渤海水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用

渤海水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用

李德斌，嚴(yán)明

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司， 天津 300451)

摘要：針對海洋環(huán)境條件愈加惡劣，頻發(fā)的單點(diǎn)系泊事故導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響，運(yùn)用現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測手段對使用中的系泊系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測和評價(jià)，既為油田作業(yè)者提供及時(shí)準(zhǔn)確的系泊信息，又為其提供安全管理預(yù)案。

關(guān)鍵詞：單點(diǎn)系泊；水下軟剛臂；監(jiān)測預(yù)警

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.013

中圖分類號：U662.9；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0043-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一李德斌(1990-)，男，學(xué)士，助理工程師

Abstract:In recent years, the marine environment has become more and more severe, and the accidents of single point mooring system have caused serious economic losses and social impacts. The application of the existing monitoring techniques and means is investigated to achieve accurate and reliable monitoring and evaluation for the use of the mooring system. It can not only provide the accurate mooring safety information in time for the oil field operator, but also provide the safety management plans.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(2069F1110015)

研究方向:海工自動化技術(shù)

E-mail:lidb12@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)系泊系統(tǒng)是關(guān)系到FPSO能否正常作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦系泊系統(tǒng)受到破壞，則FPSO的安全將受到極大威脅，輕者造成停產(chǎn)關(guān)井，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；重則有溢油危險(xiǎn)，可能引發(fā)生態(tài)災(zāi)難。

對于FPSO而言，如何通過現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測手段對其系泊系統(tǒng)做到準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測和評價(jià)，既可準(zhǔn)確判斷其系泊系統(tǒng)的安全性，對可能發(fā)生的破壞提前預(yù)測，為管理作業(yè)者提供及時(shí)準(zhǔn)確的系泊安全性信息；又可供其有預(yù)案的進(jìn)行安全管理，防范于未然，成為作業(yè)者普遍關(guān)心的問題。本文以渤海水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊的海洋石油112FPSO為例，進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

1監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)概述

FPSO長期系泊于海上，系泊系統(tǒng)的破壞主要由環(huán)境條件和船體運(yùn)動相互耦合作用所引發(fā)，因此在國內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)與方法調(diào)研及FPSO單點(diǎn)系泊常見失效模式分析的基礎(chǔ)上，通過對環(huán)境條件、船體運(yùn)動姿態(tài)，以及單點(diǎn)狀態(tài)等方面的監(jiān)測，對系泊系統(tǒng)的安全狀態(tài)進(jìn)行整體掌握，在達(dá)到危險(xiǎn)工況時(shí)進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)通過對未來環(huán)境條件及FPSO裝載狀況的預(yù)判，可以對系泊系統(tǒng)的受力進(jìn)行預(yù)報(bào)，并給出主動控制建議，這也是本系統(tǒng)的創(chuàng)新所在。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，制定監(jiān)測預(yù)警方案，主要包括以下幾部分。

1)海洋環(huán)境條件監(jiān)測系統(tǒng)。

波浪、海流要素監(jiān)測。

風(fēng)要素監(jiān)測。

氣象要素監(jiān)測。

2)FPSO運(yùn)動和位置監(jiān)測系統(tǒng)。

FPSO運(yùn)動姿態(tài)和艏向監(jiān)測。

FPSO位置及與單點(diǎn)間距監(jiān)測。

3)單點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測。

單點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測。

Yoke運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測。

錨鏈姿態(tài)和受力監(jiān)測。

單點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測。

4)快速響應(yīng)預(yù)報(bào)及主動控制系統(tǒng)。

各測量子系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到FPSO中控室中集成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的存儲、處理和顯示等工作。

2海洋環(huán)境條件監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要手段，同時(shí)也為FPSO系泊系統(tǒng)安全評估提供必要的資料[7]。環(huán)境條件監(jiān)測內(nèi)容包括：波浪要素監(jiān)測、海流要素監(jiān)測、風(fēng)要素監(jiān)測以及氣象要素監(jiān)測。

1)波浪海流要素監(jiān)測。波浪和海流是非常重要的海洋環(huán)境參數(shù)，對FPSO運(yùn)動和系泊系統(tǒng)受力有重要作用[1]。浪流監(jiān)測參數(shù)包括浪高、浪向、周期、波浪譜、剖面流速及流向，測量設(shè)備采用PUV(壓力)和AST(聲表面跟蹤技術(shù))兩種方法測量波浪，采用聲學(xué)多普勒法測量剖面流。

浪流儀每小時(shí)測定一組數(shù)據(jù)，通過對每小時(shí)前17 min數(shù)據(jù)的自動分析，能夠獲取到該時(shí)間段最大波高、有義波高、平均波高及各自所對應(yīng)的周期。鑒于作業(yè)海域水深較淺，為避免守護(hù)船舶或漁船損壞測量設(shè)備，將浪流儀安裝在WGPA平臺導(dǎo)管架水下樁腿上(見圖1)，采用U形抱卡將外伸支架固定在導(dǎo)管架上。聲學(xué)多普勒浪流儀測量結(jié)果直接通過線纜傳輸?shù)絎GPA中控室中采集設(shè)備，并通過油田局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPSO集成監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1　水下浪流儀安裝示意

2)風(fēng)要素監(jiān)測。風(fēng)載荷也是環(huán)境載荷的重要組成部分，風(fēng)參數(shù)主要監(jiān)測3 s陣風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向，10 min、1 h平均風(fēng)速及風(fēng)向[2]，監(jiān)測設(shè)備選用目前海洋平臺及FPSO上應(yīng)用廣泛的機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀。

3)氣象要素監(jiān)測。氣溫、濕度和氣壓是表征大氣狀態(tài)的重要物理量。氣溫是天氣預(yù)報(bào)的直接對象，各種天氣形勢、氣壓場和風(fēng)場變化都與氣溫有關(guān)。濕度表示大氣干燥程度的物理量，在一定程度上反映了降雨、有霧的可能性。氣壓即大氣壓強(qiáng)，其高低與空氣的密度、溫度和濕度都有關(guān)系。

3FPSO運(yùn)動和位置監(jiān)測系統(tǒng)

1)FPSO運(yùn)動及艏向監(jiān)測。FPSO船體運(yùn)動測量是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，對確定與其連接的立管、系泊系統(tǒng)的運(yùn)動和受力有重要作用。在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，F(xiàn)PSO將產(chǎn)生6自由度運(yùn)動，即橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖[3]。

目前海洋工程領(lǐng)域常用的浮體6自由度方法包括慣性測量技術(shù)(inertial measurement unit，IMU)、慣性測量單元(inertial navigation system，INS)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellites system，GNSS)和水聲定位系統(tǒng)(acoustic positioning system,APS)，其中慣性測量技術(shù)不受外界干擾可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)高精度測量，而衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)或水聲定位系統(tǒng)測量精度易受外界影響。由于慣性測量技術(shù)存在累計(jì)誤差不適用長期測量，目前實(shí)際應(yīng)用中通常采用兩種以上技術(shù)組合的形式，即GPS/IMU或GPS/INS測量系統(tǒng)[6]。為了實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定、可靠的測量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了GPS/IMU(慣性導(dǎo)航單元)組合系統(tǒng)測量FPSO船體運(yùn)動。

組合測量系統(tǒng)的GPS天線安裝在FPSO生活樓頂端開闊、無遮擋的位置，天線與FPSO中軸線平行。測量系統(tǒng)主機(jī)放置在中控室機(jī)柜內(nèi)，測量數(shù)據(jù)將直接由運(yùn)行在工控機(jī)上的集成監(jiān)測系統(tǒng)采集，并進(jìn)行可視化顯示。同時(shí)，通過兩個(gè)GPS天線測量精確位置和基線長度，可以解算出基線與地理北的夾角，進(jìn)而得到船體的艏向角。見圖2。

圖2　GPS基站及移動站原理

2)FPSO位置及與單點(diǎn)間距監(jiān)測。目前FPSO位置測量國際上通用的方法為GPS測量。此次測量所需精度較高，因此采用了GPS的實(shí)時(shí)載波相位動態(tài)差分測量技術(shù)(RTK)。將GPS基準(zhǔn)站設(shè)立在單點(diǎn)頂部平臺中心位置，GPS移動站設(shè)立在FPSO生活樓上。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給移動站，移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時(shí)采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理[5-6]，給出FPSO的位置信息及于單點(diǎn)間的距離。

4單點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1) 單點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測。與傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器相比，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性能好、耐腐蝕、傳輸損耗小、傳輸量大和測量范圍廣等特點(diǎn)，在航空航天、土木工程、復(fù)合材料、石油化工等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

由于光纖光柵中心波長對溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，為了保證良好的測量的精度，112FPSO單點(diǎn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測量使用光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵應(yīng)變傳感器和溫度傳感器將沿外套筒橫截面對稱布置，并將傳感器直接焊接在SPM結(jié)構(gòu)外表面。為了提高傳感器水下成活率，傳感器安裝將留有一定冗余度，即每一個(gè)截面安裝6個(gè)應(yīng)變傳感器和2個(gè)溫度傳感器。見圖3。

圖3　水下外套筒光纖光柵布點(diǎn)

光纖傳感器以串聯(lián)的形式連接在一起，通過兩條單模光纜構(gòu)成的回路將數(shù)據(jù)傳送到中控室中解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，并將各通道測量結(jié)果上傳到集成監(jiān)測系統(tǒng)，完成測量結(jié)果解算、存儲和顯示等。

2)Yoke運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測。Yoke運(yùn)動姿態(tài)將采用雙軸傾角傳感器進(jìn)行測量，傾角傳感器分別安裝在Yoke配重與Yoke臂連接位置，電源和信號電纜沿系泊錨鏈敷設(shè)到FPSO水上單元[8]。見圖4。

圖4　水下YOKE傾角儀安裝位置示意圖

3)錨鏈姿態(tài)和受力監(jiān)測。錨鏈?zhǔn)芰y量可以采用軸銷式傳感器，但由于軸銷是荷載傳遞路徑中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一旦損壞后果不堪設(shè)想。從可操作性、可維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，錨鏈?zhǔn)芰y量采用間接測量方案，即通過測量錨鏈支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)變值反算錨鏈的受力[1]。

支撐結(jié)構(gòu)形變測量采用FBG光纖光柵應(yīng)變傳感器。為了更好地確定支撐結(jié)構(gòu)主應(yīng)變方向和大小，每個(gè)測點(diǎn)焊接3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和1個(gè)光纖光柵溫度傳感器， 錨鏈運(yùn)動姿態(tài)測量采用雙軸傾角傳感器測量，獲得錨鏈空間2個(gè)方向的運(yùn)動姿態(tài)。

4)單點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測。通過對單點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析和各個(gè)位置的振動情況測試[9]，選擇了單點(diǎn)電滑環(huán)、單點(diǎn)內(nèi)塔、上軸承、下軸承4個(gè)位置共安裝8個(gè)加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了16個(gè)通道的振動數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。振動監(jiān)測系統(tǒng)利用單點(diǎn)到中控的備用光纖來進(jìn)行通信，獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)安裝在中控室內(nèi)。

5快速響應(yīng)預(yù)報(bào)及主動控制

FPSO采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊于某一個(gè)特定的海域，由于海洋環(huán)境的不確定性，F(xiàn)PSO受到的環(huán)境荷載非常復(fù)雜。根據(jù)FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)特點(diǎn)和海上作業(yè)者的需要，創(chuàng)新開發(fā)了一套快速響應(yīng)及主動控制系統(tǒng)(見圖5)。

圖5　主動控制系統(tǒng)原理

系統(tǒng)具備如下功能。

1)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和環(huán)境條件，預(yù)報(bào)FPSO極限運(yùn)動響應(yīng)和均值響應(yīng)，提供惡劣天氣下裝載優(yōu)化建議。

2)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和環(huán)境條件，預(yù)報(bào)系泊系統(tǒng)系泊力及安全狀況。

3)根據(jù)輸入的環(huán)境條件，提供FPSO作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。

4)根據(jù)實(shí)測單點(diǎn)狀態(tài)(系泊力、振動)，對潛在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)提供預(yù)警[4]。

6集成監(jiān)測軟件

為了統(tǒng)一管理各設(shè)備測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互方便人員操作，開發(fā)一套集成監(jiān)測軟件。該軟件主要具備以下功能。

1)實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)監(jiān)測測量內(nèi)容和軟件設(shè)計(jì)功能，可以結(jié)合波形圖控件、儀表盤等定制化控件實(shí)時(shí)顯示和刷新采集的物理量值。

2)自動報(bào)表生成。數(shù)據(jù)采集完成后，按一定時(shí)間頻率抽取數(shù)據(jù)并繪成時(shí)歷曲線，結(jié)合報(bào)表模板自動化生成監(jiān)測系統(tǒng)測量報(bào)告。

3)遠(yuǎn)程通信。測量數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)通信以TCP/IP或者UDP方法與其他站點(diǎn)運(yùn)行的客戶端進(jìn)行交互數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以在某個(gè)站點(diǎn)查看其他客戶端或者FPSO的數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)查詢及回放。系統(tǒng)數(shù)據(jù)以兩種形式存在，原始測量數(shù)據(jù)以文件方式流盤，測量結(jié)果以數(shù)據(jù)庫表單方式存儲。數(shù)據(jù)回放模塊可以離線打開存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、查詢以及其他分析運(yùn)算。

5)預(yù)報(bào)功能。預(yù)報(bào)功能能夠有效地預(yù)報(bào)惡劣海況帶來的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，通過輸入環(huán)境預(yù)報(bào)參數(shù)，根據(jù)預(yù)計(jì)的裝載情況，通過差值及專用算法比對已經(jīng)建立的計(jì)算模型，對未來作業(yè)時(shí)單點(diǎn)受力及與海底間隙給出預(yù)報(bào)。如若出現(xiàn)危險(xiǎn)工況將給出合理的主動控制建議，供作業(yè)者參考。

集成控制系統(tǒng)見圖6。

圖6　集成控制系統(tǒng)示意

7結(jié)束語

以渤海某水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊的FPSO為例進(jìn)行了監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的介紹，本系統(tǒng)在監(jiān)測單點(diǎn)系泊運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，為海上作業(yè)者提供了安全運(yùn)維的配載建議，保障了海上作業(yè)安全。

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Research of Field Monitoring and Early Warning

Technology for Single Point Mooring System in Bohai

LI De-bin, YAN Ming

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

Key words: single point mooring; soft yoke; monitoring and early warning