Design av undervanns høyspenningskomponenter

Abstract

Med store deler av de lett tilgjengelige petroleumsressursene allerede utvunnet, er man nå i stadig større grad interessert i å utvinne olje og gassfelt som tidligere ble betraktet som økonomisk ulønsomme. En slik trend krever utvikling av ny teknologi for utvinning av petroleum fra større dyp og under mer ekstreme omgivelsesforhold. Denne utviklingen fører til fokus på utvinning fra subsea installasjoner i stedet fra plattformer og skip og gir store teknologiske utfordringer i utvikling av subsea prosess og kraftforsyningssystemer. Hensikten med denne rapporten er å gi en oversikt over enkelte av de mest kritiske komponentene for subsea kraftforsyning og hvilke designkriterier som er viktige for disse komponentene. Utvinning fra større dyp krever også en lengre borestreng og stiller større konstruksjonskrav til denne og mer ekstreme forhold med tanke på trykk og temperatur av boreslammet. For overvåkning av brønnstrømmen har man hittil benyttet akustiske teknikker, men elektrisk signaloverføring for analyse og overvåkning av brønnstrømmen er også av økende interesse. For denne teknikken er halvledende elementer et av de kritiske designaspektene. Elektrisk ledningsevne av halvledere ble derfor sett nærmere på og et laboratorieoppsett ble brukt for å undersøke hvordan resistansen av sotfylte polymerer varierer med trykk og temperatur De viktigste aspektene knyttet til design av våte konnektorer knytter seg til beskyttelse mot vanninntrengning og kompabilitet mellom fast isolasjon og olje samt beskyttelse mot høye hydrostatiske trykk. Beskyttelse mot vanninntrengning under kobling er kanskje det viktigste designaspektet og en konstruksjon som forhindrer vanninntrengning under og etter kobling er av essensiell betydning. I tillegg består konnektorene som regel av et hybrid isolasjonssystem av fast isolasjon og olje. Det er da viktig at disse er kompatible da uheldige kombinasjoner kan gi forringing av isolasjonsegenskapene. Spesielt viktig er det at man sørger for god holdfasthet i grenseflatene mellom fast isolasjon og olje, da man i enkelte tilfeller har opplevd en betydelig reduksjon i holdfastheten i dette sjiktet ved uheldige betingelser. I tillegg må man etterstrebe gode prosedyrer for kvalitetskontroll av konnektorer da høy pålitelighet er påkrevd på grunn av høye kostnader ved reparasjon og vedlikehold. Dette fremmer derfor et ønske om standarder for kvalifisering av konnektorer slik at man kan oppnå et produkt med så høy pålitelighet som mulig. For resistans i halvledere ble det funnet av teorien at man ved økende temperatur har en PTC-effekt som fører til en kraftig økning av resistansen ved økende temperaturer, gjerne i regionen 100-150 °C. Disse temperatumekanismene er kompliserte og teoriene omkring disse er enda uklare og trenger nærmere undersøkelse. For økende trykk er det klart at resistansen minker da sotpartiklene i polymeren vil danne ledende sotkjeder under komprimering. Forsøk bekreftet teoriene omkring temperaturavhengighet og mekanisk påkjenning på resistansen i sotfylte polymerer. Målinger ble foretatt for konstant temperatur under økende trykk. Resistansen ble redusert med en faktor 12-18 ved økning av trykket fra atmosfæretrykk til et trykk på 50-100 bar. Det ble observert en rask reduksjon i resistansen ved økt trykk fra atmosfære til 10-20 bar og deretter en utflatning, noe som tydet på at sotpartiklene hadde dannet ledende sotkjeder under komprimeringen og ytterligere økning av trykket gav derfor ingen vesentlig reduksjon av resistansen. Ved økning av temperaturen fra romtemperatur opplevde man en kun svak økning i resistansen ved 60 °C og 90°C. Ved ytterligere temperaturøkning til 120 °C ble det imidlertid registert en resistansøkning på 5-7 ganger i forhold til tilsvarende trykk ved lavere temperaturer. Dette kan etter all sannsynlighet tilskrives PTC-effekten i materialet. Forsøket som ble gjennomført var av nokså begrenset omfang og det vil være av interesse å gjennomføre et mer omfattende forsøk der man benytter et mer skreddersydd oppsett for målingene og gjennomfører målinger på flere ulike sotfylte polymerer for å undersøke hvordan ulike typer halvlederelementer påvirkes av forhøyede trykk og temperaturer.