NO171185B - Fremgangsmaate og system for testing av en offshore-konstruksjon med hensyn til mekaniske feil - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og et system for å teste en offshore-konstruksjon med hensyn til mekaniske feil.

Det er blitt forsøkt å teste offshore-konstruksjon med hensyn til mekaniske feil uten at det er nødvendig å arbeide med dykkere og undervannskameraer, p.g.a. komplikasjonene og de involverte kostnader og p.g.a. at deres bruk er begrenset av værforhold og dybde. Forsøk er således blitt gjort med å utføre denne test ved å måle vibrasjonsoppførsel hos komponenter i konstruksjonen under påvirkning av vind og bølgebelastninger. Vibrasjonsenergien som er tilgjengelig for dette formål er i stor grad avhengig av værforholdene. I mange tilfeller kan verdifulle data følgelig oppnås kun under meget dårlige værforhold, mens endog vibrasjonsenergien da ofte er utilstrekkelig for resten, særlig i tilfellet med deler hos konstruksjonen på større dybder under havover-flaten.

I denne forbindelse er det blitt forsøkt å montere en vibrasjonskilde (en "rister") på konstruksjonen og måle dens virkning på forskjellige deler av konstruksjonen. Fordelen med denne fremgangsmåte er at den vibrasjon som påføres, eksempelvis i et enkelt sinusformet mønster, er velkjent hva angår amplitude og frekvens. Ulemper er de konstruksjons-messige komplikasjoner, den betydelig tid som er involvert, ettersom testing på tallrike sekvenser er nødvendig, og den påfølgende unøyaktighet p.g.a. at der alltid vil være ikke-testede frekvensområder mellom de målte frekvenser. Dessuten kan en vibrator av denne type ikke foreta målinger innenfor det meget lave frekvensområdet.

Fra US patent 4433581 er kjent en løsning for en kontinuerlig avføling av vinkelmessige defleksjoner mellom punkter som har en kort avstand i en off shore-konstruks jon ved hjelp av naturlige eksterne krefter. De således oppnådde signaler fra avfølere på forskjellige deler av konstruksjonen behandles for å fjerne komponenter av signaler bevirket av andre uvedkommende krefter enn en valgt type av kraft. Selvom disse vlnkelmessige defleksjoner kan variere ved vibrering, er det ikke vibrasjonen som avføles, men den "stasjonære" vinkelmessige defleksjon, og der finnes ingen ekstern kraft som tilsiktet tilføres og brått frigis.

I US patent 4164149 finnes ingen offshore-konstruksjon, men avfølere permanent anbragt på konstruksjonen, hvilke observerer vinkelmessige bevegelser (hastigheter) som skyldes mekaniske vibrasjoner. Disse vibrasjoner bevirkes ikke av en strekkraft som brått frakobles, men ved direkte å påføre selve vibrasjonene på konstruksjonen ved forskjellige punkter på denne, eller ved å anvende mikroseismiske naturlige vibrasjoner, hvilket kun er mulig for visse typer av bygninger og kun i visse områder.

Det er kjent både å anvende en enkelt vibrasjonskilde for dette formål og å anvende kombinerte vibrasjonskilder og målingsmiddel på forskjellige deler av konstruksjonen (H. Crohas: Damage-detection monitoring method for offshore platforms is field-tested, Oil & Gas Journal, vol. 80, nr. 8, februar 1982, sidene 94-103, og Laffont & Ågnello: Inspection en service des plates-formes offshore, Pétrol et Techniques, nr. 317, 1985, sidene 39-42). Det er også kjent å utsende akustiske signaler og å måle refleksjoner derav fra forskjellige deler av konstruksjonen til å teste kvaliteten derav i offshore-konstruksjoner (EP-A-0 158 569). Dette har alvorlige begrensninger hva angår muligheter og resultater.

Oppfinnelsen søker å foreta en forbedring i dette henseende.

I dette henseende kjennetegnes fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at fra et punkt utenfor og ikke båret av konstruksjonen som skal testes, eksempelvis fra et tjenesteskip eller taubåt, påføres konstruksjonen en strekk-kraft, at midlene som tilfører nevnte strekk-kraft brått frakoples konstruksjonen ved hjelp av midler slik som én slippkrok for å utføre det plutselige avbruddet av strekk-kraft, og at observasjonsmidler i et flertall av posisjoner på konstruksjonen detekterer og indikerer den lokale vibrasjonsoppførsel for konstruksjonen.

Vibrasjoner kan således lett genereres i konstruksjonen, hvis energi konsentreres i de lavere frekvenser og som vil bevirke samtlige deler av konstruksjonen å vibrere i den laveste naturlige oscillasjonsfrekvens, mens endog ved en betydelig avstand fra påføringspunktet et godt bilde av oscillasjons-oppførselen hos komponentene i konstruksjonen kan oppnås. Ved hjelp av den eksterne strekk-kraft kan tilstrekkelig energi innføres i konstruksjonen til å gi betydelig vibra-sjonsenergi endog i komponenter i konstruksjonen som er plassert dypt under vann, og å muliggjøre at gode målinger foretas, mens på en enkel måte denne strekk-kraft kan utøves på forskjellige punkter og forskjellige høyder i konstruksjonen, og hvis ønskelig både over og under vannoverflaten, og i forskjellige horisontale retninger. Det er vanligvis tilstrekkelig å anbringe nevnte kraft i to horisontale retninger i rett vinkel til hverandre, mens utøvelsen av en eksentrisk kraft for å generere totale torsjonsbelastninger ikke er nødvendig. Hvorvidt kraften må tilføres ved forskjellige høyder og både over og under vannoverflaten, vil avhenge av spesielle omstendigheter, høyden av konstruksjonen og nedsenkningsdybden.

Etter en viss tid gjentas testen og de data som er registrert i en tidligere test sammenlignes med de som oppnås i en senere test for å detektere eventuelle avvik i vibrasjons-oppførselen hos deler i konstruksjonen og således å bestemme og lokalisere eventuelle mekaniske feil i konstruksjonen.

Ifølge oppfinnelsen blir det nevnte system kjennetegnet ved at offshore-konstruksjonen er forsynt med et flertall av vibrasjonsobservasjonsmidler anbragt i forskjellige posisjoner på konstruksjonen, og med signal ledninger for å sende data vedrørende vibrasjonene som måles fra observasjons-midlene til en registreringsanordning, samt et eksternt middel, eksempelvis et hjelpefartøy eller slepebåt for å påføre en strekkraft på konstruksjonen og et frakoblings-middel, eksempelvis en slippkrok, for brått å frakoble strekkraften for å sette opp vibrasjon i konstruksjonen.

Vibrasjonsobservasjonsmidlene som er anbragt på deler av konstruksjonen kan være vanlige transdusere for målingen av akslerasjoner, eksempelvis induktiv akslerasjonstransdusere laget av Hottinger, type B12/200.

Ved anvendelse av oppfinnelsen er det mulig å detektere og lokalisere mekanisk feil, f.eks. sprekker, i deler av konstruksjonen p.g.a. det faktum at den naturlige frekvens for slike deler i konstruksjonen reduseres ved slike feil. Som et eksempel kan det nevnes at en naturlig vibrasjonsfrekvens av eksempelvis 6,9 Hz ble målt i en avstiver eller tverrstaget i en offshore-konstruksjon hvor der ikke var noen feil eller i dets feste til det øvrige av konstruksjonen, mens i tilfellet av en sprekk over hele omkretsen ved forbindelsespunktet til en søyle, vil målingen eksempelvis være 5,8 Hz. Hvis mellomliggende frekvenser måles, kan dette indikere at en sprekk eksisterer kun over en del av peri-ferien av avstiveren eller tverrstaget.

Oppfinnelsen kan anvendes på en ny konstruksjon, og der vil det da helt klart normalt ikke være noen sammenligningsdata for å bestemme hvorvidt sprekker eller feil eksiterer, eksempelvis i sveiseskjøter. Ved å teste deler av konstruksjonen før sammenstilling, under og før konstruksjon, ved testing av konstruksjonen under og etter sammenstilling og før den plasseres i vann eller på dypere vann, eller før konstruksjonen er flytende, ved beregning og på basis av erfaring med andre konstruksjoner, er det imidlertid ofte mulig, endog ved hjelp av slike første praktiske målinger på en ny konstruksjon, å vurdere hvorvidt den muligvis har en feil ved et eller flere punkter som kan lokaliseres. For en ny konstruksjon av denne type kan transduserne permanent forutinstalleres innenfor hule avstivere eller lignende. Hvis oppfinnelsen anvendes for den første gang på en eksi-sterende konstruksjon, vil der ikke umiddelbart være noen sammenligningsdata tilgjengelig for nøyaktig forståelse av observasjonen. Imidlertid, slik som i tilfellet med en ny konstruksjon, kan innsikt oppnås ved å sammenligne målingene med datamaskinsimuleringer, som gir en god innsikt i vibra-sjonsoppførselen som kan forventes. I en annen mulig fremgangsmåte, som kan anvendes i stedet for eller i tillegg til denne prosedyre, består i å sammenligne målingene som foretas på sammenlignbare komponenter i konstruksjonen. Konstruksjonen vil ofte ha plan av lignende konstruksjon som ligger omtrentlig parallelt med hverandre, og hvis målinger på en komponent (slik som en avstiver) i et plan sammenlignes med de på en komponent som ligger på den samme høyden, forløpende i den samme retning, og av identisk konstruksjon i det andre plan, vil innsikt oppnås hva angår den mekaniske kvalitet av komponentne og deres forbindelser. Forskjeller i frekvens vil peke mot en uregelmessighet, og det kan kon-kluderes at en feil eksisterer i komponenten som har den lavest målte frekvens.

Normalt vil en vibrasjonsoppførsel bli observert som viser en langsommere vibrasjon hos hele konstruksjonen, på hvilken en hurtig vibrasjon hos komponentene er overlagret. De to vibrasjonene blir naturlig sterkt dempet i amplitude, men frekvensen for den hurtigere, overlagrete vibrasjon er tilstrekkelig stabil til å bli utvetydig bestemt. Målings-resultatene kan granskes ved spektralanalyse, og en innsikt kan således oppnås i forløpet av amplituder med frekvensene, og derfor også i resonansamplitude stigning og dempning.

Den eksterne kraft som skal tilføres er f.eks. 30 til 70 tonn, og fortrinnsvis ikke større enn 20% av konstruksjons-belastningen i den samme retning, hvilken i praktiske tilfeller er tilstrekkelig stor til å foreta en god måling av vibrasjonsoppførselen hos komponenter.

Det ideelle er å gjenta fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen periodisk ved hensiktsmessige intervaller.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere med hjelp av de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et perspektivriss av en offshore-konstruksjon, som i dette tillfellet er en produksjonsplattform som hviler på havbunnen, med midler for å anvende fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på den. Fig. 2 er et diagram over akslerasjonene målt på en komponent derav og plottet mot tid. Fig. 3 er en kurve over vibrasjonsfrekvensen hos en komponent plottet mot utvidelsen av en sprekk mellom komponenten og en søyle til hvilken den er sveiset.

En offshore-produksjons-, behandlings- eller annen plattform 1 for petroleum eller gassutvinning hviler i det foreliggende tilfellet ved hjelp av hjørnesøyler 2 på havbunnen, og innbe-fatter mellomliggende søyler 3. Søylene er sammenkoplet ved hjelp av horisontale avstivere 4 og skråstilte avstivere 5. Det normale havnivået er betegnet 6.

Hver av et flertall av avstivere 4 og 5 er forsynt med en akslerasjonsovervåkningsmonitor 7, fortrinnsvis anbragt i midten av hver av de respektive avstivere, mens til høyre i fig. 1 tilsvarende transdusere også er installert i den mellomliggende søyle 3, som her har et lite tverrsnitt.

En taubåt eller annet hjelpefartøy 8 er forbundet ved hjelp av en kabel 9 som deler seg i to endekabler 10, til øvre ende av de to naboliggende hjørnesøylene 2. En slippkrok 11 av kjent konstruksjon forbinder kabelen 9 med hjelpefartøyet 8. En taubåt er normalt utstyrt med en slippkrok for nødbruk under normale tauingsoperasjoner.

For anvendelsen av fremgangsmåten, ifølge den foreliggende oppfinnelse, drives fartøyet 8 på en slik måte at der påføres en strekk-kraft på kablene 9 og 10. Etter at plattformen 1 har nådd en tilstrekkelig stabil tilstand og strekk-kraften som er påført den av kablene 9 og 10 har nådd den ønskede stabile verdi, avhengig av plattformens størrelse, mellom 30 og 70 tonn, opereres slippkroken 11 til å la kablene 9 og 10 plutselig slippe strekk.

Hver transduser 7 måler så vibrasjonsmønsteret (akslera-sj onene) hos komponenten på hvilken den er montert. Ved hjelp av signalledninger kan målingene som foretas av samtlige transdusere eksempelvis sendes til plattformens dekk og der registreres.

I det foreliggende tilfellet er transdusere kun vist under vann og kun på avstiverne 4 og 5, med en enkelt en på den høyre søylen 3. Transduserne kan også installeres på tykkere søyler, selv om i mange konstruksjoner der ikke er meget behov for dette p.g.a. søylenes styrke og den ringe risiko for mekaniske feil. Lignende transdusere kan også installeres på deler over vann.

Etter denne test kan kablene 10 festes til to søyler 2 av hvilke minst en er forskjellig fra de to søylene i den første testen og som sammen ligger i et forskjellig plan fra det som inneholdt søylene som de på tegningen viste kabler er festet til, og testen kan så gjentas. Transdusere kan også installeres på hvilken som helst avstiver innenfor den ytre periferi av plattformen (dens fagverksunderstell) (jacket). Under testen med kablene 9 og 10 festet som vist på tegningen kan det være hensiktsmessig at målinger også foretas av transduserne som er anbragt i nevnte andre plan til høyre i fig. 1, selv om dette vanligvis ikke er eller er kun såvidt relevant.

Det er praktisk sett alltid foretrukket å foreta målinger samtidig, under den samme test, på de samme komponenter i to parallelle ytre sider av konstruksjonen, dvs., under henvis-ning til fig. 1, å foreta samtidige målinger i flatene i front og bak, hvorved den tid som kreves for den fullstendige test reduseres, og tillate hurtig sammenligning målingene foretatt på korresponderende komponenter i de respektive plan, for å muliggjøre at en feil lettere kan oppspores.

I tillegg kan testen gjentas et antall ganger på hver av de to ytre sidene av plattformen ved å feste kablene 10 til den samme ytre siden, men på forskjellige høyder, eksempelvis på tre forskjellige høyder, hvorav to er under vann. Imidlertid er dette ofte unødvendig, ettersom anbringelse av kraften på forskjellige høyder mer har innflytelse på den sakte vibrasjon av hele konstruksjonen enn på de faste vibrasjoner hos de individuelle komponenter. Fig. 2 gir som et eksempel resultatet av målinger foretatt med en av transduserne. Over en periode av 3 sekunder ble en akslerasjonskurve av den type som er vist oppnådd. Det er således klart at akslerasjonen følger et mønster som er hovedsaklig sammensatt av to dempete, enkle vibrasjoner: en vibrasjon med en periode lik ca. 1 sekund, som kan tilskrives vibrasjonen hos hele plattformen, og en med en frekvens lik ± 10 Hz, overlagret derpå og som kan tilskrives vibrasjons-oppførselen hos den komponent på hvilken transduseren er montert, sammen med dens feste til mer stive komponenter, slik som naboliggende søyler. Slik hurtigere vibrasjon er meget avhengig, hva angår dens frekvens, av den mekaniske kvalitet hos den angjeldende komponent og dens feste til mer stive komponenter, og det er således denne høyere frekvens fra hvilken konklusjoner kan trekkes hva angår den mekaniske kvalitet hos nevnte komponent og dens forbindelse. Fig. 3 gjør dette klart for en forskjellig komponent fra den for hvilken fig. 2 ble registert, relaterende til en simuler-ingstest hvor en sprekk ble kunstig laget i forbindelse med en avstiver og en søyle, hvilken sprekk ble gradvis gjort lenger. Med gode forbindelser til de mer stive komponenter, blir en vibrasjonsfrekvens (for nevnte hurtigere vibrasjon) lik 6,9 Hz eksempelvis funnet for den komponenten. Med en sprekk i en av forbindelsene, falt frekvensen først sakte ettersom sprekken ble lengre, og falt så mer brått inntil en frekvens av ± 5,76 Hz ble målt når sprekken fullstendig ødela forbindelsen. Sprekken av økende lengde ble laget mellom en sirkulær avstiver og en sirkulær, men langt tykkere søyle, uten flytende overgangsdeler. En sprekk i en avstiver ved et punkt mellom dets endeforbindelser og en hvilken som helst sprekk som følger en tilfeldig bane ved en forbindelse, f. eks. i et flytende overgangsorgan mellom avstiveren og søylen, vil medføre en forskjellig frekvenskurve plottet mot sprekkens lengde, men vil også en fallende naturlig frekvens ettersom sprekken forlenges.

Hvis de tidligere målte frekvensverdiene beholdes eksempelvis på papir eller i et datamaskinlager, vil det så være lett i en senere test å bestemme lett og direkte hvorvidt sekvens-verdiene som måles i den senere test avviker vesentlig fra de som ble målt tidligere, og konklusjoner kan så trekkes direkte derfra med hensyn til stedet og alvorligheten av eventuelle mekaniske defekter.

Oppfinnelsen kan også nyttig anvendes på flytende og halvt-nedsenkede konstruksjoner.

I stedet for en slippkrok er det også mulig å anvende andre midler for plutselig å avbryte kraften som påføres konstruksjonen, eksempelvis eksplosjonsbolter. Forbindelsen kan så lettere brytes samtidig ved to punkter, eksempelvis ved punktene hvor de to kablene 10 er festet til konstruksjonen. Kablene vil så ikke være i stand til å slå mot deler av konstruksjonen. Det er også mulig å installere hurtig-brytingsforbindelsen ved punktet hvor kablene 9 går over i kablene 10.

Hvis en sprekk oppstår i en komponent eller i forbindelsen hos en komponent, slik som en avstiver, på hvilken målingen skal foretas, til en søyle, vil vibrasjonsoppførselen som skal måles avhenge av hvorvidt komponenten fylles med vann enten fullstendig eller delvis med innbefatning av luft. Den naturlige frekvens for komponenten vil falle mer brått i proporsjon ettersom den i økende grad fylles med vann.

Ved spektralanalyse, foretatt på et måleresultat av den type som er vist i fig. 2, kan mer informasjon oppnås hva angår kurven av amplitudene plottet mot frekvensene, og således hva angår stignings- og dempningsoppførsel for resonansamplitude, både når ingen mekanisk feil eksisterer, og når der er en slik feil.

Når en konstruksjon av denne type utsettes for faktiske belastninger i en retning, vil komponenter i plan parallell med den retningen vanligvis være mer utsatt for sprekker og deformasjon enn komponenter i plan i rett vinkel til angjeldende retning, p.g.a. strekk, kompresjons og buklingskreftene. For målingen, ifølge oppfinnelsen, er imidlertid den tverr-gående vibrasjon av komponenten i området mellom dens ender mer opplysende, av hvilken grunn i testen ifølge fig. 1 målingene på komponenter i planet foran til venstre på tegningen, og de i planet som ikke er vist på baksiden til høyre er relevante.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å teste en offshore-konstruksjon med hensyn til mekaniske feil,karakterisert vedat fra et punkt utenfor og ikke håret av konstruksjonen som skal testes, eksempelvis fra et tjenesteskip eller taubåt, påføres konstruksjonen en strekk-kraft, at midlene som tilfører nevnte strekk-kraft brått frakoples konstruksjonen ved hjelp av midler slik som en slippkrok for å utføre det plutselige avbruddet av strekk-kraft, og at observasjonsmidler i et flertall av posisjoner på konstruksjonen detekterer og indikerer den lokale vibrasjonsoppførsel for konstruksj onen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat en strekk-kraft av denne type tilføres i rekkefølge på konstruksjonen i to horisontale retninger omtrentlig i rett vinkel til hverandre.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat strekk-kraften tilføres i rekkefølge på forskjellige høyder av konstruksjonen.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat etter en viss tid gjentas testen og de data som er registrert i en tidligere test sammenlignes med de som oppnås i en senere test for å detektere eventuelle avvik i vibrasjonsoppførselen hos deler i konstruksjonen og således å bestemme og lokalisere eventuelle mekaniske feil i konstruksj onen.

5. System for å teste en offshore-konstruksjon med hensyn til mekaniske feil,karakterisert vedat offshore-konstruksjonen er forsynt med et flertall av vibrasjonsobservasjonsmidler anbragt i forskjellige posisjoner på konstruksjonen, og med signal ledninger for å sende data vedrørende vibrasjonene som måles fra observasjons-midlene til en registreringsanordning, samt et eksternt middel, eksempelvis et hjelpefartøy eller slepebåt for å påføre en strekkraft på konstruksjonen og et frakoblings-middel, eksempelvis en slippkrok, for brått å frakoble strekkraften for å sette opp vibrasjon i konstruksjonen.