一種新型水下自容式錨鏈監(jiān)測(cè)傳感器研發(fā)及應(yīng)用

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028； 2.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)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(kāi)發(fā)的需要，越來(lái)越多的平臺(tái)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)，采用系泊系統(tǒng)的浮式平臺(tái)必不可少，而系泊系統(tǒng)是關(guān)乎平臺(tái)安全的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)有利于掌握系泊系統(tǒng)的受力情況，并進(jìn)行適當(dāng)評(píng)估。模型試驗(yàn)技術(shù)[1-2]是確保平臺(tái)安全和校核系泊系統(tǒng)的重要手段，海上原型測(cè)量技術(shù)則是將模型試驗(yàn)技術(shù)搬到海上現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到系泊系統(tǒng)真實(shí)情況的手段，國(guó)內(nèi)也越來(lái)越重視監(jiān)測(cè)研究[3-5]。水下設(shè)施的監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)研究的難點(diǎn)，從國(guó)際上深水系泊系統(tǒng)的研究可以看出，系泊系統(tǒng)原型測(cè)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(tái)在止鏈器附近通過(guò)測(cè)量壓力進(jìn)行直接測(cè)量，但是由于止鏈器與錨鏈之間的摩擦等因素，實(shí)際減小了錨鏈張力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，測(cè)得的錨鏈張力比實(shí)際偏小，并且由于在錨機(jī)下方，這種直接測(cè)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(jī)和止鏈器等設(shè)備，因此這種直接測(cè)量方式也有局限性和不便利性，此外錨鏈止鏈器測(cè)得的壓力是靜態(tài)力，無(wú)法準(zhǔn)確地反應(yīng)海流、海浪對(duì)系泊的影響。

如果采用水下監(jiān)測(cè)，需探索一種新的方式來(lái)監(jiān)測(cè)系泊系統(tǒng)的張力等要素。測(cè)量水下錨鏈傾斜角度的方式是一種間接測(cè)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(shì)，但需解決水下傳感器供電、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、抵抗臺(tái)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(tái)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(cè)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(guò)兩點(diǎn)原型測(cè)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(cè)方法，成功應(yīng)用于中國(guó)流花油田“南海挑戰(zhàn)”號(hào)半潛式生產(chǎn)平臺(tái)錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，得到多個(gè)臺(tái)風(fēng)下的錨鏈張力數(shù)據(jù)。該新型傾角傳感器和監(jiān)測(cè)方法可用于其他形式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

1 水深-傾角傳感器測(cè)量系泊系統(tǒng)原理

水深-傾角傳感器測(cè)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(guò)懸鏈線某兩點(diǎn)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(gè)點(diǎn)處安裝了水深-傾角傳感器，每個(gè)點(diǎn)可獲得水深、傾角數(shù)據(jù)，通過(guò)懸鏈線控制方程求解錨鏈張力。圖1給出了兩個(gè)點(diǎn)傳感器情況下水下錨鏈系統(tǒng)測(cè)量原理。計(jì)算公式如下:

圖1 兩個(gè)傳感器情況下水下錨鏈系統(tǒng)測(cè)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(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)度分量。

通過(guò)水深-傾角傳感器測(cè)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(guò)測(cè)量得到的變量以及需計(jì)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(jī)

已知變量通過(guò)測(cè)量得到的變量需計(jì)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(jī)研制及“南海挑戰(zhàn)”號(hào)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)水深-傾角傳感器集成及錨鏈系統(tǒng)測(cè)量原理，制作水深-傾角傳感器樣機(jī)，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(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、電源管理模塊等八大模塊組成，從精簡(jiǎn)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(gè)整體，根據(jù)實(shí)際需求，將傳感器各功能模塊獨(dú)立制板，模塊間通過(guò)總線板進(jìn)行連接通信。為便于該樣機(jī)在錨鏈上的安裝，且為節(jié)省后期更換傳感器樣機(jī)的成本，專門設(shè)計(jì)了可采用水下機(jī)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(jī)安裝到流花油田“南海挑戰(zhàn)”號(hào)浮式生產(chǎn)平臺(tái)(Floating Production System， FPS)的7號(hào)錨鏈上。該平臺(tái)及其錨鏈系統(tǒng)分布如圖3所示，同時(shí)采用ROV進(jìn)行傳感器樣機(jī)的安裝和拆卸如圖4所示。

圖3 流花油田“南海挑戰(zhàn)”號(hào)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(guò)取回水深-傾角傳感器樣機(jī)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(shuō)明了錨鏈在這段時(shí)間內(nèi)的下放和調(diào)整，與實(shí)際情況吻合；圖7a)和圖8a)分別顯示了每個(gè)小時(shí)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(dòng)調(diào)整情況)；圖7b)和圖8b)分別給出了傾角和水深變化的標(biāo)準(zhǔn)差，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出傾角與水深的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差

圖8 水深數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差

這些水深和傾角的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠清楚說(shuō)明錨鏈的波頻分量在系泊系統(tǒng)分析中的貢獻(xiàn)，這是錨鏈系統(tǒng)很重要的一個(gè)現(xiàn)象。圖9給出了通過(guò)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(gè)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(gè)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(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)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(cè)如同模型試驗(yàn)一樣，對(duì)平臺(tái)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(lái)中國(guó)海域系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)量某段錨鏈的水深和傾角，從而計(jì)算得到錨鏈張力，應(yīng)用于海上水下錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。在傳感器設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，采用自容式技術(shù)，在傳感器集成過(guò)程中包含了電源模塊、存儲(chǔ)模塊、水深模塊、傾角模塊，并給出集成思路和過(guò)程。為了節(jié)省傳感器在安裝期間的費(fèi)用，從而讓傳感器方案易于實(shí)施，專門設(shè)計(jì)可采用ROV進(jìn)行拆卸安裝傳感器的夾具。上述方案成功在中國(guó)流花油田的“南海挑戰(zhàn)”號(hào)FPS的某根錨鏈上進(jìn)行安裝實(shí)施，并于2015年6月-7月期間獲取了將近2個(gè)月的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)每天的數(shù)據(jù)分析、譜分析等，這套水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確得到錨鏈在波浪作用下的頻域特征，充分說(shuō)明監(jiān)測(cè)傳感器在水下錨鏈張力監(jiān)測(cè)上的可行性和可靠性，克服了目前其他監(jiān)測(cè)手段無(wú)法準(zhǔn)確地反映海流、海浪對(duì)系泊的影響、不能抵抗臺(tái)風(fēng)等缺點(diǎn)，這種監(jiān)測(cè)方案和原理可延伸應(yīng)用于水下其他結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。