劉莉峰，趙玉梁

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津300452)

FPSO單點(diǎn)軟剛臂系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉莉峰，趙玉梁

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津300452)

為了更好地保障單點(diǎn)系泊安全,在渤海某FPSO應(yīng)用一套單點(diǎn)軟剛臂監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)主要針對(duì)風(fēng)向、浪流、系泊臂的瞬時(shí)受力及船體綜合姿態(tài)等因素通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并實(shí)施狀態(tài)擬合,提供并連續(xù)記錄船體在各類復(fù)雜海況下的不同極端受力狀況。結(jié)果表明,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)FPSO在復(fù)雜海況運(yùn)行期間的綜合受力,給出FPSO海上應(yīng)急狀態(tài)所需要解脫時(shí)的決策技術(shù)保障,確保了其在海上的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

單點(diǎn)軟剛臂;FPSO;系泊;實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè);應(yīng)急解脫

由于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(floating production, storage and offloading,FPSO)處于海上風(fēng)浪多變的復(fù)雜環(huán)境之中,自身存儲(chǔ)原油載重變化不斷,加上FPSO連接外輸油船會(huì)對(duì)FPSO船體產(chǎn)生拉力,因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復(fù)雜。目前渤海的FPSO軟剛臂系泊監(jiān)控系統(tǒng)僅對(duì)風(fēng)向、浪流以及船航艏向進(jìn)行監(jiān)控,而無(wú)法同時(shí)監(jiān)控不同船體姿態(tài)以及單點(diǎn)軟剛臂工作情況對(duì)系泊裝置帶來(lái)的影響,存在較大的安全隱患［1-5］。為此,考慮通過研究單點(diǎn)軟剛臂系統(tǒng)的受力情況,確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系泊系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)。其中系泊系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)為風(fēng)、浪和流的實(shí)時(shí)的參數(shù)數(shù)值,姿態(tài)參數(shù)為船體的橫縱搖、距單點(diǎn)距離、船艏向和水平系泊力。實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不僅有助于平臺(tái)安全生產(chǎn)與決策,同時(shí)能夠有效記錄在惡劣海況,以及極限條件下各運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),在超過預(yù)設(shè)值后還能及時(shí)報(bào)警提示。該系統(tǒng)還對(duì)選擇較安全的外輸作業(yè)時(shí)機(jī)提供基本數(shù)據(jù)。通過平時(shí)對(duì)系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè),驗(yàn)證軟剛臂是否處于設(shè)計(jì)要求的安全狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,同時(shí)也為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)提供參考［6-8］。

1 系統(tǒng)組成

一般說來(lái),軟剛臂系泊系統(tǒng)通常由以下4個(gè)部分組成:YOKE、系泊腿、系泊支架以及單點(diǎn)小平臺(tái)。YOKE通過鉸接點(diǎn)與單點(diǎn)系泊平臺(tái)相連,該鉸能夠?qū)Υw的橫搖縱搖等自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行釋放,僅對(duì)船體縱蕩進(jìn)行約束。系泊腿兩端通過萬(wàn)向鉸與YOKE和系泊支架相連接,將船體與單點(diǎn)小平臺(tái)有機(jī)結(jié)合在了一起。FPSO單點(diǎn)系泊裝置見圖1。

圖1 FPSO單點(diǎn)軟剛臂系泊裝置示意

2 設(shè)計(jì)方案

單點(diǎn)軟剛臂系泊系統(tǒng)最主要的功能在于抵御外部極端荷載的作用。不同的環(huán)境荷載對(duì)FPSO外荷載提供的作用不同,一般認(rèn)為,在淺水海域風(fēng)荷載對(duì)于系泊力貢獻(xiàn)占整個(gè)外部荷載的34%,流荷載比重較低,為10%左右,一階和二階波浪力對(duì)于荷載的影響則基本占剩余的66%。通過結(jié)合船體姿態(tài)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)、浪及流等環(huán)境荷載信息同步監(jiān)測(cè),可對(duì)軟剛臂的水平系泊力進(jìn)行預(yù)估。

2.1 單點(diǎn)軟剛臂系泊系統(tǒng)受力分析

在監(jiān)控系統(tǒng)安裝之前,對(duì)單點(diǎn)系泊進(jìn)行分析。根據(jù)FPSO系泊系統(tǒng)受力分析,其受力情況見圖2。其中,傾角α和β分別為系泊腿與YOKE的傾斜角度;x為平臺(tái)系泊點(diǎn)與系泊腿上端的水平距離;y為平臺(tái)系泊點(diǎn)與系泊腿上端的垂直距離。

圖2 單點(diǎn)軟剛臂系泊系統(tǒng)力學(xué)理論模型

模型中的主要參數(shù)存在如下幾何關(guān)系。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。整個(gè)結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)未知量,即Fx1、Fx2、Fy1、Fy2,需建立4個(gè)平衡方程方能解出。由∑Fx=0、∑Fy=0、∑MA=0、∑MC=0不難得到式(2)。

式中:Fx1——船體對(duì)系泊系統(tǒng)的水平作用力;

Fx2——系泊平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的水平作用力;

Fy1——船體對(duì)系泊系統(tǒng)的垂直作用力;

Fy2——系泊平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的垂直作用力。

聯(lián)立解出F1x

以渤海某FPSO為例,各參數(shù)取值如下:L1= 6.9 m;L2=6.1 m;L3=4.28 m;L4=9.89 m;L5= 17.83 m;G1=51.8 t;G2=330 t;G3=130 t;壓載吃水為7.5 m;滿載吃水為10.5 m;設(shè)計(jì)拉力為4 200 kN。將(3)與式(1)聯(lián)解,求得船體吃水為9 m、船體距平衡位置為不同距離時(shí),軟剛臂水平恢復(fù)力的變化見圖3。

圖3 渤海某FPSO在不同裝載下的剛度

由圖3可見,不同位置恢復(fù)力不同,在設(shè)計(jì)抗力范圍內(nèi)(-4 200～4 200 kN)恢復(fù)力與位移之間近似成線性關(guān)系。

通過式(3)可以了解軟剛臂不同姿態(tài)下各參數(shù)對(duì)船體、對(duì)系泊系統(tǒng)水平作用力的影響,外輸連接時(shí)也會(huì)對(duì)軟剛臂受力產(chǎn)生影響。針對(duì)所產(chǎn)生各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)并由模型計(jì)算出各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備組成及功能

FPSO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備及功能見表1。

2.3 數(shù)值輸出形式特點(diǎn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出生產(chǎn)作業(yè)最關(guān)心的風(fēng)速、船體姿態(tài)、水平系泊力等參數(shù)值;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出相關(guān)參數(shù)的當(dāng)日運(yùn)行曲線;每日?qǐng)?bào)表(可自定義所需參數(shù)值)自動(dòng)生成功能;上述各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史回放以數(shù)據(jù)輸出形式展示,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖4。

3 應(yīng)用實(shí)例

以渤海某FPSO單點(diǎn)系泊為例,其所在海域存在2個(gè)井口平臺(tái),距FPSO均為1.7 km,該海域的主環(huán)境荷載方向?yàn)闁|北方向。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝與使用

3.1.1 RTK雙頻GPS

RTK-GPS包括2個(gè)主機(jī)和2個(gè)天線及相關(guān)連接線。主機(jī)分為固定基站和移動(dòng)基站,將固定基站主機(jī)放在小平臺(tái)上,移動(dòng)基站主機(jī)放在船上,天線分別接到GPS主機(jī)上。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

GPS主機(jī)由12 V電源供電。

GPS包括3個(gè)COM口,使用COM1和COM2。COM1用于接數(shù)據(jù)采集器,COM2用于接另一個(gè)主機(jī)的COM2。2個(gè)主機(jī)的COM2用232 -422-232延長(zhǎng)連接。2個(gè)主機(jī)的COM1用232 -422-232延長(zhǎng)到室內(nèi),接數(shù)據(jù)采集器的RS232口。

3.1.2 風(fēng)速風(fēng)向儀

風(fēng)速風(fēng)向儀輸出電流信號(hào),再通過轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)連接至數(shù)據(jù)采集器的接口上。

安裝過程:將風(fēng)速儀的相對(duì)風(fēng)向調(diào)為0°,此時(shí)將螺旋槳方向指向船頭方向,尾翼指向船艉方向。安裝完畢后,監(jiān)測(cè)界面上的絕對(duì)風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)速儀校正后的風(fēng)向。規(guī)定:從正北向正南刮的風(fēng)為北風(fēng),此時(shí)風(fēng)向?yàn)?°,順時(shí)針增加,從0°增加到360°,其中90°風(fēng)向?yàn)閺恼龞|吹往正西方向。

3.1.3 傾角傳感器

使用6個(gè)傾角傳感器。將1、2號(hào)傾角傳感器放到船體上,用于監(jiān)測(cè)船體的橫搖、縱搖;3～6號(hào)傾角傳感器放到A型支架上。

安裝方式:

傾角3——左系泊腿,X軸正向指向船體。

傾角4——左YOKE臂,X軸正向指向船體。

傾角5——右系泊腿,X軸正向指向船體。

傾角6——右YOKE臂,X軸正向指向船體。

3.1.4 海流計(jì)

浪流監(jiān)測(cè)安裝在距FPSO附近處固定平臺(tái)上(建議不超過3 km)安裝該裝置監(jiān)測(cè)浪流數(shù)據(jù),以保證水下數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

3.1.5 串口服務(wù)器安裝

串口服務(wù)器使用220 V交流電源,將串口服務(wù)器配帶的RJ45轉(zhuǎn)DB9線接到串口服務(wù)器的RJ45口上。

3.1.6 數(shù)據(jù)采集器的安裝

數(shù)據(jù)采集器使用12 V電源供電,RS232口接傳感器的數(shù)據(jù)輸出口,RS485接串口服務(wù)器的DB9裝RJ45口的DB9口。

系統(tǒng)共接9這個(gè)傳感器,使用服務(wù)器的9個(gè)COM口,連接使用情況如下。

PORT1-傾角傳感器1;依此類推……, PORT6-傾角傳感器6。

PORT7-RTK-GPS的移動(dòng)站;PORT8-風(fēng)速風(fēng)向儀。PORT9-RTK-GPS的固定站。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)例及分析

經(jīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、分析可以看出,不同的浪流影響下船體的姿態(tài)變化相差較大;惡劣天氣下水平拉力明顯增大;同時(shí)可對(duì)環(huán)境載荷、軟剛臂恢復(fù)力時(shí)程等進(jìn)行有效監(jiān)控。

2011年某日極值,環(huán)境載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖5,軟剛臂回復(fù)時(shí)程圖見圖6。

圖5 環(huán)境載荷監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 軟剛臂恢復(fù)力時(shí)程曲線

從圖6可以看出,當(dāng)該日軟剛臂的最大恢復(fù)力為850 kN,最低為270 kN,平均約為600 kN(該FPSO軟剛臂極限受力為4 300 kN),該環(huán)境下FPSO是處于安全的狀態(tài)。證明該技術(shù)在對(duì)FPSO的安全姿態(tài)可起到有效監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)警作用。

4 結(jié)論

影響FPSO系泊安全的因素很多,單點(diǎn)軟剛臂連接系統(tǒng)及船體姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)FPSO海上安全運(yùn)轉(zhuǎn)有著極其重要的意義。

1)FPSO的單點(diǎn)軟剛臂系泊系統(tǒng)受力主要取決于船體姿態(tài),除了船體裝載等內(nèi)部因素外,風(fēng)、浪、流等外部因素都會(huì)影響船體姿態(tài)的變化。

2)不同于目前海上普遍使用的監(jiān)控系統(tǒng),本監(jiān)控系統(tǒng)首次將風(fēng)、浪、流等信息采集與FPSO單點(diǎn)軟剛臂受力等數(shù)據(jù)收集結(jié)合起來(lái)建模,給FPSO的系泊情況提供較為準(zhǔn)確的參數(shù)監(jiān)控,監(jiān)測(cè)直觀,數(shù)據(jù)收集分析簡(jiǎn)便。

3)由于數(shù)據(jù)收集時(shí)間較短,對(duì)于長(zhǎng)周期一遇的極端天氣情況,數(shù)據(jù)量不足,需要長(zhǎng)期收錄數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),并優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng)。

4)該系統(tǒng)通過建立模型可以預(yù)測(cè)惡劣天氣情況下軟剛臂受力情況,從而判斷FPSO的安全狀態(tài),并作出安全預(yù)警;也可以提供在惡劣環(huán)境下的外輸提油時(shí)機(jī)。

5)由于該浪流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在渤海的應(yīng)用實(shí)踐時(shí)間較短,極端天氣情況的資料相對(duì)有限,還需要通過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集和歸納,對(duì)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化。

［1］唐永剛,毛 輝.超大型FPSO軟軛架轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.船海工程,2010,32(6):60-64.

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On the Monitoring System of the Single Point Mooring FPSO

LIU Li-feng,ZHAO Yu-liang
(Tianjin Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Tanggu Tianjin 300452,China)

In order to ensure the safety of the single pointmooring(SPM)system of a FPSO in Bohai sea,a SPM YOKE monitoring system is applied,which can realize a real-time onlinemonitoring of the situations ofwind,wave and current,the instantaneous force acting upon themooring arm,as well as the hull attitude,and record the conditions and extreme force of the FPSO.Themonitoring system has been proved to be able tomonitor continuously the comprehensive force acting upon the FPSO operating in the complex sea,provide the technical support tomake decisions for the emergency release manipulation,so as to guarantee the safety of the FPSO.

SPM YOKE;FPSO;mooring;real-timemonitoring online;emergency release

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.020

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0083-04

2014-12-17

修回日期:2015-02-02

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05057)

劉莉峰(1974-),男,學(xué)士,工程師

研究方向:海上油氣田開發(fā)

E-mail:liulf@Cnooc˙com˙cn