Affordable Composites in the oil and gas industry

Affordable Composites-prosjektet hjelper olje- og gassindustrien med å takle dagens økonomiske situasjon. Komponenter og prosesser må bli billigere for å være konkurransedyktige med dagens oljepriser. Komposittmaterialer har overlegen korrosjonsmotstand, er lette, lett formbare og har høy styrke per vekt. Disse egenskapene kan brukes til å utvikle løsninger som har redusert installasjons- og vedlikeholdskostnader betydelig. I noen tilfeller er kompositter en muliggjørende teknologi som gjør det mulig å installere dypvannsapplikasjoner eller undervannsbehandling. Til tross for disse fordelene har olje- og gassindustrien vært treg med å ta i bruk kompositter. Årsaken er at prosjekter der kompositter blir brukt har en tendens til å være treg, kostbar og krever betydelige ressurser for å utføre den nødvendige langvarige testing for å demonstrere at de er pålitelige og trygge å bruke. Målet med dette prosjektet er å utvikle simuleringsverktøy som vil redusere kvalifiseringskostnadene for komposittmaterialer betydelig. Modellene og prosedyrene vil være basert på modifikasjoner av eksisterende vitenskapelige og ingeniøriske modeller kombinert i en bredere simuleringstilnærming ved bruk av flerkalamodellering. Verktøyene vil bli testet eksperimentelt for å bekrefte at de vil fungere i typiske offshore-miljøer og applikasjoner. Videre vil nye prosesser og prosedyrer bli utviklet for å tillate bruk av modellforutsigelser av materialegenskaper i design og kvalifiseringsprosessen for komposittkomponenter. De detaljerte målene for prosjektet er: * Å utvikle simuleringsmetoder som kan forutsi langsiktig ytelse for kompositter basert på materialmodeller som inneholder grunnleggende fysiske prinsipper som bare krever et lite eller redusert antall småskala tester. Dette vil være en betydelig forbedring av dagens situasjon. * Å utvikle en kvalifisering ved simuleringsprosedyre som vil skissere krav til testing og modellering og hvordan håndtere usikkerhet i materialmodellene. * Å utvikle en modelleringsprosedyre for å gi veiledning om hvordan man bruker de nye materialmodellene på utvikling av komposittkomponenter. * Å identifisere de viktigste kostnadsdriverne innen komposittteknologi. Kostnadsmodellering vil bli gjort for å fokusere utviklingsarbeidet på områdene der de største kostnadsbesparelsene kan gjøres. Prosjektet ble avsluttet i januar 2020 med følgende leveranser * En DNV GL-retningslinje er publisert som hovedleveranse fra prosjektet. * En numerisk modell for estimering av diffusjon av væsker i komposittlaminatet er utviklet og validert mot eksperimentet. * En kostnadsanalyse av kvalifiseringen av komposittrør for offshore-applikasjon er utført hos DNVGL. * Statiske og utmattingsforsøk ble utført på Glass / Epoxy-materiale for å verifisere resultatene fra de prediktive modellene. * Rundt 1000 testprøver ble mottatt fra Evonik fra Tyskland og testes ved NTNU for validering av modellene. * DNV GL utviklet et sannsynlig Bayesian nettverk for å forutsi ytelsen til komposittmateriale offshore. Nettverket kan brukes til integritetstyring av sammensatte strukturer offshore. * En retningslinje som vedlegg til DNVGL-ST-F119 og DNVGL-ST-C501 er under utvikling hos DNV GL. * Karbon / PVDF, Glass / PE og Carbon / PEEK materialer vil bli levert av Solvay, Arkema, Evonik testet ved NTNU.

Fiber reinforced polymers for a long time have been considered as an alternative to metallic materials such as steel. Even though the cost saving potential from composite materials is expected to be substantial in the offshore industry, their utilization has been limited and very slow. In the Affordable Composites project, we have been targeting problems related to excessive full-scale testing cost and time as well as environmental effect on composite materials offshore. During the project various methodologies and models for the assessment of effect of environmental exposure and long-term loading have been developed. The development of such models was the result of a working group including NTNU with two PhD student and one test engineer and the industrial group of 17 industrial participants across the value chain of composite components in the oil and gas industry. The results from the project have been published in 37 publications including magazines, journals and conferences.

This innovation will remove a bottleneck for cost efficient exploration of extreme fields, such as arctic, deep water and marginal fields. It will allow using composite materials for such fields in a cost efficient and safe way. The Norwegian offshore industry is world leading in exploring extreme fields, because many such fields are found the Norwegian sector and the experience has been applied to the export marked. Using composite materials (fibre reinforced plastics) in extreme fields has been identified as providing great benefits due to their corrosion resistance, lightweight, easy formability and high strength per weight. This can substantially reduce installation and maintenance costs. In some cases, such as deep water risers (flexible and catenary) composites can become an enabling technology or can provide much simpler solutions without the need of buoyancy. Due to their anisotropy, composites can also be made into strong and at the same time flexible materials to be used in flexible pipes, umbilicals, jumpers, subsea cables, drill pipes etc. Even though composites have all these benefits, they have not been used by the oil and gas industry as much as in other industries. The reason is that projects applying composites are too expensive and composites apparently good properties are difficult to measure and document for the harsh conditions of an oil field. The innovative idea here is: - The main cost driver for using composites offshore is not the pure material costs, but it is the long and complicated qualification process. - Qualification by simulation, based on fundamental science and technology, can substantially reduce the qualification costs.