TLP張力腿監測系統應用研究

劉儉飛　王　晶　趙　倩

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300451;中國石油東方地球物理有限責任公司2，天津　300451)

TLP張力腿監測系統應用研究

劉儉飛1王晶1趙倩2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300451;中國石油東方地球物理有限責任公司2，天津300451)

摘要：張力腿監測系統主要用于監測張力筋腱的狀態、張力，分析平臺的質量分配，對于張力腿平臺在安裝及作業過程中的安全性起著至關重要的作用。為保證張力腿監測系統的可靠性與完整性，對比了張力腿監測設備性能和應用條件，考慮了海洋工程的施工特點和難點，提出了張力腿監測系統設計的基本原則和設計要求,并給出了具體的設計方案。通過項目驗證，該系統適于在張力腿平臺推廣和應用。

關鍵詞：海洋工程浮式平臺張力腿平臺監測系統系泊系統稱重元件基盤冗余渦激振動

0引言

隨著浮式平臺技術的快速發展，深海油氣資源及邊際油田的開發成為可能。張力腿平臺(tension leg platform，TLP)是應用最多的浮式生產平臺之一。它通過自身的結構形式，產生遠大于結構自重的浮力。浮力除了抵消自重之外，剩余部分就稱為剩余浮力，這部分剩余浮力與預張力平衡。預張力作用在張力腿平臺的垂直張力腿系統上，使張力腿時刻處于受張拉的繃緊狀態。張力腿將平臺和海底固接在一起，為生產提供一個相對平穩安全的工作環境。這種結構形式使得張力腿平臺具有良好的運動性能。若出現應力超限，TLP可能會傾斜甚至傾覆，威脅平臺上人員安全和財產安全。目前在役和新建的TLP均要求使用張力腿監測系統(tendon tension monitoring system，TTMS)，確保平臺安全和張力腿系統完整性。

國外的海洋工程張力腿監測相比國內有較成熟的經驗。最早的一個海洋結構監測系統是BMT公司在1987年設計的TLP平臺監測系統。在我國,目前還沒有完整的海洋工程結構健康監測體系，也沒有具有張力腿系統及其監測系統生產能力的公司[1-3]。

1張力腿平臺

張力腿平臺的結構形式如圖1所示。

圖1　張力腿平臺結構示意圖

TLP適用于300～1 600 m(甚至更深)的海域。TLP通過張力腿系統固定在海底的浮式海洋平臺，張力腿系統能夠保證平臺在風、浪、流的作用下保持位置并限制平臺的運動。張力腿平臺通常由以下主要部分組成[4]。

①上部生產設施、干式或濕式采油樹、鉆井模塊；

②船體系統、壓載系統、下浮體及立柱結構；

③張力腿系統(張力腿、基盤等)；

④立管(鉆井和生產管線)。

2張力腿系統

TLP通過船體浮力使張力筋腱始終處于拉伸狀態，通過拉力將TLP限制在允許的運動偏差及合理姿態和吃水范圍內,實現平臺在設計環境條件下的生產功能需求。張力腿系泊系統需提供足夠的剛度，以保證平臺的升沉、橫搖和縱搖頻率遠離波浪能量集中頻率范圍，從而避免諧振響應。張力筋腱內部截面一般設計為中空。張力筋腱尺寸(直徑和壁厚)的設計需要考慮減小自身質量，以減輕對平臺的荷載，同時方便運輸和安裝。典型的張力腿系統(tendon tension system,TTS)示意圖如圖2所示。

圖2　張力腿系統示意圖

張力腿系統設計的實施重點或關鍵節點是：

①在設計環境條件下，為TLP平臺提供橫向約束能力；

②確定張力腿系統的數量、位置和截面尺寸，控制平臺的升沉、縱搖和橫搖運動；

③分析張力腿系統(主體鋼管和連接器)和鋼樁，保證系統的強度和疲勞滿足要求；

④滿足運輸、安裝、操作和檢驗不同階段的需求。

張力腿系統主要包括張力筋腱、上端和下端接頭、海底基礎、TTMS等。張力腿平臺每個立柱(或延伸腿)底部通常安裝2根或更多根張力筋腱，總數通常為6～16根。張力筋腱鋼管通常為常壓，除去頂部和底部連接器外，全長范圍可以采用一致或者變化的外徑和壁厚。每根張力筋腱由頂部連接段、底部連接段和等長的主體分段(包含耦合連接器)組成。張力筋腱頂部節點將張力筋腱與TLP船體連接節點相連，同時配備張力筋腱監測系統。主體分段貫穿整個水深與底部節點相連，底部節點將張力筋腱與底部基礎連接。

3張力腿監測系統

3.1系統功能

為確定張力筋腱的受力狀態以及平臺上部荷載的分布情況,一般進行TLP張力筋腱張力測量。當張力接近0甚至為負,或者超過其張力的許用值時,均表明上部荷載或環境荷載超過了許用值。此外,通過對張力筋膜張力的頻譜分析,還可以識別張力筋腱的渦激振動效應(vortex induced vibration,VIV)現象[5-6]。

TTMS通過對張力筋腱的張力、彎曲載荷的監測，提供實時和歷史數據查詢、報警功能，并結合特定算法，分析并輔助調整平臺的質量分配[7]。

TTMS主要功能包括：

①監測張力腿的受力情況,以評估疲勞損傷；

②在惡劣海況下監測張力腿平臺的表現，以驗證設計可靠性-張力筋腱在服役期內的表現，將此作為壽命后期延壽評估的基礎；

③以作業者易于理解的形式，顯示實時數據，輔助平臺作業。

3.2測量元件

TTMS的測量元件有Porch-based和In-line兩種類型。Porch-based類型測量元件中，每個張力筋腱設有3個稱重單元沿Porch圓環均勻分布,每個稱重單元內的2個稱重傳感器獲得冗余的受力信息。In-line 類型測量元件由密封腔內的2個傳感器環焊接在鍛件上組成。密封腔內充有硅油并由樹脂密封，以防海水侵入[8]。

這兩種類型的測量元件各有特點與應用要求，Porch-based類型的主要優點是在TLP安裝過程中即可進行張力監測；而In-line 類型主要優點是無需定期標定，且可在位更換。在實踐過程中，應根據項目具體情況進行規劃選擇，其應用特點及性能對比如表1所示。本項目采用了Porch-based型測量元件。

表1　測量單元特性對比

3.3系統組成

本文以Porch-based的TTMS為例，說明系統組成，其結構如圖3所示。TTMS通過Modbus TCP與船舶綜合海洋監測系統(integrated marine monitoring system，IMMS)系統通信[9]。

TTMS采用雙通道應變稱重元件。每個Tendon使用3個稱重單元，并輸出線性模擬信號。這些模擬信號經過TLP TOC的接線箱的信號處理單元轉換為串口信號，通過串口通信(RS-485/RS-422)傳輸到TTMS機柜的串口以太網轉換接口，最終通過以太網傳輸到TTMS服務器，以便實時處理、顯示和存儲。

圖3　TTMS結構組成圖

3.4系統設計/實施要點

鑒于張力腿系統對于TLP的重要性,對張力腿系統的監測，即TTMS系統的設計，應以保證失效安全為原則。TTMS系統的冗余與容錯設計至關重要，也就是說，任意單一失效均不應影響系統性能。同時TTMS的稱重單元為水下設備，應進行防水侵入設計以及使用水下電纜接頭。

TTMS系統稱重傳感器、稱重單元以及張力筋腱構成了3級冗余結構，滿足TLP 30年的設計壽命要求。

TTMS采用兩個完全獨立的稱重應力傳感器。每個應力傳感器回路使用獨立的水下電氣接頭、鎧裝水下電纜以及獨立TLP TOC的信號處理單元。信號處理單元內部應有完全獨立的信號通道、A/D轉換器以及完全獨立的電源通道。這些經過處理的信號應分別進入各自獨立的信號接口單元。同時TTMS也應使用冗余的處理器進行數據處理。在工程實踐中，TTMS的冗余電纜應進行獨立路徑規劃，避免穿越同一火區，以降低共因失效概率。當任意單一元件發生故障時，TTMS的服務器均應能檢測報警并自動進行切換[10]。

3.4.1供電要求

TTMS供電應采用雙通道100%容量設計。通過TTMS專用的UPS為系統供電，UPS本身應有至少15 min的供電能力。冗余的單元供電采用各自獨立的供電回路。TTMS應配備獨立的兩個24 VDC電源模塊，分別為獨立的稱重傳感器以及對應的信號處理單元供電。

3.4.2備用服務器

備用服務器與主服務器配置完全一致，通過TTMS以太網連接。備用服務器完全鏡像主服務器的功能，并在主服務器硬件或軟件失效的情況下，接管所有數據采集、處理以及通信功能。備用服務器不使用單獨的人機交互，而是使用切換控制盒。這樣在系統失效時，操作員可以方便地進行系統的切換控制。

4結束語

本文闡述了張力腿系統及TTMS系統組成、結構，對比了TTMS兩種可選類型的選用方法，分析了TTMS設計要求，總結提出了TTMS設計應用的一些基本原則。結合項目實踐，采用了Porch-based的TTMS測量元件、冗余的系統回路設計以及獨立冗余的供電和熱備服務器，使系統的可靠性達到30年設計要求。隨著中國深海油氣資源開發的不斷推進和發展，TLP必將得到越來越廣泛的應用。TTMS作為TLP平臺的關鍵系統之一，應該給予足夠的重視。

參考文獻

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Application Research on the Tendon Tension Monitoring System

Abstract：The tendon tension monitoring system (TTMS) is mainly used for monitoring the status and tension of tendons,and the mass assignments of analysis platform,it plays a key role in safety during the process of installation and operation of the tension lag platform.In order to ensure the reliability and integrity of TTMS,the performance and application conditions of tension leg monitoring equipment are compared,the construction characteristics and difficulties of marine engineering are considered,the basic principle and design requirements of TTMS are put forward,and the specific design scheme is given.Through the project verification,this system is suitable for promotion and application in the tension leg platform.

Keywords:Marine engineeringFloating platformTLPMonitoring systemMooring systemWeighing deviceBase trayRedundancyVortex induced vibration (VIV)

中圖分類號：TH-3;TP277

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605010

修改稿收到日期：2016-03-12。

第一作者劉儉飛(1984-)，男，2009年畢業于哈爾濱工業大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事過程控制方向的研究。