內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

李 鵬，田冠楠，嚴 明

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

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內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

李 鵬，田冠楠，嚴 明

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

為在臺風等惡劣海況下采集環(huán)境條件數(shù)據(jù)，分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)的載荷與FPSO運動響應(yīng)，在海洋石油111上建立監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕捉到2015年某臺風過境期間的數(shù)據(jù)，與系泊系統(tǒng)設(shè)計生存工況對比，評估臺風對系泊系統(tǒng)的影響。

FPSO;系泊監(jiān)測；臺風；載荷

近年來，隨著全球惡劣海況突發(fā)事件越來越多，對系泊在固定海域無法避開惡劣海況的FPSO、FSO增加系泊系統(tǒng)運動與受力測量裝置，越來越受到油田作業(yè)者的重視。從國際國內(nèi)系泊系統(tǒng)運動與受力測量的工程實施實踐中，使用最多的是以一種錨纜傾角裝置測出錨纜角度，從而監(jiān)控錨纜運動狀態(tài)和推算系泊受力的方法應(yīng)用最為廣泛[1]。

目前，常用的監(jiān)測系統(tǒng)是將各個監(jiān)測儀器通過合理的架構(gòu)集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，在FPSO、半潛平臺、TLP平臺等大型海洋結(jié)構(gòu)物中都得到了應(yīng)用[2]。然而在臺風等重大風險來臨前，通常需要生產(chǎn)關(guān)停和人員撤離，監(jiān)測系統(tǒng)沒有電力供應(yīng)也不再繼續(xù)工作，無法采集臺風期間數(shù)據(jù)，再由于臺風期間風速較大、海浪猛烈經(jīng)常打壞監(jiān)測設(shè)備，因此臺風期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)采集和如何保障設(shè)備儀器能在風高浪急的環(huán)境下正常運轉(zhuǎn)就成為主要難點。

因此，以某位于南海海油內(nèi)轉(zhuǎn)塔型FPSO為研究載體，在其上安裝一套可以在臺風期間連續(xù)工作的系泊監(jiān)測系統(tǒng)，并在2015年臺風過境期間采集到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記錄與FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計工況進行對比，評判了臺風的烈度和對系泊系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，為臺風后的恢復(fù)生產(chǎn)提供了保障[3]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成及現(xiàn)場應(yīng)用

監(jiān)測系統(tǒng)將測量單點系泊系統(tǒng)的臨界負載和相關(guān)的傾角，測量FPSO附近的環(huán)境荷載數(shù)據(jù)以及 FPSO的動態(tài)運動。儀表和設(shè)備將獲得的數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器，并對測量結(jié)果進行處理和保存。

FPSO 和單點系泊系統(tǒng)將安裝一套性能監(jiān)測系統(tǒng)，主要測量內(nèi)容包括如下部分：

1)風速和風向，波高、波向和周期，海流剖面流速和流向。

2)FPSO 6自由度運動。

3)單點位置。

4)系泊鏈受力。

5)甲板上浪視頻監(jiān)控。

除了錨泊鏈受力以外，其余監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)將在中控室中實時顯示。針對現(xiàn)場測量信息與測量內(nèi)容的要求，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下幾部分。

1)海洋環(huán)境測量系統(tǒng)。①風速風向測量；②海流流速和流向剖面測量；③海洋波浪參數(shù)測量。

2)FPSO運動和位置測量系統(tǒng)。①FPSO艏向測量；②FPSO運動姿態(tài)和位置測量；③FPSO單點位置測量。

3)系泊受力測量系統(tǒng)。錨鏈受力測量。

4)在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。甲板上浪監(jiān)控。

各測量子系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)上傳到中控室集成數(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。另一方面，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將可以根據(jù)預(yù)報的作業(yè)海況和FPSO裝載等信息，調(diào)用預(yù)報系統(tǒng)得到FPSO運動和系泊預(yù)報響應(yīng)，給作業(yè)者提供一定的安全預(yù)警，見表1。

表1 監(jiān)測參數(shù)及其所使用的儀器

監(jiān)測系統(tǒng)包括海洋環(huán)境測量、FPSO運動和位置測量、系泊鏈受力測量和甲板上浪監(jiān)控4個部分，涉及到測量、采集、傳輸、存儲和處理等方面內(nèi)容。為了滿足無外部供電情況下至少維持7天正常工作，系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計都應(yīng)遵循低功耗的原則，系統(tǒng)組成及布置位置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)集成示意

2 系泊力測量理論基礎(chǔ)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)在物理概念上均可將其視為質(zhì)量—彈簧、低阻尼、強迫振蕩的系統(tǒng)。一般由8～9根系泊錨鏈線組成，有的將系泊錨鏈線均分布置，有的則分配為3～4組，每組2～3根，以增大特定方向的系泊力。每根錨鏈線由錨鏈、錨纜、接頭、配重等組成，其工作狀態(tài)是從單點浮筒至海底觸地點，形成一根懸鏈線。如圖2所示，單點浮筒與FPSO船底固定，F(xiàn)PSO的波頻運動和低頻運動，會作用到懸鏈線的頂端，當FPSO遠離平衡點運動，一組錨鏈頂端受到牽引，使得整條錨鏈線變的張緊，產(chǎn)生恢復(fù)力，而對面一組錨鏈頂端拉近，使得整條錨鏈線變的松弛。一張一弛，反映到懸鏈線的某點，即為水平夾角的變化[4]。

對于目標船的系泊系統(tǒng)可以采用經(jīng)典的懸鏈線理論描述。假定海床是平坦的，纜線只在平面內(nèi)運動，忽略纜線的彎曲剛度和動力響應(yīng)，取圖3所示的一段單元做受力分析，D和F分別為作用在單元垂向和切向上的單位長度水動力。w是纜線的單位長度濕重，A是纜線的截面積，E是彈性模量，T是纜線內(nèi)的張力。

圖2 FPSO運動引起系泊系統(tǒng)產(chǎn)生回復(fù)力示意

忽略系泊鏈的彎曲剛度和動力響應(yīng)，可以得到考慮彈性變形的單組份懸鏈線方程組：

(1)

圖3 懸鏈線微單元受力示意

在船舶與海洋工程應(yīng)用中，通常懸鏈線理論可以用來快速估計作用在浮體上的水平恢復(fù)力H與浮體的水平坐標x之間的變化關(guān)系曲線?；蛘呓o定纜線張力的垂直分量V，需要確定纜線的拉伸狀態(tài)。一般來說，在纜線的計算分析中，纜線的總長度ST，單位長度濕重w，和懸垂長度的垂向投影分量Z為已知。然后就可以給定X、H、V中的任意一個來求其余的未知量。纜線頂端最后的

在實際應(yīng)用中，需要在每根系泊錨纜的已知位置安裝一臺傾角儀，同時通過安裝在FPSO的壓力傳感器或衛(wèi)星定位設(shè)備獲取系泊纜頂端的吃水。通過迭代計算出每根系泊纜的張力，實現(xiàn)從傾角到系泊力的換算[5]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場安裝設(shè)備見圖4，各測量裝置將測量結(jié)果上傳到中控室的數(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。另一方面，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將可以根據(jù)預(yù)報的作業(yè)海況和FPSO裝載等信息，調(diào)用預(yù)報系統(tǒng)得到FPSO運動和系泊預(yù)報響應(yīng)，給作業(yè)提供一定的安全預(yù)警[6]。

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備安裝位置示意

針對水下錨纜傾角采集和浪流數(shù)據(jù)采集，在FPSO水下及周邊平臺分別動用了潛水員進行了設(shè)備安裝，見圖5。

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備安裝

4 臺風期間數(shù)據(jù)記錄及分析

2015年10月3日， 第22號臺風“彩虹”路徑番禺油田，海洋石油111FPSO執(zhí)行了關(guān)停避臺程序。監(jiān)測系統(tǒng)在人員撤離后持續(xù)工作，并捕捉到了臺風信息。此次臺風過境氣象部門預(yù)報中心風力10級，最大風速28 m/s，經(jīng)氣象部門跟蹤和現(xiàn)場實測，該臺風中心路徑并未直接襲擊該油田。

圖6 波浪實測曲線

圖7 海流實測曲線

水下安裝的浪流儀反饋數(shù)據(jù)，波高平均值為4.7 m，波向158.6°其中有義波高最大值6.28 m，最大波高最大值11.65 m。而水下瞬時流速最大達到1.26 m/s。

圖8 實測風速

風速平均值為16.3 m/s，風向主要集中在0°附近；風速最大值25.8 m/s，出現(xiàn)在2015-10-03 18:39。與最大浪高出現(xiàn)時間接近，符合風浪相關(guān)性。

圖9 實測系泊力

圖10 實測船體橫搖

臺風過境期間，系泊錨纜平均系泊力最大值為4 162.8 kN，而系泊拉力設(shè)計最大值約為10 000 kN，可以判斷本次臺風雖然中心風力較強，但由于只是掃略番禺油田，對FPSO水下系泊系統(tǒng)并無較大影響。

5 結(jié)論

通過對臺風期間FPSO系泊系統(tǒng)的運動受力以及所處環(huán)境條件的監(jiān)測，可以幫助判斷FPSO系泊系統(tǒng)的損傷程度，臺風期間的數(shù)據(jù)可以為海上安全生產(chǎn)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，也可為重大事件事后保險提供參考依據(jù)，同時針對海上現(xiàn)場實施長期的監(jiān)測和數(shù)據(jù)跟蹤，可以為后續(xù)新系統(tǒng)設(shè)計提供良好的建設(shè)性反饋。

[1] 李偉峰，史國友，李偉，楊家軒.轉(zhuǎn)塔式FPSO單點系泊系統(tǒng)受力計算方法[J]，重慶交通大學(xué)學(xué)報，2012，31(2)：353-356.

[2] Martin. Full-Scale Monitoring MARCO POLO[R].Houston JIP report，2004.

[3] 亓俊良，F(xiàn)PSO單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]，中國海上油氣，2014，26(A01):31-34.

[4] 黃佳，范模，王忠暢，梁文洲，李達，王麗勤.南海單點系泊系統(tǒng)故障分析[J]，船海工程，2015,44(5)：88-92.

[5] 溫寶貴.單點系泊系統(tǒng)的運動和受力[J]，中國海上油氣，1989(6):51-58.

[6] 劉應(yīng)中，繆國平．船舶在波浪上的運動理論[M]上海：上海交通大學(xué)出版社，1986.On Application of Mooring Monitoring of Internal Turret Mooring System

LI Peng, TIAN Guan-nan, YAN Ming

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

To make an environment record during typhoon, and research on the load of mooring system and the motion of FPSO, a mooring motoring system was established on HYSY 111 FPSO. The datum recorded during a typhoon in 2015 was compared with the data of designed survive case, so as to estimate the influence of typhoon upon the mooring system.

FPSO; mooring monitoring; typhoon; load

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.015

2016-07-10

工信部項目(E-J214A004.01)

李鵬(1984—)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0058-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋結(jié)構(gòu)物水動力性能

E-mail:lipeng9@cnooc.com.cn