钢悬链线立管监测预警系统研究

郭文敢，冯 猛，陈土顺

(中海油安全技术服务有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

目前，我国海洋油气开发正处在由浅水到深水的跨越阶段，南海深水油气田的勘探开发工作越来越受重视。因此，有必要同步发展浮式生产装置监测技术，监测南海海洋环境作用下的浮式生产装置响应，为建立针对南海海域的浮式生产装置的数字孪生系统进行技术积累。

近年来，我国开展了一系列关于深水钢悬链线立管(SCR)的理论研究，但是深水立管监测预警系统的国产化应用工作并没有开展。为此，本文对SCR监测传感器模块的集成化、送入工具的通用化及模块化设计进行研究，有助于实现立管监测预警系统的国产化应用，在SCR的全生命周期实现实时监测预警。

1 主要研究内容

SCR监测预警系统的研究包括总体方案的研究、可回收式水下传感器支架、可回收式水下传感器模块、有线安装模块、水下应力传感器、主控站的研制、测试及调试，见图1技术路线。研究内容主要包括以下6项：

(1)立管监测预警系统国产化应用风险分析与对策研究。

(2)立管监测预警系统的集成设计技术研究。

(3)立管监测预警系统的加工工艺和质量控制研究。

(4)可回收传感器模块及安装工具的研究。

(5)立管监测预警系统测试技术体系与认证技术研究。

(6)立管监测预警系统国产化标准体系与制造规程。

图1 技术路线

2 主要研究成果

2.1 立管监测预警系统组成

立管监测预警系统框图见图2。立管监测预警系统可分为平台数据处理中心和水下传感器部分，其中：水下部分分为有线连接的传感器(悬挂区)与无线独立运作型传感器(着陆区)；独立运作模块由传感器支架和传感器模块组成，可由水下机器人(ROV)安装和回收。

通过对立管数值分析的研究，识别出关键位置，并通过对监测方案、水上传感器、水下传感器模块、水下传感器安装架、传输方式等技术研究，对立管的应变、角度、加速度等进行实时监测，为预警系统提供数据来源。

Modbus RTU—一种通讯协议；230 V AC—交流电；RS485—一种通讯接口。

2.2 可回收式水下传感器支架

由于外界因素影响，固定式传感器支架会因立管位置的变动导致其无法收集到可靠的数据。而采用可移动/回收式传感器支架可以更好地适应环境，能够根据立管位置漂移移动至最佳位置，确保采集的数据准确，便于之后的数据分析。

根据传感器类型的不同，可回收式水下传感器支架可以分为2种类型：ROV操作型运动传感器支架和ROV操作型运动与应变传感器支架。

由于传感器需要在水下安装锁紧，故水下操作安装的质量决定着设备运行寿命。难点在于深水安装时如何控制支架的姿态，以及如何回收支架和传感器模块。因此，需要设计一整套水下安装流程并通过仿真模拟确认流程的有效性。

2.2.1 ROV操作型运动传感器支架

ROV操作型运动传感器支架主要用于将运动传感器模块固定在立管指定位置上。支架可以通过ROV进行安装和调整，而传感器可以通过ROV进行回收。其主要结构包括：夹爪、ROV操作接口、框架、牺牲阳极保护块、运动传感器模块安装筒。运动传感器模块安装筒可以根据立管倾斜角度调整倾斜角度，达到最佳安装位置。

2.2.2 ROV操作型运动与应变传感器支架

ROV操作型运动与应变传感器支架主要用于固定运动传感器模块和应变传感器。应变传感器和运动传感器模块通过水下电缆相连，由运动传感器模块负责采集数据。其主要结构包括：夹爪、ROV操作接口、框架、牺牲阳极保护块、运动传感器模块安装筒、应变传感器。由于采用了水下电连接头连接应变传感器与运动传感器模块，所以为了避免操作接头进水导致损坏，运动传感器模块不建议设计成单独可回收式。

2.3 可回收式水下传感器模块

可回收式水下传感器模块是整个立管监测系统的核心组件，其内置多自由度运动传感器、信号处理模块、数据储存模块、可更换的电源模块、数据输入与输出接口等。模块设计使用深度为3 000 m。模块上配置ROV把手，可通过ROV下放与回收。水下传感器模块需要包含以下功能：多自由度运动数据采集、应力数据采集(需接入应力传感器)、传感器数据储存(24个月不间断数据)、低功耗系统、长续航电池(满足最少12个月续航)、外壳高抗腐蚀、外壳高抗压、具备辅助供电能力、采用压力平衡型电接头。可多个串联，联合工作。

安装在水下的传感器模块为独立运作，并在规定时间由ROV回收至平台进行电池更换和数据导出。完成维护后工作可再次由ROV下放安装在指定位置上以便继续收集立管数据。

2.4 有线安装模块

有线安装模块固定在立管悬挂区，靠近平台的位置上。通过带有可湿插拔接头的电缆连接位于平台上的接线箱。其主要构成为：运动&应力传感器、运动传感器、传感器固定卡箍(位置可调节)、电缆固定卡箍、湿插拔接头及电缆、阴极保护块、水下接线箱。

多个运动传感器首尾相互串联，而应力传感器通过防水电缆连接传感器模块。模块与应力传感器皆由扎带绑紧在立管上。数据电缆通过水下接线箱连接脐带缆并传输至平台上的主控站进行处理。

2.5 水下应力传感器

水下应力传感器用于测量立管曲率和应力，同时可以在最大3 000 m水深处使用。此传感器可以测量立管上的动态应力，结合立管设置参数、船只运动参数、环境参数即可以对立管进行疲劳分析和监测。应力传感器主要依靠高精度应力片进行应力的感应，其现场表现和应用记录显著于位移传感器或光纤应变计。

水下应力传感器至少应满足如下设计参数：最大工作水深3 000 m，测量精度7.5%，响应频率0～300 Hz，工作温度0～65 ℃。

2.6 主控站

主控站内包含了数据输入与输出的接口、数据储存模块、电源模块、人机界面和操作软件。所有数据均要汇集在主控站内，统一处理和分析。主控站可以将数据通过有线的方式连接外部设备，进行进一步的数据分析和操作。主控站设计为防爆型，可在平台上使用。

立管监测预警系统的主要设计目的是满足设备可靠且方便下放安装和回收替换需求，实现水下环境长期稳定工作；操作系统可准确分析传感器数据，计算和显示当前立管疲劳参数、运动数据等。

3 结语

本文通过对SCR监测预警系统的研究，可实现水下传感器模块、水下应变传感器、水下传感器安装架、安装送入工具及辅助配套工具等的国产化，有助于SCR监测预警的国产化应用，为后续南海深水油气田的开发提供借鉴，并为深水SCR数字孪生的建立提供数据支持，从而促进关键技术的发展。