鋼懸鏈線立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

郭文敢，馮 猛，陳土順

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

目前，我國海洋油氣開發(fā)正處在由淺水到深水的跨越階段，南海深水油氣田的勘探開發(fā)工作越來越受重視。因此，有必要同步發(fā)展浮式生產(chǎn)裝置監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測南海海洋環(huán)境作用下的浮式生產(chǎn)裝置響應(yīng)，為建立針對南海海域的浮式生產(chǎn)裝置的數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)積累。

近年來，我國開展了一系列關(guān)于深水鋼懸鏈線立管(SCR)的理論研究，但是深水立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的國產(chǎn)化應(yīng)用工作并沒有開展。為此，本文對SCR監(jiān)測傳感器模塊的集成化、送入工具的通用化及模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，有助于實(shí)現(xiàn)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的國產(chǎn)化應(yīng)用，在SCR的全生命周期實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。

1 主要研究內(nèi)容

SCR監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究包括總體方案的研究、可回收式水下傳感器支架、可回收式水下傳感器模塊、有線安裝模塊、水下應(yīng)力傳感器、主控站的研制、測試及調(diào)試，見圖1技術(shù)路線。研究內(nèi)容主要包括以下6項(xiàng)：

(1)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析與對策研究。

(2)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

(3)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的加工工藝和質(zhì)量控制研究。

(4)可回收傳感器模塊及安裝工具的研究。

(5)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)測試技術(shù)體系與認(rèn)證技術(shù)研究。

(6)立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)國產(chǎn)化標(biāo)準(zhǔn)體系與制造規(guī)程。

圖1 技術(shù)路線

2 主要研究成果

2.1 立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成

立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)框圖見圖2。立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可分為平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心和水下傳感器部分，其中：水下部分分為有線連接的傳感器(懸掛區(qū))與無線獨(dú)立運(yùn)作型傳感器(著陸區(qū))；獨(dú)立運(yùn)作模塊由傳感器支架和傳感器模塊組成，可由水下機(jī)器人(ROV)安裝和回收。

通過對立管數(shù)值分析的研究，識(shí)別出關(guān)鍵位置，并通過對監(jiān)測方案、水上傳感器、水下傳感器模塊、水下傳感器安裝架、傳輸方式等技術(shù)研究，對立管的應(yīng)變、角度、加速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源。

Modbus RTU—一種通訊協(xié)議；230 V AC—交流電；RS485—一種通訊接口。

2.2 可回收式水下傳感器支架

由于外界因素影響，固定式傳感器支架會(huì)因立管位置的變動(dòng)導(dǎo)致其無法收集到可靠的數(shù)據(jù)。而采用可移動(dòng)/回收式傳感器支架可以更好地適應(yīng)環(huán)境，能夠根據(jù)立管位置漂移移動(dòng)至最佳位置，確保采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，便于之后的數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)傳感器類型的不同，可回收式水下傳感器支架可以分為2種類型：ROV操作型運(yùn)動(dòng)傳感器支架和ROV操作型運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變傳感器支架。

由于傳感器需要在水下安裝鎖緊，故水下操作安裝的質(zhì)量決定著設(shè)備運(yùn)行壽命。難點(diǎn)在于深水安裝時(shí)如何控制支架的姿態(tài)，以及如何回收支架和傳感器模塊。因此，需要設(shè)計(jì)一整套水下安裝流程并通過仿真模擬確認(rèn)流程的有效性。

2.2.1 ROV操作型運(yùn)動(dòng)傳感器支架

ROV操作型運(yùn)動(dòng)傳感器支架主要用于將運(yùn)動(dòng)傳感器模塊固定在立管指定位置上。支架可以通過ROV進(jìn)行安裝和調(diào)整，而傳感器可以通過ROV進(jìn)行回收。其主要結(jié)構(gòu)包括：夾爪、ROV操作接口、框架、犧牲陽極保護(hù)塊、運(yùn)動(dòng)傳感器模塊安裝筒。運(yùn)動(dòng)傳感器模塊安裝筒可以根據(jù)立管傾斜角度調(diào)整傾斜角度，達(dá)到最佳安裝位置。

2.2.2 ROV操作型運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變傳感器支架

ROV操作型運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變傳感器支架主要用于固定運(yùn)動(dòng)傳感器模塊和應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器模塊通過水下電纜相連，由運(yùn)動(dòng)傳感器模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。其主要結(jié)構(gòu)包括：夾爪、ROV操作接口、框架、犧牲陽極保護(hù)塊、運(yùn)動(dòng)傳感器模塊安裝筒、應(yīng)變傳感器。由于采用了水下電連接頭連接應(yīng)變傳感器與運(yùn)動(dòng)傳感器模塊，所以為了避免操作接頭進(jìn)水導(dǎo)致?lián)p壞，運(yùn)動(dòng)傳感器模塊不建議設(shè)計(jì)成單獨(dú)可回收式。

2.3 可回收式水下傳感器模塊

可回收式水下傳感器模塊是整個(gè)立管監(jiān)測系統(tǒng)的核心組件，其內(nèi)置多自由度運(yùn)動(dòng)傳感器、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、可更換的電源模塊、數(shù)據(jù)輸入與輸出接口等。模塊設(shè)計(jì)使用深度為3 000 m。模塊上配置ROV把手，可通過ROV下放與回收。水下傳感器模塊需要包含以下功能：多自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集、應(yīng)力數(shù)據(jù)采集(需接入應(yīng)力傳感器)、傳感器數(shù)據(jù)儲(chǔ)存(24個(gè)月不間斷數(shù)據(jù))、低功耗系統(tǒng)、長續(xù)航電池(滿足最少12個(gè)月續(xù)航)、外殼高抗腐蝕、外殼高抗壓、具備輔助供電能力、采用壓力平衡型電接頭。可多個(gè)串聯(lián)，聯(lián)合工作。

安裝在水下的傳感器模塊為獨(dú)立運(yùn)作，并在規(guī)定時(shí)間由ROV回收至平臺(tái)進(jìn)行電池更換和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。完成維護(hù)后工作可再次由ROV下放安裝在指定位置上以便繼續(xù)收集立管數(shù)據(jù)。

2.4 有線安裝模塊

有線安裝模塊固定在立管懸掛區(qū)，靠近平臺(tái)的位置上。通過帶有可濕插拔接頭的電纜連接位于平臺(tái)上的接線箱。其主要構(gòu)成為：運(yùn)動(dòng)&應(yīng)力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、傳感器固定卡箍(位置可調(diào)節(jié))、電纜固定卡箍、濕插拔接頭及電纜、陰極保護(hù)塊、水下接線箱。

多個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器首尾相互串聯(lián)，而應(yīng)力傳感器通過防水電纜連接傳感器模塊。模塊與應(yīng)力傳感器皆由扎帶綁緊在立管上。數(shù)據(jù)電纜通過水下接線箱連接臍帶纜并傳輸至平臺(tái)上的主控站進(jìn)行處理。

2.5 水下應(yīng)力傳感器

水下應(yīng)力傳感器用于測量立管曲率和應(yīng)力，同時(shí)可以在最大3 000 m水深處使用。此傳感器可以測量立管上的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，結(jié)合立管設(shè)置參數(shù)、船只運(yùn)動(dòng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)即可以對立管進(jìn)行疲勞分析和監(jiān)測。應(yīng)力傳感器主要依靠高精度應(yīng)力片進(jìn)行應(yīng)力的感應(yīng)，其現(xiàn)場表現(xiàn)和應(yīng)用記錄顯著于位移傳感器或光纖應(yīng)變計(jì)。

水下應(yīng)力傳感器至少應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)參數(shù)：最大工作水深3 000 m，測量精度7.5%，響應(yīng)頻率0～300 Hz，工作溫度0～65 ℃。

2.6 主控站

主控站內(nèi)包含了數(shù)據(jù)輸入與輸出的接口、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、電源模塊、人機(jī)界面和操作軟件。所有數(shù)據(jù)均要匯集在主控站內(nèi)，統(tǒng)一處理和分析。主控站可以將數(shù)據(jù)通過有線的方式連接外部設(shè)備，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和操作。主控站設(shè)計(jì)為防爆型，可在平臺(tái)上使用。

立管監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目的是滿足設(shè)備可靠且方便下放安裝和回收替換需求，實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境長期穩(wěn)定工作；操作系統(tǒng)可準(zhǔn)確分析傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算和顯示當(dāng)前立管疲勞參數(shù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等。

3 結(jié)語

本文通過對SCR監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究，可實(shí)現(xiàn)水下傳感器模塊、水下應(yīng)變傳感器、水下傳感器安裝架、安裝送入工具及輔助配套工具等的國產(chǎn)化，有助于SCR監(jiān)測預(yù)警的國產(chǎn)化應(yīng)用，為后續(xù)南海深水油氣田的開發(fā)提供借鑒，并為深水SCR數(shù)字孿生的建立提供數(shù)據(jù)支持，從而促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。