Titane pour les applications offshore et marines

Dans tous les domaines de l'ingénierie, en particulier dans les secteurs maritimes et offshore, les concepteurs, les fabricants et les utilisateurs finaux sont plus que jamais prêts à envisager le titane pour une gamme d'applications en constante expansion. Aujourd'hui, avec plusieurs milliers de tonnes de titane en service offshore, les notions anciennes – et fausses – sur le coût, la disponibilité et la fabrication sont moins susceptibles que jamais de porter préjudice aux ingénieurs qui peuvent constater clairement par eux-mêmes tous les excellents avantages que le titane apporte au secteur maritime et maritime. opérations offshore. Le titane n’est pas un métal « exotique », il est relativement peu coûteux et largement disponible. Un grand nombre de fournisseurs et de fabricants fournissent régulièrement des composants et des équipements à des prix qui soulignent que le métal est plus facile et moins coûteux à fabriquer et à souder que la plupart des aciers alliés et des alliages de nickel. Le fait est que pour les applications en eau de mer, il n’existe aucun autre matériau qui puisse approcher, économiquement ou techniquement, les performances offertes par le titane.

Le titane est aussi résistant que l'acier, mais 45 % plus léger. La haute résistance, la faible densité et la résistance à la corrosion du titane contribuent positivement à la réduction des coûts. La réduction de poids est d’une grande importance pour les plateformes offshore. Une réduction de poids d'une tonne sur le dessus permet d'économiser plus de ¬£100,000, soit 1 million de NOK, en acier pour la chemise sous-marine. Le poids total sur les plates-formes semi-submersibles, y compris les plates-formes à jambes de tension (TLP), est tout aussi critique. La réduction du poids suspendu peut être compensée par une réduction de 3 à 5 fois du poids de la structure de la plate-forme, du système de flottaison et d'amarrage. Sur les ferries rapides, la réduction du poids est un facteur essentiel contribuant à augmenter la charge utile et la vitesse tout en réduisant la consommation de carburant.

Le titane ne nécessite aucune tolérance à la corrosion, les équipements peuvent donc être conçus pour satisfaire aux exigences minimales en matière de résistance mécanique et de manipulation. La résistance exceptionnelle à la corrosion du titane, même dans l'eau de mer fortement polluée, les fluides produits en mer et tous les fluides non produits, à l'exception de quelques fluides non produits, est due au film d'oxyde stable, tenace et permanent du métal. Dans l'eau de mer courante ou statique à des températures allant jusqu'à 130 degrés, les surfaces en titane sont insensibles à la corrosion et résistent à l'érosion dans des conditions qui provoquent une détérioration rapide d'autres métaux et alliages couramment utilisés. Le titane est insensible à la corrosion caverneuse jusqu'à au moins 70 degrés dans l'eau de mer, conditions dans lesquelles certains aciers inoxydables sont limités à 10 degrés.

Les leçons des erreurs coûteuses commises dans le passé lors de la sélection d’alliages moins utilisables pour des tâches résistantes à la corrosion ont été bien apprises. En mer, le coût de remplacement est plusieurs fois supérieur à celui d'une installation terrestre similaire. De même, les sanctions ne cessent de s'alourdir à l'encontre des navires militaires et commerciaux en cas de panne d'équipement ou de pannes imprévues.

La spécification du titane dès le départ, associée à une conception, une fabrication, une installation et une utilisation rentables, constitue un élément fondamental pour une performance sûre et fiable. Cela est aussi vrai pour les navires et autres navires, pour lesquels une disponibilité élevée et des coûts de maintenance réduits sont une exigence essentielle, que pour les installations offshore dont la durée de vie est prévue jusqu'à 70 ans. Le titane sera souvent compétitif en termes de premier coût, mais offrira de manière fiable le coût de possession le plus bas et sera toujours le gagnant du concours du coût du cycle de vie.

Performances de corrosion des alliages de titane dans l’eau de mer naturelle et polluée par rapport aux autres alliages

1. Dépend du niveau de pollution/de la chimie de l’eau de mer
2. Grades 7,11,12, 16,17,20,21,24, 28,29 résistants à au moins 200 degrés
3. Le grade 5 standard a une susceptibilité limitée, le grade 23 (ELI) a des valeurs K1SCC améliorées.

TITANE OFFSHORE – APPLICATIONS ACTUELLES

Le nombre et la variété des applications offshore du titane et de ses alliages continuent d’augmenter. De seulement quelques centaines de kilos dans les systèmes de chloration et les échangeurs de chaleur il y a vingt ans, la consommation totale approche aujourd'hui les trois mille tonnes, principalement sous forme de systèmes de gestion de l'eau de mer et des fluides de process et des échangeurs de chaleur. Ces applications majeures sont complétées par un large éventail de tâches diverses, dont beaucoup sont essentielles au fonctionnement et à la sécurité de la plateforme.

Les ingénieurs offshore préoccupés par les défaillances persistantes de l'acier inoxydable et des alliages à base de cuivre destinés à être utilisés dans l'eau de mer se tournent de plus en plus vers le titane. Le titane est disponible à des prix compétitifs et stables et l'expérience et la capacité de l'industrie de fabrication à fournir une large gamme de produits en titane, en particulier les tuyaux, raccords et systèmes requis par les industries maritimes et offshore, ont augmenté. Il existe depuis longtemps un groupe mature de fabricants de titane dans les pays de la CE, au service des centrales chimiques, pétrochimiques et électriques européennes ainsi que du marché en pleine croissance des applications offshore. Depuis 1990, une quinzaine de fabricants norvégiens ont développé la capacité de fournir du titane, ne prenant qu'un temps relativement court pour acquérir des compétences dans tous les aspects de l'usinage, du pliage et du soudage. Le développement du cintrage à froid de tuyauteries en titane à parois minces a permis une avancée décisive dans la compétitivité globale des systèmes en titane.

Applications offshore sélectionnées du titane

En raison de sa haute résistance, de sa ténacité élevée et de sa résistance exceptionnelle à l’érosion/corrosion, le titane est également actuellement utilisé pour :

• Vannes à bille sous-marines
• Pompes à incendie
• Échangeurs de chaleur
• Matériaux de coque pour submersibles des grands fonds
• Systèmes de propulsion à jet d'eau
• Arbres d'hélice et hélices
• Revêtements de cheminée d'échappement
• Armure navale
• Manipulateurs sous-marins
• Attaches haute résistance
• Accastillage du yacht
• À bord des systèmes de refroidissement et de tuyauterie
• De nombreux autres composants dans la conception des navires.

Le premier bateau de pêche entièrement en titane a été lancé au Japon en 1998. Pesant 4,6 tonnes, le navire de 12,5 m (41 pieds) de long peut naviguer à 30 nœuds avec un rendement énergétique amélioré. Les économies de coûts opérationnels incluent l’absence de peinture de la coque et une élimination plus facile des bio-salissures. La dégradation progressive des coques de bateaux en fibre de verre par des salissures et des nettoyages répétés constitue une pénalité permanente pour la flotte de pêche côtière japonaise.

SYSTÈMES HAUTE PRESSION

Les conduites montantes, les joints de contrainte coniques, les tubes et revêtements de production, les conduites d'écoulement et les systèmes haute pression similaires fournissent des applications où, à mesure que les exigences de durée de vie sont étendues et que les exigences opérationnelles et de sécurité deviennent plus exigeantes, le titane peut surpasser les tuyaux flexibles en acier et non collés. Le concept d’utilisation du titane dans de telles applications n’est pas nouveau.

Un joint de contrainte conique grandeur nature a été fourni au golfe du Mexique pour Placid Oil dans le champ de Green Canyon en 1987. Le joint a été récupéré en 1989. Malgré la brièveté de cette période de service, l'installation ne manquait de rien des conditions d'essai les plus sévères. , étant exposé à la charge des vagues pendant 100 ans en raison de l'apparition des courants de boucle du Golfe qui ont persisté pendant plus de deux semaines en 1988. Le joint en alliage de titane a survécu sans aucun dommage et, après une période de stockage, a été remis à neuf et installé au large pour Ensearch ( Garden Banks) en juillet 1995. Au total, quinze joints de contrainte conique Ti-6Al-4V ont été livrés pour le champ Oryx Neptune.
Les joints coniques en titane (TSJ) mesurent généralement entre la moitié et le tiers de la longueur, un quart du poids et sont moins chers que leurs homologues fonctionnels en acier.

Le titane est préféré aux tuyaux flexibles non collés plus lourds et plus coûteux où :

• Le chargement du poids sur le navire ou la plate-forme est critique
• Pression et température côté production<125°C
• Diamètres de tuyaux plus grands
• Limites d'effondrement en eau profonde
• La fiabilité des performances et la longue durée de service sont essentielles.

Le titane est préféré aux tuyaux en acier plus lourds, plus rigides et moins résistants à la corrosion lorsque :

• Les mouvements des navires sont importants et l'état de la mer est sévère
• Les contraintes de fatigue et de flexion constituent un problème potentiel
• La fatigue due aux vibrations induites par les vortex est un problème potentiel
• Le chargement du poids sur le navire ou la plate-forme est critique
• Les eaux peu profondes exercent des charges de flexion élevées sur les colonnes montantes en acier.
• Des saumures corrosives et chaudes et des fluides acides sont produits.

Les découvertes continues de gisements de pétrole et de gaz offshore en eaux profondes mettent de plus en plus l'accent sur le développement d'une solution technique et rentable à long terme pour les matériaux des conduites montantes. L'intérêt se concentre sur le titane pour son rapport résistance/poids favorable, sa flexibilité et sa faible densité. Le titane n’influencera pas, n’interagira pas avec ou ne contaminera pas l’environnement marin naturel.

La réduction du poids est un problème de plus en plus crucial pour les plates-formes flottantes à mesure que la profondeur de l'eau augmente. Le développement d'élévateurs composites utilisant un revêtement en titane d'épaisseur réduite associé à un renfort en fibres marque une avancée vers une réduction supplémentaire du poids par rapport à tous les systèmes métalliques.

La première colonne montante au monde entièrement en alliage de titane (Ti-6Al-4V ELI – ASTM Grade 23) est la colonne montante de forage de 400 mètres de long sur la plate-forme de jambe de tension Heidrun. Le titane permet une réduction substantielle du poids supérieur, des exigences de tension réduites et l'élimination des éléments de flottabilité et des joints flexibles coûteux et encombrants, tous deux traditionnellement utilisés avec les colonnes montantes de forage en acier. Le grade 23 est également l'alliage nominé pour la colonne montante de 711 mm (28 pouces de diamètre x 670 m (2 200 pieds) de longueur) caternaire à suspension libre combinée d'exportation de gaz et de lancement de racleurs en surface pour la plate-forme Asgard. Augmentation de la température et de la pression (la colonne montante de forage Heidrun est classée à 31 MPa (4 500 psi)), et l'attente selon laquelle le gaz et le pétrole extraits deviendront « acides » à long terme font du titane une option très attrayante. Les tuyaux flexibles non liés existants ne peuvent pas tolérer les températures de produit plus élevées ou les cycles thermiques prévus. La gamme d'alliages de titane inclut la capacité de supporter des températures de produit supérieures à 200 degrés, et le cycle thermique ne pose pas de problème.

La possibilité de recycler les colonnes montantes usagées avec une valeur de récupération relativement élevée à la fin de leur durée de vie prévue constitue un avantage supplémentaire dans l'équation favorable du coût du cycle de vie du titane.