樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在海上某平臺(tái)的首次應(yīng)用

付海軍

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)機(jī)塔筒、海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿等載體的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)量中相對(duì)位移量、角度量、簡(jiǎn)諧振動(dòng)量及傾斜度等各類監(jiān)測(cè)參數(shù)的在線健康監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)被測(cè)海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的水平絕對(duì)位移和相對(duì)位移及角度量。系統(tǒng)抗外界電磁干擾能力強(qiáng)、承受沖擊震動(dòng)能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種惡劣海洋運(yùn)行環(huán)境[1]。非接觸式安裝的優(yōu)勢(shì)使其具有卓越的系統(tǒng)集成性及安裝的便利性及快速性，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的相對(duì)位移及異常振動(dòng)、角度變化量等。

1 系統(tǒng)介紹

海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿受石油平臺(tái)的甲板上各設(shè)備載荷自重、各種風(fēng)流、冰流、波浪流、海洋流等多種復(fù)雜載荷作用，會(huì)出現(xiàn)一定程度的搖擺與扭曲。通過樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)樁腿的載荷、振動(dòng)、傾斜、角度等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)樁腿的傾斜、過載、早期表面損傷等早期故障并發(fā)出警報(bào)，從而避免海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的深度損傷、失效等一系列潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)組成

海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿加速度計(jì)、角度傳感器的布置一般布置在各樁腿的中上部分，主要由高精度石英撓性加速度計(jì)、角度傳感器及上位機(jī)及樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件兩部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.1 加速度計(jì)主要參數(shù)

本體外形尺寸為73mm×65mm×25mm（長(zhǎng)×寬×高），安裝孔尺寸為62mm×54mm，孔位Φ3.4mm×5mm。加速度計(jì)主要集成高精度Mems 傳感器，該傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量被測(cè)樁腿的加速度矢量。加速度計(jì)的設(shè)計(jì)是基于慣性導(dǎo)航的算法，可以對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。加速度計(jì)能夠測(cè)量被測(cè)樁腿周期振動(dòng)信號(hào)的相對(duì)位移，直接輸出樁腿的相對(duì)位移量及角度量，并能夠分析被測(cè)樁腿的晃動(dòng)頻率和幅值。加速度計(jì)的各信號(hào)可通過RS485 通訊口、標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU 通訊協(xié)議傳輸給樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或第三方系統(tǒng)。加速度計(jì)采用防水防爆外殼，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66，防爆等級(jí)達(dá)到EXDE 2CT4，采用強(qiáng)磁及強(qiáng)力膠的安裝方式。

2.2 角度傳感器主要參數(shù)

本體外形尺寸為73mm×65mm×25mm（長(zhǎng)×寬×高），安裝孔尺寸為62mm×54mm，孔位Φ3.4mm×5mm。加速度計(jì)主要集成高穩(wěn)定核心重力場(chǎng)測(cè)量模組，內(nèi)置核心最優(yōu)干擾濾波器，可以實(shí)時(shí)測(cè)試被測(cè)樁腿水平傾角，精度高達(dá)0.002°，溫度漂移系數(shù)高達(dá)0.0002°/℃。角度傳感器的各信號(hào)可通過RS485 通訊口、標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU 通訊協(xié)議傳輸給樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或第三方系統(tǒng)。角度傳感器采用防水防爆外殼，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66，防爆等級(jí)達(dá)到EXDE 2CT4，采用強(qiáng)磁及強(qiáng)力膠的安裝方式。

2.3 多串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器

多串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器接頭采用接線端子的方式，其串口數(shù)量可按實(shí)際需求進(jìn)行選擇，支持4、6、8 個(gè)端口供選擇，串口支持多種標(biāo)準(zhǔn)波特率BPS，包括4800、9600、19200、38400、57600、115200、230.4k、460.8k、921.6k，其數(shù)據(jù)位可選擇5、6、7、8，其停止位可選1、1.5、2，其校驗(yàn)位可選無(wú)、偶、奇、Space、Mark 等。多串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器采用XON/XOFF 的流量控制、2kV 光電隔離保護(hù)，其RS-485 上拉電阻和下拉電阻可選1kΩ 或150kΩ，其數(shù)據(jù)流向采用自動(dòng)控制方式，并配置120Ω 終端電阻。

2.4 樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

客戶端運(yùn)行環(huán)境支持linux、Ninux 操作系統(tǒng)，支持Ubuntu Kylin?？蛻舳艘筮\(yùn)行內(nèi)存≥6G，CPU ≥1MHz，存儲(chǔ)空間≥1T。樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是由服務(wù)端和客戶端組成的 C/S 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)采集，無(wú)延時(shí)、穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，能夠?qū)I(yè)的數(shù)據(jù)圖形化，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)分析、報(bào)表生成等功能。

樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件基于定位定向技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案存在的不足，實(shí)現(xiàn)了樁腿位移量及角度變化量的智能監(jiān)測(cè)及預(yù)警[2-4]，創(chuàng)新了樁腿的安全監(jiān)測(cè)及保障方式，強(qiáng)化了樁腿的安全運(yùn)行監(jiān)督，優(yōu)化了樁腿的安全運(yùn)行方式。實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)樁腿位移量及角度變化量，完成加速度計(jì)及角度傳感器的Slave 地址分配、初始值校準(zhǔn)、位移量及角度變化量的顯示及曲線趨勢(shì)、預(yù)警及報(bào)警等綜合管理，由此得出樁腿的位移量及角度變化量，系統(tǒng)具備豐富的圖譜顯示功能，主要功能包括實(shí)時(shí)測(cè)量位移量和角度變化量、Slave 地址分配、初始值校準(zhǔn)、報(bào)警閾值設(shè)定、報(bào)警顯示、曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)、日志查詢等。

3 系統(tǒng)性能

3.1 測(cè)量?jī)?nèi)容

位移傳感器可記錄3 個(gè)位置信息，即X 軸、Y 軸、Z 軸位移。角度傳感器可以記錄3 個(gè)角度信息，即X 軸、Y 軸、Z 軸傾角。位移傳感器和角度傳感器自帶報(bào)警信息收發(fā)功能，帶毫秒級(jí)的SOE 事件記錄，并支持北斗發(fā)報(bào)文進(jìn)行報(bào)警。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)可以直接輸出被測(cè)樁腿的相對(duì)位移量、角度量，通訊方式支持多種波特率及輸出頻率，系統(tǒng)可以獲取北斗衛(wèi)星信號(hào)，系統(tǒng)的冷啟動(dòng)搜星時(shí)間不超過60s，可秒級(jí)解算GPS 數(shù)據(jù)和六自由度運(yùn)動(dòng)信息，其位置解算頻率精度不低于2Hz，姿態(tài)結(jié)算頻率精度不低于200Hz。系統(tǒng)具備頻譜圖實(shí)時(shí)解算，其原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大于20G。系統(tǒng)也可以支持單模和多模光纖數(shù)據(jù)傳輸，且單個(gè)傳感器功耗小于20W。

3.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

相對(duì)位移測(cè)量精度為水平X 方向達(dá)到5mm+4%，相對(duì)位移測(cè)量精度水平Y(jié) 方向達(dá)到5mm+2%，相對(duì)位移測(cè)量帶寬為0.1 ～4Hz，水平姿態(tài)測(cè)量精度達(dá)到0.1°，角度傳感器測(cè)試精度達(dá)到 0.1°。系統(tǒng)的采樣頻率高于50Hz，其更新頻率為1Hz。水平加速度測(cè)量精度達(dá)到600ug，水平振動(dòng)加速度測(cè)量帶寬達(dá)到100Hz；系統(tǒng)開機(jī)首次搜星鎖定時(shí)間小于60s，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)搜星鎖定時(shí)間小于20s，通信能力達(dá)到每分鐘70 字節(jié)。

3.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)采用全光探測(cè)，不受電、磁、氣等的干擾，可進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量，系統(tǒng)無(wú)零點(diǎn)漂移，無(wú)需再進(jìn)行二次校準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少、集成度高、通訊接口少、安裝施工簡(jiǎn)單，具備低成本、實(shí)時(shí)性好、價(jià)比高、生命周期長(zhǎng)、后期維護(hù)量小的優(yōu)勢(shì)。

4 系統(tǒng)功能

樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)字化、智能化、無(wú)人化的智能運(yùn)維思路，依托加速度計(jì)測(cè)量樁腿的位移量、角度傳感器測(cè)量樁腿的角度量，對(duì)采集的樁腿的位移量、角度量等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和識(shí)別。依托高精度、高可靠性、高性能的加速度計(jì)測(cè)量海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、加速度矢量、角度變化量，實(shí)現(xiàn)海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的位移量、角度量早期故障的識(shí)別。根據(jù)海上石油鉆井平臺(tái)的實(shí)際情況，結(jié)合海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的制造、運(yùn)輸、安裝和海洋運(yùn)行環(huán)境下的歷史數(shù)據(jù)建立人工智能訓(xùn)練識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，通過人工智能訓(xùn)練識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)故障庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)高性能邊緣計(jì)算處理單元對(duì)海上石油鉆井平臺(tái)的樁腿的位移量、角度量進(jìn)行智能故障預(yù)警及告警[5-7]。為方便海上石油鉆井平臺(tái)的相關(guān)電氣專業(yè)人員可以直觀、快速查看樁腿位移量、角度量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量結(jié)合數(shù)據(jù)波形的方式將樁腿的位移量、角度量實(shí)時(shí)顯示在客戶端的主畫面上。樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前樁腿的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)，以系統(tǒng)整體可靠性最高及總體檢修成本最低為最終優(yōu)化方向，通過將定期檢修檢查轉(zhuǎn)換為狀態(tài)檢修檢查的方式，減少海上石油鉆井平臺(tái)樁腿過檢、漏檢的情況。

樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高精度、高可靠性、高性能的加速度計(jì)和角度傳感器，不同于傳統(tǒng)電信號(hào)傳感器，不受電磁及海洋環(huán)境的干擾，數(shù)據(jù)傳輸高效可靠、數(shù)據(jù)傳輸損耗小，在惡劣的高腐蝕、高浸泡的海洋環(huán)境下仍能正常使用，且正常使用壽命可達(dá)20 年，彌補(bǔ)了一般電信號(hào)傳感器需要半年或一年進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定及校訂的缺點(diǎn)。樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主監(jiān)控畫面如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

5 結(jié)語(yǔ)

該平臺(tái)通過樁腿位移量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)樁腿信息孤島的方式、解放了海上石油鉆井平臺(tái)的電氣專業(yè)人員的人力和工作時(shí)間，通過分類采集海上石油鉆井平臺(tái)樁腿的加速度計(jì)、角度傳感器等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)判斷、輸出結(jié)果的全分析和全判斷過程，采集和監(jiān)測(cè)海上石油鉆井平臺(tái)樁腿的X 軸、Y 軸、Z 軸絕對(duì)位移量，X 軸、Y 軸、Z 軸傾角量等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)海上石油鉆井平臺(tái)樁腿狀況的智能化監(jiān)測(cè)和管理，縮短海上石油鉆井平臺(tái)的電氣專業(yè)人員員查找故障點(diǎn)的時(shí)間，提高查找故障點(diǎn)的工作效率，將常規(guī)的定期檢修提升到狀態(tài)檢修，減少檢修時(shí)間。