Roboty na platformach

Platformy wiertnicze i wydobywcze

Morskie platformy wiertnicze i wydobywcze stanowią skrajnie nieprzyjazne środowisko pracy, o wysokim stopniu ryzyka wystąpienia wypadków – te zdarzają się wprawdzie rzadko, ale jeśli już do nich dochodzi, skutki dla załogi i otoczenia są katastrofalne. Wynika to ze specyfiki tego typu obiektów przemysłowych – zagrożeniem są łatwopalne surowce, które są na nich wydobywane i niebezpieczne urządzenia oraz narzędzia stanowiące ich wyposażenie. Bezpieczeństwu pracy nie sprzyjają także: ograniczona przestrzeń, wpływająca na swobodę poruszania się oraz operowania sprzętem i fakt, że platformy znajdują się w morskim środowisku, z daleka od lądu, zwykle w rejonach świata, gdzie panują ekstremalne warunki pogodowe. To sprawia, że ponieważ większość zadań wykonuje się na zewnątrz, pracownicy narażeni są na skrajne temperatury, silny wiatr, opady atmosferyczne (deszcz, śnieg), oblodzenie. Ponadto fale, prądy morskie i sztormy wpływają na stabilność tych konstrukcji. Ze względu na te wszystkie zagrożenia, zabezpieczenia i procedury postępowania na platformach wiertniczych i wydobywczych są na bardzo wysokim poziomie. Niestety, czynnikiem, którego nie można całkiem wyeliminować, jest błąd ludzki.

Automatyka na platformach

Pokazały to wypadki na platformach wiertniczych Piper Alpha u wybrzeży Szkocji i Deepwater Horizon w Zatoce Meksykańskiej. W obu przypadkach zdarzenia te miały przebieg gwałtowny i zakończyły się kompletnym zniszczeniem obiektu oraz śmiercią wielu członków załogi, z której, ze względu na wielkiej skali pożar, zadymienie i dużą odległość od lądu utrudniające akcję służb ratowniczych, zdołali się uratować tylko nieliczni pracownicy. Poza tym skutki wypadków były jeszcze bardzo długo odczuwalne w związku ze zniszczeniem lokalnego środowiska – wycieki paliwa zanieczyściły morze, a produkty jego spalania zatruły powietrze. Dlatego w tego typu obiektach dąży się do ograniczania obecności ludzi. W tym celu ich zadania automatyzuje się.

Potencjał w tym zakresie jest spory. Przykładem są zadania ”brudne” i wymagające dużej siły, jak łączenie rur podczas ich wymiany, w którym ludzi zastępują automaty w postaci zacisku z regulowaną średnicą otworu i kluczem do dokręcania o momencie obrotowym nawet kilkuset kNm. Dostępne są także roboty podnoszące i mocujące rury w odwiercie i roboty wiertnicze, automatyzujące wszystkie operacje związane z rurami i narzędziami. Opracowywane są też platformy automatyzacji i digitalizacji odwiertów. Oferowane są zarówno narzędzia, które usprawniają zarządzanie kompleksowo całym sprzętem wiertniczym, jak i dedykowane do konkretnych operacji. Przykładem ostatnich jest przełączanie pomiędzy trybami wiercenia rotary i slide, które jest wykonywane, by zmienić trajektorię odwiertu albo skorygować automatyka na morzu i offshore źródło: BPjej odchyłkę. Inną funkcją tego typu aplikacji jest zapobieganie efektowi poślizgu (stick-slip) spowodowanemu drganiami, który może powodować uszkodzenie wiertła. Jeśli opcja ta zostanie aktywowana, kontroler napędu będzie dostosowywał prędkość obrotową wiertła tak, aby energia ruchów skrętnych przenoszona na powierzchnię była pochłaniana. To po kilku cyklach skutkować będzie wytłumieniem wibracji.

Badania nieniszczące w branży morskiej

Inspekcja obiektów na morzu i na nabrzeżu jest utrudniona przez niesprzyjające warunki otoczenia (wiatr, fale, prądy morskie, rozpryski wody, ekstremalne temperatury), trudne warunki operacyjne, ograniczenia przestrzenne oraz zagęszczenie wyposażenia. Dlatego w tym zadaniu ludzi wspierają roboty wyposażone w sondy do badań nieniszczących, przykładowo ultradźwiękowe (jedno- albo wieloprzetwornikowe), do pomiaru prądów wirowych oraz kamery.

Badania ultradźwiękami

Sondy ultradźwiękowe typu phased array w porównaniu do standardowych wyposażone są w kilka przetworników, z których każdy niezależnie nadaje i odbiera sygnał pomiarowy. Pozwala to, dzięki odpowiednio dobranemu przesunięciu czasowemu między wiązkami, na dowolne kształtowanie fali, jej skupianie na określonej głębokości w obiekcie inspekcji i jej odchylanie o dowolny kąt.

Mierniki ultradźwiękowe z głowicami wieloprzetwornikowymi sprawdzają się w: detekcji oraz obrazowaniu różnych defektów, na przykład pęknięć, pustek, wżerów spowodowanych korozją, wykrywaniu zmian właściwości materiału, ocenie jakości spawów i nitów, badaniach rozkładu kleju, pomiarach grubości materiałów i powłok. Dzięki możliwości dynamicznego sterowania wiązką akustyczną w porównaniu z sondami z jednym przetwornikiem mają kilka zalet.

Funkcja elektronicznego skanowania, czyli sterowania wiązką komputerowo zamiast przesuwania głowicy, skraca czas inspekcji i poprawia wiarygodność wyników, ponieważ nie dochodzi do utraty sprzężenia za każdym razem, gdy sonda jest przemieszczana. Poza tym dowolne ogniskowanie w głąb umożliwia wykonywanie pomiarów na wielu głębokościach równocześnie. Elektroniczne zmienianie kątów wiązki w określonym sektorze jest też efektywniejszą alternatywą dla wielu standardowych sond w detekcji defektów o różnych rozmiarach.

Metoda prądów wirowych

Badania impulsowymi prądami wirowymi to technika inspekcji materiałów ferromagnetycznych, takich jak stal węglowa i żeliwo, wykorzystywana w detekcji wad i korozji rozwijającej się pod warstwami nieprzewodzących powłok wykończeniowych, okładzin ogniotrwałych oraz izolacji. Zasada pomiaru przy użyciu tych przyrządów jest następująca: cewki sondy po przyłożeniu do ściany poddanej badaniu są zasilane, a generowane przez nie pole magnetyczne magnetyzuje stal. Po odłączeniu cewek od zasilania stal ulega rozmagnesowaniu. Nagła zmiana natężenia pola magnetycznego generuje prądy wirowe. Przyrząd mierzy szybkość ich zaniku w miarę wnikania w głąb stali, która następnie zostaje przeliczona na grubość ścianki. Technika ta jest jedną z najbardziej wszechstronnych metod nieniszczących. Konfiguracja przyrządu jest szybka i prosta. Nie ma też potrzeby przygotowania powierzchni (usuwania powłok, izolacji), inspekcję można zatem przeprowadzić nawet, gdy obiekt jest w eksploatacji.

Zdalna inspekcja wizualna

Wykorzystuje się też zdalnie sterowane roboty wyposażone w kamery. Oceniają one integralność komponentów i infrastruktury tam, gdzie jest zbyt niebezpiecznie albo zbyt daleko dla ludzi. W tym zastosowaniu wykorzystywane są kompaktowe, obrotowe kamery monitoringu. Obrazy nimi rejestrowane poddawane są obróbce i analizie w specjalnym oprogramowaniu. Dzięki temu wyniki inspekcji nie opierają się tylko na wiedzy i doświadczeniu personelu.

Pojazdy ROV I AUV

W branży naftowej wykorzystywane są też zdalnie sterowane pojazdy ROV (Remotely Operated Vehicles) i autonomiczne pojazdy podwodne AUV (Autonomous Underwater Vehicles) (patrz: ramka). Ich główne zastosowania to inspekcje i eksploracja.

Są one wciąż rozwijane. Przykład to autonomiczne pojazdy firmy Eelume, do prac nad którymi inspiracją były... węże strażackie. Są one budowane z modułów, które można ze sobą zestawiać w dowolny sposób. Dzięki temu, że sztywne sekcje łączone są za pomocą elastycznych łączników ,mogą zmieniać kształt i poruszają się, ”zwinnie” manewrując nawet w ograniczonej przestrzeni. Moduły różnią się wyposażeniem – sensory i chwytaki można montować w dowolnym miejscu wzdłuż korpusu pojazdu. Możliwa jest przykładowo konfiguracja dwuramienna, z narzędziami zamontowanymi na obu końcach i korpusem uformowanym w kształt litery U – jeden koniec ramienia może służyć do zakotwiczenia pojazdu, a drugi operować chwytakiem lub pierwszy może za pomocą kamery rejestrować przebieg operacji. Opływowy kształt ułatwia pojazdom firmy Eelume poruszanie się nawet przy silnych prądach morskich. W założeniu będą one pracować cały czas pod wodą, dokując się do stacji ładowania na dnie morskim.

Kolejny przykład to Aquanaut opracowany przez specjalizującą się w robotyce oceanicznej firmę Houston Mechatronics. Jest to wielofunkcyjny robot podwodny, mogący pracować jako zdalnie sterowany pojazd (bez uwięzi) lub autonomiczny pojazd podwodny. Przełączenie z trybu AUV na ROV zachodzi w zależności od potrzeb. W pierwszym ramiona robota są ukryte w kadłubie. Jego opływowy kształt pozwala na pokonanie dużej odległości dzięki wbudowanemu napędowi i akumulatorom. Po dotarciu do celu pojazd przechodzi w tryb ROV. Wtedy kadłub otwiera się, odsłaniając kamery i skanery laserowe. Rozkładają się też ramiona wyposażone w chwytaki i narzędzia.

Czym się różnią pojazdy ROV i AUV?

Chociaż zarówno ROV, jak i AUV to pojazdy podwodne, które eksplorują zbiorniki wodne bez człowieka na pokładzie, jednak występują między nimi znaczące różnice. Pierwsze z nich są zdalnie sterowane przez operatorów, którzy przebywają na pokładzie łodzi lub statku, z którym ROV jest połączony kablem. Jego długość określa maksymalną głębokość zanurzenia pojazdu i jego dystans od statku. Poza tymi parametrami różne modele ROV mogą się różnić rozmiarami i rozwijaną prędkością. Kabel, który łączy pojazd ze statkiem, służy do dwukierunkowej transmisji danych i zasilania ROV, choć niektóre modele są zasilane z akumulatorów. W tracie użytkowania pojazdów tego typu zwykle jedna osoba steruje ROV, zaś druga nadzoruje kabel. Kontrola uwięzi polega na utrzymaniu jej optymalnej długości, dzięki czemu ROV przemieszcza się w założonym przedziale głębokości i odległości od statku, a zarazem zapobiega się jego zaplątaniu w za długi kabel. Brak nadzoru nad kablem utrudnia też sterowanie ROV i manewrowanie statkiem.

AUV to również bezzałogowe pojazdy podwodne, które jednak inaczej niż ROV nie wymagają ingerencji ani kontroli w czasie rzeczywistym ze strony człowieka. Zamiast tego są wstępnie programowane, a potem działają autonomicznie, na przykład zmieniając kurs albo kończąc swoją misję wcześniej, niż oczekiwano na podstawie zebranych w jej trakcie informacji.

Zarówno pojazdy ROV, jak i AUV wyposaża się w liczne czujniki, chwytaki, próbniki oraz manipulatory, w zależności od ich zastosowań, wśród których można wymienić: inspekcję, zbieranie próbek, lokalizację, konserwację, rozpoznanie terenu. Ze względu na specyfikę w niektórych z nich dany rodzaj pojazdu sprawdza się lepiej niż ten drugi. Zaleta ROV to głównie pełna kontrola nad pojazdem, dzięki jego połączeniu ze statkiem, co ułatwia jego eksploatację w rejonach o dużym natężeniu ruchu statków i innych pojazdów podwodnych, które mogą wpłynąć na zmianę kursu AUV, jak też w razie narażenie na silne prądy morskie i wzburzone fale. Zalety AUV to z kolei: możliwość penetracji rejonów akwenów zbyt płytkich, by mógł w nie wpłynąć statek nadzorujący ROV, swobodniejsza, bo nieograniczona długością kabla, ich eksploracja, odciążanie personelu kontrolującego ROV.

Roboty na platformach

Roboty takie jak Eelume czy Houston Mechatronics nie są jeszcze używane w branży naftowej powszechnie, ale już sam fakt, że takie powstały i są testowane, świadczy o tym, że projekty do niedawna jeszcze będące pomysłami z kategorii science fiction, urzeczywistniają się. Z czasem na pewno można oczekiwać ich komercjalizacji. Podobnie będzie z pewnością z czworonożymi robotami, których przykładem jest ANYmal firmy ANYbotics. Tego typu maszyny mają szansę sprawdzić się na platformach wiertniczych i wydobywczych, ponieważ są wyposażone w... nogi. Dzięki temu lepiej niż tradycyjne roboty przemysłowe będą sobie radzić z poruszaniem się po obiektach zaprojektowanych z myślą o ludziach, pełnych sprzętu, rur, stopni, schodów, innych przeszkód i w ciasnych przestrzeniach. Na przykład ANYmal jest w stanie wchodzić i schodzić ze schodów i pochyłości (do 30º), pokonywać przeszkody, jak progi (maks. 25 cm) i szczeliny (30 cm) i czołgać się (pod min. 60 cm). Potrafiwrócić do równowagi w razie jej utraty. Stopień IP 67 pozwala mu na pracę wewnątrz i na zewnątrz budynków, w deszczu, śniegu, w strumieniu wody, przy zapyleniu, przy nasłonecznieniu oraz w ciemnościach. Jest to robot autonomiczny. Rozpoznaje otoczenie, planuje optymalne ścieżki ruchu oraz uczy się powtarzalnych procedur, dzięki zaimplementowaniu algorytmów opartych na sztucznej inteligencji, które analizują dane z czujników (kamera, kamera termowizyjna, mikrofon do rejestracji sygnałów akustycznych w zakresie częstotliwości słyszalnych i ultradźwięków). Komunikuje się za pośrednictwem Wi-fii 4G/LTE, ale większość analiz wykonuje komputer pokładowy. Dzięki temu ANYmal potrafina przykład odczytywać wskazania analogowych przyrządów pomiarowych i sprawdzać stan zaworów, wykrywać: gorące punkty instalacji, wibracje i przecieki, a opcjonalnie (wyposażony w czujnik gazu) wycieki trujących gazów. W razie potrzeby operator może także przejąć nad nim zdalnie pełną kontrolę. Maszyny takie jak ANYmal przyczynią się z pewnością w przyszłości do upowszechnienia się bezzałogowych platform wiertniczych i wydobywczych – pierwsze takie obiekty już zresztą zostały uruchomione (patrz: ramka).

Oseberg H to pierwsza na świecie w pełni zautomatyzowana platforma wydobywcza uruchomiona w 2018 roku na Morzu Północnym przez norweską firmę energetyczną Equinor (dawniej Statoil). Ponieważ jest to obiekt bezzałogowy i wymagane są tylko jedna lub dwie wizyty konserwacyjne rocznie, nie przewidziano w nim pomieszczeń mieszkalnych ani nawet toalety. Dzięki temu czas budowy znacząco się skrócił (platforma została zbudowana w ciągu zaledwie kilku lat) oraz zmniejszyła się waga (część nawodna platformy waży "tylko" 1000 ton). Ostatecznie mniejszy, niż początkowo zakładano (o 20%), był również koszt budowy, który wyniósł 606 mln funtów. Bezpieczeństwo obiektu jest zagwarantowane przez personel zdalnie go obsługujący, nadzorujący oraz interweniujący w razie problemów.