姿態(tài)監(jiān)測在海上吊裝作業(yè)的應用

匡 楊 王 燕 秦立成 李 鵬 王振興 張博文

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 概述

從目前世界上的油氣地質(zhì)資源勘探情況來看，海洋里的石油儲量所占比重越來越大。隨著我國努力發(fā)展為海洋強國的戰(zhàn)略思想，石油的開采也將逐漸走向海洋，在我國近海海域仍然采用導管架固定式平臺，而固定式平臺的安裝方式主要為吊裝。海洋工程的建設中，施工現(xiàn)場環(huán)境復雜多變，吊裝作業(yè)的施工船舶會受到海上波浪、海流、潮汐、臺風等復雜多變的外力作用，而這些外力也都同樣對船舶的穩(wěn)定性進行著考驗，吊裝船舶的穩(wěn)定性直接影響被吊物體的穩(wěn)定性，被吊物體的水平傾角情況會改變。所以，被吊物體姿態(tài)的實時監(jiān)測是非常重要的，是保證工程安全進行的重要手段[1-5]。吊裝作業(yè)過程中被吊物體的姿態(tài)實時監(jiān)測，能夠?qū)崟r監(jiān)測被吊物體的橫搖/縱搖雙軸方向的傾角，為海上吊裝作業(yè)順利進行提供了數(shù)據(jù)支持。本文結(jié)合以往吊裝監(jiān)測項目，介紹了姿態(tài)傳感器在海上吊裝作業(yè)的應用以及吊裝過程中的主要作用，可供類似項目參考。

2 項目介紹

2.1 FPSO主要參數(shù)

此項目FPSO船體總長約為225.80 m、水線間長為246.25 m、船體型寬48.9 m、型深26.6 m、設計吃水為17.5 m、排水量約為192 416 t。

2.2 下轉(zhuǎn)塔主要參數(shù)

被吊物體為FPSO下轉(zhuǎn)塔，下轉(zhuǎn)塔主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)塔總重約為1 159 t，轉(zhuǎn)塔的最外圍尺寸半徑約為8.25 m的塔體；FPSO下轉(zhuǎn)塔的主要作用和其他單點系泊一樣，是為了將FPSO用某種鏈接方式固定在海上某個位置，使FPSO能夠隨風、浪、流和潮汐的作用下進行360°的自由旋轉(zhuǎn)，來減少風浪所產(chǎn)生的破壞力，從而降低系統(tǒng)在外界風浪流的干擾作用下的環(huán)境荷載和運動響應。因此下轉(zhuǎn)塔的安裝精度對于FPSO后期的使用非常重要；此項目為了保證下轉(zhuǎn)塔后期的正常使用，因此下轉(zhuǎn)塔安裝有著高精度的要求，水平方向X/Y軸就位誤差不得超過0.2°。如果只是通過指揮人員肉眼的觀察是不可能達到這個精度的，所以整個吊裝過程都進行了姿態(tài)實時監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測技術(shù)要求

1)在下轉(zhuǎn)塔吊裝入月池過程中，測量下轉(zhuǎn)塔水平面X和Y兩個方向上的水平度，水平度誤差不超過0.1°，測量間隔不超過1 s；2)測量結(jié)果通過無線信號，傳輸?shù)轿挥贔PSO月池口甲板的顯示器，顯示器上能實時顯示下轉(zhuǎn)塔與月池壁的間距和下轉(zhuǎn)塔水平度；3)測量和信號傳輸設備可通過臨時放置在下轉(zhuǎn)塔的電源供電。

3 姿態(tài)實時監(jiān)測儀器設備

3.1 高精度雙軸傾角傳感器

本次姿態(tài)實時監(jiān)測采用高精度雙軸傾角傳感器，測量精度為0.1°，分辨為0.01°，量程為±90°。數(shù)據(jù)輸出形式為RS232/RS485能夠更好的兼容數(shù)據(jù)采集軟件(見圖1)。

3.2 無線傳輸電臺

由于本次吊裝需要做的數(shù)據(jù)實時采集和顯示給吊裝船的指揮人員，雙軸傾角傳感器安裝在被吊模塊上，因此需要用無線傳輸電臺將數(shù)據(jù)實時傳送回采集端。無線傳輸電臺工作頻段：410 MHz～441 MHz，空中速率：0.3 kbps～19.2 kbps，通訊接口和傳感器一樣都為RS232/RS485可選。

3.3 傳輸天線

根據(jù)吊裝船位的調(diào)整，在吊裝圖紙上量取最大距離在500 m左右，因此本次吊裝監(jiān)測采用了傳輸距離3 km的鞭狀天線，空中速率為0.3 kbps～19.2 kbps，可根據(jù)項目需求采用不同的天線匹配無線電臺的使用。

4 姿態(tài)實時監(jiān)測軟件

姿態(tài)實時監(jiān)測軟件具有良好的兼容性，能夠安裝在Win7和Win10系統(tǒng)下；同時，操作界面也比較簡單，選定通訊數(shù)據(jù)串口點擊打開，軟件上就能實時顯示該組傳感器的測量值。軟件中串口參數(shù)設置采取默認設置。

吊裝姿態(tài)監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)顯示界面經(jīng)過多次優(yōu)化，數(shù)據(jù)可以實時通過數(shù)值顯示以及1 h內(nèi)的時程曲線來實時顯示姿態(tài)監(jiān)測數(shù)值；同時為了更直觀的顯示轉(zhuǎn)塔的姿態(tài)傾角情況軟件特意增加了模擬氣泡，來對姿態(tài)的傾角值進行實時顯示，可以在屏幕中直接得到數(shù)據(jù)；模擬氣泡會根據(jù)傾角值的變化而運動，能夠給吊裝指揮人員提供更直觀的顯示，軟件中的模擬氣泡如圖2所示，氣泡的位置很容易觀察出來。

軟件能夠?qū)崟r顯示的數(shù)據(jù)進行儲存，同時能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行分析，計算得出某段時間的最大、最小和平均值，數(shù)據(jù)儲存時長和統(tǒng)計數(shù)據(jù)時長都可以根據(jù)客戶需求進行設置，也可以根據(jù)項目的需求而改變參數(shù)。軟件還設置了數(shù)據(jù)回放功能，能夠?qū)Υ娴臄?shù)據(jù)選擇某一時間段進行回放；方便業(yè)主對吊裝過程中關(guān)鍵時間點的監(jiān)測數(shù)據(jù)掌握。

5 實時監(jiān)測過程

實時監(jiān)測過程主要包括：XY軸向的確定、傳感器的安裝固定、無線傳輸電臺的安裝、吊裝監(jiān)測前測試、數(shù)據(jù)的實時顯示。

1)XY軸向的確定。為了更加準確的對被吊物體雙軸傾角的實時監(jiān)測，需要將高精度傾角傳感器安裝在下轉(zhuǎn)塔的某一水平層的中心位置；因此在安裝傳感器之前我們根據(jù)FPSO方向來確定好轉(zhuǎn)塔的X和Y兩個軸的方向(沿船長方向為X軸，船頭指向船尾為正向；沿船寬方向為Y軸，船中指向右舷為正向)，以便在整個吊裝監(jiān)測過程中指揮人員快速發(fā)出指示來調(diào)平轉(zhuǎn)塔姿態(tài)。

2)傳感器的安裝固定。為了吊裝監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，需要將姿態(tài)傳感器安裝在提前測量好的下轉(zhuǎn)塔的某一水平層的中心位置；同時需要確保傳感器和下轉(zhuǎn)塔緊密固定，保證傳感器不會隨著吊裝過程滑動而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)。為了項目的順利進行傳感器至少提前一天安裝固定在下轉(zhuǎn)塔指定位置。由于吊裝過程下轉(zhuǎn)塔無法提供供電，所以傳感器采用12 V電池供電，同樣需要將電池固定好并與姿態(tài)傳感器連接好，接通電源傳感器進入休眠狀態(tài)，只有接收到軟件發(fā)出的測量指令才會開始測量，在休眠過程中傳感器耗電極低，從而確保整個吊裝監(jiān)測過程姿態(tài)傳感器的供電。

3)無線傳輸電臺的安裝。吊裝監(jiān)測采用無線傳輸模式來達到數(shù)據(jù)實時顯示在軟件上；為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膶崟r性，必須保證數(shù)據(jù)的發(fā)射端和接收端通訊暢通，因此我們將無線傳輸電臺和天線安裝在了被吊物的頂部，盡量避免遮擋以防信號傳輸中斷，從而避免了無線通訊中斷造成的數(shù)據(jù)丟失。

4)吊裝監(jiān)測前測試。為了確保整個監(jiān)測過程的順利進行，在正式吊裝監(jiān)測之前，會對姿態(tài)傳感器、無線傳輸電臺以及監(jiān)測軟件進行幾小時的穩(wěn)定測試。前期制定監(jiān)測方案時考慮到傳感器安裝位置會存在固有的微小傾角，軟件特意設計了類似清零功能，將安裝位置固有的傾角測量出來并在軟件中清零，后續(xù)的傾角變動以開始測量的值為基準，這樣能消除安裝位置非水平給監(jiān)測帶來的影響，保證了測量的準確性，也易于人員觀察，提高了工作效率。

5)數(shù)據(jù)的實時顯示。吊裝姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過各種形式呈現(xiàn)在監(jiān)測軟件中，指揮人員可以通過軟件顯示的數(shù)據(jù)來判斷下轉(zhuǎn)塔X軸Y軸的傾角，如果出現(xiàn)姿態(tài)不平的情況可以通過調(diào)整單個吊鉤的升降速度來調(diào)整下轉(zhuǎn)塔的姿態(tài)使其達到要求的安裝精度；這個作用是這次吊裝監(jiān)測的主要目的。

6 結(jié)語

在海上吊裝作業(yè)過程中采用被吊物體姿態(tài)的實時監(jiān)測，吊裝作業(yè)的指揮人員能夠獲得被吊物體的橫搖/縱搖雙軸方向傾角的實時監(jiān)測值，從而指揮吊機操作員進行調(diào)平操作；吊裝過程的姿態(tài)監(jiān)測也為海上吊裝作業(yè)順利進行提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

隨著技術(shù)的發(fā)展吊裝實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)也可以實時同步到手機或者電腦端，專家可以通過數(shù)據(jù)進行遠程指揮操作；同時姿態(tài)傳感器也可以配合其他傳感器共同使用來滿足吊裝過程中更多的監(jiān)測需求。