1 OVERVÅKING AV UNDERVANNSPUMPE- ELLER KOMPRESSORAKSLINGSTETNING P449NO00-EH 1 Oppfinnelsens område Den foreliggende oppfinnelsen angår undervanns fluidtrykkforsterkere for å pumpe olje, kondensat eller vann eller komprimere gass. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen tilstandsovervåking av den mekaniske akslingstetningen som skiller motoren og trykkforsterkningskamrene i en undervanns sentrifugalpumpe eller kompressor. Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk For undervannspumper og kompressorer for petroleumsindustrien, er pålitelighet vitalt. Dette er ikke bare fordi driftsstans kan bety stans i produksjonen, hvilket kan være dyrt, men også fordi reparasjon kan være vanskelig, tidkrevende og svært kostbart. En ytterligere grunn er risikoen for forurensing, som bør minimeres. En undervanns fluidtrykkforsterker er en undervannspumpe, en undervanns flerfasepumpe eller en undervannskompressor, som av praktiske grunner heretter ofte kalles en undervanns trykkforsterker, trykkforsterker eller undervannspumpe, som omfatter en hvilken som helst av utførelsesformene med mindre noe annet er spesifisert. 2 En typisk undervannspumpe omfatter et felles trykkhus inndelt i et motorkammer og et pumpekammer. Motoren er montert i motorkammeret, pumpen er montert i pumpekammeret og en aksling kobler motoren til pumpen slik at rotasjon fra motoren overføres til pumpen. En vegg skiller motor- og pumpekamrene, akslingen er ført gjennom veggen og en mekanisk akslingstetning sikrer at lekkasjen mellom den roterende akslingen og den stasjonære delen minimeres. En undervannskompressor er tilsvarende oppbygget med en mekanisk akslingstetning, men har et kompressorkammer og ikke et pumpekammer, og drives av en gassfylt motor som kjører med høyere hastighet. I noen tilfeller kan en høyhastighets, væskefylt motor brukes til å drive kompressoren. Et barrierefluid i motorkammeret skal holdes ved et visst overtrykk i forhold til pumpe- eller kompressortrykket for å eliminere strømning i retning fra pumpen eller kompressoren til motoren. Ved å opprettholde et visst overtrykk i fluidet eller gassen i motorkammeret, kan
2 lekkasjer kun strømme mot pumpen eller kompressoren. Følgelig vil fluidet eller gassen i motorkammeret virke som en barriere mot forurensing med partikler og forurensende fluid eller gass som ellers kunne lekke fra pumpen eller kompressoren inn i motoren og forkorte motorens tjenestetid. Barrierevæsken eller gassen virker også som kjølemiddel for motoren. For en væskefylt motor er barrierefluidet en væske, som også virker som smøremiddel for lagrene. Det vil typisk være en lekkasjevei for barrierefluid i en pumpe/kompressorenhet gjennom den mekaniske akslingstetningen som skiller motor- og pumpe/kompressorkamrene, da det kreves en kontinuerlig lekkasjestrøm av barrierefluid for å smøre og kjøle den mekaniske akslingstetningen. Barrierefluidet, det vil si væske eller gass, som lekker ut vil bli fraktet bort av det pumpede eller komprimerte fluidet. 1 En foretrukket utførelsesform av en undervannspumpe eller kompressor omfatter et barrierefluidsystem styrt av en trykk- volumregulator (PVR pressure volume regulator). En foretrukket utførelsesform av PVR er beskrevet i norsk patentsøknad NO 121486., som blir allment tilgjengelig tidligst 11 juni 14. En tidligere versjon av PVR er beskrevet i patent NO 322 66. Et typisk arrangement i et undervanns barrierefluidsystem omfatter lange tilførselslinjer for undervanns barriere fluid i styre/kraft-navlestrengen som mates fra en hydraulisk kraftenhet ved overflaten. Andre utførelsesformer støtter (support) barrierefluidet fra en trykkstyrt kilde plassert under vann. Barrierefluidet sirkuleres internt i motorkammeret av en intern pumpe. Den mekaniske tetningen som skiller motor- og pumpekamrene er en vital komponent for pumpens pålitelighet, og tilstanden til denne tetningen bør overvåkes for å unngå ikke planlagte nedstengninger. Økt lekkasje indikerer svekkelse (deterioration) av tetningen. 2 Det er i dag ingen pålitelig fremgangsmåte for å overvåke tilstanden til den mekaniske tetningen i en undervannspumpe eller kompressor. Temperaturmålinger eller vibrasjonsmålinger kan brukes til å overvåke tilstanden til den mekaniske tetningen direkte, men gir for sen indikasjon på negativ utvikling til å gi en preventiv tilstandsalarm, hvilket er et problem. En typisk strømningsrate ved stabil undervannspumpedrift er 1-2 liter per dag. Under transiente operasjoner, slik som oppstart og nedstenging, kan imidlertid strømningsraten til/fra motorkammeret opptil 7000 ganger høyere enn ved stabil drift. Verken venturi-type sensorer, turbiner, positive forskyvningstype sensorer eller direkte akslingstetningsinstrumentering har
3 vist seg å være praktisk mulige for tilstrekkelig pålitelige og nøyaktige målinger under vann over mange år og uten vedlikehold. Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe teknologi som muliggjør tilstandsovervåking av en mekanisk akslingstetning som indikerer en negativ utvikling for å tjene som en preventiv tilstandsalarm. 1 2 Oppsummering av oppfinnelsen Oppfinnelsen frembringer et undervanns sentrifugalt trykkforsterkningssystem for å pumpe væske eller flerfasefluid eller komprimere gass, omfattende et trykkhus inndelt i et motorkammer og et trykkforsterkningskammer. Motoren er montert i motorkammeret, en trykkforsterker, som er en pumpe eller en kompressor, er montert i trykkforsterkningskammeret. En aksling kobler motoren til trykkforsterkeren, slik at rotasjon av motoren vil rotere trykkforsterkeren. En vegg skiller motor- og trykkforsterkningskamrene, der akslingen er ført gjennom veggen og en mekanisk akslingstetning. Et barrierefluidsystem tilveiebringer smøring og kjølende strømning gjennom utstyr i motorkammeret, men en liten lekkasjestrøm av barrierefluid strømmer gjennom den mekaniske akslingstetningen, og dermed fra motorkammeret til trykkforsterkningskammeret. En tilførselslinje for barrierefluid er koblet til barrierefluidsystemet. Undervannstrykkforsterkningssystemet er kjennetegnet ved at det videre omfatter: minst én innretning for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen, minst én akkumulator for barrierefluid montert mellom innretningen for stenging eller åpning og motorkammeret, minst én sensor for indirekte måling av barrierefluidstrømmen som lekker inn i trykkforsterkningskammeret når barrierefluidtilførselen er stengt, og en analysator for å analysere måleresultatene. I én utførelsesform av oppfinnelsen, er en styreenhet inkludert for å drive innretningen for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen. Fortrinnsvis er den minst ene sensoren en trykksensor som måler trykkfallet over tid i akkumulatorene når barrierefluidventilen er stengt, og barrierefluid kun tilføres fra akkumulatorene. Følgelig gir trykkfallet i en akkumulatorbank med fast volum som funksjon av tid en
4 indikasjon på lekkasjeraten i den mekaniske akslingstetningen. Alternativt kan en væskenivåsensor som måler fallet i akkumulatorens væskenivå fra et referansenivå som funksjon av tid når tilførselslinjen for barrierefluid er stengt, brukes som henholdsvis sensor og målemetode. Som et ytterligere alternativ, er sensoren en eller flere lastceller eller tilsvarende, for eksempel montert slik at akkumulatortanken hviler på dem, for å måle vekttap over tid. Trykkforsterkningssystemet krever kun én av sensorene trykksensor, nivåsensor eller vektsensor. Bruk av flere sensorer og sensortyper kan imidlertid øke pålitelighet og datakvalitet. Selv om sensorer for direkte måling av strømningsrate, slik som en strømningssensor ved utløpet fra akkumulatorbanken, ikke er praktisk eller påkrevet, kan slike sensorer plasseres og brukes for å verifisere at kortere perioder med høyere strømningsrate er forbundet med transiente operasjoner, slik som oppstart og nedstenging. 1 Innretningen for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen er fortrinnsvis en tilførselsventil. Alternativt er den en stopp- eller driftsfunksjon i en forsyningspumpe eller kompressor for barrierefluid en åpne eller lukkeventil til et undervannslager for barrierefluid. Barrierefluidet er enten en væske eller en gass. En slik tilførselsventil kan være en fjernstyrt versjon eller et parallelt arrangement av disse for å øke pålitelighet. Et annet arrangement av en slik tilførselsventil kan være en helt mekanisk, trykkutløst ventil med høy hysterese, slik at den åpner ved en høy trykkforskjell (> bar) og stenger ved en mye lavere trykkforskjell (< bar). En slik ventil kan plasseres parallelt med en fjernstyrt ventil for økt pålitelighet. Som forklart, definerer begrepet trykkforsterker både pumper og kompressorer, siden samme problem og løsning finnes for undervannspumper og undervannskompressorer. 2 Hovedeffekten av oppfinnelsen, er at preventivt vedlikehold kan planlegges og utføres tidsnok til å unngå uønskede nedstengninger grunnet svekkelse av den mekaniske akslingstetningen. Styreenheten/analysatoren er fortrinnsvis en styreenhet ved overflaten som kommuniserer med undervannsutstyret på en hvilken som helst praktisk gjennomførbar måte, slik som gjennom navlestrengen for undervannsstyring. Alternativt kan det brukes en undervannsstyreenhet som kommuniserer resultatet til overflaten, fortrinnsvis i et komprimert format.
Styreenheten/analysatoren bruker fortrinnsvis én eller begge av: en algoritme og en oppslagstabell, for å utlede tilstanden til den mekaniske akslingstetningen. For stabil drift er en enkel algoritme nyttig. For overgangsdrift kan en oppslagstabell være mer pålitelig siden store variasjoner i de målte verdiene kan være forårsaket av flere parametre. Oppslagstabellen er fortrinnsvis basert på resultater fra kommisjonering og tester med midlertidig stenging av den ordinære barrierefluidtilførselen, kun med barrierefluid tilført fra akkumulatorene, og måling over en tidsperiode for å etablere en referansekurve for en velfungerende mekanisk akslingstetning. 1 For målinger ved stabil drift, er minst en sensor som måler akkumulatortrykket eller -nivået eller vekten tilstrekkelig siden trykket og temperaturen i barrierefluidet kan betraktes som konstant. Hvis en PVR finnes, antas at PVRens dumpventil er stengt. Systemet er vel avkjølt og temperaturstyrt av vanntemperaturen i omgivelsene under vann, og det forventes derfor små variasjoner i temperaturen til det tilførte og/eller lagrede barrierefluidet/gassen. En slik temperatur blir imidlertid overvåket, og kan brukes i styringsalgoritmen for å kompensere for eventuelle temperaturendringer. 2 Oppfinnelsen frembringer også en fremgangsmåte for å utlede tilstanden til en mekanisk akslingstetning i et undervanns trykkforsterkningssystem ifølge oppfinnelsen. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved trinnene: å stenge barrierefluidtilførselen ved å stenge en barrierefluidtilførselslinjeventil eller pumpe, å indirekte måle strømmen av barrierefluid som lekker inn i pumpekammeret når barrierefluidtilførselen er stengt ved å måle fallet i akkumulatorens trykk eller nivå eller vekttap, og å bruke én eller begge av: en algoritme og en oppslagstabell til å utlede tilstanden til den mekaniske akslingstetningen. Trykkfallet over tid i akkumulatorene måles fortrinnsvis når barrierefluidtilførselen er stengt. Alternativt måles akkumulatorens væskenivå når tilførselen av barrierefluid er stengt. Et ytterligere alternativ er å måle vekttapet av akkumulatoren når tilførselen av barrierefluid er
6 stengt. Trykkmåling kan i praksis utføres for barrierefluider av olje eller gass, nivå- eller vektmålinger kan i praksis hovedsakelig utføres for flytende barrierefluider. Målingene utføres fortrinnsvis over en tidsperiode når undervannspumpen er i stabil drift, siden målingene vil være mest pålitelige med få eksterne faktorer som trykket over akslingstetningen. Alternativt foretas målingene over en tidsperiode når undervannspumpen er i en nedstengingstilstand. Figurer Oppfinnelsen er illustrert med fem figurer, hvor: 1 2 Figur 1 illustrerer et undervanns pumpesystem ifølge oppfinnelsen, med et barrierefluidsystem. Figur 2 illustrerer et system ifølge oppfinnelsen, med midler for å bestemme barrierefluidforbruket, Figur 3 illustrerer måleresultater ved bruk av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, Figur 4 illustrerer detaljer ved en utførelsesform av oppfinnelsen, med ytterligere barrierefluidakkumulator, og Figur illustrerer flere detaljer og fremgangsmåtetrinn i en utførelsesform av oppfinnelsen. Detaljert beskrivelse Det vises til figur 1, som illustrerer et undervanns pumpesystem ifølge oppfinnelsen, med et matesystem for barrierefluid og en PVR (pressure volume regulator; trykk-volumregulator), 16. En PVR er imidlertid ikke obligatorisk. Trykk og strømning i barrierefluidsystemet kan i stedet styres av en pumpe, slik som en undervanns barrierefluidpumpe nær undervannspumpen eller kompressoren, eller en tilførselspumpe for barrierefluid på overflaten, eller en stor undervanns fluidbank ved pumpen eller kompressoren. Figur 1 viser nærmere bestemt et undervanns pumpesystem 1, omfattende en undervanns sentrifugalpumpe 2 i et trykkhus 3 inndelt i ent motorkammer 4 og et pumpekammer, der motoren 6 er montert i motorkammeret 4, pumpen 7 er montert i pumpekammeret, en aksling 8 forbinder motoren til pumpen slik at rotasjon i motoren overføres til pumpen. En vegg 9 skiller motor- og pumpekamrene, og akslingen er ført gjennom veggen gjennom en mekanisk akslingstetning. Et barrierefluidsystem 11 tilveiebringer en smørende/kjølende
7 fluidstrøm gjennom utstyr i motorkammeret, men en liten lekkasjestrøm av barrierefluid strømmer gjennom den nevnte mekaniske akslingstetningen, og dermed fra motorkammeret 4 til pumpekammeret, og en tilførselslinje 12 for barrierefluid er forbundet med barrierefluidsystemet. Undervanns pumpesystemet 1 omfatter videre: en tilførselsventil 13 for barrierefluid eller andre midler for å stenge eller åpne barrierefluidtilførselen; minst én akkumulator 14 for barrierefluid montert mellom ventilen 13 og motorkammeret, en trykk/- temperatursensor 1 eller annen sensor for indirekte måling av strømmen av barrierefluid som lekker inn i pumpekammeret når barrierefluidet tilførselen er stengt, og en styreenhet for å drive ventilen og analysere måleresultatene. Barrierefluidsystemet er også utstyrt med filtre 17 for å fjerne partikler. En tilbakeslagsventil 18 er installert for å forhindre returstrøm inn i tilførselslinjen og en isolasjonsventil 19 for å stenge systemet under installasjon og opphenting. Mens ventilen 13 er fjernstyrt, drives isolasjonsventilen 19 av et fjernstyrt undervannsfartøy (ROV remotely operated vehicle) i intervensjonsoperasjoner. 1 2 Når lekkasjen gjennom den mekaniske akslingstetningen bestemmes, må barrierefluidtilførselen være stengt, og en eventuell dumplinje til pumpekammeret eller kompressorkammeret eller til sjøen være stengt. Følgelig må enhver lekkasje skje gjennom den mekaniske akslingstetningen, og barrierefluid tilføres bare fra akkumulatorene med fast volum og et referansevæskenivå eller nitrogen- eller annet gasstrykk over væskenivået. Ved å måle trykket eller væskenivået i akkumulatorene som funksjon av tid, eller vekttapet, er det mulig å utlede lekkasjen av barrierefluid gjennom den mekaniske akslingstetningen. Dette er illustrert i figur 2. Måling av akkumulerte effekter av lekkasje som funksjon av tid betyr måling med minutt-, time- eller dagintervaller, ikke sekunder. Antall og volum av akkumulatorer bør tilpasses den maksimalt forventede lekkasjestrømmen og sammentrekningen av barrierefluidet når det kjøles ned. Det vises til figur 3, som illustrerer måleresultater ved bruk av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Nærmere bestemt er akkumulatortrykk mot tid målt for forskjellige lekkasjerater. Trykket faller raskere med økende lekkasje. En referanselekkasjerate for en mekanisk akslingstetning beregnes eller etableres ved prøving. Hvis alle volumene, temperatur, trykk, fluidsammentrekningsrater og utstyrsenhetenes egenskaper er kjent, slik som ved stabil drift, kan det beregnes kurver eller akseptansenivåer, henholdsvis varsler og alarmer. Alternativt, eller hvis akseptansenivåene eller trykkene ikke kan beregnes nøyaktig, kan de nevnte nivåene
8 eller trykkene etableres ved prøving med en akseptabel mekanisk akslingstetning ved driftsbetingelser som kan lagres i en oppslagstabell sammen med de respektive nivåene eller trykkene for varsel og alarm. Fyllingsraten gjennom en typisk små-lednings (1/2") linje i navlestrengen kan være liten. I figur 4 er det derfor installert en ytterligere bank av akkumulatorer oppstrøms fra den fjernstyrte ventilen 13. Dette vil øke fyllingsraten til hovedakkumulatorene når ventilen 13 er åpen. 1 Pålitelighet er vitalt i undervannssystemer. Hyppig åpning og stenging av den fjernstyrte ventilen 13 kan derfor representere en mulig feilmodus. For å motvirke dette, kan en parallell ventil installeres på samme lokasjon som ventil 13. Av samme grunn anbefales også å utføre denne tilstandsovervåkingen av tilstanden til akslingstetningen med lange (spaced-out) mellomrom, for eksempel en gang i uken. En ytterligere variant av dette arrangementet for oppnå økt pålitelighet kan være å installere en trykkregulerende avlastningsventil, 21 figur, parallelt med eller som erstatning for ventil 13. En slik trykkavlastningsventil bør ha en relativt høy og kjent åpne/stenge-hysterese. Så snart trykkdifferansen mellom akkumulatorene 14 og har falt under et gitt innstillingspunkt DP1, vil ventilen åpnes. Så snart trykkdifferansen mellom akkumulatorene 14 og er redusert til en lav verdi DP2, vil den stenges igjen. Egenskapene til en slik ventil er vist i figur.
9 PATENTKRAV 1 1. Undervanns sentrifugalt trykkforsterkningssystem for å pumpe væske eller flerfasefluid eller komprimere gass, omfattende et trykkhus inndelt i et motorkammer og et trykkforsterkningskammer, der motoren er montert i motorkammeret, en trykkforsterker, som er en pumpe eller en kompressor, er montert i trykkforsterkningskammeret, en aksling kobler motoren til trykkforsterkeren, slik at rotasjon av motoren vil rotere trykkforsterkeren, en vegg skiller motor- og trykkforsterkningskamrene, der akslingen er ført gjennom veggen og en mekanisk akslingstetning, et barrierefluidsystem tilveiebringer smøring og kjølende strømning gjennom utstyr i motorkammeret, men en liten lekkasjestrøm av barrierefluid strømmer gjennom den mekaniske akslingstetningen, og dermed fra motorkammeret til trykkforsterkningskammeret, og en tilførselslinje for barrierefluid er koblet til barrierefluidsystemet, karakterisert ved at undervannstrykkforsterkningssystemet videre omfatter: minst én innretning for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen, minst én akkumulator for barrierefluid montert mellom innretningen for stenging eller åpning og motorkammeret, minst én sensor for indirekte måling av barrierefluidstrømmen som lekker inn i trykkforsterkningskammeret når barrierefluidtilførselen er stengt, og en analysator for måleresultatene. 2 2. Undervannstrykkforsterkningssystem ifølge krav 1, hvor innretningen for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen er en styreenhet som virker eksternt på en tilførselsventil for barrierefluid. 3. Undervannstrykkforsterkningssystem ifølge krav 1 eller 2, hvor sensoren er en trykksensor som måler trykkfallet over tid i akkumulatorene når barrierefluidventilen er stengt. 4. Undervannstrykkforsterkningssystem ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor styreenheten er en styreenhet på overflaten og kommuniserer med undervannsutstyret.
. Undervannstrykkforsterkningssystem ifølge et av kravene 1-4, hvor styreenheten bruker én eller begge av: en algoritme og en oppslagstabell til å utlede tilstanden til den mekaniske akslingstetningen. 1 6. Fremgangsmåte for å utlede tilstanden til en mekanisk akslingstetning i et undervanns trykkforsterkningssystem ifølge et av kravene 1-, karakterisert ved trinnene: å stenge barrierefluidtilførselen ved å stenge en barrierefluidtilførselslinjeventil eller pumpe, å indirekte måle strømmen av barrierefluid som lekker inn i pumpe- eller kompressorkammeret når barrierefluidtilførselen er stengt ved å måle fallet i akkumulatorens trykk eller nivå eller vekttap, og å bruke én eller begge av: en algoritme og en oppslagstabell til å utlede tilstanden til den mekaniske akslingstetningen. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor minst ett av et trykk- eller nivåfall eller et vekttap over tid i akkumulatorene måles når barrierefluidtilførselen er stengt. 2 8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, hvor målingene utføres over en tidsperiode når undervannstrykkforsterkeren er i stabil drift. 9. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, hvor målingene utføres over en tidsperiode når undervannstrykkforsterkeren er i en nedstengings- eller oppstarttilstand.
Sammendrag Oppfinnelsen frembringer et undervanns trykkforsterkningssystem for å pumpe væske eller flerfasefluid eller komprimere gass, omfattende et trykkhus inndelt i et motorkammer og et trykkforsterkningskammer. Motoren er montert i motorkammeret, en trykkforsterker, som er en pumpe eller en kompressor, er montert i trykkforsterkningskammeret. En aksling kobler motoren til trykkforsterkeren, slik at rotasjon av motoren vil rotere trykkforsterkeren. En vegg skiller motor- og trykkforsterkningskamrene, der akslingen er ført gjennom veggen og en mekanisk akslingstetning. Et barrierefluidsystem tilveiebringer smøring og kjølende strømning gjennom utstyr i motorkammeret, men en liten lekkasjestrøm av barrierefluid strømmer gjennom den mekaniske akslingstetningen, og dermed fra motorkammeret til trykkforsterkningskammeret. En tilførselslinje for barrierefluid er koblet til barrierefluidsystemet. Undervannstrykkforsterkningssystemet er kjennetegnet ved at det videre omfatter: minst én innretning for stenging eller åpning av barrierefluidtilførselen, minst én akkumulator for barrierefluid montert mellom innretningen for stenging eller åpning og motorkammeret, minst én sensor for indirekte måling av barrierefluidstrømmen som lekker inn i trykkforsterkningskammeret når barrierefluidtilførselen er stengt, og en analysator for måleresultatene. Fremgangsmåte for å utlede tilstanden til en mekanisk akslingstetning i et undervanns trykkforsterkningssystem ifølge oppfinnelsen.