| dc.description.abstract | I dag er de fleste subsea systemene utviklet med elektro- hydrauliske kontrollsystemer. Dette systemet har i mange tiår blitt utviklet til det velfungerende og pålitelige systemet det er i dag. I disse systemene kommuniserer Topside med strøm, signaler og hydraulikk gjennom umbilicals. En av de mange viktige oppgavene til kontrollsystemet er å gi operatøren kontroll over ventiltreet, samt å ha et velfungerende system for situasjoner hvor kommunikasjon blir kuttet av i en nødsituasjon. Derfor er det viktig å gjennomføre regelmessige tester for å verifisere at alt fungerer som det skal, spesielt de komponentene som skal ivareta sikkerheten under en nødsituasjon. Et eksempel på slike tester er lekasjetesting av portventiler i ventiltreet. Det neste steget for bransjen er å utvikle helelektriske undervannssystemer. Ved å bytte ut hydrauliske aktivatorer med elektriske, vil mengden data tilgjengelig for analyse øke drastisk.
For hydrauliske ventiler monitoreres posisjonen basert på hydraulikk brukt og trykkmålinger. Dette er hovedsakling for å bekrefte åpen eller lukket posisjon. Helelektriske systemer introduserer en elektrisk motor i aktivatoren. Ved bruk av en elektrisk motor vil en hel rekke ny data bli tilgjengelig. Lineær posisjon fra antall omdreininger, umiddelbart strømforbruk og omdreiningshastighet er ny data som blir tilgjengelig kun fra motoren. I tillegg gjør nøyaktig posisjonsmanipulering at det åpnes mulighet for partial stroke test. Ved en slik test kan funksjonaliteten av ventilen testes uten stopp i produksjonen. En av de viktigste utfordringene for videreutvikling er å sette opp systemer som benytter disse dataene på en fornuftig måte. Et eksempel på et slikt system har blitt undersøkt og definert ved to Python-program.
Det er blitt konstruert to program for en gate-ventil: et for å simulere data (da dette manglet), og et for en digital tvilling. Hensikten med programmene er å demonstrere eksempler på hvordan ny data, sammen med tradisjonell teori kan benyttes for å tilstandsmonitorere ventilen. Simuleringsprogrammet produserer data for kraftmålinger gjort på en foreslått lastcelle på ventilstammen, samt elektrisk effekt brukt av motoren. Annen informasjon som tid, posisjon, trykk og rpm blir også generert. Dataen blir eksportert til Excel som tidsserier og representerer informasjonen som blir hentet inn fra systemet. Feil over tid i form av synkende effektivitet på ledeskrue, økende flow behaviour index for smørevæske i aktivatoren, synkende friksjon på pakning til ventilstammen og lekkasje over ventilen er inkludert. Det er også gjort antakelser om sammenheng mellom feil: sjanse og størrelse for endring i lekkasje og friksjon på pakning øker for høyere differensialt trykk over ventilen ved åpning etter lekkasjetest.
Den digitale tvillingen tar inn tidsseriene og kalkulerer forventet lineær kraft på ventilstammen i to omganger. Én ved å bruke data for RPM og elektrisk effekt brukt av motoren, og én ved å bruke ventilposisjon og trykkdata fra brønnen. Ideen var å anta et feilfritt system over tid, og deretter sammenligne estimerte tidsserier med de målte. Resultatene fra undersøkelsen viser at det enkelt går an å vise endring i feil over tid for et slikt system. Ved å sammenligne endring i elektrisk effekt med avvik i motor- og ventil ytelse kan en se grunnen til unormal endring i effekt. Endringen av effektiviteten til aktivatoren ble fremstilt for to ulike rpm over antall sykluser. Det kan da sees at det etter hvert er en liten økning i flow behaviour index, da det er lavere effektivitet for høy rpm. Avvik i nødvending ventilkraft synker med tid, da friksjonen på pakningen til ventilstammen synker. En klar korrelasjon mellom avvik for behov for kraft til ventilen og differensialtrykk ved åpning kan sees. Dette da pakningen antas å slites mer for høyere differensialtrykk. | |
| dc.description.abstract | Today, most subsea systems are developed with electro-hydraulic control systems. This system has been developed over many decades into the well-functioning and reliable system it is today. In these systems, the Topside communicates with power, signals, and hydraulics through umbilicals. One of the many important tasks of the control system is to give the operator control over the tree valve, as well as to have a functioning system for situations where communication is cut off in an emergency. Therefore, it is important to conduct regular tests to verify that everything works as it should, especially those components that are to ensure safety in an emergency. An example of such tests is leak testing of gate valves in the X-mas tree. The next step for the industry is to develop fully electric subsea systems. By replacing hydraulic actuators with electrical ones, the amount of data available for analysis will drastically increase.
For hydraulic valves, the position is monitored based on the hydraulic fluid used and pressure measurements. This is mainly to confirm either fully- open or closed position. All- electric systems introduce an electric motor in the actuator. The use of an electric motor will make a whole range of new data available. Linear position from the number of revolutions, immediate power consumption, and rotation speed are new data that will be available only from the motor. In addition, precise position manipulation opens the possibility for partial stroke testing. In such a test, the functionality of the valve can be tested without stop in production. One of the main challenges for further development is to set up systems that use this data in a sensible way. An example of such a system has been examined and defined by two Python programs.
Two programs have been constructed for a gate valve: one to simulate data (as this was missing), and one for a digital twin. The purpose of the programs is to demonstrate examples of how new data, in combination with traditional theory, can be used to condition monitor the valve. The Simulator generates data for force measurements made on a proposed load cell on the valve stem, as well as the electric power used by the motor. Other information such as time, position, pressure, and rpm is also generated. The data is exported to Excel as time series and represents the information being collected from the various sensors. Faults over time in the form of decreasing efficiency on the lead screw, increasing flow behavior index for the lubricant in the actuator, decreasing friction on the valve stem seal, and leakage over the valve are included. Assumptions have also been made concerning the correlation between faults: the chance and magnitude of change in leakage and friction on the stem seal increase for higher differential pressure over the valve when opening after leak testing.
The Digital Twin collects the time series and calculates the expected linear force on the valve stem in two stages. One by using data for RPM and electric power used by the motor, and one by using valve position and pressure data from the well. The idea was to assume a faultless system over time, and then compare the estimated time series with the measured ones. The results from the analysis show that it is easy to show a change in faults over time for such a system. By comparing the change in electric power with deviations in motor and valve performance, one can see the reason for the abnormal change in power consumption. The change in efficiency of the actuator was presented for two different rpms over the number of cycles. It can then be seen that there is gradually a small increase in the flow behavior index, as there is a deviation in efficiency for high and low rpm. The deviation in necessary valve linear force decreases with time, as the friction on the valve stem seal decreases. A clear correlation between deviation in required force on the valve, and differential pressure when opening the valve can be seen. This is because the packing is assumed to wear out quicker for higher differential pressures. | |
