FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)設計與實施

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

現場監(jiān)測技術作為完整性管理的重要組成部分，通過連續(xù)、實時地測量FPSO各系統(tǒng)工作狀態(tài)，可以為作業(yè)者決策提供參考依據；通過對比系統(tǒng)現場工作性能與設計指標，測量數據可驗證系統(tǒng)設計優(yōu)劣，并為今后的設計提供改進意見。目前在役FPSO使用的各類監(jiān)測系統(tǒng)尚存在一些不足之處，歷史上許多事故由于FPSO缺乏健全的現場數據，原因無法查明，對于現有FPSO結構無法進行評價并進行改進。因此，考慮建立一套長期、穩(wěn)定、有效的FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)拓撲構架設計

FPSO風險完整性管理總體拓撲見圖1。

圖1 FPSO風險完整性管理拓撲

FPSO各主要子系統(tǒng)風險管理設計要點如下。

1.1 船體結構系統(tǒng)風險管理

基于風險分析，重點關注船體系泊系統(tǒng)支撐，典型結構。

1)內轉塔單點系統(tǒng)中支撐單點主回轉軸承和系泊浮子(buoy)的結構。

2)軟剛臂單點系統(tǒng)中支撐主回轉軸承、系泊腿/錨鏈的船體結構或者單點回轉塔結構。

FPSO結構系統(tǒng)的風險管理邏輯見圖2。

圖2 FPSO結構系統(tǒng)的風險管理邏輯

1.2 單點系泊系統(tǒng)風險管理

FPSO單點系泊系統(tǒng)相對比較復雜、系統(tǒng)集成度較高，中國海域主要應用有軟剛臂式和內轉塔式兩種類型的單點裝置。

軟鋼臂式單點系泊系統(tǒng)主要包括：FPSO、軟鋼臂、錨泊系統(tǒng)和滑環(huán)系統(tǒng)等，軟鋼臂式單點系泊系統(tǒng)的關鍵風險點包括：系泊錨纜斷裂、錨纜斷絲、銹蝕，FPSO與單點碰撞，系泊腿、主軸承受力過大，電滑環(huán)振動沖擊失效等[1]。

基于風險分析和風險識別的結果，軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)的核心零部件及其相應的失效模式見表1。

表1 軟鋼臂式單點系泊系統(tǒng)失效模式

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的關鍵風險點包括：與浮筒鏈接錨纜斷裂、錨纜斷絲、銹蝕，配重丟失，主軸承受力過大，立管振動沖擊失效等[2]。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的核心零部件及其相應的失效模式見表2。

表2 內轉塔單點系統(tǒng)失效模式

單點裝置的風險主要有以下三大類：軸承部件風險管理；系泊腿/錨鏈風險管理；滑環(huán)系統(tǒng)/接口系統(tǒng)風險管理。

單點裝置的軸承部件風險管理和監(jiān)控系統(tǒng)邏輯圖見圖3，其中，驅動力矩對運動軸承的安全起最直接的影響，而氣象環(huán)境與驅動力矩大小之間也存在一定的正相關的變化趨勢(當氣象環(huán)境變惡劣時，相應的驅動力矩也會變大；但是驅動力矩變大，并不一定是氣象環(huán)境變惡劣的原因)，在實際操作中可以起到輔助判斷的作用。

圖3 軸承部件風險管理邏輯

單點裝置的系泊部件風險管理和監(jiān)控系統(tǒng)邏輯圖見圖4、5，系泊力大小對系泊部件的影響尤為重要，FPSO水平位移若過大，可能會導致FPSO發(fā)生前沖，FPSO有可能與塔體發(fā)生碰撞，或者造成yoke系統(tǒng)超載，也存在很大風險[3]。

圖4 系泊腿/錨鏈風險管理邏輯

圖5 滑環(huán)系統(tǒng)/接口系統(tǒng)風險管理邏輯

1.3 火氣系統(tǒng)風險管理

FGS系統(tǒng)由火氣監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯設備、火氣探測現場設備及其與消防系統(tǒng)、應急關斷系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、PA系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)的接口組成。

當現場的探測設備探測到火情或者可燃氣體時，位于中控的火氣控制系統(tǒng)將繼續(xù)監(jiān)測這些現場的設備設施，并采集相應的火氣信號，送到應的火氣控制系統(tǒng)的邏輯單元，通過預先設定的邏輯關系進行處理，再通過報警系統(tǒng)、應急關斷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)的接口實現相應的報警、關斷、消防和控制功能。

FPSO火氣系統(tǒng)的風險管理邏輯見圖6。

圖6 火氣系統(tǒng)風險管理邏輯

1.4 外輸作業(yè)風險管理

在外輸作業(yè)風險管理主要聚焦于FPSO與提油輪的相對運動、FPSO首搖運動，連接纜索的張力、氣象環(huán)境等風險特征量[4]。外輸作業(yè)的風險管理邏輯見圖7。

圖7 外輸系統(tǒng)風險管理邏輯

1.5 柔性軟管風險管理

柔性軟管的風險主要表現在如下方面。

1)FPSO過度水平運動導致柔性軟管過度彎曲(小于最小彎曲半徑)而受損。

2)柔性軟管外包覆層破壞。

3)柔性軟管的放空系統(tǒng)(vent port)未進行正常排放。

4)柔性軟管介質中出現腐蝕性組份(H2S)。

柔性軟管的風險管理邏輯見圖8。

圖8 柔性軟管風險管理邏輯

2 FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

主要內容包括:①監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖；②監(jiān)測系統(tǒng)設計規(guī)格書，包括傳感器和監(jiān)測儀器技術規(guī)格、監(jiān)測數據處理方法；③設計圖紙。

按照實際FPSO生產運營的要求和現有監(jiān)控技術條件，監(jiān)測系統(tǒng)的總體框圖見圖9。

圖9 風險監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 風險源辨識

根據監(jiān)測系統(tǒng)設計的總體要求，監(jiān)測系統(tǒng)應能對FPSO的重大風險源進行有效監(jiān)控，同時具有相應的預警功能，能對各種關鍵零部件的早期失效進行預警和判斷，從而避免重大事故的發(fā)生。FPSO重大風險源見表3。

2.3 功能設計

為實現上述目標，重大風險監(jiān)測系統(tǒng)設計應具備如下基本功能，見表4。

表3 FPSO重大風險源識別

表4 FPSO重大風險監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

3 FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)現場實施

通過FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結構設計與架構選擇研究結合風險監(jiān)測指標體系以及信息的采集和處理，以渤海油田現役FPSO為對象，開展FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)現場實施。該FPSO是以軟剛臂單點系泊的方式固定在工作海域，外輸作業(yè)采用串靠外輸，提油輪通過外輸大纜系泊在FPSO艉部，低壓原油通過外輸軟管輸送到外輸油輪上，外輸過程中提油輪需盡可能與FPSO保持在同一中軸線上。

在役FPSO在建造期間已針對火災、油艙等部分風險點采取相應的監(jiān)控措施，本次主要針對：①風速、風向、溫濕度等氣象;②FPSO位置及六自由度運動;③系泊系統(tǒng)姿態(tài)和受力;④外輸大纜角度及拉力;⑤穿梭油油輪位置及姿態(tài)。

風速風向、溫濕度監(jiān)測由專業(yè)測量設備完成。

FPSO位置及六自由度運動由安裝在船體上的姿態(tài)傳器和測距雷達共同實現。姿態(tài)傳感器可監(jiān)測其所在位置的X、Y、Z三個軸向的角度及方位，即FPSO艏搖、橫搖、縱搖和艏向。測距雷達安裝在FPSO MS支架頂端，朝向單點中心方向，其功能為監(jiān)測FPSO距單點中心水平距離、FPSO相對單點塔垂向高度差，由于FPSO始終繞單點中心位置運動，基于測距雷達以上功能可得到FPSO橫蕩、縱蕩、垂蕩。前者的監(jiān)測艏向功能與后者的監(jiān)測FPSO距單點中心水平距離功能可配合得到FPSO實時位置。

系泊系統(tǒng)姿態(tài)和受力通過安裝在YOKE、LINK ARM、單點塔頂部的4個姿態(tài)傳感器實現，這4個姿態(tài)傳感器可以監(jiān)測單點系泊系統(tǒng)不同位置的三軸角度，從而得到系泊系統(tǒng)姿態(tài)，并通過系泊系統(tǒng)不同位置的角度計算得到系泊系統(tǒng)受力。

外輸大纜角度、外輸油輪位置及姿態(tài)通過安裝在火炬塔朝向船艉方向的外輸視頻攝像機實現。通過對外輸視頻攝像機拍攝到的外輸油輪和外輸大纜的圖像進行識別可以準確得到以上信息。外輸大纜拉力通過讀取中控系統(tǒng)中的數據實現。

同時編制完成重大風險監(jiān)測系統(tǒng)軟件，通過軟件系統(tǒng)將不同規(guī)格、采樣頻率、數據量的設備統(tǒng)一集成并將其監(jiān)測數據運算處理后統(tǒng)一在中控展示，方便中控值班人員進行監(jiān)控。

4 結論

現場實施的FPSO重大風險監(jiān)測系統(tǒng)集成了單點系泊監(jiān)測、船體運動和姿態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、外輸監(jiān)測等功能，結合中控已有的火災監(jiān)控、工藝系統(tǒng)以及油艙數據，可以提供給用戶更豐富的報表、數據查詢等功能，在現役FPSO上開展示范性應用，可指導作業(yè)人員掌握FPSO實時狀態(tài)并給予外輸作業(yè)時的操作建議，對FPSO應對風險預防事故發(fā)生起到積極作用。