SINTEF Materials and Chemistry 1

Ole Øystein Knudsen, SINTEF

www.smartpipe.com

Continuous condition monitoring of pipelines and risers

SINTEF Materials and Chemistry 2

• Technical condition• Warnings• Simulations• Visualisation

Data interpretation

• Materials degradation• Analysis tools• Database

• Sensors• Communication• Power

Decision making

Data collection

SINTEF Materials and Chemistry 3

General system requirements

• No interference with laying operations• Non intrusive sensors• Low cost, simple, robust• Lifetime >20 years• Interfacing to existing sensor technology• Low power consumption• Local processing to reduce needed communication capacity

SINTEF Materials and Chemistry 4

Lithiumbatteries

SINTEF Materials and Chemistry 5

SmartPipe 

Sensors• Ultrasound wall thickness 

measurement• Strain gauges for measuring 

deflection, vibration and internal pressure

• Thermistor for temperature measurements

• Accelerometer for measuring inclination

Communication• Wireless electromagnetic signal in 

coating

Power• A package of conventional Lithium 

batteries• Thermoelectric generator

SINTEF Materials and Chemistry 6

Battery packing

• Four cells in series inserted in steel tubes– 600 mm length– Space available for charge 

balancing electronics– Hermetically sealed to prevent 

water intrusion

• Ten 14.4 V battery packs encased in exterior bracelet– 40 cells in total (120% capacity)– Close contact to cold sea water 

beneficial for battery lifetime

• Exterior bracelet can be partially embedded in PP‐insulation.

SINTEF Materials and Chemistry 7

Communication

• Electromagnetic wave in the coating

• Inter node distance: 24 m• Redundancy distance: >200 m (8‐

10 nodes)• Carrier frequency: 3.8 MHz• Output power +14 dBm• Band with: 150 kHz

• Patented 

Antenna

Signal

Multihop topography

variable hop lengthintelligent end nodesdead nodes

variable hop lengthsimple  nodes intelligent end nodes

SINTEF Materials and Chemistry 8

SmartPipe data management

Fibre modem or powerline modem

Host machineData 

collecion system

Fibre modem or powerline modem

Cab

le o

r opt

ical

fibr

e

Data base

Sub-sea

Fibre modem or powerline modem

Pick-up antenna on outside of pipe

Cable or optical fibre

Degrada‐tion analysis

Visuali‐sation tools

SINTEF Materials and Chemistry 9

Test pipe: 216 m long 10" pipe 80 mm PP coating8 sensor and communication nodes

Testing communication range and sensorsInstalled November 18, 2013 in the Orkanger fjord on 10‐15 m water depth 

SmartPipe Meso test 

SINTEF Materials and Chemistry 10

• Steel thickness = 9/16 i.e. 14.3mm• OD = 10 3/4• ID = 9 5/8

The SmartPipe

SINTEF Materials and Chemistry 11

SINTEF Materials and Chemistry 12

Antenna

SINTEF Materials and Chemistry

• Communication at least 200 m along the pipe• Able to communicate with 8 nodes along the pipe• Attenuation of the communication signal is as expected or better 

13

Communication variable hop length

intelligent end nodesdead nodesvariable hop length

simple  nodes intelligent end nodes

SINTEF Materials and Chemistry

• Pipe set in vibrational motion on land before the installation

• Counting vibration half cycles in different strain ranges

• Strain gauges mounted around the pipe as shown

• 93 half cycles • Ax2 and Ax4 registered 92 and 93 half 

cycles

14

Fatigue monitoring test

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000 1200Ra

infall ha

lf cycle coun

tsAmplitude peak to peak (µ‐strain)

0‐Hoop

1‐Axial

2‐Axial

3‐Axial

4‐Axial

5‐Hoop

Ax1

Ax2

Ax3

Ax4

H2

H1

Accelerometer

SINTEF Materials and Chemistry 15

Temperature (SINTEF data log)

Holes in data logged at SINTEF are caused by faulty 3G router and PC outages, not by faults in the SmartPipe system.

The figure shows data from two of the four sensors at node 117

All functional nodes and sensors show practically the same temperature with variation in the least significant bit only. This is as expected.

Variation in temperature is probably cased by changes in water temperature due to tides, and weather conditions.

Sensor 2 from last week only

Sensor 1

degrees C

SINTEF Materials and Chemistry

Strain (SINTEF data log)The figure shows two of the six sensors at node 119

• The strain values correlate with the temperature. This is as expected.• As expected the strain values do not change much over time (just a few μS)• The static strain value on each sensor element is more or less random and assumed to be caused by the 

mounting procedure (stretching of belt etc)

• Some sensors show some outliers that have been removed from these plots.

microstrain

Strain

Temperature

linear regression curve

SINTEF Materials and Chemistry 17

Ultrasound thickness (SINTEF data log)The figure shows two of the eight sensors at node 119

rising = more diffuse echo

echo quality

thickness

unit 10µm13.080 mm

• For most sensors the data shows a falling thickness and falling echo quality (rising quality number).• The mean change of thickness corresponds to 100um/year which is within expected range (steel in ocean water).• The echo quality is expected to fall as the steel surface corrodes.• Some sensors are more noisy than others but the averaged value seems to be correct.• Some sensors show outliers that have been removed from these plots. 

12.475 mm

linear regression curve

SINTEF Materials and Chemistry

• Strain gauges• Ultrasound 

18

Laboratory testing of sensor resolution

SINTEF Materials and Chemistry

• Tensile testing machine• Compressive mode• 10 to 250 kN• Calculated strain plotted vs measured 

strain• 5% scaling deviation• Resolution better than 10 µ‐strain

19

Strain test

SINTEF Materials and Chemistry

• Sensor belt mounted on steel panel

• Grinded on the backside in ca 10 µm steps

• Sensor measurement vs µm screw gauge

• 180 µm grinded away• Average of 4 measurements has a 

resolution better than 10 µm 

20

Wall thickness 

SINTEF Materials and Chemistry 21

The consortium