軟剛臂式單點系泊系統現場監測技術開發應用初探

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)

軟剛臂式單點系泊系統現場監測技術開發應用初探

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場監測，目前主要集中于固定式平臺，對于浮式生產儲油船(以下簡稱FPSO)系泊系統監測尚屬首次。文章針對渤海某塔型水上軟剛臂式系泊FPSO現場監測系統的開發與應用做了詳細介紹，該技術對FPSO生產及類似系泊系統的監測都具有借鑒和指導意義。

浮式生產儲油船;單點系泊;現場監測;海洋環境監測

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

1 系泊系統監測關鍵指標

基于目前我國在渤海海冰監測及南海固定式平臺現場監測的經驗，并結合FPSO系泊系統特點，解決好以下4點問題，就能很好的實施對FPSO系泊系統的監測。

1)監測信息的確定。

FPSO現場監測信息的確定依賴于對系泊系統結構的分析，以及對相關設計的掌握。正確的選取監測信息，有助于及時準確的對系泊系統的運行進行掌握。

2)現場監測傳感器技術以及集成系統的建立。

目前，國際上各大石油公司對浮式生產設施的現場監測給予了很多的關注，一些浮式生產設施已經配有全面的現場監測系統。我國對固定式平臺現場監測有了一定研究，但對于浮式結構來說是一項新技術。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當在考慮經濟因素的同時滿足系泊系統的力學特征。

3)數據實時采集顯示技術。

數據的采集存儲是現場監測后分析評估的基礎，由于現場監測設備多，數據量大，一方面需要保證設備在不同協議下共同采集，另一方面也需要保證采集時間的對應性。此外，實時顯示技術也是指導平臺安全生產的硬性需求。將不同設備產生的數據實時提取，經分析處理后進行顯示，便于平臺生產人員在極端工況下及時做出決策。

4)基于監測的安全預警技術。

浮式生產裝置與固定式平臺相比，環境荷載引起的結構響應有諸多的不確定性。基于監測數據的分析評價，確定不同環境荷載、工作荷載對系泊系統的影響，可對平臺響應進行預估，對于極端工況盡早啟動安全生產方案［5］。

2 監測系統開發

針對渤海某5萬噸級FPSO系泊系統，筆者參與開發了其現場實時監測系統。該型FPSO系泊系統為塔型水上軟剛臂式，作業海域水深約18 m。系泊系統靠YOKE上質量為約360 t的壓載箱提供回復力，保證FPSO在設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，由于系泊系統的破壞主要是由環境條件和船體運動相互耦合作用所引發，因此可以通過環境條件監測、船體監測以及軟剛臂系統監測來整體記錄并分析系泊系統的實際狀態。將各類監測項分解后，該型系泊系統具體的監測信息可見圖1。

圖1 監測信息圖

1)風要素監測。

風要素監測主要記錄每日風向、風速的變化。為盡量減小船體附屬結構對風向風速測量造成的干擾，監測設備置于船艏系泊支架頂部的開闊區域處。本次FPSO風向風速監測采用SHQ－2型綜合數字氣象儀，配套的 R.M.YOUNG MODEL05103風速傳感器具有精度高，性能穩定的特點。風向風速數據每隔一分鐘存儲一個數據，風向數據以每分鐘最多出現的方向為該分鐘內風的主方向，風速數據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。實際監測時將相對風向作為風速監測的主要內容，絕對風向由船艏向修正得到。

2)海浪要素監測。

海浪要素監測主要記錄每日波高、周期的變化。目前海浪測量設備種類較多，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，易與船只發生碰撞損壞且電池續航能力有限;坐底式水聲波浪儀受水底地形、水中氣泡等因素制約，數據傳輸、設備維護較為困難等等。考慮到FPSO作業海域的實際海況以及長期監測的要求，此次監測先期采用了氣介式聲學測波儀。氣介式聲學測波儀主要基于空氣聲學測波原理，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，同時也便于設備供電、數據傳輸以及系統維護。波浪測量時，設備由發射換能器向水面發射窄脈沖調制的超聲波，經水面反射后返回與發射換能器在同一位置上的接收換能器，其間經過2L(L是指測波儀探頭到水面的距離，超聲波從探頭發出，經水面折返接收，一共經過2L的路程)的路程，通過聲速v以及聲波經歷2L路程的時間T便可計算出高度(轉換后即波高)。

測波儀每小時測定一組數據，通過對每小時前17 min數據的自動分析，能夠獲取到該小時內最大波高、有義波高、平均波高及各自所對應的周期。考慮FPSO的運動對測量結果影響，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可靠性。設備分別通過2臺電腦與主網絡相連，每日存儲數據通過局域網遠程登錄可實時獲取。

3)海流要素監測。

海流要素監測設備選擇了Nortek闊龍 (Aquadopp Profiler)聲學多普勒剖面海流計。該設備是一款優秀的淺水測量工具，探頭入水淺，盲區小，分層細，最多可給出128層水體的流速和方向，能夠滿足監測不同水深海流情況的要求。其內部置有溫度、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、信號回傳出現問題時可自動轉換成自容式工作方式，保證持續工作20 d以上。設備每小時向主機傳回一組數據，實時顯示不同水深的流速、流向以及表層海浪方向。

4)船體運動要素監測。

FPSO在風、浪、流作用下會產生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過導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差分測量技術，將GPS基準站設立在單點系泊頭平臺頂部，GPS移動站設立在FPSO上。基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給移動站，移動站通過數據鏈接收來自基準站的數據，同時采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，給出厘米級精確的處理結果。

6)軟剛臂受力要素監測。

軟剛臂系統中系泊力監測是整個監測的一個重要環節，準確、實時的獲得系泊系統系泊力信息，是整個監測系統的關鍵。目前，采用電阻應變片測量應變，通過應變與外荷載的標定關系來確定外荷載大小是較為常用的方式。但海洋環境下空氣中鹽度較高，很容易使得電阻應變片腐蝕，無法進行長期監測;此外，應變片存在較為嚴重的零漂問題，也不能保證準確的測得結構應變信息。因此在海洋環境條件下保證長期、穩定、準確的應變監測是一項關鍵問題。經過大量資料收集和許多應變測量技術的分析比較，光纖光柵傳感器能夠很好彌補電阻應變片的不足，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變傳感器作為軟剛臂系泊力監測的設備。

7)軟剛臂姿態要素監測。

基于對軟剛臂系統的分析，系泊腿和YOKE的傾角幅值直接決定軟剛臂系統的姿態，從而影響YOKE壓載箱產生的回復力，因此準確的測量軟剛臂系統的傾角可以作為分析軟剛臂受力的一個重要因素。在監測過程中，采用了兩組傾角儀分別對軟剛臂系統左右兩舷進行監測。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。

監測系統除以上各項監測信息外，還在YOKE上設置攝像頭，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。監測系統所有的監測信息數據均通過信號轉換集成輸出和存儲在終端電腦上。通過該系統可及時了解FPSO運動情況、海洋環境參數的變化情況，以及引起的系泊力大小變化。系統的監測設備布置見圖2。

圖2 監測設備布置示意圖

3 結束語

目前該監測系統已在某FPSO運行使用近兩年，FPSO單點系泊系統現場監測技術的開發和應用給油田的生產和維護提供了有利的數據支持，有效保障了油田的安全生產。該監測技術對同類型FPSO監測，特別是淺水區大型FPSO系泊系統的設計、應用都具有重要的指導意義。同時該系統也可用于固定式平臺關鍵部位的監測，對安全生產及海上平臺資產完整性管理都具有重要意義。

［1］GB/T 14914－2006.海濱觀測規范 ［S］.

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

［3］范模.浮式生產儲油裝置淺水效應與Y型舷側結構的研究與應用 ［J］.中國海上油氣，2004，16(5):289－293.

［4］陳小弟.我國浮式生產儲油船 (FPSO)的開發現狀［J］.船舶，2003(1):62－63.

［5］中國船級社.鋼制海船入級與建造規范 ［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，大學本科，主要從事海洋工程設計、建造和工程項目管理。

2012－06－21