Development of laboratory-rig for testing of thermoplastic composites, pressurized in supercritical CO2

Abstract

Utvikling av termoplast komposittmaterialeteknologier for transport og håndtering av CO2 i gass-, væske- og superkritiske faser krever nye standard testmetoder og testutstyr. Superkritisk CO2 fungerer som et godt løsemiddel på polymerere i termoplastiske komposittmaterialer. DNV GL og industrien er derfor interessert i å utvikle testutstyr for undersøkelse av svekkelse av mekaniske egenskaper i termoplast komposittmaterialer eksponert for superkritisk CO2.

Derfor var det ønsket å utvikle en sikker og kostnadseffektiv laboratorierigg med hovedmål om å undersøke, utvikle og designe en testrigg med instrumentering som gjør det mulig å teste termoplast komposittmaterialers egenskaper trykksatt i superkritisk CO2. Riggen skal muliggjøre testing på en trygg og produksjons-kostnadseffektiv måte. For å bidra til å nå målet, ble et sett med del mål definert parallelt med en detaljert arbeidsplan, milepæler med spesifikke tidsfrister og, på grunn av begrenset tid, prosjektbegrensninger. Utfordringer og flaskehalser angående utviklingen av en spesialisert laboratorierigg av denne typen ble også vurdert.

Utviklingen av prosjektet ble delt inn i fire hovedkategorier; utredningsfase, utviklingsfase, konstruksjon- og designfase og en realiseringsfase. For å sikre at ingen kritiske utviklingstrinn ville bli glemt, introduserer utredningsfasen viktige produktutviklingsmetoder; IPD, Pughs metode, SCAMPER og Buddycheck. En tilpasset versjon av IPD ble brukt i utviklingsprosessen for å øke informasjonsflyten på tvers av utviklingstrinnene og holde oversikt over prosjektet. Pughs metode, også kjent som "total design", og SCAMPER ble brukt i utviklingsfasen for å sikre at funksjoner og løsninger ble angrepet fra alle vinkler og synspunkter. Pughs metode ble også brukt til screening og valg av de mest optimale løsningene og drev dermed utviklingen fremover gjennom kontrollert konvergens ved bruk av utvalgsmatriser. Verktøy og programmer for rapportering og utvikling ble introdusert, og kvalitetssikring av prosedyrer ble detaljert. Gjennom relevant CO2- og beregningsteori og gjennomgang av relevant teknologi ble det dannet et solid grunnlag for videre utvikling, design og beregninger.

I det første trinnet i utviklingsfasen ble produkthovedmål og produktdelmål for laboratorieriggen definert. Det tenkte oppsettet av laboratorieriggen ble illustrert, og nøkkelegenskaper for laboratorieriggen ble definert og scoret. Grove beregningsspesifikasjoner ble definert basert på krav fra DNV GL, ISO- og ASTM-standarder for testing av plastmaterialer. Tidlige sikkerhetshensyn ble også evaluert før konseptgenerasjonen begynte.

Konseptgenereringen starter med 3D CAD-illustrasjoner av tre hovedkonsepter, henholdsvis etterfulgt av screening og valg av optimalt hovedkonsept. Basert på det valgte hovedkonseptet ble det generert en funksjonsanalyse for å sikre at alle kritiske funksjoner, til laboratorieriggen, ble redegjort for. Deretter ble alternative konseptløsninger generert, uavhengig screenet med de definerte nøkkelegenskapene, valgt og satt sammen til et endelig konsept for laboratorieriggen. Verifisering og kvalitetssikring av de valgte konseptløsningene ble foretatt gjennom ekstern eksperttesting og konsultasjon, og som er resultat ble konseptet finjustert før designfasen fortsatte.

Designfasen startet med en materialegenskapsevaluering av materialer i DNV GLs recommended practice for CO2 pipelines, og Cr 25 Super duplex endte opp som det optimale materialet for kritiske komponenter. Å kjenne materialegenskaper i forkant av beregninger og design muliggjør utnyttelse av materialets styrker og svakheter, og sikrer trygge og levedyktige designresultater. Deretter fortsatte designfasen med en omfattende lastevaluering, bestemmelse av kritiske dimensjoner, kontroller av maksimale spenninger og beregninger av utmattelseslevetid for kritiske komponenter og detaljer før og delvis parallelt med 3D-modellering av arkitekturen og FEA-optimalisering. Videre ble den endelige utformingen av den sammensatte laboratorieriggen og alle dens komponenter dokumentert i rapporten.

Gjennom den "kontrollerte konvergens trakten" og tilbakegående prosesstrinn gikk prosjektet inn i fullføringsfasen, og produksjonsmetoder, kalkulering av prototype- og utviklings-kostnader, tekniske instruksjoner og tekniske tegninger ble første prioritet for ferdigstillelse av utviklingsprosjektet.

Ved itererende konseptgenerering, beregninger, CAD-modellering og optimalisering med et praktisk synspunkt og fokus på levedyktige løsninger, resulterte prosjektet, gitt ferdigstillelse av videre arbeid, i utforming av en prototypeklar laboratorierigg som oppfyller både prosjekt- og produktmål med omtrentlige kostnadsberegninger og tekniske instruksjoner og tegninger.

Utviklingen av laboratorieriggen resulterte, gjennom konseptgenerering, beregninger og 3D CAD-modellering, i en rigg med det formål å bli installert inn i standard testmaskiner. Den har en total vekt på 155 kg, maksimal lengde på 1082 mm, en minimumslengde på 900 mm, en bredde på 297 mm, en slaglengde på 182 mm og kan brukes til å gjennomføre alle materiale egensapstester som krever statiske strekk- og trykkslaster opp til 75.673 kN og dynamisk strekk- og trykklaster opp til 15.673 kN mens de samtidig utsettes for superkritisk CO2 med en temperatur på 100°C og et trykk på 450 bar. Hvis laboratorieriggen bare brukes til å utføre statiske eller dynamiske strekk- eller kompresjonstester, vil den henholdsvis vare 8.75∙10^5 testsykluser, 1.63∙10^7testsykluser, 8.75∙10^5 testsykluser eller 2.74∙10^8testsykluser. Med hovedsakelig standardiserte CNC-maskineringsteknikker; dreiing, fresing, honing og erosjons maskinering, ender beregningen av de totale kostnadene for utvikling og prototype bygging på 1 014 268 NOK inkludert kjøp av standard komponenter. 25%,247 268 NOK er den totale produksjonskostnaden for en prototyp, og 75%,767 000 NOK er de totale utviklingskostnadene hittil i prosjektet.

Videre arbeid består av undersøkelse, eksperimentell testing og utvikling av dynamiske tetninger for superkritisk CO2, detaljert FEA av spenningskonsentrasjoner og kontroll av utmattelseslevetid beregninger, utvikling av detaljerte sikkerhetsprosedyrer for bruk og potensielle farer, videreutvikling av spesifikke komponenter for nøyaktig lastmåling over bredere lasteområder og undersøkelse av andre utnyttelsesområder.

Development of thermoplastic composite material technologies for transport and handling of carbon dioxide in gas, fluid and supercritical phases require new standard test methods and test equipment. In its supercritical phase, carbon dioxide acts as a solvent on some polymers in the thermoplastic composite materials. It is therefore of interest for DNV GL and the industry to develop test equipment for investigation of the degradation of thermoplastic composite material’s mechanical properties in exposure to supercritical CO2.

It was desired to develop a safe and cost-effective laboratory-rig with the main objective to investigate, develop, and design a laboratory-rig with instrumentation which allows testing of thermoplastic composite material properties pressurised in supercritical CO2. The rig shall enable testing in a safe and production cost-friendly matter. Helping to achieve the objective, a set of partial objectives were defined in parallel with a detailed work plan, milestones with specific deadlines and, due to limited time, project limitations. Challenges and bottlenecks regarding the development of a specialised laboratory rig of this sort were also considered.

The development of the project was divided into four main categories; statement phase, development phase, design phase and completion phase. To ensure that no critical development steps would be forgotten, the statement phase introduces important product development methods; IPD, Pugh’s method, SCAMPER and buddy check. An adapted version of IPD was used in the development process to increase information flow across sections and keep track of the project. Pugh’s method, also known as total design, and SCAMPER were used in the development phase to ensure that functions and solutions were attacked from all angles and points of view. Pugh’s method was also used for screening and selection of the optimal solutions and drove the development forward through controlled convergence with selection matrices. Tools and software programs for reporting and development were introduced, and quality ensuring procedures were detailed. Through outlines of relevant CO2 and calculation theory and a review of relevant technology, a basis for further development and calculations was generated.

In the first step of the development phase, the main product goal and partial product goals were defined. The thought setup of the laboratory-rig was illustrated, and product key properties were defined and scored. Rough metric specifications were defined based on requirements from DNV GL, and ISO and ASTM plastic material testing standards. Early safety considerations were also evaluated before the concept generation began.

Concept generation starts with creation and 3D CAD illustration of three main concepts, respectively followed by screening and selection of optimal main concept. Based on the selected main concept, a function analysis was generated to ensure that all critical functions, to the laboratory-rig, were accounted. Followingly, alternative concept solutions were generated, independently screened with the scored key properties, selected and put together as one final concept laboratory-rig. Verification and quality insurance of the selected concept solutions were ensured through external expert testing and consultation, and followingly the concept was slightly adjusted before proceeding with the design phase. The design phase kicked off with a material properties evaluation of materials in DNV GL’s recommended practice for CO2 pipelines, and Cr 25 Super duplex ended up as the go-to material for critical components. Knowing material properties in advance of calculations and design enables utilisation of material strengths and weaknesses and ensure safe and viable design results. Followingly, the design phase continued with a comprehensive load evaluation, determination of critical dimensions, checks of maximum stresses and calculations of fatigue life of critical components and details, prior and partly in parallel with 3D modelling of the architecture and FEA optimisation. Further, the final design of the assembled laboratory-rig and all its components was documented in the report.

Moving forward, through the “controlled convergence duct” and reverting process steps, the project entered the completion phase, and production methods, porotype and development cost calculations, technical instructions and technical drawings were the number one priority for completion of the development project. Through iterations of concept generation, calculations, CAD modelling and optimisation with a practical point of view and focus on viable solutions, the project resulted, given the completion of further work, in a design of a prototype-ready laboratory-rig fulfilling both project and product objectives with approximated cost calculations and technical instructions and drawings.

The development of the laboratory-rig resulted, through concept generation, calculations and 3D CAD modelling, in a rig with the purpose of being installed inside standard test machines. It weighs in at a total of 155 kg, has a maximum length of 1082 mm, a minimum length of 900 mm, a width of 297 mm, a stroke length of 182 mm and can be used to conduct all material property testing requiring static tension and compression loads up to 75.673 kN and dynamic tension and compression loads up to 15.673 kN while exposed to supercritical CO2 with a temperature of 100°C and a pressure of 450 bar. If the laboratory-rig is only used to conduct static or dynamic tension or compression tests, it will, respectively, last 8.75∙10^5 test cycles, 1.63∙10^7 test cycles, 8.75∙10^5 test cycles or 2.74∙10^8 test cycles. With mainly standardised CNC lathe, milling, honing and erosion machining the calculation of the total costs of development and prototype manufacturing sums up to 1 014 268 NOK, including the purchase of standard components, where 25%,247 268 NOK, is the total manufacturing cost and 75%,767 000 NOK is the provisional total development costs.

Further work consists of investigation, experimentally testing and development of dynamic seals for supercritical CO2, detailed FEA concerning hot spot stresses and control of fatigue lifetime calculations, development of detailed safety procedures for use and potential hazards, further development of specific components for accurate load measuring over wider load ranges and investigation of other areas of utilisation.