CN102265042A - 海底控制系统诊断 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于分析海底控制系统的运行参数和诊断/预测故障的精确、可靠的方法，尤其是使用来自例如海底控制系统的记录压力信号和评估现场设备的响应通信强度(信号振幅)检测液压控制系统中的泄漏和/或堵塞的方法。故障的预测使得有机会为干预做准备，以便例如通过订购设备、工具和/或调度干预船只，在故障出现之前将故障的影响最小化。类似地，诊断故障显著缩短干预时间。

Description

海底控制系统诊断

背景技术

对海底设备故障的干预或检修可能非常昂贵和费时。如果在系统出故障之前可以诊断和/或预测问题，则通过在系统出故障之前计划干预，可以从项目中节省大量运行费用。

海底设备的液压控制系统是其完整性极大地影响海底生产系统的功能的关键部件。应该通过一切手段防止或尽快修复液压控制系统的故障以保证海底生产系统正常运行。与液压控制系统相关联的一些常见故障模式包括，例如，供应/功能管或定向控制阀(DirectionalControl Valve，DCV)泄漏、海底过滤器堵塞、储压器(accumulator)预充气体逸出、和致动器弹簧力和密封摩擦力变化。

预测海底液压故障的传统方法依赖于直观检查阀特征和讲述系统问题的操作人员。这种人工诊断的有效性在很大程度上依赖于操作人员的经验；即使熟练的操作人员也不能总是检测到随时出现的阀特征的微小变化，或确定这样的变化是由故障部件引起的还是由诸如钻探压力以及相关联的弹簧力的正常操作条件变化引起的。

需要一种液压诊断工具。这样的工具应该设计成在故障之前检测和诊断海底液压控制系统的故障模式，以便减少干预成本和停产时间。还需要一种在故障之前监视海底系统的通信系统以便减少干预成本和停产时间的方法。

发明内容

在用于确定液压控制系统的性能的当前公开的方法中，记录包括来自系统中的压力传感器的在致动器打开/关闭期间记录的压力读数的阀特征，然后将所述阀特征与模拟阀特征相比较，以确定系统参数。系统参数(使用模拟而被发现)随时间的变化提供了系统状况的指示，后者可以用于对采取纠正行动做出判定。

此外还提供了一种使用供应和功能管线阀特征的再充压部分确定液压控制系统中的问题的方法。随着压力增大而增大的供应和功能管线阀特征之间的压力差指示泄漏，而阀特征平行(parallel)则指示传感器漂移。

还进一步提供了用于确定液压控制系统中是否存在泄漏和/或堵塞的方法。在系统集成测试期间，从位于系统中的供应和功能管线中的压力传感器记录阀特征。使用在系统集成测试期间记录的阀特征和致动器体积V_act计算初始流阻Cv₀。在系统运行期间从所述压力传感器记录阀特征。计算系统运行期间

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的值，其中，dp是系统运行期间随时间推移的压力传感器之间的压力差，T是致动器(阀)打开时间。如果计算的积分值大于V_act，则指示在液压控制系统中有泄漏和/或堵塞。

另外还提供了一种用于监视海底系统的通信系统的方法，包括测量从海底控制模块发送到海上(topside)调制解调器的模拟信号的最大振幅，以及随时间推移对从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅进行比较。测量从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅可以包括读取从主控台发送到海上调制解调器的数字信号，以及根据从主控台发送到海上调制解调器的数字信号，识别从海上调制解调器接收模拟信号的海底控制模块。并且，一种用于维护海底控制系统的通信系统的方法包括如上面所概括的那样监视海底控制系统的通信系统，以及如果随时间推移对从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅的比较指示从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅随时间减小，则为维护做准备。

本文所述的方法提供了用于分析液压控制系统的性能以及预测和防止液压控制系统故障的精确、可靠的方法。尤其，本文所述的方法提供了使用来自例如海底系统的记录压力信号来检测液压控制流管线中的泄漏和/或堵塞的精确、可靠的分析方法。泄漏(例如DCV、致动器和/或管线的泄漏)和堵塞(例如过滤器的堵塞)是液压控制流管线中的两个主要问题。对泄漏和/或堵塞的分析以及预测和/或早期检测使得有机会在故障出现之前采取纠正行动。

附图说明

图1示出了用于海底项目的整个液压控制系统的实施例。

图2示出了致动器打开和储压器再充压期间无泄漏系统的典型阀特征。

图3是液压控制系统的海底控制模块(SCM)部分和它与致动器的连接的示意性例示。

图4是液压控制系统的SCM部分和它与致动器的连接的示意性例示，其中存在泄漏问题。

图5是泄漏液压控制系统在储压器再充压期间的阀特征的放大图。

图6示出了海底生产控制系统中的典型通信系统。

具体实施方式

控制系统的介绍

图1是通用液压控制系统的示意图。在海上，将液压流体从液压动力单元(HPU)泵送到终止于脐带终止组件(UTA)的脐带中。对于具有长牵索的项目，在脐带中应该将控制流体模拟成可压缩流。通过海底分配单元(SDU)，通过受SCM控制的DCV打开一系列树形阀。海底储压器提供局部压力源，以便帮助更快地打开阀，以及提供缓冲以吸收流中的冲击和不规则。预充气体泄漏可能引起储压器丧失其功能，因此，可能影响整个液压控制系统的性能。海底过滤器有助于保持液压流体的清洁。肮脏流体可能引起流动通道损坏，以及引起例如螺线管阀的故障。用于打开阀的致动器是与弹簧力减小和密封摩擦力变化相关联的另一个潜在故障点。

安装在DCV下游的SCM中的至少一个压力转换器(即，功能管线压力转换器)记录阀打开和关闭期间的压力信号变化。记录的压力信号变化统称为阀特征(valve signature)。如图2所示，阀打开特征通常牵涉到两个过程：(1)致动器打开，以及(2)储压器再充压(recharge)。在一些情况下，存在两个位于SCM(或POD)中的压力传感器，即，供应压力传感器和功能管线压力传感器。供应压力传感器的位置在不同厂商制造的SCM中可能不同。例如，如图1所示，供应压力传感器可以在过滤器的上游。两个传感器在阀打开期间同时记录压力信号(在阀关闭期间只有功能管线传感器记录阀特征)，并且记录的数据被存储在主控台(MCS)中，在需要时可以从海上访问。

液压控制系统故障通常与称做DCV下降压力(dropout pressure)的下降到DCV闭锁压力(latching pressure)以下的DCV下游的压力相关联。当发生这种情况时，DCV失去作用，将控制流体排放到环境中，因此保持了整个控制系统的安全性。所考虑的大多数故障模式都具有使压力下降到DCV下降压力以下的可能性。

通用诊断方法

打开/关闭期间的阀特征是液压流管线部件的配置和液压控制流体的性质的复合函数。液压流管线部件的配置包括诸如海上压力源条件、脐带长度、内径、厚度、储压器尺寸和预充压(precharge)、流动限制和致动器尺寸、和相关的力的变量。控制流体的性质包括例如密度、粘度和体积模量。

对于大多数系统参数在相对较小的不确定度内已知的项目，可以使用软件，即模拟算法来生成与通过改变诸如致动器弹簧力、储压器预充压、SCM流阻值(Cv)等的可变参数而在现场捕获(即记录)的阀特征一致的打开/关闭期间的阀特征。通过随时间推移比较打开/关闭期间的一系列阀特征来跟踪系统参数的变化，可以揭示系统参数随时间变化的趋势，以及可以预报系统故障或问题。例如，弹簧力的减小指示致动器问题，预充压力的减小指示预充气体从储压器中泄漏出来，以及SCM流阻值(Cv)的减小指示海底过滤器堵塞。一旦确定了问题，就可以在系统故障之前采取相应措施。

于是，提供了一种包括捕获液压控制系统的布局和参数的用于监视液压控制系统的状况的方法。液压控制系统的参数例如可以包括有关管材(tubing)、液压流体性质、供应压力、储压器、致动器和系统中的不同设备施加的流动限制的数据。在系统集成测试(模拟零钻探压力和零海深)期间捕获阀特征。通过使用模拟算法和调整液压控制系统的参数生成与在系统集成测试期间捕获的阀特征一致的模拟阀特征。记录用于生成与在系统集成测试期间捕获的阀特征一致的模拟海底阀特征的液压控制系统的参数。捕获海底阀打开/关闭(例如，第一海底阀打开/关闭)的阀特征。通过使用模拟算法和调整液压控制系统的参数生成与针对海底阀打开/关闭捕获的海底阀特征一致的模拟海底阀特征。记录用于生成与针对海底阀打开/关闭捕获的阀特征一致的模拟海底阀特征的液压控制系统的参数。重复前面三个步骤(例如，针对所有随后海底阀打开/关闭)。随时间跟踪液压控制系统的参数的变化。

可以根据液压控制系统的参数随时间的变化来检测和/或预测液压控制系统的问题。关于该通用诊断方法，系统参数相对于它们初始状态的变化是诊断的关键。模拟参数的绝对值是次要的。故障的预测使得有机会为干预做准备，以便例如通过订购设备、工具和/或调度干预船只，在故障出现之前将故障的影响最小化。类似地，诊断故障会显著缩短干预时间。

泄漏和堵塞检测方法

在图3中示意性地例示了系统的SCM部分和它与致动器的连接。在图3中，P1对应于图1的供应压力转换器；P2对应于图1的功能管线压力转换器。Cv代表位于两个压力传感器之间的设备施加的累积流阻。由于像过滤器那样的设备中的堵塞，Cv在系统寿命期间减小。在部署了项目时，初始流阻是Cv₀。此后，如图4所示，可能发生泄漏。具体地，可能从压力传感器之间的DCV或其它设备、管线(在图4中例示在P2与致动器之间)、和/或致动器中发生由箭头所表示的泄漏。

阀特征还提供了可以用于检测海底液压控制系统泄漏的信息。在储压器再充压期间，P1与P2之间的压力差应该是零，即，当致动器完全打开时，不存在压降。相反，随着系统被充到更高压力，在储压器再充压期间，通过P1与P2之间的增大的压力差指示系统中的泄漏。在高压下泄漏将加重。图5，即泄漏液压控制系统在储压器再充压期间的阀特征的放大图例示了随着系统被充到更高压力时这种增大的压力差。

如果在储压器再充压期间，P1与P2之间的压力差不为零，并且不随着系统被充到更高压力而增大，而是恒定的非零值(即，压力传感器的阀特征在储压器再充压期间平行)，则这样的阀特征指示传感器漂移。本文所使用的短语“传感器漂移(sensor shift)”指的是如果传感器受到污染、退化、和/或温度变化，可能随时间逐渐增大地出现的来自传感器的输出信号的失真。

更确切地说，可以量化泄漏速率。当部署项目时，根据质量守恒，在致动器打开期间流过流管线的控制流体的数量等于致动器体积。因此，可以使用阀特征和致动器体积(V_act)通过方程(1)计算初始流阻Cv₀，其中dp是随时间推移的压力差(P1(t)-P2(t))，T是致动器(阀)打开时间。

${\mathrm{Cv}}_0=\frac{V_{\mathrm{act}}}{{\∫}_0^T\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

致动器体积、压力、和时间的单位分别是加仑、磅每平方英寸(psi)和分钟。分母的积分可以使用记录的阀特征来计算。

在一段时间之后，系统中可能出现泄漏。假设在系统中没有堵塞，则可以利用方程(2)计算大于零的泄漏体积。

$V_{\mathrm{leak}}={\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}-V_{\mathrm{act}}---\left(2\right)$

积分项使用记录的压力阀特征和来自方程(1)的Cv₀来计算。

另一方面，可以使用方程(3)来计算系统运行期间的泄漏体积，其中Cv是存在堵塞的流阻，Cv＜Cv₀(即，堵塞的结果是流量减小)。

$V_{\mathrm{leak}}={\∫}_0^T\mathrm{Cv}\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}-V_{\mathrm{act}}---\left(3\right)$

但是，Cv不能像Cv₀那样测量或计算出来，因为系统中可能存在泄漏。因此，为了确定在液压控制系统中是否存在泄漏和/或堵塞，可以用如从方程(1)中计算的Cv₀取代方程(3)中的Cv。但是，由于Cv＜Cv₀，所以

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的值大于V_act指示在液压控制系统中有泄漏和/或堵塞。

再次参考方程(2)，具体地说是V_leak的计算值，一旦确定了系统存在泄漏，并且量化了阀打开期间的泄漏体积，就可以确定系统是否堵塞。具体地，

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的值大于(V_act+V_leak)指示在液压控制系统中除了泄漏之外还有堵塞。

泄漏项(即，V_leak)和堵塞项(即，Cv)两者都出现在控制方程(3)中。为了只确定系统中是否存在泄漏(即，排除可能堵塞的问题)，可以将压力传感器放置成在压力传感器之间没有过滤器(即，堵塞的最常见原因)，使得两个压力传感器之间的流阻保持在如刚部署好项目时或在系统集成测试期间(在系统集成测试期间)确定的常数Cv₀。可以使用方程(2)确定致动器打开期间的泄露体积，并且通过用致动器打开时间除泄漏体积可以计算平均泄漏速率。如前所述，当以更高压力对系统施压时，泄漏速率可能增大。

压力传感器的精度是使用上述方程确定系统中的泄漏的重要因素。尤其，应该根据压力传感器的精度计算泄漏体积的最大容许误差。例如，当假设0.1％的已知压力传感器不确定度，常数Cv₀，P1_max＝P2_max＝5000psi，和dp_min＝100psi(即，典型最小压力差)时，计算出泄漏体积V_leak的最大容许误差为大约5％。

在一个实施例中，通过确定在液压控制系统中是否存在泄漏并且如果泄漏体积超过预定数量则对液压控制系统进行维护，来保持液压控制系统的性能。预定数量可以取决于泄漏体积的最大容许误差。

可检测最小平均泄漏速率可以利用方程(4)来计算，其中u是积分项的不确定度。

${\left({\mathrm{Rate}}_{\mathrm{leak}}\right)}_{\min }={\left(\frac{V_{\mathrm{leak}}}{T}\right)}_{\min }={\left(\frac{{\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}-V_{\mathrm{act}}}{T}\right)}_{\min }=\frac{u}{1-u}\·\frac{V_{\mathrm{act}}}{T}---\left(4\right)$

例如，如果积分项的不确定度(u)是5％，如上所述，致动器体积(V_act)是1加仑，致动器(阀)打开时间(T)是120秒，那么，可检测最小平均泄漏速率是0.0263加仑每分钟(1.6cc/s)。

总之，用于确定液压控制系统中是否存在泄漏和/或堵塞的方法包括在系统集成测试期间从系统中的压力传感器记录阀特征。使用系统集成测试期间记录的阀特征、和致动器体积V_act计算初始流阻Cv₀。在系统运行期间从压力传感器记录阀特征。计算系统运行期间

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的值，其中dp是系统运行期间随时间推移的压力传感器之间的压力差，T是致动器(阀)打开时间。

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的计算值大于V_act指示在液压控制系统中有泄漏和/或堵塞。

本文所述的方法可以与计算机存储设备和/或计算机可读介质结合在一起使用。尤其，如本文所使用的那样提及“捕获”和“记录”可以指记录在计算机存储设备和/或计算机可读介质上。并且，如上所述，模拟算法软件可以由包含计算机存储设备和/或计算机可读介质的计算机执行。

通信系统的介绍

图6示出了海底生产控制系统中的典型通信系统。MCS是启动和控制通信传输的“主设备(master)”。MCS生成命令，向SCM发出命令，并且接收从SCM返回的状态信号。SCM是接收命令、执行命令、和为MCS生成状态信号的“从设备(slave)”。

调制解调器用于调制/解调在MCS与SCM之间传输的信号。存在与SCM相关联的海底调制解调器和与MCS相关联的海上调制解调器。调制解调器通过调制和解调信号并且以模拟形式传输信号显著地扩大了通信范围。

每个SCM具有唯一地址。SCM不执行来自MCS的命令，除非该命令包含该SCM的唯一地址。一旦SCM执行了命令，SCM就生成通过海底调制解调器转换成模拟信号并发回MCS的数字响应。海上调制解调器接收模拟信号，并且将模拟信号转换回MCS使用的数字信号。

通信诊断方法

出现在通信系统中的最常见问题是通信传输线的AC电阻(即，任何频率相关部件)的变化。这种问题的可能来源例如可以包括脐带或飞线中的电缆绝缘故障、脐带中的导体(铜)蠕变、连接器引脚或接合点的腐蚀、和海水渗入连接器或电子柜(例如，SCM电子柜)。

信号强度可以根据海上调制解调器接收的模拟信号的最大振幅来度量，并且随通信传输线的AC电阻而变。如果传输线的AC电阻变大，则在海上调制解调器处接收的信号强度变弱。可以以分贝为单位按如下等式度量模拟信号损失(退化)。

$\mathrm{Decibel}=20\×\log \frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{out}}}---\left(5\right)$

其中，如图6所表示，V_out是从海底调制解调器发出的模拟信号的振幅，V_in是海上调制解调器接收的模拟信号的振幅。对于光纤通信系统，可以将V_in和V_out记录成激光光强。在方程(5)中，可以将V_in和V_out记录成激光光强或电压的模拟信号的峰值(最大振幅)。由于来自海底调制解调器的输出信号是不变的并且已知，所以可以使用在海上调制解调器处测量的输入信号来监视SCM响应的信号损失。

可以位于海上的通信状况监视器(communication health monitor，CHM)可以读取MCS发出的数字信号，以便识别MCS正与哪个SCM通信。此后(例如，几秒钟之后)，CHM读取从SCM发回的模拟响应信号，并且测量模拟响应的最大振幅。将CHM读取/测量的信息发回到MCS，并且在需要时可以从MCS访问。可以随时间推移对响应信号的最大振幅进行比较，这样就可以提供通信线的AC电阻的可能变化的指示。对于多SCM系统，来自不同从SCM(即，CHM读取/测量)的信息也可以有助于识别潜在问题源的位置。

虽然已经描述了各种实施例，但应该理解，可以像对于本领域技术人员来说显而易见的那样加以改变和修改。这样的改变和修改被认为在所附权利要求书的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于监视液压控制系统的状况的方法，包括：

a)捕获液压控制系统的布局和参数；

b)在系统集成测试期间捕获阀特征；

c)通过使用模拟算法和调整液压控制系统的参数来生成与在系统集成测试期间捕获的阀特征一致的模拟阀特征；

d)记录用于生成与在系统集成测试期间捕获的阀特征一致的模拟阀特征的液压控制系统的参数；

e)针对海底阀打开/关闭捕获阀特征；

f)通过使用模拟算法和调整液压控制系统的参数来生成与针对海底阀打开/关闭捕获的海底阀特征一致的模拟海底阀特征；

g)记录用于生成与针对海底阀打开/关闭捕获的阀特征一致的模拟海底阀特征的液压控制系统的参数；

h)重复步骤e)，f)和g)；以及

i)跟踪液压控制系统的参数随时间的变化。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括根据液压控制系统的参数随时间的变化来检测液压控制系统的问题。

3.如权利要求1所述的方法，其中，液压控制系统的参数包括有关管材、液压流体性质、供应压力、储压器、致动器和系统中的不同设备施加的流动限制的数据。

4.如权利要求1所述的方法，其中，液压控制系统的参数是从由如下构成的组中选择的：管线长度、管线内径、管线壁厚、管线壁粗糙度、源泵压力、储压器体积、储压器预充压、致动器体积、弹簧力、设备施加的流阻、液压流体性质、和定向控制阀下降压力。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述系统包括海底定向控制阀，并且其中所述阀特征包括在致动器打开或关闭期间记录的压力读数。

6.一种用于维护液压控制系统的性能的方法，包括：

a)按照权利要求1的方法监视所述系统的状况；以及

b)根据对所述系统的性能的分析对所述系统进行预防性维护。

7.一种用于确定包括定向控制阀的液压控制系统的性能的方法，包括：

a)记录包括来自压力传感器的在储压器再充压期间记录的压力读数的阀特征；以及

b)比较阀特征；

其中：

随着压力增大而增大的阀特征的压力差指示泄漏；以及

阀特征平行指示传感器漂移。

8.一种用于确定在液压控制系统中是否存在泄漏和/或堵塞的方法，包括：

a)在系统集成测试期间，从所述系统中的压力传感器记录阀特征；

b)使用在系统集成测试期间记录的阀特征和致动器体积V_act计算初始流阻Cv₀；

c)在系统运行期间从所述压力传感器记录阀特征；以及

d)计算系统运行期间

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的值，其中，dp是系统运行期间随时间推移的压力传感器之间的压力差，T是致动器打开时间；

其中，

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的计算值大于V_act指示液压控制系统的泄漏和/或堵塞。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括使用方程：

$V_{\mathrm{leak}}={\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}-V_{\mathrm{act}}$

计算系统中的泄漏体积。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括根据压力传感器的精度计算泄漏体积的最大容许误差。

11.一种用于保持液压控制系统的性能的方法，包括：

a)按照权利要求10的方法确定在液压控制系统中是否存在泄漏；以及

b)如果泄漏体积超过预定数量，则对所述系统进行维护。

12.如权利要求9所述的方法，其中，

${\∫}_0^T{\mathrm{Cv}}_0\sqrt{\mathrm{dp}}\mathrm{dt}$

的计算值大于V_act加系统中的泄漏体积指示液压控制系统中的堵塞。

13.一种用于监视海底系统的通信系统的方法，包括：

a)测量从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅；以及

b)随时间推移对从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅进行比较。

14.如权利要求13所述的方法，其中，测量从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅包括：

i)读取从主控台发送到海上调制解调器的数字信号；以及

ii)根据从主控台发送到海上调制解调器的数字信号，识别从海上调制解调器接收模拟信号的海底控制模块。

15.一种用于维护海底系统的通信系统的方法，包括：

a)按照权利要求13的方法监视海底系统的通信系统；以及

b)如果随时间推移对从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅的比较指示从海底控制模块发送到海上调制解调器的模拟信号的最大振幅随时间减小，则准备维护。

Images