(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028； 2.中國船級社質(zhì)量認證公司， 北京 100006;3.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著海洋油氣開發(fā)的需要，越來越多的平臺應(yīng)用于深遠海開發(fā)，采用系泊系統(tǒng)的浮式平臺必不可少，而系泊系統(tǒng)是關(guān)乎平臺安全的重要組成部分，對其進行安全監(jiān)測有利于掌握系泊系統(tǒng)的受力情況，并進行適當(dāng)評估。模型試驗技術(shù)[1-2]是確保平臺安全和校核系泊系統(tǒng)的重要手段，海上原型測量技術(shù)則是將模型試驗技術(shù)搬到海上現(xiàn)場，進一步通過實際監(jiān)測得到系泊系統(tǒng)真實情況的手段，國內(nèi)也越來越重視監(jiān)測研究[3-5]。水下設(shè)施的監(jiān)測是監(jiān)測研究的難點，從國際上深水系泊系統(tǒng)的研究可以看出，系泊系統(tǒng)原型測量技術(shù)是深水系泊系統(tǒng)研究的重要方法[6-8]。雖然很多平臺在止鏈器附近通過測量壓力進行直接測量，但是由于止鏈器與錨鏈之間的摩擦等因素，實際減小了錨鏈張力的動態(tài)效應(yīng)，測得的錨鏈張力比實際偏小，并且由于在錨機下方，這種直接測量的系統(tǒng)安裝后一旦出現(xiàn)故障很難維修，除非拆除錨機和止鏈器等設(shè)備，因此這種直接測量方式也有局限性和不便利性，此外錨鏈止鏈器測得的壓力是靜態(tài)力，無法準確地反應(yīng)海流、海浪對系泊的影響。

如果采用水下監(jiān)測，需探索一種新的方式來監(jiān)測系泊系統(tǒng)的張力等要素。測量水下錨鏈傾斜角度的方式是一種間接測量錨鏈張力的方法，這種方式具有維修便利、成本較低的優(yōu)勢，但需解決水下傳感器供電、數(shù)據(jù)儲存、抵抗臺風(fēng)等技術(shù)難題，如果直接采用導(dǎo)線供電和傳輸數(shù)據(jù)，在臺風(fēng)條件下這些線路容易損壞和出現(xiàn)故障。本文研發(fā)一種用于錨鏈安全監(jiān)測的水下自容式傾角傳感器(不用水下導(dǎo)線供電和傳輸數(shù)據(jù))，并提出通過兩點原型測量以及使用三分量系泊系統(tǒng)控制方程等技術(shù)推導(dǎo)得到錨鏈張力的監(jiān)測方法，成功應(yīng)用于中國流花油田“南海挑戰(zhàn)”號半潛式生產(chǎn)平臺錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測，得到多個臺風(fēng)下的錨鏈張力數(shù)據(jù)。該新型傾角傳感器和監(jiān)測方法可用于其他形式平臺的系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)的監(jiān)測。

1 水深-傾角傳感器測量系泊系統(tǒng)原理

水深-傾角傳感器測量系泊系統(tǒng)主要原理是假設(shè)單根錨鏈滿足懸鏈線控制方程，通過懸鏈線某兩點位置的傾角、高度等信息，反推懸鏈線張力。

假定某錨鏈有兩個點處安裝了水深-傾角傳感器，每個點可獲得水深、傾角數(shù)據(jù)，通過懸鏈線控制方程求解錨鏈張力。圖1給出了兩個點傳感器情況下水下錨鏈系統(tǒng)測量原理。計算公式如下:

圖1 兩個傳感器情況下水下錨鏈系統(tǒng)測量原理

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

tanθ4=0

(6)

L3=L3c+L3r，L1=L11+L12+L13

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式(1)～式(16)中：θk(k=2,3)、θ1i(i=1,2,3)為不同位置錨鏈延x軸向的傾斜角度，θ4為錨鏈在觸地點處的傾斜角度，為0;ωi(i=1,2,3)為水中每段錨鏈的濕重，為已知量；Li(i=1,2,3)為每段錨鏈從頂?shù)降椎拈L度，為已知量；Q為錨鏈拉力的水平分量；T為錨鏈軸向拉力；Hi、si(i=1,2,3)分別為各段錨鏈在水平和垂直方向的長度分量。

通過水深-傾角傳感器測量獲得傾角、水深數(shù)據(jù)后，可根據(jù)式(1)～式(16)求解其他變量。已知變量、通過測量得到的變量以及需計算求解得到的變量如表1所示。

圖2 水下自容式水深與傾角傳感器樣機

已知變量通過測量得到的變量需計算得到的變量ωi (i=1,2,3)θ12,θ13θ11,θ2,θ3,T,Q, H13Li (i=1,2,3)H11,H12H2, H3, L11,L12,L13,L3cθ4=0-L3r, s11, s12, s13, s2, s3

2 水深-傾角傳感器樣機研制及“南海挑戰(zhàn)”號現(xiàn)場實施

根據(jù)水深-傾角傳感器集成及錨鏈系統(tǒng)測量原理，制作水深-傾角傳感器樣機，如圖2所示。該傳感器由微處理器模塊、加速度模塊、傾角模塊、水深模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源管理模塊等八大模塊組成，從精簡布局考慮，將水深傳感器、傾角傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換組成一個整體，根據(jù)實際需求，將傳感器各功能模塊獨立制板，模塊間通過總線板進行連接通信。為便于該樣機在錨鏈上的安裝，且為節(jié)省后期更換傳感器樣機的成本，專門設(shè)計了可采用水下機器人(Remote Operated Vehicle， ROV)拆卸和安裝傳感器的夾具，隨后將傳感器樣機安裝到流花油田“南海挑戰(zhàn)”號浮式生產(chǎn)平臺(Floating Production System， FPS)的7號錨鏈上。該平臺及其錨鏈系統(tǒng)分布如圖3所示，同時采用ROV進行傳感器樣機的安裝和拆卸如圖4所示。

圖3 流花油田“南海挑戰(zhàn)”號FPS及其錨鏈系統(tǒng)分布 圖4 水下自容式水深-傾角傳感器水下安裝和拆卸

通過取回水深-傾角傳感器樣機的數(shù)據(jù)，得到圖5傾角變化數(shù)據(jù)和圖6水深變化數(shù)據(jù)。圖6方框里說明了錨鏈在這段時間內(nèi)的下放和調(diào)整，與實際情況吻合；圖7a)和圖8a)分別顯示了每個小時傾角和水深的數(shù)值情況，傾角的變化范圍為2°～5°，水深的變化范圍為0.5～1.5 m(不包括錨鏈移動調(diào)整情況)；圖7b)和圖8b)分別給出了傾角和水深變化的標準差，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出傾角與水深的標準差相當(dāng)接近。

圖5 傾角變化數(shù)據(jù) 圖6 水深變化數(shù)據(jù)

圖7 傾角數(shù)據(jù)及標準差

圖8 水深數(shù)據(jù)及標準差

這些水深和傾角的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠清楚說明錨鏈的波頻分量在系泊系統(tǒng)分析中的貢獻，這是錨鏈系統(tǒng)很重要的一個現(xiàn)象。圖9給出了通過水下自容式水深-傾角傳感器得到的傾角和水深的譜密度分布，從圖9a)可以看出峰值在0.12 Hz和0.16 Hz兩個位置，從圖9b)看出峰值在0.12 Hz附近，與波浪頻率0.16 Hz接近，這個頻率同樣與錨鏈的固有頻率接近[9]。從水深-傾角傳感器的譜密度可以看出，這套水下監(jiān)測系統(tǒng)可準確得到錨鏈在波浪作用下的頻域特征。

圖9 水下自容式水深-傾角傳感器傾角和水深的譜密度(PSD)結(jié)果

3 結(jié)論及建議

海上水下錨鏈監(jiān)測如同模型試驗一樣，對平臺安全和系泊系統(tǒng)安全尤為重要，還能積累數(shù)據(jù)用于未來中國海域系泊系統(tǒng)的設(shè)計和分析。本文研發(fā)一種新型水下自容式水深-傾角傳感器，并成功在海上應(yīng)用，同時測量某段錨鏈的水深和傾角，從而計算得到錨鏈張力，應(yīng)用于海上水下錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測。在傳感器設(shè)計和研發(fā)過程中，采用自容式技術(shù)，在傳感器集成過程中包含了電源模塊、存儲模塊、水深模塊、傾角模塊，并給出集成思路和過程。為了節(jié)省傳感器在安裝期間的費用，從而讓傳感器方案易于實施，專門設(shè)計可采用ROV進行拆卸安裝傳感器的夾具。上述方案成功在中國流花油田的“南海挑戰(zhàn)”號FPS的某根錨鏈上進行安裝實施，并于2015年6月-7月期間獲取了將近2個月的數(shù)據(jù)。通過對每天的數(shù)據(jù)分析、譜分析等，這套水下監(jiān)測系統(tǒng)可準確得到錨鏈在波浪作用下的頻域特征，充分說明監(jiān)測傳感器在水下錨鏈張力監(jiān)測上的可行性和可靠性，克服了目前其他監(jiān)測手段無法準確地反映海流、海浪對系泊的影響、不能抵抗臺風(fēng)等缺點，這種監(jiān)測方案和原理可延伸應(yīng)用于水下其他結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。