Automated rotator

Abstract

Den norske oljeindustrien har vært en sentral utfordrer i den globale industrien siden tidlig på 1970-tallet. Den norske kulturen for presisjonsarbeid og kompetanse har generert milliarder av NOK over de siste 50 årene. Olje- og gassindustrien har imidlertid møtt motstand, både fra markedet, men også fra millenniumsgenerasjonen siden oljeprisfallet i 2014. Dette har ført til en markedsdrevet bevissthet vedrørende både miljø og effektivitet. For å øke effektivitet blir oljerigger automatiserte, både for å bli mer konkurransedyktige og tryggere. For hvert sekund riggen er operativ blir penger brukt, og CO2 dannet. Dette gjør miljøaspektet ved boringsprosessen ekstremt viktig. DP (Dynamisk posisjonering) brukes når man borer i dypt vann. Da kontrollerer thrusterne riggen for å holde den i eksakt samme posisjon over brønnen, til og med i hardt vær. En kobling av hele riserstrengen uten menneskelig inngripen ville vært et stort steg i automatiseringsprosessen, og ville potensielt spare millioner av kroner og tonn av CO2-utslipp. Dette vil redusere sjansen for ulykker, og senke tidsbruken ved sammenkobling av riserstrengen. Det er en viktig erkjennelse at automasjon av manuelle prosesser skjer på flere plan i oljebransjen, og setter denne oppgaven i en større kontekst. MHWirth ønsker å se på denne muligheten da et fullautomatisk system av riser-koblinger enda ikke har blitt laget. Konseptet skal festes på toppen av spideren, og skal ikke være i veien for bevegelige objekter. Konseptet trenger å åpne/lukke en låsering, løfte/stenge en indekspinne og åpne/lukke en låsepinne. Låseringen har ører som holder hele riserstrengen når denne er låst. Indekspinnen låser låseringen i posisjon, og låsepinnen sikrer indekspinnen. Dette er en dobbel sikkerhet. Hovedmål og delmål har blitt laget i løpet av utviklingsprosessen. Målene omfatter funksjonaliteten omkring koblingen, den doble sikkerhetsmekanismen, metodebruk, funksjonsanalyse, konseptgenerering og vekting av konsepter, produksjon, spenningsanalyse (FEM/FEA), hydraulikk og kontrollsystemer, tekniske tegninger og implementering. En iterativ prosess har blitt benyttet for å kvalitetssikre. Den prosessen består av følgende iterative steg: Definisjon og metodikk, Konseptutvikling, Konstruksjon og design og produktrealisering. I definisjon og metodikkfasen ble problemets bakgrunn og relevant metodikk utforsket. MHWirths portefølje og prosjektets større sammenheng ble sett på. Metodiske verktøy som: IPD, Pugh, SCAMPER og Alberto Sol ble benyttet, og relevante standarder ble funnet og tatt i bruk. I konseptutviklingsfasen ble problemer identifisert og delt inn i funksjoner. Hver funksjon ble behandlet separat inntil et konsept for hver funksjon skilte seg ut. Alle funksjoner ble kartlagt ved hjelp av en funksjonsanalyse. Seks funksjoner ble funnet: Fire funksjoner var direkte knyttet til prosessen og to funksjoner var prosessuavhengige. Dernest ble det generert konsepter innenfor hver funksjon. Til slutt ble et konsept innenfor hver funksjon valgt ved hjelp av Pughs utvelgingsverktøy. I konstruksjon og designfasen ble de utvalgte konseptene innenfor hver funksjon satt sammen til en ferdig løsning. Denne ble designet i Solidworks. FEA/FEM ble brukt for å verifisere styrken til designet. I tillegg ble et hydraulikksystem og et elektrisk kontrollsystem laget. I produktrealiseringsfasen ble fabrikasjonsmetoder valgt for hver enkel part, og en pris på bygging av en prototype ble estimert. I tillegg ble en sammenstillingsanvisning, transportanbefalinger og påkrevde tekniske tegninger laget. Resultatet av denne produktutviklingsoppgaven er et konsept som oppfyller alle prosjekt- og produktmålsetninger. Hver del er designet med tanke på montasje, fabrikasjon og praktisk bruk. Vekten på konseptet er 111,6 kg, og dimensjonene i tilbaketrukket tilstand er 1225 x 709,8 x 990,6 (mm). Den har tre hydrauliske aktuatorer som utfører et sett med bevegelser som til syvende og sist åpner/lukker og sikrer låseringen på en riser-joint. Det hydrauliske systemet er kontrollert av et elektrisk relésystem som benytter seg av nærhetssensorer. I tillegg har det blitt designet en indekspinne-sammenstilling. Denne sammenstillingen erstatter de nåværende indekspinnene på alle riser-joints som skal være kompatible med den automatiske rotatoren. Videre arbeid blir å fortsette utviklingen av den automatiske rotatoren. Hydraulikk- og det elektriske kontrollsystemet trenger utvikling. Videre mangler låsepinnen et sikkerhetssystem til å sikre seg mot defekt tilbaketrekning. Heller ingen rutiner for sikkerhetssoner har blitt utviklet. Til slutt trengs en prototype for å validere konseptets funksjonalitet.

The Norwegian oil industry has been a central contestant in the global industry since the 1970’s. The Norwegian culture for precision engineering and competence has generated billions of NOK over the last 50 years. However, since the drop in oil price in 2014, the oil and gas industry have met resistance from both the marked and the millennial generation. This has led to a market-driven consciousness regarding both environment and efficiency. To increase efficiency, automation is introduced for the oil rig to be competitive and safer. For every second of the rig’s uptime, money is spent and CO2 waste is generated. This makes the time aspect of the drilling processes extremely important. DP (Dynamic positioning) is used when drilling in deep water, making the thrusters below the rig run to keep the rig in exact position above the well, even in rough weather. A connection of the entire riser string without human interaction will be a giant leap in the process of automation, and will potential save millions of dollars and tons of CO2 emissions. This will reduce chance of accidents, and decrease time used on connecting the riser string. It is an important to acknowledgement that automation of manual processes happens all across the board in the oil industry and puts this thesis into a greater context. MHWirth wants to investigate this opportunity, because a fully automated system for riser connection has not yet been made. The concept shall be mounted on top of the spider, not to interfere with moveable objects. The concept needed to open/lock a lock ring, lift/close an index pin and open/lock a locking pin. The lock ring has lugs that can hold the entire riser string when turned. The index pin locks the lock ring in position, and the locking pin secures the index pin. This makes a double safety. In the process of developing the concept, main and intermediate objectives were created. The objectives comprehend the functionality of the coupling, the double safety mechanism, methods applied, function analysis, generation and screening of concepts, manufacturing, stress analysis (FEM/FEA), hydraulic and control systems, technical drawings and implementation. For quality insurance, an iterative process is used. The process consists of the following iterative steps: Definitions and methodology, Concept development, Construction and design and Product realization. In the definition and methodology phase, the background of the problem and methodology was looked at. The portfolio of MHWirth and the greater context of the thesis was explored, and methodic tools such as IPD, Pugh, SCAMPER and Alberto Sol were applied. Relevant standards were found and applied. In the concept development phase, the problems were identified and split into functions. Each function was treated separately until one concept for each function emerged. All functions were mapped using a function analysis. A total of six functions were discovered: Four functions directly related to the process, and two functions independent to the process. Secondly, concepts were generated for each function. Finally, one concept for each function was chosen using Pugh’s screening tool. During the construction and design phase, the concepts from the different functions were combined into one solution. This was designed using Solidworks. In the design process, FEA/FEM was applied to verify the toughness of the design. In addition, a hydraulic and electrical control system were made. In the product realization phase, manufacturing methods were applied for every part, and an estimated prize for prototyping was calculated. In addition, an assembly procedure, transportation recommendations and required technical drawings were made. The result of this product development is a concept that fulfills all project and product goals. Every part is designed with a practical, easy assembled and easy manufactured matter. The concept weights 111,6 kg and has dimensions of (when withdrawn) 1225 x 709,8 x 990,6 (mm). It has three hydraulic actuators that perform a set of movements which eventually opens/locks and secured the lock ring on a riser joint. The hydraulic system is controlled by an electrical relay system using proximity sensors. An additional result is the design of the index pin assembly. This assembly will replace the present index pin on all riser joints that will be compatible with the concept. Further work shall be to continue developing the Automated Rotator. The hydraulic- and the electrical control system needs development. Furthermore, the locking pin has no system to control spring failure, and no routines for safe zones around the concept have been made. At last, to validate the functionality of the concept, a prototype needs to be crafted.