Vorfundur Jarðhitafélagsins 21 apríl 2009 Ingólfur Þorbjörnsson framkvæmdastjóri Dr. Sigrún Nanna Karlsdóttir verkefnastjóri

Size: px

Start display at page:

Download "Vorfundur Jarðhitafélagsins 21 apríl 2009 Ingólfur Þorbjörnsson framkvæmdastjóri Dr. Sigrún Nanna Karlsdóttir verkefnastjóri"

Alexis O’Connor’
6 years ago
Views:

1 Vorfundur Jarðhitafélagsins 21 apríl 2009 Ingólfur Þorbjörnsson framkvæmdastjóri Dr. Sigrún Nanna Karlsdóttir verkefnastjóri 1

2 Nýsköpun á gömlum merg Nýsköpunarmiðstöð var stofnuð 1. ágúst 2007 þegar Iðntæknistofnun og Rannsóknarstofnun byggingariðnaðarins sameinuðust.

3 Framleiðsla-Ferli-Orka Efnis- líftækni og orkudeild Helstu áherslur! Hagnýtar rannsóknir fyrir atvinnulífið Grunnrannsóknir á kjarnasviðum Ráðgjöf og tækniyfirfærsla Prófanir og tjónagreining.

4 Framleiðsla-Ferli-Orka Efnis- líftækni og orkudeild Kjarnasvið Orkutækni, Orkulíftækni og umhverfistækni Efnistækni Efnaferlar Heilbrigðistækni Örtækni

5 Háhitaborholutækni Öndvegissetur á Íslandi Dr. Sigrún N. Karlsdóttir

6 Háhitaborholutækni Öndvegissetur á Íslandi Rannsóknarverkefni styrkt af Rannís til 3ja ára (jan des. 2010) Samstarfsverkefni á milli íslenskra orkufyrirtækja (OR, LV, HS), rannsókna (NMÍ, ÍSOR) og menntastofnana (HÍ, HR, Keilir) Markmið að auka líftíma og afköst háhitaborholna með endurbættri hönnun og efnisvali Auka þekkingu og færni íslenskra aðila, fyrirtækja, rannsókna og menntastofnana til að lágmarka kostnað við nýtingu jarðhita og hámarka endingu borhola

7 Bakgrunnur Jarðhitaborholutækni sem nýtt er hérlendis var upphaflega þróuð erlendis fyrir olíu og gasvinnsluiðnað Íslendingar hafa lagað þessa tækni að íslenskum aðstæðum Náð góðri færni í að hanna, bora og reka jarðhitaborholur Þó koma upp vandamál: Gúlpamyndun, tæring Ris og útfellingartappar Kostnaðarsamt Viðhaldskostnaður, uppsetningarkostnaður sem tapast ef hola er ónothæf

8 Bakgrunnur Margir þættir sem geta haft áhrif: Spennuástand steypu og stálfóðringar, hitaspennur og lenging, þrýstingur, sýrustig, efnasamsetning gufu Rannsóknir hafa sýnt að stálhluti fóðringar sem er í beinni snertingu við jarðgufu getur orðið fyrir tæringaráraun Helstu áhrifavaldar eru: uppleyst gös (H 2 S, CO 2 ) og sölt (Cl - ) Aðrir þættir sem hafa áhrif: þrýstingur, sýrustig, hiti og rennslishraði C. E. Bridges and G.W. M. Hobbs. Corrosion control in the geothermal drilling industry. Material performance, NACE (National Association of Corrosion Engineers) (1987). J.A. Sampedro, et. al. Developments in geothermal energy in Mexico-Part thirty. Conclusion of the corrosion in Mexican geothermal wells project. Heat Recovery Systems & CHP. Vol. 10 pp (1990). J. Banas, et. al. Effect of CO 2 and H 2 S on the composition and stability of passive film on iron alloys in geothermal water. Electrochimica Acta. Vol. 52 pp (2007).

9 Rannsóknir á Íslandi Dæmi: Þreytuþolsprófanir á stáli í jarðhitaumhverfi Styttri líftími í jarðhitaumhverfi Tæringaráraun á yfirborði stálsins brennisteinsvetni hvarfast við járn eða mangan í og við yfirborð stálsins H 2 S + Mn => MnS + 2H + + 2e - Myndar súlfíðtauma sem getur minnkað styrk stálsins H + leitar inn í stálið og safnast saman í örgöllum => myndar H 2 => vetnissprungur Sprungumyndun getur haft veruleg áhrif á þreytuþol og aukið líkur á málmþreytu Minnkar seigju efnisins og hæfileika til að taka upp lengingu vegna álags eða hitaþenslu Vetnisprungur í ryðfríu stáli Ingólfur Þorbjörnsson. Corrosion fatigue testing of eight different steels in an Icelandic geothermal environment. Materials & Design Volume 16 nr

10 Rannsóknir á Íslandi Dæmi: Prófanir á efni úr borholutoppi frá Nesjavöllum og Reykjanesi Togþols-og höggþolsprófanir á sýni úr borholutoppi (J-55) Borholutoppurinn var í virkri borholu í nokkur ár Höggþol minnkaði verulega Brotlenging efnisins minnkaði verulega Stálið stökkara F F Sprungur sem mynduðust í togþolsprófi gefa til kynna stökkleika efnisins Brotsár sýnisins Ingólfur Þorbjörnsson. Athugun borholuefnis úr holu 5 á Nesjavöllum o holu 8 á Reykjanesi. Verkefni nr HP4062, Iðntæknistofnun Íslands 1994.

11 Háhitaborholutækni Öndvegissetur á Íslandi Rannsaka áraun stálfóðringa í jarðhitaumhverfum á háhitasvæðum Íslands Upplýsingasöfnun og prófanir Rannsaka samspil steypu og stáls í borholufóðringum (gúlpamyndun, ris) Hermilíkan (FEM greining) Mælingar á skerkröftum milli steypu- og stálfóðringa Kortleggja áraun borholuefnis eftir svæðum og umhverfi: Efnasamsetningu jarðgufu, sýrustigi, hitastigi, þrýstingi, aldri, ástandi og dýpt holu, stál- og steyputegund, þykkt röra

12 Háhitaborholutækni Öndvegissetur áíslandi Verkáætlun: Verkþáttur 1: Prófanir á stálefnum úr jarðhitaumhverfi. Rannsóknir ááraun stálefna í jarðhitaumhverfi háhitasvæða Íslands. Prófanir á efniseiginleikum og tæringarþoli stáls úr jarðhitaumhverfi. Kortlagning á efnisáraun, m.a. eftir jarðhitakerfum og efnasamsetningu jarðgufu/vatns, hita, þrýsting og sýrustigi. Jan júlí Verkþáttur 2: Meistaraverkefni Hermun áraunar. Hermunarlíkan af áraun steypu og stálfóðringa í borholum. Kiknunargreining framkvæmd þar sem áhrif varmaspenna, holrýmis og tengingar steypu og stáls á kiknun stálfóðringa er könnuð. Líkan aðlagað til að taka inn áhrif tæringar álíftíma borholna. Verkþáttur 3: Þróun á borholusteypu og prófanir. Prófanir verða framkvæmdar og rannsóknir á efniseiginleikum ánýlega þróaðri borholusteypu og samanburður verður gerður við núverandi borholusteypu sem notuð er á Íslandi. Verkþáttur 4: Hönnun og efnisval. Hér verða niðurstöður úr verkþáttum 1, 2 og 3 nýttar til endurskoðunar á hönnunarforsendum fyrir borholur. Afrakstur þessa verkþáttar er bætt hönnun og styrkari stoðir undir efnisval í jarðhitakerfum, og þá sérstaklega í borholum. Sept des Sept maí 2009 Ágúst 2009 maí.2010

13 Háhitaborholutækni Öndvegissetur áíslandi Verkáætlun frh.: Verkþáttur 5: Prófanir og eftirlit borholutoppa. Þróaðir verða verkferlar og prófanir til að tryggja hámarks endingu borholuefnis. Á grundvelli nýrrar þekkingar úr verkþáttum 1 4, er gert ráð fyrir nýju efnisvali og gerð nýrra verkferla fyrir nýjar holur. Afrakstur þessa verkþáttar verður eftirlitskerfi sem tryggir að besta fáanlega tækni sé notuð við smíði borholutoppa og eftirlitskerfi tryggi viðunandi líftíma á borholutoppum Verkþáttur 6: Holubúnaður, loki, tappi, hreinsun. Tekin verður saman reynsla og þekking sem jarðhitafyrirtækin sem að umsókninni standa hafa árekstri og viðhaldi borholutoppa. Afraksturinn áað gefa nýja möguleika til viðhalds og eftirlits með holutoppum. Sept mars 2010 Des des.2010 Verkþáttur 7: Áhættugreining. Niðurstöður úr verkþáttum 1 6 verða nýttar til Mars 2010 des.2010 að gera áhættugreiningu á borholum. Spurt verður hve lengi forsvaranlegt er að reka borholur með tilliti til áhættu af t.d. málmþreytu og efnisgöllum í vinnslufóðringu. Ávinningur er að hér verður til heilsteypt kerfi sem hægt er að nota sem gátlista þegar meta á ástand eldri holna og um leið lágmarka hættu áslysum við borholutoppa. Verkþáttur 8: Markaðssetning Jan.2008 des. 2010

14 Verkþáttur 1: Prófanir á stálefnum úr jarðhitaumhverfi

15 Verkþáttur 1: Prófanir á stálefnum úr jarðhitaumhverfi Rannsókn á áraun stálefna í háhitaborholum á Íslandi Efniseiginleikar og tæringarþol Kannaðir möguleikar á því að prófa stálefni úr gömlum og nýjum borholum á háhitasvæðum Íslands T.d. efni tekið úr holum vegna viðhalds eða endurnýjunar Ekki fáanlegt Ákveðið að staðsetja nýtt stálefni, úr stálfóðringum og öðru algengu borholustálefnum, í borholur í blæstri Gerir kleyft að rannsaka breytingar á stálefnunum vegna áraunar í mismunandi jarðhitaumhverfum á Íslandi

16 Verkþáttur 1: Framkvæmd 5 mismunandi stáltegundir prófaðar K55, X56, St. 35.8, AISI 316L, St. 37 (S235J0) Kolefni Kísill Mangan Brennistein Nikkel Fosfór Króm Molýbden Járn Korna- C (%) Si (%) Mn (%) S (%) Ni (%) P (%) Cr (%) Mo (%) Fe (%) Bygging K55 0,40 0,40 1,63 0,008 0,03 97,53 F X56 0,11 0,26 1,63 >0,002 0,01 97,99 F St. 37 0,20 0,28 1,24 0,007 0,012 98,26 F St. 35,8 0,17 0,33 0,66 0,003 0,012 98,83 F 316 L 0,05 0,47 1,46 >0,002 9,75 0,045 17,19 2,04 69,00 A Stálefni staðsett í borholur á þremur mismunandi háhitasvæðum (Hellisheiði, Reykjanes, Bjarnarflag) CO 2 H 2 S H 2 N 2 % of total (%) (%) (%) (%) steam Bjarnarflag 69,4 27,5 2,2 1,0 0,43 Reykjanes 95,2 2,3 1,5 2,1 0,40 Hellisheiði 86,4 6,3 0,3 7,1 0,56

17 Verkþáttur 1: Framkvæmd Stálrammar með sýnum festir í borholutoppa eða í tengirör borholna í blæstri Hola RN-25 á Reykjanesi (23. apríl) Hola HE-36 á Hellisheiði (5. maí) Hola B-14 í Bjarnarflagi (30. júlí) Sýni staðsett í 1 viku og 3 vikur í borholum Jarðhitaumhverfi: T= C, P=16-42 bars and ph ~ 4-9

18 Bjarnarflag Verkþáttur 1: Framkvæmd Skemmdir á grind eftir 1 viku

19 Þykkt, d [μ] Hellisheiði 1 vika Þykkt tæringarhúða Þykkt tæringarhúða Hellisheiði Reykjanes 3 vikur 1 vika Svæði og tími Reykjanes 3 vikur Bjarnarflag 1 vika Minnsta tæringin var á sýnunum frá Hellisheiði húð á yfirborði sýnanna að mestu leiti útfellingar (SiO 2 ) brotin af á stóru svæði ekki verndandi K55 X56 St 37 St 35,8 316L Meiri tæring á sýnunum frá Bjarnarflagi og Reykjanesi í formi þykkra tæringarhúða Þykkast á K55 og St. 37 Mesta tæringin á stálsýnunum eftir 3 vikur á Reykjanesi

20 Reykjanes 1 vika: K-55 Tæringarhúð Innri gerð K55

K55 316 316L K55 Grunnsýni Element Weight% C Si Mn Fe 5.89 1.68 1.

00 Weight% RE 1vika C O Mg Al Si S K Ca Mn Fe Cu Zn Totals 10.17 43.

00 Element Weight% C O Mg Si S Ca Fe 10.51 15.98 0.28 3.06 24.99 0.

00 FeS, MnS, FeCO3, SiO2, Fe3O4,Fe(OH)2 Element Weight% C Si Cr Mn

21 K L K55 Grunnsýni Element Weight% C Si Mn Fe Totals Weight% RE 1vika C O Mg Al Si S K Ca Mn Fe Cu Zn Totals Element Weight% C O Mg Si S Ca Fe Totals FeS, MnS, FeCO3, SiO2, Fe3O4,Fe(OH)2 Element Weight% C Si Cr Mn Fe Ni Mo Totals L 1 vika Element Weight% C O Si Ca Cr Mn Fe Ni Mo Totals

22 Verkþáttur 1: Niðurstöður Hellisheiði Hellisheiði Kolefni Súrefni Kísill Brennisteinn Kalsíum Mangan Járn Ál Kopar Magnesíum Mólýbden Natríum Klór Króm Kalíum Fosfór Títan 1 vika C O Si S Ca Mn Fe Al Cu Mg Mo Na Cl Cr K P Ti K55 17,1 43,0 13,7 0,7 1,8 1,3 17,1 2,0 0,4 0,6 0,4 0,9 0,3 0,9 X56 23,0 41,7 13,4 0,4 1,3 0,3 15,7 2,5 0,5 0,7 0,9 0,7 S37 45,6 38,00 9,6 0,17 0,96 2,85 1,91 0,48 0,45 S35,8 21,7 41,6 15,3 0,6 1,4 1,4 14,1 2,1 0,7 1,1 316L 19,9 45,5 4,3 16,4 0,9 0,2 0,4 0,3 4,4 0,2 0,1 0,6 0,1 2,0 0,4 Hellisheiði Kolefni Súrefni Kísill Brennisteinn Kalsíum Mangan Járn Ál Kopar Magnesíum Nikkel Natríum Klór Króm Kalíum 3 vikur C O Si S Ca Mn Fe Al Cu Mg Ni Na Cl Cr K K55 20,4 32,6 9,4 2,8 0,7 1,1 32,9 0,1 X56 15,2 37,1 13,5 1,6 1,9 1,7 25,5 1,4 1,1 0,4 0,3 S37 8,9 33,4 4,2 1,5 0,4 0,4 50,5 0,3 0,7 S35,8 8,5 29,9 3,0 1,1 0,4 56,1 0,8 0,2 316L 39,7 30,1 14,7 1,0 1,5 1,5 5,7 1,4 0,8 0,2 2,2 0,8 0,5 0,6 0,5

23 Verkþáttur 1: Niðurstöður Reykjanes Reykjanes Kolefni Súrefni Kísill Brennisteinn Kalsíum Mangan Járn Ál Kopar Magnesíum Sínk Natríum Klór Fosfór Kalíum 1 vika C O Si S Ca Mn Fe Al Cu Mg Zn Na Cl P K K55 7,8 29,1 4,0 6,1 0,6 0,7 50,6 0,4 0,4 X56 13,4 39,1 7,5 1,4 0,8 0,5 34,9 0,6 1,0 0,8 0,7 0,3 S37 20,5 32,9 8,8 1,1 1,1 0,6 32,3 0,5 0,8 1,1 0,4 0,8 0,2 0,3 S35,8 21,7 37,0 10,6 2,0 1,3 0,4 23,1 0,6 0,6 1,1 1,5 0,2 0,3 316L Reykjanes Kolefni Súrefni Kísill Brennisteinn Kalsíum Mangan Járn Ál Kopar Magnesíum Sínk Natríum Klór Króm Kalíum Fosfór 3 vikur C O Si S Ca Mn Fe Al Ni Mg Zn Na Cl Cr K P K55 4,3 20,2 3,6 4,8 1,6 0,6 42,5 0,4 0,2 17,9 1,2 2,6 0,5 X56 13,5 36,0 6,1 1,2 1,0 0,7 35,6 0,6 0,8 2,9 1,0 0,2 0,18 0,3 S37 13,2 26,4 2,3 4,9 1,5 23,4 0,2 12,6 8,4 7,6 S35,8 7,6 30,6 2,0 6,8 1,2 28,7 0,2 13,5 4,0 4,1 1,09 316L 33,9 21,6 3,6 2,5 1,3 10,8 0,9 0,5 1,0 11,6 5,4 7,0 0,5 0,3

24 Verkþáttur 1: Niðurstöður Bjarnarflag Bjarnarflag Kolefni Súrefni Kísill Brennisteinn Kalsíum Mangan Járn Ál Kopar Magnesíum Nikkel Króm Fosfór 1 vika C O Si S Ca Mn Fe Al Cu Mg Ni Cr P K55 15,5 31,8 1,1 6,0 0,3 1,0 44,3 0,4 X56 5,5 32,4 8,6 8,9 0,4 1,5 42,6 S37 5,3 32,2 5,2 3,6 0,3 0,8 52,7 0,4 S35,8 11,5 33,0 7,0 6,3 0,3 0,7 40,8 0,3 0,7 316L 29,0 24,0 5,7 12,9 0,4 0,6 25,0 0,9 0,5 0,3 0,3 0,7 Tæringarhúðirnar að mestu leyti úr kolefni (C), súrefni (O), járni (Fe) og brennisteini (S) -FeCO 3 (e. sidierite) og FeS (e. mackinavite) hafi myndast í efnahvörfum á yfirborði stálsins við H 2 S og CO 2 Í samræmi við aðrar fræðigreinar úr rannsóknum í jarðhitaumhverfi með vatnsgufu og uppleystum H 2 S og CO 2 gösum þá er ríkjandi myndun á FeCO 3 og FeS á yfirborði lágkolefna stáls

25 Verkþáttur 1: Togþolsprófanir á sýnum 25

26 Samantekt á niðurstöðum 26 Staðfest að stálefnin verða fyrir tæringu á þessum tíma vegna uppleystra gasa (CO 2, H 2 S) og jóna (Cl - ) Líklegt út frá innihaldi tæringarhúða (FeS, MnS) að fyrir lengri dvalartími í borholunum þá geti myndast stökkleiki í stálinu sbr. eldri niðurstöður Kísil útfellingar ekki verndandi gegn tæringu eftir 3 vikur í jarðhitaumhverfinu Áhrifa vetnisstökkleika ekki að gæta í ferritískum lágkolefnastálum né ástenísku 316 ryðfríu stáli eftir tiltölulegan stuttan tíma (1-3 vikur) í jarðhitaumhverfunum Ekki forsendur fyrir súlfíð-spennutæringu (SSCC), enginn spenna var á sýnunum Vetnistökkleiki getur þó myndast án spennu en ljóst er að á tiltölulegum stuttum tíma þá er þess ekki að gæta fyrir þessar stáltegundir

27 Framhald 27 Grindur með L80 gengju efni, T95 og K55 efni (FeB 2 húðað) útbúnar Martensítískt stál veikara fyrir vetnisstökkleika 1 Settar í holur á Reykjanesi og í Kröflu RN-27, í vinnsluholu ~ 6 mánuði KR-36, í blæstri, ~6 vikur KR-39, í blæstri ~ 6 vikur 1. L.W. Tsay, M.Y. Chi., Y.F. Wu, J.K.Wu and D.-Y. Lin, Hydrogen embrittlement susceptibility and permeability of two ultra-high strength steels, Corrosion Science, 48 bls (2006).

28 Krafla Hola 39 Stál T Súlfíðtaumar (FeS, MnS) inni í efni út frá tæringarhúð - vetnisstökkleiki?

29 29 Verkþáttur 2: Hermunarlíkan af borholum

30 Verkþáttur 2: Hermunarlíkan Hanna þrívíddarlíkan af borholu í forritinu Ansys til að meta áraun stálog steypufóðringa í háhitaborholum Ólínuleg kiknunargreining

30 30 Verkþáttur 2: Hermunarlíkan Hanna þrívíddarlíkan af borholu í forritinu Ansys til að meta áraun stálog steypufóðringa í háhitaborholum Ólínuleg kiknunargreining notuð til að meta hugsanlega gúlpamyndun Hanna hermunarkerfi þar sem hægt verður að skilgreina ýmsar kennistærðir til að fá einingalíkan af mismunandi gerðum af borholum.

31 31 Verkþáttur 2: Hermunarlíkan Varmagreining gerð til að meta varmaspennur og ris í stálfóðringum við upphleypingu hola Sérstök tenging notuð í líkaninu þar sem stærð skerkrafta milli stál-og steypufóðringa er tilgreind til að líkja eftir raunverulegri tengingu Áhrif holrýmis á milli steypu og stáls á gúlp-myndun í borholum

32 32 Verkþáttur 3: Þróun og rannsóknir á steypu fyrir borholur

33 Verkþáttur 3: Þróun og rannsóknir á steypu fyrir borholur Markmið: Að þróa steypublöndu sem: er nægilega lengi þjál til að tími gefist að koma henni niður en jafnframt sé fljót að ná lágmarksstyrk til að hægt sé að halda borun áfram hefur bætta flotfræði eiginleika, stöðuleika og eiginleika í hörnuðu ástandi Með réttri notkun íblöndunarefna má lækka rúmmálshluta vatns verulega: koma í veg fyrir þjálnistap auk styrk og minnka líkur á rýrnun og sprungumyndun 33

34 Verkþáttur 3: Markmið frh.: Að öðlast vitneskju um varma- og aflfræðilega eiginleika á nýlega þróaðri borholusteypu: togþol, beygjutogþol og þrýstiþol fjaðurstuðla (Young stuðla) Mælingar á skerkrafti á milli steypu og stálfóðringa 34

Part 66. Requirements for exercising privileges Highlights of New Part 66 rule

Part 66. Requirements for exercising privileges Highlights of New Part 66 rule Part 66 Requirements for exercising privileges Highlights of New Part 66 rule Part 66.A.20(b) privileges The holder og an aircraft maintenance licence may not exercise its privileges unless: 1. In compliance