姿态监测在海上吊装作业的应用

匡 杨 王 燕 秦立成 李 鹏 王振兴 张博文

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

1 概述

从目前世界上的油气地质资源勘探情况来看，海洋里的石油储量所占比重越来越大。随着我国努力发展为海洋强国的战略思想，石油的开采也将逐渐走向海洋，在我国近海海域仍然采用导管架固定式平台，而固定式平台的安装方式主要为吊装。海洋工程的建设中，施工现场环境复杂多变，吊装作业的施工船舶会受到海上波浪、海流、潮汐、台风等复杂多变的外力作用，而这些外力也都同样对船舶的稳定性进行着考验，吊装船舶的稳定性直接影响被吊物体的稳定性，被吊物体的水平倾角情况会改变。所以，被吊物体姿态的实时监测是非常重要的，是保证工程安全进行的重要手段[1-5]。吊装作业过程中被吊物体的姿态实时监测，能够实时监测被吊物体的横摇/纵摇双轴方向的倾角，为海上吊装作业顺利进行提供了数据支持。本文结合以往吊装监测项目，介绍了姿态传感器在海上吊装作业的应用以及吊装过程中的主要作用，可供类似项目参考。

2 项目介绍

2.1 FPSO主要参数

此项目FPSO船体总长约为225.80 m、水线间长为246.25 m、船体型宽48.9 m、型深26.6 m、设计吃水为17.5 m、排水量约为192 416 t。

2.2 下转塔主要参数

被吊物体为FPSO下转塔，下转塔主要参数为：转塔总重约为1 159 t，转塔的最外围尺寸半径约为8.25 m的塔体；FPSO下转塔的主要作用和其他单点系泊一样，是为了将FPSO用某种链接方式固定在海上某个位置，使FPSO能够随风、浪、流和潮汐的作用下进行360°的自由旋转，来减少风浪所产生的破坏力，从而降低系统在外界风浪流的干扰作用下的环境荷载和运动响应。因此下转塔的安装精度对于FPSO后期的使用非常重要；此项目为了保证下转塔后期的正常使用，因此下转塔安装有着高精度的要求，水平方向X/Y轴就位误差不得超过0.2°。如果只是通过指挥人员肉眼的观察是不可能达到这个精度的，所以整个吊装过程都进行了姿态实时监测。

2.3 监测技术要求

1)在下转塔吊装入月池过程中，测量下转塔水平面X和Y两个方向上的水平度，水平度误差不超过0.1°，测量间隔不超过1 s；2)测量结果通过无线信号，传输到位于FPSO月池口甲板的显示器，显示器上能实时显示下转塔与月池壁的间距和下转塔水平度；3)测量和信号传输设备可通过临时放置在下转塔的电源供电。

3 姿态实时监测仪器设备

3.1 高精度双轴倾角传感器

本次姿态实时监测采用高精度双轴倾角传感器，测量精度为0.1°，分辨为0.01°，量程为±90°。数据输出形式为RS232/RS485能够更好的兼容数据采集软件(见图1)。

3.2 无线传输电台

由于本次吊装需要做的数据实时采集和显示给吊装船的指挥人员，双轴倾角传感器安装在被吊模块上，因此需要用无线传输电台将数据实时传送回采集端。无线传输电台工作频段：410 MHz～441 MHz，空中速率：0.3 kbps～19.2 kbps，通讯接口和传感器一样都为RS232/RS485可选。

3.3 传输天线

根据吊装船位的调整，在吊装图纸上量取最大距离在500 m左右，因此本次吊装监测采用了传输距离3 km的鞭状天线，空中速率为0.3 kbps～19.2 kbps，可根据项目需求采用不同的天线匹配无线电台的使用。

4 姿态实时监测软件

姿态实时监测软件具有良好的兼容性，能够安装在Win7和Win10系统下；同时，操作界面也比较简单，选定通讯数据串口点击打开，软件上就能实时显示该组传感器的测量值。软件中串口参数设置采取默认设置。

吊装姿态监测软件数据显示界面经过多次优化，数据可以实时通过数值显示以及1 h内的时程曲线来实时显示姿态监测数值；同时为了更直观的显示转塔的姿态倾角情况软件特意增加了模拟气泡，来对姿态的倾角值进行实时显示，可以在屏幕中直接得到数据；模拟气泡会根据倾角值的变化而运动，能够给吊装指挥人员提供更直观的显示，软件中的模拟气泡如图2所示，气泡的位置很容易观察出来。

软件能够将实时显示的数据进行储存，同时能够对采集的数据进行分析，计算得出某段时间的最大、最小和平均值，数据储存时长和统计数据时长都可以根据客户需求进行设置，也可以根据项目的需求而改变参数。软件还设置了数据回放功能，能够将储存的数据选择某一时间段进行回放；方便业主对吊装过程中关键时间点的监测数据掌握。

5 实时监测过程

实时监测过程主要包括：XY轴向的确定、传感器的安装固定、无线传输电台的安装、吊装监测前测试、数据的实时显示。

1)XY轴向的确定。为了更加准确的对被吊物体双轴倾角的实时监测，需要将高精度倾角传感器安装在下转塔的某一水平层的中心位置；因此在安装传感器之前我们根据FPSO方向来确定好转塔的X和Y两个轴的方向(沿船长方向为X轴，船头指向船尾为正向；沿船宽方向为Y轴，船中指向右舷为正向)，以便在整个吊装监测过程中指挥人员快速发出指示来调平转塔姿态。

2)传感器的安装固定。为了吊装监测数据的准确性，需要将姿态传感器安装在提前测量好的下转塔的某一水平层的中心位置；同时需要确保传感器和下转塔紧密固定，保证传感器不会随着吊装过程滑动而影响监测数据。为了项目的顺利进行传感器至少提前一天安装固定在下转塔指定位置。由于吊装过程下转塔无法提供供电，所以传感器采用12 V电池供电，同样需要将电池固定好并与姿态传感器连接好，接通电源传感器进入休眠状态，只有接收到软件发出的测量指令才会开始测量，在休眠过程中传感器耗电极低，从而确保整个吊装监测过程姿态传感器的供电。

3)无线传输电台的安装。吊装监测采用无线传输模式来达到数据实时显示在软件上；为了保证监测数据无线传输的实时性，必须保证数据的发射端和接收端通讯畅通，因此我们将无线传输电台和天线安装在了被吊物的顶部，尽量避免遮挡以防信号传输中断，从而避免了无线通讯中断造成的数据丢失。

4)吊装监测前测试。为了确保整个监测过程的顺利进行，在正式吊装监测之前，会对姿态传感器、无线传输电台以及监测软件进行几小时的稳定测试。前期制定监测方案时考虑到传感器安装位置会存在固有的微小倾角，软件特意设计了类似清零功能，将安装位置固有的倾角测量出来并在软件中清零，后续的倾角变动以开始测量的值为基准，这样能消除安装位置非水平给监测带来的影响，保证了测量的准确性，也易于人员观察，提高了工作效率。

5)数据的实时显示。吊装姿态监测数据通过各种形式呈现在监测软件中，指挥人员可以通过软件显示的数据来判断下转塔X轴Y轴的倾角，如果出现姿态不平的情况可以通过调整单个吊钩的升降速度来调整下转塔的姿态使其达到要求的安装精度；这个作用是这次吊装监测的主要目的。

6 结语

在海上吊装作业过程中采用被吊物体姿态的实时监测，吊装作业的指挥人员能够获得被吊物体的横摇/纵摇双轴方向倾角的实时监测值，从而指挥吊机操作员进行调平操作；吊装过程的姿态监测也为海上吊装作业顺利进行提供了重要的数据支持。

随着技术的发展吊装实时监测的数据也可以实时同步到手机或者电脑端，专家可以通过数据进行远程指挥操作；同时姿态传感器也可以配合其他传感器共同使用来满足吊装过程中更多的监测需求。