內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用

李 鵬

中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 （天津 300451）

海上浮式儲卸油裝置（以下簡稱“FPSO”）是“全海式”油田開發(fā)工程中的核心單元[1]。內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊是南中國海海域FPSO最為廣泛的系泊形式。相較于外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，其可靠性高、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)。其主要作用是將FPSO定位于預(yù)定海域，實現(xiàn)輸送井流、電力、通信等功能，同時使FPSO具有風(fēng)向標(biāo)的效應(yīng)，在海洋環(huán)境作用下受力為最小，從而保證海上定位和連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)。

通常情況下，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)的設(shè)計為100年重現(xiàn)期當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪流環(huán)境[2]，且世界各國船級社都對系泊系統(tǒng)設(shè)計采用安全系數(shù)進(jìn)行冗余設(shè)計，例如中國南海FPSO入級法國船級社所規(guī)定：采用動態(tài)計算法，破斷張力應(yīng)大于設(shè)計最大張力的1.67倍[3]。但近年來全球惡劣海況引起的系泊系統(tǒng)失效事故越來越多，為達(dá)到提前判斷和識別風(fēng)險的目的，在FPSO上加裝系泊系統(tǒng)運動與受力測量裝置，越來越受到油田作業(yè)者的重視。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)在原設(shè)計上已經(jīng)有比較高的冗余設(shè)計，但其并未考慮對系泊力等參數(shù)的監(jiān)測和預(yù)警。因此無論是國內(nèi)領(lǐng)域還是國際領(lǐng)域，都面臨監(jiān)測系統(tǒng)在原系泊系統(tǒng)上的改造設(shè)計、實踐應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化及持續(xù)改進(jìn)等問題。

經(jīng)過多年的實踐及經(jīng)驗總結(jié)，目前內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我國多艘FPSO，通過實踐的總結(jié)和歸納，并于2015年發(fā)布一項中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。從“海洋石油118”FPSO開始，系泊監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為中海油新造FPSO項目的“標(biāo)準(zhǔn)配置”，從設(shè)計理念、技術(shù)難點、標(biāo)準(zhǔn)化及持續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新等方面對系泊監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行論述（圖1）。

圖1　內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)示意圖

1　內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

1.1　設(shè)計理念

系泊監(jiān)測系統(tǒng)是一種通過在單點系泊系統(tǒng)和浮式裝置上布放信號采集裝置，將采集得到的環(huán)境、運動數(shù)據(jù)集成到系統(tǒng)終端（通常布置在FPSO的中控室中），實現(xiàn)集中顯示、存儲等功能的系統(tǒng)。與其他相關(guān)行業(yè)在線監(jiān)測不同的是，系泊系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備需要經(jīng)受惡劣環(huán)境條件的考驗，需在極端海況（如臺風(fēng)）下，實現(xiàn)系泊纜、FPSO船體等參數(shù)信息的采集保存。

面對嚴(yán)苛的使用條件，若要達(dá)到對監(jiān)測指標(biāo)全面而精準(zhǔn)的采集幾乎是不可能的。因此對采集參數(shù)的選取和權(quán)衡顯得至關(guān)重要。任何傳感器都是量程和精度權(quán)衡的結(jié)果，若要達(dá)到高精度的采集，量程往往限制在一定范圍內(nèi)；若要實現(xiàn)量程的全面覆蓋，精度往往不甚理想。因此需對系泊監(jiān)測的目的有明確地認(rèn)識，有取舍地確定采集參數(shù)和安裝方式，才能達(dá)到理想的監(jiān)測效果。

系泊監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡可能選用性能穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)成熟的傳感器，保持在惡劣環(huán)境條件作用下設(shè)備的可靠性。同時，該系統(tǒng)在各傳感器上層設(shè)置有數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)集中存儲和傳輸，并實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的運算和預(yù)警。

1.2　系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

將單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)化模塊進(jìn)行劃分，以一個典型的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)為例，針對現(xiàn)場測量信息與測量內(nèi)容的要求，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括如下幾個部分，見表1。

表1　單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

在國際海洋工程領(lǐng)域，對系泊系統(tǒng)的監(jiān)測源自完整性管理理念（圖2），特別是對水下錨泊部分的持續(xù)監(jiān)測，可以提高安全評估的準(zhǔn)確性。通過對異?，F(xiàn)象微小變化觀測的累積，可以預(yù)判失效事件，爭取更多的反應(yīng)事件，實現(xiàn)全生命周期的完整性管理。

1.3　水下系泊系統(tǒng)監(jiān)測方式對比分析

針對系泊系統(tǒng)中水下系泊腿的監(jiān)測，目前主要分為兩種方法：一是直接監(jiān)測方法，對系泊纜的拉力進(jìn)行長期的持續(xù)監(jiān)測，即通過使用內(nèi)嵌的應(yīng)變傳感器或安裝在系泊纜固定基座上的測力單元實現(xiàn)長期的測量；是間接監(jiān)測方法，對系泊纜的狀態(tài)（如傾斜角度）進(jìn)行監(jiān)測，即通過監(jiān)測系泊纜的完整性來捕捉單纜破斷的現(xiàn)象。

圖2　內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

近幾年來全球海洋工程實踐中，兩種方法均有應(yīng)用。但從工程實際結(jié)果反饋，直接監(jiān)測方法多面臨工程實施難度高、水下設(shè)備穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)路由布設(shè)困難、傳感器零點漂移等問題[5]；而間接監(jiān)測方法的實踐表明其設(shè)備穩(wěn)定性較高[6]。由于大部分設(shè)備安裝在FPSO的生活樓等非危險區(qū)，設(shè)備使用壽命較長，維護(hù)成本較低。對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)，由于錨纜與船體的連接點位于船體底部，常規(guī)的水上監(jiān)控?zé)o法實現(xiàn)對水下錨纜的傾角狀態(tài)進(jìn)行觀察（如國外應(yīng)用較多的外轉(zhuǎn)塔，系泊纜末段位于水面以上，觀察非常方便），因此間接監(jiān)測方式在內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)上的實現(xiàn)仍具有較高的難度。

系泊系統(tǒng)看似是一個非常簡單的問題，但是從現(xiàn)場監(jiān)測情況來看，它是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)問題。由于浮式平臺系統(tǒng)需要在固定海域進(jìn)行連續(xù)的長期作業(yè)，這就需要其系泊系統(tǒng)也能長期保持工作。系泊系統(tǒng)的設(shè)計壽命一般為20年，但是其可能承受百年一遇的極端條件。對于系泊系統(tǒng)狀態(tài)的識別可以從判斷其預(yù)張力是否合理和識別各錨鏈?zhǔn)欠衿茡p兩個方面入手。目前對于系泊系統(tǒng)受力測量方法主要有：

1）系泊鏈深度測量。通過在每根系泊鏈上不同深度安裝壓力傳感器，繪制擬合整條系泊鏈的懸鏈線型，根據(jù)線型的變化判斷系泊腿整體受力及工作狀態(tài)。

2）系泊鏈傾斜角度測量。根據(jù)系泊鏈角度推導(dǎo)得出系泊系統(tǒng)受力。此種方法需要建立系統(tǒng)響應(yīng)模型（SRM），并根據(jù)測量的系泊鏈角度確定系統(tǒng)整體受力。

3）系泊鏈中的張力測量。該方法是最直接的測量方法，但是由于需要在系泊鏈中嵌入張力測量元件，并使之成為荷載傳遞路徑的一部分，因此也是風(fēng)險最大的一種測量方法。

對比各種測量方法，從技術(shù)可行性、適用傳感器、運維成本等方面進(jìn)行風(fēng)險分析，見表2。

表2　不同監(jiān)測方法對比

從應(yīng)用效果和成本有效性考慮，水下系泊鏈傾角測量是相對可靠的方法。目前國際上已有多家公司開發(fā)了水下系泊鏈的角度測量設(shè)備，如Pluse Structural Monitoring公司、Falmouth Scientific公司、BMT Scientific Marine Services公司等都開發(fā)出了類似的產(chǎn)品。

2　內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化實踐效果及意義

在國外監(jiān)測技術(shù)相對成熟、應(yīng)用廣泛且新技術(shù)亦不斷涌現(xiàn)的背景下，中海油結(jié)合自身生產(chǎn)運營情況，在部分FPSO加裝了單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)。在吸收借鑒國外相關(guān)技術(shù)指南和指導(dǎo)文件的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的技術(shù)實踐，開展了單點系泊監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化工作。

通過項目實踐，從監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備選型，到現(xiàn)場安裝實施，為系泊監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化積累了經(jīng)驗。該標(biāo)準(zhǔn)的編制是在FPSO現(xiàn)場操作人員、陸地管理人員、監(jiān)測設(shè)備維護(hù)技術(shù)人員共同討論的基礎(chǔ)上完成的。例如海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的選型，就是與國家海洋環(huán)境監(jiān)測部門所依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)相一致的；而水下監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量配置，則是來自現(xiàn)場施工冗余度的經(jīng)驗教訓(xùn)；關(guān)于系泊力直接測量方法的描述，由于國內(nèi)沒有應(yīng)用案例，因此借鑒了國際石油公司、國際行業(yè)協(xié)會的項目實例作為參考。在各方共同努力下，最終申請并組織完成了海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)功能配置和技術(shù)要求》的編制工作。

在標(biāo)準(zhǔn)形成前，部分FPSO針對系泊系統(tǒng)采取了一些傳統(tǒng)的船舶衛(wèi)星定位的方式對系泊中心進(jìn)行定位。但由于沒有標(biāo)準(zhǔn)化，不同F(xiàn)PSO的管理水平和對系統(tǒng)評估的認(rèn)知程度參差不齊，有的甚至出現(xiàn)了盲目追求定位精度，卻不知可接受偏差范圍的情況。

在標(biāo)準(zhǔn)形成后，通過積極宣貫并認(rèn)真聽取反饋建議，各FPSO內(nèi)對系泊系統(tǒng)監(jiān)測的認(rèn)識水平普遍提高。在標(biāo)準(zhǔn)的促進(jìn)下，不僅可以根據(jù)位置信息判斷其水下系泊系統(tǒng)完整性，還可以進(jìn)一步對定位精度、偏差范圍的計算和水下系泊系統(tǒng)健康程度的評估進(jìn)行深入研究。因此，該標(biāo)準(zhǔn)的實施一方面為海上臺風(fēng)后恢復(fù)生產(chǎn)提供了判斷依據(jù)；另一方面也為系泊系統(tǒng)累計損傷和剩余壽命評估技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

該標(biāo)準(zhǔn)的實施為各FPSO系泊系統(tǒng)安全管理提供了統(tǒng)一的模板。每艘FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)從過去臺風(fēng)期間被動抵抗到現(xiàn)在的主動記錄，為在役FPSO的管理及未來新建FPSO的設(shè)計建造及相關(guān)領(lǐng)域提供了有效地指導(dǎo)。

3　內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用與持續(xù)改進(jìn)

為監(jiān)測和記錄南海中國海域惡劣的海洋環(huán)境對FPSO單點系泊系統(tǒng)的影響，特別是臺風(fēng)期間的環(huán)境和單點系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，陸續(xù)在“海洋石油111”、“海洋石油118”等多艘FPSO上安裝了單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)，取得了一定的應(yīng)用效果。

不可否認(rèn)，國外聯(lián)合工業(yè)項目[7]中遇到的惡劣環(huán)境導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備失效的挑戰(zhàn)，在南中國海同樣無法回避。例如“海洋石油118”FPSO系泊監(jiān)測系統(tǒng)的水下傾角傳感器共有12臺（圖3），布置在系泊鎖接頭連接件上，但在單點浮筒水下安裝過程中，由于鎖接頭連接件的運動角度過大，其中兩臺傾角傳感器失效。而在2014年臺風(fēng)“海鷗”過境期間，剩余的10臺水下傾角傳感器也全都陸續(xù)失效。后經(jīng)潛水作業(yè)，初步證實由于水下接線箱、連接電纜接頭等多處脫落，電纜多處出現(xiàn)過度彎折，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備失效。

圖3　“海洋石油118”水下傾角儀臺風(fēng)前后對比

綜合考慮水下施工經(jīng)濟(jì)性、水下設(shè)備穩(wěn)定性、系統(tǒng)維護(hù)便利性、誤差可接受程度等因素后，“海洋石油118”單點監(jiān)測系統(tǒng)采用了國際上更為廣泛接受的差分定位（Differential Global Positioning System）測量單點中心位移的方案[8]，在原水面以上系泊監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，通過后臺運算修正的方式，用單點坐標(biāo)位移反推系泊力。單點系統(tǒng)在設(shè)計建造階段，其設(shè)計中心位移即為一個重要的參數(shù)，該參數(shù)的大小直接反映錨纜張力水平。通過懸鏈線公式，已知錨點坐標(biāo)和單點中心位移，以及錨纜組成參數(shù)的情況下，可以迭代計算出錨纜張力。

此次升級將懸鏈線迭代公式封裝成為軟件（圖4），同時考慮現(xiàn)場的需要，將軟件界面進(jìn)行升級，能夠顯示動態(tài)的相對坐標(biāo)系，并增加極限位移分級警戒線，使操作更加直觀。

圖4　升級后的系泊監(jiān)測系統(tǒng)界面

臺風(fēng)期間的單點漂移數(shù)據(jù)可以為海上安全生產(chǎn)作業(yè)提供支持，也可為重大事件事后保險提供參考依據(jù)。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，同時也為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)升版積累了寶貴經(jīng)驗。

4　結(jié)論

以實踐促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與實施，以后續(xù)實踐反饋標(biāo)準(zhǔn)的升版，可以將前期項目總結(jié)的經(jīng)驗推廣給后來的使用者作為參考。依照該標(biāo)準(zhǔn)開展后續(xù)的單點系泊監(jiān)測工作，可在一定程度地避免設(shè)備選取不當(dāng)、功能不匹配等在實際工作中可能遇到的問題。讓單點監(jiān)測系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，增加系統(tǒng)冗余度，提高后續(xù)監(jiān)測設(shè)備接入的接口兼容性，對于后續(xù)工作的開展提供有價值的參考和建議。