FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為完整性管理的重要組成部分，通過(guò)連續(xù)、實(shí)時(shí)地測(cè)量FPSO各系統(tǒng)工作狀態(tài)，可以為作業(yè)者決策提供參考依據(jù)；通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)可驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣，并為今后的設(shè)計(jì)提供改進(jìn)意見(jiàn)。目前在役FPSO使用的各類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚存在一些不足之處，歷史上許多事故由于FPSO缺乏健全的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，原因無(wú)法查明，對(duì)于現(xiàn)有FPSO結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行評(píng)價(jià)并進(jìn)行改進(jìn)。因此，考慮建立一套長(zhǎng)期、穩(wěn)定、有效的FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架設(shè)計(jì)

FPSO風(fēng)險(xiǎn)完整性管理總體拓?fù)湟?jiàn)圖1。

圖1 FPSO風(fēng)險(xiǎn)完整性管理拓?fù)?/p>

FPSO各主要子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1.1 船體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理

基于風(fēng)險(xiǎn)分析，重點(diǎn)關(guān)注船體系泊系統(tǒng)支撐，典型結(jié)構(gòu)。

1)內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)中支撐單點(diǎn)主回轉(zhuǎn)軸承和系泊浮子(buoy)的結(jié)構(gòu)。

2)軟剛臂單點(diǎn)系統(tǒng)中支撐主回轉(zhuǎn)軸承、系泊腿/錨鏈的船體結(jié)構(gòu)或者單點(diǎn)回轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)。

FPSO結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 FPSO結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

1.2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理

FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜、系統(tǒng)集成度較高，中國(guó)海域主要應(yīng)用有軟剛臂式和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式兩種類(lèi)型的單點(diǎn)裝置。

軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要包括：FPSO、軟鋼臂、錨泊系統(tǒng)和滑環(huán)系統(tǒng)等，軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)包括：系泊錨纜斷裂、錨纜斷絲、銹蝕，F(xiàn)PSO與單點(diǎn)碰撞，系泊腿、主軸承受力過(guò)大，電滑環(huán)振動(dòng)沖擊失效等[1]。

基于風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的結(jié)果，軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心零部件及其相應(yīng)的失效模式見(jiàn)表1。

表1 軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效模式

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)包括：與浮筒鏈接錨纜斷裂、錨纜斷絲、銹蝕，配重丟失，主軸承受力過(guò)大，立管振動(dòng)沖擊失效等[2]。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心零部件及其相應(yīng)的失效模式見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)失效模式

單點(diǎn)裝置的風(fēng)險(xiǎn)主要有以下三大類(lèi)：軸承部件風(fēng)險(xiǎn)管理；系泊腿/錨鏈風(fēng)險(xiǎn)管理；滑環(huán)系統(tǒng)/接口系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理。

單點(diǎn)裝置的軸承部件風(fēng)險(xiǎn)管理和監(jiān)控系統(tǒng)邏輯圖見(jiàn)圖3，其中，驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)運(yùn)動(dòng)軸承的安全起最直接的影響，而氣象環(huán)境與驅(qū)動(dòng)力矩大小之間也存在一定的正相關(guān)的變化趨勢(shì)(當(dāng)氣象環(huán)境變惡劣時(shí)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩也會(huì)變大；但是驅(qū)動(dòng)力矩變大，并不一定是氣象環(huán)境變惡劣的原因)，在實(shí)際操作中可以起到輔助判斷的作用。

圖3 軸承部件風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

單點(diǎn)裝置的系泊部件風(fēng)險(xiǎn)管理和監(jiān)控系統(tǒng)邏輯圖見(jiàn)圖4、5，系泊力大小對(duì)系泊部件的影響尤為重要，F(xiàn)PSO水平位移若過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致FPSO發(fā)生前沖，F(xiàn)PSO有可能與塔體發(fā)生碰撞，或者造成yoke系統(tǒng)超載，也存在很大風(fēng)險(xiǎn)[3]。

圖4 系泊腿/錨鏈風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

圖5 滑環(huán)系統(tǒng)/接口系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

1.3 火氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理

FGS系統(tǒng)由火氣監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯設(shè)備、火氣探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及其與消防系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、PA系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)的接口組成。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)設(shè)備探測(cè)到火情或者可燃?xì)怏w時(shí)，位于中控的火氣控制系統(tǒng)將繼續(xù)監(jiān)測(cè)這些現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施，并采集相應(yīng)的火氣信號(hào)，送到應(yīng)的火氣控制系統(tǒng)的邏輯單元，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的邏輯關(guān)系進(jìn)行處理，再通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警、關(guān)斷、消防和控制功能。

FPSO火氣系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯見(jiàn)圖6。

圖6 火氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

1.4 外輸作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理

在外輸作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理主要聚焦于FPSO與提油輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、FPSO首搖運(yùn)動(dòng)，連接纜索的張力、氣象環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn)特征量[4]。外輸作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯見(jiàn)圖7。

圖7 外輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

1.5 柔性軟管風(fēng)險(xiǎn)管理

柔性軟管的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在如下方面。

1)FPSO過(guò)度水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致柔性軟管過(guò)度彎曲(小于最小彎曲半徑)而受損。

2)柔性軟管外包覆層破壞。

3)柔性軟管的放空系統(tǒng)(vent port)未進(jìn)行正常排放。

4)柔性軟管介質(zhì)中出現(xiàn)腐蝕性組份(H2S)。

柔性軟管的風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯見(jiàn)圖8。

圖8 柔性軟管風(fēng)險(xiǎn)管理邏輯

2 FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容包括:①監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖；②監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)，包括傳感器和監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)規(guī)格、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法；③設(shè)計(jì)圖紙。

按照實(shí)際FPSO生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的要求和現(xiàn)有監(jiān)控技術(shù)條件，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框圖見(jiàn)圖9。

圖9 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)FPSO的重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行有效監(jiān)控，同時(shí)具有相應(yīng)的預(yù)警功能，能對(duì)各種關(guān)鍵零部件的早期失效進(jìn)行預(yù)警和判斷，從而避免重大事故的發(fā)生。FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)源見(jiàn)表3。

2.3 功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具備如下基本功能，見(jiàn)表4。

表3 FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

表4 FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3 FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

通過(guò)FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與架構(gòu)選擇研究結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系以及信息的采集和處理，以渤海油田現(xiàn)役FPSO為對(duì)象，開(kāi)展FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。該FPSO是以軟剛臂單點(diǎn)系泊的方式固定在工作海域，外輸作業(yè)采用串靠外輸，提油輪通過(guò)外輸大纜系泊在FPSO艉部，低壓原油通過(guò)外輸軟管輸送到外輸油輪上，外輸過(guò)程中提油輪需盡可能與FPSO保持在同一中軸線上。

在役FPSO在建造期間已針對(duì)火災(zāi)、油艙等部分風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)采取相應(yīng)的監(jiān)控措施，本次主要針對(duì)：①風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等氣象;②FPSO位置及六自由度運(yùn)動(dòng);③系泊系統(tǒng)姿態(tài)和受力;④外輸大纜角度及拉力;⑤穿梭油油輪位置及姿態(tài)。

風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度監(jiān)測(cè)由專(zhuān)業(yè)測(cè)量設(shè)備完成。

FPSO位置及六自由度運(yùn)動(dòng)由安裝在船體上的姿態(tài)傳器和測(cè)距雷達(dá)共同實(shí)現(xiàn)。姿態(tài)傳感器可監(jiān)測(cè)其所在位置的X、Y、Z三個(gè)軸向的角度及方位，即FPSO艏搖、橫搖、縱搖和艏向。測(cè)距雷達(dá)安裝在FPSO MS支架頂端，朝向單點(diǎn)中心方向，其功能為監(jiān)測(cè)FPSO距單點(diǎn)中心水平距離、FPSO相對(duì)單點(diǎn)塔垂向高度差，由于FPSO始終繞單點(diǎn)中心位置運(yùn)動(dòng)，基于測(cè)距雷達(dá)以上功能可得到FPSO橫蕩、縱蕩、垂蕩。前者的監(jiān)測(cè)艏向功能與后者的監(jiān)測(cè)FPSO距單點(diǎn)中心水平距離功能可配合得到FPSO實(shí)時(shí)位置。

系泊系統(tǒng)姿態(tài)和受力通過(guò)安裝在YOKE、LINK ARM、單點(diǎn)塔頂部的4個(gè)姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)，這4個(gè)姿態(tài)傳感器可以監(jiān)測(cè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)不同位置的三軸角度，從而得到系泊系統(tǒng)姿態(tài)，并通過(guò)系泊系統(tǒng)不同位置的角度計(jì)算得到系泊系統(tǒng)受力。

外輸大纜角度、外輸油輪位置及姿態(tài)通過(guò)安裝在火炬塔朝向船艉方向的外輸視頻攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)外輸視頻攝像機(jī)拍攝到的外輸油輪和外輸大纜的圖像進(jìn)行識(shí)別可以準(zhǔn)確得到以上信息。外輸大纜拉力通過(guò)讀取中控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)編制完成重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，通過(guò)軟件系統(tǒng)將不同規(guī)格、采樣頻率、數(shù)據(jù)量的設(shè)備統(tǒng)一集成并將其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后統(tǒng)一在中控展示，方便中控值班人員進(jìn)行監(jiān)控。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的FPSO重大風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)、船體運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、外輸監(jiān)測(cè)等功能，結(jié)合中控已有的火災(zāi)監(jiān)控、工藝系統(tǒng)以及油艙數(shù)據(jù)，可以提供給用戶(hù)更豐富的報(bào)表、數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，在現(xiàn)役FPSO上開(kāi)展示范性應(yīng)用，可指導(dǎo)作業(yè)人員掌握FPSO實(shí)時(shí)狀態(tài)并給予外輸作業(yè)時(shí)的操作建議，對(duì)FPSO應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防事故發(fā)生起到積極作用。