深水浮式平臺監測系統研制及應用

馮加果，謝 彬，謝文會，王世圣，武文華

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2. 大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著深遠海油氣開發的需要，越來越多的浮式平臺應用于深遠海開發，確保平臺安全非常重要。模型試驗技術[1 – 2]是確保平臺安全的重要手段，而平臺海上安全監測則是將模型試驗技術搬到了海上現場，進一步通過實際監測得到平臺真實情況的手段，因此平臺安全監測如同模型試驗一樣，對平臺安全尤為重要，通過監測數據的實時采集、處理、分析, 確定平臺的安全狀態，具有快捷、省時、精度高、實時控制等優點，受到越來越多的重視[3]。而由于水池水深、錨鏈截斷、相似性等原因，水池模型試驗在校核平臺安全性上和水深上也有一定的局限性，但深遠海浮式平臺安全監測彌補了這些不足，逐漸作為一種評估平臺安全的重要手段。

研究和開發深水海洋浮式平臺的監測系統，是預防和減少平臺安全事故的一種有效手段，國外開展過關于海洋浮式平臺的監測研究[4 – 6]，為平臺的安全運行積累了經驗、提供了指導。通過浮式平臺監測系統可以有效掌握和了解平臺的相關重要參數，可以有效地預防一些安全事故，提前核實、評價平臺的安全性問題并給出指導意見。因此，開發海洋浮式平臺的監測系統能夠積累現場監測數據和相關經驗，有利于今后浮式平臺在我國海域的安全生產和運維。

我國海洋石油工程正處在由淺水到深水的跨越階段，正在積極進行南海深水開發的技術儲備，并已經開始在南海開展大量深水開發工作。在此階段，同步發展海洋浮式平臺監測技術，對南海海洋環境作用下的海洋浮式平臺情況進行測量，可以為建立針對南海海域的浮式平臺完整性管理系統進行技術積累，同時可以積累南?，F場測量數據，增加對南海海洋環境、浮式平臺適應性、運營維保的認識，為今后南海深水區域浮式平臺的全面應用和安全運營提供數據、積累經驗，開發深水海洋浮式平臺的監測系統十分必要。

1 浮式平臺監測系統開發特點

浮式平臺在海洋環境中，會遭受惡劣的海洋環境，而為了進行安全監測和評估，本次開發的浮式平臺監測系統具備以下幾個特點：

1）監測信息及監測方案是浮式平臺監測系統的核心，監測系統需要完整獲得平臺所受的環境情況（風、浪、流）、平臺的運動和系泊系統情況。

浮體運動是浮體結構安全保障最為重要的信息，是平臺甲板凈氣隙、浮體穩性的直接表現，影響著浮體的系泊系統安全和立管安全，主要包括6個自由度運動[7 – 8]。浮式平臺運動監測數據比模型試驗的數據更接近真實情況，也更能反映平臺的性能和狀況，積累的監測數據可以為浮式平臺的設計、評估、規范適應性修正、平臺的安全生產等提供指導和依據，也為我國未來深水浮式平臺的設計提供實際參數，是重點的監測內容之一；系泊系統的錨鏈張力測量是掌握平臺安全信息的關鍵。

2）監測系統的遠程控制及信息共享，便于陸地和海上人員查看、使用原型測量系統和監測數據，不再局限于海洋平臺人員，便于擴大發揮監測系統、監測數據的作用及影響力。

3）臺風過程中監測信息的持續獲取。臺風期間的監測數據對安全評估更有價值，需要實現臺風條件下平臺斷電后的海洋平臺現場監測，獲取寶貴的臺風條件下的監測數據。

4）集成化監測站，減少平臺走線及現場施工，“弱化”監測系統的存在，減少對平臺生產的影響，節省費用。

2 流花“南海挑戰號”FPS 浮式平臺監測系統

2012年，借助流花“南海挑戰號”FPS塢修的時機，在該平臺上實施了自主開發的監測系統，該監測系統的實施示意圖如圖1所示，監測內容主要包括環境荷載、平臺響應和系泊系統的監測，相關信息如表1所示。

圖 1 流花“南海挑戰號”FPS 浮式平臺監測系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of floating platform monitoring system for Liuhua Nanhai Tiaozhan FPS

為了獲得撤臺期間平臺的環境條件和響應信息，監測系統擁有1套獨立的供電系統，為監測系統提供電力，在臺風過境、平臺斷電期間也能保證各個傳感器數據的正常采集，可獲取極端天氣下的寶貴數據；遠程監測在海洋監測中逐漸應用[9], 本項目基于VPN的遠程監測技術，通過遠程網絡便可實現對各個監測量實時監測、數據傳輸和對監測系統的控制，確保了數據的安全性和控制的實時性，同時研發了北斗信息傳送軟件，確保在臺風期間將部分監測數據傳遞到陸地，供生產和安全管理人員參考。

對于錨鏈系統的監測，研發和實施了水下傾角傳感器進行錨鏈系統的監測裝置和夾具，實現了采用ROV裝卸水下傳感器的水下監測技術。

在平臺塢修期間，在浮箱上安裝了水下應變儀，在塢內進行調試，但平臺到油田就位之后，應變儀沒有讀數，效果不理想，說明應變片監測容易失效，對于今后平臺的結構應力監測建議考慮其他手段，比如光纖光柵FBG監測。

表 1 浮式平臺監測系統的監測信息Tab. 1 Monitoring information of floating platform monitoring system

3 監測數據及應用展望

目前，“南海挑戰號”原型監測系統已服役近5年多，期間共捕獲7次臺風及3次季風數據，為極端災害天氣下環境參數獲取和結構響應特征分析提供了有力的數據支持，同時風速儀、波浪儀、GPS、傾角等傳感器目前已獲得了3年左右日常環境下的有效數據，圖2給出多個臺風情況下風速曲線，圖3為水下傾角傳感器計算得到的錨鏈張力和loadcell錨鏈張力對比圖，圖4給出傾角和水深的譜密度（PSD）結果。

圖 2 多個臺風情況下風速曲線Fig. 2 Wind speed curve of multiple typhoon

圖 3 水下監測的錨鏈張力和 loadcell對比圖Fig. 3 The mooring tension of underwater monitoring VS loadcell

通過監測系統得到了多年的實測數據，可以通過實測波浪譜與Jonswap波浪譜對比得出南海海域Jonswap波浪譜的譜形參數為1.67，如圖5所示。圖6給出平臺在極端荷載條件下垂蕩實測值與理論值對比情況。

圖 4 傾角和水深的譜密度（PSD）結果Fig. 4 PSD results of inclination and water depth

圖 5 實測波浪譜與 Jonswap 波浪譜對比Fig. 5 Wave spectrum(Monitoring VS Jonswap)

當然，雖然實現了從日常海況監測到臺風期間監測、從海上控制到陸上訪問等功能，但是監測系統的進一步功能完善和監測數據的利用還有發展空間，比如進一步完善監測系統從水面向水下監測、從點到面形成監測網，從單個平臺監測到建立深水工程設施監測中心從而形成監測網。

圖 6 實測值與理論值對比（垂蕩）Fig. 6 Heave (Monitoring VS Theory)

另外，渦激運動（Vortex Induced Motions，VIM）是浮式平臺很重要的運動特性，也是影響平臺安全的不確定因素之一，對平臺立管的疲勞壽命影響很大，目前工業界通過數值分析手段不能準確模擬，主要通過VIM試驗來進行評估和分析，而通過監測系統觀測和研究VIM是另外一種重要手段，Oriol Rijken[10]在2017年OTC會議上分享了Independence Hub和Thunder Hawk半潛式平臺在超過200 d的海上現場監測中觀測到了VIM情況，并給出分析，圖7給出了Thunder Hawk半潛式平臺監測到的VIM運動情況，因此，建議下一步可以通過流花“南海挑戰號”監測數據分析VIM運動。

圖 7 Thunder Hawk 半潛式平臺監測到的 VIM 運動情況[10]Fig. 7 The monitoring VIM of Thunder Hawk[10]

4 結 語

通過研究給出了浮式平臺監測系統的監測信息及監測方案，并成功在我國南海流花油田“挑戰號”FPS平臺上實施了1套監測系統，得到以下結果和建議：

1）開發并成功實施了浮式平臺的環境、浮體運動和系泊系統水下監測，實現了深水浮式平臺的集成監測站，獲得多個臺風期間的數據和多年的監測信息，為今后該平臺的評估、未來深水浮式平臺設計反饋、現場預報或預警、現場生產技術支持等提供數據和依據；

2）臺風期間的監測數據對安全評估最有價值，實現了臺風期間監測和數據傳輸的功能，實現了監測系統遠程控制和“互聯網+”數據共享，便于擴大和發揮監測系統、監測數據的作用及影響力；

3）建議在下一階段開展從水面向水下監測、從點到面形成監測網，從單個平臺監測到建立深水工程設施監測中心從而形成監測網，并向南海島礁、其他海上設施推廣和實施監測系統，最終形成南海區域監測網絡，本研究為將來海洋工程領域全面推廣和應用監測及評價技術提供了典型示范。

4）浮式平臺渦激運動（VIM）是影響平臺及立管安全的關鍵因素，而目前無法通過數值模擬分析VIM，因此通過監測系統觀測和分析VIM是重要的研究手段和方法，建議下一步通過海上現場監測數據來研究和分析浮式平臺VIM。