högtr Oil, Gas and Petrochemicals Optimera tryck i havsledningar med HIPPS Jacob G. Hoseth, Bernard Humphrey De flesta lättillgängliga oljefält är redan upptäckta och nya fyndigheter blir förmodligen svårare att exploatera. För oljefält där höga tryck är den primära tekniska utmaningen erbjuder ABB ett HIPPS-system (High Integrity Pipeline Protection System). Systemet har uppgiften att begränsa de höga trycken till brunnshuvudområdet på havsbotten. Därmed är det möjligt att utnyttja befintlig infrastruktur. När HIPPS installeras kan materialtjockleken i transportledningarna och förbindelseledningarna mot ytan anpassas till normalt flödestryck. HIPPS är ett modulärt flexibelt system som hjälper offshorebolagen att minska kostnaderna för sina rörledningssystem utan att kompromissa med säkerheten. O ljekällor på havsbotten är vanliga inom dagens offshoreindustri. Brunnarna och brunnshuvuden ligger normalt utspridda på havsbotten, sammankopplade med rörledningar, så kallade flowlines. De förbinds med ett förgreningsrör, varifrån oljan transporteras till processanläggningar vid ytan (så kallade topsides ) 1. Förbindelseledningen från förgreningen till anläggningen på ytan kan vara tiotals kilometer lång. När en brunn producerar, bestäms trycket i rörledningen av processtrycket vid ytan och de dynamiska förlusterna längs rörledningen. Om flödet blockeras på ytan, fortsätter brunnen att mata in olja i systemet tills systemtrycket når jämvikt med det statiska reservoartrycket. Rörledningarna dimensioneras traditionellt med 1 Ett typiskt undervattensfält med anslutning till produktionsanläggningen vid havsytan 28 ABB tidning 2/2000
yck tanke på brunnstrycket med stängda ventiler vid havsytan, vilket är betydligt högre än det normala flödestrycket. Normalt konstrueras utrustningen på ytan för lägre tryck än brunnstrycket vid avstängda ventiler. Orsaken är bl.a. flödesförluster. Den punkt längs processlinjen varifrån ett lägre konstruktionstryck tillåts kallas pressure specification break. Här installeras en nödavstängningsventil (ESV = Emergency Shut-down Valve) med tryckavlastningsventiler nedströms för att ta hand om eventuella övertryck. Sådan avlastning, i form av brännbara vätskor, leds till ett facklingsrör. Ökad miljömedvetenhet inom oljeindustrin medför att facklingen måste minimeras. Eftersom personsäkerheten vid anläggningen givetvis kommer i första rummet, måste varje alternativ till fackling erbjuda minst samma säkerhet som den konventionella lösningen. Den lösning som tillämpats har varit att installera HIPPS vid ytanläggningen, där förbindelseledningen anländer till processanläggning- Tryckhantering med HIPPS En stor del av de totala kostnaderna för olje- och gasutvinning på havsbotten går till själva rörledningarna. Det beror på att produktionsledningarna från brunnshuvudena till behandlings- eller lagringsanläggningen vid ytan vanligtvis konstrueras för att kunna stå emot det fulla brunnstrycket i en situation då hela flödet måste blockeras trots att trycket i rörledningarna är betydligt lägre under normal drift. Denna säkerhetsmarginal i konstruktionen är kostsam och kan äventyra den ekonomiska rimligheten för ett utvecklingsprojekt. ABB:s system HIPPS (High Integrity Pipeline Protection System) går runt detta problem och gör det möjligt att dimensionera ner rörledningarna utan att kompromissa säkerheten. HIPPS övervakar automatiskt trycket i systemet och blockerar flödet så snart en viss trycknivå överskrids. I praktiken sker detta genom en strypning som upprätthåller ett konstant tryckfall, i kombination med spärrventiler som sluts om trycket ökar. Systemet aktiveras av en styrmodul. HIPPS har en modulär struktur och kan utrustas med ventil- och styrsystem som kan anpassas efter de mest skilda förhållanden. HIPPS i kombination med sin specialframtagna utvärderingsprogramvara, som analyserar materialbehovet för varje enskilt rörledningsavsnitt, kan spara upp till 30 % av kapitalkostnaderna för ett givet projekt. ABB tidning 2/2000 29
Oil, Gas and Petrochemicals 2 Olika scenarier för HIPPS-tillämpning a Högtrycksbrunn ansluten till en processanläggning mer än 20 km bort b Högtrycksbrunn II ansluten till en befintlig lågtrycksrörledning från brunn I c En dyr fast plattform med ben kan ersättas av det billigare alternativet med en flytande farkost och flexibla förbindelseledningar. HIPPS-system under vattnet skyddar de flexibla förbindelseledningarna mot höga tryck. en. Systemet arbetar i serie med ESV. I ett sådant fall är HIPPS utrustat med en eller flera snabbverkande spärrventiler och ett autonomt säkerhetssystem som stänger ventilerna om trycket stiger över den tillåtna gränsen. Nästa steg i utvecklingen av övertrycksskydd inom offshoreindustrin är att flytta HIPPS ned mot botten vid brunnshuvudet. Systemet skyddar då också transportledningar och förbindelseledningar. Fördelar med HIPPS under vattnet HIPPS-skydd av transportledningar och förbindelseledningar under vattnet är det a enda rimliga sättet att alls exploatera vissa fyndigheter. Studier av HIPPS-tillämpningar visar tre huvudscenarier där de ekonomiska fördelarna är betydande 2 : I II Långdistansanslutning av marginella fält med högt tryck till befintliga ytanläggningar Anslutningar av marginella fält med högt tryck till befintlig infrastruktur b under vattnet Fält med högt tryck där produktionsoch lagringsfartyg, så kallade FPSO (Floating Production Storage and Offloading) med flexibla förbindelseledningar används I fall av långdistansanslutning för fält med högt tryck blir rörledningskostnaden hög. Det förstärks av kravet på tjockväggiga rör och stora avstånd. Till detta kommer kostnaden för korrosionsbeständiga legeringar då mediet i reservoarerna är korrosivt. Med HIPPS kan rörväggtjockleken minskas med 30%, och besparingarna blir stora vid långa ledningssträckor. Som tumregel gäller: brytpunkten för HIPPS är c ett anslutningsavstånd på ca 20 km (vid tryck överstigande 5000 psi) med korrosiva flöden. Med brytpunkt menas i detta sammanhang att besparingarna mer än 30 ABB tidning 2/2000
kompenserar livscykelkostnaderna för installation av HIPPS. Vid ett anslutningsavstånd på 30 km, rördimensionen 300 mm och reservoartrycket 700 bar, med korrosiva flöden, blir besparingen i rörledningskostnaden upp till USD 25 miljoner om undervattens-hipps används. I scenariot med anslutning till befintlig infrastruktur under vattnet finns redan en rörledning som lämnar området, dimensionerad för lägre tryck än vad som krävs av den nyupptäckta fyndigheten. Med HIPPS kan den nya brunnen anslutas på befintlig rörledning. Då sparas såväl materialkostnaden för ny rörledning som rördragningskostnaden. Det sista scenariet gäller exploatering av en högtrycksreservoar som ligger för djupt för en fast plattform, vilket gör det nödvändigt att använda en flytande struktur (en lin- eller kättingförtöjd farkost). FPSO-farkoster är billigare och ofta det primära alternativet, men sådana rör sig kraftigt med vågrörelserna, och då krävs flexibla förbindelseledningar för att utnyttja brunnsflödet från havsbottnen. Om trycket är högt kan de flexibla förbindelseledningarna inte göras tillräckligt starka för att stå emot. Det enda är alltså linförtöjning. Med undervattens-hipps erhålls följande fördelar: systemet skyddar de flexibla förbindelseledningarna från det stora brunnstrycket och gör den billigare kättingförtöjningen till ett möjligt alternativ. För alla tre scenarierna gäller att den kostnadsbesparing som erbjuds av HIPPS är tillräckligt hög för att understödja beslutet om alternativa metoder till kostnadseffektiv produktion. Funktionsprinciper Undervattens-HIPPS installeras i transportledningen längs havsbotten, nära brunnshuvudet, och produktionsflödet passerar i normala fall HIPPS-enheten ostört. Ledningstrycket här övervakas kontinuerligt och jämförs med den maximalt tillåtna nivån för säker drift. Om trycket stiger över inställt värde, utlöser HIPPS snabbverkande ventiler 3 som bryter inkommande flöde. En två-av-tre-logik används för tryckavläsningarna för att garantera maximal säkerhet och ett minimum av falska utlösningar. Orsaker till tryckökningar kan vara flödesbegränsningar längre nedströms eller flödesökning någonstans uppströms HIPPS (se tabell). Blockeringar i ledningen nedströms kan kräva mycket snabb respons från HIPPS. Om avståndet till blockeringen är litet och trycket ökar snabbt, måste HIPPS reagera mycket snabbt. Dagens konstruktion har en responstid på ca 2 sekunder från helt öppet till helt slutet läge. Vad beträffar avståndet till blockeringspunkten motsvarar detta ca 200 m, beroende på mediets komprimerbarhet. Inom detta korta avstånd, vilket brukar betecknas som fortified zone, måste ledningen vara dimensionerad för fullt brunnstryck för säker drift. Nedströms denna zon kan ledningens väggtjocklek minskas betydligt. Liksom varje annat säkerhetssystem måste HIPPS provas regelbundet för att verifiera korrekt funktion. En uppsättning hjälpfunktioner gör det möjligt att prova systemet utan större produktionsstörning: Elektroniken övervakas kontinuerligt av watchdog-funktioner Systemfunktionen kan provas genom partiell slutning av ventilerna Ventilintegriteten provas genom slutning kombinerad med efterföljande prov av spärrfunktion PT PT PT 2oo3 Tabell Händelser som kan orsaka oönskad ökning av trycket i transportledningen och som kräver ingrepp från HIPPS-systemet under vatten Händelser Produktionsstrypningen brister uppströms HIPPS Sandfiltret brister eller liknande 3 Schematisk bild av den totala systemkonfigurationen PT Tryckgivare 2oo3 Urvalslogik av typ två-av-tre och jämförelse av trycket med utlösningsgränsen Händelser nedströms HIPPS Ventilen stängs vid ytan Transportledningen blockeras på grund av hydrater eller liknande ABB tidning 2/2000 31
Oil, Gas and Petrochemicals + S P 5 Prestanda för undervattens-hipps med avseende på säkerheten (S) och produktionstillgängligheten (P) 4 En undervattensproduktionsstation med fyra brunnar och HIPPS monterat på grenrörshuvudena Grön pil Röd pil Högre systemeffektivitet Lägre systemeffektivitet HIPPS skräddarsydd lösning Systemservice ABB:s offshoreprodukter inkluderar hela undervattensproduktionssystem, där HIPPS är en viktig del i system konstruerade för högtrycksfält. Etableringen av verktyg för att bedöma hur dessa system och HIPPS fungerar tillsammans var därför en viktig del av utvecklingsprogrammet. Undervattenssystem är modulära för att tillåta utbyte av komponenter med hjälp av undervattensrobotar. Det går att åstadkomma många olika fältarkitekturer genom att ansluta relativt få modultyper, som kan skilja sig från projekt till projekt. HIPPS är konstruerat för att passa in i detta. Ett exempel framgår av 4, som visar en produktionsstation under vatten med fyra brunnar och HIPPS vid förgreningsrören. HIPPS-utrustningen, markerad med rött i bilden, sitter ovanför förgreningsrörens bottenramar. Varje HIPPSblock, med sina två seriekopplade spärrventiler, kan tas upp till ytan var för sig med hjälp av undervattensrobotar för service och underhåll. Produktionsledningarna ansluts till respektive blocks externa anslutningspunkt. Två kritiska parametrar för att hitta den bästa HIPPS-varianten är kraven på systemets tekniska säkerhet och produktionstillgängligheten. Systemsäkerheten bestäms via kvantitativ bedömning (CSU = Critical Safety Unavailability), medan produktionstillgängligheten beräknas genom en analys med programmet RAM (Reliability, Availability and Maintainability). Produktionssystemets arkitektur måste optimeras med avseende på båda dessa parametrar. För att vara lika säker som en processsäkerhetsventil eller väggmaterialet i en ledning dimensionerad för brunnstryck, måste HIPPS ha ett CSU-värde i storleksordningen 10-4 haverier per år. Eftersom denna säkerhetsprestanda måste dokumenteras, har stor möda lagts på att fastställa tillförlitligheten för systemkomponenterna. Systemprestanda med avseende på säkerhet och tillgänglighet simuleras med måldata som indata, och resultaten används för att rekommendera vad ABB anser vara den bästa lösningen 5. Punktdiagrammet visar värderingar av olika systemkonfigurationer. Trendkurvan visar den optimala kompromissen mellan säker- 32 ABB tidning 2/2000
het och produktionstillgänglighet för en given uppsättning utrustning. Högre säkerhet innebär att systemet optimeras mot brunnstryck med slutna ventiler, vilket i sin tur innebär fler produktionsstopp. Det är viktigt att hitta den rätta balansen vid analys av hur systemet ska konfigureras. En prestandaförändring i den gröna pilens riktning betyder ökad systemverkningsgrad, medan en förändring i den röda pilens riktning indikerar motsatsen. Spärrventiler Spärrventilernas funktion är att stoppa flödet till ledningen när styrsystemet indikerar för högt tryck. Eftersom flödet normalt kommer från flera brunnar till ett gemensamt förgreningsrör innan det fortsätter till transportledningen, kan ventilerna placeras på brunnshuvudena eller i grenrören från de enskilda brunnarna. HIPPS-ventilerna är tillverkade enligt den beprövade slab gate -konstruktionen och är självstängande. Alla processtätningar är av metall/metalltyp, med backuptätningar av elastomertyp i ytan mellan ventilsäte och ventilkropp samt vid ventilskafttätningarna. Detta är det senaste inom tätningsteknik för undervattensventiler och garanterar hög tätningssäkerhet och lång livslängd. Under normal produktion hålls ventilen öppen av det hydrauliska tryck som appliceras via styrsystemet. Om högt tryck upptäcks utjämnas trycket över ställkolven, och processtrycket sluter ventilen genom att påverka ventilskaftet direkt. Denna aktiveringsmetod innebär få komponenter i styrkretsen, något som höjer säkerheten. Ställdonen har stora styrportar för snabb manövrering. När HIPPS-projektet inleddes fanns ventilkonstruktioner för höga tryck, t.ex. 1035 bar, bara för genomloppsdiametrar upp till 7 tum. Denna dimension räcker för flöden från en eller två brunnar, men är begränsningar som dagens ventilteknik är ofta för liten för fler. Därför genomfördes behäftad med, beslöt ABB att konstruera en säkerhetsstudie för att undersöka det en sådan ventil 6. rimliga i att fördela spärrventilerna på de Brunnstrycket med slutna ventiler sjunker av uppenbara skäl med tiden, fram till olika brunnsgrenarna, och vissa fall identifierades där det skulle vara nödvändigt att en punkt då HIPPS-skydd inte längre placera ventiler på förgreningsrörets behövs för att systemet ska kunna drivas huvud, dvs. med stor innerdiameter. För säkert. Det måste därför vara möjligt att att ta reda på vilken ventilstorlek som skulle krävas gjordes en marknadsundersök- äventyra driftsäkerheten. Ventilställdonet deaktivera systemfunktionen utan att ning avseende trolig utveckling på högtrycksområdet. Studien visade att en ventil detta ändamål. En enhet för blockering i har en speciell koppling i axeländen för med genomloppsdiametern 10 tum skulle öppet läge kan anslutas med hjälp av en räcka för de flesta tänkbara systemkonfigurationer. Med tanke på de praktiska inte längre behövs. undervattensrobot när HIPPS-ventilerna 6 Porten monteras i en prototypventil på 10 tum för 15 000 psi. ABB tidning 2/2000 33
Oil, Gas and Petrochemicals Kvalificeringsarbetet för denna nya spärrventil har nu avslutats, vilket gör det möjligt att optimera undervattens-hipps genom att fördela spärrfunktionen mellan de olika produktionsbrunnarna och grenrörshuvudena. Val av styrsystem I de flesta fall placeras styrsystemet för HIPPS som tilläggsfunktion i någon av modulerna för styrning av undervattensproduktionssystemet. Vilken typ av styrteknik som används för HIPPS bestäms av styrsystemet i övrigt. Elektrohydraulisk teknik används för närvarande för de flesta produktionsstyrsystem där avstånden är tillräckligt långa för att försvara installation av HIPPS, varför detta är den mest uppenbara tekniken att använda. På grund av flexibiliteten i HIPPS skulle systemet även kunna användas med elektriskt manövrerade ventiler, något som ofta förekommer i moderna processanläggningar men hittills sällan i undervattensanläggningar. Styrsystem för undervattensproduktion konfigureras i vanliga fall som fail as is i händelse av förlust av matningsspänning eller kommunikation. Tanken är att upprätthålla produktionen i fall där tillfällig förlust av styrförmågan inte har någon inverkan på säkerheten. Denna lösning kan emellertid inte användas i kombination med HIPPS. Styrsystemet måste vara konfigurerat så att spärrventilerna sluter i händelse av bortfall av en säkerhetsfunktion, dvs. systemet måste vara felsäkert. Vissa fel i icke säkerhetskritiska delar av systemet behöver inte utlösa stängning av spärrventilen. Exempelvis kan en temporär kommunikationsförlust, kortare än en given tidsgräns tolereras, eftersom rörledningen fortfarande skyddas av systemets undervattensdel. Detta exempel visar att systemen för tryckavkänning, beslutsfattande (jämförelse, val etc.) och ventilstyrning ska placeras nära spärrventilen för att nå hög säkerhetstillgänglighet. Därmed bortfaller behovet av komplex kommunikationsutrustning och dito ledningar under vattnet från det säkerhetskritiska hjärtat av systemet. HIPPS-styrsystemet för undervattenstillämpningar består av följande element: Tryckgivare för att omvandla rörledningstryck till elektriska signaler Tröskelvärdesjämförelse och urvalslogik som träder i funktion när ett visst antal tryckgivarsignaler överstiger en viss nivå Solid-state-omkopplare för magnetventiler, utlösta av urvalslogiken Magnetventiler som styr spärrventilerna (ersatta av brytare i ett helelektriskt system) Icke säkerhetskritiska funktioner för övervakning, provning och kommunikation och matning Tryckgivare Trycksignaler hämtas med hjälp av konventionella tryckgivare av beprövad konstruktion som bygger på töjningsgivarteknik. Detaljerade studier, med stöd av omfattande fälterfarenhet, bekräftar dessa enheters höga tillförlitlighet. Släta membran ersätter de små portar som finns på vissa givare och förhindrar därmed blockeringar av hydrater, vax och sand. Tröskelvärden och urvalsmaskinvara Tryckgivarsignalerna behandlas av ett SCCB (Safety Critical Control Board). Den jämför varje trycksignal med ett förinställt värde och bryter strömmen till magnetventilerna, som styr spärrventilerna när tillräckligt många insignaler överstiger det inställda värdet. Efter att ha beaktat flera urvalsområden stod valet mellan två-av-tre (2oo3) och treav-fem (3oo5). Tryckgivarna betraktas som den minst tillförlitliga delen av urvalssystemet och har en MTBF (Mean Time Between Failures) i storleksordningen 50 år. Ett 2oo3-urvalssystem kan tolerera ett fel, vilket sannolikt inträder efter 16,7 år. Ett 3oo5-system tolererar två fel, där det första har sannolikhet att inträffa efter 10 år och det andra efter 20 år. Övergång från 2oo3 till 3oo5 ger alltså en MTBF-förbättring på 3,3 år för systemet. Eftersom denna relativt lilla förbättring förmodligen äts upp av den ökade komplexiteten för urvalsenheten, vilket i sig leder till mindre tillförlitlighet, har enheten konstruerats för 2oo3-urval. Med noggrann konstruktion har komponentantalet minimerats. Det obetydliga antalet beprövade komponenter ger hög tillförlitlighet. Samtliga SCCB-funktioner övervakas kontinuerligt. Övervakningskretsarna är så konstruerade att fel på andra platser i systemet inte kan orsaka felfunktioner i SCCB. Urvalslogiken kvarstår i aktivt läge efter en utlösningshändelse, och det krävs en extern signal från ytan för att återställa systemet innan spärrventilerna kan öppnas på nytt. Det går inte att använda återställningsfunktionen för att blockera korrekt funktion hos SCCB. Säkerhetskritisk styrventil Den säkerhetskritiska styrventilen är i princip en elektromagnetstyrd hydraulisk ventil med fjäderretur. När elektromagneten spänningssätts, matar den hydrauliska ventilen vätska till spärrventilens ställdon och öppnar rörledningen: förlust av matning till elektromagneten gör att spärrventilen stänger. Den stora oljevolymen i ställdonet till 10-tum-ventilen gör snabb manövrering nödvändig. Därför används en stor styrventil med 1,5 tum-portar. 34 ABB tidning 2/2000
High Integrity Pipeline Protection System (HIPPS) vid testkörning i laboratoriet Produktionsstrypventiler Även om strypventiler normalt inte ingår i HIPPS-systemet krävs tillförlitliga högpresterande strypventiler för exploatering av högtrycksreservoarer. Operationer som start och stopp av flödet från brunnarna måste utföras av undervattensstrypventilen om transportledningen inte får utsättas för det fulla brunnstrycket 7. I jämförelse med dagens teknik, där undervattensstrypventiler arbetar vid lägre tryck och justeras endast i sällsynta fall, ställer HIPPS betydligt högre krav på strypventilerna. Man beslutade därför att införa en ny strypventilkonstruktion i utvecklingsprogrammet. Den nya produktionsstrypventilen bygger på en upptagbar strypventilinsats för undervattensbruk som har en trimdel av plugin-typ med dubbel tryckavlastning. För att garantera att strypventilen kan ta upp de höga trycken och hantera de frekventa manövrarna är alla processtätningar av metall/metalltyp. Den nya skafttätningen, som bygger på en spjällventilkonstruktion, har en backuptätning av elastomertyp för maximal tillförlitlighet över avsedd livstid. Tryckklassningen är densamma som för spärrventilerna, dvs. 1035 bar, medan temperaturområdet sträcker sig upp till 200 C. Fördelen med strypventiler i kombination med HIPPS är att de kan användas för att aktivt motverka tryckökningar i systemet. Varje högtryckssituation som kan undvikas genom att manövrera strypventilen innebär ett problem mindre som behöver hanteras av HIPPS. Strypventilen har därför ett snabbt motordrivet ställdon i stället för det vanliga stegmotorställdonet. Såväl hydraulmotorer som lågeffekts elmotorer kan användas med detta ställdon. Icke säkerhetskritiska funktioner SCCB-enheten ryms på en kortplats i en standardelektronikmodul för undervattensdrift, vilken ger enatmosfärsmiljö, samtidigt som erforderlig effekt levereras, med övervaknings- och kommunikationsfunktioner. Dessa är de så kallade icke säkerhetskritiska hushållsfunktionerna, nödvändiga för drift av HIPPS. Ett fel inom detta område orsakar att HIPPS fallerar och blir osäkert. Bland de icke säkerhetskritiska uppgifterna som utförs av systemet kan nämnas: Styrning av ventilations- och metanolinjektionsventilerna kring spärrventilerna Kontinuerlig övervakning av säkerhetskritiska funktioner Periodiska provrutiner, som partiella slutningsprov och spärrventilintegritetsprov, plus rapportering av resultat Tillhandahållande av en återställningssignal till den säkerhetskritiska logiken efter en HIPPS-utlösning Framtiden HIPPS-system för undervattensbruk börjar vinna acceptans inom den synnerligen konservativa oljeindustrin. Utrustningen har nu kvalificerats, och det förefaller endast vara en fråga om tid, innan det rätta oljefältet har identifierats för implementering av ABB:s HIPPS-lösning för undervattensbruk. Författare Jacob G. Hoseth ABB Corporate Research NO-1375 Billingstad jacob.hoseth@no.abb.com Telefax: +47 66 84 35 41 Bernard Humphrey ABB Vetco Gray UK Ltd Broadfold Road, Bridge of Don Aberdeen, AB23 8EY Storbritannien bernard.humphrey@gb.abb.com Telefax: +44 1224 852427 ABB tidning 2/2000 35