NO315761B1

NO315761B1 - Akustisk undervanns overvakningssystem

Info

Publication number: NO315761B1
Application number: NO20022450A
Authority: NO
Inventors: Svein Arild Haugen
Original assignee: Bjorge Naxys As
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-10-20
Also published as: GB0426961D0; WO2003100453A1; GB2405475A; AU2003241230A1; NO20022450A; NO20022450D0; GB2405475B

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem med et antall fast monterte undervanns akustiske sensorer (hydrofoner) og en undervanns sentralenhet som omfatter en forsterker og en A/D-konverter. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen et system som på avstand og ved hjelp av akustiske målinger oppdager og måler ubalanse, vibrasjoner og slitasje på roterende maskineri, måler vibrasjoner i undervannsstrukturer, overvåker tilstanden på ventiler samt oppdager lekkasjer. Systemet kan også brukes for på avstand å måle mengden av eller detektere partikler og legemer som befinner seg inne i rørledninger.

I prinsippet vil nevnte tilstandsparametre skape en karakteristisk lydutsendelse som brer seg gjennom vannet fra utstyret som skal overvåkes og frem til overvåkningssystemet. Ved å tolke lyden som mottas av overvåkningssystemet, enten manuelt ved å høre på lyden, eller ved hjelp av datamaskin, kan nevnte funksjonalitet oppnås. Ved at systemet klassifiserer og tallfester tilstandsparametrene, utgjør oppfinnelsen et verktøy for feilsøking og beslutning om vedlikehold av undervannsutstyr.

For tiden er det ikke kjent noe system for å kontinuerlig overvåke stasjonært undervannsutstyr i drift med sikte på forebyggende vedlikehold. For det meste skjer vedlikeholdet av slike enheter ved at utstyret kjøres til det svikter. Dermed opptrer før eller senere en ikke planlagt driftsstans, og det blir gjerne et sterkt tidspress for å erstatte komponenter. For å unngå tidsødende feilsøking kan det dermed bli nødvendig å erstatte større enheter. Videre vil svikt og påfølgende utskiftinger ofte opptre på de mest værharde og upassende årstider.

Det er kjent å lytte for å overvåke og diagnostisere tilstander i maskinelt utstyr slik som kjøretøyer, båter. Til sjøs benyttes eksempelvis såkalte sonarer for å påvise lokalisering av og type fartøyer. På lignende måte benyttes sonar ifølge US-patent 4,001,764 til å påvise lekkasjer i undersjøiske rørledninger. Dette skjer ved at det sendes ut lydbølger som så reflekteres og registreres. US-patent 4,628,737 viser hydroakustisk overvåking av en undervannsinstallasjon, og er basert på utsendelse av akustiske sinaler og registrering av ekko. US-patent 4,041,442 opererer med en rekke sensorer som i samarbeid med sub-multipleksere og en hoved-multiplekser samler inn akustiske signaler. Lignende systemer er beskrevet i US-patenter 5,138,587, 5,303,207 og 5,894,450.

Slik det blant annet fremkommer i ovennevnte US-patenter, er det kjent å benytte puls-ekko metoder for bl.a å oppdage lekkasjer i rørledninger eller sprekker i struktur. For å observere tilstanden i utstyr på sjøbunnen er det imidlertid tilstrekkelig å benytte utstyrets egenstøy. Videre er kjent teknologi innrettet for fra en bevegelig innretning å studere oseanografiske og andre forhold i vannmassen. Slik teknologi er ikke egnet til kontinuerlig overvåking. Videre er det kjent innretninger og systemer beregnet for å studere en enkelt innretning, eller for å studere en og bare en parameter. Selv den ovennevnte US-patent 4,041,442, som beskriver et system for evt. passiv overvåking, har den ulempe at det behøves en sensor for hvert signal, dvs hver drifsparameter, som skal studeres, noe som medfører et stort antall sensorer og et unødig kostbart og sårbart system. En annen ulempe er at systemet ikke omfatter noen anordninger for feste til havbunnen el, fordi systemet er beregnet til å skulle beveges.

Det er altså behov for et stasjonært system som med få og driftssikre komponenter, og med sikte på forebyggende vedlikehold, kontinuerlig kan overvåke flere typer tilstander, dvs. flere tilstandsparametre, for flere utstyrskomponenter, og for flere typer utstyr som alle avgir støy i forbindelse med endringer i driftsparametre.

Et slikt system vil muliggjøre vedlikehold samtidig med tilsvarende operasjoner på omkringliggende prosessenheter på havbunnen og på overflaten, slik at tap av produksjon unngås. I værharde områder vil forebyggende vedlikehold på undervannsutstyr legges til sommeren, slik at et billige intervensjonsfartøy kan benyttes. Kostnad for en slik planlagt vedlikeholdsoperasjon vil være små i forhold til en hasteoperasjon for å komme tilbake i produksjon, og for å reparere mulige skader, i tilfelle av at kritisk utstyr svikter midt på vinteren.

Det er altså behov for et system som kan overvåke utstyr under drift, slik at utskiftinger kan skje forebyggende samt planlegges og samordnes.

Behovet for systemer som overvåker tilstandsparametre på undervannsutstyr forventes i fremtiden å øke ettersom det i olje- og gass industrien er en tendens til å bygge ut felt der flere og flere utstyrstyper plasseres på havbunnen, i stedet for på en plattform.

Målet for den foreliggende oppfinnelse er altså å presentere et system for overvåking av nevnte type. Dette mål nås ifølge den foreliggende oppfinnelse ved hjelp av et stasjonært undervanns system ifølge den karakteriserende del av det selvstendige krav 1, og alternative utførelser er kjennetegnes ved de uselvstendige krav 2-9.

Sentralenheten omfatter følgende anordninger for:

digital signalbehandling,

datalagring,

datakommunikasjon og

elektrisk kraftforsyning

idet systemet omfatter minst 3 tredimensjonalt og, i forhold til det utstyr som skal overvåkes, fritt plasserte undervanns akustiske sensorer og idet anordningen for digitalisert

signalbehandling på kjent måte er innrettet for å overvåke en rekke parametre samtidig og ved hjelp av data om den tredimensjonale plassering kan beregne retning og avstand til det enkelte lydutslipp, dvs lokalisering av dette, for dermed å kunne overvåke en hel undervannsstruktur bestående av forskjellige deler.

En alternativ utførelse av systemet er at anordningene for digital signalbehandling, datalagring, datakommunikasjon og elektrisk kraftforsyning er stasjonært anordnet i sentralenheten.

Systemet har ved hjelp av kommunikasjonsenheten på kjent måte kommunikasjon, periodisk eller kontinuerlig, med en operasjonssentral på en oljeplattform, ombord i et fartøy, et luftfartøy, en satellitt eller på land.

En ytterligere utførelse av systemet er at det i sin helhet, eller de deler som befinner seg under vann, ved hjelp av kommunikasjonsenheten, og via de deler som evt befinner seg utenfor vannmassen, på kjent måte kommuniserer periodisk eller kontinuerlig med en operasjonssentral på en oljeplattform, ombord i et fartøy, et luftfartøy, en satellitt eller på land

En annen utførelse av systemet er at det omfatter forankring av systemet for å sikre overvåkningsystemet mot bevegelse forårsaket av tråling, vannstrømmer og ROV arbeid, idet forankringen omfatter direkte feste av hydrofoner og øvrige deler av systemet som befinner seg under vann til de enheter som skal overvåkes, alternativt feste til bunnen ved hjelp av en eller flere påler, wire, tau og/eller liknende, og idet systemets konfigurasjon etter montering er kjent.

En videre utførelse av systemet er at hver enkelt av systemets undervanns akustiske sensorer og systemet i sin helhet på forøvrig kjent måte overvåker og måler en eller flere av følgende tilstandsparametre som har sammenheng med lyd som skapes av undervannsutstyr:

a) ubalanse, kavitasjon, slitasje og vibrasjon i roterende maskineri

b) vibrasjon i undervannsstrukturer

c) tilstanden av ventiler

d) lekkasjer

e) mengden av partikler eller legemer som befinner seg på innsiden av rørledninger,

idet lydkildene skilles fra hverandre ved hjelp av i seg selv kjent filtrering og digital

signalbehandling og på basis av typiske egenskaper ved lydene.

En ytterligere utførelse av systemet er at hydrofoner og øvrige deler av systemet som befinner seg under vann tres inn på en asymmetrisk påle eller flere påler med kjent orientering.

En videre utførelse av systemet er at det er selvforsynt med strøm idet strømforsyningen omfatter et batteri.

En annen utførelse av systemet er at strømforsyningen omfatter en kabeltilkopling til strømkilde til sjøs eller på land, og at dataoverføringen også skjer via slik kabeltilkopling.

Det benyttes i den foreliggende beskrivelse følgende terminologi:

Systemet brukes for å referere til oppfinnelsen.

Utstyr og delutstyr brukes for å referere til de komponenter som overvåkes.

Hydro/ on eller undervanns akustiske sensorer eller bare sensorer brukes om spesielle undervannsmikrofoner for å oppfange lydbølger under vann.

Det er vedlagt tilsammen 3 figurer hvor

Fig. 1 viser en skjematisk oversikt over et typisk undervannsutstyr.

Fig. 2 viser en prinsippskisse for de elektriske komponenter i en utførelsesform av systemet Fig. 3 viser en autonom variant av systemet og en variant av systemet hvor data kan overføres i sann tid til et fartøy eller lignende. Fig. 1 viser en skjematisk oversikt over et typisk undervannsutstyr 10, der overvåkning av delutstyr er ønskelig. Det er ønskelig å overvåke tilstanden på undervannsstrukturen 13, roterende maskineri 14 og ventiler 15. Det er også ønskelig å overvåke utstyret for lekkasjer 16, og måle konsentrasjonen av eller oppdage partikler 17, og legemer 18, som befinner seg inne i rørledninger. Overvåkningssystemet lia kan plasseres fritt på strukturen eller forankres til strukturen ved hjelp av en eller flere påler 12. Overvåkningssystemet kan også forankres til bunnen 1 lb eller til omkringliggende fjell 1 lc. Overvåkningssystemet kan også plasseres fritt i nærheten av strukturen lid. For alle utførelsene er overvåkningssystemet plassert i avstand fra de enkelte deler som ønskes overvåket. I prinsippet skaper hvert delutstyr hver for seg en karakteristisk lydutbredelse 19 som har sammenheng med tilstandsparametrene som ønskes overvåket. FIG. 2 viser at en utførelsesform av systemet er utstyrt med en eller flere akustiske sensorer 21, komponenter for forsterkning og filtrering 22, digitalisering 23, digital signalbehandling 24, datalagring 25, datakommunikasjon 26 og elektrisk kraftforsyning 27. I denne utførelsesform er altså alle komponenter plassert under vann. Egenskapene for de enkelte komponentene er tilpasset de ulike parametre som skal overvåkes, mens de akustiske sensorer anordnes i en 3-dimensjonal konfigurasjon slik at en i kombinasjon med digital signalbehandling oppnår avstands- og retningsfølsomhet.

I en annen utførelsesform, som ikke er vist i figurene, blir signalbehandlingen utført utenfor vannmassen, dvs. komponenten for signalbehandling befinner seg på en oljeplattform, på et fartøy, på land e.l.

I en tredje utførelsesform befinner både komponenten for signalbehandling og datalagringskomponenten seg utenfor vannmassen.

FIG. 3 viser at systemet kan utføres i en autonom variant 31, der data lagres lokalt for senere analyse, eller det kan utføres i en variant 32 tilkoblet et kommunikasjonssystem 33 slik at data kan analyseres av datamaskiner og/eller mennesker på overflaten i sann tid. Varianten 31 vil være identisk med den utførelsesform som er vist i fig. 2, men kommunikasjonsenheten benyttes bare periodisk. Varient 32 kan benytte en hvilken som helst av de ovennevnte 3 utførelsesformer. På overflaten kan data analyseres f.eks om bord på båt, plattform eller på land.

De karakteristiske egenskapene ved lydene som skapes av de ulike tilstandsparametrene som ønskes overvåket skiller seg fra hverandre i tilstrekkelig grad til at en ved filtrering og digital signalbehandling i stor grad klarer å isolere og tallfeste disse karakteristika, uten gjensidig påvirkning. Ytterligere margin oppnås gjennom ovennevnte retnings- og avstandsfølsomhet. Ved å sammenligne måleverdiene av de nevnte karakteristika opp mot et etablert sett av normale og kritiske verdier, vil man kunne klassifisere og måle tilstandsparametre på utstyret som overvåkes.

Kjente metoder for digital signalbehandling er f.eks frekvensanalyse, frekvens-tid analyse, wavelet analyse. Disse metodene kombinert med metoder for å oppnå retnings- og avstandsfølsomhet (kalles på fagspråket "phased array"), brukes for å beskrive lydutsendelsen som skapes av de enkelte prossesser.

Overvåkningssystemet utformes slik at det kan plasseres helt selvstendig på eller ved utstyret som skal overvåkes, eller ved at systemet ganske enkelt tres ned over en eller flere påler som er sikret mot bevegelse. Ved at flere påler benyttes, får systemet en kjent orientering, som danner en referanse for retningsfølsomheten. En kjent orientering av systemets hydrofoner i forhold til de aktuelle komponenter i det utstyr som skal overvøkes er i alle tilfelle nødvendig. Systemet kan også forankres på andre måter. Systemet kan således installeres eller fjernes uten innvirking på det øvrige utstyret som skal overvåkes.

En av de unike egenskapene ved systemet er at en ved hjelp av et sentralt plassert overvåkningssystem kan overvåke en rekke tilstandsparametre for utstyr med en geometrisk utbredelse som er lagt større enn systemets egen.

Fagfolk vil med letthet kunne erkjenne at en rekke variasjoner av oppfinnelsen er nærliggende tatt i betraktning ovennevnte beskrivelser. For eksempel kan videre signalbehandling, datalagring og analyse skje etter at rådata er sendt til overflaten via kommunikasjonssystemet. I lys av dette skal oppfinnelsen bare ansees å være bestemt av de følgende krav.

Claims

1. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem med et antall fast monterte undervanns akustiske sensorer og en undervanns sentralenhet som omfatter en forsterker og en A/D-konverter, karakterisert vedat sentralenheten omfatter følgende anordninger for: digital signalbehandling, 24, datalagring, 25, datakommunikasjon, 26 og elektrisk kraftforsyning, 27 idet systemet omfatter minst 3 tredimensjonalt og, i forhold til det utstyr som skal overvåkes, fritt plasserte undervanns akustiske sensorer og idet anordningen for digitalisert signalbehandling på kjent måte er innrettet for å overvåke en rekke parametre samtidig og ved hjelp av data om den tredimensjonale plassering kan beregne retning og avstand til det enkelte lydutslipp, dvs lokalisering av dette, for dermed å kunne overvåke en hel undervannsstruktur bestående av forskjellige deler.

2. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge krav 1,karakterisert vedat anordningene for digital signalbehandling 24, datalagring 25, datakommunikasjon 26 og elektrisk kraftforsyning 27 er stasjonært anordnet i sentralenheten.

3. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det ved hjelp av kommunikasjonsenheten på kjent måte kommuniserer periodisk eller kontinuerlig med en operasjonssentral på en oljeplattform, ombord i et fartøy, et luftfartøy, en satellitt eller på land.

4. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge krav 1,karakterisert vedat det systemet i sin helhet, eller de deler som befinner seg under vann, ved hjelp av kommunikasjonsenheten, og via de deler som evt befinner seg utenfor vannmassen, på kjent måte kommuniserer periodisk eller kontinuerlig med en operasjonssentral på en oljeplattform, ombord i et fartøy, et luftfartøy, en satellitt eller på land

5. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge et av de foregående kravkarakterisert vedat det omfatter forankring av systemet for å sikre overvåkningsystemet mot bevegelse forårsaket av tråling, vannstrømmer og ROV arbeid, idet forankringen omfatter direkte feste av hydrofoner og øvrige deler av systemet som befinner seg under vann til de enheter som skal overvåkes, alternativt feste til bunnen ved hjelp av en eller flere påler, wire, tau og/eller liknende, og idet systemets konfigurasjon etter montering er kjent.

6. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge et av de foregående kravkarakterisert vedat hver enkelt av systemets undervanns akustiske sensorer og systemet i sin helhet på forøvrig kjent måte overvåker og måler en eller flere av følgende tilstandsparametre som har sammenheng med lyd som skapes av undervannsutstyr: 0 ubalanse, kavitasjon, slitasje og vibrasjon i roterende maskineri g) vibrasjon i undervannsstrukturer h) tilstanden av ventiler i) lekkasjer j) mengden av partikler eller legemer som befinner seg på innsiden av rørledninger, idet lydkildene skilles fra hverandre ved hjelp av i seg selv kjent filtrering og digital signalbehandling og på basis av typiske egenskaper ved lydene.

7. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge et av de foregående kravkarakterisert vedat hydrofoner og øvrige deler av systemet som befinner seg under vann tres inn på en asymmetrisk påle eller flere påler med kjent orientering.

8. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge et av de foregående kravkarakterisert vedat det er selvforsynt med strøm idet strømforsyningen omfatter et batteri.

9. Multifunksjons hydroakustisk overvåkningssystem ifølge et av de foregående kravkarakterisert vedat strømforsyningen omfatter en kabeltilkopling til strømkilde til sjøs eller på land, og at dataoverføringen også skjer via slik kabeltilkopling.