內轉塔單點系泊監測系統應用

李 鵬，田冠楠，嚴 明

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

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內轉塔單點系泊監測系統應用

李 鵬，田冠楠，嚴 明

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

為在臺風等惡劣海況下采集環境條件數據，分析內轉塔單點系泊系統的載荷與FPSO運動響應，在海洋石油111上建立監測系統，該系統捕捉到2015年某臺風過境期間的數據，與系泊系統設計生存工況對比，評估臺風對系泊系統的影響。

FPSO;系泊監測；臺風；載荷

近年來，隨著全球惡劣海況突發事件越來越多，對系泊在固定海域無法避開惡劣海況的FPSO、FSO增加系泊系統運動與受力測量裝置，越來越受到油田作業者的重視。從國際國內系泊系統運動與受力測量的工程實施實踐中，使用最多的是以一種錨纜傾角裝置測出錨纜角度，從而監控錨纜運動狀態和推算系泊受力的方法應用最為廣泛[1]。

目前，常用的監測系統是將各個監測儀器通過合理的架構集成為一個統一的系統，在FPSO、半潛平臺、TLP平臺等大型海洋結構物中都得到了應用[2]。然而在臺風等重大風險來臨前，通常需要生產關停和人員撤離，監測系統沒有電力供應也不再繼續工作，無法采集臺風期間數據，再由于臺風期間風速較大、海浪猛烈經常打壞監測設備，因此臺風期間的監測數據連續采集和如何保障設備儀器能在風高浪急的環境下正常運轉就成為主要難點。

因此，以某位于南海海油內轉塔型FPSO為研究載體，在其上安裝一套可以在臺風期間連續工作的系泊監測系統，并在2015年臺風過境期間采集到數據，將數據記錄與FPSO系泊系統設計工況進行對比，評判了臺風的烈度和對系泊系統產生的影響，為臺風后的恢復生產提供了保障[3]。

1 監測系統組成及現場應用

監測系統將測量單點系泊系統的臨界負載和相關的傾角，測量FPSO附近的環境荷載數據以及 FPSO的動態運動。儀表和設備將獲得的數據上傳給服務器，并對測量結果進行處理和保存。

FPSO 和單點系泊系統將安裝一套性能監測系統，主要測量內容包括如下部分：

1)風速和風向，波高、波向和周期，海流剖面流速和流向。

2)FPSO 6自由度運動。

3)單點位置。

4)系泊鏈受力。

5)甲板上浪視頻監控。

除了錨泊鏈受力以外，其余監測系統測量數據將在中控室中實時顯示。針對現場測量信息與測量內容的要求，監測系統主要包括以下幾部分。

1)海洋環境測量系統。①風速風向測量；②海流流速和流向剖面測量；③海洋波浪參數測量。

2)FPSO運動和位置測量系統。①FPSO艏向測量；②FPSO運動姿態和位置測量；③FPSO單點位置測量。

3)系泊受力測量系統。錨鏈受力測量。

4)在線視頻監控系統。甲板上浪監控。

各測量子系統將測量數據上傳到中控室集成數據采集與處理系統，完成數據的存儲、處理和顯示等工作。另一方面，數據采集與處理系統將可以根據預報的作業海況和FPSO裝載等信息，調用預報系統得到FPSO運動和系泊預報響應，給作業者提供一定的安全預警，見表1。

表1 監測參數及其所使用的儀器

監測系統包括海洋環境測量、FPSO運動和位置測量、系泊鏈受力測量和甲板上浪監控4個部分，涉及到測量、采集、傳輸、存儲和處理等方面內容。為了滿足無外部供電情況下至少維持7天正常工作，系統各組成模塊設計都應遵循低功耗的原則，系統組成及布置位置如圖1所示。

圖1 監測系統集成示意

2 系泊力測量理論基礎

內轉塔單點系泊系統在物理概念上均可將其視為質量—彈簧、低阻尼、強迫振蕩的系統。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，其工作狀態是從單點浮筒至海底觸地點，形成一根懸鏈線。如圖2所示，單點浮筒與FPSO船底固定，FPSO的波頻運動和低頻運動，會作用到懸鏈線的頂端，當FPSO遠離平衡點運動，一組錨鏈頂端受到牽引，使得整條錨鏈線變的張緊，產生恢復力，而對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，即為水平夾角的變化[4]。

對于目標船的系泊系統可以采用經典的懸鏈線理論描述。假定海床是平坦的，纜線只在平面內運動，忽略纜線的彎曲剛度和動力響應，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度水動力。w是纜線的單位長度濕重，A是纜線的截面積，E是彈性模量，T是纜線內的張力。

圖2 FPSO運動引起系泊系統產生回復力示意

忽略系泊鏈的彎曲剛度和動力響應，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用中，通常懸鏈線理論可以用來快速估計作用在浮體上的水平恢復力H與浮體的水平坐標x之間的變化關系曲線。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。一般來說，在纜線的計算分析中，纜線的總長度ST，單位長度濕重w，和懸垂長度的垂向投影分量Z為已知。然后就可以給定X、H、V中的任意一個來求其余的未知量。纜線頂端最后的

在實際應用中，需要在每根系泊錨纜的已知位置安裝一臺傾角儀，同時通過安裝在FPSO的壓力傳感器或衛星定位設備獲取系泊纜頂端的吃水。通過迭代計算出每根系泊纜的張力，實現從傾角到系泊力的換算[5]。

3 現場應用

現場安裝設備見圖4，各測量裝置將測量結果上傳到中控室的數據采集與處理系統，完成數據的存儲、處理和顯示等工作。另一方面，數據采集與處理系統將可以根據預報的作業海況和FPSO裝載等信息，調用預報系統得到FPSO運動和系泊預報響應，給作業提供一定的安全預警[6]。

圖4 內轉塔單點系泊監測系統設備安裝位置示意

針對水下錨纜傾角采集和浪流數據采集，在FPSO水下及周邊平臺分別動用了潛水員進行了設備安裝，見圖5。

圖5 內轉塔單點系泊監測系統設備安裝

4 臺風期間數據記錄及分析

2015年10月3日， 第22號臺風“彩虹”路徑番禺油田，海洋石油111FPSO執行了關停避臺程序。監測系統在人員撤離后持續工作，并捕捉到了臺風信息。此次臺風過境氣象部門預報中心風力10級，最大風速28 m/s，經氣象部門跟蹤和現場實測，該臺風中心路徑并未直接襲擊該油田。

圖6 波浪實測曲線

圖7 海流實測曲線

水下安裝的浪流儀反饋數據，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。而水下瞬時流速最大達到1.26 m/s。

圖8 實測風速

風速平均值為16.3 m/s，風向主要集中在0°附近；風速最大值25.8 m/s，出現在2015-10-03 18:39。與最大浪高出現時間接近，符合風浪相關性。

圖9 實測系泊力

圖10 實測船體橫搖

臺風過境期間，系泊錨纜平均系泊力最大值為4 162.8 kN，而系泊拉力設計最大值約為10 000 kN，可以判斷本次臺風雖然中心風力較強，但由于只是掃略番禺油田，對FPSO水下系泊系統并無較大影響。

5 結論

通過對臺風期間FPSO系泊系統的運動受力以及所處環境條件的監測，可以幫助判斷FPSO系泊系統的損傷程度，臺風期間的數據可以為海上安全生產作業提供數據支持，也可為重大事件事后保險提供參考依據，同時針對海上現場實施長期的監測和數據跟蹤，可以為后續新系統設計提供良好的建設性反饋。

[1] 李偉峰，史國友，李偉，楊家軒.轉塔式FPSO單點系泊系統受力計算方法[J]，重慶交通大學學報，2012，31(2)：353-356.

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

[3] 亓俊良，FPSO單點系泊監測系統設計與應用[J]，中國海上油氣，2014，26(A01):31-34.

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

[5] 溫寶貴.單點系泊系統的運動和受力[J]，中國海上油氣，1989(6):51-58.

[6] 劉應中，繆國平．船舶在波浪上的運動理論[M]上海：上海交通大學出版社，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:海洋結構物水動力性能

E-mail:lipeng9@cnooc.com.cn