Tåler 650 bar trykk:

FMC 3D-printet høystrømningskopling i Inconel

Er det mulig å benytte additiv produksjon når man utvikler kritiske komponenter som skal tåle høye trykk? TechnipFMC på Kongsberg ville undersøke dette og laget en høystrømningskopling med bruk av både additiv og subtraktiv fremstillingsmetode.

Publisert

En av mange ideer som kom til TechnipFMC’s innovasjonsarena var et forslag om en såkalt High Flow Coupler (HFC), eller høystrømningskopling, med tallerkenventil for kjemisk injeksjon. I noen tilfeller kan den nødvendige injeksjonsraten til undersjøiske prosjekter være så høy som 50m3 / t, og høyt trykkfall har derfor vært en utfordring.

Lavt trykkfall kan oppnås med et strømningsmønster med små trinnforandringer i tverrsnitt og strømningsretninger inne i kopleren. Kopleren skal passe inn i eksisterende FMC mono- og multiborkoplinger. Derfor er minimal diameter en viktig konstruksjonsparameter.

Færre deler – lavere kost

Høystrømningskoplingen ble opprinnelig utviklet for maskinering. Imidlertid ble det innsett at en forbedring i konstruksjonen kan bli oppnådd ved å utnytte såkalt Direct Metal Laser Sintring (DMLS). Ved å benytte DMLS kan antallet deler i koplingen bli redusert, her illustrert ved at de opprinnelige to delene kan fremstilles som en enhet. Reduksjonen av antall deler vil også bidra til en reduksjon i kostnader og dokumentasjon samt forenkle installasjonen. Denne nye fremstillingsmetoden gjør det mulig å optimalisere strømningsmønster og samtidig være i stand til å redusere den ytre diameteren. En annen erfaring var at en 3D-printet konstruksjon gjør det enkelt å implementere en tallerkenventil med trykkutjevning. I tillegg til alle disse fordelene viste beregninger at DMLS kunne konkurrere på pris med maskinering selv ved relativt små produksjonsvolum.

Koplingshuset ble fremstilt i EOS In625, og er konstruert for 690bar (10k) trykk. TechnipFMC har patentsøkt løsningen.

Samme kvalitet

TechnipFMC er i en innledende fase i forhold til å benytte additiv produksjon/3D-printing, basert på pulverbasert fusjon med laserstråle. De printede delene har blitt undersøkt ved hjelp av konvensjonelle testmetoder og en foreløpig konklusjon er at delene har samme kvalitet som om de skulle ha blitt produsert fra bolt og støpte materialer. Test i forhold til kapasitet og strekkstyrke, så vel som overflateruhet, ble utført og resultatene var akseptable. En underleverandør, med mange års erfaring med 3D-printing av ulike produkter, produserte koblingsdelene. Koplingshuset er bygget opp av mer enn 5600 lasersintrete pulverlag med Inconel 625. FMC valgte å printe ut teststenger i samme operasjon, dette gjør det mulig å sjekke bindinger mellom alle lag i forbindelse med strekkprøvingen.

Bildet viser teststaven etter test, printet og maskinert stav.

Verifisering av bindingen mellom alle de 5600 printede lagene.

Også subtraktiv prosess

Det var nødvendig å maskinere noen detaljer etter 3D-printingen. Dette på grunn av begrensninger i den additive produksjonsprosessen. Gjenger, tetningsflatene, tetningssporene og områder med høy byggevinkel ble maskinert i en dreiebenk. Figuren nedenfor viser de bearbeidede områdene markert med grønn farge. De fire vingene, som forbinder senterkomponenten til hovedhuset, ble igangsatt i den nedre enden på en midlertidig printet støttestruktur som ble bygget opp samtidig med det omgivende materialet. I den neste prototypen, endres vingens geometri for å unngå behovet for støttestruktur.

Maskinerte overflater er fremhevet med grønt.

Tilpasse for additiv produksjon

De utførte testene var vellykket. I flyt-test med vann var trykkfallet mindre enn 2 bar på 50m3/t, tilsvarende om lag 3 bar for metyl-etylenglykol (MEG). Datasimuleringene viste tilsvarende nivåer. Koplingen er trykktestet med et innvendig trykk på 1035 bar (15k) i atmosfæriske omgivelser. For å optimalisere koplingen for bruk i både monoboring- og multiboringskontakter, vil det neste trinnet nå være å redusere den ytre diameteren og utforme koplingen mer passende for additiv produksjon.

Additiv produksjon – viktig verktøy

FMC har mange års erfaring med cladding av Inconel 625 for å beskytte pakningssporet og pakningsflater mot korrosjon. Disse maskinene, som legger materiale på sylindriske deler, er forholdsvis enkle maskiner med få «frihetsmuligheter». Maskinene for additiv produksjon åpner for helt nye muligheter.

TechnipFMC forventer at additiv produksjon i fremtiden vil være et viktig verktøy for produksjon av flere produkter. FMC Kongsberg Subsea AS har med støtte fra Norges forskningsråd, initiert et prosjekt for å utvide kunnskapen til å dra nytte av de nye mulighetene i additiv produksjon. Det er en omfattende oppmerksomhet for å forbedre prosessene, øke størrelsen på maskinene og utvalget av materialer som brukes er økende. Denne utviklingen vil redusere produksjonskostnadene og forbedre kvaliteten på det ferdige produkt. Det er nå maskiner tilgjengelig i markedet som både kan legge til og fjerne materiale. For å få en god utnyttelse av additiv produksjon, er det viktig å lære å forstå de muligheter og begrensninger av denne teknologien som er i kontinuerlig utvikling. Det er et stykke igjen, men anvendeligheten virker bra.

For mer informasjon om TechnipFMC besøk: www.technipfmc.com

kontakt: Geir Tandberg, FMC Kongsberg Subsea AS; [email protected]