软刚臂式单点系泊系统现场监测技术开发应用初探

张 晓，谢茂林，董 坤，徐田甜

(中海石油 (中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

软刚臂式单点系泊系统现场监测技术开发应用初探

张 晓，谢茂林，董 坤，徐田甜

(中海石油 (中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

我国海洋石油平台的现场监测，目前主要集中于固定式平台，对于浮式生产储油船(以下简称FPSO)系泊系统监测尚属首次。文章针对渤海某塔型水上软刚臂式系泊FPSO现场监测系统的开发与应用做了详细介绍，该技术对FPSO生产及类似系泊系统的监测都具有借鉴和指导意义。

浮式生产储油船;单点系泊;现场监测;海洋环境监测

目前我国海洋石油平台的现场监测主要集中于固定式平台，对于FPSO系泊系统整体监测尚无成熟方案，如何科学有效的对系泊系统进行实时监测是首要问题［1］。浮式生产储油系统海洋现场监测工作涉及到海洋工程、电子通讯、计算机科学等多种学科，就目前而言，国内和国际上尚未有成型完善的监测公司。本文将以软刚臂式单点系泊系统为基础，探讨如何基于国内海洋环境监测及固定式平台现场监测的经验开发适应生产管理需求的软钢臂式浮式生产储油系统现场监测系统，为今后单点系泊系统现场监测技术研究提供参考［2－4］。

1 系泊系统监测关键指标

基于目前我国在渤海海冰监测及南海固定式平台现场监测的经验，并结合FPSO系泊系统特点，解决好以下4点问题，就能很好的实施对FPSO系泊系统的监测。

1)监测信息的确定。

FPSO现场监测信息的确定依赖于对系泊系统结构的分析，以及对相关设计的掌握。正确的选取监测信息，有助于及时准确的对系泊系统的运行进行掌握。

2)现场监测传感器技术以及集成系统的建立。

目前，国际上各大石油公司对浮式生产设施的现场监测给予了很多的关注，一些浮式生产设施已经配有全面的现场监测系统。我国对固定式平台现场监测有了一定研究，但对于浮式结构来说是一项新技术。此外，系泊方式的不同也为传感器的选型以及安装方式提出了不同要求。传感器的精度与量程也应当在考虑经济因素的同时满足系泊系统的力学特征。

3)数据实时采集显示技术。

数据的采集存储是现场监测后分析评估的基础，由于现场监测设备多，数据量大，一方面需要保证设备在不同协议下共同采集，另一方面也需要保证采集时间的对应性。此外，实时显示技术也是指导平台安全生产的硬性需求。将不同设备产生的数据实时提取，经分析处理后进行显示，便于平台生产人员在极端工况下及时做出决策。

4)基于监测的安全预警技术。

浮式生产装置与固定式平台相比，环境荷载引起的结构响应有诸多的不确定性。基于监测数据的分析评价，确定不同环境荷载、工作荷载对系泊系统的影响，可对平台响应进行预估，对于极端工况尽早启动安全生产方案［5］。

2 监测系统开发

针对渤海某5万吨级FPSO系泊系统，笔者参与开发了其现场实时监测系统。该型FPSO系泊系统为塔型水上软刚臂式，作业海域水深约18 m。系泊系统靠YOKE上质量为约360 t的压载箱提供回复力，保证FPSO在设计海况下系留在指定位置。FPSO主要承受海上风、浪以及海流的影响，由于系泊系统的破坏主要是由环境条件和船体运动相互耦合作用所引发，因此可以通过环境条件监测、船体监测以及软刚臂系统监测来整体记录并分析系泊系统的实际状态。将各类监测项分解后，该型系泊系统具体的监测信息可见图1。

图1 监测信息图

1)风要素监测。

风要素监测主要记录每日风向、风速的变化。为尽量减小船体附属结构对风向风速测量造成的干扰，监测设备置于船艏系泊支架顶部的开阔区域处。本次FPSO风向风速监测采用SHQ－2型综合数字气象仪，配套的 R.M.YOUNG MODEL05103风速传感器具有精度高，性能稳定的特点。风向风速数据每隔一分钟存储一个数据，风向数据以每分钟最多出现的方向为该分钟内风的主方向，风速数据则是以特征风速作为该分钟的风速值。与固定式平台风速测量有所不同，对于船载风速风向仪而言，有相对船体以及参考大地两种不同的风向测量方法。实际监测时将相对风向作为风速监测的主要内容，绝对风向由船艏向修正得到。

2)海浪要素监测。

海浪要素监测主要记录每日波高、周期的变化。目前海浪测量设备种类较多，每一类都有其适用范围与局限性。如浮标式波浪仪使用时须投入测量海域，易与船只发生碰撞损坏且电池续航能力有限;坐底式水声波浪仪受水底地形、水中气泡等因素制约，数据传输、设备维护较为困难等等。考虑到FPSO作业海域的实际海况以及长期监测的要求，此次监测先期采用了气介式声学测波仪。气介式声学测波仪主要基于空气声学测波原理，与水声测波仪原理类似，但其是将传感器置于水面以上，不受水中气泡等因素制约，测量精度较高，同时也便于设备供电、数据传输以及系统维护。波浪测量时，设备由发射换能器向水面发射窄脉冲调制的超声波，经水面反射后返回与发射换能器在同一位置上的接收换能器，其间经过2L(L是指测波仪探头到水面的距离，超声波从探头发出，经水面折返接收，一共经过2L的路程)的路程，通过声速v以及声波经历2L路程的时间T便可计算出高度(转换后即波高)。

测波仪每小时测定一组数据，通过对每小时前17 min数据的自动分析，能够获取到该小时内最大波高、有义波高、平均波高及各自所对应的周期。考虑FPSO的运动对测量结果影响，选择将测波仪安装在距FPSO较近的固定式平台上，且在波浪常来向无阻挡，以保证波浪测量的连续可靠性。设备分别通过2台电脑与主网络相连，每日存储数据通过局域网远程登录可实时获取。

3)海流要素监测。

海流要素监测设备选择了Nortek阔龙 (Aquadopp Profiler)声学多普勒剖面海流计。该设备是一款优秀的浅水测量工具，探头入水浅，盲区小，分层细，最多可给出128层水体的流速和方向，能够满足监测不同水深海流情况的要求。其内部置有温度、压力、倾斜、罗盘传感器，存储器以及电池，可采用在线式与自容式两种不同的采集存储方式，当平台上部供电、信号回传出现问题时可自动转换成自容式工作方式，保证持续工作20 d以上。设备每小时向主机传回一组数据，实时显示不同水深的流速、流向以及表层海浪方向。

4)船体运动要素监测。

FPSO在风、浪、流作用下会产生6自由度的运动，船体运动测量采用3个加速度计、3个陀螺仪以及高速微处理器。加速度计主要测量船体线加速度信息，陀螺仪用来测量船体的角速度信息。利用陀螺和石英挠性加速度计的输出信号经过导航解算可以计算出载体纵摇角与横摇角。

5)船体位置要素监测。

船体位置要素又分为船艏向、船体相对单点系泊头距离和高度。艏向测量选用GPS方式，即在平台的运动轴向上安装2个GPS，通过2个GPS测量精确位置和基线长度，解算出基线与地理北的夹角。对于船体相对单点系泊头距离及高度的测量采用了GPS的实时载波相位动态差分测量技术，将GPS基准站设立在单点系泊头平台顶部，GPS移动站设立在FPSO上。基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站，移动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级精确的处理结果。

6)软刚臂受力要素监测。

软刚臂系统中系泊力监测是整个监测的一个重要环节，准确、实时的获得系泊系统系泊力信息，是整个监测系统的关键。目前，采用电阻应变片测量应变，通过应变与外荷载的标定关系来确定外荷载大小是较为常用的方式。但海洋环境下空气中盐度较高，很容易使得电阻应变片腐蚀，无法进行长期监测;此外，应变片存在较为严重的零漂问题，也不能保证准确的测得结构应变信息。因此在海洋环境条件下保证长期、稳定、准确的应变监测是一项关键问题。经过大量资料收集和许多应变测量技术的分析比较，光纤光栅传感器能够很好弥补电阻应变片的不足，且远距离传输仅仅会影响光强大小，并不会造成中心波长的变化，因此最终选取光纤光栅应变传感器作为软刚臂系泊力监测的设备。

7)软刚臂姿态要素监测。

基于对软刚臂系统的分析，系泊腿和YOKE的倾角幅值直接决定软刚臂系统的姿态，从而影响YOKE压载箱产生的回复力，因此准确的测量软刚臂系统的倾角可以作为分析软刚臂受力的一个重要因素。在监测过程中，采用了两组倾角仪分别对软刚臂系统左右两舷进行监测。其中量程为－60°～60°的倾角仪安装在系泊腿上，量程为－30°～30°的倾角仪安装在YOKE上。

监测系统除以上各项监测信息外，还在YOKE上设置摄像头，以便在FPSO中控室及远程陆地终端上实时显示YOKE的运动状态。监测系统所有的监测信息数据均通过信号转换集成输出和存储在终端电脑上。通过该系统可及时了解FPSO运动情况、海洋环境参数的变化情况，以及引起的系泊力大小变化。系统的监测设备布置见图2。

图2 监测设备布置示意图

3 结束语

目前该监测系统已在某FPSO运行使用近两年，FPSO单点系泊系统现场监测技术的开发和应用给油田的生产和维护提供了有利的数据支持，有效保障了油田的安全生产。该监测技术对同类型FPSO监测，特别是浅水区大型FPSO系泊系统的设计、应用都具有重要的指导意义。同时该系统也可用于固定式平台关键部位的监测，对安全生产及海上平台资产完整性管理都具有重要意义。

［1］GB/T 14914－2006.海滨观测规范 ［S］.

［2］周守为.我国浮式生产储油装置的研制与开发 ［J］.中国海上油气，2006，18(2):73－78.

［3］范模.浮式生产储油装置浅水效应与Y型舷侧结构的研究与应用 ［J］.中国海上油气，2004，16(5):289－293.

［4］陈小弟.我国浮式生产储油船 (FPSO)的开发现状［J］.船舶，2003(1):62－63.

［5］中国船级社.钢制海船入级与建造规范 ［M］.北京:人民交通出版社，2004.

At present，China＇s offshore oil platform on-site monitoring is mainly used in fixed platform，while the technique is used in FPSO(floating production storage and offloading)mooring system monitoring for the first time.This paper describes in detail the development and application of soft YOKE tower-type mooring FPSO onsite monitoring system in Bohai sea，which has been an important reference for FPSO production and establishment of similar mooring system monitoring.

FPSO;single point mooring;on-site monitoring;marine environ-mental monitoring

TE95

C

1001－8328(2012)06－0053－03

张晓 (1975-)，男，天津人，工程师，大学本科，主要从事海洋工程设计、建造和工程项目管理。

2012－06－21