內轉塔單點系泊監測系統標準化及應用

李 鵬

中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 （天津 300451）

海上浮式儲卸油裝置（以下簡稱“FPSO”）是“全海式”油田開發工程中的核心單元[1]。內轉塔單點系泊是南中國海海域FPSO最為廣泛的系泊形式。相較于外轉塔系統，其可靠性高、抗風浪能力強。其主要作用是將FPSO定位于預定海域，實現輸送井流、電力、通信等功能，同時使FPSO具有風向標的效應，在海洋環境作用下受力為最小，從而保證海上定位和連續生產作業。

通常情況下，FPSO系泊系統的設計為100年重現期當地風浪流環境[2]，且世界各國船級社都對系泊系統設計采用安全系數進行冗余設計，例如中國南海FPSO入級法國船級社所規定：采用動態計算法，破斷張力應大于設計最大張力的1.67倍[3]。但近年來全球惡劣海況引起的系泊系統失效事故越來越多，為達到提前判斷和識別風險的目的，在FPSO上加裝系泊系統運動與受力測量裝置，越來越受到油田作業者的重視。

內轉塔單點系泊系統在原設計上已經有比較高的冗余設計，但其并未考慮對系泊力等參數的監測和預警。因此無論是國內領域還是國際領域，都面臨監測系統在原系泊系統上的改造設計、實踐應用、標準化及持續改進等問題。

經過多年的實踐及經驗總結，目前內轉塔單點系泊監測系統已成功應用于我國多艘FPSO，通過實踐的總結和歸納，并于2015年發布一項中國海洋石油總公司企業標準[4]。從“海洋石油118”FPSO開始，系泊監測系統已經成為中海油新造FPSO項目的“標準配置”，從設計理念、技術難點、標準化及持續改進創新等方面對系泊監測系統進行論述（圖1）。

圖1　內轉塔單點系泊系統示意圖

1　內轉塔單點系泊監測系統的標準化設計

1.1　設計理念

系泊監測系統是一種通過在單點系泊系統和浮式裝置上布放信號采集裝置，將采集得到的環境、運動數據集成到系統終端（通常布置在FPSO的中控室中），實現集中顯示、存儲等功能的系統。與其他相關行業在線監測不同的是，系泊系統的監測設備需要經受惡劣環境條件的考驗，需在極端海況（如臺風）下，實現系泊纜、FPSO船體等參數信息的采集保存。

面對嚴苛的使用條件，若要達到對監測指標全面而精準的采集幾乎是不可能的。因此對采集參數的選取和權衡顯得至關重要。任何傳感器都是量程和精度權衡的結果，若要達到高精度的采集，量程往往限制在一定范圍內；若要實現量程的全面覆蓋，精度往往不甚理想。因此需對系泊監測的目的有明確地認識，有取舍地確定采集參數和安裝方式，才能達到理想的監測效果。

系泊監測系統的設計應盡可能選用性能穩定、標準成熟的傳感器，保持在惡劣環境條件作用下設備的可靠性。同時，該系統在各傳感器上層設置有數據采集器，實現集中存儲和傳輸，并實現關鍵參數的運算和預警。

1.2　系統標準架構

將單點系泊監測系統以標準化模塊進行劃分，以一個典型的內轉塔單點系泊系統為例，針對現場測量信息與測量內容的要求，監測系統主要包括如下幾個部分，見表1。

表1　單點系泊監測系統架構

在國際海洋工程領域，對系泊系統的監測源自完整性管理理念（圖2），特別是對水下錨泊部分的持續監測，可以提高安全評估的準確性。通過對異常現象微小變化觀測的累積，可以預判失效事件，爭取更多的反應事件，實現全生命周期的完整性管理。

1.3　水下系泊系統監測方式對比分析

針對系泊系統中水下系泊腿的監測，目前主要分為兩種方法：一是直接監測方法，對系泊纜的拉力進行長期的持續監測，即通過使用內嵌的應變傳感器或安裝在系泊纜固定基座上的測力單元實現長期的測量；是間接監測方法，對系泊纜的狀態（如傾斜角度）進行監測，即通過監測系泊纜的完整性來捕捉單纜破斷的現象。

圖2　內轉塔單點系泊系統架構示意圖

近幾年來全球海洋工程實踐中，兩種方法均有應用。但從工程實際結果反饋，直接監測方法多面臨工程實施難度高、水下設備穩定性差、數據路由布設困難、傳感器零點漂移等問題[5]；而間接監測方法的實踐表明其設備穩定性較高[6]。由于大部分設備安裝在FPSO的生活樓等非危險區，設備使用壽命較長，維護成本較低。對于內轉塔單點系泊系統，由于錨纜與船體的連接點位于船體底部，常規的水上監控無法實現對水下錨纜的傾角狀態進行觀察（如國外應用較多的外轉塔，系泊纜末段位于水面以上，觀察非常方便），因此間接監測方式在內轉塔單點系泊系統上的實現仍具有較高的難度。

系泊系統看似是一個非常簡單的問題，但是從現場監測情況來看，它是一個非常復雜的動力學問題。由于浮式平臺系統需要在固定海域進行連續的長期作業，這就需要其系泊系統也能長期保持工作。系泊系統的設計壽命一般為20年，但是其可能承受百年一遇的極端條件。對于系泊系統狀態的識別可以從判斷其預張力是否合理和識別各錨鏈是否破損兩個方面入手。目前對于系泊系統受力測量方法主要有：

1）系泊鏈深度測量。通過在每根系泊鏈上不同深度安裝壓力傳感器，繪制擬合整條系泊鏈的懸鏈線型，根據線型的變化判斷系泊腿整體受力及工作狀態。

2）系泊鏈傾斜角度測量。根據系泊鏈角度推導得出系泊系統受力。此種方法需要建立系統響應模型（SRM），并根據測量的系泊鏈角度確定系統整體受力。

3）系泊鏈中的張力測量。該方法是最直接的測量方法，但是由于需要在系泊鏈中嵌入張力測量元件，并使之成為荷載傳遞路徑的一部分，因此也是風險最大的一種測量方法。

對比各種測量方法，從技術可行性、適用傳感器、運維成本等方面進行風險分析，見表2。

表2　不同監測方法對比

從應用效果和成本有效性考慮，水下系泊鏈傾角測量是相對可靠的方法。目前國際上已有多家公司開發了水下系泊鏈的角度測量設備，如Pluse Structural Monitoring公司、Falmouth Scientific公司、BMT Scientific Marine Services公司等都開發出了類似的產品。

2　內轉塔單點系泊監測系統的標準化實踐效果及意義

在國外監測技術相對成熟、應用廣泛且新技術亦不斷涌現的背景下，中海油結合自身生產運營情況，在部分FPSO加裝了單點系泊監測系統。在吸收借鑒國外相關技術指南和指導文件的基礎上，結合自身的技術實踐，開展了單點系泊監測標準化工作。

通過項目實踐，從監測系統的設計、設備選型，到現場安裝實施，為系泊監測系統的標準化積累了經驗。該標準的編制是在FPSO現場操作人員、陸地管理人員、監測設備維護技術人員共同討論的基礎上完成的。例如海洋環境監測設備的選型，就是與國家海洋環境監測部門所依據的國家標準相一致的；而水下監測設備的數量配置，則是來自現場施工冗余度的經驗教訓；關于系泊力直接測量方法的描述，由于國內沒有應用案例，因此借鑒了國際石油公司、國際行業協會的項目實例作為參考。在各方共同努力下，最終申請并組織完成了海洋石油總公司企業標準《內轉塔式單點系泊監測系統功能配置和技術要求》的編制工作。

在標準形成前，部分FPSO針對系泊系統采取了一些傳統的船舶衛星定位的方式對系泊中心進行定位。但由于沒有標準化，不同FPSO的管理水平和對系統評估的認知程度參差不齊，有的甚至出現了盲目追求定位精度，卻不知可接受偏差范圍的情況。

在標準形成后，通過積極宣貫并認真聽取反饋建議，各FPSO內對系泊系統監測的認識水平普遍提高。在標準的促進下，不僅可以根據位置信息判斷其水下系泊系統完整性，還可以進一步對定位精度、偏差范圍的計算和水下系泊系統健康程度的評估進行深入研究。因此，該標準的實施一方面為海上臺風后恢復生產提供了判斷依據；另一方面也為系泊系統累計損傷和剩余壽命評估技術的發展起到了促進作用。

該標準的實施為各FPSO系泊系統安全管理提供了統一的模板。每艘FPSO的內轉塔系泊系統從過去臺風期間被動抵抗到現在的主動記錄，為在役FPSO的管理及未來新建FPSO的設計建造及相關領域提供了有效地指導。

3　內轉塔單點系泊監測系統現場應用與持續改進

為監測和記錄南海中國海域惡劣的海洋環境對FPSO單點系泊系統的影響，特別是臺風期間的環境和單點系統響應數據，陸續在“海洋石油111”、“海洋石油118”等多艘FPSO上安裝了單點系泊監測系統，取得了一定的應用效果。

不可否認，國外聯合工業項目[7]中遇到的惡劣環境導致監測設備失效的挑戰，在南中國海同樣無法回避。例如“海洋石油118”FPSO系泊監測系統的水下傾角傳感器共有12臺（圖3），布置在系泊鎖接頭連接件上，但在單點浮筒水下安裝過程中，由于鎖接頭連接件的運動角度過大，其中兩臺傾角傳感器失效。而在2014年臺風“海鷗”過境期間，剩余的10臺水下傾角傳感器也全都陸續失效。后經潛水作業，初步證實由于水下接線箱、連接電纜接頭等多處脫落，電纜多處出現過度彎折，導致監測設備失效。

圖3　“海洋石油118”水下傾角儀臺風前后對比

綜合考慮水下施工經濟性、水下設備穩定性、系統維護便利性、誤差可接受程度等因素后，“海洋石油118”單點監測系統采用了國際上更為廣泛接受的差分定位（Differential Global Positioning System）測量單點中心位移的方案[8]，在原水面以上系泊監測系統基礎上進行升級改造，通過后臺運算修正的方式，用單點坐標位移反推系泊力。單點系統在設計建造階段，其設計中心位移即為一個重要的參數，該參數的大小直接反映錨纜張力水平。通過懸鏈線公式，已知錨點坐標和單點中心位移，以及錨纜組成參數的情況下，可以迭代計算出錨纜張力。

此次升級將懸鏈線迭代公式封裝成為軟件（圖4），同時考慮現場的需要，將軟件界面進行升級，能夠顯示動態的相對坐標系，并增加極限位移分級警戒線，使操作更加直觀。

圖4　升級后的系泊監測系統界面

臺風期間的單點漂移數據可以為海上安全生產作業提供支持，也可為重大事件事后保險提供參考依據。針對海上現場實施長期的監測和數據跟蹤，可以為后續新系統設計提供良好的建設性反饋，同時也為后續標準升版積累了寶貴經驗。

4　結論

以實踐促進標準的發布與實施，以后續實踐反饋標準的升版，可以將前期項目總結的經驗推廣給后來的使用者作為參考。依照該標準開展后續的單點系泊監測工作，可在一定程度地避免設備選取不當、功能不匹配等在實際工作中可能遇到的問題。讓單點監測系統運行更穩定，增加系統冗余度，提高后續監測設備接入的接口兼容性，對于后續工作的開展提供有價值的參考和建議。