(12) PATENT (19) NO (11) 334362 (13) B1 NORGE (1) Int Cl. E21B 43/01 (06.01) E21B 47/001 (12.01) G0B 19/048 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 064749 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 06.. (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 06.. () Prioritet (41) Alm.tilgj 08.04.22 (4) Meddelt 14.02.17 (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 132 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Klas Gøran Erikson, Bondibråten 7, 1387 ASKER, Norge Hallgeir Melbø, Bekkestuveien 13C, 137 BEKKESTUA, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse System og fremgangsmåte for tilstandsovervåking av undersjøisk utstyr (6) Anførte publikasjoner US 683426 A US 4707796 A (7) Sammendrag Den foreliggende oppfinnelsen angår et system og en fremgangsmåte for overvåkning av ytelsen til undersjøisk og for å gi tidlig varsel om utstyrsfeil, omfattende minst én sensor koblet til nevnte utstyr og innrettet til å måle minst en ytelsesindikatorverdi og en beregningsenhet for innhenting av målte indikatorverdi ved en valgt rate, og fra de innhentede data beregning av en sannsynlig fremtidig utvikling av den innhentede verdien og beregning av tiden før verdien passerer en valgt terskelverdi, der terskelverdien er en kritisk verdi som krever reparasjon eller erstatning av utstyret, der utstyret er innrettet til å gi et signal som indikerer den beregnede tiden før reparasjon/erstatning.
1 Denne oppfinnelsen angår et system for overvåkning av ytelsen til undersjøisk utstyr, for eksempel i forhold til olje/gass-installasjoner. I olje/gass-installasjoner er det flere enheter plassert på havbunnen eller nede i oljeeller gassbrønner, som utfører nødvendige oppgaver for å styre produksjonen eller transportere hydrokarboner fra brønnen til havoverflaten eller til land. Mange av disse enhetene inneholder utstyr som er utsatt for slitasje og som derfor må repareres eller erstattes av og til. Disse intervallene avhenger av bruk og av forholdene der de er plassert, og er derfor vanskelig å forutse. Resultatet er tilfeldige nødstans i produksjonen. 1 Reparasjoner utført på havbunnsutstyr krever forberedelse av båter, ROV er og dykkere, i tillegg til deler som må repareres eller erstattes. Dette fører til langvarige nedetider i forbindelse med uforutsette stopp, og dermed store kostnader i forbindelse med hvert sammenbrudd av undersjøiske deler. For et typisk felt kan produksjonsfortjenesten fra en pumpe som går være i størrelsesorden 0, M$/dag (06- verdier), slik at to ukers ekstra nedetid betyr omtrent 7M$. Dermed er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et system som gjør det mulig for operatøren å redusere nedetiden til undersjøisk utstyr som pumper tilknyttet akkumulatortanker. Dette er oppnår slik som angitt i de vedlagte kravene. 2 For mange innretninger (særlig for en undersjøisk pumpe) kan en beregne en eller flere ytelsesindikatorer. Ved å plotte disse i forhold til tid, og å sette en toleransegrense, kan en estimere den gjenværende tiden inntil det kreves vedlikehold. Den toleransegrensen er valgt i forhold til indikatorene og utstyrstype med en toleranse for feil og plutselige endringer i systemet. Som nevnt over vil det å kunne forutsi når en undersjøisk intervensjon kreves gi store kostnadsbesparelser, særlig ved å minimere nedetiden og eventuelt produksjonstap.
2 En planlagt stans betyr at reservedeler, personell og installasjonsfarkost kan bli mobilisert i god tid. Undersjøiske anlegg kan fortsette å operere inntil intervensjonsfarkosten er på plass, for derved å minimere produksjonens nedetid. Hvis vi sammenligner dette med en ikke-planlagt nedstengning (der pumpen plutselig slutter å fungere), vil produksjonstapet bli større siden det tar tid å forberede delene, farkosten og personalet. Forskjellen kan være is størrelsesorden uker, for eksempel en 24 timers nedetid for en planlagt intervensjon versus flere uker for en uplanlagt intervensjon. 1 Mens andre systemer for prediksjon av gjenværende livsløp for utstyr i seg selv er kjent, for eksempel beskrevet i WO03/01481, er undersjøisk utstyr av en slik art at mulighetene for en diagnose av typen som er beskrevet der blir vanskelig. Dessuten er metoden som er beskrevet i ovennevnte patentsøknad basert hovedsakelig på deteksjon av unormale forhold mens den foreliggende oppfinnelsen angår deteksjon av unormale forhold. I US683426 og US4707796 beskrives tilsvarende systemer for overvåking av motorytelse eller annet utstyr for å varsle om fare for feil, men ingen av dem tar hensyn til de spesifikke problemene som er tilstede ved undersjøiske anvendelser. I et undersjøisk system ville det være en risiko for at dette øyeblikket var for sent, og dermed er den foreliggende oppfinnelsen basert på overvåkning og evaluering av naturlig slitasje på utstyret. 2 Den foreliggende oppfinnelsen vil bli beskrevet med i detalj nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figur 1 illustrerer skjematisk systemet omfattende en undersjøisk enhet. Figur 2 illustrerer ytelsesindekskurven for forutsigelse av ytelsen til utstyret. Figur 3 illustrerer en anvendelse av oppfinnelsen der smøringsoljeforbruket brukes som parameter. Figur 1 illustrerer et system omfattende en undersjøisk installasjon 1 med et rør eller en navlestreng 2 til en landbaserte fasiliteter 3. Den undersjøiske installasjonen 1 kan, ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, inkorporere en pumpe for transport av fluider gjennom røret 2, for eksempel til kysten.
3 1 Som beskrevet over angår oppfinnelsen overvåkning av undersjøiske installasjoner 1 for å unngå plutselige stopp i operasjonen og for å gi planlangt vedlikehold, så som erstatninger eller reparasjoner før den kritiske situasjonen oppstår. Dette gjøres ved å måle en eller flere valgte indikatorer som indikerer status på det undersjøiske utstyret. Målingene blir da sendt, for eksempel langs røret eller navlestrengen 2, til kysten der overvåkningsutstyret inkluderer en beregningsenhet innrettet til å ektrapolere for å finne mest sannsynlige utvikling av de målte verdiene, og gjennom dette beregne en verdi for tid før vedlikehold. Dermed kan vedlikeholdet utføres før det undersjøiske utstyret slutter å fungere. Nå med henvisning til figur 2. For mange innretninger, særlig for undersjøiske pumper, kan en beregne en eller flere ytelsesindikatorer. Ved å plotte disse i forhold til tid, og sette en toleranse grense, kan en estimere den gjenværende tiden før vedlikehold er påkrevet slik at unødvendige stopp unngås og vedlikeholdskostnadene reduseres. I figur 2 kan vi se hvordan ytelsesindeksen er plottet i forhold til tid. En kurve har blitt tilpasset de målte dataene for å estimere den fremtidige degraderingen av utstyrets ytelse. Ved å sette toleransegrensen kan en dermed estimere den gjenværende tiden inntil det er nødvendig med vedlikehold. 2 Mulige ytelsesindikatorer relatert til undersjøiske pumpeerstatninger er særlig tilknyttet akkumulatorbankens kapasitet, når dette faller under en bestemt verdi er utskifting påkrevet, men kan også gjelde: - Smøreoljeforbruk, når det overskrider en viss grense, for eksempel bestemt av navlestrengens kapasitet, må pumpen skiftes. - Pumpe-effektivitet, når den faller til under en viss verdi må pumpen skiftes. - Analyse av motor-temperatur, for eksempel for å sikre at en pumpemotor ikke blir overopphetet. - PVR ytelses-analyse, for eksempel overvåkning av trykket i en pumpemotor. - Vibrasjonsanalyse, for eksempel på en pumpemotor. Smøreoljeforbruk
4 1 Den undersjøiske pumpen inneholdende en girkasse og et koblingskammer, og HVmotoren som driver pumpen, er fylt med et dielektrisk fluid som også virker som smøremiddel for girboksen. Trykket på denne smøreoljen er regulert slik at eventuelle lekkasjer vil komme fra de smøreoljefyllte volumet og inn i prosessen. Lekkasjer oppstår langs akslingen som kobler motoren til pumpen, og den lekkede oljen går rett inn i prosesslinjene (pumpeuttømmingslinjen). Lekkasjebanen går gjennom lagre og forseglinger. Lagrene og forseglingene slites langsomt med tiden, hvilket resulterer i at lekkasjebanene langsomt blir større og lekkasjestrømmen øker. Fluidet som brukes har en høy viskositet ved sjøbunntemperaturer, og er dermed vanskelig å presse gjennom lange navlestrenger. Typisk vil drivertrykk på 0 bar produsere en strøm på liter/time i en km lang 12mm navlestreng. Hvis lekkasjestrømmen nærmer seg navlestrengens kapasitet er det ikke lenger mulig å skifte ut smøreoljen med samme rate som den lekker ut, og pumpeerstatning blir nødvendig. Tidsavhengigheten til forbruket av smøreolje blir regnet for å være en lineær funksjon basert på den følgende overveiningen (også bekreftet av operasjonserfaring): - Størrelsen på lekkasjebanen øker lineær med tid (mens materiale slipes av lagerflatene). - Strømmen gjennom en hindring er lineært relatert til størrelsen på hindringen. - Strømmen er dermed forventet å vokse lineært over tid (når alt annet holdes likt). 2 Når man plotter smøreoljeforbruket mot tid kan man prøve å tilpasse en rett linje til dataene slik som illustrert i figur 3. Pumpeeffektivitet For enhver pumpe blir en bestemt kraft forventet ved en bestemt hastighet for å gi et forventet trykk. Når pumpen blir slitt er dens mulighet for å generere dette trykket mindre over tid, slik at overvåkning av hvor mye av den påtrykkede kraften som
konverteres til mekanisk arbeid på det pumpede fluidet kan helsen til pumpen overvåkes. For hvilken som helst pumpe kan arbeidet utført av pumpen uttrykkes som W = k1 * Strømning * Trykk (1) med W = arbeid (f.eks i kw), Strømning = Massestrømning (f.eks kg/s), Trykk = Trykk-økning over pumpen (f.eks Bar) k1 = konstant (avhengig av måleenheten, ikke påkrevet hvis SI-enheter brukes gjennomgående) 1 Trykket måles typisk ved bruk av trykksensorer montert i pumpen. Massestrømmen er hastighetsavhengig (forutsatt at fluidtettheten er konstant), dvs Strømning = k2*hastighet (2) Ved å kombinere (1) og (2) får vi W = k3*hastighet*trykk (3) Kraften P shaft påtrykkes pumpen (over akselen) og kommer i vårt tilfelle fra utgangsakselen på en undersjøisk HV-motor. 2 Dette blir matet ovenfra via en navlestreng, typisk fra en variabel hastighetsdriver (VSD). Der er kraft-tap gjennom VSD en, gjennom navlestrengen, og i HV-motoren selv. Vi måler utgangskraften fra VSD en, og egenskapene til navlestrengen er velkjent. Vi kan derfor beregne kraften påtrykket på motorterminalene fra motordata, vi kjenner forholdet mellom påtrykket kraft på motorterminalene og den genererte akselkraften.
6 P shaft =Eff motor *Pmotor in (4) der Eff motor = effiektiviteten til HV motoren Pmotor in = kraften påtrykket motorterminalene Forholdet mellom kraften som er påtrykket motoren og utgangskraften fra VSD en kan uttrykkes som Pmotor in =eff umb *PVSD out () der eff umb = effektiviteten til nevlestrengen (beregnet gjennom strøm og frekvens) PVSD out = utgangskraft fra VSD (målt) 1 Kombinasjon av (4) og () gir P shaft =Eff motor *eff umb *PVSD out (6) Vi kan derfor beregne kraften påtrykket pumpen (fra VSD utgangsrkaft, VSD-frekvens, navlestrengdata og motordata). Vi kan beregne arbeid utført av pumpen (fra (1) over). Vi kan berenge akselkraften inn i pumpen fra (6) over. Effektiviteten til pumpen er gitt av utført arbeid / påtrykt kraft, eller 2 Effpump = (k3*hastighet*trykk) / (Eff motor *Eff umb *PVSD out ) (7) Ligning (7) brukes hvis vi har målinger for trykk, hastighet og VSD utgangskraft tilgjengelig. Dette er korrekt dersom fluidtettheten er konstant (mens den i praksis ofte varierer). Hvis ytterligere informasjon er tilgjengelig, for eksempel angående tetthet, kan konstanten k3 i (7) justeres tilsvarende, og gi et bedre estimat av pumpeeffektiviteten.
7 Kapasitet for undersjøisk akkumulatorbank. I den spesielle typen undersjøisk pumpesystem som omhandles her brukes en akkumulatorbank med et flertall akkumulatorer for å opprettholde et overtrykk i den undersjøiske pumpen under nedkjøling. I en typisk implementasjon brukes 8 liters akkumulatorer. Hvis for eksempel toppside-anlegget plutselig stenges ned stopper pumpesystemet og kjøles gradvis ned. Den dielektriske oljen inne i motoren trekker seg sammen og en det blir behov for en forsyning med smøreolje for å opprettholde det svake overtrykket. Overtrykket kontrolleres via en mekanisk regulator. 1 Akkumulatorbanken med smøreolje inneholder et tilstrekkelig volum til å kunne forsyne all olje som trengs for en fullstendig nedkjøling under verste omstendigheter. Det er også noe tilleggskapasitet slik at hvis noen få av akkumulatorene slutter å fungere vil størrelsen på banken fremdeles være tilstrekkelig. Over tid vil akkumulatorbankene slutte å virke en etter en. Når for eksempel 3 har stoppet å virke vil ikke akkumulatorbanken kunne opprettholde overtrykket i verst mulige omstendigheter, og en utskifting av pumpemodulen bør da vurderes. Antallet feilede akkumulatorer er dermed en viktig ytelsesindikator. 2 Motortemperatur-analyse. Normal operasjonstemperatur er 0C. Maks-grensen for en motor er 90C, og det vil føre til nedstengning ved 70C. En motor blir kjølt ned ved eksterne kjølecoiler, men i undersjøiske systemer er det et potensielt problem med ekstern vekst. Hvis det er tilfellet må kjølerne rengjøres av et ROV-verktøy. Å finne temperaturtrenden kan dermed indikere om veksten of planlegging av ROV-operasjoner kan gjøres hvis man kjenner trenden til veksten basert på temperaturmålinger. Temperaturen kan også bli korrelert med motorhastighet for å ta hensyn til forskjeller i pumpehastighet. PVR ytelsesanalyse
8 Trykket er bar høyere i motoren enn i pumpen for å sikre at ikke produksjonsfluider kommer inn i motoren, men bare ren hydraulisk olje kommer inn i produksjonsfluidene. Hvis det er en feil i denne rutinen kan motortrykket kjøres manuelt fra toppsiden. Dette krever en ROV-operasjon. Å finne trenden til overtrykket tillater dermed operatøren å planlegge ROV-operasjonen for dette formål. 1 Vibrasjonsanalyse Hvis radielle og aksielle akselerometre installeres i hver pumpe. Gjennomsnittlig vibrasjonsparametre kan brukes i analyser tilsvarende de ovennevnte; hvilket vil si hastighet, akselerasjon, avvik. Vibrasjonsovervåkning av roterende maskinering i offshore og andre industrier blir mye brukt og er kjent som et verdifullt verktøy for å detektere feil og planlegge vedlikehold på slikt utstyr. Det generelle vibrasjonsnivået kan brukes for å sette opp en trend og for RMS-verdier slik som akseleasjon og hastighet. Den reelle deteksjonen av hvor mange akkumulatorer som er operasjonelle er tema i den samtidig innleverte patentsøknad nr 06 470 som er inkorporert her ved referanse. Det viktige aspektet ved denne oppfinnelsen er at antallet fungerende akkumulatorbanker overvåkes ved overvåkning av trykket i tankene og brukes som en indikator for den undersjøiske installasjonens status og som et hjelpemiddel for å forutsi behovet for vedlikehold ved å ekstrapolere utviklingen i en modell som beregnes i systemet. 2 For å oppsummere angår oppfinnelsen en fremgangsmåte og et system for å forutsi tiden før service for undersjøiske pumpesystemer basert på: - en eller flere ytelsesindikatorer - et plot eller et estimat for ytelsesindikatoren i forhold til tid - tilpasning av en kurve eller en indikatorvariasjon til data for å ekstrapolere variasjonen og forutsi fremtidig degradering - sette en toleransegrense for ytelsesindikatoren som definerer forhold som krever vedlikehold, reparasjon eller utskifting av utstyr
9 - estimering av tid til service basert på tiden før den ovennevnte ekstrapolasjonen når toleransegrensen. Som nevnt over kan ytelsesindikatorene være en eller flere av de opplistede variablene; smøreoljeforbruk, pumpeeffektivitet og eller antallet akkumulatorer i funksjon, eller en generert matematisk modell basert på typiske variabler over tid og mot sammenbrudd eller nedstengning av systemet.
P a t e n t k r a v 1. System for overvåkning av tilstanden til undersjøisk utstyr og for å gi tidlig varsel om utstyrsfeil, omfattende minst én sensor koblet til nevnte utstyr og innrettet til å måle minst en tilstandsindikatorverdi og en beregningsenhet for innhenting av målte indikatorverdi ved en valgt rate, og fra de innhentede data beregning av en sannsynlig fremtidig utvikling av den innhentede verdien og beregning av tiden før verdien passerer en valgt terskelverdi, der terskelverdien er en kritisk verdi som krever reparasjon eller erstatning av utstyret, der utstyret er innrettet til å gi et signal som indikerer den beregnede tiden før reparasjon/erstatning k a r a k t e r i s e r t v e d a t det overvåkede utstyret er en undersjøisk pumpe i en akkumulatorbank i et undersjøisk pumpesystem og den målte indikatoren er konsumet av smøreolje, og der den målte indikatorverdien er trykket i smøreoljen i akkumulatortankene. 1 2. System ifølge krav 1, der den estimerte fremtidige utviklingen blir beregnet på nytt og korrigert ved bestemte intervaller, for derved å oppdatere den beregnede tiden før reparasjoner/erstatninger. 3. System ifølge krav 1, der det overvåkede utstyret er en undersjøisk pumpe i et undersjøisk pumpesystem og den målte indikatoren er pumpens effektivitet. 2 4. System ifølge krav 1, der et antall tilstandsindikatorer blir målt og beregningsenheten er innrettet til å konstruere en modell basert på målingene og kjente egenskaper ved utviklingen av hver indikator, for å beregne tiden for reparasjon/erstatning basert på modellen.. Fremgangsmåte for overvåkning av tilstanden til undersjøisk utstyr og for å gi et tidlig varsel om utstyrsfeil, omfattende måling av minst en tilstandsindikator med minst en sensor koblet til nevnte utstyr ved en valgt rate å innhente de målte indikatorverdiene, der tiden før passering av en valgt terskelverdi beregnes på bakgrunn av de innhentede indikatorverdiene, der terskelverdien er en kritisk verdi som krever reparasjon eller erstatning av nevnte utstyr
11 k a r a k t e r i s e r t v e d at. det overvåkede utstyret er en undersjøisk pumpe i et undersjøisk pumpesystem og den målte indikatorverdien er trykket i smøreoljen i akkumulatortankene, for derved å angi forbruket av smøreolje. 6. Fremgangsmåte ifølge krav, der den estimerte fremtidige utviklingen blir beregnet på nytt og korrigert ved bestemte intervaller, for derved å oppdatere den beregnede tiden for reparasjon/erstatning. 8. Fremgangsmåte ifølge krav, der det overvåkede utstyret er en undersjøisk pumpe i et undersjøisk pumpesystem og den målte indikatoren er pumpens effektivitet. 1 9. Fremgangsmåte ifølge krav, der et antall tilstandsindikatorer blir målt og beregningsenheten er innrettet til å konstruere en modell basert på målingene og kjente egenskaper ved utviklingen av hver indikator, for å beregne tiden for reparasjon/erstatning basert på modellen.
1/2
2/2