内转塔单点系泊监测系统应用

李 鹏，田冠楠，严 明

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)



内转塔单点系泊监测系统应用

李 鹏，田冠楠，严 明

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

为在台风等恶劣海况下采集环境条件数据，分析内转塔单点系泊系统的载荷与FPSO运动响应，在海洋石油111上建立监测系统，该系统捕捉到2015年某台风过境期间的数据，与系泊系统设计生存工况对比，评估台风对系泊系统的影响。

FPSO;系泊监测；台风；载荷

近年来，随着全球恶劣海况突发事件越来越多，对系泊在固定海域无法避开恶劣海况的FPSO、FSO增加系泊系统运动与受力测量装置，越来越受到油田作业者的重视。从国际国内系泊系统运动与受力测量的工程实施实践中，使用最多的是以一种锚缆倾角装置测出锚缆角度，从而监控锚缆运动状态和推算系泊受力的方法应用最为广泛[1]。

目前，常用的监测系统是将各个监测仪器通过合理的架构集成为一个统一的系统，在FPSO、半潜平台、TLP平台等大型海洋结构物中都得到了应用[2]。然而在台风等重大风险来临前，通常需要生产关停和人员撤离，监测系统没有电力供应也不再继续工作，无法采集台风期间数据，再由于台风期间风速较大、海浪猛烈经常打坏监测设备，因此台风期间的监测数据连续采集和如何保障设备仪器能在风高浪急的环境下正常运转就成为主要难点。

因此，以某位于南海海油内转塔型FPSO为研究载体，在其上安装一套可以在台风期间连续工作的系泊监测系统，并在2015年台风过境期间采集到数据，将数据记录与FPSO系泊系统设计工况进行对比，评判了台风的烈度和对系泊系统产生的影响，为台风后的恢复生产提供了保障[3]。

1 监测系统组成及现场应用

监测系统将测量单点系泊系统的临界负载和相关的倾角，测量FPSO附近的环境荷载数据以及 FPSO的动态运动。仪表和设备将获得的数据上传给服务器，并对测量结果进行处理和保存。

FPSO 和单点系泊系统将安装一套性能监测系统，主要测量内容包括如下部分：

1)风速和风向，波高、波向和周期，海流剖面流速和流向。

2)FPSO 6自由度运动。

3)单点位置。

4)系泊链受力。

5)甲板上浪视频监控。

除了锚泊链受力以外，其余监测系统测量数据将在中控室中实时显示。针对现场测量信息与测量内容的要求，监测系统主要包括以下几部分。

1)海洋环境测量系统。①风速风向测量；②海流流速和流向剖面测量；③海洋波浪参数测量。

2)FPSO运动和位置测量系统。①FPSO艏向测量；②FPSO运动姿态和位置测量；③FPSO单点位置测量。

3)系泊受力测量系统。锚链受力测量。

4)在线视频监控系统。甲板上浪监控。

各测量子系统将测量数据上传到中控室集成数据采集与处理系统，完成数据的存储、处理和显示等工作。另一方面，数据采集与处理系统将可以根据预报的作业海况和FPSO装载等信息，调用预报系统得到FPSO运动和系泊预报响应，给作业者提供一定的安全预警，见表1。

表1 监测参数及其所使用的仪器

监测系统包括海洋环境测量、FPSO运动和位置测量、系泊链受力测量和甲板上浪监控4个部分，涉及到测量、采集、传输、存储和处理等方面内容。为了满足无外部供电情况下至少维持7天正常工作，系统各组成模块设计都应遵循低功耗的原则，系统组成及布置位置如图1所示。

图1 监测系统集成示意

2 系泊力测量理论基础

内转塔单点系泊系统在物理概念上均可将其视为质量—弹簧、低阻尼、强迫振荡的系统。一般由8～9根系泊锚链线组成，有的将系泊锚链线均分布置，有的则分配为3～4组，每组2～3根，以增大特定方向的系泊力。每根锚链线由锚链、锚缆、接头、配重等组成，其工作状态是从单点浮筒至海底触地点，形成一根悬链线。如图2所示，单点浮筒与FPSO船底固定，FPSO的波频运动和低频运动，会作用到悬链线的顶端，当FPSO远离平衡点运动，一组锚链顶端受到牵引，使得整条锚链线变的张紧，产生恢复力，而对面一组锚链顶端拉近，使得整条锚链线变的松弛。一张一弛，反映到悬链线的某点，即为水平夹角的变化[4]。

对于目标船的系泊系统可以采用经典的悬链线理论描述。假定海床是平坦的，缆线只在平面内运动，忽略缆线的弯曲刚度和动力响应，取图3所示的一段单元做受力分析，D和F分别为作用在单元垂向和切向上的单位长度水动力。w是缆线的单位长度湿重，A是缆线的截面积，E是弹性模量，T是缆线内的张力。

图2 FPSO运动引起系泊系统产生回复力示意

忽略系泊链的弯曲刚度和动力响应，可以得到考虑弹性变形的单组份悬链线方程组：

(1)

图3 悬链线微单元受力示意

在船舶与海洋工程应用中，通常悬链线理论可以用来快速估计作用在浮体上的水平恢复力H与浮体的水平坐标x之间的变化关系曲线。或者给定缆线张力的垂直分量V，需要确定缆线的拉伸状态。一般来说，在缆线的计算分析中，缆线的总长度ST，单位长度湿重w，和悬垂长度的垂向投影分量Z为已知。然后就可以给定X、H、V中的任意一个来求其余的未知量。缆线顶端最后的

在实际应用中，需要在每根系泊锚缆的已知位置安装一台倾角仪，同时通过安装在FPSO的压力传感器或卫星定位设备获取系泊缆顶端的吃水。通过迭代计算出每根系泊缆的张力，实现从倾角到系泊力的换算[5]。

3 现场应用

现场安装设备见图4，各测量装置将测量结果上传到中控室的数据采集与处理系统，完成数据的存储、处理和显示等工作。另一方面，数据采集与处理系统将可以根据预报的作业海况和FPSO装载等信息，调用预报系统得到FPSO运动和系泊预报响应，给作业提供一定的安全预警[6]。

图4 内转塔单点系泊监测系统设备安装位置示意

针对水下锚缆倾角采集和浪流数据采集，在FPSO水下及周边平台分别动用了潜水员进行了设备安装，见图5。

图5 内转塔单点系泊监测系统设备安装

4 台风期间数据记录及分析

2015年10月3日， 第22号台风“彩虹”路径番禺油田，海洋石油111FPSO执行了关停避台程序。监测系统在人员撤离后持续工作，并捕捉到了台风信息。此次台风过境气象部门预报中心风力10级，最大风速28 m/s，经气象部门跟踪和现场实测，该台风中心路径并未直接袭击该油田。

图6 波浪实测曲线

图7 海流实测曲线

水下安装的浪流仪反馈数据，波高平均值为4.7 m，波向158.6°其中有义波高最大值6.28 m，最大波高最大值11.65 m。而水下瞬时流速最大达到1.26 m/s。

图8 实测风速

风速平均值为16.3 m/s，风向主要集中在0°附近；风速最大值25.8 m/s，出现在2015-10-03 18:39。与最大浪高出现时间接近，符合风浪相关性。

图9 实测系泊力

图10 实测船体横摇

台风过境期间，系泊锚缆平均系泊力最大值为4 162.8 kN，而系泊拉力设计最大值约为10 000 kN，可以判断本次台风虽然中心风力较强，但由于只是扫略番禺油田，对FPSO水下系泊系统并无较大影响。

5 结论

通过对台风期间FPSO系泊系统的运动受力以及所处环境条件的监测，可以帮助判断FPSO系泊系统的损伤程度，台风期间的数据可以为海上安全生产作业提供数据支持，也可为重大事件事后保险提供参考依据，同时针对海上现场实施长期的监测和数据跟踪，可以为后续新系统设计提供良好的建设性反馈。

[1] 李伟峰，史国友，李伟，杨家轩.转塔式FPSO单点系泊系统受力计算方法[J]，重庆交通大学学报，2012，31(2)：353-356.

[2] Martin. Full-Scale Monitoring MARCO POLO[R].Houston JIP report，2004.

[3] 亓俊良，FPSO单点系泊监测系统设计与应用[J]，中国海上油气，2014，26(A01):31-34.

[4] 黄佳，范模，王忠畅，梁文洲，李达，王丽勤.南海单点系泊系统故障分析[J]，船海工程，2015,44(5)：88-92.

[5] 温宝贵.单点系泊系统的运动和受力[J]，中国海上油气，1989(6):51-58.

[6] 刘应中，缪国平．船舶在波浪上的运动理论[M]上海：上海交通大学出版社，1986.On Application of Mooring Monitoring of Internal Turret Mooring System

LI Peng, TIAN Guan-nan, YAN Ming

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services CO., Tianjin 300451, China)

To make an environment record during typhoon, and research on the load of mooring system and the motion of FPSO, a mooring motoring system was established on HYSY 111 FPSO. The datum recorded during a typhoon in 2015 was compared with the data of designed survive case, so as to estimate the influence of typhoon upon the mooring system.

FPSO; mooring monitoring; typhoon; load

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.015

2016-07-10

工信部项目(E-J214A004.01)

李鹏(1984—)，男，硕士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0058-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋结构物水动力性能

E-mail:lipeng9@cnooc.com.cn