FPSO重大风险监测系统设计与实施

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

现场监测技术作为完整性管理的重要组成部分，通过连续、实时地测量FPSO各系统工作状态，可以为作业者决策提供参考依据；通过对比系统现场工作性能与设计指标，测量数据可验证系统设计优劣，并为今后的设计提供改进意见。目前在役FPSO使用的各类监测系统尚存在一些不足之处，历史上许多事故由于FPSO缺乏健全的现场数据，原因无法查明，对于现有FPSO结构无法进行评价并进行改进。因此，考虑建立一套长期、稳定、有效的FPSO重大风险监测系统。

1 系统拓扑构架设计

FPSO风险完整性管理总体拓扑见图1。

图1 FPSO风险完整性管理拓扑

FPSO各主要子系统风险管理设计要点如下。

1.1 船体结构系统风险管理

基于风险分析，重点关注船体系泊系统支撑，典型结构。

1)内转塔单点系统中支撑单点主回转轴承和系泊浮子(buoy)的结构。

2)软刚臂单点系统中支撑主回转轴承、系泊腿/锚链的船体结构或者单点回转塔结构。

FPSO结构系统的风险管理逻辑见图2。

图2 FPSO结构系统的风险管理逻辑

1.2 单点系泊系统风险管理

FPSO单点系泊系统相对比较复杂、系统集成度较高，中国海域主要应用有软刚臂式和内转塔式两种类型的单点装置。

软钢臂式单点系泊系统主要包括：FPSO、软钢臂、锚泊系统和滑环系统等，软钢臂式单点系泊系统的关键风险点包括：系泊锚缆断裂、锚缆断丝、锈蚀，FPSO与单点碰撞，系泊腿、主轴承受力过大，电滑环振动冲击失效等[1]。

基于风险分析和风险识别的结果，软刚臂式单点系泊系统的核心零部件及其相应的失效模式见表1。

表1 软钢臂式单点系泊系统失效模式

内转塔式单点系泊系统的关键风险点包括：与浮筒链接锚缆断裂、锚缆断丝、锈蚀，配重丢失，主轴承受力过大，立管振动冲击失效等[2]。

内转塔式单点系泊系统的核心零部件及其相应的失效模式见表2。

表2 内转塔单点系统失效模式

单点装置的风险主要有以下三大类：轴承部件风险管理；系泊腿/锚链风险管理；滑环系统/接口系统风险管理。

单点装置的轴承部件风险管理和监控系统逻辑图见图3，其中，驱动力矩对运动轴承的安全起最直接的影响，而气象环境与驱动力矩大小之间也存在一定的正相关的变化趋势(当气象环境变恶劣时，相应的驱动力矩也会变大；但是驱动力矩变大，并不一定是气象环境变恶劣的原因)，在实际操作中可以起到辅助判断的作用。

图3 轴承部件风险管理逻辑

单点装置的系泊部件风险管理和监控系统逻辑图见图4、5，系泊力大小对系泊部件的影响尤为重要，FPSO水平位移若过大，可能会导致FPSO发生前冲，FPSO有可能与塔体发生碰撞，或者造成yoke系统超载，也存在很大风险[3]。

图4 系泊腿/锚链风险管理逻辑

图5 滑环系统/接口系统风险管理逻辑

1.3 火气系统风险管理

FGS系统由火气监控系统控制逻辑设备、火气探测现场设备及其与消防系统、应急关断系统、报警系统、PA系统和HVAC系统的接口组成。

当现场的探测设备探测到火情或者可燃气体时，位于中控的火气控制系统将继续监测这些现场的设备设施，并采集相应的火气信号，送到应的火气控制系统的逻辑单元，通过预先设定的逻辑关系进行处理，再通过报警系统、应急关断系统、消防系统和HVAC系统的接口实现相应的报警、关断、消防和控制功能。

FPSO火气系统的风险管理逻辑见图6。

图6 火气系统风险管理逻辑

1.4 外输作业风险管理

在外输作业风险管理主要聚焦于FPSO与提油轮的相对运动、FPSO首摇运动，连接缆索的张力、气象环境等风险特征量[4]。外输作业的风险管理逻辑见图7。

图7 外输系统风险管理逻辑

1.5 柔性软管风险管理

柔性软管的风险主要表现在如下方面。

1)FPSO过度水平运动导致柔性软管过度弯曲(小于最小弯曲半径)而受损。

2)柔性软管外包覆层破坏。

3)柔性软管的放空系统(vent port)未进行正常排放。

4)柔性软管介质中出现腐蚀性组份(H2S)。

柔性软管的风险管理逻辑见图8。

图8 柔性软管风险管理逻辑

2 FPSO重大风险监测系统功能设计

2.1 监测系统总体设计

主要内容包括:①监测系统总体框图；②监测系统设计规格书，包括传感器和监测仪器技术规格、监测数据处理方法；③设计图纸。

按照实际FPSO生产运营的要求和现有监控技术条件，监测系统的总体框图见图9。

图9 风险监测系统

2.2 风险源辨识

根据监测系统设计的总体要求，监测系统应能对FPSO的重大风险源进行有效监控，同时具有相应的预警功能，能对各种关键零部件的早期失效进行预警和判断，从而避免重大事故的发生。FPSO重大风险源见表3。

2.3 功能设计

为实现上述目标，重大风险监测系统设计应具备如下基本功能，见表4。

表3 FPSO重大风险源识别

表4 FPSO重大风险监控系统功能设计

3 FPSO重大风险监测系统现场实施

通过FPSO重大风险监测系统的拓扑结构设计与架构选择研究结合风险监测指标体系以及信息的采集和处理，以渤海油田现役FPSO为对象，开展FPSO重大风险监测系统现场实施。该FPSO是以软刚臂单点系泊的方式固定在工作海域，外输作业采用串靠外输，提油轮通过外输大缆系泊在FPSO艉部，低压原油通过外输软管输送到外输油轮上，外输过程中提油轮需尽可能与FPSO保持在同一中轴线上。

在役FPSO在建造期间已针对火灾、油舱等部分风险点采取相应的监控措施，本次主要针对：①风速、风向、温湿度等气象;②FPSO位置及六自由度运动;③系泊系统姿态和受力;④外输大缆角度及拉力;⑤穿梭油油轮位置及姿态。

风速风向、温湿度监测由专业测量设备完成。

FPSO位置及六自由度运动由安装在船体上的姿态传器和测距雷达共同实现。姿态传感器可监测其所在位置的X、Y、Z三个轴向的角度及方位，即FPSO艏摇、横摇、纵摇和艏向。测距雷达安装在FPSO MS支架顶端，朝向单点中心方向，其功能为监测FPSO距单点中心水平距离、FPSO相对单点塔垂向高度差，由于FPSO始终绕单点中心位置运动，基于测距雷达以上功能可得到FPSO横荡、纵荡、垂荡。前者的监测艏向功能与后者的监测FPSO距单点中心水平距离功能可配合得到FPSO实时位置。

系泊系统姿态和受力通过安装在YOKE、LINK ARM、单点塔顶部的4个姿态传感器实现，这4个姿态传感器可以监测单点系泊系统不同位置的三轴角度，从而得到系泊系统姿态，并通过系泊系统不同位置的角度计算得到系泊系统受力。

外输大缆角度、外输油轮位置及姿态通过安装在火炬塔朝向船艉方向的外输视频摄像机实现。通过对外输视频摄像机拍摄到的外输油轮和外输大缆的图像进行识别可以准确得到以上信息。外输大缆拉力通过读取中控系统中的数据实现。

同时编制完成重大风险监测系统软件，通过软件系统将不同规格、采样频率、数据量的设备统一集成并将其监测数据运算处理后统一在中控展示，方便中控值班人员进行监控。

4 结论

现场实施的FPSO重大风险监测系统集成了单点系泊监测、船体运动和姿态监测、环境监测、外输监测等功能，结合中控已有的火灾监控、工艺系统以及油舱数据，可以提供给用户更丰富的报表、数据查询等功能，在现役FPSO上开展示范性应用，可指导作业人员掌握FPSO实时状态并给予外输作业时的操作建议，对FPSO应对风险预防事故发生起到积极作用。