李 鵬，田冠楠，嚴(yán) 明

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

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內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

李 鵬，田冠楠，嚴(yán) 明

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

為在臺(tái)風(fēng)等惡劣海況下采集環(huán)境條件數(shù)據(jù)，分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的載荷與FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在海洋石油111上建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕捉到2015年某臺(tái)風(fēng)過境期間的數(shù)據(jù)，與系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)生存工況對(duì)比，評(píng)估臺(tái)風(fēng)對(duì)系泊系統(tǒng)的影響。

FPSO;系泊監(jiān)測(cè)；臺(tái)風(fēng)；載荷

近年來，隨著全球惡劣海況突發(fā)事件越來越多，對(duì)系泊在固定海域無法避開惡劣海況的FPSO、FSO增加系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與受力測(cè)量裝置，越來越受到油田作業(yè)者的重視。從國(guó)際國(guó)內(nèi)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與受力測(cè)量的工程實(shí)施實(shí)踐中，使用最多的是以一種錨纜傾角裝置測(cè)出錨纜角度，從而監(jiān)控錨纜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和推算系泊受力的方法應(yīng)用最為廣泛[1]。

目前，常用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器通過合理的架構(gòu)集成為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，在FPSO、半潛平臺(tái)、TLP平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)物中都得到了應(yīng)用[2]。然而在臺(tái)風(fēng)等重大風(fēng)險(xiǎn)來臨前，通常需要生產(chǎn)關(guān)停和人員撤離，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有電力供應(yīng)也不再繼續(xù)工作，無法采集臺(tái)風(fēng)期間數(shù)據(jù)，再由于臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速較大、海浪猛烈經(jīng)常打壞監(jiān)測(cè)設(shè)備，因此臺(tái)風(fēng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)采集和如何保障設(shè)備儀器能在風(fēng)高浪急的環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)就成為主要難點(diǎn)。

因此，以某位于南海海油內(nèi)轉(zhuǎn)塔型FPSO為研究載體，在其上安裝一套可以在臺(tái)風(fēng)期間連續(xù)工作的系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在2015年臺(tái)風(fēng)過境期間采集到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記錄與FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況進(jìn)行對(duì)比，評(píng)判了臺(tái)風(fēng)的烈度和對(duì)系泊系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，為臺(tái)風(fēng)后的恢復(fù)生產(chǎn)提供了保障[3]。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將測(cè)量單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的臨界負(fù)載和相關(guān)的傾角，測(cè)量FPSO附近的環(huán)境荷載數(shù)據(jù)以及 FPSO的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。儀表和設(shè)備將獲得的數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理和保存。

FPSO 和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)將安裝一套性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要測(cè)量?jī)?nèi)容包括如下部分：

1)風(fēng)速和風(fēng)向，波高、波向和周期，海流剖面流速和流向。

2)FPSO 6自由度運(yùn)動(dòng)。

3)單點(diǎn)位置。

4)系泊鏈?zhǔn)芰Α?/p>

5)甲板上浪視頻監(jiān)控。

除了錨泊鏈?zhǔn)芰σ酝猓溆啾O(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)將在中控室中實(shí)時(shí)顯示。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信息與測(cè)量?jī)?nèi)容的要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾部分。

1)海洋環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。①風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量；②海流流速和流向剖面測(cè)量；③海洋波浪參數(shù)測(cè)量。

2)FPSO運(yùn)動(dòng)和位置測(cè)量系統(tǒng)。①FPSO艏向測(cè)量；②FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和位置測(cè)量；③FPSO單點(diǎn)位置測(cè)量。

3)系泊受力測(cè)量系統(tǒng)。錨鏈?zhǔn)芰y(cè)量。

4)在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。甲板上浪監(jiān)控。

各測(cè)量子系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到中控室集成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和顯示等工作。另一方面，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將可以根據(jù)預(yù)報(bào)的作業(yè)海況和FPSO裝載等信息，調(diào)用預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到FPSO運(yùn)動(dòng)和系泊預(yù)報(bào)響應(yīng)，給作業(yè)者提供一定的安全預(yù)警，見表1。

表1 監(jiān)測(cè)參數(shù)及其所使用的儀器

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括海洋環(huán)境測(cè)量、FPSO運(yùn)動(dòng)和位置測(cè)量、系泊鏈?zhǔn)芰y(cè)量和甲板上浪監(jiān)控4個(gè)部分，涉及到測(cè)量、采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理等方面內(nèi)容。為了滿足無外部供電情況下至少維持7天正常工作，系統(tǒng)各組成模塊設(shè)計(jì)都應(yīng)遵循低功耗的原則，系統(tǒng)組成及布置位置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成示意

2 系泊力測(cè)量理論基礎(chǔ)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在物理概念上均可將其視為質(zhì)量—彈簧、低阻尼、強(qiáng)迫振蕩的系統(tǒng)。一般由8～9根系泊錨鏈線組成，有的將系泊錨鏈線均分布置，有的則分配為3～4組，每組2～3根，以增大特定方向的系泊力。每根錨鏈線由錨鏈、錨纜、接頭、配重等組成，其工作狀態(tài)是從單點(diǎn)浮筒至海底觸地點(diǎn)，形成一根懸鏈線。如圖2所示，單點(diǎn)浮筒與FPSO船底固定，F(xiàn)PSO的波頻運(yùn)動(dòng)和低頻運(yùn)動(dòng)，會(huì)作用到懸鏈線的頂端，當(dāng)FPSO遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，一組錨鏈頂端受到牽引，使得整條錨鏈線變的張緊，產(chǎn)生恢復(fù)力，而對(duì)面一組錨鏈頂端拉近，使得整條錨鏈線變的松弛。一張一弛，反映到懸鏈線的某點(diǎn)，即為水平夾角的變化[4]。

對(duì)于目標(biāo)船的系泊系統(tǒng)可以采用經(jīng)典的懸鏈線理論描述。假定海床是平坦的，纜線只在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，忽略纜線的彎曲剛度和動(dòng)力響應(yīng)，取圖3所示的一段單元做受力分析，D和F分別為作用在單元垂向和切向上的單位長(zhǎng)度水動(dòng)力。w是纜線的單位長(zhǎng)度濕重，A是纜線的截面積，E是彈性模量，T是纜線內(nèi)的張力。

圖2 FPSO運(yùn)動(dòng)引起系泊系統(tǒng)產(chǎn)生回復(fù)力示意

忽略系泊鏈的彎曲剛度和動(dòng)力響應(yīng)，可以得到考慮彈性變形的單組份懸鏈線方程組：

(1)

圖3 懸鏈線微單元受力示意

在船舶與海洋工程應(yīng)用中，通常懸鏈線理論可以用來快速估計(jì)作用在浮體上的水平恢復(fù)力H與浮體的水平坐標(biāo)x之間的變化關(guān)系曲線。或者給定纜線張力的垂直分量V，需要確定纜線的拉伸狀態(tài)。一般來說，在纜線的計(jì)算分析中，纜線的總長(zhǎng)度ST，單位長(zhǎng)度濕重w，和懸垂長(zhǎng)度的垂向投影分量Z為已知。然后就可以給定X、H、V中的任意一個(gè)來求其余的未知量。纜線頂端最后的

在實(shí)際應(yīng)用中，需要在每根系泊錨纜的已知位置安裝一臺(tái)傾角儀，同時(shí)通過安裝在FPSO的壓力傳感器或衛(wèi)星定位設(shè)備獲取系泊纜頂端的吃水。通過迭代計(jì)算出每根系泊纜的張力，實(shí)現(xiàn)從傾角到系泊力的換算[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備見圖4，各測(cè)量裝置將測(cè)量結(jié)果上傳到中控室的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和顯示等工作。另一方面，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將可以根據(jù)預(yù)報(bào)的作業(yè)海況和FPSO裝載等信息，調(diào)用預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到FPSO運(yùn)動(dòng)和系泊預(yù)報(bào)響應(yīng)，給作業(yè)提供一定的安全預(yù)警[6]。

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備安裝位置示意

針對(duì)水下錨纜傾角采集和浪流數(shù)據(jù)采集，在FPSO水下及周邊平臺(tái)分別動(dòng)用了潛水員進(jìn)行了設(shè)備安裝，見圖5。

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備安裝

4 臺(tái)風(fēng)期間數(shù)據(jù)記錄及分析

2015年10月3日， 第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”路徑番禺油田，海洋石油111FPSO執(zhí)行了關(guān)停避臺(tái)程序。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在人員撤離后持續(xù)工作，并捕捉到了臺(tái)風(fēng)信息。此次臺(tái)風(fēng)過境氣象部門預(yù)報(bào)中心風(fēng)力10級(jí)，最大風(fēng)速28 m/s，經(jīng)氣象部門跟蹤和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該臺(tái)風(fēng)中心路徑并未直接襲擊該油田。

圖6 波浪實(shí)測(cè)曲線

圖7 海流實(shí)測(cè)曲線

水下安裝的浪流儀反饋數(shù)據(jù)，波高平均值為4.7 m，波向158.6°其中有義波高最大值6.28 m，最大波高最大值11.65 m。而水下瞬時(shí)流速最大達(dá)到1.26 m/s。

圖8 實(shí)測(cè)風(fēng)速

風(fēng)速平均值為16.3 m/s，風(fēng)向主要集中在0°附近；風(fēng)速最大值25.8 m/s，出現(xiàn)在2015-10-03 18:39。與最大浪高出現(xiàn)時(shí)間接近，符合風(fēng)浪相關(guān)性。

圖9 實(shí)測(cè)系泊力

圖10 實(shí)測(cè)船體橫搖

臺(tái)風(fēng)過境期間，系泊錨纜平均系泊力最大值為4 162.8 kN，而系泊拉力設(shè)計(jì)最大值約為10 000 kN，可以判斷本次臺(tái)風(fēng)雖然中心風(fēng)力較強(qiáng)，但由于只是掃略番禺油田，對(duì)FPSO水下系泊系統(tǒng)并無較大影響。

5 結(jié)論

通過對(duì)臺(tái)風(fēng)期間FPSO系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力以及所處環(huán)境條件的監(jiān)測(cè)，可以幫助判斷FPSO系泊系統(tǒng)的損傷程度，臺(tái)風(fēng)期間的數(shù)據(jù)可以為海上安全生產(chǎn)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，也可為重大事件事后保險(xiǎn)提供參考依據(jù)，同時(shí)針對(duì)海上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)跟蹤，可以為后續(xù)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供良好的建設(shè)性反饋。

[1] 李偉峰，史國(guó)友，李偉，楊家軒.轉(zhuǎn)塔式FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)受力計(jì)算方法[J]，重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(2)：353-356.

[2] Martin. Full-Scale Monitoring MARCO POLO[R].Houston JIP report，2004.

[3] 亓俊良，F(xiàn)PSO單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]，中國(guó)海上油氣，2014，26(A01):31-34.

[4] 黃佳，范模，王忠暢，梁文洲，李達(dá)，王麗勤.南海單點(diǎn)系泊系統(tǒng)故障分析[J]，船海工程，2015,44(5)：88-92.

[5] 溫寶貴.單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力[J]，中國(guó)海上油氣，1989(6):51-58.

[6] 劉應(yīng)中，繆國(guó)平．船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[M]上海：上海交通大學(xué)出版社，1986.On Application of Mooring Monitoring of Internal Turret Mooring System

LI Peng, TIAN Guan-nan, YAN Ming

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services CO., Tianjin 300451, China)

To make an environment record during typhoon, and research on the load of mooring system and the motion of FPSO, a mooring motoring system was established on HYSY 111 FPSO. The datum recorded during a typhoon in 2015 was compared with the data of designed survive case, so as to estimate the influence of typhoon upon the mooring system.

FPSO; mooring monitoring; typhoon; load

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.015

2016-07-10

工信部項(xiàng)目(E-J214A004.01)

李鵬(1984—)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0058-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能

E-mail:lipeng9@cnooc.com.cn