TLP张力腿监测系统应用研究

刘俭飞　王　晶　赵　倩

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300451;中国石油东方地球物理有限责任公司2，天津　300451)

TLP张力腿监测系统应用研究

刘俭飞1王晶1赵倩2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300451;中国石油东方地球物理有限责任公司2，天津300451)

摘要：张力腿监测系统主要用于监测张力筋腱的状态、张力，分析平台的质量分配，对于张力腿平台在安装及作业过程中的安全性起着至关重要的作用。为保证张力腿监测系统的可靠性与完整性，对比了张力腿监测设备性能和应用条件，考虑了海洋工程的施工特点和难点，提出了张力腿监测系统设计的基本原则和设计要求,并给出了具体的设计方案。通过项目验证，该系统适于在张力腿平台推广和应用。

关键词：海洋工程浮式平台张力腿平台监测系统系泊系统称重元件基盘冗余涡激振动

0引言

随着浮式平台技术的快速发展，深海油气资源及边际油田的开发成为可能。张力腿平台(tension leg platform，TLP)是应用最多的浮式生产平台之一。它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力。浮力除了抵消自重之外，剩余部分就称为剩余浮力，这部分剩余浮力与预张力平衡。预张力作用在张力腿平台的垂直张力腿系统上，使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态。张力腿将平台和海底固接在一起，为生产提供一个相对平稳安全的工作环境。这种结构形式使得张力腿平台具有良好的运动性能。若出现应力超限，TLP可能会倾斜甚至倾覆，威胁平台上人员安全和财产安全。目前在役和新建的TLP均要求使用张力腿监测系统(tendon tension monitoring system，TTMS)，确保平台安全和张力腿系统完整性。

国外的海洋工程张力腿监测相比国内有较成熟的经验。最早的一个海洋结构监测系统是BMT公司在1987年设计的TLP平台监测系统。在我国,目前还没有完整的海洋工程结构健康监测体系，也没有具有张力腿系统及其监测系统生产能力的公司[1-3]。

1张力腿平台

张力腿平台的结构形式如图1所示。

图1　张力腿平台结构示意图

TLP适用于300～1 600 m(甚至更深)的海域。TLP通过张力腿系统固定在海底的浮式海洋平台，张力腿系统能够保证平台在风、浪、流的作用下保持位置并限制平台的运动。张力腿平台通常由以下主要部分组成[4]。

①上部生产设施、干式或湿式采油树、钻井模块；

②船体系统、压载系统、下浮体及立柱结构；

③张力腿系统(张力腿、基盘等)；

④立管(钻井和生产管线)。

2张力腿系统

TLP通过船体浮力使张力筋腱始终处于拉伸状态，通过拉力将TLP限制在允许的运动偏差及合理姿态和吃水范围内,实现平台在设计环境条件下的生产功能需求。张力腿系泊系统需提供足够的刚度，以保证平台的升沉、横摇和纵摇频率远离波浪能量集中频率范围，从而避免谐振响应。张力筋腱内部截面一般设计为中空。张力筋腱尺寸(直径和壁厚)的设计需要考虑减小自身质量，以减轻对平台的荷载，同时方便运输和安装。典型的张力腿系统(tendon tension system,TTS)示意图如图2所示。

图2　张力腿系统示意图

张力腿系统设计的实施重点或关键节点是：

①在设计环境条件下，为TLP平台提供横向约束能力；

②确定张力腿系统的数量、位置和截面尺寸，控制平台的升沉、纵摇和横摇运动；

③分析张力腿系统(主体钢管和连接器)和钢桩，保证系统的强度和疲劳满足要求；

④满足运输、安装、操作和检验不同阶段的需求。

张力腿系统主要包括张力筋腱、上端和下端接头、海底基础、TTMS等。张力腿平台每个立柱(或延伸腿)底部通常安装2根或更多根张力筋腱，总数通常为6～16根。张力筋腱钢管通常为常压，除去顶部和底部连接器外，全长范围可以采用一致或者变化的外径和壁厚。每根张力筋腱由顶部连接段、底部连接段和等长的主体分段(包含耦合连接器)组成。张力筋腱顶部节点将张力筋腱与TLP船体连接节点相连，同时配备张力筋腱监测系统。主体分段贯穿整个水深与底部节点相连，底部节点将张力筋腱与底部基础连接。

3张力腿监测系统

3.1系统功能

为确定张力筋腱的受力状态以及平台上部荷载的分布情况,一般进行TLP张力筋腱张力测量。当张力接近0甚至为负,或者超过其张力的许用值时,均表明上部荷载或环境荷载超过了许用值。此外,通过对张力筋膜张力的频谱分析,还可以识别张力筋腱的涡激振动效应(vortex induced vibration,VIV)现象[5-6]。

TTMS通过对张力筋腱的张力、弯曲载荷的监测，提供实时和历史数据查询、报警功能，并结合特定算法，分析并辅助调整平台的质量分配[7]。

TTMS主要功能包括：

①监测张力腿的受力情况,以评估疲劳损伤；

②在恶劣海况下监测张力腿平台的表现，以验证设计可靠性-张力筋腱在服役期内的表现，将此作为寿命后期延寿评估的基础；

③以作业者易于理解的形式，显示实时数据，辅助平台作业。

3.2测量元件

TTMS的测量元件有Porch-based和In-line两种类型。Porch-based类型测量元件中，每个张力筋腱设有3个称重单元沿Porch圆环均匀分布,每个称重单元内的2个称重传感器获得冗余的受力信息。In-line 类型测量元件由密封腔内的2个传感器环焊接在锻件上组成。密封腔内充有硅油并由树脂密封，以防海水侵入[8]。

这两种类型的测量元件各有特点与应用要求，Porch-based类型的主要优点是在TLP安装过程中即可进行张力监测；而In-line 类型主要优点是无需定期标定，且可在位更换。在实践过程中，应根据项目具体情况进行规划选择，其应用特点及性能对比如表1所示。本项目采用了Porch-based型测量元件。

表1　测量单元特性对比

3.3系统组成

本文以Porch-based的TTMS为例，说明系统组成，其结构如图3所示。TTMS通过Modbus TCP与船舶综合海洋监测系统(integrated marine monitoring system，IMMS)系统通信[9]。

TTMS采用双通道应变称重元件。每个Tendon使用3个称重单元，并输出线性模拟信号。这些模拟信号经过TLP TOC的接线箱的信号处理单元转换为串口信号，通过串口通信(RS-485/RS-422)传输到TTMS机柜的串口以太网转换接口，最终通过以太网传输到TTMS服务器，以便实时处理、显示和存储。

图3　TTMS结构组成图

3.4系统设计/实施要点

鉴于张力腿系统对于TLP的重要性,对张力腿系统的监测，即TTMS系统的设计，应以保证失效安全为原则。TTMS系统的冗余与容错设计至关重要，也就是说，任意单一失效均不应影响系统性能。同时TTMS的称重单元为水下设备，应进行防水侵入设计以及使用水下电缆接头。

TTMS系统称重传感器、称重单元以及张力筋腱构成了3级冗余结构，满足TLP 30年的设计寿命要求。

TTMS采用两个完全独立的称重应力传感器。每个应力传感器回路使用独立的水下电气接头、铠装水下电缆以及独立TLP TOC的信号处理单元。信号处理单元内部应有完全独立的信号通道、A/D转换器以及完全独立的电源通道。这些经过处理的信号应分别进入各自独立的信号接口单元。同时TTMS也应使用冗余的处理器进行数据处理。在工程实践中，TTMS的冗余电缆应进行独立路径规划，避免穿越同一火区，以降低共因失效概率。当任意单一元件发生故障时，TTMS的服务器均应能检测报警并自动进行切换[10]。

3.4.1供电要求

TTMS供电应采用双通道100%容量设计。通过TTMS专用的UPS为系统供电，UPS本身应有至少15 min的供电能力。冗余的单元供电采用各自独立的供电回路。TTMS应配备独立的两个24 VDC电源模块，分别为独立的称重传感器以及对应的信号处理单元供电。

3.4.2备用服务器

备用服务器与主服务器配置完全一致，通过TTMS以太网连接。备用服务器完全镜像主服务器的功能，并在主服务器硬件或软件失效的情况下，接管所有数据采集、处理以及通信功能。备用服务器不使用单独的人机交互，而是使用切换控制盒。这样在系统失效时，操作员可以方便地进行系统的切换控制。

4结束语

本文阐述了张力腿系统及TTMS系统组成、结构，对比了TTMS两种可选类型的选用方法，分析了TTMS设计要求，总结提出了TTMS设计应用的一些基本原则。结合项目实践，采用了Porch-based的TTMS测量元件、冗余的系统回路设计以及独立冗余的供电和热备服务器，使系统的可靠性达到30年设计要求。随着中国深海油气资源开发的不断推进和发展，TLP必将得到越来越广泛的应用。TTMS作为TLP平台的关键系统之一，应该给予足够的重视。

参考文献

[1] 苑双双.浮式海洋平台原型测量与监测技术研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[2] 李润培,谢永和,舒志.深海平台技术的研究现状与发展趋势[J].中国海洋平台，2003，18(3):1-5.

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[4] 中国船级社.海上浮式装置入级规范[S].2014.

[5] 朱峰.深水结构现场监测系统与监测技术研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[6] 闫功伟.新型深吃水多柱延伸式张力腿平台的概念设计与耦合运动响应分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[7] API Recommended Practice 2T(3rd edition).Planning,Designing,and Constructing Tension Leg Platforms[S].2010.

[8] Zimmer R.Design and fabrication of the URSA TLP deck modules and TLP hull upper column frame[C]//Offshore Technology Conference， Houston， Texas， USA,1999.

[9] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].2014.

[10] Zhang Dagang.Application of tension leg platform combined with other systems in the development of China deepwater oil fields[J].Journal of China Offshore Engineering，2007，20(4):517-528.

Application Research on the Tendon Tension Monitoring System

Abstract：The tendon tension monitoring system (TTMS) is mainly used for monitoring the status and tension of tendons,and the mass assignments of analysis platform,it plays a key role in safety during the process of installation and operation of the tension lag platform.In order to ensure the reliability and integrity of TTMS,the performance and application conditions of tension leg monitoring equipment are compared,the construction characteristics and difficulties of marine engineering are considered,the basic principle and design requirements of TTMS are put forward,and the specific design scheme is given.Through the project verification,this system is suitable for promotion and application in the tension leg platform.

Keywords:Marine engineeringFloating platformTLPMonitoring systemMooring systemWeighing deviceBase trayRedundancyVortex induced vibration (VIV)

中图分类号：TH-3;TP277

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605010

修改稿收到日期：2016-03-12。

第一作者刘俭飞(1984-)，男，2009年毕业于哈尔滨工业大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事过程控制方向的研究。