樁腿位移量在線監測系統在海上某平臺的首次應用

付海軍

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

樁腿位移量在線監測系統主要應用于風力發電機的風機塔筒、海上石油鉆井平臺的樁腿等載體的簡諧運動量中相對位移量、角度量、簡諧振動量及傾斜度等各類監測參數的在線健康監測，實時在線監測被測海上石油鉆井平臺的樁腿的水平絕對位移和相對位移及角度量。系統抗外界電磁干擾能力強、承受沖擊震動能力強，能夠適應各種惡劣海洋運行環境[1]。非接觸式安裝的優勢使其具有卓越的系統集成性及安裝的便利性及快速性，實時在線監測海上石油鉆井平臺的樁腿的相對位移及異常振動、角度變化量等。

1 系統介紹

海上石油鉆井平臺的樁腿受石油平臺的甲板上各設備載荷自重、各種風流、冰流、波浪流、海洋流等多種復雜載荷作用，會出現一定程度的搖擺與扭曲。通過樁腿位移量在線監測系統可對樁腿的載荷、振動、傾斜、角度等物理量進行實時在線監測，及時發現樁腿的傾斜、過載、早期表面損傷等早期故障并發出警報，從而避免海上石油鉆井平臺的樁腿的深度損傷、失效等一系列潛在風險。

2 系統組成

海上石油鉆井平臺的樁腿加速度計、角度傳感器的布置一般布置在各樁腿的中上部分，主要由高精度石英撓性加速度計、角度傳感器及上位機及樁腿位移量在線監測系統軟件兩部分組成，其系統架構圖如圖1 所示。

圖1 網絡架構圖

2.1 加速度計主要參數

本體外形尺寸為73mm×65mm×25mm（長×寬×高），安裝孔尺寸為62mm×54mm，孔位Φ3.4mm×5mm。加速度計主要集成高精度Mems 傳感器，該傳感器能夠實時測量被測樁腿的加速度矢量。加速度計的設計是基于慣性導航的算法，可以對加速度信號進行實時處理。加速度計能夠測量被測樁腿周期振動信號的相對位移，直接輸出樁腿的相對位移量及角度量，并能夠分析被測樁腿的晃動頻率和幅值。加速度計的各信號可通過RS485 通訊口、標準的Modbus RTU 通訊協議傳輸給樁腿位移量在線監測系統或第三方系統。加速度計采用防水防爆外殼，防護等級達到IP66，防爆等級達到EXDE 2CT4，采用強磁及強力膠的安裝方式。

2.2 角度傳感器主要參數

本體外形尺寸為73mm×65mm×25mm（長×寬×高），安裝孔尺寸為62mm×54mm，孔位Φ3.4mm×5mm。加速度計主要集成高穩定核心重力場測量模組，內置核心最優干擾濾波器，可以實時測試被測樁腿水平傾角，精度高達0.002°，溫度漂移系數高達0.0002°/℃。角度傳感器的各信號可通過RS485 通訊口、標準的Modbus RTU 通訊協議傳輸給樁腿位移量在線監測系統或第三方系統。角度傳感器采用防水防爆外殼，防護等級達到IP66，防爆等級達到EXDE 2CT4，采用強磁及強力膠的安裝方式。

2.3 多串口聯網服務器

多串口聯網服務器接頭采用接線端子的方式，其串口數量可按實際需求進行選擇，支持4、6、8 個端口供選擇，串口支持多種標準波特率BPS，包括4800、9600、19200、38400、57600、115200、230.4k、460.8k、921.6k，其數據位可選擇5、6、7、8，其停止位可選1、1.5、2，其校驗位可選無、偶、奇、Space、Mark 等。多串口聯網服務器采用XON/XOFF 的流量控制、2kV 光電隔離保護，其RS-485 上拉電阻和下拉電阻可選1kΩ 或150kΩ，其數據流向采用自動控制方式，并配置120Ω 終端電阻。

2.4 樁腿位移量在線監測系統軟件

客戶端運行環境支持linux、Ninux 操作系統，支持Ubuntu Kylin。客戶端要求運行內存≥6G，CPU ≥1MHz，存儲空間≥1T。樁腿位移量在線監測系統軟件是由服務端和客戶端組成的 C/S 結構系統，可以實現現場傳感器的數據采集，無延時、穩定可靠的監測和預警，能夠將專業的數據圖形化，實現歷史數據查詢、參數分析、報表生成等功能。

樁腿位移量在線監測系統軟件基于定位定向技術，彌補了傳統的監測方案存在的不足，實現了樁腿位移量及角度變化量的智能監測及預警[2-4]，創新了樁腿的安全監測及保障方式，強化了樁腿的安全運行監督，優化了樁腿的安全運行方式。實時的監測樁腿位移量及角度變化量，完成加速度計及角度傳感器的Slave 地址分配、初始值校準、位移量及角度變化量的顯示及曲線趨勢、預警及報警等綜合管理，由此得出樁腿的位移量及角度變化量，系統具備豐富的圖譜顯示功能，主要功能包括實時測量位移量和角度變化量、Slave 地址分配、初始值校準、報警閾值設定、報警顯示、曲線趨勢呈現、日志查詢等。

3 系統性能

3.1 測量內容

位移傳感器可記錄3 個位置信息，即X 軸、Y 軸、Z 軸位移。角度傳感器可以記錄3 個角度信息，即X 軸、Y 軸、Z 軸傾角。位移傳感器和角度傳感器自帶報警信息收發功能，帶毫秒級的SOE 事件記錄，并支持北斗發報文進行報警。

3.2 系統特點

系統可以直接輸出被測樁腿的相對位移量、角度量，通訊方式支持多種波特率及輸出頻率，系統可以獲取北斗衛星信號，系統的冷啟動搜星時間不超過60s，可秒級解算GPS 數據和六自由度運動信息，其位置解算頻率精度不低于2Hz，姿態結算頻率精度不低于200Hz。系統具備頻譜圖實時解算，其原始數據存儲量大于20G。系統也可以支持單模和多模光纖數據傳輸，且單個傳感器功耗小于20W。

3.3 系統性能指標

相對位移測量精度為水平X 方向達到5mm+4%，相對位移測量精度水平Y 方向達到5mm+2%，相對位移測量帶寬為0.1 ～4Hz，水平姿態測量精度達到0.1°，角度傳感器測試精度達到 0.1°。系統的采樣頻率高于50Hz，其更新頻率為1Hz。水平加速度測量精度達到600ug，水平振動加速度測量帶寬達到100Hz；系統開機首次搜星鎖定時間小于60s，系統運行狀態搜星鎖定時間小于20s，通信能力達到每分鐘70 字節。

3.4 系統優勢

系統采用全光探測，不受電、磁、氣等的干擾，可進行長期穩定測量，系統無零點漂移，無需再進行二次校準。系統設備數量少、集成度高、通訊接口少、安裝施工簡單，具備低成本、實時性好、價比高、生命周期長、后期維護量小的優勢。

4 系統功能

樁腿位移量在線監測系統采用數字化、智能化、無人化的智能運維思路，依托加速度計測量樁腿的位移量、角度傳感器測量樁腿的角度量，對采集的樁腿的位移量、角度量等數據進行智能分析和識別。依托高精度、高可靠性、高性能的加速度計測量海上石油鉆井平臺的樁腿的簡諧運動、加速度矢量、角度變化量，實現海上石油鉆井平臺的樁腿的位移量、角度量早期故障的識別。根據海上石油鉆井平臺的實際情況，結合海上石油鉆井平臺的樁腿的制造、運輸、安裝和海洋運行環境下的歷史數據建立人工智能訓練識別數據庫，通過人工智能訓練識別數據庫和大數據故障庫，從而實現高性能邊緣計算處理單元對海上石油鉆井平臺的樁腿的位移量、角度量進行智能故障預警及告警[5-7]。為方便海上石油鉆井平臺的相關電氣專業人員可以直觀、快速查看樁腿位移量、角度量的實時數據，樁腿位移量在線監測系統實時數據量結合數據波形的方式將樁腿的位移量、角度量實時顯示在客戶端的主畫面上。樁腿位移量在線監測系統根據當前樁腿的實時健康狀態，以系統整體可靠性最高及總體檢修成本最低為最終優化方向，通過將定期檢修檢查轉換為狀態檢修檢查的方式，減少海上石油鉆井平臺樁腿過檢、漏檢的情況。

樁腿位移量在線監測系統采用高精度、高可靠性、高性能的加速度計和角度傳感器，不同于傳統電信號傳感器，不受電磁及海洋環境的干擾，數據傳輸高效可靠、數據傳輸損耗小，在惡劣的高腐蝕、高浸泡的海洋環境下仍能正常使用，且正常使用壽命可達20 年，彌補了一般電信號傳感器需要半年或一年進行零點標定及校訂的缺點。樁腿位移量在線監測系統主監控畫面如圖2 所示。

圖2 監控系統主畫面

5 結語

該平臺通過樁腿位移量在線監測系統，打破了傳統樁腿信息孤島的方式、解放了海上石油鉆井平臺的電氣專業人員的人力和工作時間，通過分類采集海上石油鉆井平臺樁腿的加速度計、角度傳感器等實時數據，自動完成從數據采集到數據分析、數據判斷、輸出結果的全分析和全判斷過程，采集和監測海上石油鉆井平臺樁腿的X 軸、Y 軸、Z 軸絕對位移量，X 軸、Y 軸、Z 軸傾角量等參數，從而實現海上石油鉆井平臺樁腿狀況的智能化監測和管理，縮短海上石油鉆井平臺的電氣專業人員員查找故障點的時間，提高查找故障點的工作效率，將常規的定期檢修提升到狀態檢修，減少檢修時間。