姿態監測在海上吊裝作業的應用

匡 楊 王 燕 秦立成 李 鵬 王振興 張博文

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 概述

從目前世界上的油氣地質資源勘探情況來看，海洋里的石油儲量所占比重越來越大。隨著我國努力發展為海洋強國的戰略思想，石油的開采也將逐漸走向海洋，在我國近海海域仍然采用導管架固定式平臺，而固定式平臺的安裝方式主要為吊裝。海洋工程的建設中，施工現場環境復雜多變，吊裝作業的施工船舶會受到海上波浪、海流、潮汐、臺風等復雜多變的外力作用，而這些外力也都同樣對船舶的穩定性進行著考驗，吊裝船舶的穩定性直接影響被吊物體的穩定性，被吊物體的水平傾角情況會改變。所以，被吊物體姿態的實時監測是非常重要的，是保證工程安全進行的重要手段[1-5]。吊裝作業過程中被吊物體的姿態實時監測，能夠實時監測被吊物體的橫搖/縱搖雙軸方向的傾角，為海上吊裝作業順利進行提供了數據支持。本文結合以往吊裝監測項目，介紹了姿態傳感器在海上吊裝作業的應用以及吊裝過程中的主要作用，可供類似項目參考。

2 項目介紹

2.1 FPSO主要參數

此項目FPSO船體總長約為225.80 m、水線間長為246.25 m、船體型寬48.9 m、型深26.6 m、設計吃水為17.5 m、排水量約為192 416 t。

2.2 下轉塔主要參數

被吊物體為FPSO下轉塔，下轉塔主要參數為：轉塔總重約為1 159 t，轉塔的最外圍尺寸半徑約為8.25 m的塔體；FPSO下轉塔的主要作用和其他單點系泊一樣，是為了將FPSO用某種鏈接方式固定在海上某個位置，使FPSO能夠隨風、浪、流和潮汐的作用下進行360°的自由旋轉，來減少風浪所產生的破壞力，從而降低系統在外界風浪流的干擾作用下的環境荷載和運動響應。因此下轉塔的安裝精度對于FPSO后期的使用非常重要；此項目為了保證下轉塔后期的正常使用，因此下轉塔安裝有著高精度的要求，水平方向X/Y軸就位誤差不得超過0.2°。如果只是通過指揮人員肉眼的觀察是不可能達到這個精度的，所以整個吊裝過程都進行了姿態實時監測。

2.3 監測技術要求

1)在下轉塔吊裝入月池過程中，測量下轉塔水平面X和Y兩個方向上的水平度，水平度誤差不超過0.1°，測量間隔不超過1 s；2)測量結果通過無線信號，傳輸到位于FPSO月池口甲板的顯示器，顯示器上能實時顯示下轉塔與月池壁的間距和下轉塔水平度；3)測量和信號傳輸設備可通過臨時放置在下轉塔的電源供電。

3 姿態實時監測儀器設備

3.1 高精度雙軸傾角傳感器

本次姿態實時監測采用高精度雙軸傾角傳感器，測量精度為0.1°，分辨為0.01°，量程為±90°。數據輸出形式為RS232/RS485能夠更好的兼容數據采集軟件(見圖1)。

3.2 無線傳輸電臺

由于本次吊裝需要做的數據實時采集和顯示給吊裝船的指揮人員，雙軸傾角傳感器安裝在被吊模塊上，因此需要用無線傳輸電臺將數據實時傳送回采集端。無線傳輸電臺工作頻段：410 MHz～441 MHz，空中速率：0.3 kbps～19.2 kbps，通訊接口和傳感器一樣都為RS232/RS485可選。

3.3 傳輸天線

根據吊裝船位的調整，在吊裝圖紙上量取最大距離在500 m左右，因此本次吊裝監測采用了傳輸距離3 km的鞭狀天線，空中速率為0.3 kbps～19.2 kbps，可根據項目需求采用不同的天線匹配無線電臺的使用。

4 姿態實時監測軟件

姿態實時監測軟件具有良好的兼容性，能夠安裝在Win7和Win10系統下；同時，操作界面也比較簡單，選定通訊數據串口點擊打開，軟件上就能實時顯示該組傳感器的測量值。軟件中串口參數設置采取默認設置。

吊裝姿態監測軟件數據顯示界面經過多次優化，數據可以實時通過數值顯示以及1 h內的時程曲線來實時顯示姿態監測數值；同時為了更直觀的顯示轉塔的姿態傾角情況軟件特意增加了模擬氣泡，來對姿態的傾角值進行實時顯示，可以在屏幕中直接得到數據；模擬氣泡會根據傾角值的變化而運動，能夠給吊裝指揮人員提供更直觀的顯示，軟件中的模擬氣泡如圖2所示，氣泡的位置很容易觀察出來。

軟件能夠將實時顯示的數據進行儲存，同時能夠對采集的數據進行分析，計算得出某段時間的最大、最小和平均值，數據儲存時長和統計數據時長都可以根據客戶需求進行設置，也可以根據項目的需求而改變參數。軟件還設置了數據回放功能，能夠將儲存的數據選擇某一時間段進行回放；方便業主對吊裝過程中關鍵時間點的監測數據掌握。

5 實時監測過程

實時監測過程主要包括：XY軸向的確定、傳感器的安裝固定、無線傳輸電臺的安裝、吊裝監測前測試、數據的實時顯示。

1)XY軸向的確定。為了更加準確的對被吊物體雙軸傾角的實時監測，需要將高精度傾角傳感器安裝在下轉塔的某一水平層的中心位置；因此在安裝傳感器之前我們根據FPSO方向來確定好轉塔的X和Y兩個軸的方向(沿船長方向為X軸，船頭指向船尾為正向；沿船寬方向為Y軸，船中指向右舷為正向)，以便在整個吊裝監測過程中指揮人員快速發出指示來調平轉塔姿態。

2)傳感器的安裝固定。為了吊裝監測數據的準確性，需要將姿態傳感器安裝在提前測量好的下轉塔的某一水平層的中心位置；同時需要確保傳感器和下轉塔緊密固定，保證傳感器不會隨著吊裝過程滑動而影響監測數據。為了項目的順利進行傳感器至少提前一天安裝固定在下轉塔指定位置。由于吊裝過程下轉塔無法提供供電，所以傳感器采用12 V電池供電，同樣需要將電池固定好并與姿態傳感器連接好，接通電源傳感器進入休眠狀態，只有接收到軟件發出的測量指令才會開始測量，在休眠過程中傳感器耗電極低，從而確保整個吊裝監測過程姿態傳感器的供電。

3)無線傳輸電臺的安裝。吊裝監測采用無線傳輸模式來達到數據實時顯示在軟件上；為了保證監測數據無線傳輸的實時性，必須保證數據的發射端和接收端通訊暢通，因此我們將無線傳輸電臺和天線安裝在了被吊物的頂部，盡量避免遮擋以防信號傳輸中斷，從而避免了無線通訊中斷造成的數據丟失。

4)吊裝監測前測試。為了確保整個監測過程的順利進行，在正式吊裝監測之前，會對姿態傳感器、無線傳輸電臺以及監測軟件進行幾小時的穩定測試。前期制定監測方案時考慮到傳感器安裝位置會存在固有的微小傾角，軟件特意設計了類似清零功能，將安裝位置固有的傾角測量出來并在軟件中清零，后續的傾角變動以開始測量的值為基準，這樣能消除安裝位置非水平給監測帶來的影響，保證了測量的準確性，也易于人員觀察，提高了工作效率。

5)數據的實時顯示。吊裝姿態監測數據通過各種形式呈現在監測軟件中，指揮人員可以通過軟件顯示的數據來判斷下轉塔X軸Y軸的傾角，如果出現姿態不平的情況可以通過調整單個吊鉤的升降速度來調整下轉塔的姿態使其達到要求的安裝精度；這個作用是這次吊裝監測的主要目的。

6 結語

在海上吊裝作業過程中采用被吊物體姿態的實時監測，吊裝作業的指揮人員能夠獲得被吊物體的橫搖/縱搖雙軸方向傾角的實時監測值，從而指揮吊機操作員進行調平操作；吊裝過程的姿態監測也為海上吊裝作業順利進行提供了重要的數據支持。

隨著技術的發展吊裝實時監測的數據也可以實時同步到手機或者電腦端，專家可以通過數據進行遠程指揮操作；同時姿態傳感器也可以配合其他傳感器共同使用來滿足吊裝過程中更多的監測需求。