både numerisk og eksperimental tilnærming i multiskala. Mange modeller er utviklet i prosjektet, blant annet for å estimere hvordan flytegrense og strekkfasthet varierer med temperatur i området fra romtemperatur og ned til -90°C, virkning av temperatur eller flytegrense på sprekkvekst under utmattingspåkjenning, samt virkning av geometrisk restriksjon, mikrostruktur og temperatur på bruddseighet. - Resultatene for stål er basert på et omfattende program som inkluderer 13 ulike stål og mer enn 20 sveiser som er undersøkt på forskjellige skal, fra nanomekanisk testing og karakterisering ved hjelp av elektronmikroskop til fullskala bruddmekaniske prøver. - Polymerer og polymerbelegg: Det er utviklet nye gummityper som har gode mekaniske egenskaper ved lave temperaturer (-60 °C). Virkning av tøyningshastighet og temperatur på egenskapene er undersøkt I strekk og kompresjon for både gummi modifisert polypropylen kopolymer (PP) og tverrbundet polyetylen (XLPE). Resultatene viser en betydelig økning av elastisitetsmodul og flytespenning når temperaturen faller til -30°C. - Aluminiumlegeringer: Testresultatene her viser at viser at Eurocode 9 er alt for konservativ med hensyn til reduksjon i fasthet i HAZ for tykke konstruksjoner, dvs. standarden omfatter ytterligere 20% styrkereduksjon for platetykkelser over 15 mm. Dette kravet bør derfor fjernes fra standarden. Fastheten I HAZ øker relativt I forhold til grunnmaterialets når platetykkelsen øker. Flytegrensen ved -60°C er på samme nivå som den ved romtemperatur.

The Norwegian oil and gas industry have 40 years of experience from exploration in the North Sea. This experience has also lead to development of national standard such as NORSOK. Unfortunately, NORSOK covers the temperature down to -14°C, which does not account for cold climates such as those typical for arctic regions, where the temperature may fall well below -40°C. In the Arctic, there will be no long time frame to arrive at safe and robust criteria based on empirical input from experience, and one mu st strive for knowledge-based criteria to be applied from "day one". The challenge is twofold; (i) a knowledge basis must be built concerning actual materials and their response to low temperature, and (ii) specifications must be developed for robust design and use of materials and structures. In order to meet these challenges, a new project is proposed to build an arctic materials technology platform due to the need for: (i) Realistic risk assessment and management, (ii) Development of design tools and d esign codes, (iii) Tailoring of new materials for structural or functional (e.g. ice phobic) properties, and (iv) Innovation and design of cost-effective, safe, lightweight, multi-material, structural solutions. Through establishing such platform, the pre sent SMACC project will be essential contributor in the development of special arctic exploration technology. SMACC will educate 6 PhDs, where 5 are fully financed. In addition, 20 MSc students have been involved in the project, tother with 2 foreign students for internships. 10 MSc students have has summer jobs in the project. So far, SMACC has resulted in 21 papers in international journals with perr review, and 34 papers in international conferences with proceedings. A material database has been established with post-processing options (e.g., calculate the characteristic fracture toughness and scatter). Numerous testing of industrially produced welds of different steels have been performed and integrated in the database. Modelling has been focused to achieve prediction options for temperature effects on strength, fatigue properties in terms of crack growth and fracture toughness. candidate polypropylene materials for thermal insulation coatings have very good mechanical properties at low temperatures. For the aluminium part, preliminary results from advances in welding of aluminium alloys may imply that the strength loss in the heat affected zone may be reduced from say 50 to 30%. This is a huge benefit and makes aluminium alloys interesting candidate for many structural applications. Moreover, rubber materials intended for fire protection and thermal insulation have been tested at temperatures below the glass transition, and mechanical properties remained sufficient. A material for soft seals (HNBR) has been demonstrated to maintain properties after repeated cycling through the glass transition temperature. Finally, long-term cold-crystallization has proven to influence mechanical properties in a negative way. However, the stiff crystalline structure melts quickly at temperatures above 10 degrees Celsius. Heating before handling can therefore restore properties. Thus, cold-crystallization remains a concern only for storage and transportation. Design guidelines have been developed for both steel and polymers. These documents contain specifications on how to test the materials in the temperature range from -10 to -60 degC, as well as the associated requirements, covering the most actual temperatures in the Norwegain part of the Arctic areas. These documents are based on the research outcome in the projects, and represents therefore current knowledge, and are therefore not based upon simple extrapolations using existing standard like NORSOK or similar. All initial primary goals and sub-goals will be accomplished, but few PhDs need prolongation to finish their thesis.