Tomasz Piasecki, Artur Bejger, Sławomir Lijewski Akademia Morska w Szczecinie PROBLEMY EKSPLOATACYJNE WYSOKOCIŚNIENIOWYCH POMP PŁUCZKOWYCH STOSOWANYCH NA STATKACH WIERTNICZYCH W artykule zaprezentowano wybrane problemy eksploatacyjne związane z pracą pomp tłokowych wysokiego ciśnienia, które są jednym z najważniejszych elementów systemu wiertniczego stosowanego na pływającej platformie wiertniczej. Stanowią one jednocześnie jedne z najbardziej awaryjnych urządzeń związanych bezpośrednio z procesem wiertniczym. Najbardziej awaryjną częścią pompy jest tzw. Fluid End, w którego skład wchodzą zawory, gniazda zaworowe, tłoki, tuleje oraz uszczelnienia. Żywotność tych części podyktowana jest różnego rodzaju czynnikami zewnętrznymi, ale także wysokimi parametrami pracy, takimi jak ciśnienie tłoczenia i wydajność. Rozpatrywane pompy stosowane są do pompowania płuczki wiertniczej, która najczęściej zawiera agresywne chemikalia. Dokładna znajomość przyczyn związanych z eksploatacją pomp płuczkowych ma na celu poszukiwanie nowych metod ich diagnozowania. Słowa kluczowe: statek wiertniczy, pompy płuczkowe, uszkodzenia zaworów pomp płuczkowych. WSTĘP Poszukiwania nowych złóż gazu i ropy coraz bardziej sięgają miejsc dostępnych tylko przez specjalne jednostki wiertnicze, przystosowane do wierceń na dużych głębokościach. Również urządzenia wiertnicze stosowane na jednostkach wiertniczych muszą sprostać coraz to nowszym wymaganiom. Wiercenia na dużych głębokościach są możliwe np. przez statki wiertnicze nowej generacji, na których to autorzy niniejszego artykułu prowadzą badania naukowe na temat opracowania metody i skonstruowania systemu diagnostycznego do identyfikacji stanu technicznego pomp płuczkowych, pracujących w ciężkich warunkach eksploatacyjnych. Statek wiertniczy Drill Ship jest morską jednostką pływającą, posiadającą własny napęd oraz system dynamicznego pozycjonowania statku. Wyposażony jest w charakterystyczny maszt wiertniczy oraz wszystkie urządzenia pomocnicze służące do procesu wiertniczego (rys. 1). Urządzenia te pozwalają na wykonywanie otworów wiertniczych w skałach pod dnem morskim czy oceanicznym [3]. Omawiany statek wiertniczy jest tzw. klasy Ultra Deep Water, czyli jest przeznaczony do wykonywania odwiertów przy głębokości morza do 3600 metrów oraz do 12 000 metrów samego otworu wiertniczego. Statki takie są wyposażone
204 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 w najnowsze systemy dynamicznego pozycjonowania, co pozwala utrzymać je w stałej pozycji przy różnych warunkach pogodowych (fal do wysokości 11 metrów oraz prędkości wiatru do 26 metrów na sekundę). W tym przypadku pozycję utrzymuje sześć pędników azymutalnych o mocy 5500 kw każdy. Rys. 1. Statek wiertniczy klasy Ultra Deep Water budowany w stoczni Samsung Heavy Industries w Korei Fig. 1. A Ultra Deep Water class drillship, under construction in Samsung Heavy Industries shipyard, Korea 1. POMPA PŁUCZKOWA I JEJ ROLA W PROCESIE WIERCENIA Wiercenie otworów zarówno na lądzie, jak i w morzu jest wysoko zaawansowanym technicznie przedsięwzięciem. Wiercenia poszukiwawcze gazu ziemnego oraz ropy naftowej na coraz głębszych akwenach możliwe są do realizacji dzięki coraz to nowszym technologiom wiertniczym. Proces wiercenia otworu w dnie oceanu wymaga używania specjalnych płynów wiertniczych, tzw. płuczek, które przede wszystkim mają za zadanie wypłukiwanie zwiercin spod świdra i wynoszenie ich na powierzchnię, ale również spełniają wiele innych ważnych funkcji, mających na celu zabezpieczenie samego odwiertu. Płuczki pompowane są z platformy wiertniczej poprzez szereg specjalistycznych urządzeń na dno samego odwiertu za pomocą wysokociśnieniowych pomp płuczkowych [3].
T. Piasecki, A. Bejger, S. Lijewski, Problemy eksploatacyjne wysokociśnieniowych pomp płuczkowych... 205 Pompy te są głównym elementem tzw. systemu płuczkowego (rys. 2) wysokiego ciśnienia. W przypadku platform wiertniczych jest to najbardziej odpowiedzialny system techniczny (bardzo często nazywany sercem procesu wiertniczego). Rys. 2. System płuczkowy na statku wiertniczym zaprojektowany przez firmę NOV Fig. 2. Mud system installed on a drillship made by NOV Pompa, na której prowadzone są badania, jest pompą trójtłokową, jednostronnego działania, tzw. Triplex. Pompę płuczkową można podzielić na dwa podzespoły: tzw. Fluid End oraz Power End (rys. 3). Fluid End jest częścią pompy, w której występuje proces przetłaczania cieczy z wykorzystaniem takich elementów, jak tłoki, tuleje oraz zawory. Podzespoły te są bardzo wrażliwe na uszkodzenia. Poprzez stosowanie agresywnych substancji chemicznych w płuczkach wiertniczych żywotność wymienionych elementów diametralnie spada. Jest to przyczyną ich szybszego zużycia oraz wzrostu częstości wystąpienia awarii pomp, a w konsekwencji przestojów w pracy. Power End natomiast powoduje zamianę ruchu obrotowego pochodzącego z wału korbowego na ruch posuwisto-zwrotny tłoków. Wał korbowy napędzany jest poprzez przekładnię zębatą, połączoną z dwoma silnikami elektrycznymi AC/DC. W celu redukcji występujących drgań oraz pulsacji ciśnienia stosuje się na ssaniu i tłoczeniu pompy tzw. tłumiki pulsacyjne. Godzinny przestój pompy w trakcie procesu wiercenia stanowi koszt rzędu ok. 20 tys. dolarów.
206 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 Rys. 3. Pompa płuczkowa firmy NOV z podziałem na dwa najważniejsze podzespoły Fig. 3. Mud pump made by NOV with division on two most important components 2. TYPOWE USZKODZENIA POMP PŁUCZKOWYCH PO STRONIE POWER END ORAZ FLUID END Najczęstsze problemy związane bezpośrednio z uszkodzeniami pomp płuczkowych przedstawiono na rysunku 4. W podzespole Fluid End są to z reguły nieszczelności. W przypadku przecieków związanych z zużyciem układu tłok- -cylinder występuje symptom w postaci zanieczyszczenia wody chłodzącej tuleje (widoczny już w przypadku niewielkich uszkodzeń), ponieważ, pracując w układzie zamkniętym (obiegowym), powraca ona ponownie do zbiornika wody chłodzącej. Problem pojawia się zarówno w przypadku zaworów tłocznych, jak i ssących. Występują tutaj niewidoczne nigdzie przecieki (z ang. wash-out). Mogą one zostać wykryte dopiero w zaawansowanym stadium uszkodzenia, gdy występuje znaczna trudność w utrzymaniu stałego ciśnienia tłoczenia. W takim przypadku niezbędne jest natychmiastowe zatrzymanie pompy i wymiana zaworów. Problemem jednak jest stwierdzenie, który z zaworów jest uszkodzony bądź w którym z nich pojawiają się zakłócenia w jego funkcjonowaniu. Stosuje się próby oceny stanu poprzez tzw. metody na słuch. Są one jednak mało dokładne, zawodne i wymagające porównywania efektów akustycznych pochodzących od pracy poszczególnych układów, co kilkanaście minut. Podzespół Power End jest przy odpowiedniej eksploatacji (przede wszystkim kontroli częstości i jakości oleju smarnego) najmniej awaryjną częścią pompy płuczkowej, natomiast teoretycznie jest możliwe przeciążenie silników elektrycz-
T. Piasecki, A. Bejger, S. Lijewski, Problemy eksploatacyjne wysokociśnieniowych pomp płuczkowych... 207 nych, powodujące pęknięcia wału korbowego (rys. 5). Tu stosuje się zabezpieczenia, przeciwdziałające osiągnięciu parametrów krytycznych. Przekładnia zębata przenosząca napęd z silników elektrycznych na tłoki narażona jest na uszkodzenia, związane przede wszystkim z awarią systemu smarowania. Stosuje się tu systemy, ukierunkowane przede wszystkim na monitorowanie, np. zaniku ciśnienia na pompie olejowej lub zapchania się filtra. W razie wystąpienia tego typu symptomu następuje awaryjne zatrzymanie pompy. Rys. 4. Drzewo uszkodzeń pomp płuczkowych Fig. 4. The tree of mud pump damage Rys. 5. Miejsce występowania najczęstszych uszkodzeń na wale korbowym, spowodowanych przeciążeniem momentem obrotowym oraz drganiami [4] Fig. 5. An example of potential crack of crankshaft caused by the net torque overloads and vibrations [4]
208 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 3. NAJCZĘSTSZE CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE POWODUJĄCE USZKODZENIA ELEMENTÓW POMPY Czynniki zewnętrzne mające wpływ na najbardziej narażone na uszkodzenia elementy, jakimi są zawory, obejmują erozję, ścieranie, korozję, degradację spowodowaną chemicznym oddziaływaniem cieczy agresywnych oraz temperaturę pompowanej cieczy. Na podstawie wizualnego przeglądu zużytych układów: zawór gniazdo zaworowe można stwierdzić, jaki typ czynnika zewnętrznego miał wpływ na zmianę jego stanu zdatności. Część poddana identyfikacji wskazywać może niekiedy ślady oddziaływania kilku czynników jednocześnie. Z reguły, dokonując analizy zużycia, stwierdzić można, że najczęściej jedno z nich miało charakter pierwotny było główną przyczyną uszkodzenia, pozostałe zaś są wynikiem wtórnym występujących następstw [1, 2, 5]. W tabeli 1 dokonano próby sklasyfikowania przyczyn najczęściej występujących uszkodzeń elementów pomp płuczkowych. Erozja Zużycie ścierne Tabela 1. Główne przyczyny uszkodzeń elementów pomp płuczkowych Table 1. Main causes of the mud pomp failures Najczęstsza przyczyna zużywania się zaworów. Jeśli metalowa lub gumowa część skośna zaworu nie przylega równomiernie do gniazda zaworowego, to wystąpi szczelina. W czasie pracy pompy, gdy zawór będzie znajdował się w pozycji zamkniętej, płuczka będzie przepływała przez szczelinę. Występująca w takim przypadku nieszczelność zależy od wielkości szczeliny, ciśnienia pompowania oraz temperatury. Przepływająca ciecz powoduje erozyjne powiększanie się szczeliny poprzez jej żłobienie, odrywając stopniowo cząsteczki materiału od zaworu. W dłuższym czasie będzie to skutkowało powiększaniem się ubytku na zaworze. Degradacja zaworu będzie kontynuowana aż do momentu, w którym szczelina będzie na tyle duża, że spowoduje wyraźną nieszczelność układu. Wpływa na to najczęściej nieosiowe osadzenie gniazda zaworowego (lub np. pary: nowy zawór stare gniazdo). Erozja może jednak być następstwem wcześniejszego wystąpienia zużycia ściernego, w momencie, gdy w obszarach tarcia znalazły się cząstki stałe zawarte w płuczce (np. piasek) Bezpośrednia cecha związana z zawartymi w przetłaczanej cieczy twardymi zanieczyszczeniami, powodującymi ubytek materiału w warstwie wierzchniej wskutek mikroskrawania, rysowania lub bruzdowania. Najczęstszymi materiałami ściernymi są tu piaski, kwarc, opiłki żelaza, ale również dodatki chemiczne dodawane do płuczki. Elementy zaworu są poddawane obróbce cieplnej w celu zwiększenia ich odporności na ścieranie, ale nie eliminuje to całkowicie występującego problemu. Zanieczyszczenia są rozdrabniane przez metalową część zaworu, tworząc ostre fragmenty, które mają tendencje do osadzania się w materiale elastomerowej wkładki, zapoczątkowując powstawanie mikropęknięć. Z czasem powierzchnia wkładki zużywa się dużo szybciej niż pozostała część zaworu i następuje jej całkowite uszkodzenie uniemożliwiające dalszą eksploatację całej pompy
T. Piasecki, A. Bejger, S. Lijewski, Problemy eksploatacyjne wysokociśnieniowych pomp płuczkowych... 209 Korozja Chemikalia Temperatura pompowanej cieczy cd. tabeli 1 Na poziomie mikroskopijnym występuje zjawisko natychmiastowej korozji chemicznej czystego metalu. Jako że zawór jest pod działaniem przepływającej pod ciśnieniem płuczki, powierzchnia przylgni i gniazda zaworowego zmywana jest za każdym razem ponownie do czystego metalu. Podczas wielokrotnego powtarzania się cyklu rdzewienia i wycierania na powierzchni przylgni zaczynają się tworzyć mikroskopijne ubytki materiału. Po dłuższym czasie eksploatacji stają się one coraz bardziej widoczne. W tym stadium powstające ostre krawędzie, związane z degradacją materiału, zaczynają niszczyć całą powierzchnię zaworu. Podczas dalszej pracy zawór zostanie uszkodzony do tego stopnia, że pozostaje jedynie niewielka powierzchnia styku pracującego układu. Czas, po którym zawór ulega zniszczeniu, zależy głównie od rodzaju stosowanej cieczy płuczkowej, wydajności i ciśnienia pompy. Wżery korozyjne występują najczęściej w miejscach przylegania wkładki do gniazda zaworu. W niektórych przypadkach, w celu wydłużenia żywotności i odporności na korozję wżerową rozpatrywanych elementów, stosuje się ich chromowanie lub bezprądowe powlekanie niklem Niektóre chemikalia oraz związki chemiczne mogą powodować stopniowe uszkadzanie i niszczenie zaworu. Efektem jest np. kruszenie się części zaworu wykonanej z elastomeru i stopniowy jego rozpad. Jeśli podczas demontażu zaworu elastyczna wkładka elastomerowa posiada wyczuwalny zapach rozpuszczalnika lub węglowodoru, świadczy to o jej degradacji. W takim przypadku należy ją bezzwłocznie wymienić (nawet jeśli nie widać zewnętrznych oznak uszkodzenia) W miarę wzrostu temperatury pompowanej cieczy, spadają właściwości fizyczne elastomerów PODSUMOWANIE W artykule rozpatrzono najczęstsze problemy związane z systemem płuczkowym statku wiertniczego typu Ultra Deep Water Drill-Ship. Przeanalizowano czynniki zewnętrzne, wpływające w znaczący sposób na pracę (lub przejście ze stanu zdatności do stanu niezdatności [6]) istotnych z punktu widzenia procesu wiertniczego urządzeń. W dalszym etapie należałoby zająć się znalezieniem niezawodnej metody identyfikacji ich stanu technicznego. Z diagnostycznego punktu widzenia ważne byłoby opracowanie takiej metody monitorowania, która pozwoli na prognozowanie stanu poszczególnych elementów rozpatrywanych urządzeń, przed rozpoczęciem procesu wiercenia. Aktualnie autorzy prowadzą badania, mające na celu wykorzystanie sygnału fal sprężystych emisji akustycznej do diagnozowania stanu zaworów pomp płuczkowych.
210 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 LITERATURA 1. Bejger A., An analysis of chosen engine failures of the Seismic Research type ships, Journal of Polish CIMAC, 2011, Vol. 6, No. 2, p. 9 14. 2. Bejger A., Gawdzińska K., Identification of structural defects of metal composite castings with the use of elastic waves, Archives of Metalurgy and Materials, 2011, Vol. 56, p. 121 125. 3. Bejger A., Piasecki T., Technical problems of mud pumps on ultra deepwater drilling rigs, Scientific Journals Maritime University of Szczecin, 2013, No. 36(108), z. 2, p. 13 17. 4. Maersk Drilling, Drillship 2018 Technical Manual 2 nd Draft, June 2013. 5. Mobley R. et al, Maintenance Engineering Handbook, Seventh Edition, The McGraw Hill Companies, 2008. 6. Żółtowski B., Ćwik Z., Leksykon diagnostyki technicznej, Wyd. Uczelniane ATR w Bydgoszczy, Bydgoszcz 1996. OPERATING PROBLEMS OF HIGH PRESSURE MUD PUMPS ON ULTRA DEEP WATER DRILL SHIPS Summary The article presents selected operational problems associated with the work of the high-pressure mud pumps which are one of the most important elements of the system used on Ultra Deep Water drilling rig. They are also among the most emergency equipment directly related to the drilling process. The most distressed part of the pump is the so-called "Fluid End", which includes valves, valve seats, pistons, bushings and seals. Service life of these parts is dictated by the various types of external factors, but also "high" operating parameters such as pumping pressure and efficiency. Considered pumps are used to pump drilling fluid, which usually contain aggressive chemicals. Exact knowledge of the causes associated with the operation of slurry pumps is to search for new methods of diagnosis. Keywords: drilling rig, mud pumps, damage to mud pump valves.