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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著近海油氣資源的愈發(fā)枯竭，南海300 m水深以深勘探開發(fā)近年來已成為熱點。南海環(huán)境條件惡劣，近年來超強(qiáng)臺風(fēng)等極具破壞力的極端海況頻繁出現(xiàn)，對平臺安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與其他深海浮式平臺相比，張力腿平臺(tension leg platform,TLP)因其適用水深范圍廣、耐波性能優(yōu)良.可干式采油等優(yōu)點在國際上得到了廣泛應(yīng)用，雖起步較晚，但發(fā)展迅速，有望成為南海深水油氣田開發(fā)的重要裝備之一。張力腿平臺需要一直在位抵抗惡劣的環(huán)境載荷，為其配備一套科學(xué)的集成監(jiān)控系統(tǒng)(integrated marine monitoring system, IMMS)，是對其最直接的研究方法和安全保障措施，也是完整性管理技術(shù)中的核心部分。目前在與南海環(huán)境條件類似的墨西哥灣，幾乎所有的大型浮式平臺都已經(jīng)安裝了現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。

在IMMS概念誕生之前，包括環(huán)境監(jiān)測，應(yīng)力監(jiān)測，姿態(tài)監(jiān)測等子系統(tǒng)已經(jīng)存在。實際使用過程中伴隨著硬件配置的共用，數(shù)據(jù)交互和操作便利化的需求，逐漸出現(xiàn)了集成的產(chǎn)品和專門進(jìn)行系統(tǒng)集成的廠家，他們會針對海洋環(huán)境條件進(jìn)行特殊設(shè)計，如一些高濕、高鹽、防火、防爆等的考慮和系統(tǒng)的冗余設(shè)計。

國外已經(jīng)開展過一些類似的工作，BMT 公司在1987 年最早嘗試在一座服役的TLP 平臺上進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，對風(fēng)速、波浪、海流等要素，以及浮體的運動情況進(jìn)行了嘗試性的測量。由此，海洋平臺現(xiàn)場監(jiān)測工作迅速展開[1]，2H Offshore、Fugro、Insensys、RTI、StainStall等公司[2]積累了大量的成熟經(jīng)驗并開發(fā)了許多實用的監(jiān)測設(shè)備或儀表及評價軟件；其主要用于風(fēng)、浪、流、立管渦激振動/疲勞、立管/錨鏈張力等數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過實測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的對比，評估設(shè)施的完整性，為油氣田正常安全運營提供保障。Radboud和Henk[3]對在Marco Polo TLP上得到的原型監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將數(shù)值和水池模型試驗的結(jié)果進(jìn)行對比。R.N.Perego等[4]通過對Marlin TLP在颶風(fēng)Ivan下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)值應(yīng)用方面進(jìn)行了有益的嘗試。Edwards[5]等通過對近年來安裝在墨西哥灣的17座深水浮式平臺的IMMS系統(tǒng)的回顧，從功能上和技術(shù)上對IMMS系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)。

國內(nèi)最早由中海油和大連理工大學(xué)在渤海的多條FPSO如明珠號、HYSY112，HYSY113上安裝了環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和船體姿態(tài)監(jiān)測設(shè)備，可看作是IMMS系統(tǒng)雛形。近年來隨著系統(tǒng)的日趨完善和監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，取得了眾多研究成果并培養(yǎng)了大批的工程科研人員[6- 7]，有效地指導(dǎo)了工程實際。

目前國內(nèi)惟一一條半潛式生產(chǎn)平臺“南海挑戰(zhàn)號”上同樣安裝有簡易的監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了大量寶貴的數(shù)據(jù)，在深海平臺現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域邁出了重要的一步。

1 系統(tǒng)組成及參數(shù)選取

1.1 主要監(jiān)測功能

1)監(jiān)測風(fēng)、浪、流、氣壓、能見度等環(huán)境參數(shù)。

2)監(jiān)測張力腿張力。

3)監(jiān)測頂張式立管(top tensioned riser，TTR)的受力和沖程。

4)監(jiān)測平臺方位、朝向、運動和氣隙等。

5)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算平臺重量重心，指導(dǎo)海上操作。

分別對應(yīng)于環(huán)境條件監(jiān)測系統(tǒng)、張力監(jiān)測系統(tǒng)、TTR監(jiān)測系統(tǒng)、運動監(jiān)測系統(tǒng)和載荷管理系統(tǒng)。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 IMMS系統(tǒng)功能組成

1.2 監(jiān)測參數(shù)選擇

對過往平臺的失效模式進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和分析，是IMMS系統(tǒng)選取監(jiān)測參數(shù)的基礎(chǔ)。根據(jù)2009年英國健康與安全執(zhí)行署HSE 2009年發(fā)布的數(shù)據(jù)，將浮式平臺的失效模式概括如下[8]。

1)平臺總體失效：包括總體失穩(wěn)后翻沉和傾覆、結(jié)構(gòu)的疲勞和屈曲等。

2)平臺系泊失效：包括走錨、系泊腿斷裂和浮體位移過大等。

3)立管失效：包括立管泄露和受損等。

張力腿平臺的IMMS系統(tǒng)最主要的作用是對日常操作提供參考和記錄，如實時記錄張力筋腱(tendon)和頂張式立管(TTR)受力，裝載工況等；指導(dǎo)現(xiàn)場操作和輔助決策，如TTR監(jiān)測系統(tǒng)就會在液缸壓力低或超出沖程限值時報警。除此之外，對環(huán)境條件的監(jiān)測包括風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向、波高、周期、浪向等數(shù)據(jù)也可作為當(dāng)?shù)厮臍庀蠓e累，并為后續(xù)實施項目提供參考。在極端環(huán)境條件下的平臺位移、氣隙和tendon受力等時歷數(shù)據(jù)是進(jìn)行總體性能評估和修正數(shù)值模型的重要依據(jù)，IMMS系統(tǒng)的主要監(jiān)控參數(shù)見表1。

表1 IMMS系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)

2 系統(tǒng)構(gòu)建及布置方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1.1 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(weather monitoring system,WMS)

深海環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)容主要包括風(fēng)、浪、流、大氣4類信息，其中氣溫、相對濕度、大氣壓、降水量、能見度等氣象數(shù)據(jù)屬于常規(guī)監(jiān)測范疇。

對于風(fēng)要素的監(jiān)測，一般采用超聲波風(fēng)速儀和機(jī)械式風(fēng)速儀來測量風(fēng)速，測量手段成熟，兩類設(shè)備同時采用可互為補(bǔ)充和校驗。

對于波浪要素的監(jiān)測，在海洋環(huán)境中相對困難。目前使用較多的是壓力式波浪儀、聲學(xué)波浪儀和雷達(dá)波浪儀。在測量的過程中，根據(jù)需求的不同選擇測量方法。對于TLP平臺，關(guān)注重點在于波面與平臺底部氣息，推薦采用雷達(dá)測波儀進(jìn)行波浪參數(shù)測量。

對于海流要素的監(jiān)測，需要兼顧流速、流向及其在水深范圍內(nèi)的分布，由于南海內(nèi)波的存在，流剖面的監(jiān)測具有更大的現(xiàn)實意義。非機(jī)械式海流傳感器一般采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profilers,ADCP)，它能測出不同水層的流速，符合浮式海洋平臺的測量要求，具有量程大、歷時短、分辨率高、測量時流場不被擾動的特點，較為適合張力腿平臺使用。

2.1.2 平臺位置和運動監(jiān)測系統(tǒng)(MMS)

由于受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的作用，張力腿平臺在海上做6個自由度的運動，在惡劣海況下，平臺可能會發(fā)生較大的擺動，超出安全區(qū)，造成事故，因此需要對平臺的位置和運動情況進(jìn)行監(jiān)測。MMS包括慣性測量單元、吃水監(jiān)測及差分GPS定位，其中慣性測量單元解算出的縱橫傾可用于對吃水測量進(jìn)行驗證。

1)位置監(jiān)測。比較普遍應(yīng)用的測量方法是GPS或DGNSS測量方法。常規(guī)的GPS定位無法滿足浮式海洋平臺位移測量精度的要求。RTK(Real time kinematic)是基于載波相位差分的實時動態(tài)定位技術(shù)，定位精度可達(dá)到厘米級。由于張力腿平臺具有深吃水的特性，在特定流速誘導(dǎo)下可能發(fā)生渦激運動現(xiàn)象，位置監(jiān)測數(shù)據(jù)可為這種復(fù)雜水動力現(xiàn)象研究提供數(shù)據(jù)支持。

2)運動姿態(tài)監(jiān)測。使用慣導(dǎo)和GPS的組合系統(tǒng)測量張力腿平臺的運動姿態(tài)。慣性導(dǎo)航具有全天候工作、不依賴外界信息、抗干擾強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點，但它長時間工作會有累積誤差。而GPS導(dǎo)航精度很高，但由于載體的運動常使接收機(jī)捕捉不到衛(wèi)星信號。INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)具備2種技術(shù)的優(yōu)點，可充分發(fā)揮慣性產(chǎn)品能自主工作、抗干擾性強(qiáng)、動態(tài)性能好的優(yōu)勢，與GPS無飄移和無累積誤差，系統(tǒng)地實時跟蹤對準(zhǔn)性能、導(dǎo)航精度和整體方位姿態(tài)測量精度得到提高。

2.1.3 張力筋腱的張力監(jiān)測系統(tǒng)(TTMS)

張力筋腱在極端載荷的作用下可能會發(fā)生強(qiáng)度失效，此外渦激振動以及平臺在海浪作用下的不規(guī)則運動均會引起張力筋腱內(nèi)的交變應(yīng)力，在交變應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)中的微小缺陷可能發(fā)生疲勞擴(kuò)展，因此，TLP張力筋腱的疲勞損傷同樣是一個關(guān)鍵問題。

為確定張力腿的受力狀態(tài)以及平臺上部荷載的分布情況，進(jìn)行TLP張力腿張力測量。當(dāng)張力接近0甚至為負(fù)，或者超過其張力的許用值時，表明上部荷載或環(huán)境荷載超過設(shè)計許用值。TTMS通過對張力筋腱的張力、彎曲載荷的監(jiān)測，提供實時和歷史數(shù)據(jù)的查詢并提供報警功能，并結(jié)合特定算法，分析并輔助調(diào)整平臺的重量分配。

2.1.4 頂部張緊立管監(jiān)測(TTRMS)

典型的生產(chǎn)TTR 系統(tǒng)包括：表面采油樹、柔性跨接管、張緊器、張力節(jié)點、標(biāo)準(zhǔn)立管節(jié)點、立管連接器、應(yīng)力節(jié)點、水下回接連接器和水下井口。

對于TTR立管，一般要對其頂部的拉力、彎矩、立管沖程和TTR的渦激振動(VIV)進(jìn)行監(jiān)測。它可以通過立管與平臺間的相對位置來判斷其是否在可允許范圍之內(nèi)，還反映出立管浮筒是否提供了適當(dāng)?shù)母×?。沖程的測量一般通過安裝在平臺底部與立管間的一個位置轉(zhuǎn)換器進(jìn)行，每個立管應(yīng)該安裝多個壓力傳感器和電位計來測量每個立管的受力和沖程。

2.2 布置方案

監(jiān)測設(shè)備的安裝位置既要考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時也要兼顧設(shè)備安裝和操維的便利性。

1)對于能見度監(jiān)測(visibility measurement)，云層監(jiān)測(ceilometer)，溫度氣壓濕度監(jiān)測，風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測的統(tǒng)一要求為室外開闊無遮擋，不受工藝設(shè)備及直升機(jī)起降、空調(diào)、通風(fēng)口等影響的區(qū)域，如可布置在吊機(jī)/鉆機(jī)平臺上；考慮冗余原則，選取的兩個風(fēng)速探頭應(yīng)布置在相似高度上，布置方位適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)睾Ｓ蛑鳝h(huán)境方向。 對應(yīng)的記錄器應(yīng)就近配置。由于航空管理要求，如果直升機(jī)甲板處的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等數(shù)據(jù)與鄰近區(qū)域有顯著差別，應(yīng)在直升機(jī)甲板附近補(bǔ)充安裝探頭。

2)測波雷達(dá)布置在組塊甲板上，靠近甲板外沿以保證波束不受遮擋；為保證雷達(dá)波束達(dá)到要求的扇形區(qū)域，安裝高度建議在25～80 m之間。

3)ADCP流速儀貼近平臺立柱固定在船體基線附近；為避免海生物對測量精度的影響，設(shè)備表面應(yīng)進(jìn)行防海生物涂裝，同時要求安裝配套的ADCP流速儀布置和回收裝置。流速儀應(yīng)與平臺結(jié)構(gòu)保持一定距離以避免局部結(jié)構(gòu)、船體或系泊系統(tǒng)對測量結(jié)果可能造成的影響。

4)筋腱張力監(jiān)測位于可位于抱緊器(tendon porch)或筋腱本身，視設(shè)備類型而定。

5)立管沖程測量傳感器安裝分別在井口區(qū)最外圍四角的張緊器(Tensioner)上。

6)慣性運動測量單元安裝位置一般在中控附近，布置時方向與浮體的軸線一致。

7)吃水測量設(shè)備布置在平臺立柱頂端，靠近平臺外側(cè)。

8)GPS天線布置在室外開闊處，兩組天線保證與平臺軸線平行布置。

2.3 系統(tǒng)界面

完整的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)是硬件設(shè)備與配套軟件的集成，獲取的硬件信息通過軟件和終端進(jìn)行直觀的顯示和操作。作為底層數(shù)據(jù)與頂層用戶間的紐帶，軟件系統(tǒng)的友好程度直接決定著IMMS的用戶體驗，圖2是某張力腿平臺的IMMS界面。由圖2可見，綜合運用圖形化和數(shù)字化的顯示方法，監(jiān)控信息可以較為完整地再現(xiàn)。

圖2 某張力平臺的IMMS界面

3 結(jié)論

張力腿平臺的半順應(yīng)式特性，使其兼具固定式和浮式平臺特征，其監(jiān)控系統(tǒng)也需要結(jié)合自身特點進(jìn)行設(shè)計。

建議結(jié)合以往項目經(jīng)驗，在系統(tǒng)設(shè)計時重點關(guān)注以下幾個方面。

1)IMMS設(shè)備的可維護(hù)性，前期設(shè)計階段需考慮服役期操維的便利性。

2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確性，通過冗余原則，用于設(shè)備之間的相互校驗及避免單個探頭損壞時造成數(shù)據(jù)缺失。

3)IMMS系統(tǒng)應(yīng)具備自檢功能。

4)注重對監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘，如環(huán)境條件的極值統(tǒng)計，風(fēng)向/浪向相關(guān)性分析，平臺總體性能后報，平臺位移與受力的同步性分析等。

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