NO863232L - Fremgangsmaate for aa detektere slitasje paa en line som er neddykket i et ledende medium og omfatter en foering eller en elektrisk kabel. - Google Patents

Description

1. Oppfinnelsens område.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å detektere slitasje i en line som er anordnet med en ytre isolasjonskappe som inneholder en hydraulisk føring, elektrisk kabel eller en kombinert elektro-hydraulisk bunt, idet før-ingen og kablene eller de kombinerte bunter er forsynt med en indre metallkappe som er nedsenket i et ledende medium, f.eks. sjøvann.

2. Omtale av kjent teknikk.

Oljefeltene som befinner seg på sjøbunnen, omfatter under-vannsbrønner som er forbundet med plattformer ved hjelp av hydrauliske og elektriske styrelinjer, såkalte navlestrenger. Slike navlestrenger er beskyttet ved hjelp av ytre plastmaterialedeksler, som dekker en metallkappe, innen-

for hvilken der er anordnet hydrauliske liner og/eller elektriske kabler i en kappe av plastmateriale. Hver navlestreng er opphengt ved hjelp av sitt forbindelses-

hode over plattformen, og er ført langs en søyle for plattformen gjennom beskyttelsesrør av glassfiber og stål så langt ned som til foten av plattformen, hvor den er ført langs bunnen under vann for å nå brønnnhodene. Plattform-oscillasjoner bevirker slitasje på den ytre kappe av plast-materialet langs den nedoverrettede utstrekning langs plattformsøylen. En slik slitasje resulterer i en reduksjon av kappetykkelsen, og i frembringelsen av sprekker. Isolasjonskvalitetene hos kappen reduseres, slik at den elektriske motstand mellom metallkappen og sjøvannet reduseres i området for slitasjepunktet.

Styrelinen som er plassert i midten av navlestrengen,

og sjøvannet er i elektrisk berøring, mens metallkappen er isolert ved hjelp av sine to kapper fra den omgiv-

ende sjø, hvis der ikke unntagelsesvis forekommer en isolasjonseffekt ved den ytre kappe.

Der er kjent fremgangsmåter for å detektere slitasje på isolasjonskappen, hvilke fremgangsmåter omfatter måling av motstanden mellom den indre metallkappe eller - armer-ing og et ytterligere metalldeksel som den ytre plastkap-pe er omgitt av. Således vil variasjoner av den virkelige impedans på grunn av defekten ved isolasjonskappen, kunne måles, men det krever tillegget av en ytre metallkappe som i motsetning til en kappe av plastmateriale ikke har gode glideegenskaper, og derfor er utsatt for rask slitasje, og i tillegg resulterer i en betydelig ekstra ut-gift.

Sammenfatning av oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den idé at en navlestreng såvel som en hvilken som helst elektrisk eller hydraulisk line omfattende en ytre isolasjonskappe og en beskyttet metallarmering, når den er nedsenket i et ledende medium, oppfører seg som en elektrisk line med to ledere hvis omgivende ledende medium tjener som returleder, og at ved påtrykking av en lavfrekvensstrøm i metallforsterkningen, og ved bruk av det ledende medium som returleder, vil måling av den tilsynelatende impedans for kretsen tillate detektering av defekter ved isolasjonskappen.

Når den elektriske line har stor utstrekning, kan strøm-men betraktes som konstant langs linen, og ved en slik line med lengde 1 (se figur 1) kan hver elementærlengde representeres ved en serieimpedans

svarende til de langsgående motstandstap for lederne og til de induktive virkninger mellom lederne, og ved en shuntadmittans

svarende til konduktanstapene gjennom isolatoren og til de kapasitive virkninger mellom lederne.

Linjekonstantene for en homogen linje er:

Figur 1 gir en representasjon av et element dx.

Det er videre kjent at den karakteristiske impedans for linjen er: mens forplantningskonstanten for en line som karakteri-serer dempningen av en bølge under vandringen av denne samt forplantningshastigheten langs linen er:

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedat først og fremst blir linjekonstantene R, C, L og G for en line i god stand bestemt slik at man kan beregne linens tilsynelatende impedanse Z fra ligningen

a

_ / R + jLw

idet Zc er lik^G+jCw R er motstanden, C kapasitansen, L induktansen, G konduktansen, Zu den lave impedans for u-endelig verdi for en line i god stand, W perioden 2TTf, f strømfrekvensen, 1 lengden for linen, n forplantningskonstanten i henhold til

Deretter under bruken på feltet, blir metallforsterkningen forbundet med en belastning og målekrets, en lavfre-kvensstrøm blir påført periodevis, og verdien av den øye-blikkelige tilsynelatende impedans Za blir målt, idet forskjellen med hensyn til den opprinnelige tilsynelatende impedans innebærer slitasje eller skade på isolasjonskappen .

Det skal noteres at den tilsynelatende impedans Za va-rirerer på følgende måte. I tilfelle av en åpen krets ved enden av en godt isolert line i god stand, vil verdien av returstrømmen I2være 0, Zu=<* >og Za = Zc . cth n 1. Det er da enkelt å verifisere at i tilfelle av en ideell line vil Za være lik en ren kapasitet. Linen er overveiende kapasitiv i et virkelig tilfelle. I tilfelle av kortslutning på grunn av gjennomboring av den ytre isolasjonskappe, vil spenningen på dette sted være V2= 0, Zu = 0 og Za = Zc.thn 1. Za er ekvivalent med en ren induktans. Kretsen er overveiende induktiv i det virkelige tilfelle. ;Når linen er forbundet med en lastimpedans Zu, =;Zu.l2og den tilsynelatende impedans Za kan beregnes fra den ovenfor angitte formel. ;I praksis vil, for å detektere en defekt i isolasjonskappen for en navlestreng, vil man undersøke oppførselen for den elektriske line som er tildannet av en metallfor-sterkning (leder 1), den ytre isolasjonskappe og den ledende væske (leder 2). Fordi metallkappen vanligvis er isolert, vil skade på den ytre isolasjonskappe resultere i en reduksjon av motstanden mellom metallkappen og den ledende væske, noe som mer spesielt representerer tilfellet for en line som er forbundet med en lastimpedans, mens brudd på den ytre isolasjonskappe vil resultere i at metallkappen kommer i berøring med den ledende væske, noe som mer spesielt representerer den ovenfor angitte tilstand for kortslutning. ;Ofte er det medium som navlestrengen er nedsenket i på servicesiden ikke et homogent medium, og linjekonstantene R, C, 1 og G blir vanskelige å anslå fordi de varier-er på grunn av forekomsten av metallkonstruksjoner langs navlestrengen, og spesielt linemotstandenR for returlederen, induktansen L og kapasitansen C som en funksjon av formene og de relative plasseringer for lederne. ;For å ta disse variasjoner med i beregningen, er det foretrukket å gå frem som følger. ;Etter å ha beregnet den tilsynelatende impedans for linen i god tilstand, som angitt ovenfor, blir linen senket ned på bruksstedet, og dens tilsynelatende impedans blir målt for derved å kontrollere hvorvidt resultatet av målingen stemmer overens med resultatet av den teoretiske beregning som tidligere er utført, og, i tilfellet av uoverensstemmelse, blir verdiene for linekonstantene ret-tet, noe som mer spesielt er avhengig av den omgivelse som dannes av mediet som linen er nedsenket i. ;Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tillater ikke bare detektering av forekomsten av en defekt i isolasjonskappen, men denne defekt kan også lokaliseres i forhold til den avstand den har fra den forreste del av linen. ;For dette formål blir verdien av lastimpedansen Zu og lengden 1 variert ved suksessive approksimasjoner inntil den beregnede tilsynelatende impedans er lik den målte tilsynelatende impedans , idet den verdi for 1 som således er funnet, svarer til avstanden fra den øvre ende av linen. ;Oppfinnelsen skaffer også detektering av slitasjestedet på isolasjonskappen for en line som er ført gjennom flere omgivende medier på sitt brukssted, idet hvert medium er elektrisk homogent, men forskjellig fra hverandre. ;I den forbindelse blir linen i virkeligheten delt opp i en rekkefølge av seksjoner, idet hver svarer til et homogent brukssted, idet for hver seksjon blir linekonstantene R, C, L, G; R1#C^, L±fG1; Rn_i, Cn_ 1, Ln. 1 , Gn_1nRn, Cn, L, Gnbestemt som tidligere for beregning av tilsynelatende impedans for hver seksjon Za-^, Za^-^, Zan. Der gjøres en start med den siste seksjon ved å forbinde hele linjen med en lastimpedans Zu, og den tilsynelatende impedans Zanfra den fremre ende av seksjon n blir beregnet utifrå konstantene Rn, Cn, Lcog Gnved lengden Ln. For den nestsiste seksjon n-1 vil den tilsynelatende impedans Zan_ived den fremre ende av seksjonen n-1 bli beregnet utifrå<R>n_i/cn_]_'Ln-1'^n-l'"'"n-l "*-^et ^er som lastimpedansverdi for denne seksjon benyttes verdien for Zan. Således vil progressivt den opprinnelige tilsynelatende impedans av linen bli beregnet ved å tillegge hver seksjon en lastimpedans lik den beregnede tilsynelatende impedans for den foregående seksjon, dvs. med en høyere indeks (n for n-1, n-1 for n-2 osv.

Under neddykningen av linen, for Zu lik oé> for en line

i god stand, blir det kontrollert at den beregnede tilsynelatende impedans er lik den målte tilsynelatende impedans, og i tilfellet av uoverensstemmelse blir verdiene justert i henhold til den ovenfor angitte metode.

Deretter blir der påtrykket en lavfrekvensstrøm ved den fremre ende av linen i metallforsterkningen, og den tilsynelatende impedans blir målt ved den fremre ende av linen, idet den forskjell som fremkommer mellom den målte tilsynelatende impedans og den opprinnelig beregnede tilsynelatende impedans tilkjennegir slitasje på ytter-kappen.

Avhengig av forskjellen mellom verdiene for beregnet Za

og målt Za ved den fremre ende av linen, kan den ødelagte del av linen bli lokalisert. Beregningen blir mer nøyak-tig ved å ta i betraktning at den seksjon som er plassert

ved denne del, og den del hvor defekten er plassert, blir undersøkt ved hjelp av suksessive approksimasjoner, ved approksimering av den beregnede tilsynelatende impedans så nøyaktig som mulig i forhold til den målte tilsynelatende impedans, og plasseringen av defekten blir tilnærmet avledet derfra.

Kort omtale av tegningsfigurene.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil bli bedre forstått utifrå det eksempel som er anskueliggjort ved de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 er en grafisk representasjon av en elementær line-modell. Figur 2 viser lastkretsen forbundet med metallforsterkningen for en line som befinner seg i sjøvann, og er ment å være forbundet med et måleapparat. Figur 3 viser et diagram over tilsynelatende impedanser for en line med flere seksjoner, idet defekter opptrer ved enden av seksjonene n, n-1, n-2 etc. Figur 4 utgjør en representasjon av den tilsynelatende impedans sett fra den fremre ende av linen tildannet av to seksjoner for forskjellige verdier og plasseringer av en defekt som er plassert i den annen seksjon.

Omtale av foretrukket utførelsesform.

Linjekonstantene blir bestemt på følgende måte. Linjemot-standen R blir anbragt i serie med linemotstanden for metallforsterkningen, målt eventuelt før installasjon av linen, og med motstanden av returlederen, dvs. det ledende væskemedium.

Linjekapasiteten C utgjøres av en kapasitet mellom metallforsterkningen og returlederen, noe som kan anslås utifrå målinger som er gjort på en prøve av en isolasjonskappe, ved forskjellige strømfrekvenser, idet målingene er redusert ved beregning i forhold til de virkelige dimensjoner for navlestrengen, ved hjelp av kjente formler.

Lineinduktansen L er summen av induktansene for selve lederne og de innnbyrdes induktanser mellom den utgående leder og returlederen. De kan beregnes utifrå ledernes geome-tri og egenskap.

Linekonduktansen G er konduktansen mellom metallforsterkningen og returlederen, noe som kan anslås utifrå målinger gjort på en prøve av en isolasjonskappe ved forskjellige strømfrekvenser, idet målingene er redusert ved beregning i forhold til de virkelige dimensjoner for navlestrengen ved hjelp av kjente formler.

Når man først har bestemt verdiene eller R, C, L og G som angitt ovenfor, vil disse resultater bli bekreftet ved målinger på en neddykket navlestreng i kjent omgivelse. Den tilsynelatende impedans for en navlestrengsseksjon blir målt under disse betingelser, og verdiene av para-metrene blir justert med hensyn til foreliggende usikker-heter, spesielt dem som blir påvirket av omgivelsen, f.eks. induktansen L. Det vil bli antatt at de nye verdier for R, C, L og G representerer navlestrengen i bruksmiljøet.

For utførelse av disse målinger blir metallarmeringen

1 for linen 1 (figur 1) avmantlet ved den fremre ende av linen, den blir forbundet elektrisk med en krets som omfatter en lavfrekvens-strømgenerator hvis motsatte pol blir forbundet med det ledende væskemedium 2. Lederne ved koblingsklemmene for en motstand R og en leder forbundet med den nevnte motsatte pol av generatoren, tillater måling av spenningen V og strømmen I, og modul og faseskift for tilsynelatende impedans Za til å kunne bli fremskaffet utifrå disse målinger.

Ved således å bruke den ovenfor angitte krets, kan man må-le den tilsynelatende impedans (modul) svarende til tilfellet Zu = . Denne måling tjener til det trinn å kontrollere linjekonstantene for sammenligning av verdiene av de beregnede og målte impedanser og eventuelt justere verdiene for disse konstanter.

Idet målekretsen og apparatet blir installert på bruksstedet, blir der påtrykt en lavfrekvensstrøm i metallarmeringen, og den tilsynelatende impedans blir målt. Når der observeres en variasjon av tilsynelatende impedans, svarende til forekomsten av en defekt i isolasjonskappen, blir den tilsynelatende impedans beregnet ved variasjon av stillingen (parameter 1 i formelen for Za) for defekten ved suksessive approksimasjoner, inntil en verdi for 1 er funnet som pånytt svarer til overensstemmelse mellom verdien for den målte impedans med den beregnede.

Når det er spørsmål om en line hvor flere (fire på diagrammet ifølge figur 3) seksjoner er ført gjennom homo-gene medier som forskjellige fra hverandre sett utifrå

et elektrisk synspunkt, blir linjekonstantene bestemt foregående med hensyn til seksjoner, n, n-1, n-2 og n-3, hvis lengder er kjent, slik det er beskrevet ovenfor.

Under neddykningen av linen på bruksområdet og sammen-kobling av armeringen med lasten og målekretsen som angitt ovenfor, blir innstillingen av linjekonstantene kontrollert.

Skulle der opptre en defekt, blir den tilsynelatende impedans Za beregnet ved den fremre ende av linen for kort-slutninger som forekommer ved endene av hver seksjon,

idet de beregnede verdier blir plottet på et diagram (figur 3) som i form av ordinater representerer den ima-ginære komponent for impedansen (den induktive komponent Lw og den kapasitive komponent 1/Cw) og som absisse den re-elle komponent R for impedansen. Deretter blir impedansen

Za som blir målt ved den fremre ende av linen, plottet på diagrammet. Avhengig av posisjonen hvor målepunktet Za befinner seg, vil identiteten av den seksjon som har denne defekt, bli avledet, i det viste tilfellet, i diagrammet, idet defekten her er plassert i den nestsiste seksjon n-1. Plasseringen av defekten kan rafineres ytterligere ved variasjon av suksessive approksimasjons-kal-kulasjoner, stillingen og verdien for defekten i den in-kriminerte seksjon inntil den målte verdi av Za blir funnet på nytt. Figur 4 er et eksempel på en grafisk representasjon av resultatene av beregninger som er utført i tilfelle av en line er tildannet av to seksjoner, idet seksjon nummer 2 er defekt.

Beregningene må således tillate at der plottes tabeller som utgjør kurver som er plottet individuelt for avstand-er som separerer defektene fra den fremre ende av linen ved f.eks. 0, 40, 80, 120, 160 og 200 m (iso-posisjons-kurver). Deretter blir de punkter for disse kurver som svarer til en samme verdi for defekten i ohm, koblet sam-men respektive for 0 (kortslutning), 2, 5, 10, 20 og oo ohm (iso-betydningskurver). Som polarkoordinater (modul og argument) blir den målte impedans plottet på et slikt diagram og defekten blir lokalisert. Ved det re-presenterte tilfellet vil punktet for målt impedanse Za, 9.6 ohm og 44.5° indikert ved pilen D, svarer til en defekt på 1 ohm plassert ved 100 m i den annen seksjon.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for å detektere slitasje på en line som har en ytre isolasjonskappe som inneholder en hydraulisk føring, en elektrisk kabel eller en kombinert elektro-hydraulisk bunt, idet føringen og kablene eller de kombinerte bunter er forsynt med en indre metallarmering som er nedsenket i et ledende medium, karakterisert ved at linjekonstantene R, C, L og G for en line i god tilstand blir bestemt for beregning av den tilsynelatende impedanse Za i henhold til ligningene:

idet R er motstand, C kapasitet, L induktans, G konduk-tans, Zc den karakteristiske impedans, Zu lastimpedansen, w perioden 2jf f, f frekvensen for strømmen, 1 lengden av linen, n forplantningskonstanten i henhold til

hvoretter under bruk pa bruksstedet metallarmeringen blir forbundet med et måleapparat, en lavfrekvensstrøm blir periodisk påtrykket og verdien av linens tilsynelatende impedans Za blir målt, idet forskjellen med hensyn til den opprinnelige tilsynelatende impedans innebærer slitasje eller skade på isolasjonskappen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at etter beregning av den tilsynelatende impedanse for linen i god tilstand, blir den neddykket på sitt brukssted, og dens tilsynelatende impedans blir målt for kontroll om hvorvidt resultatet av målingen stemmer overens med resultatet av den tidligere utførte teoretiske beregning, idet linjekonstant-verdiene i tilfelle av uoverensstemmelse blir korrigert, noe som er avhengig mer spesielt på den omgivelse som gir seg av det medium som linen er neddykket i.

3. Fremgangsmåte for detektering og lokalisering av slitasje i en line, som angitt i krav 1, karakterisert ved at etter detektering av en variasjon av den tilsynelatende impedans Za som innebærer slitasje eller skade på isolasjonskappen av en line som er neddykket på sitt brukssted, blir verdien av lastimpedansen Zu og av lengden 1 av linen variert ved suksessiv approksimasjoner inntil den beregnede tilsynelatende impedans er lik den målte tilsynelatende impedans, idet verdien av 1 som blir funnet på denne måte, svarer til lokasjonen av stedet for slitasje på kappen.

4. Fremgangsmåte for å detektere og lokalisere slitasje på en line som på sitt brukssted er ført gjennom flere om-givelsesmedier, idet hvert medium er homogent elektrisk, men forskjellig fra hverandre, som angitt i et av krav-ene 1-3, karakterisert ved at linen i virkeligheten blir oppdelt i en rekkefølge av seksjoner, idet hver seksjon svarer til en homogen omgivelse, og idet linekonstantene for hver seksjon R, C, L, G; R±> cl' Ll' Q>\ er bestemt på forhånd, slik at når linen deretter blir dukket ned på bruksstedet, blir den fremre ende av line-armeringen forbundet med et måleapparat, og dens tilsynelatende impedans målt for å kontrollere hvorvidt resultatet av målingen stemmer overens med resultatet av den tidligere foretatte teoretiske beregning, og i tilfellet av uoverensstemmelse blir linekonstant-verdiene korrigert, mer spesielt avhengig av omgivelsen, idet en lav-frekvensstrøm blir påtrykt periodisk under bruken på bruksstedet ved den øvre ende av linen, den tilsynelatende impedans for linen blir målt, hvis forskjell med hensyn til den opprinnelige tilsynelatende impedans innebærer slitasje av kappen, hvoretter verdien av lastimpedansen Zu blir variert ved suksessive approksimasjoner for va-riable linelengder L inntil den beregnede tilsynelatende impedans ved den fremre ende av linen er så nær som mulig opptil den målte tilsynelatende impedans, idet den beregnede impedans ved den fremre ende av linen oppnås ved be regning av den tilsynelatende impedans for seksjon n be-lastet med lastimpedansen Zu og under bruk av den således beregnede verdi for bestemmelse av den tilsynelatende impedans av den foregående seksjon n-1, osv. progressivt opp til den fremre ende av linen, idet den således fremkommen-de verdi av 1 svarer til lokasjonen for kappens skade.