Til hovedinnhold

Seige materialer for Arktis

Seige materialer for Arktis

Publisert 31. desember 2014
Olje- og gassutvinning i 40-60 grader minus, krever at forskere videreutvikler materialer så de kan tåle mye juling.
Main intro image
I ugjestmilde områder lenger nord må stålkonstruksjoner tåle temperaturer ned til minus 60 grader. Til det er dagens materialer for lite robuste. Foto: Ragnhild Lundmark Daae.

Oljeindustrien er på vei nordover. 30 prosent av gjenværende gass og 13 prosent av gjenværende olje er ment å ligge i Arktis. Det snakkes om milliarder.

På Snøhvit og Goliat bygges det for minus tjue grader. I ugjestmilde områder lenger nord må stålkonstruksjoner tåle temperaturer ned til minus 60 grader. Til det er dagens materialer for lite robuste. Når temperaturene synker under 20 grader, blir stålet sprøtt og kan knekke.

Tester – og atter tester

Seniorforsker Odd Magne Akselsen leder gjengen på SINTEF Materialer og kjemi som skal klare å høyne materialenes motstand mot brudd. Tanken er å få fram presise matematiske modeller, forutsi egenskaper i materialet og gjøre endringer. Til dette trenges det mye informasjon på mikro- og nanonivå.

–  Det er to forhold, sier Akselsen. –Seigheten i materialet- selve motstanden mot brudd, går dramatisk ned når det blir minusgrader. I tillegg er det slik at stålplater til en plattformkonstruksjon må sveises sammen. Og etter sveising – der hastigheten på oppvarming og avkjøling er veldig høy, oppstår det lettere sprekker, sier Akselsen.

Fakta:

  • KMB-prosjektet "Artic Materials" 2008-2012. SINTEF, NTNU og en rekke selskaper innen olje- og gassindustrien deltok. Støttet av Forskningsrådet. Budsjett: Ca. 65 millioner.
  • Oppfølgingsprosjekt 2013-2018. Støttet av Forskningsrådet. 18 industripartnere deltar. SINTEF er prosjektleder, NTNU har ansvar for dr.grader og mastergrad. Mål: Etablere kriterier og løsninger for bruk av materialer i arktiske områder.
  • Flg. bedrifter har deltatt i ett eller begge prosjektene: Statoil, ENI Norge, Total E&P Norge, Lundin, Scana Steel Stavanger, Trelleborg Offshore, Bredero Shaw; GE Oil & Gas, Aker Solutions, Kværner Verdal, Miras, Technip, JFE Steel Corp., Nippon Steel Corp.; Brück Forgings, Posco, SSAB (Ruukki Metals), Kobe Steel, FMC Kongsberg Subsea, Nexans, Borealis, Hydro, Sapa og Marine Aluminium.

Og en sprekk er farlig?
– En sprekk kan føre til sprøtt brudd der materialet brekker i to i løpet av et par sekunder. Slike brudd er ustabile og umulig å forutse. Og svært farlige; de kan forårsake katastrofale hendelser.
For å unngå dette gjør forskerne utallige forsøk. De legger inn sprekker i sveiser, bøyer og strekker, og studerer små prøver i elektronikkmikroskopet.

Gir sprekken lyd?

Akkurat nå tester forskerne ut en ny teknologi: målinger via akustiske signaler. De monterer sensor og lydhoder på materialprøvene samtidig som de deformerer og strekker dem.

–  Vi registrerer et lite signal når sprekken starter. Det høres ut som glass som knuses. Vi stopper testen ved første antydning, og tar prøven inn i et mikroskop for å se hvor signalet kommer fra. Selv om det kan skje i et lite korn på noen mikrometer, forstørrer vi alt opp og kan greie å se hvor mikrobruddet startet.
Og så?
– Jo, da kan vi finne ut: Hvorfor skjer dette, og kan vi gjøre endringer så det ikke skjer?

En sprekk kan føre til sprøtt brudd der materialet brekker i to i løpet av et par sekunder. Bildet viser et slikt sprøtt brudd. Foto: NTNU.

En sprekk kan føre til sprøtt brudd der materialet brekker i to i løpet av et par sekunder. Bildet viser et slikt sprøtt brudd. Foto: NTNU.

Klikk for å åpne

Seighetskurven må forskyves

Akselsen er nestoren med lang erfaring innenfor materialenes verden. Han er den entusiastiske senioren som også får de yngre forskerspirene i arbeidslaget til å gløde for jobben.
Nå snakker han mye og lenge om “seighetskurven” eller “omslagskurven” som betegner temperaturlinja der materialet endrer seg fra å være bestandig til å bli sprøtt.
–  Denne kurven må vi på et aller annet vis få flyttet nedmot lavere temperaturer. Et utrolig komplisert arbeid, men vi har tro på at vi skal få det til.

At NTNU deltar i prosjektet med en rekke doktor- og mastergrad-studenter, er et stort pluss, og Akselsen kan fortelle at en kvinnelig masterstudent nettopp har lykkes i å legge en sprekk akkurat der forskerne ønsket i et testmateriale på bare noen få mikrometer.

– Dette er utrolig verdifullt. Da vet vi hvordan den sprø fasen vil oppføre seg under deformasjon. Når vi undersøker den lokale styrken og seigheten på dette nivået, kan vi også utvikle mer nøyaktige modeller som kan forutsi uønskede hendelser, opplyser han.

Aluminium testes også

I prosjektet det arbeides med nå, skal også aluminium testes som passende materiale for nordområdene.

Aluminium kan benyttes i boligmoduler, gangbruer og trapper på plattformene. Siden aluminium også er lettere enn stål, kan det gi store vektbesparelser når subsea-deler skal transporteres fra fastlandet og opp til Arktis.
Mye er ennå uløst. Det forskerne vet er at det trenges bedre kvaliteter når oljeindustrien skal nord for Goliat.

–På grunn av kulden kan man risikere at bare 80 % av styrken i dagens stål utnyttes. Om vi skal greie å dra seighetskurven ned til minus 50 C, må grunnmaterialet endres for å ha nok seighet å gå på, konstaterer Akselen.
Dagens jobb er å bygge opp kunnskap, testmetoder og testresultater. Dette vil bli et verdifullt grunnlag som gass- og oljeindustrien kan styre etter.

Denne saken er hentet fra Gemini.no - Forskningsnytt fra NTNU og SINTEF

Seniorforsker