Detekcja przecieków w zaworach pomp przemysłowych

Fot. 1. Pompa płuczkowa, 6-tłokowa

Integralnym elementem szybów i platform wiertniczych są specjalne pompy, które dostarczają płuczkę wiertniczą umożliwiającą prowadzenie odwiertów. Pompy te stabilizują ciśnienie płuczki, która wywiera przeciwciśnienie na ściany otworu wiertniczego, zmniejsza tarcie przewodu wiertniczego, chłodzi świder i wynosi zwierciny.

W ramach omawianej aplikacji stworzono system detekcji przecieków w nowoczesnych, sześciotłokowych pompach płuczkowych, takich jak przedstawiona na pierwszej fotografii. Pompy te mają po 6 tłoków, zaworów dolotowych oraz zaworów wypływowych.

Tłoki są poruszane przez obracającą się, asymetryczną krzywkę. W celu realizacji aplikacji zaprojektowano własny, opatentowany system wykrywania przecieków, zbudowany w oparciu o sterowniki CompactRIO firmy National Instruments. Korzystając z akcelerometrów, monitoruje on wszystkie zawory danej pompy.

ZAUTOMATYZOWANY SYSTEM MONITOROWANIA

Rys. 2. Wibracje powstające w sytuacji, gdy przecieka zawór D2

Przeciekające zawory w pompach tłokowych są często wykrywane po długim czasie od wystąpienia usterki, gdy trudno już jest utrzymać stabilne ciśnienie płuczki wiertniczej. Taka sytuacja niestety wiąże się z powstaniem mniejszych lub większych uszkodzeń systemu wiertniczego.

Po stwierdzeniu zaistnienia poważnego przecieku, standardowa metoda jego lokalizacji polega na nasłuchiwaniu odgłosów dochodzących z poszczególnych stron pompy w trakcie jej pracy. Procedura ta jest jednak mało precyzyjna i bardzo trudno jednoznacznie określić miejsce przecieku, a tym bardziej odróżnić przeciek zaworu wlotowego od przecieku zaworu wylotowego.

Kolejnym problemem jest zagrożenie dla zdrowia człowieka, jakie powstaje w momencie manualnej detekcji i lokalizacji przecieków. Pompy płuczkowe mają zazwyczaj bardzo dużą moc, a ciśnienie na ich zaworach wylotowych dochodzi nawet do 350 barów.

Rys. 3. Zmiana poziomu wibracji w czasie wraz z postępowaniem uszkodzenia zaworu D2

Dodatkowe oprzyrządowanie, znajdujące się często w pomieszczeniach z pompami, również pracuje bardzo głośno, w efekcie czego natężenie dźwięku w tych miejscach może przekroczyć 100 dBA, co stanowi zagrożenie dla słuchu pracowników analizujących stan pomp.

Problematyczny jest też fakt, że przecieki w zaworach bardzo szybko się powiększają, a proces ich ręcznego wykrywania, szczególnie gdy samo wystąpienie przecieku nie jest pewne, trwa dosyć długo i pozostawia mało czasu na wymianę zaworu. Dopiero zdalny zautomatyzowany system wykrywania przecieków rozwiązuje powyższe problemy.

WYKRYWANIE PRZECIEKÓW DZIĘKI WIBRACJOM

Rys. 4. Topologia omawianego systemu

Autorzy omawianej aplikacji odkryli możliwość lokalizowania przecieków za pomocą akcelerometrów w trakcie prowadzenia projektu monitorowania wibracji sześciotłokowych pomp płuczkowych. Wibracje rejestrowano w różnych miejscach szybu wiertniczego: zarówno na pompie, jak i na jej rurze wylotowej.

Ponadto mierzono ciśnienie na wlocie i wylocie, a także szybkość przepływu płuczki w różnych warunkach pracy pompy. Wibracje próbkowano z częstotliwością 25 kHz, co kilka minut tworząc 5-sekundowe nagrania. W jednym z przypadków zauważono, że wibracje znacznie zmieniły się w ciągu 15 minut, co - jak się okazało - było symptomem powstawania przecieku.

Fot. 5. Skrzynka z gotowym systemem

Po dokonaniu tego odkrycia przeprowadzono kolejne testy, aby sprawdzić możliwość wykrywania przecieków poprzez analizę wibracji. Na drugim rysunku przedstawiono wibracje zarejestrowane na wszystkich sześciu blokach zaworów w sytuacji, gdy drugi zawór wypływowy (D2) ma poważny przeciek.

Numery przy poszczególnych liniach reprezentują kolejne akcelerometry zamontowane przy blokach zaworowych o tym samym oznaczeniu. Liniami przerywanymi oznaczono stan pracy poszczególnych bloków zaworów - ich przebieg stworzono na podstawie sygnałów z czujników zbliżeniowych. Pozwalają one na łatwą interpretację zarejestrowanego sygnału wibracyjnego.

Gdy linie te mają stan wysoki, zawory zasysające danego bloku są zamknięte. Obniżenie poziomu linii przerywanych oznacza zamknięcie zaworów wypustowych następujące w momencie powracania odpowiadających im tłoków. Na wykresie da się też zauważyć, że wibracje spowodowane wyciekiem są nieco opóźnione względem wykresów otwarć i zamknięć zaworów.

Przesunięcie to wynosi około 25 ms i wynika z bezwładności zaworu oraz z faktu, że ściśliwość cieczy wymusza dodatkowy, skończony czas skoku tłoka przy kompresji i dekompresji płuczki w cylindrze. Analiza spektralna zarejestrowanych próbek wibracji wskazuje, że przeciek powoduje powstawanie silnego, szerokopasmowego szumu o częstotliwości od 3 kHz do częstotliwości Nyquista równej w tym przypadku 12,5 kHz (połowie częstotliwości próbkowania - 25 kHz). Łączny poziom szumu w trakcie przecieku zwiększał się o 30 dB.

SYSTEM DETEKCJI PRZECIEKÓW

Rys. 6. Ekran użytkownika z zarejestrowanymi przebiegami w przypadku braku przecieków

W oparciu o zaprezentowane ustalenia opracowano system detekcji przecieków 6-tłokowych pomp płuczkowych w postaci samodzielnego modułu, w który można doposażyć obecne instalacje, tak jak to zilustrowano na rysunku 4.

W uproszczeniu składa się on z: akcelerometrów (po jednym na blok zaworów), czujnika zbliżeniowego mierzącego prędkość ruchu i fazę położenia tłoków pompy, czujnika ciśnienia wylotowego, wbudowanego systemu monitorującego (wykonanego w oparciu o sterowniki CompactRIO wraz z modułami do akwizycji sygnałów analogowych i zasilania akcelerometrów - NI 9234) oraz napisanego w LabVIEW oprogramowania dla CompactRIO do przetwarzania sygnałów i powiadamiania o przekroczeniu ustalonych stanów alarmowych. Interfejs użytkownika również został wykonany w LabVIEW.

ZAIMPLEMENTOWANE PROCEDURY I ALGORYTMY

Rys. 7. Ekran użytkownika z zarejestrowanymi przebiegami w przypadku przeciekającego zaworu D3

Próbkowanie i przetwarzanie danych wykonywane jest w 7 krokach:

1. Próbkowanie wibracji z częstotliwością 25 kHz za pomocą wszystkich sensorów przez krótki czas, równy co najmniej długości jednego pełnego cyklu pracy pompy.
2. Filtrowanie pasmowe w celu redukcji wpływu innych wibracji powodowanych przez pracę pomp.
3. Analiza czasowa zebranego sygnału w celu ustalenia szybkości działania pompy i oszacowania położenia krzywki sterującej tłokami.
4. Opracowanie okien czasowych w celu selektywnego mierzenia wibracji dla poszczególnych zaworów, z uwzględnieniem przesunięcia opóźnień związanych z ich otwieraniem i zamykaniem.
5. Obliczenie wartości skutecznej wibracji dla każdej z faz pracy pompy.
6. Normalizacja zmierzonych poziomów wibracji poprzez podzielenie uzyskanych wartości przez medianę z wszystkich faz.
7. Uruchomienie alarmu, jeśli dla przynajmniej jednego z okien znormalizowany poziom wibracji przekroczy zadaną wartość przez określony czas.

Rys. 8. Podstawowy ekran diagnostyczny systemu

Wybrana częstotliwość próbkowania wynosi 25 kHz, ale w razie potrzeby możliwe jest zaprogramowanie wyższych wartości. Filtr pasmowy jest opcjonalny, ale z doświadczenia wynika, że znacząco poprawia on skuteczność detekcji uszkodzeń. Normalizacja mierzonych wartości praktycznie uniezależnia detekcję od warunków pracy pomp, w tym wibracji związanych z szybkością przepływu i ciśnieniem.

Wprowadzenie minimalnego czasu, przez który występować musi podwyższone natężenie wibracji, pozwala uniknąć przypadkowych alarmów wywołanych większymi odłamkami zwiercin w płuczce wiertniczej, które mogą tymczasowo uniemożliwić domknięcie zaworów. Ocenę, czy odnotowany alarm spowodowany jest faktyczną usterką, można przeprowadzić zdalnie i to na kilka sposobów.

Operator może wyciągnąć wnioski na podstawie samej obserwacji wykresów wibracji, może też posłuchać spróbkowanych nagrań i ocenić brzemienie zaworów bez podchodzenia do pompy. Inną opcją jest sprawdzenie, czy ciśnienie na wylocie pompy jest stabilne.

Dodatkową zaletą systemu jest możliwość odtwarzania zarejestrowanych próbek jako dźwięków o obniżonej częstotliwości, tak aby mieściły się w dobrze słyszalnym przez ludzkie ucho zakresie fal dźwiękowych. Przedstawiona na rysunkach 6 i 7 aplikacja pozwala bezpośrednio przeglądać zapisy rejestratorów i samodzielnie analizować zarejestrowane przebiegi.

Fot. 9. Przykład uszkodzonego zaworu

Dodatkowo zapisywane z wysoką częstotliwością wyniki pomiarów ciśnienia na wylocie pompy pozwalają odkryć cykliczne wahania poziomów i lepiej zrozumieć, co się dzieje z zaworami.

Przykładowo, na rysunku 7 widać 1,5-sekundowy pomiar wibracji po wystąpieniu dużego przecieku w zaworze D3. Bliższe przyjrzenie się sygnałom z innych zaworów pozwala zauważyć, że wibracje powodowane przez przeciek przenoszone są na inne akcelerometry w tych samych odcinkach czasu.

Na szczęście są one tłumione o około 20 dB, już w przypadku zaworów sąsiadujących i jeszcze bardziej dla dalszych bloków zaworowych, dzięki czemu łatwo wskazać uszkodzony element. Na rysunku 8 przedstawiono natomiast ekran diagnostyczny, w którym podawany jest aktualny stan zaworów na podstawie oceny dokonanej wcześniej w opisanym algorytmie oraz trend zmian poziomów wibracji mierzonych na każdym z zaworów.

PODSUMOWANIE

Na podstawie zebranego doświadczenia autorzy stwierdzili, że utworzony przez nich system detekcji wycieków cechuje się wieloma zaletami w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań. Pozwala szybko i dokładnie wykrywać i lokalizować dopiero rozwijające się wycieki i to w sposób zdalny.

Dzięki niemu operatorzy systemów wiertniczych są znacznie mniej narażeni na niebezpieczeństwo. System pozwala również wykrywać wiele wycieków jednocześnie oraz redukuje czas wymiany zaworu poprzez dokładne wskazanie wadliwego elementu.

Fot. 10. System można zainstalować również w pompach 5-tłokowych czy w pompach płuczkowych 3-tłokowych

Ponadto jest łatwy w instalacji nawet na już istniejących pompach, ponieważ zastosowane akcelerometry mogą być do nich przyczepione nawet na klej, magnes lub za pomocą taśmy klejącej. Duże znaczenie dla powodzenia aplikacji ma zastosowanie sterowników CompactRIO i oprogramowania LabVIEW, które umożliwiło m.in. szybkie prototypowanie tworzonego systemu i zapewniło niezawodność przy modernizacji istniejących pomp.

Co więcej, nowo opracowana metoda okazuje się być bardziej niezawodna w porównaniu do systemów wykrywających wycieki za pomocą badania ciśnienia na wylocie pompy.

Pål Jacob Nessjøen
Age Kyllingstad
National Oilwell Varco Norway AS
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com