Procedur för delning av casing offshore med hjälp av vattenskärning

Procedur för delning av casing

offshore med hjälp av vattenskärning

Casing splitting procedure offshore with waterjet cutting

Patrik Söderwall

Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Högskoleingenjörsprogrammet maskinteknink 22,5 hp

II

Sammanfattning

Inom olje- och gasindustrin på offshoreanläggningar i Nordsjön, närmar sig flera reservoarer randen där de inte längre är lönsamma att fortsätta producera från. När den dagen kommer pensioneras borrhålen och pluggas med en cementblandning. Innan hålen pluggas måste företagen ta bort all utrustning som har använts vid utvinningen av brunnen, både ovan och under ytan. Detta innefattar avlägsnande av casingen, som hålen är fodrade med, och vars huvudsakliga syfte är att förhindra att hålet kollapsar och skadar produktionsledningen, men även för att förhindra olje- och gasläckor till omgivningen. Denna avhandling fokuserar på borttagandet av casingen.

När detta görs upplevs problem med att casingskarvarna är kraftigt korroderade vilket gör dem mycket svåra att separera. Detta är ett problem som efterfrågar en alternativ

delningsmetod. I dag utförs den här operationen med antingen kallsågning eller med en avfasningsmaskin. Detta är en mycket tidskrävande uppgift och en metod för att utföra en snabbare delning önskas.

Detta examensarbete är tänkt att undersöka möjligheterna att göra detta genom att använda fördelarna med abrasiv vattenskärning för att kapa rören. De största frågorna gällande denna metod är om den är tillräckligt snabb och om det är möjligt att utföra i enlighet med de brand- och explosionsrisker som finns på en kolväteproducerande installation.

Som referens är målet för maximal skärtid satt till en minut. Beräkningar på teoretiska skärhastigheter samt fysiska tester på metoden har utförts och utvärderats.

III

Abstract

Within the oil and gas industry on offshore installations in the North Sea, several oil wells are closing in on the brink where they no longer are being profitable to keep producing from. When that day comes the oil wells are closed off and the boreholes are plugged with cement. Before the holes can be cemented shut the companies need to remove all their equipment that has been used for underwater exploitations of the well and if applicable remove the above water installation as well. This includes removing the casing that the holes are lined with which main purpose is to prevent the hole from collapsing on the production line and to prevent oil and gas leaks into the surroundings. This thesis focuses on removal of the borehole casing.

When performing this task problems have been raised regarding corrosion on the casing couplings, making them very hard to separate. When this problem occurs, the need for an alternative method to split them is necessary. As of today this operation is performed by cold cut sawing or with a beveling machine. This is a highly time consuming task and an alternative method to perform a faster cut is wanted.

This degree work investigates the possibilities of doing this using the benefits of abrasive water jet (AWJ) cutting. The major concerns on using this technic is whether it is fast enough and if it is possible to perform in accordance with the fire and explosive hazards on a

hydrocarbon producing installation.

As a reference the maximum cut time is set to one minute. Calculations on theoretical cutting speeds as well as physical testing on the AWJ method has been performed and evaluated. The investigations show that the method does have the possibilities of making the cut within the target time.

IV

Nomenklatur

Nm Bearbetningstal material [Dimensionslöst]

fa Abrasivmedelsfaktor [Dimensionslöst]

Pw Vattentryck [MPa]

ṁw Vattenflöde [l/min]

ṁa Abrasivmedelsflöde [g/s]

R-kvot=ṁa/ṁw Flödeskvot [Dimensionslöst]

q Kvalitetsindex [Dimensionslöst]

t Materialtjocklek [mm]

Vf Skärhastighet [mm/min]

V

Innehållsförteckning

Innehåll Sammanfattning ... II Abstract ... III Nomenklatur ... IV Innehållsförteckning ... V 1. Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 1 1.3 Mål ... 1 1.4 Avgränsningar ... 1 2. Metoder ... 2 2.1 Informationssökning ... 2 2.2 Skärtester ... 2 2.3 Beräkningar ... 2 2.4 Konceptgenerering ... 2 3. Genomförande ... 3 3.1 Bakgrundsfakta ... 3 3.1.1 Vattenskärning ... 5 3.1.2 Casing ... 7 3.1.3 Kapning idag ... 8 3.1.4 ATEX ... 8 3.2 Beräkningsunderlag ... 10 3.3 Skärtest ... 12 3.3.1 Bergs Mekaniska AB ... 12 3.3.2 Fremek AB ... 14 4. Koncept ... 15 4.1 Produktspecificering ... 15 4.2 Konceptgenerering ... 15

4.3 Utvärdering och val av koncept ... 15

5. Resultat ... 16

5.1 Beräkningar ... 16

1

1. Inledning

En kort presentation av problemställningen och dess bakgrund.

1.1 Bakgrund

Vid borrning efter olja och gas till havs fodras hålen med stålrör som kallas casing. Detta görs för att förhindra att hålen kollapsar. När hålen inte längre producerar nog med kolväten för att göra utvinningen ekonomisk pensioneras hålen. När hålen pensioneras tas utrustning som använts upp, detta innefattar även casingen.

1.2 Syfte

Efter många års producerande innebär det vissa svårigheter att ta upp casingen. Rören är kraftigt korroderade och är därför svåra att skilja åt, vilket orsakar mycket tidsspill. Det är denna process som önskas förbättra och göra snabbare med hjälp av vattenskärning.

1.3 Mål

Separering av rörsektionerna kan idag vara mycket tidskrävande. Avsikten är att den tiden skall förkortas. Målsättningen för själva kaptiden är därför satt till en minut. Arbetet avser att undersöka om möjligheten finns att kapa rören med hjälp av vattenskärning. I framtiden finns tankar om att processen skall innefatta en helt automatiserad maskin som via

exempelvis räls rullar fram till röret, kapar det, och går tillbaka till ursprungsposition. Detta arbete kommer dock att begränsas till just den skärande delen. Arbetets omfattning avser att undersöka dels om det är genomförbart att utföra skärningen under en minut, vilken typ av utrustning som skulle kunna användas och även en principskiss eller CAD-modell på hur den skulle kunna se ut. En undersökning av kraven för utrustning använd i den potentiellt explosiva miljö som en oljerigg utgör kommer också att företas.

1.4 Avgränsningar

Detta arbete kommer att avgränsa sig till en förundersökning om huruvida abrasiv

vattenskärning har kapacitet att rent skärhastighetsmässigt klara det uppsatta målet på en minut. Ett visst konstruktionsarbete kommer också att genomföras men endast på ett konceptstadie och bara för en begränsad del av en framtida maskin. Fakta kommer även att insamlas gällande ATEX-direktivet, angående arbetsplatser med brand- och explosionsrisker, som stöd för ett potentiellt fortsatt utvecklingsarbete men kommer inte att ha stor

2

2. Metoder

En genomgång över vilka arbetssätt arbetet kommer att innefatta.

2.1 Informationssökning

En stor del av arbetet kommer att innefatta informationssökning. Här kommer research att göras genom att läsa, titta på filmklipp och kontakta återförsäljare och industrier som idag använder utrustningen för vattenskärning. Att samla information gällande hur själva

casingen ser ut efter årtionden under havsytan kommer att bli mer problematiskt. Här finns information att öppet läsa och titta på men nästan uteslutande handlar det om ny casing. Vilket material som används i rören borde inte utgöra ett stort hinder men att få information om vilket skick rören har då de tas upp är en parameter som måste vaskas från någon som är initierad i processen Här kommer en källa med insikt i dagens operationer och

tillvägagångssätt att kontaktas. Information om ATEX kommer att företas genom kontakt med personal som har erfarenheter av detta men även genom litteraturstudier.

2.2 Skärtester

Skärtester kommer att utföras för att dels få en bättre förståelse för skärprocessen och dels för att kontrollera och jämföra att eventuella beräkningar ligger inom rimliga värden.

2.3 Beräkningar

Enklare beräkningar kommer att utföras på skärhastigheter och effekt av pumpar som måste till, specifika pumpar som finns på marknaden kommer dock inte att föreslås utan bara helt teoretiska värden kommer att presenteras.

2.4 Konceptgenerering

3

3. Genomförande

Arbetets praktiska genomförandegång. Här redovisas vad som gjorts och hur det genomförts.

3.1 Bakgrundsfakta

Vid olje/gasutvinning offshore borrar man sig ned genom havsbotten för att penetrera fickor/reservoarer innehållande olja och gas. För att nå ner till fickorna måste man således passera tjocka lager med bottensediment och berggrund. Sedimentet kan vara instabilt men också berggrunden kan stundtals vara porös och instabil. För att skydda produktionsröret, alltså röret som olja och gas strömmar genom på sin väg mot aktuell installation, för man därför ned rör med en större dimension utanpå produktionsröret, så kallade casings. Detta sker i flera steg med mindre och mindre dimensioner ju djupare man borrar. Man börjar med att borra ett stort hål till ett bestämt djup och för ned ett casingrör med största möjliga diameter. Detta förankras sedan genom att cementslurry, en blandning av cement vatten och kemikalier (Rigzone, 2015), pressas in i fickan mellan hålet och casingen och får härda. Man fortsätter sedan att med en mindre diameter borra till nästa bestämda djup och för ned en casing med lite mindre diameter än det tidigare. Sedan pressas återigen cementslurry in mellan det första och andra röret. Denna procedur upprepas sedan önskat antal gånger tills man uppnått sitt måldjup, i detta fall olje/gas reservoaren (Petrowiki, 2015).

Figur 3.1: Principbild på möjligt casingprogram för borrhål. (encana, 2015)

4

rör har därför en utvändig gänga i bägge ändar som sammanfogas med en koppling som har invändiga gängor i bägge ändar(Rigzone, 2015).

Initialt så förs kolvätet upp till ytan med hjälp av reservoarens egna inneboende tryck, allteftersom utvinningen fortgår så sjunker trycket och man måste då på konstgjord väg bygga upp trycket (Rigzone, 2015). Detta görs genom att man borrar ett eller flera hål till och pumpar ned vatten eller gas för att öka trycket. Genom att göra detta så kan brunnen

leverera mer av sina kolväten. Metoden innebär dock att produkten får en viss inblandning av vatten i sig som ökar med tiden och till slut är utblandningen för stor för att det ska vara ekonomiskt att utvinna den och brunnen pensioneras. Hålet pluggas med cementslurry som får härda men innan detta sker så tas casingen upp tillbaka.

En brunn kan producera kolväten i flertalet årtionden innan den pensioneras. Casingen som sitter i borrhålen under hela livstiden utsätts därför för betydande misshandel, bland annat korrosion. De sammangängade rördelarna kan därför vara mycket svåra att separera, och måste inte helt sällan kapas. Kapningen är en tidskrävande åtgärd och därmed också mycket kostsam (Örjan Kvande, muntlig, 2015).

På de installationer som KCA Deutag opererar innefattas borrdäck generellt av ATEX

direktivet (Örjan Kvande, muntlig, 2015). Det kräver att all utrustning som skall användas där är EX-säker. EX-klassningen utesluter därmed många vanliga sätt att bearbeta metaller eftersom inga gnistor med höga energier eller alltför höga temperaturer är tillåtna. Ovan nämnda klassning är också anledningen till att denna undersökning avhandlar vattenskärning som sannolikt varken skapar gnistor eller höga temperaturer.

Diametrarna som skall skäras sträcker sig mellan 114 och 508 mm och utgör då totala skärlängder på 358-1596 mm. Materialtjockleken sträcker sig mellan 8,5 och 20,5 mm (Tarponpipes, 2015). Önskemålet gällande tidsåtgång per snitt är satt till en minut. Följaktligen blir skärhastigheten i extremläget 1596 mm/min. Information som initialt tillhandahållits av en användare av vattenskärning, Fremek, säger att deras utrustning kan komma upp i skärhastigheter runt 200 mm/min vid skärning i höghållfast stål med 20 mm godstjocklek (Daniel Eriksson, muntlig, 2015). Dessa uppgifter kommer att undersökas mer noggrant bland annat genom testskärning. För att klara målet måste alltså fler än ett skärmunstycke användas samtidigt. Att använda flera skärmunstycken innebär i sig inget problem så länge pumpkapaciteten ökas erforderligt.

5

3.1.1 Vattenskärning

Vattenskärning som metod har gjort stora framsteg under de senaste decennierna. Från att ha börjat användas kommersiellt på 70-talet som en metod för att skära papper, kartong och andra mjuka material till att numer skära stål med tjocklekar upp till 300 mm (Accurate Waterjet, 2015). Metoden är principiellt ganska enkel, vatten trycksätts med hjälp av en högtryckspump, pressas sedan genom ett litet hål i ett munstycke, vanligtvis gjort av

diamant eller rubin, och omvandlar på det sättet tryckenergin till rörelseenergi. Den skapade rörelseenergin gör att man får en skärande stråle som skär bra i förhållandevis mjuka

material såsom textil, gummi och i vissa fall livsmedel. Vattenskärning lämpar sig också bra för att skära i hårdare material som sten, glas och stål. När de hårdare materialen skärs sker det genom erosion av materialet. Detta uppnås genom att man tillsätter ett abrasivmedel, vanligtvis sand. När vattnet pressas genom munstycket skapas ett undertryck som suger in sand från ett matarrör. Sanden blandas med vattnet, för att sedan fortsätta genom ett strålmunstycke, kallat abrasivmunstycke, som ger en samlad stråle. Sanden som nu blandats i vattnet utför sedan den eroderande effekten på materialet och kan på så vis ”skära” genom nästan alla material med hög precision.

Figur 3.2: Principskiss på munstycke för abrasiv vattenskärning.(Hirvonen & Company 2015)

6

delade meningar om vilket tryck som ger den bästa skärekonomin. Arbetet har därför begränsats till att undersöka vattenskärning med tryck runt 400 MPa.

Vattenskärning har vid skärning i stål många fördelar gentemot sina konkurrenter som framför allt är laserskärning, plasmaskärning och gasskärning. Alla dessa tre är termiska skärmetoder och ger därmed en viss materialförändring i anslutning till snittet, detta är något som helt undviks med vattenskärning som vid initial penetrering av stålet kan orsaka en värmehöjning upp till 50° C men sedan inte ger en temperaturökning med mer än någon enstaka grad vid kontinuerlig skärning (Waterjets.org, 2015). Metoden har också

miljöfördelar kontra andra metoder. Eftersom termisk skärning smälter stålet bildas gaser som kan vara skadliga för människa och miljö vilket inte sker vid vattenskärning. Vid termisk skärning bildas också slagg på snittytan som i många fall måste efterbearbetas.

Den enda av nämnda metoder som klarar av snävare toleranser än vattenskärning är laserskärning. Laserskärning har dock många begränsningar som inte vattenskärningen har, bland annat lämpar sig laserskärning inte för skärning över 15 mm eller för laminerade material, medan vattenskärning klarar betydligt tjockare material och även laminat.

Finheten på snittytan vid vattenskärning brukar delas upp i en femgradig skala där varje steg på skalan definieras. Skalans fem steg går från, Q1, där det enda kravet på snittet är att det är separerande, och, Q5, som är den finaste snittkvaliteten och benämns som ”mycket fin yta”.

Tabell 3.1: Kvalitetsskala för snittytan vid abrasiv vattenskärning(Zeng, Kim, 1999)

Kvalitetsfaktor Beskrivning

Q1 Kriterium för ett separerande snitt. Vanligtvis skall Q > 1.5 användas Q2 Grov yta med striering på den nedre halvan av snittet.

Q3 Övergång mellan grov och fin yta. Viss striering på snittets nedre del kan förekomma.

Q4 Fin yta helt utan striering i de flesta material. Q5 Mycket fin yta.

Bild 3.3: Kvalitetsskalan Q1-Q5 för vattenskärning (Wardjet, 2015).

En modell för skärhastighet har tagits fram av Holmqvist & Honsberg i ett arbete som avhandlar optimering av kommersiell vattenskärning och är framtagen av elever på

7

(Holmqvist, Honsberg, 2007 CUT). Modellen bygger på omfattande empiriska försök eftersom det visat sig svårt att ta fram teoretiskt noggranna beräkningsmodeller för detta. Anledningen till projektet var att äldre modeller inte längre har önskad noggrannhet

beroende på att vattentrycken som används idag har ökat markant sedan de presenterades. Modellen bygger på en tidigare modell som tagits fram av Jay Zeng och Thomas Kim (Zeng, Kim, 1993).

Skärhastighetsberäkning enligt CUT-modellen:

𝑣

_𝑓

=

𝑁

𝑚

1,15

_{∙ 𝑓}

𝑎1,15

∙ 𝑃

𝑤1,25

∙ ṁ

𝑤0,842

∙ 𝑅

10,406𝑅

2_{−4,9𝑅+0,5}

6880 ∙ 𝑞

1,15

_{∙ 𝑡}

0,8817𝑡0,0715

Accustream erbjuder också en skärdatakalkylator på deras hemsida för att beräkna

skärhastigheter (Accustream, 2015). Problemet med denna är den begränsade möjligheten att välja material. Endast ett fåtal förinlagda materialtyper kan väljas.

Optimalt avstånd från munstycke till material ligger mellan 1-1,5 mm för att uppnå högsta tolerans och hastighet. Om avståndet ökas till 6.35 mm (1/4”) minskar skärhastigheten med 20 % för motsvarande snittkvalitet (Wardjet, 2015).

3.1.2 Casing

Casingrör är en essentiell del av brunnen då man borrar efter olja eller gas. Alla brunnar som borras för detta ändamål kläs därför med casing. Anledningarna till detta är bland annat:

 Bibehållen stabilitet av borrhålet.

 Undvika kontamination av vatten och sediment.

 Undvika vatteninblandning i reservoaren.

 Stabilisera tryck vid borrning och produktion.

 Skydda produktionsledningen.

8

brottgränser som inte får understigas för att falla in under en viss klassning (petrowiki, 2015).

Tabell 3.2: API-standard gällande hållfasthet för casingrör. (petrowiki 2015)

API-Klass Minsta tillåtna Sträckgräns (MPa) Minsta tillåtna Brottgräns (MPa) H-40 275 415 J-55 380 520 K-55 380 655 N-80 550 690 L-80 550 655 C-90 620 690 C-95 655 725 T-95 655 725 P-110 760 860 Q-125 860 930

För att få information om hur casingen ser ut när den tas upp skulle, enligt

överenskommelse med Örjan Kvande på KCA-Deutag, en film överlämnas nästa gång som denna operation utfördes. Detta har tyvärr dragit ut på tiden vilket medför att eventuella justeringar på grund av detta måste göras efter avslutat arbete.

3.1.3 Kapning idag

Idag sker kapning med antingen kallsågning eller avfasningsmaskin (Örjan Kvande, muntlig, 2015). Båda metoderna kräver ett visst förarbete innan man kan börja själva kapningen och när man väl kommit igång är de bägge väldigt tidskrävande. Anledningen till detta är att hastigheterna på skären måste hållas låga för att minimera risken för gnistor och att höga temperaturer skall uppstå.

3.1.4 ATEX

Miljöer där det finns risk för att explosioner kan uppstå innefattas av ATEX-direktivet. Detta direktiv syftar till att klassa miljöer, ämnen, material och utrustning som berör det aktuella området.

I miljöer där brandfarliga varor hanteras och det finns en risk för att en explosiv atmosfär kan uppstå finns det, enligt ATEX-direktivet, krav på EX-klassning. Anledningen till detta är att uppkomsten av gnistor eller förhöjda temperaturer lätt kan antända atmosfären och skapa en explosion. I dessa områden är det viktigt att man använder sig av utrustning som är klassad efter vilka ämnen som kan förekomma och vilken riskmiljö som råder. Ämnen klassas utifrån vilka antändningstemperaturer och explosionsrisker de har och det ligger i

9

förebyggande åtgärder sätts in för att minimera riskerna för de anställda. Alla EX-klassade områden måste också vara utmärkta med riktig skyltning.

Figur 3.4: Skylt som markerar EX-klassat område.(Inspecta, 2015)

För att bestämma vilken utrustning som kan användas inom det aktuella området delas det upp i zoner. Zonernas uppdelning beror på hur ofta och hur länge explosiva atmosfärer kan uppstå.

Tabell 3.3: Zonindelning för riskområden. (Malux, 2013)

Zon 0

Ständigt eller Långvarigt

Zon 1

Tillfälligt i normal drift

Zon 2

Sällan och kortvarigt Ett riskområde i vilket

explosiv gasatmosfär förekommer ständigt, långvarigt eller ofta.

Ett riskområde i vilket gasatmosfär kan väntas förekomma tillfälligt under normal drift.

Ett riskområde i vilket gasatmosfär inte väntas förekomma under normal drift och om den likväl förekommer, i så fall endast sällan och kortvarigt

Exempel: Inuti cistern, kärl, apparat etc. Övertäckt lågpunkt.

Exempel: Pumprum, runt avlastningsventiler, tappställen,

påfyllningsställen,

provtagningsöppningar och pejlhål.

Exempel: Runt pumpar och fjärrstyrda ventiler utomhus. Runt zon 1.

Slamhanteringsrum i avloppsreningsverk.

Brandfarliga varor delas också in i olika explosionsgrupper, IIA, IIB, och IIC, och är ett mått på hur dess benägenhet är att antändas av gnistor med olika energi och förmågan att slå en flamma genom en spalt. Detta görs för att kunna bestämma och standardisera

10

utrustning, EX nC, och energibegränsad utrustning, EX nL. Dessa måste också vara märkta för att få användas.

Filosofin är att sannolikheten för att en explosiv miljö uppträder samtidigt som utrustningen utgör en potentiell tändkälla skall vara tillräckligt låg. Utrustning ämnade för bruk i sådana zoner klassas därför enligt tre nivåer.

 Utrustningskategori ett, som gäller i zon 0:

Sådan att inte ens två, av varandra oberoende fel, kan göra materiel till en tändkälla.

 Utrustningskategori två, som gäller i zon 1:

Materielen skall inte vara en potentiell tändkälla vid normal drift eller vid fel.

 Utrustningskategori tre som gäller i zon 2:

Materielen skall inte vara en tändkälla i sin normala drift.

All utrustning som är godkänd enligt ATEX skall vara märkt med godkänd skylt och även vilken utrustningskategori den är klassad inom. (Malux, 2013).

Figur 3.5: Markering som måste finnas på utrustning som skall användas i en EX-klassad zon.

(Quadro, 2015)

Enligt ATEX-direktivet så måste all utrustning klassas som en enhet, det räcker alltså inte med att alla ingående delar är EX-klassade för sig. (Bosse Eriksson, muntlig, 2015)

Klassningen skall utföras av ett anmält organ. Med anmält organ menas en oberoende organisation med erforderlig kompetens inom området och som anmälts till EU-kommissionen av medlemslandet där organisationen verkar (Swedac, 2015).

3.2 Beräkningsunderlag

Arbetet innefattar beräkningar gällande skärlängder, för de olika rördiametrarna,

skärhastigheter och pumpflöde för vattenskärningsmetoden. Beräkningar på skärhastigheter tas från Accustreams tillhandahållna skärhastighetskalkylator (Accustream, 2015). De

11

bägge fallen kommer beräkningar gällande skärhastigheter för de två lägsta snittkvalitetskategorierna, Q1 och Q2

Eftersom Accustream endast har ett fåtal material inlagda i sina databaser valdes det material som anses ligga närmast den högsta kvaliteten, gällande mekaniska egenskaper, som innefattas av API-standard. Det valda materialet är ett verktygsstål med beteckningen M2. Aisi M2 är amerikansk standard och motsvaras av SS 2722. Det är ett snabbstål med hög hårdhet och hög brottgräns (640-2000 MPa). De mekaniska egenskaperna för detta stål är det som ligger närmast de högsta kvaliteterna på casing enligt API standard av de valbara i kalkylatorn.

Liknande beräkningar kommer också att utföras på data som inhämtas vid de fysiska

skärproven som utförs hos Bergs Mekaniska och Fremek. Vid skärning hos Bergs Mekaniska var testmaterialen Weldox 700, för att motsvara de högre API-klasserna, och S355J+N, för de lägre. Anledningen till att ett stål med lägre hållfasthet testas är för få en uppfattning om hur mycket de mekaniska egenskaperna varierar skärhastigheten. Provskärningarna hos Fremek genomfördes i Toolox 33 för att representera de höga API-klasserna.

Vid beräkningar på skärhastigheter som inte görs i skärdatakalkylator kommer CUT-projektets formel för skärhastighetsberäkning användas (Holmqvist, Honsberg, 2007).

Indata för beräkning av teoretiska skärhastigheter:

 Vattenmunstycke 0,38 mm  Abrasivmunstycke 1,02 mm  Abrasivmatning 0,89 kg/min  Vattentryck 400 MPa  Materialtjocklek 9-20 mm  Snittkvalitetstal Q1 och Q2  Abrasivmedelsindex 1  Material Aisi M2/ SS 2722

Data gällande casing tas från Tarponpipes onlinesortiment för att fastställa variationer i diameter och materialtjocklek (Tarponpipes, 2015). Endast de varianter med störst väggtjocklek från varje diameterstorlek kommer att utvärderas för att på så sätt ha lite marginal på skärhastigheten. Aktuell data behandlas sedan i ett kalkylblad för att underlätta och ge en överskådlig datamängd att analysera.

12

För att erhålla samma kapacitet från varje munstycke, när antalet ökas, krävs att högtryckspumpen kan leverera ett nog stort vattenflöde. Kan inte pumpen lämna nog mycket vatten så kommer trycket att sjunka och skärhastigheten blir lidande.

Vattenmängden som krävs för varje munstycke tillhandahålls i Accustreams

skärhastighetskalkylator men kan också approximeras enligt följande formel (Holmqvist, Honsberg, 2007).

ṁ

_𝑤

= 1,497 ∗ 𝐷

_𝑚2

_{∗ √𝑃}

𝑤

Utefter detta kan sedan pumpkapacitet beräknas baserat på vilket tryck man önskar uppnå, hur många munstycken som ska användas och hur mycket vatten den behöver leverera.

3.3 Skärtest

De två skärtester som utfördes avsåg att fastställa om huruvida de teoretiska beräkningarna sammanfaller med verkligheten. Vid dessa tester kommer endast skärhastighet för

snittkvalitet Q1 att genomföras.

Testerna vid Bergs Mekaniska fokuserade huvudsakligen på skärhastigheten medans testerna hos Fremek fokuserade på dels skärhastighet och håltagning (piercing), men även vissa praktiska svårigheter som finns med vattenskärningsmetoden.

3.3.1 Bergs Mekaniska AB

Vid testet skars plåtar av två olika kvaliteter, Weldox 700 och S355J2+N. Testtjocklekarna var för Weldox, 10, 15 och 20 mm och för S355J2+N 8, 15 och 18 mm. Anledningen till att

tjocklekarna för de olika plåtarna skiljer sig åt var tillgången på provmaterial.

13

Bild 3.6: Provbitar som skars på Bergs Mekaniska.

Den ena långsidan skars med ett skäravstånd (munstycke till material) på ca 3mm och den andra långsidan med ett skäravstånd på 20 mm. En maximal hastighet för att fortfarande erhålla ett fullständigt snitt valdes varpå bägge skärlängderna klockades för att kunna bestämma skärhastigheten. Vad som måste tas med i en utvärdering av skärhastigheten är att maskinen automatiskt saktar ner lite då den byter skärriktning och ger således en lite lägre medelhastighet. En annan aspekt är noggrannheten i tidtagningen som gjordes visuellt på snittet och med tidtagarur.

Indata för testskärning hos Bergs Mekaniska AB:

 Vattenmunstycke 0,35 mm  Abrasivmunstycke 0,76 mm  Abrasivmatning 0,42 kg/min  Vattentryck 340 MPa  Materialtjocklek 8-20 mm  Snittkvalitetstal 1  Abrasivmedelsindex 1

14

3.3.2 Fremek AB

Testplåt hos Fremek var Toolox 33 med 23 mm godstjocklek. Under skärningen testades inte bara skärhastighet utan även tidsåtgång för håltagning (piercing) och vad som händer då man skall avsluta skärningen genom att gå ut ur materialet.

Indata för skärhastigheter hos Fremek AB:

15

4. Koncept

Bestämning och framtagning av potentiella koncept för konstruktionen.

4.1 Produktspecificering

För att fastställa vilka krav som ställs på konstruktionen upprättades en produktspecifikation. De krav som identifierades var:

1. Utföras med abrasiv vattenskärning.

2. Kunna rotera 10° utöver den delning som munstyckena sitter med runt röret. 3. Justering i radiellt led.

4. Klara kapning av rör med diametrar mellan 114- 508 mm. 5. Klara kapning av rör med godstjocklek mellan 8- 20 mm. 6. Fullständigt delande snitt under en minut.

4.2 Konceptgenerering

Konceptgenerering genom brainstorming kom fram till tre förslag varefter skisser togs fram på dem. Som man kan se på bilderna så valdes fyra munstycken baserat på ett antaganden avseende maskinkomplexitet, ekonomi samt kaptid.

Figur 4.1: Skisser på de tre koncepten som togs fram.

4.3 Utvärdering och val av koncept

Koncepten utvärderades sedan i samråd med ingenjörer i mekanikgruppen på Rejlers. Koncepten bedömdes muntligt, enligt deras erfarenhet, utifrån de olika konceptens förmåga att lösa uppgiften på ett tillfredsställande sätt.

16

5. Resultat

Kortfattad redovisning av de resultat som erhölls under arbetets gång.

5.1 Beräkningar

Beräknade skärlängder, skärhastigheter och för största respektive minsta diameter samt genomsnittsdiameter för samtliga diametervariationer i Tarponpipes casingsortiment (Tarponpipes, 2015).Samtliga beräkningar kan följas i bilaga 1.

Tabell 5.1: beräknade data för antal munstycken som krävs för snittkvalitet Q1 vid varierande

diameter på casing enligt Accustreams kalkylator

Diameter Omkrets [mm] Skärhastighet

[mm/min] Antal munstycken För att klara snittet på en minut.

114 mm 358 606 0,59

508 mm 1596 216 7,38

Genomsnitt 787 363 2,17

Tabell 5.2: beräknade data för antal munstycken som krävs för snittkvalitet Q2 vid varierande

diameter på casing enligt Accustreams kalkylator

Diameter Omkrets [mm] Skärhastighet

[mm/min] Antal munstycken För att klara snittet på en minut.

114 mm 358 364 0,98

508 mm 1596 118 13,52

Genomsnitt 787 208 3,78

Tabell 5.3: beräknade data för antal munstycken som krävs för snittkvalitet Q1 vid varierande

diameter på casing enligt CUT-modellen

Diameter Omkrets [mm] Skärhastighet

[mm/min] Antal munstycken För att klara snittet på en minut.

114 mm 358 698 0,51

508 mm 1596 202 7,90

Genomsnitt 787 366 2,05

Tabell 5.4: beräknade data för antal munstycken som krävs för snittkvalitet Q2 vid varierande

diameter på casing enligt CUT-modellen

Diameter Omkrets [mm] Skärhastighet

[mm/min] Antal munstycken För att klara snittet på en minut.

114 mm 358 315 1,14

508 mm 1596 91 17,53

17

För att erhålla samma prestanda för varje munstycke då antalet utökas beror på om pumpen klarar att leverera nog högt vattenflöde för att inte trycket skall sjunka. Accustreams

kalkylator talar om hur mycket vatten som går åt till varje munstycke vid valda

parametrar(Accustream, 2015). Vattenmängden kan även approximeras enligt formel, vilket gjorts för att fastställa vattenflödet för CUT modellen (Holmqvist, Honsberg, 2007).

När valda parametrar knappats in Accustreams programvara låter den meddela att

vattenförbruket ligger på 4,06 l/min (Accustream, 2015). Används fyra munstycken samtidigt krävs således 16.24 l/min.

Då flödet approximeras enligt formeln blir resultatet för ett munstycke 4.32 l/min och följaktligen då 17,29 l/min för fyra munstycken. Detta flöde har använts för att beräkna skärhastigheter i CUT modellen (Holmqvist, Honsberg, 2007).

Vattenflöden vid de båda testtillfällena har också approximerats med hjälp av formeln. Flödet hos Fremek beräknades till 3,27 l/min och 3.38 l/min för skärningen hos Bergs Mekaniska. Det skulle således, vid användning av fyra munstycken, ge ett flöde på 13,08 l/min respektive 13,52 l/min.

En annan viktig beståndsdel för hur höga skärhastigheter som kan uppnås är hur mycket abrasivmedel man tillsätter. I CUT projektet säger man att mängden abrasivmedel bör vara mellan 0,1-0,3 gånger vattenflödet (R-kvot) för bästa effekt (Holmqvist, Honsberg, 2007). Enligt deras modell så ökar skärhastigheten vid blandningar av abrasivmedel upp till 0,225 gånger vattenflödet för att sedan mättas och sänka skärhastigheten ju mer som tillsätts. I Accustreams kalkylator tillåts maximalt 0,89 kg abrasivmedel/minut med aktuell dimension på vatten- och abrasivmunstycke (Accustream, 2015). Med det vattenflöde som presenteras ger det en R-kvot på 0,22 vilket bör ses som en optimerad mängd enligt CUT. Motsvarande R-kvot för de praktiska testerna är, för Fremek, 0,14 och, för Bergs Mekaniska, 0,12.

5.2 Teoretiska skärhastigheter

Skärhastigheter för två olika snittkvaliteter (Q1 och Q2) enligt Accustreams

18

Tabell 5.5: Skärhastighetsberäkning enligt Accustreams skärhastighetskalkylator vid Q1.

19

Tabell 5.7: Skärhastighetsberäkning enligt CUT-modellen vid Q1.

20

5.3 Bergs Mekaniska

Vid Provskärningen som gjordes vid Bergs mekaniska erhölls följande data för skärhastighet.

Tabell 5.9: Erhållna data vid skärning i Weldox 700 hos Bergs Mekaniska och en jämförelse mot de

teoretiska beräkningssätten med samma indata.

Tabell 5.10: Erhållna data vid skärning i S355J2+N hos Bergs Mekaniska med en jämförelse mot de

teoretiska beräkningssätten med samma indata.

5.4 Fremek

Tester utförda hos Fremek visade på vissa svårigheter då snittet skall avslutas. Eftersom man vid höga skärhastigheter får ett släp på vattenstrålen utgör detta ett problem då den sista biten ut i luft skall skäras. När munstycket går ur materialet sprids strålen på grund av släpet och tappar skärkraft. När skärkraften blir för svag ”hoppar” strålen över materialet, lämnar kvar en ”tagg” och ger därmed ett ofullständigt snitt.

21

Bild 5.2: ”Tagg” som uppkommit p.g.a. för hög skärhastighet vid utträde av materialet (bild från

testskärning hos Fremek)

Vid testning för att försöka lösa problemet fastslogs att det enda sättet att klara av att behålla ett fullständigt delande snitt var att sänka hastigheten den sista biten. För att

närmare exakt bestämma med vilken faktor hastigheten behöver sänkas och hur lång bit det behöver ske måste fler tester genomföras. Vad som kan sägas är att det inte kommer att ha alltför stor inverkan på den totala skärtiden eftersom det endast drabbar en liten del i slutet av kapningen.

Bild 5.3: Bilden visar tydligt på det ”släp” som vattenstrålen har när man skär i höga hastigheter. (bild

från testskärning hos Fremek)

Hos Fremek utfördes också ett test för att se hur lång tid en håltagning (piercing) tar, d.v.s. att från en start mitt i materialet få vattenstrålen att slå igenom på baksidan. Testet

22

Tabell 5.11: Insamlad data för håltagning.

Eftersom framförallt andra saker än skärhastighet testades vid tillfället så hanns bara en riktig uppmätning med.

Tabell 5.12: Skärhastighet för Toolox 33 och en jämförelse mot de teoretiska beräkningssätten med

samma indata

5.4 Koncept

När det slutgiltiga maskinkonceptet valts ut gjordes en cad-modell för att få en klarare bild över hur det skulle kunna se ut. Bilder på hur konceptet skulle kunna se ut i ett sammanhang kan ses i bilaga 2.

Bild 5.3: CAD-modell på slutligt konceptval.

5.5 ATEX

23

7. Diskussion

Reflektioner över resultaten som framkommit under arbetet.

7.1 Sammandrag

Entydig information om skärhastighet för abrasiv vattenskärning, eller snarare bristen på den, gjorde att arbetet tog en lite annorlunda väg än vad som var tanken från början. Den stora vikten har lagts på att bestämma om abrasiv vattenskärning har den potential som applikationen kräver. Detta har gjort att konstruktionen av en möjlig lösning har fått stå tillbaka till förmån för detta. En möjlig konstruktionslösning hade ju inte haft stor meningsfullhet om inte metoden alls lämpat sig för ändamålet.

Abrasiv vattenskärning är en utmärkt metod för att skära tjockt stål med hög precision. Även om metoden är långsammare än andra metoder så har den stora fördelar i fråga om minskad efterbearbetning. Denna fördel är därför det som utnyttjas vid kommersiell vattenskärning istället för det som arbetet nästan enkom fokuserar på, skärhastighet. Problemet är att de stora fördelarna med att slippa efterbearbetning totalt minskar ledtiden för detaljerna så pass mycket att skärtiden inte har fullt fokus i en kostnadskalkyl för detaljtillverkning. Det medför i sin tur att de flesta industrier som använder sig av metoden inte har utförliga data om hur fort det maximalt går att skära. De teoretiska och praktiska undersökningar som gjorts har ändå gett en bra uppfattning om vad som är möjligt att uppnå gällande

skärhastighet. Det i sin tur har gett underlag till en uppskattning om det är lämpligt att gå vidare med metoden.

Om målet att klara kapningen under en minut har realiserats kan tolkas på flera sätt. Å ena sidan kan man säga att målet inte infriades eftersom kapningen av den största diametern skulle kräva att åtta munstycken användes, istället för konceptets fyra. Å andra sidan kan man se att medeldiametern endast skulle kräva tre munstycken för att genomföra detsamma och då klara målet.

Enligt ett casingprogram som nämnts tidigare, där mindre och mindre diametrar används desto djupare man borrar erhålls större längder casing ju mindre diameter man har vilket medför att fler kapningar av mindre diametrar skulle genomföras och därmed sänka den genomsnittliga kaptiden ytterligare. Min slutsats av det är således att vid upptagning av ett helt casingprogram skulle genomsnittstiden för ett kap klart understiga en minut.

24

Ett mer realistiskt scenario är troligtvis att man minskar skärhastigheten, i enlighet med snittkvalitet Q2, för att på så sätt löpa betydligt mindre risk att ett ofullständigt snitt görs. Väljer man att göra det så skulle det medföra att kapning av casing med medeldiameter istället tar strax över en minut. Tas tidigare nämnda exempel med casingprogram in i resonemanget skulle det sannolikt ändå betyda att medelkaptiden hamnar under en minut. Piercingtesterna som gjordes på Fremek gav indikationer på att den processen inte heller är en stor tidstjuv. Medeltiden för en piercing var 4,8 sekunder med ett tryck på 285 MPa och skulle sannolikt gå fortare om ett högre tryck använts. Testerna gjordes också i en plåt med 23 mm tjocklek, vilket är mer än den tjockaste typen av casing.

En annan aspekt av skärhastigheten är att de beräkningar som gjorts på Tarponpipes casingsortiment endast avhandlar de rör med störst godstjocklek av varje diameter. Detta innebär alltså att medelkaptiden skulle minska ännu mer vid val av tunnare varianter. Hur mycket den tiden kan minskas är svårt att uppskatta och beror på aktuellt casingprogram som måste värderas individuellt med hjälp av ingående information om dess dimensioner. De data, gällande skärhastigheter, som inhämtats vid de båda testtillfällena på Fremek och Bergs Mekaniska visar på mycket lägre skärhastigheter. Detta beror sannolikt på de lägre trycken och lägre R-kvoter med vilka testen utfördes. Då samma värden testades i de båda teoretiska modellerna visade det sig emellertid att resultaten ligger relativt nära de

skärhastigheter som uppmätts praktiskt vilket talar för att modellerna ger en bra fingervisning om vad man kan förvänta sig vid ändrade indata.

De högtryckspumpar som finns på marknaden idag lämnar inte nog stort flöde för att täcka behovet för fyra munstycken med den bestyckning som föreslagits. Används som föreslagits fyra munstycken måste minst två pumpar inkluderas för att ge nog stort flöde och därmed behålla trycket.

Det faktum att gnistbildning uppstår då man skär i stål utgör en osäkerhet om hur utrustningen måste anpassas enligt ATEX-direktivet. Men oavsett gnistor så innehåller maskinen elektrisk utrustning och är ämnad att användas i zon 1 ,enligt ATEX-direktivet, och måste därför alltid godkännas av ett anmält organ. Vid en vidare utveckling måste alltså ett oanmält organ kontaktas för att utreda vilka steg som måste tas för att säkra maskinen enligt gällande lagstiftning.

7.2 Felkällor

I undersökningens resultat finns även betydande osäkerhetsfaktorer. En aspekt är

25

mekaniska visar att skärningen går långsammare då de mekaniska egenskaperna går mot högre hållfasthet och därmed också högre hårdhet. En viss osäkerhet finns dock om hur väl skärhastigheterna är rakt överförbara då möjligheten att testa på riktig casing inte funnits. Eftersom efterfrågad information, i form av bilder och film, om hur casingen ser ut efter många år i borrhålet inte framkommit måste denna variabel tas i beaktning då den

informationen blir tillgänglig. Därefter kan erforderliga anpassningar av utrustningen göras för detta.

Testerna som utförts har samtliga genomförts på plåtar. Hur samma process ter sig vid en kurvad yta lämnas till en framtida utvärdering. Denna osäkerhet är mest påtaglig för små dimensioner som har en snävare kurvatur och bör testas grundligt innan en slutsats kan dras av det.

7.3 Framtid

26

7. Slutsats

Målet på en minut har inte kunnat nås för de största dimensionerna. Däremot ligger kaptiden för en medeldiameter under en minut vilket på det viset kan ses som att målet ändå är uppfyllt. Vad gäller konstruktionsarbetet så har en enklare modell tagits fram och därmed uppfyllt vad som var avsett. De ingående delarna i konstruktionen har dock inte kunnat bestämmas eftersom konceptet ännu bara ligger på en skissnivå och är en uppgift som läggs på en eventuell framtid. En undersökning om regelverket kring brand-och explosionsriskerna har gjorts. Uppgifterna kan dock ännu inte kopplas till

27

8. Referenser

Vetenskapliga artiklar

Holmqvist, G., Honsberg, U., “CUT- Competitive Use Of Waterjet Technology” Chalmers University of technology, Sverige, 2007.

Zeng, J., Olsen, J, och Olsen, C.: "The Abrasive Waterjet as a Precision Metal Cutting Tool", Proceedings of the the 10th American Waterjet Conference, WJTA, Houston, USA, 1999. Zeng, J., Kim, T.: "Parameter Prediction and Cost Analysis in Abrasive Waterjet Cutting Operations", Proceedings of the 7th American Waterjet Conference, WJTA, Seattle, USA, 1993.

Elektroniska

Petrowiki (elektronisk) Tillgänglig:

http://petrowiki.org/Casing_and_tubing (2015-03-18) Oljedirektoratet (elektronisk) Tillgänglig:

http://factpages.npd.no/factpages/Default.aspx?culture=nb-no&nav1=field&nav2=PageView|All&nav3=43686 (2015-01-29) Wardjet (elektronisk) tillgänglig:

http://www.wardjet.com/01-waterjet-cutting-characteristics (2015-04-07) Malux (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.malux.se/MediaBinaryLoader.axd?MediaArchive_FileID=84fbd944-2d76-4076-91eb-09aab2a681b6&FileName=ex_normer.pdf (2015-03-27)

Waterjets.org (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.webcitation.org/5nWaNTDGA (2015-04-09) Accurate Waterjet (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.accuratewaterjet.com/waterjet_technology.php (2015-04-09) Accustream.com (elektronisk) Tillgänglig:

https://www.accustream.com/support/manuals-downloads/for-flow.html (2015-04-17) Tarponpipe.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.tarponpipe.com/perch/resources/casing-table.pdf (2015-04-20) Rigzone.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.rigzone.com/training/insight.asp?insight_id=333&c_id=24 (2015-05-06) Rigzone.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.rigzone.com/training/insight.asp?insight_id=341&c_id=4 (2015-03-07) Rigzone.com (elektronisk) Tillgänglig:

28 Swedac.se (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.swedac.se/sv/Omraden/Anmalda-organ/ (2015-05-28) Muntliga

Daniel Eriksson, konstruktör, Fremek AB (2015-02-16)

Örjan Kvande, Sales and Rental Manager, KCA Deutag, mailkontakt (2015-02-19) Bosse Eriksson, Kvalitetschef, Malux, Telefonkontakt (2015-05-11)

Figurer Figur 3.1

Encana.com (elektronisk) Tillgänglig:

https://www.encana.com/sustainability/environment/water/protection/construction.html (2015-05-22)

Figur 3.2

Vatten-skarning.se (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.vatten-skarning.se/vattenskarning/abrasiv-vattenskarning (2015-05-06) Figur 3.3

Wardjet.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.wardjet.com/learnmore (2015-03-18) Figur3.4

Inspecta.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.inspecta.com/sv/Press/Artiklar/2009/Svenska/Arbetsmiljoverket-gor-stickprovskontroller-av-explosionsfarliga-arbetsplatser/ (2015-05-15)

Figur 3.5

Quadro.com (elektronisk) Tillgänglig:

http://www.quadro.com/aboutUs_atex.asp (2015-03-24) Tabeller

Tabell 3.1

Zeng, J., Olsen, J, och Olsen, C.: "The Abrasive Waterjet as a Precision Metal Cutting Tool", Proceedings of the the 10th American Waterjet Conference, WJTA, Houston, USA, 1999. Tabell 3.2

Petrowiki.org (elektronisk) Tillgänglig:

http://petrowiki.org/File%3ADevol2_1102final_Page_290_Image_0001.png (2015-03-18) Tabell 3.3

Malux.se (elektonisk) Tillgänglig:

29

9. Tackord

Jag vill slutligen passa på att tacka alla som har varit vänliga nog att hjälpa mig att genomföra detta arbete.

Anders Westberg och Rejlers AB som gett mig chansen att genomföra mitt examensjobb tillsammans med dem. Sällan har jag blivit bemött med sådan vänlighet som jag fått uppleva av samtliga på Karlstadkontoret.

Tommy Tveter på Totech som är upphovsman till idén bakom examensarbetet. Bergs mekaniska AB och Fremek AB för generositeten det innebar att låta mig hindra produktionen i deras skärmaskiner för att utföra mina test. Dessa tester har en stor del i resultatet av detta arbete. Inte bara genom de data som loggades utan även för min förståelse av hur abrasiv vattenskärning fungerar.

Örjan Kvande på KCA Deutag för information gällande praktiska frågor inom oljeindustrin. Mikael Åsberg för sin stundtals omåttligt torra humor som mig själv och för hjälpen att få rätsida på rapporten.

i

Bilaga 1

Beräkningar Skärlängder Ø 508 mm: 508 ∗ 𝜋 = 1596 𝑚𝑚 Ø 114 mm: 114 ∗ 𝜋 = 358 𝑚𝑚 Ø Genomsnitt: ∑Ø∗𝜋₂₀ = 787 𝑚𝑚

Antal munstycken för att klara skärningen på en minut vid max diameter:

ii

Antal munstycken för att klara skärningen på en minut vid minimum diameter:

Accustream Q1 𝑀𝑖𝑛 𝑠𝑘ä𝑟𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑆𝑘ä𝑟ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 = 359 606= 0,59 CUT Q1 𝑀𝑖𝑛 𝑠𝑘ä𝑟𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑆𝑘ä𝑟ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 = 359 698= 0,51 Accustream Q2 𝑀𝑖𝑛 𝑠𝑘ä𝑟𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑆𝑘ä𝑟ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 = 358 364= 0,98 CUT Q2 𝑀𝑖𝑛 𝑠𝑘ä𝑟𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑆𝑘ä𝑟ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 = 358 315= 1,14

Antal munstycken vid genomsnittsdiameter- och skärhastighet:

iv

Bilaga 2

Konceptbilder

v