淺談FPSO單點柔性立管環空層在線監測系統的構建

張 瑋 張 營 譚建華

（南海西部石油油田服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 概述

在南海的石油開發區域中，非黏結性柔性管已成為主流，主要是用于連接FPSO和采油平臺的柔性立管，安裝在FPSO的單點艙內。由于整體位于水下，因此日常的人工檢測和維修養護很難觸達。

環空檢測技術是目前國際上通用的柔性動態立管檢測評估手段，不需要停產，也不需要動用ROV和潛水員等裝備，大幅降低了柔性立管的運營維護成本。

2017年6月，國內首次應用環空檢測技術對南海某海域正常工作的某FPSO的3根柔性立管開展環空測試，也進一步驗證了環空檢測技術的適用性。

目前，柔性立管環空測試技術被2H Offshore、4Subsea、Kongsberg以及TechnipFMC等少數公司所壟斷。

因此，為了避免出現“卡脖子”問題，FPSO單點柔性立管環空檢測的技術裝備國產化和功能擴展就顯得至關重要。該文主要圍繞環空層氣體在線監測技術應用方向的軟硬件和網絡系統國產化、擴展化和實用化提出設計思路，在國外已實現功能的基礎上，擴展CO、CH、HS、O以及CO等氣體組分在線監測功能，并且實時向FPSO智能管理平臺傳輸，實現海上管理和岸基管理的同步化，進一步完善柔性立管環空層的完整性管理功能，以實現降本增效。

1 環空層完整性管理計劃與關鍵指標分析

柔性立管環空層完整性管理計劃從氣體流量、溫度、壓力、氣體組分、環空層自由容積以及透氣口堵塞比例等方面對柔性立管環空層進行實時監測、計算和對標分析，提早預警透氣口堵塞風險、分析外護套層破裂風險以及預判柔性立管的疲勞程度和腐蝕情況。

該管理計劃參照P-D-C-A（計劃-實施-檢查-處理）的管理模式循環執行。初始對標參數來自柔性立管廠家提供的出廠參數，在線測試計劃分為連續的2個階段，每48 h設置為1個階段，通過電磁閥進行遠程控制測試模式。第一個階段采取全開放透氣模式進行測試，電磁閥全開，主要測試的指標為環空層氣體的溫度、流量參數；第二個階段采取閉合憋壓模式進行測試，電磁閥全關，主要測試指標為環空層氣體的溫度、壓力和氣體組分。通過2個階段的測試數據來計算環空層自由容積、內部浸液高度以及透氣口堵塞比例等關鍵數值，評估腐蝕程度和安全生產風險。通過連續30 d的測試結果，設定新的對標值，重新進入一個新的監測循環。柔性立管環空層完整性管理計劃的運行流程如圖1所示。

圖1 柔性立管環空層完整性管理計劃的運行流程圖

為了實現上述管理計劃，環空層在線監測系統是重要基礎，包括主站軟件、硬件和通信3個方面。

2 環空層在線監測系統主站系統設計

2.1 主站系統總體設計思路

主站系統包括數據采集、數值處理、圖表化展示、評估分析以及基礎設置等各個功能模塊。各模塊設計采用五維設計法進行規劃設計，主要從獲取數據、處理數據、展現數據、分析數據和管理數據5個維度實現軟件系統的各項功能。這5個維度也基本涵蓋了大部分監測類主站系統所需要實現的各類應用場景，也恰好對應了信息化、數字化、可視化、智能化和個性化5個層面的需求。具體對應關系如圖2所示，系統功能架構如圖3所示。

圖2 模塊設計與用戶需求對應關系圖

圖3 環空層在線監測主站系統功能框架圖

信息化的基礎是海量的大數據，在該系統中主要是各類儀表的測控數據，通過數據采集模塊達到獲取數據的目的。為了確保數據的時效性，數據采集模塊通常按照時序采集并快速存儲數據，將數據的分類加工留給后續功能模塊。

數字化的基礎是有組織的分類數據，在該系統中主要是篩選滿足環空層監測所需的各類參數，通過數值處理模塊達到提取數據的目的。數據的清洗、分類、計算和存儲都是在數值處理模塊完成的。

可視化的基礎是圖形圖表的展現，在該系統中主要是實現直觀、動態、集成化的數據圖表展示，通過圖形化展示模塊達到直觀查詢的目的。通過折線圖、餅圖、柱狀圖、散點圖以及各類圖形的組合展示，監控系統的圖形化組態展示等都在圖形化展示模塊實現，也是用戶操作的主要交互界面。直觀、便捷以及一站式的可視化操作是良好用戶體驗的開始。

智能化的基礎是分析邏輯、算法和模型，在該系統中主要是實現堵塞比例、自由容積、浸液高度以及腐蝕程度等完整性管理中關鍵要素的分析和評估，主要通過評估分析模塊實現。系統的智能化水平決定了系統的可用性，也是對用戶最有價值且可以帶來直接效益的功能模塊。

個性化的基礎是可靈活配置的參數和權限，在該系統中將實現不同用戶僅看到自己能看且想看的數據、各個FPSO柔性立管的靈活接入以及各類對標參數可靈活設置的功能，主要通過基礎設置模塊實現。80%的產品化+20%的個性化是該系統的設計理念，大部分具有共性的模塊抽取出來形成相對固化的功能，少部分滿足不同用戶需求的個性化模塊提供可配置的管理后臺，以滿足差異化的管理要求。系統的個性化水平將充分體現人機交互的友好程度。

2.2 主站系統架構及功能設計

主站系統采用主流的3層架構，前端應用層實現圖形化的界面展示和用戶交互；中間處理層提供一系列API接口，接收前端提交的Web請求，經過獲取數據庫中的數據后，以帶加密口令的Jason格式將結果返回給前端應用層；后臺數據庫分為實時數據庫和應用數據庫。其中，實時數據庫存儲各種類型數據的實時采集結果，包括溫度、壓力、流量以及氣體組分等，應用數據庫存儲篩選清洗后的不同類型的數據，后臺計算程序按照定時任務的方式，以一定的時間間隔按照系統配置的計算公式對數據進行計算和分表存儲，便于中間層調用。同時，前端應用層采用FPSO智能管理平臺相同的前端架構，中間處理層也采用微服務形式融入FPSO智能管理平臺，實現整體系統與FPSO智能管理平臺的無縫融合，方便用戶一鍵登錄，統一管理。系統架構如圖4所示。

圖4 環空層在線監測系統架構圖

數據采集主要分為下行采集和上行采集2個部分。

下行采集是智能網關采集末端的傳感器、閥門等電儀設備，主要基于Modbus通信協議實時采集各類數據，并存入網關設備的本地數據庫。下行采集流程如圖5所示。

圖5 智能網關下行采集電儀設備流程圖

上行采集是服務器上的采集程序，采集智能網關中的數據并存入服務器的實時數據庫，主要基于HTTP協議實現二者之間的數據傳輸。各類數據分布式存儲在網關設備本地數據庫、實時數據庫以及應用數據庫中，確保數據的完整性不受通信中斷的影響。上行采集流程如圖6所示。

圖6 服務器采集智能網關上行采集流程圖

對部分實時性要求較高的數據來說，智能網關采取主動采集、主動上報的模式，即采集末端電儀設備的數據后，在本地存儲的同時，也同步上報給服務器端的采集程序。

電磁閥等閥門的下行控制信號由后臺程序或前端界面觸發，通過智能網關轉發控制，同時也采集閥門狀態信號，確認控制結果達到預期目標。

此外，考慮FPSO單點艙內通常既不具備網絡傳輸線路，也不具備可接入生產系統的Wi-Fi無線網絡。因此采用基于LoRa的工業無線模塊，在實現500 m內實現有障礙通信的功能，完成數據采集和雙向傳輸的任務。

采集入庫的數據先進入實時數據庫，在入庫過程中程序要對數據進行篩選和清洗，自動過濾異常數據，定期檢查缺失數據并進行補采。后臺定時任務對瞬時量、累積量和統計量等數值進行計算。為保證系統的可擴展性和靈活性，所有計算程序的計算公式或計算模型均根據后臺配置的數據進行計算，便于運維人員后期調整和優化，而不必修改程序源代碼。

系統前端底層采用Vue/ElementUI/Jquery/Bootstrap實現，前端和Controller基于Json格式進行數據交換。

使用開源框架ElementUI統一頁面風格，規范頁面結構及保證組件規范化，使用Less預編譯CSS保證代碼的規范化、簡潔化。配置Flexible并結合Flex布局實現頁面的響應式布局，以兼容不同PC分辨率。使用開源ECharts數據可視化展示插件，滿足不同統計數據展示所需圖表展示的需求。

所有圖表均設計Excel導出功能，方便用戶導出歷史數據作為后期分析報告編寫的素材圖表。

各個圖表均設計對標展示功能，即除了展示監測到的數據外，還要展示相應的標準值或限定值，提供越線報警功能，便于用戶及時了解環空層的工況狀態。

將透氣口的排氣流量數值與出廠時的設計值進行對比，能夠較為直觀地評估透氣口的堵塞情況。

首先，將電磁閥設置為全開狀態，讓環空層內的氣體自由排出。

其次，讀取氣體質量流量計的累計流量。最后，根據公式（1）計算透氣口的堵塞比例。

式中：為透氣口的堵塞比例；為透氣口實際排氣流量；為透氣口出廠設計排氣流量。

通過計算一定壓力條件下環空層內排出的氣體體積能夠計算環空層的自由容積。

首先，將電磁閥設置為全關閉狀態，對環空層內的氣體進行憋壓處理，同時實時采集壓力表數據。其次，在壓力表達到200 kPa時，將電磁閥設置為全開狀態，排出氣體，并通過氣體質量流量計測量排出氣體的質量流量。再次，通過氣體組分監測儀對排出的氣體進行組分監測，并記錄CO、CH以及HS等氣體的百分比。最后，根據公式（2）將氣體質量流量換算成標態下的氣體體積，結合壓力閾值可以計算得出環空層自由容積。

式中：為環空層自由容積，L；為透氣口實際排氣質量流量，L/min；為標態下氣體濃度體積轉化系數，=22.4，即標準狀態下1 mol氣體是22.4 L；為電磁閥關閉時設置的閾值=100 kPa；N為組分監測儀監測的氣體組分中第種氣體的體積百分比；M為組分監測儀監測的氣體組分中第種氣體的分子量（其中，CO的分子量為44，CO的分子量為28，CH的分子量為16，HS的分子量為34，O的分子量為32）。

3 環空層在線監測系統硬件系統設計與開發

3.1 硬件系統主要設計思路

硬件系統的設計主要考慮現場安裝環境、安裝位置以及功能用途，主要包括電氣柜和儀表柜的設計。每個儀表柜對應1根柔性立管，對每個透氣管進行單獨監測；1臺電氣柜可以同時連接多臺儀表柜，實現儀表電源的集中供應和通信模塊的集中部署等目標。

電氣柜主要包括監控儀表的供電電源、就地顯示儀表以及通信控制網關等設備。儀表柜主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、氣體質量流量計、電磁閥、氣體組分監測儀、氣體干燥裝置、各類安全閥、球閥和管路。從功能角度分析，電氣柜主要具備儀表柜供電以及通信采集功能，屬于輔助性系統。儀表柜主要具備環空層溫度、壓力、流量、氣體組分以及氣體采樣等核心功能，屬于功能性系統。

無論是電氣柜還是儀表柜，首要設計原則是安全性原則，即必須確保FPSO柔性立管生產運行的安全性和設備本身的安全性。一方面，FPSO單點艙所處的油氣環境決定了電氣柜、儀表、閥門以及接線盒等電氣部件都需要選配滿足防爆要求的元器件。另一方面，必須確保無論在任何零部件發生故障的情況下，都能夠正常排出柔性立管環空層的氣體并及時發出報警。因此，需要綜合運用旁通管路、防爆電磁閥、機械安全閥以及手動球閥等各類措施，確保系統有足夠的安全冗余。

3.2 儀表柜設計

儀表柜是實現硬件系統功能的核心，因此該文主要闡述儀表柜的設計思路。

柜內儀表布置如圖7所示，柜內設備較多，同樣以排布緊湊、散熱通暢為設計原則，具體設計主要包括6個方面：1） 從接近進氣口的位置布置溫度傳感器和壓力傳感器，以并聯方式接入排氣管路，在系統最前端對環空層氣體溫度和壓力進行實時監測，及時反饋環空層內氣體的狀態。2） 考慮今后需要進行氣體采樣后帶回陸地實驗室進行詳細分析的需求，也存在需要向環空層注入氮氣進行氣體打壓測試的需求，在溫度和壓力傳感器后端布置測試氣體的出入口，并且配套設計手動球閥控制氣體流向。3） 為保證流量計量和氣體組分分析的準確性，排氣管路上配置二級干燥裝置，對環空層氣體中的微小水分子和油分子進行過濾，同時，配置疏水管路和手動球閥，定期由現場人員開閥外排。4） 由于環空層內氣體量較少（約為2 L/h～3 L/h），壓力較低（一般為常壓，允許最大壓力為300 kPa～400 kPa），因此配置防爆電磁閥，系統根據壓力閾值自動控制電磁閥的開關，既實現環空層氣體壓力的周期性監測，也確保滿足后端氣體組分監測的最低氣量要求。系統實時監測氣體壓力，以200 kPa為閾值，當小于200 kPa時，電磁閥處于關閉狀態；當大于或等于200 kPa時，打開電磁閥。同時，考慮排氣管路的安全性要求，電磁閥設計為常開式，即失電狀態下，電磁閥為打開狀態。5） 根據環空層氣體流量約2 L/h～3 L/h，選配熱式氣體質量流量計，采用極低始動流量、量程范圍為2 sccm～150 sccm、24 V DC供電、耐壓等級為1.0 MPa、304不銹鋼材質且帶RS485信號輸出的防爆型高精度流量計，實現準確計量和監測環空層氣體流量的功能。6） 根據柔性立管環空層氣體的組分特點，選配占用空間較小的一體式氣體組分監測儀同時對CO、HS、CH、CO以及O等5種氣體的在線組分進行監測和分析，根據柔性立管制造廠家的出廠氣體組分參數對各組分氣體的量程范圍進行參數選型。其中，CO和CH采用紅外傳感器檢測，HS、CO和O采用電化學傳感器檢測，并且在運維期間每年進行一次標定，對不合格傳感器進行更換。

圖7 儀表柜內部設備設計圖

4 環空層在線監測系統通信系統設計與開發

通信系統主要包括通信控制網關與各個儀表、傳感器之間的下行通信以及與主站系統之間的上行通信。需要結合現場環境和通信網絡的基礎條件，采取有線、無線相結合的通信方式。

以南海地區在役的主流FPSO為例，中心網絡機房通常部署在報務房，距離柔性立管所在的單點艙大約300 m～350 m。由于單點艙的特殊油氣環境限制，通常沒有部署光纖網絡接口，采用有線網絡傳輸數據的可行性較低。因此該系統設計了一個3層的網絡拓撲架構。具體網絡拓撲圖如圖8所示。

圖8 環空層在線監測系統網絡拓撲圖

采集服務器和智能網關之間采用以太網連接，智能網關采集末端設備的實時數據，并上傳至采集服務器。智能網關通過部署在報務房的網絡交換機接入網絡。

智能網關通過RS485連接LoRa無線通信模塊，無紙記錄儀、繼電器等遠程監測和控制設備也通過RS485連接配對的LoRa無線通信模塊，以點對點的方式進行無線傳輸，實現溫度、壓力、流量、組分以及電磁閥開關型號等數字量、模擬量和開關量數據的遠距離安全傳輸功能。LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，提供一種簡單的能實現遠距離、低功耗無線通信手段。LoRa技術已在工業物聯網領域得到廣泛應用，覆蓋了智能表計、智慧農業、環境監測以及智慧城市等領域，非常適合于網絡基礎設施尚未完善的海上生產設施。無紙記錄儀和繼電器均安裝在電氣柜內，通過RS485通信電纜與安裝在儀表柜內的壓力傳感器、溫度傳感器、氣體組分監測儀、流量計以及電磁閥等儀表和閥門進行有線實時通信，確保數據采集的穩定性和可靠性。

5 結語

柔性立管環空層的完整性管理是FPSO單點系統完整性管理的重要環節，在線式的安全測控可以有效提高柔性立管的安全管理水平，降低FPSO的生產運營風險。該文綜合柔性立管環空層完整性管理的需求分析并設計了環空層在線監測系統，對環空層狀態進行在線監測與分析，保證了數據的實時性、有效性、可靠性和連續性，助力FPSO安全生產和降本增效。同時，系統實現了海陸數據同步，無縫接入了FPSO智能管理平臺，即將在南海某FPSO上投入使用，系統還需要在柔性立管疲勞分析和腐蝕評估方面進行深入研究和實踐。