PETROMAKS2-Stort program petroleum

Fleksible rør brukes for produksjon og transport av olje og gass i offshoreindustrien. Seksti prosent (60%) av den norske produksjonen av hydrokarboner vil på ett eller annet tidspunkt gå gjennom fleksible rør på vei fra reservoaret til forbruker. Rørene har en flerlagsstruktur med armeringstråder og polymerlag. Dersom armeringstrådene blir eksponert for fuktighet og korrosive gasser som CO2, H2S og/eller O2 kan det resultere i korrosjon og skader. Vann og korrosive gasser diffunderer fra senterrøret inn i ringrommet (rommet mellom ytre og indre polymerkappe), eller kommer inn i ringrommet gjennom skader i den ytre polymerkappen som beskytter røret mot direkte eksponering mot sjøvann. Flere hendelser med kritisk korrosjon av armeringstråd har blitt rapportert de siste 20 årene. Noen av hendelsene er relatert til eksponering mot sjøvann, CO2 og oksygen som følge av at det har blitt skader på ytterkappen. Det har også blitt observert tråbrudd knyttet til hydrogensprøhet og/eller H2S-korrosjon. Med økt forsuring i mange reservoarer, noe som også gjelder flere felt på norsk sokkel, er det økende bekymring for miljøindusert spenningskorrosjon. Målet med prosjektet Kjeller Flexible Cracking I (KFC-I) var å etablere grunnleggende forståelse av kjemien i ringrommet og hvordan miljøet i ringrommet påvirker hydrogenopptak og brudd på armeringstrådene. Forskningspartnerne i prosjektet var IFE og NTNU. Prosjektet ble støttet økonomisk og teknisk av flere operatører, leverandører og servicefirmaer. To doktorgradskandidater på NTNU ble finansiert av prosjektet. Mange variabler påvirker kjemien i ringrommet. Blant annet konsentrasjonen av oppløste korrosjonsprodukter, pH, trykk, temperatur, partialtrykk av CO2 og H2S, mulig kontaminering med luft/O2, smørefett på ståloverflatene og organiske forbindelser som frigjøres fra polymerer og plast tape som utgjør en del av annulus. Ringrommet kan ses på som et lukket rom slik at ingen av de nevnte variablene er uavhengige, dvs. at dersom en variabel forandres vil alle de andre variablene også bli endret. Det er utført korrosjonsforsøk for å bestemme hvordan korrosjonsrater og mengden oppløste korrosjonsprodukter endrer seg som funksjon av tid for forskjellige kombinasjoner av variabler. Forsøkene har vist en vedvarende høy overmetning av korrosjonsprodukter ved lave temperaturer, noe som påvirker pH og korrosivitet til vannet. Det er funnet en direkte sammenheng mellom partialtrykket av H2S og mengden oppløste korrosjonsprodukter. Dette refereres til som «the H2S consumption model» og anses som svært viktig for å kunne forutsi levetiden til fleksible rørledninger som opprinnelig ikke er designet for H2S i produktstrømmen, for eksempel dersom det skjer en svak forsuring av reservoaret. Det er også vist eksperimentelt at det er et betydelig forbruk av H2S når stålet er eksponert i en gassfase med 60 ? 100% relativ fuktighet. Forsøk har vist at det er store forskjeller i korrosjonshastigheten til armeringstrådene avhengig av hvilket smørefett som brukes i produksjonen av de fleksible rørene. Dette vil påvirke hvordan det korrosive miljøet utvikles med tiden. Seks forskjellige armeringsstål ble studert i prosjektet. Stålene ble karakterisert med hensyn på mikrostruktur og mekaniske egenskaper. Det ble kjørt diffusjonsforsøk for å bestemme hvordan hydrogen tas opp og diffunderer igjennom de forskjellige stålene ved forskjellige CO2 og H2S konsentrasjoner. Det ble også kjørt korrosjonsforsøk der stålprøvene ble tatt ut etter forskjellig eksponeringstider, for så å bli kjølt ned i flytende nitrogen for å sikre at hydrogenet forble i metallet og deretter analyseres med TDS (Thermal Desorption spectroscopy)/Hot extraction for å bestemme mengden hydrogen og hvordan hydrogenet er fanget i stålet («absorption energy»). Hydrogen som absorberes, vil redusere de mekaniske egenskapene til et material. For å undersøke denne effekten utsettes et materiale for en strekkbelastning sammentidig som man måler tøyningen/forlengelsen i materialet. Ved å sammenligne spennings/tøyningskurvene til et materiale sammen med bruddflatene, kan man si noe om hvordan hydrogen påvirker materialene. Overflatens beskaffenhet ? glatte eller med små kjerver- er en annen viktig parameter. De ulike materialene ble testet på denne måten og forskjellen i resultater ble forsøkt forklart med kjemisk sammensetning, mikrostruktur og fremstillingsmetode. Førsøk både på makro- og nano mekanisk nivå ble gjennomført. Det ble også utviklet en modell som kan benyttes sammen med eksperimentelle data til å beregne kritiske spenninger ved ulike kjerver/sprekker i overflaten (2-D).

The total risk assessment for the Norwegian petroleum activity published by PSA shows that flexible risers are an important contributor to total risk. It is evident that in-depth knowledge related to possible degradation of the flexibles are needed. New understanding of how the corrosive environment in the annulus of a flexible develops with time is an important outcome from the KFC project. The knowledge has already been implemented in the test procedures used for fatigue testing and stress corrosion cracking testing by several vendors and operators. It is also used by IFE and NTNU in spin-off projects addressing fatigue and cracking of armour wires in flexibles. The improved understanding of H2S consumption, particularly in the gas phase, is regarded as very important for safety assessments and for cracking and lifetime predictions of flexibles. The result from the JIP is gaining increased interest amongst the participants and further work on H2S consumption has been proposed.

Flexible pipes are used extensively for production and transport of oil and gas in the offshore industry, and about 60% of the Norwegian production of hydrocarbons is flowing through sections of such pipes on the way from source to sink. The pipes have a multi-layered structure of armour wires and polymer layers that are prone to corrosion and subsequent failures when the armour wires becomes wetted with water containing corrosive gases like CO2, H2S and/or O2. Water and corrosive gases diffuse from the bore into the annulus, or enter the annulus through the outer polymer sheath that protects the pipe from direct exposure to sea water. Several incidents of critical corrosion of the armour wires have been reported over the last 10-20 years. Some of the corrosion incidents are related to exposure to oxygen and CO2 when the outer sheath has been breached. However, incidents with brittle fractures and ruptures typically associated with hydrogen embrittlement and H2S corrosion/cracking have also been observed. With increased souring of many reservoirs, including North Sea fields, there is a growing concern for environmental cracking. The objective of the proposed project is to establish comprehensive understanding of the annulus chemistry and its effect on hydrogen uptake and environmental fracture of the armour wires. This understanding will be used to establish engineering rules enabling operators to identify flexible pipes where hydrogen embrittlement is a potential concern and to quantify the probability of failure. IFE and NTNU are the research partners in the project. NTNU is responsible for the two PhD studies addressing hydrogen uptake, material response and environmental cracking susceptibility. IFE will perform detailed studies of the annulus chemistry that defines the corrosive environment. Material selection will be performed in cooperation with the participants to secure the industrial relevance of the research activities.