Subsea maintenance and monitoring system

Abstract

Firmaet Oilfield Technology Group AS har oppfunnet og søkt patent på et konsept som går ut på å plassere en manipulatorarm permanent nede på havbunnsutstyr for å kunne gjøre inspeksjons-, vedlikeholds- og reparasjonsarbeid. Manipulatorarmen skal kunne ta seg frem langs et skinnesystem påmontert undervannsinstallasjonen eksempelvis en brønnramme. Denne rapporten presenterer forslag til hvordan kraftoverføringen kan gjøres mellom skinnesystemet og manipulatorarmen. Foreslått løsning for kraftoverføring går ut på å overføre elektrisk kraft ved bruk av induktiv overføring. Fordelen er at overføringen blir gjort kontaktløst. Systemet kan derfor kapsles inn og dermed beskyttes bedre mot vanninntrengning, korrosjon, slitasje av bevegelige deler/ledninger, og evt. kontaktskader med annet bevegelig utstyr. Tilsvarende kraftoverføringssystem blir brukt på land i blant annet sterile rom og AGV (”Automated Guided Vechicles”). Dette arbeidet har gjort elektromagnetiske simuleringer for et enkelt induktivt kraftoverføringssystem med bruk av et FEM-analyse program (”Finite Element Method”) hvor en av målene var å se på konsekvensen av å ta et system som fungerer på land ned i sjøvann. Systemet ble først simulert med luft som omgivelsesmedium og deretter med sjøvann som omgivelsesmedium hvor resultatene ble sammenliknet. Et induktivt overføringssystem operer normalt rundt 20kHz. En økning i operasjonsfrekvensen for systemet vil kunne øke overført effekt, men ved høyere frekvenser, omtrent over 100kHz, viser simuleringene at tap relatert til nærhetseffekten, overflateeffekten, virvelstrømstap og kapasitive lekkstrømmer kan fremtre. Resultatene fra simuleringen viser at differansene for gjensidig induktans mellom luft som omgivelsesmedium og sjøvann som omgivelsesmedium opp til 3 kHz ikke er observerbare. Fra og med 3 kHz og opp til rundt 100 kHz er differansene marginale. Over 100 kHz viser trenden en lineær økning, men selv ved høyeste simulerte frekvens som var 1MHz kunne differansen betraktes som marginal. Differansene som ble observert skyldes sannsynligvis virvelstrømstap som følge av konduktiviteten i sjøvann. Simuleringene viste også en marginal kraftoverføring som kunne skyldes kapasitive overføringer som følge av den relative permittiviteten i sjøvannet. For et mer reelt system kan det forventes at de kapasitive effektene vil bidra til et tap på grunn av at primærsystemet i simuleringsmodellen ikke var fullskala. Dette forklares med at det vil oppstå kapasitive lekkstrømmer internt i primærsystemet som ikke er omsluttet av sekundærsystemet. Lengden og avstanden mellom lederne til primærsystemet vil være faktorer som kan forventes å påvirke det kapasitive tapet. Et typisk induktivt kraftoverføringssystem for landindustrien opererer rundt 20kHz. Ved å holde overføringsfrekvensen på dette nivået for et system i sjøvann kan det forventes å oppnå opp mot samme virkningsgrad som for et system på land, det vil si en virkningsgrad på rundt 85 %. Videre arbeid bør blant annet se nærmere på omfanget av de kapasitive lekkstrømmene internt i primærsystemet med hensyn til lengde og avstand mellom lederne. Overslagsberegninger i rapporten viser at disse strømmene kan vise og være relativ små, omtrent i mA-området. I tillegg bør et videre arbeid se på om et kapasitivt overføringsprinsipp vil kunne være aktuelt og sammenlignes opp mot et induktivt. Et kapasitivt system vil sannsynligvis være et enklere system samtidig som det vil dra nytte av sjøvannet. Ved utvikling av et system bør det legges særdeles vekt på utformingen av jernkjernen da dette har betydelig innflytelse på virkningsgraden. Materialvalg i forhold til vanninntrengning, korrosjon og biologisk vekst vil også være av stor betydning.