FPSO單點軟剛臂系泊監測系統

劉莉峰，趙玉梁

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津300452)

FPSO單點軟剛臂系泊監測系統

劉莉峰，趙玉梁

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津300452)

為了更好地保障單點系泊安全,在渤海某FPSO應用一套單點軟剛臂監控系統,該系統主要針對風向、浪流、系泊臂的瞬時受力及船體綜合姿態等因素通過實時在線監測并實施狀態擬合,提供并連續記錄船體在各類復雜海況下的不同極端受力狀況。結果表明,該監測系統可以連續監測FPSO在復雜海況運行期間的綜合受力,給出FPSO海上應急狀態所需要解脫時的決策技術保障,確保了其在海上的安全運轉。

單點軟剛臂;FPSO;系泊;實時在線監測;應急解脫

由于浮式生產儲油裝置(floating production, storage and offloading,FPSO)處于海上風浪多變的復雜環境之中,自身存儲原油載重變化不斷,加上FPSO連接外輸油船會對FPSO船體產生拉力,因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復雜。目前渤海的FPSO軟剛臂系泊監控系統僅對風向、浪流以及船航艏向進行監控,而無法同時監控不同船體姿態以及單點軟剛臂工作情況對系泊裝置帶來的影響,存在較大的安全隱患［1-5］。為此,考慮通過研究單點軟剛臂系統的受力情況,確定監測系統的系泊系統環境參數和姿態參數。其中系泊系統環境參數為風、浪和流的實時的參數數值,姿態參數為船體的橫縱搖、距單點距離、船艏向和水平系泊力。實時監控數據不僅有助于平臺安全生產與決策,同時能夠有效記錄在惡劣海況,以及極限條件下各運動數據,在超過預設值后還能及時報警提示。該系統還對選擇較安全的外輸作業時機提供基本數據。通過平時對系泊系統的監測,驗證軟剛臂是否處于設計要求的安全狀態,及時發現隱患,同時也為單點系泊系統的自主設計提供參考［6-8］。

1 系統組成

一般說來,軟剛臂系泊系統通常由以下4個部分組成:YOKE、系泊腿、系泊支架以及單點小平臺。YOKE通過鉸接點與單點系泊平臺相連,該鉸能夠對船體的橫搖縱搖等自由度運動進行釋放,僅對船體縱蕩進行約束。系泊腿兩端通過萬向鉸與YOKE和系泊支架相連接,將船體與單點小平臺有機結合在了一起。FPSO單點系泊裝置見圖1。

圖1 FPSO單點軟剛臂系泊裝置示意

2 設計方案

單點軟剛臂系泊系統最主要的功能在于抵御外部極端荷載的作用。不同的環境荷載對FPSO外荷載提供的作用不同,一般認為,在淺水海域風荷載對于系泊力貢獻占整個外部荷載的34%,流荷載比重較低,為10%左右,一階和二階波浪力對于荷載的影響則基本占剩余的66%。通過結合船體姿態對現場風、浪及流等環境荷載信息同步監測,可對軟剛臂的水平系泊力進行預估。

2.1 單點軟剛臂系泊系統受力分析

在監控系統安裝之前,對單點系泊進行分析。根據FPSO系泊系統受力分析,其受力情況見圖2。其中,傾角α和β分別為系泊腿與YOKE的傾斜角度;x為平臺系泊點與系泊腿上端的水平距離;y為平臺系泊點與系泊腿上端的垂直距離。

圖2 單點軟剛臂系泊系統力學理論模型

模型中的主要參數存在如下幾何關系。

對結構進行力學分析。整個結構中存在4個未知量,即Fx1、Fx2、Fy1、Fy2,需建立4個平衡方程方能解出。由∑Fx=0、∑Fy=0、∑MA=0、∑MC=0不難得到式(2)。

式中:Fx1——船體對系泊系統的水平作用力;

Fx2——系泊平臺對系統的水平作用力;

Fy1——船體對系泊系統的垂直作用力;

Fy2——系泊平臺對系統的垂直作用力。

聯立解出F1x

以渤海某FPSO為例,各參數取值如下:L1= 6.9 m;L2=6.1 m;L3=4.28 m;L4=9.89 m;L5= 17.83 m;G1=51.8 t;G2=330 t;G3=130 t;壓載吃水為7.5 m;滿載吃水為10.5 m;設計拉力為4 200 kN。將(3)與式(1)聯解,求得船體吃水為9 m、船體距平衡位置為不同距離時,軟剛臂水平恢復力的變化見圖3。

圖3 渤海某FPSO在不同裝載下的剛度

由圖3可見,不同位置恢復力不同,在設計抗力范圍內(-4 200～4 200 kN)恢復力與位移之間近似成線性關系。

通過式(3)可以了解軟剛臂不同姿態下各參數對船體、對系泊系統水平作用力的影響,外輸連接時也會對軟剛臂受力產生影響。針對所產生各種參數進行監控、采集數據并由模型計算出各項監控數據。

2.2 監測系統主要設備組成及功能

FPSO監測系統主要設備及功能見表1。

2.3 數值輸出形式特點

監測系統給出生產作業最關心的風速、船體姿態、水平系泊力等參數值;監測系統給出相關參數的當日運行曲線;每日報表(可自定義所需參數值)自動生成功能;上述各監測數據歷史回放以數據輸出形式展示,監測系統見圖4。

3 應用實例

以渤海某FPSO單點系泊為例,其所在海域存在2個井口平臺,距FPSO均為1.7 km,該海域的主環境荷載方向為東北方向。

3.1 監測系統的安裝與使用

3.1.1 RTK雙頻GPS

RTK-GPS包括2個主機和2個天線及相關連接線。主機分為固定基站和移動基站,將固定基站主機放在小平臺上,移動基站主機放在船上,天線分別接到GPS主機上。

圖4 監測系統原理

GPS主機由12 V電源供電。

GPS包括3個COM口,使用COM1和COM2。COM1用于接數據采集器,COM2用于接另一個主機的COM2。2個主機的COM2用232 -422-232延長連接。2個主機的COM1用232 -422-232延長到室內,接數據采集器的RS232口。

3.1.2 風速風向儀

風速風向儀輸出電流信號,再通過轉換器將電流信號轉換為數字信號連接至數據采集器的接口上。

安裝過程:將風速儀的相對風向調為0°,此時將螺旋槳方向指向船頭方向,尾翼指向船艉方向。安裝完畢后,監測界面上的絕對風向為風速儀校正后的風向。規定:從正北向正南刮的風為北風,此時風向為0°,順時針增加,從0°增加到360°,其中90°風向為從正東吹往正西方向。

3.1.3 傾角傳感器

使用6個傾角傳感器。將1、2號傾角傳感器放到船體上,用于監測船體的橫搖、縱搖;3～6號傾角傳感器放到A型支架上。

安裝方式:

傾角3——左系泊腿,X軸正向指向船體。

傾角4——左YOKE臂,X軸正向指向船體。

傾角5——右系泊腿,X軸正向指向船體。

傾角6——右YOKE臂,X軸正向指向船體。

3.1.4 海流計

浪流監測安裝在距FPSO附近處固定平臺上(建議不超過3 km)安裝該裝置監測浪流數據,以保證水下數據穩定。

3.1.5 串口服務器安裝

串口服務器使用220 V交流電源,將串口服務器配帶的RJ45轉DB9線接到串口服務器的RJ45口上。

3.1.6 數據采集器的安裝

數據采集器使用12 V電源供電,RS232口接傳感器的數據輸出口,RS485接串口服務器的DB9裝RJ45口的DB9口。

系統共接9這個傳感器,使用服務器的9個COM口,連接使用情況如下。

PORT1-傾角傳感器1;依此類推……, PORT6-傾角傳感器6。

PORT7-RTK-GPS的移動站;PORT8-風速風向儀。PORT9-RTK-GPS的固定站。

3.2 監測數據實例及分析

經長期監測、分析可以看出,不同的浪流影響下船體的姿態變化相差較大;惡劣天氣下水平拉力明顯增大;同時可對環境載荷、軟剛臂恢復力時程等進行有效監控。

2011年某日極值,環境載荷監測數據見圖5,軟剛臂回復時程圖見圖6。

圖5 環境載荷監測結果

圖6 軟剛臂恢復力時程曲線

從圖6可以看出,當該日軟剛臂的最大恢復力為850 kN,最低為270 kN,平均約為600 kN(該FPSO軟剛臂極限受力為4 300 kN),該環境下FPSO是處于安全的狀態。證明該技術在對FPSO的安全姿態可起到有效監測和預報警作用。

4 結論

影響FPSO系泊安全的因素很多,單點軟剛臂連接系統及船體姿態實時監測對FPSO海上安全運轉有著極其重要的意義。

1)FPSO的單點軟剛臂系泊系統受力主要取決于船體姿態,除了船體裝載等內部因素外,風、浪、流等外部因素都會影響船體姿態的變化。

2)不同于目前海上普遍使用的監控系統,本監控系統首次將風、浪、流等信息采集與FPSO單點軟剛臂受力等數據收集結合起來建模,給FPSO的系泊情況提供較為準確的參數監控,監測直觀,數據收集分析簡便。

3)由于數據收集時間較短,對于長周期一遇的極端天氣情況,數據量不足,需要長期收錄數據對系統進行升級,并優化預警系統。

4)該系統通過建立模型可以預測惡劣天氣情況下軟剛臂受力情況,從而判斷FPSO的安全狀態,并作出安全預警;也可以提供在惡劣環境下的外輸提油時機。

5)由于該浪流監測系統在渤海的應用實踐時間較短,極端天氣情況的資料相對有限,還需要通過長期的數據收集和歸納,對技術進行升級和優化。

［1］唐永剛,毛 輝.超大型FPSO軟軛架轉塔式單點系泊系統設計研究［J］.船海工程,2010,32(6):60-64.

［2］劉元丹,劉敬喜.單點系泊FPSO風浪流載荷下運動及其系泊力研究［J］.船海工程,2011,40(6):146-148.

［3］宋志鵬,鄭紹春.浮式生產儲油卸油船多通道流體旋轉接頭性能分析［J］.船海工程,2010,39(4):53-57.

［4］李 海,金向東.南海奮進FPSO單點液壓缸拆卸分析［J］.船海工程,2014,43(5):29-30.

［5］夏華波.水下軟剛臂單點系泊研究［J］.船海工程, 2014,43(3):166-170.

［6］楊小龍,蔡元浪.塔架式單點系泊FPSO的監測與預警系統開發［J］.船海工程,2014,36(1):197-200.

［7］袁中立,李 春.FPSO的現狀與關鍵技術［J］.石油工程建設,2005,31(6):26-29.

［8］呂立功,景 勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統設計上的考慮［J］.中國造船,2005,11(46):35-37.

On the Monitoring System of the Single Point Mooring FPSO

LIU Li-feng,ZHAO Yu-liang
(Tianjin Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Tanggu Tianjin 300452,China)

In order to ensure the safety of the single pointmooring(SPM)system of a FPSO in Bohai sea,a SPM YOKE monitoring system is applied,which can realize a real-time onlinemonitoring of the situations ofwind,wave and current,the instantaneous force acting upon themooring arm,as well as the hull attitude,and record the conditions and extreme force of the FPSO.Themonitoring system has been proved to be able tomonitor continuously the comprehensive force acting upon the FPSO operating in the complex sea,provide the technical support tomake decisions for the emergency release manipulation,so as to guarantee the safety of the FPSO.

SPM YOKE;FPSO;mooring;real-timemonitoring online;emergency release

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.020

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0083-04

2014-12-17

修回日期:2015-02-02

國家科技重大專項(2011ZX05057)

劉莉峰(1974-),男,學士,工程師

研究方向:海上油氣田開發

E-mail:liulf@Cnooc˙com˙cn