軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用初探

張 曉，謝茂林，董 坤，徐田甜

(中海石油 (中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用初探

張 曉，謝茂林，董 坤，徐田甜

(中海石油 (中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

我國(guó)海洋石油平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，目前主要集中于固定式平臺(tái)，對(duì)于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(以下簡(jiǎn)稱FPSO)系泊系統(tǒng)監(jiān)測(cè)尚屬首次。文章針對(duì)渤海某塔型水上軟剛臂式系泊FPSO現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用做了詳細(xì)介紹，該技術(shù)對(duì)FPSO生產(chǎn)及類似系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)都具有借鑒和指導(dǎo)意義。

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船;單點(diǎn)系泊;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前我國(guó)海洋石油平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要集中于固定式平臺(tái)，對(duì)于FPSO系泊系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)尚無成熟方案，如何科學(xué)有效的對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是首要問題［1］。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)海洋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作涉及到海洋工程、電子通訊、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科，就目前而言，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上尚未有成型完善的監(jiān)測(cè)公司。本文將以軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探討如何基于國(guó)內(nèi)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及固定式平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)適應(yīng)生產(chǎn)管理需求的軟鋼臂式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為今后單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究提供參考［2－4］。

1 系泊系統(tǒng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)

基于目前我國(guó)在渤海海冰監(jiān)測(cè)及南海固定式平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合FPSO系泊系統(tǒng)特點(diǎn)，解決好以下4點(diǎn)問題，就能很好的實(shí)施對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

1)監(jiān)測(cè)信息的確定。

FPSO現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息的確定依賴于對(duì)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，以及對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)的掌握。正確的選取監(jiān)測(cè)信息，有助于及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)系泊系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行掌握。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)以及集成系統(tǒng)的建立。

目前，國(guó)際上各大石油公司對(duì)浮式生產(chǎn)設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)給予了很多的關(guān)注，一些浮式生產(chǎn)設(shè)施已經(jīng)配有全面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)對(duì)固定式平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)有了一定研究，但對(duì)于浮式結(jié)構(gòu)來說是一項(xiàng)新技術(shù)。此外，系泊方式的不同也為傳感器的選型以及安裝方式提出了不同要求。傳感器的精度與量程也應(yīng)當(dāng)在考慮經(jīng)濟(jì)因素的同時(shí)滿足系泊系統(tǒng)的力學(xué)特征。

3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集顯示技術(shù)。

數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后分析評(píng)估的基礎(chǔ)，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備多，數(shù)據(jù)量大，一方面需要保證設(shè)備在不同協(xié)議下共同采集，另一方面也需要保證采集時(shí)間的對(duì)應(yīng)性。此外，實(shí)時(shí)顯示技術(shù)也是指導(dǎo)平臺(tái)安全生產(chǎn)的硬性需求。將不同設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提取，經(jīng)分析處理后進(jìn)行顯示，便于平臺(tái)生產(chǎn)人員在極端工況下及時(shí)做出決策。

4)基于監(jiān)測(cè)的安全預(yù)警技術(shù)。

浮式生產(chǎn)裝置與固定式平臺(tái)相比，環(huán)境荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有諸多的不確定性?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)，確定不同環(huán)境荷載、工作荷載對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，可對(duì)平臺(tái)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)于極端工況盡早啟動(dòng)安全生產(chǎn)方案［5］。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

針對(duì)渤海某5萬(wàn)噸級(jí)FPSO系泊系統(tǒng)，筆者參與開發(fā)了其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該型FPSO系泊系統(tǒng)為塔型水上軟剛臂式，作業(yè)海域水深約18 m。系泊系統(tǒng)靠YOKE上質(zhì)量為約360 t的壓載箱提供回復(fù)力，保證FPSO在設(shè)計(jì)海況下系留在指定位置。FPSO主要承受海上風(fēng)、浪以及海流的影響，由于系泊系統(tǒng)的破壞主要是由環(huán)境條件和船體運(yùn)動(dòng)相互耦合作用所引發(fā)，因此可以通過環(huán)境條件監(jiān)測(cè)、船體監(jiān)測(cè)以及軟剛臂系統(tǒng)監(jiān)測(cè)來整體記錄并分析系泊系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)。將各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)分解后，該型系泊系統(tǒng)具體的監(jiān)測(cè)信息可見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)信息圖

1)風(fēng)要素監(jiān)測(cè)。

風(fēng)要素監(jiān)測(cè)主要記錄每日風(fēng)向、風(fēng)速的變化。為盡量減小船體附屬結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量造成的干擾，監(jiān)測(cè)設(shè)備置于船艏系泊支架頂部的開闊區(qū)域處。本次FPSO風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)采用SHQ－2型綜合數(shù)字氣象儀，配套的 R.M.YOUNG MODEL05103風(fēng)速傳感器具有精度高，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)每隔一分鐘存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，風(fēng)向數(shù)據(jù)以每分鐘最多出現(xiàn)的方向?yàn)樵摲昼妰?nèi)風(fēng)的主方向，風(fēng)速數(shù)據(jù)則是以特征風(fēng)速作為該分鐘的風(fēng)速值。與固定式平臺(tái)風(fēng)速測(cè)量有所不同，對(duì)于船載風(fēng)速風(fēng)向儀而言，有相對(duì)船體以及參考大地兩種不同的風(fēng)向測(cè)量方法。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)將相對(duì)風(fēng)向作為風(fēng)速監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，絕對(duì)風(fēng)向由船艏向修正得到。

2)海浪要素監(jiān)測(cè)。

海浪要素監(jiān)測(cè)主要記錄每日波高、周期的變化。目前海浪測(cè)量設(shè)備種類較多，每一類都有其適用范圍與局限性。如浮標(biāo)式波浪儀使用時(shí)須投入測(cè)量海域，易與船只發(fā)生碰撞損壞且電池續(xù)航能力有限;坐底式水聲波浪儀受水底地形、水中氣泡等因素制約，數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備維護(hù)較為困難等等?？紤]到FPSO作業(yè)海域的實(shí)際海況以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求，此次監(jiān)測(cè)先期采用了氣介式聲學(xué)測(cè)波儀。氣介式聲學(xué)測(cè)波儀主要基于空氣聲學(xué)測(cè)波原理，與水聲測(cè)波儀原理類似，但其是將傳感器置于水面以上，不受水中氣泡等因素制約，測(cè)量精度較高，同時(shí)也便于設(shè)備供電、數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)維護(hù)。波浪測(cè)量時(shí)，設(shè)備由發(fā)射換能器向水面發(fā)射窄脈沖調(diào)制的超聲波，經(jīng)水面反射后返回與發(fā)射換能器在同一位置上的接收換能器，其間經(jīng)過2L(L是指測(cè)波儀探頭到水面的距離，超聲波從探頭發(fā)出，經(jīng)水面折返接收，一共經(jīng)過2L的路程)的路程，通過聲速v以及聲波經(jīng)歷2L路程的時(shí)間T便可計(jì)算出高度(轉(zhuǎn)換后即波高)。

測(cè)波儀每小時(shí)測(cè)定一組數(shù)據(jù)，通過對(duì)每小時(shí)前17 min數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，能夠獲取到該小時(shí)內(nèi)最大波高、有義波高、平均波高及各自所對(duì)應(yīng)的周期?？紤]FPSO的運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響，選擇將測(cè)波儀安裝在距FPSO較近的固定式平臺(tái)上，且在波浪常來向無阻擋，以保證波浪測(cè)量的連續(xù)可靠性。設(shè)備分別通過2臺(tái)電腦與主網(wǎng)絡(luò)相連，每日存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄可實(shí)時(shí)獲取。

3)海流要素監(jiān)測(cè)。

海流要素監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇了Nortek闊龍 (Aquadopp Profiler)聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)。該設(shè)備是一款優(yōu)秀的淺水測(cè)量工具，探頭入水淺，盲區(qū)小，分層細(xì)，最多可給出128層水體的流速和方向，能夠滿足監(jiān)測(cè)不同水深海流情況的要求。其內(nèi)部置有溫度、壓力、傾斜、羅盤傳感器，存儲(chǔ)器以及電池，可采用在線式與自容式兩種不同的采集存儲(chǔ)方式，當(dāng)平臺(tái)上部供電、信號(hào)回傳出現(xiàn)問題時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成自容式工作方式，保證持續(xù)工作20 d以上。設(shè)備每小時(shí)向主機(jī)傳回一組數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示不同水深的流速、流向以及表層海浪方向。

4)船體運(yùn)動(dòng)要素監(jiān)測(cè)。

FPSO在風(fēng)、浪、流作用下會(huì)產(chǎn)生6自由度的運(yùn)動(dòng)，船體運(yùn)動(dòng)測(cè)量采用3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)陀螺儀以及高速微處理器。加速度計(jì)主要測(cè)量船體線加速度信息，陀螺儀用來測(cè)量船體的角速度信息。利用陀螺和石英撓性加速度計(jì)的輸出信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)航解算可以計(jì)算出載體縱搖角與橫搖角。

5)船體位置要素監(jiān)測(cè)。

船體位置要素又分為船艏向、船體相對(duì)單點(diǎn)系泊頭距離和高度。艏向測(cè)量選用GPS方式，即在平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸向上安裝2個(gè)GPS，通過2個(gè)GPS測(cè)量精確位置和基線長(zhǎng)度，解算出基線與地理北的夾角。對(duì)于船體相對(duì)單點(diǎn)系泊頭距離及高度的測(cè)量采用了GPS的實(shí)時(shí)載波相位動(dòng)態(tài)差分測(cè)量技術(shù)，將GPS基準(zhǔn)站設(shè)立在單點(diǎn)系泊頭平臺(tái)頂部，GPS移動(dòng)站設(shè)立在FPSO上?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給移動(dòng)站，移動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，給出厘米級(jí)精確的處理結(jié)果。

6)軟剛臂受力要素監(jiān)測(cè)。

軟剛臂系統(tǒng)中系泊力監(jiān)測(cè)是整個(gè)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的獲得系泊系統(tǒng)系泊力信息，是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，采用電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，通過應(yīng)變與外荷載的標(biāo)定關(guān)系來確定外荷載大小是較為常用的方式。但海洋環(huán)境下空氣中鹽度較高，很容易使得電阻應(yīng)變片腐蝕，無法進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);此外，應(yīng)變片存在較為嚴(yán)重的零漂問題，也不能保證準(zhǔn)確的測(cè)得結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。因此在海洋環(huán)境條件下保證長(zhǎng)期、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的應(yīng)變監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)關(guān)鍵問題。經(jīng)過大量資料收集和許多應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的分析比較，光纖光柵傳感器能夠很好彌補(bǔ)電阻應(yīng)變片的不足，且遠(yuǎn)距離傳輸僅僅會(huì)影響光強(qiáng)大小，并不會(huì)造成中心波長(zhǎng)的變化，因此最終選取光纖光柵應(yīng)變傳感器作為軟剛臂系泊力監(jiān)測(cè)的設(shè)備。

7)軟剛臂姿態(tài)要素監(jiān)測(cè)。

基于對(duì)軟剛臂系統(tǒng)的分析，系泊腿和YOKE的傾角幅值直接決定軟剛臂系統(tǒng)的姿態(tài)，從而影響YOKE壓載箱產(chǎn)生的回復(fù)力，因此準(zhǔn)確的測(cè)量軟剛臂系統(tǒng)的傾角可以作為分析軟剛臂受力的一個(gè)重要因素。在監(jiān)測(cè)過程中，采用了兩組傾角儀分別對(duì)軟剛臂系統(tǒng)左右兩舷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中量程為－60°～60°的傾角儀安裝在系泊腿上，量程為－30°～30°的傾角儀安裝在YOKE上。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除以上各項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息外，還在YOKE上設(shè)置攝像頭，以便在FPSO中控室及遠(yuǎn)程陸地終端上實(shí)時(shí)顯示YOKE的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有的監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)均通過信號(hào)轉(zhuǎn)換集成輸出和存儲(chǔ)在終端電腦上。通過該系統(tǒng)可及時(shí)了解FPSO運(yùn)動(dòng)情況、海洋環(huán)境參數(shù)的變化情況，以及引起的系泊力大小變化。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備布置見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布置示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

目前該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在某FPSO運(yùn)行使用近兩年，F(xiàn)PSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用給油田的生產(chǎn)和維護(hù)提供了有利的數(shù)據(jù)支持，有效保障了油田的安全生產(chǎn)。該監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)同類型FPSO監(jiān)測(cè)，特別是淺水區(qū)大型FPSO系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用都具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)該系統(tǒng)也可用于固定式平臺(tái)關(guān)鍵部位的監(jiān)測(cè)，對(duì)安全生產(chǎn)及海上平臺(tái)資產(chǎn)完整性管理都具有重要意義。

［1］GB/T 14914－2006.海濱觀測(cè)規(guī)范 ［S］.

［2］周守為.我國(guó)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置的研制與開發(fā) ［J］.中國(guó)海上油氣，2006，18(2):73－78.

［3］范模.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置淺水效應(yīng)與Y型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用 ［J］.中國(guó)海上油氣，2004，16(5):289－293.

［4］陳小弟.我國(guó)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船 (FPSO)的開發(fā)現(xiàn)狀［J］.船舶，2003(1):62－63.

［5］中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范 ［M］.北京:人民交通出版社，2004.

At present，China＇s offshore oil platform on-site monitoring is mainly used in fixed platform，while the technique is used in FPSO(floating production storage and offloading)mooring system monitoring for the first time.This paper describes in detail the development and application of soft YOKE tower-type mooring FPSO onsite monitoring system in Bohai sea，which has been an important reference for FPSO production and establishment of similar mooring system monitoring.

FPSO;single point mooring;on-site monitoring;marine environ-mental monitoring

TE95

C

1001－8328(2012)06－0053－03

張曉 (1975-)，男，天津人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)、建造和工程項(xiàng)目管理。

2012－06－21