張 曉，謝茂林，董 坤，徐田甜

(中海石油 (中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測技術(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)有限公司天津分公司，天津 300452)

我國海洋石油平臺的現(xiàn)場監(jiān)測，目前主要集中于固定式平臺，對于浮式生產(chǎn)儲油船(以下簡稱FPSO)系泊系統(tǒng)監(jiān)測尚屬首次。文章針對渤海某塔型水上軟剛臂式系泊FPSO現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用做了詳細介紹，該技術(shù)對FPSO生產(chǎn)及類似系泊系統(tǒng)的監(jiān)測都具有借鑒和指導(dǎo)意義。

浮式生產(chǎn)儲油船;單點系泊;現(xiàn)場監(jiān)測;海洋環(huán)境監(jiān)測

目前我國海洋石油平臺的現(xiàn)場監(jiān)測主要集中于固定式平臺，對于FPSO系泊系統(tǒng)整體監(jiān)測尚無成熟方案，如何科學(xué)有效的對系泊系統(tǒng)進行實時監(jiān)測是首要問題［1］。浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)海洋現(xiàn)場監(jiān)測工作涉及到海洋工程、電子通訊、計算機科學(xué)等多種學(xué)科，就目前而言，國內(nèi)和國際上尚未有成型完善的監(jiān)測公司。本文將以軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探討如何基于國內(nèi)海洋環(huán)境監(jiān)測及固定式平臺現(xiàn)場監(jiān)測的經(jīng)驗開發(fā)適應(yīng)生產(chǎn)管理需求的軟鋼臂式浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，為今后單點系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)研究提供參考［2－4］。

1 系泊系統(tǒng)監(jiān)測關(guān)鍵指標

基于目前我國在渤海海冰監(jiān)測及南海固定式平臺現(xiàn)場監(jiān)測的經(jīng)驗，并結(jié)合FPSO系泊系統(tǒng)特點，解決好以下4點問題，就能很好的實施對FPSO系泊系統(tǒng)的監(jiān)測。

1)監(jiān)測信息的確定。

FPSO現(xiàn)場監(jiān)測信息的確定依賴于對系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，以及對相關(guān)設(shè)計的掌握。正確的選取監(jiān)測信息，有助于及時準確的對系泊系統(tǒng)的運行進行掌握。

2)現(xiàn)場監(jiān)測傳感器技術(shù)以及集成系統(tǒng)的建立。

目前，國際上各大石油公司對浮式生產(chǎn)設(shè)施的現(xiàn)場監(jiān)測給予了很多的關(guān)注，一些浮式生產(chǎn)設(shè)施已經(jīng)配有全面的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。我國對固定式平臺現(xiàn)場監(jiān)測有了一定研究，但對于浮式結(jié)構(gòu)來說是一項新技術(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)當在考慮經(jīng)濟因素的同時滿足系泊系統(tǒng)的力學(xué)特征。

3)數(shù)據(jù)實時采集顯示技術(shù)。

數(shù)據(jù)的采集存儲是現(xiàn)場監(jiān)測后分析評估的基礎(chǔ)，由于現(xiàn)場監(jiān)測設(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間的對應(yīng)性。此外，實時顯示技術(shù)也是指導(dǎo)平臺安全生產(chǎn)的硬性需求。將不同設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實時提取，經(jīng)分析處理后進行顯示，便于平臺生產(chǎn)人員在極端工況下及時做出決策。

4)基于監(jiān)測的安全預(yù)警技術(shù)。

浮式生產(chǎn)裝置與固定式平臺相比，環(huán)境荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有諸多的不確定性。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評價，確定不同環(huán)境荷載、工作荷載對系泊系統(tǒng)的影響，可對平臺響應(yīng)進行預(yù)估，對于極端工況盡早啟動安全生產(chǎn)方案［5］。

2 監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

針對渤海某5萬噸級FPSO系泊系統(tǒng)，筆者參與開發(fā)了其現(xiàn)場實時監(jiān)測系統(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)計海況下系留在指定位置。FPSO主要承受海上風、浪以及海流的影響，由于系泊系統(tǒng)的破壞主要是由環(huán)境條件和船體運動相互耦合作用所引發(fā)，因此可以通過環(huán)境條件監(jiān)測、船體監(jiān)測以及軟剛臂系統(tǒng)監(jiān)測來整體記錄并分析系泊系統(tǒng)的實際狀態(tài)。將各類監(jiān)測項分解后，該型系泊系統(tǒng)具體的監(jiān)測信息可見圖1。

圖1 監(jiān)測信息圖

1)風要素監(jiān)測。

風要素監(jiān)測主要記錄每日風向、風速的變化。為盡量減小船體附屬結(jié)構(gòu)對風向風速測量造成的干擾，監(jiān)測設(shè)備置于船艏系泊支架頂部的開闊區(qū)域處。本次FPSO風向風速監(jiān)測采用SHQ－2型綜合數(shù)字氣象儀，配套的 R.M.YOUNG MODEL05103風速傳感器具有精度高，性能穩(wěn)定的特點。風向風速數(shù)據(jù)每隔一分鐘存儲一個數(shù)據(jù)，風向數(shù)據(jù)以每分鐘最多出現(xiàn)的方向為該分鐘內(nèi)風的主方向，風速數(shù)據(jù)則是以特征風速作為該分鐘的風速值。與固定式平臺風速測量有所不同，對于船載風速風向儀而言，有相對船體以及參考大地兩種不同的風向測量方法。實際監(jiān)測時將相對風向作為風速監(jiān)測的主要內(nèi)容，絕對風向由船艏向修正得到。

2)海浪要素監(jiān)測。

海浪要素監(jiān)測主要記錄每日波高、周期的變化。目前海浪測量設(shè)備種類較多，每一類都有其適用范圍與局限性。如浮標式波浪儀使用時須投入測量海域，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)備維護較為困難等等?？紤]到FPSO作業(yè)海域的實際海況以及長期監(jiān)測的要求，此次監(jiān)測先期采用了氣介式聲學(xué)測波儀。氣介式聲學(xué)測波儀主要基于空氣聲學(xué)測波原理，與水聲測波儀原理類似，但其是將傳感器置于水面以上，不受水中氣泡等因素制約，測量精度較高，同時也便于設(shè)備供電、數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)維護。波浪測量時，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路程的時間T便可計算出高度(轉(zhuǎn)換后即波高)。

測波儀每小時測定一組數(shù)據(jù)，通過對每小時前17 min數(shù)據(jù)的自動分析，能夠獲取到該小時內(nèi)最大波高、有義波高、平均波高及各自所對應(yīng)的周期?？紤]FPSO的運動對測量結(jié)果影響，選擇將測波儀安裝在距FPSO較近的固定式平臺上，且在波浪常來向無阻擋，以保證波浪測量的連續(xù)可靠性。設(shè)備分別通過2臺電腦與主網(wǎng)絡(luò)相連，每日存儲數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)遠程登錄可實時獲取。

3)海流要素監(jiān)測。

海流要素監(jiān)測設(shè)備選擇了Nortek闊龍 (Aquadopp Profiler)聲學(xué)多普勒剖面海流計。該設(shè)備是一款優(yōu)秀的淺水測量工具，探頭入水淺，盲區(qū)小，分層細，最多可給出128層水體的流速和方向，能夠滿足監(jiān)測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，存儲器以及電池，可采用在線式與自容式兩種不同的采集存儲方式，當平臺上部供電、信號回傳出現(xiàn)問題時可自動轉(zhuǎn)換成自容式工作方式，保證持續(xù)工作20 d以上。設(shè)備每小時向主機傳回一組數(shù)據(jù)，實時顯示不同水深的流速、流向以及表層海浪方向。

4)船體運動要素監(jiān)測。

FPSO在風、浪、流作用下會產(chǎn)生6自由度的運動，船體運動測量采用3個加速度計、3個陀螺儀以及高速微處理器。加速度計主要測量船體線加速度信息，陀螺儀用來測量船體的角速度信息。利用陀螺和石英撓性加速度計的輸出信號經(jīng)過導(dǎo)航解算可以計算出載體縱搖角與橫搖角。

5)船體位置要素監(jiān)測。

船體位置要素又分為船艏向、船體相對單點系泊頭距離和高度。艏向測量選用GPS方式，即在平臺的運動軸向上安裝2個GPS，通過2個GPS測量精確位置和基線長度，解算出基線與地理北的夾角。對于船體相對單點系泊頭距離及高度的測量采用了GPS的實時載波相位動態(tài)差分測量技術(shù)，將GPS基準站設(shè)立在單點系泊頭平臺頂部，GPS移動站設(shè)立在FPSO上?；鶞收就ㄟ^數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給移動站，移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，同時采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，給出厘米級精確的處理結(jié)果。

6)軟剛臂受力要素監(jiān)測。

軟剛臂系統(tǒng)中系泊力監(jiān)測是整個監(jiān)測的一個重要環(huán)節(jié)，準確、實時的獲得系泊系統(tǒng)系泊力信息，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，采用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變，通過應(yīng)變與外荷載的標定關(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，無法進行長期監(jiān)測;此外，應(yīng)變片存在較為嚴重的零漂問題，也不能保證準確的測得結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。因此在海洋環(huán)境條件下保證長期、穩(wěn)定、準確的應(yīng)變監(jiān)測是一項關(guān)鍵問題。經(jīng)過大量資料收集和許多應(yīng)變測量技術(shù)的分析比較，光纖光柵傳感器能夠很好彌補電阻應(yīng)變片的不足，且遠距離傳輸僅僅會影響光強大小，并不會造成中心波長的變化，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)測的設(shè)備。

7)軟剛臂姿態(tài)要素監(jiān)測。

基于對軟剛臂系統(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，因此準確的測量軟剛臂系統(tǒng)的傾角可以作為分析軟剛臂受力的一個重要因素。在監(jiān)測過程中，采用了兩組傾角儀分別對軟剛臂系統(tǒng)左右兩舷進行監(jiān)測。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)測系統(tǒng)除以上各項監(jiān)測信息外，還在YOKE上設(shè)置攝像頭，以便在FPSO中控室及遠程陸地終端上實時顯示YOKE的運動狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)所有的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)均通過信號轉(zhuǎn)換集成輸出和存儲在終端電腦上。通過該系統(tǒng)可及時了解FPSO運動情況、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)測設(shè)備布置見圖2。

圖2 監(jiān)測設(shè)備布置示意圖

3 結(jié)束語

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

［1］GB/T 14914－2006.海濱觀測規(guī)范 ［S］.

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

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

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

［5］中國船級社.鋼制海船入級與建造規(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、建造和工程項目管理。

2012－06－21