RoboTONG – controller per chiavi idrauliche

Author(s):
F. Intelligente - ROBOTRONIX
F. D'Aniello - ROBOTRONIX

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
Realizzare un sistema in grado di supervisionare chiavi idrauliche atte all’avvitatura di tubi per pozzi petroliferi.

The Solution:
Utilizzare un hardware compatto, affidabile e interfacciabile con le diverse chiavi disponibili riconfigurando alcuni parametri dimensionali.

La Petroservices Mediterannea S.r.l. azienda operante sul territorio nazionale ed internazionale, offre servizi di Well Testing (Test di Pozzi Petroliferi), Tong Service (Servizio di Avvitatura controllata), Taratura strumenti, Antincendio e Controlli Non Distruttivi. Uno dei target aziendali è stato quello di potenziare i servizi di avvitatura di tubazioni per impianti petroliferi.
Il servizio di avvitatura tubi, è un processo molto delicato se si considera che i tubi che vengono utilizzati per il trasporto di petrolio e/o gas scendono a profondità superiori ai 3000m.
Per arrivare a tali profondità, è necessario che ogni avvitatura di giunzione tra un tubo ed il successivo sia perfettamente controllata ed archiviata per garantire al cliente finale un avviamento sicuro ed efficiente del pozzo.
I tubi differiscono per sezione e materiale in base al luogo di posa, quindi, per ciascuna tipologia di tubo è necessaria una “chiavi idraulica” specifica (Figura 1). Benché le chiavi differiscano per dimensioni, il loro principio di funzionamento non cambia. Ogni chiave si compone di due sezioni, la prima sezione è statica mentre l’altra è rotante. Le estremità dei due tubi da avvitare vengono allineate sulle sezioni della chiave e serrate ad esse tramite delle ganasce, mosse da due circuiti idraulici indipendenti. Il circuito posto sulla sezione mobile della chiave è responsabile sia del serraggio della ganascia che della sua rotazione. A completamento della sezione dinamica sono presenti: un pressostato che misura la pressione dell’olio del circuito idraulico, un sensore induttivo calettato sulla ganascia che conta il numero di giri effettuati ed una valvola denominata “Dump Valve” attraverso cui è possibile alimentare o disalimentare il sistema idraulico. In alcune applicazioni è indispensabile affiancare alla “Dump Valve” un sistema denominato “Shift Valve” che controlla la variazione di pressione all’interno del circuito idraulico mantenendola entro valori prestabiliti.
L’intero processo di avvitatura, che avviene per mano dell’operatore, è controllato da un sistema che agisce sia sulla “Dump Valve” che sulla “Shift Valve” in base ai valori di pressione del circuito idraulico (che rappresentano la COPPIA DI SERRAGGIO) ed al numero di giri compiuto dalla ganascia rotante. In particolare, il controllore impedisce variazioni repentine della pressione e chiude la dump valve al raggiungimento del valore prefissato di coppia (optimum torque).
Il nostro compito è consistito nel realizzare il sistema di supervisione e controllo utilizzando un hardware che fosse affidabile ed interfacciabile facilmente con le diverse chiavi idrauliche a disposizione dell’azienda; l’hardware doveva essere inoltre compatto onde agevolarne il trasporto ed idoneo all’utilizzo in ambienti esplosivi (Certificazione Atex Zona I). A corredo dell’HW, abbiamo sviluppato un software in grado di effettuare sia il controllo che la supervisione del processo, comprendendo anche test diagnostici sugli apparati connessi e la registrazione delle operazioni di avvitatura.
Il sistema realizzato, denominato RoboTONG Controller, riceve in ingresso due segnali: il primo, di tipo analogico, dal sensore di pressione; il secondo, di tipo digitale, proveniente dal sensore induttivo che conta i giri della ganascia rotante. In base ai parametri impostati dall’operatore, il RoboTONG Controller dosa l’erogazione dell’olio attraverso la “Shift Valve” fino all’interruzione dello stesso comandando la “Dump Valve”.
Il lavoro in campo è affidato a due operatori. Il primo, tong operator (TO), manovra la chiave; l’altro, supervisor operator (SO), una volta selezionati il tubo e la chiave in uso tra quelle presenti nelle librerie create appositamente per questo scopo, verifica come primo step che le connessioni del sistema siano state effettuate in maniera corretta. Successivamente, una volta attivata la chiave da parte del TO, supervisiona le operazioni di avvitatura.
Per ogni tipologia di tubo, l’azienda costruttrice fornisce la curva di avvitatura. Essa consiste in un diagramma cartesiano in cui è rappresentato l’andamento della torsione applicata in funzione del numero di giri compiuti dal tubo a partire dal raggiungimento di un valore di riferimento della coppia (reference torque).
Il TO può leggere in tempo reale i dati visualizzati, in maniera tale da anticipare l’apertura della dump valve qualora la curva ottenuta fosse differente da quella attesa.
In seguito al raggiungimento del valore ottimale di torsione, il sistema di controllo interrompe la fase di avvitatura, ma, a causa dell’inerzia meccanica, l’intervento della dump valve non coincide con l’arresto del movimento della parte dinamica della chiave. Dato che, in caso di tubi difettosi, questa latenza può causarne il danneggiamento, è necessario continuare l’acquisizione del numero di giri e della pressione della chiave anche dopo aver raggiunto la fase di “DUMP”(Coppia ottimale raggiunta).
Particolare attenzione è stata dedicata alla fase di arresto della chiave.
Il sensore induttivo installato sulle chiavi idrauliche non permette di distinguere il verso di rotazione della ganascia rotante in quanto, per misurare la rotazione, vengono contati i denti di una corona dentata con un solo sensore. Questa configurazione strumentale, provocava un’errata misura in fase di arresto della ganascia rotante a causa dell’elasticità di tutto il sistema (tubo e chiave) e questa anomalia era tanto più evidente quanto più la velocità di avvitatura era elevata. Un’analisi più accurata del problema ha mostrato che nel momento in cui si chiude la valvola di Dump e conseguentemente si interrompe il flusso d’olio, l’apertura della ganascia provoca un contraccolpo che fa ruotare la parte dinamica della chiave in verso contrario a quello di avvitatura. Monitorando in tempo reale la velocità del processo di avvitatura, il controller riesce a distinguere l’istante del contraccolpo e quindi riesce a determinare il momento in cui interrompere l’acquisizione dei dati senza inficiare il risultato.
La rumorosità dei pressostati ha richiesto l’uso di filtri digitali, che sono stati facilmente implementati a livello FPGA grazie alle potenzialità dei componenti adoperati.
L’hardware scelto per l’applicazione è stato NI CompactRIO. Le sue doti di compattezza, affidabililità e versatilità hanno permesso di configurare il sistema in tempi ridottissimi.
Il lungo lavoro di collaudo eseguito a stretto contatto con il cliente ha permesso di individuare soluzioni progettuali che accorceranno i tempi di lavoro migliorandone la qualità.
Il RoboTONG Controller è un prodotto industrializzato e certificato ATEX e la sua qualità è mostrata dal fatto che il nostro cliente ha avviato un processo di innovazione della strumentazione esistente sostituendo dapprima i sistemi destinati ai cantieri nazionali ed in seguito estendendo tale processo ai sistemi destinati ai cantieri internazionali.

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F. Intelligente
ROBOTRONIX
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