Nouveau concept hybride pour actionner des vannes sous-marines

Dans les systèmes de production sous-marine de pétrole et de gaz, un « arbre de Noël » sous-marin est monté sur les têtes de puits. Chaque arbre contrôle la production de pétrole et de gaz de son puits respectif via plusieurs vannes de traitement. Chaque vanne de procédé est actionnée par un actionneur de vanne sous-marine (SVA) qui doit pouvoir fermer la vanne en toute sécurité dans tous les états de fonctionnement, même en cas de panne de courant.

Les exigences pour les systèmes de production sous-marins sont extrêmement élevées. La disponibilité et la sécurité opérationnelles sont particulièrement importantes pour les systèmes sous-marins qui produisent du pétrole et du gaz pour protéger les personnes et l'environnement. De plus, la protection de la mer contre la pollution causée par l'élimination du fluide hydraulique utilisé dans les SVA conventionnelles devient également une priorité essentielle.

Un nouveau concept de SVA hybride combine l'électromécanique et l'électrohydraulique dans une unité compacte pour les applications en haute mer telles que le fonctionnement des vannes 2" ( Figure 1). Ce SVA hybride est conçu pour répondre aux exigences de sécurité jusqu'à SIL3, résister à un jusqu'à 300 bars dans un environnement d'eau salée, consomment jusqu'à 75 % d'énergie en moins et fonctionnent 24 heures sur 24 sur une durée de vie de 25 ans avec des possibilités de maintenance limitées.

Axes autonomes à entraînement hydrostatique

Le SVA récemment développé offre une alternative économe en énergie et sûre aux actionneurs hydrauliques ou électromécaniques traditionnels précédemment utilisés qui ouvrent et ferment le robinet-vanne (Figure 2). Les SVA hybrides sont des modules autonomes avec leur propre circuit de fluide fermé contenant seulement quelques litres de fluide hydraulique respectueux de l'environnement. Un moteur électrique à vitesse variable entraîne une pompe hydraulique durable, qui génère le débit nécessaire pour actionner un vérin hydraulique. La tige du vérin est couplée mécaniquement à la tige du robinet-vanne du puits pour l'ouvrir ou le fermer selon les besoins.

Une soupape de sécurité avec un ressort mécanique à l'intérieur du SVA garantit que le cylindre se rétracte également en toute sécurité dans la position de sécurité en cas de panne de courant, sans avoir besoin d'alimentation externe ou de batteries. De plus, le cylindre peut être entraîné de l'extérieur par un robot sous-marin via une commande prioritaire. Tous les composants clés du groupe motopropulseur sont installés de manière redondante. Au total, les SVA offrent une sécurité à différents niveaux avec les commandes redondantes, le ressort de sécurité et les options d'intervention depuis l'extérieur.

Les avantages d'un SVA hybride sont évidents lorsque la solution est comparée à l'état actuel de la technologie des actionneurs. La grande majorité des actionneurs sous-marins utilisés dans le monde sont encore basés sur l'hydraulique conventionnelle. Cette structure commune a prouvé sa durabilité et sa sécurité à long terme au cours des 50 dernières années. Cependant, les opérateurs souhaitent réduire l'effort nécessaire pour gérer la vanne de puits, car l'hydraulique conventionnelle nécessite généralement de grandes unités de puissance hydraulique centrales (HPU) sur le dessus. Ceux-ci alimentent les actionneurs de vannes de puits en fluide via des conduites, appelées ombilicaux, et des cavaliers pouvant atteindre des kilomètres de long. A une profondeur de travail de 3 000 mètres, plusieurs centaines de litres de fluide peuvent s'accumuler dans les seules conduites. De plus, cette configuration conventionnelle nécessite des accumulateurs hydrauliques et des distributeurs supplémentaires pour contrôler et commander l'actionnement.

En alternative, les équipementiers tentent de concevoir des solutions purement électromécaniques. Ceux-ci doivent uniquement être alimentés via des câbles d'alimentation et connectés via une ligne de données à un module de commande d'actionneur (ACM) situé soit en surface, soit sur le fond marin. Cependant, faute d'options d'intervention mécanique externe pour les réglages, les solutions électromécaniques présentent des inconvénients liés à la sécurité. Et en raison de leur densité de puissance inférieure à celle des systèmes hydrauliques, ils nécessitent également des boîtiers et des batteries électriques plus grands. La conception entraîne un frottement élevé, provoquant une usure mécanique de la transmission de puissance et réduisant la période de fonctionnement requise de 25 ans. Pour ces raisons, les solutions électromécaniques présentent un désavantage critique pour les applications sous-marines lorsqu'une fermeture d'urgence à sécurité intégrée est nécessaire.

Jusqu'à 75 % de consommation d'énergie en moins

Le SVA hybride combine les avantages des solutions hydrauliques et électromécaniques et élimine les inconvénients existants. Le circuit de fluide autonome décentralisé signifie que le HPU supérieur, le module de commande hydraulique sous-marin et les lignes ombilicales d'un kilomètre de long ne sont plus nécessaires pour le fluide. Le SVA nécessite une alimentation électrique et une ligne de données comme spécifié par la normalisation de l'interface d'instrumentation sous-marine (SIIS) - similaire aux actionneurs électromécaniques.

Pendant le fonctionnement, une pompe hydraulique à cylindrée fixe/rotation variable à haut rendement génère un débit pour entraîner le cylindre à faible frottement. Le système hydraulique est simplifié car les vannes proportionnelles ne sont pas nécessaires, ce qui augmente considérablement l'efficacité énergétique. Par rapport aux actionneurs purement électromécaniques, les SVA consomment jusqu'à 75 % d'énergie en moins à des performances optimales.

Compte tenu de l'ensemble des actionneurs utilisés pour exploiter un champ sous-marin, un énorme gain de coût pour la seule infrastructure électrique (câble d'alimentation, transformateur, convertisseurs de fréquence, etc.) peut être obtenu par rapport à l'utilisation d'actionneurs électromécaniques, par exemple ( Figure 3). Le moteur électrique entraînant la pompe hydraulique peut alors être configuré considérablement plus petit mais avec la même force de réglage des actionneurs, ce qui à son tour économise de l'espace et des coûts d'installation. Des économies supplémentaires peuvent également être réalisées en remplaçant l'ombilical hydraulique par un ombilical électrique, et il n'est pas nécessaire de jeter le fluide hydraulique nécessaire aux actionneurs hydrauliques conventionnels.

De plus, le SVA offre des capacités de surveillance de l'état, avec une technologie de capteur intégrée qui enregistre en continu les états de fonctionnement dans l'actionneur et les signale au contrôleur maître de niveau supérieur. Les tendances peuvent ensuite être analysées, ce qui permet d'identifier et de résoudre rapidement les écarts.

Technologie éprouvée issue d'applications industrielles

Le principe de fonctionnement du SVA provient de l'utilisation acceptée d'axes autonomes que l'on trouve souvent dans les applications industrielles. Les composants individuels du SVA sont fabriqués en série à grande échelle dans le cadre de systèmes de gestion de la qualité tels que ceux utilisés dans les machines industrielles. Cette standardisation réduit les coûts et crée une disponibilité à long terme pour la production. De plus, les capteurs et l'électronique utilisés dans le SVA ont fait leurs preuves dans les applications de véhicules automobiles. Si nécessaire, des modifications ont été apportées aux composants pour se qualifier pour une utilisation en haute mer à des profondeurs allant jusqu'à 6 000 mètres. Le système et les composants principaux répondent également aux exigences particulières des différentes sociétés de classification pour une utilisation marine, offshore et sous-marine.

Dans le SVA, il y a deux bars de surpression à chaque profondeur en raison du système de compensation de pression redondant. Cela empêche la pénétration d'eau salée et le besoin de grands boîtiers avec une conception neutre en pression. En plus des exigences standard, seuls le câblage et les connexions sous-marins sont utilisés dans l'axe. Tous les composants électriques qui ne sont pas classés sous-marins sont également encapsulés mécaniquement et électriquement avec des pièces résistantes à la pression.

Travaillant en étroite collaboration avec les principaux fournisseurs et opérateurs d'équipement, la dernière technologie de simulation a été utilisée pour créer la preuve de concept et des prototypes pour les essais sur le terrain. Cette technologie d'entraînement innovante combine le meilleur de l'électromécanique et de l'hydraulique pour aider à assurer un contrôle de mouvement sûr et fiable sur le fond marin, contribuant ainsi à concrétiser la vision d'une "usine entièrement sous-marine".

Cet article a été rédigé par le Dr Alexandre Orth, responsable des technologies marines et sous-marines, et Amadeu Placido Neto, ingénieur de test, chez Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Pour plus d'informations, rendez-vous ici .