FPSO MODA立管監測系統設計

魏加旺

應用研究

FPSO MODA立管監測系統設計

魏加旺

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

MODA立管監控系統是一種適用于多點系泊FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）上撓性立管的完整性監控的系統。該系統基于光纖布拉格光柵（FBG）技術光學傳感器來監測撓性立管防護層金屬線的變形和應力，以實現監測斷裂或損壞的立管的目的。本文詳細闡述了系統各部件的技術要求及特性，給出了具體的系統設計方案和選用原則，清晰劃分了在設計實施過程中的責任界面及安裝完畢后的調試要求，為類似設計項目提供參考。

立管監測 MODA 光纖布拉格光柵 多點系泊FPSO

0 引言

FPSO是浮式生產儲油卸油裝置的簡稱，是海洋石油開發的關鍵設施，通常與海底采油系統組成一個完整的采油、原油處理、儲油和卸油系統，而撓性立管則是浮式油氣開發系統的重要組成部分，起到FPSO和海底設備連接的作用。其安全方面具有明顯的不確定性和獨特的挑戰性，一旦出現故障將危及整個采油系統的安全，不僅會造成經濟損失，甚至導致嚴重的環境污染事故。MODA立管監控系統是適用于多點系泊FPSO上撓性立管的完整性監控的系統，MODA為葡萄牙文首字母的縮寫，全稱為：Monitoramento óptico Direto no Arame (英文翻譯為：Optical Monitoring Directly on the Wire)。該系統的框架布局與FPSO的上部模塊上用于該系統相關設備的布置密切相關，本文將重點闡述系統的配置功能特性，并對其系統設計、布置及調試等方面進行詳細的說明。

1 系統組成

MODA立管監測系統（簡稱“MODA系統”）主要由FBG傳感器、立管光纖、立管光纖接線盒、機柜光纖以及MODA機柜等五個主要部分組成，承擔著數據監測、采集、處理及分析的功能。該系統可以通過監測撓性立管斷裂金屬線的變形/張力狀態和鄰近斷裂金屬線的過載狀態的松弛相關的永久變化來識別立管防護層金屬線狀態的變化。此外，MODA系統還可以通過動態分析金屬線中的負荷變化來識別斷裂事件。雖然更復雜，但這種類型的分析可以通過檢測立管外部抗拉金屬層中傳播的瞬態擾動來表明立管內部金屬層破裂的發生，從而識別斷裂或損壞的立管。

1.1 FBG 傳感器 ( Fiber Bragg Grating Sensor)

FBG傳感器為MODA系統的重要部件，它的工作方式將記錄FBG傳感器波長的絕對值，同時允許根據要執行分析的類型或要顯示給用戶的信息的類型來更新和改變初始安裝參考值。FBG傳感器有以下主要功能特點：

它是一個無源系統，因為它使用的光學傳感器只使用光不需要其他輔助能源，傳感器、光纖和光纜沒有金屬組件，每根光纖可監控多達30個傳感器，并容許光學探詢設備安裝在一個較遠距離的位置。

FBG傳感器安裝在撓性立管頂端部件（Top End Fitting[1]）的觀察孔內，使用粘合劑安裝在外部金屬線的表面上，并通過內部的光纖連接到撓性立管頂端部件肩部的潛水干式光纖連接器上，如圖1和2所示。

圖1 FBG傳感器安裝位置

1.2 立管光纖 (Riser Optical Cable）

立管光纖為一根10米長的PBOF（Pressure Balanced Oil-Filled）型8芯單模光纖。一端安裝有海底干式光纖連接器（公接頭，與安裝在Top End Fitting上的連接器相匹配），另一端采用未端接的尾纖，在末端裝有一個JIC 37°3/4”tube管母接頭。此尾纖（如圖 3和4所示）將熔接到立管平臺上的立管光纖接線盒內。

立管光纖的特性：8芯單模光纖（ITU-T G.652[2]或ITU-T G.654[3]）；防水阻燃（100% LSZH）；標稱外徑：約30 mm；最小彎曲半徑：150 mm。

1.3 立管光纖接線盒 (Riser Balcony JB）

立管光纖接線盒是立管光纖和機柜光纖之間的接口，安裝位置一般布置在上立管平臺上方便維護的位置，如圖 5所示。

圖2 FBG傳感器與光纖熔接示意圖

圖3 立管光纖示意圖

圖4 未端接的立管光纖圖片

光纖接線盒及其附件應滿足危險區域（Zone1-Exe）的要求，防護等級至少為IP66，光纖接線盒材質為不銹鋼AISI 316L。接線盒內應配有足夠的熔纖盒（splice tray）用于光纖連接。

光纖接線盒底部應設計成可拆的填料函板（至少3個進線口：2個為立管光纖接口，1個為機柜光纖電纜接口。如圖6所示。），接線盒上應配備連接機柜光纖的電纜填料函或臨時盲堵。

對于每根連接到相應光纖接線盒的立管光纖，根據系統布局，光纖接線盒應配有2個3/4”的37° flare tube管公接頭（37o JIC size 12）（參考：SS-1210-6- 12AN)。由于立管光纖只能在海上安裝，因此每個公接頭應使用匹配的母金屬帽進行保護。

1.4 機柜光纖 (Cabinet Optical Cable）

機柜光纖的技術要求為：緊套式標準單模光纖 (ITU-T G.652[2]or ITU-T G.654[3])，分支結構（breakout construction），阻水型（Water blocked），低煙無鹵阻燃，鍍鋅鋼絲編織鎧裝，橙色外護套，如圖7所示。光纖芯數通常為8 芯或16芯, 根據系統圖最終確定。

圖5 立管與接線盒之間光纖連接示意圖

圖6 立管接線盒典型圖

當在立管光纖接線盒上安裝機柜光纖時，需在光纖接線盒內至少預留2米長的電纜。預留的長度應允許沒有機械應力的情況下進行適當的熔接，通過其內部的盤圈來消除。如果在海上作業過程中光纖電纜損壞接頭，預留長度也允許將來返工。

機柜光纖安裝后，應測試光纖的連續性/衰減損耗，不接受纖維斷裂或過度衰減的光纖，不滿足要求的需更換。

圖7 機柜光纖電纜結構圖

1.5 MODA機柜 (MODA Cabinet）

MODA機柜上配有FBG探詢器，服務器，網絡交換機，KVM控制臺以及光纖配線架等，如圖8所示。機柜通常為19英寸機架式機柜，應安裝在溫度控制在24℃的安全區域，每個MODA機柜應通過兩根CAT 6電纜連接到油公司的局域網機柜。如果電纜長度超過90米，則應根據ANSI/EIA/TIA 568-B3采用光纖電纜連接，在這種情況下，應提供光纖/以太網轉換器。

每個機柜均應提供的UPS供電，并設計為在失電時至少為所有設備供電30分鐘，同時每個機柜的功率應限制在3 kW。每個MODA機柜至少應包含以下組件：

(x1) 雙極斷路器；

(x1) 雙極浪涌保護器；

(x1) 帶有開門開關的前后照明燈；

(x1) 機架安裝式帶10個標準插座的電源插排；

36端口光纖配線架，可以連接機柜的所有光纖；

(x1) FBG 傳感器陣列；

(x1) 24端口網絡交換機；

(x1) KVM連接到同一機柜內的所有服務器/探詢器；

光纖跳線(SC/APC或LC/APC接頭），將所有光纖從光纖配線架連接到FBG探詢器；

(x12) 10m 備用光纖跳線；

(x1) UPS；

(x1) 機架安裝抽屜。

圖8 MODA機柜示意圖

FBG探詢器是MODA機柜上最重要部件，是實現系統功能的核心，其主要作用為收集傳感器的相關數據并通過服務器進行處理后，通過網絡傳輸到岸上，至少要滿足以下功能要求：

每個通道同時掃描波長激光掃描頻率不低于125 Hz，波長范圍在1 510 nm到1 590 nm或更寬，波長掃描范圍80 nm或更寬，每個探詢器為16個光通道，波長精度2 pm或更好，波長重復性1 pm或更好，峰值動態范圍21 db或更好，全譜測量并具備峰值檢測功能，SC/APC or LC/APC 光纖連接器，以太網接口，配有傳感分析軟件。

FBG探詢器是根據標準IEC 60079-28[4]定義的本質安全型光輻射傳輸設備（Ex op is T4 Ga），所以探詢器應在安全區域內安裝和操作，但系統的無源組件（光纖、熔接、立管接線盒、光連接器和FBG傳感器）可以在0，1或2區環境中安裝和操作。由于FBG探詢器的距離范圍容量在幾千米以內，因此對MODA系統的光纖路徑沒有嚴格的限制。

2 系統設計方案

MODA系統通常有兩種設計方案，一種是每1個立管對應1個立管光纖接線盒和1根8芯機柜光纖；另一種每2個立管對應1個立管光纖接線盒和1根16芯機柜光纖，如圖9所示。

每個立管提供至少1個光纖接線盒，如果連接接線盒與立管的光纖長度不超過8米，則可以2個撓性立管提供1個光纖接線盒，每個接線盒不允許超過2個立管的連接。即為兩種設計方案的選用原則。光纖接線盒和MODA機柜之間也不允許中間拼接。

MODA機柜的數量可能會隨著要連接到FPSO上的撓性立管的數量而變化，每個機柜最多允許容納12個立管。每組最多3個撓性立管應提供1套FBG探詢器，每組4個FBG探詢器應提供一臺Server（包括所有附件，如：光纖跳線、電源線、PSU等），例如某FPSO撓性立管數量為31個，則至少需要配備3個MODA機柜。當需要提供一個以上的MODA機柜時，機柜應并排安裝，側面或底部進線，并且機柜之間應提供至少6根CAT6的備用網線進行互聯。

圖9 MODA系統設計方案

3 設計界面劃分

MODA系統的設計、采購及安裝應按照項目規格書的要求進行，MODA FBG傳感器一般由立管承包商設計、采購并安裝，立管和光纖接線盒之間的立管光纖一般由立管承包商設計并采購，其連接一般為油公司或MODA操作者的范圍，用于固定光纖的電纜托架、機柜光纖及MODA機柜為FPSO承包商的范圍，通常的設計界面劃分如表1所示。

表1 MODA系統設計界面劃分表

4 調試要求

調試應旨在驗證組件之間的接口和整個系統的正常運行。所有機械、電氣、儀器儀表和自動化接口均應進行功能測試。所有系統運行模式（及其組合，當涉及多個部件時）都應進行測試，以確保適當的長期、穩定運行，系統集成測試應與系統的實際組件一起進行。

在FPSO上安裝MODA設備和相關材料之前，應完成試驗程序，包括：

MODA機柜設備和附件測試程序，特別是FBG探詢器；

光纜測試程序（包括OTDRs和FBG傳感器陣列）。

注：建議使用光纖測深儀（OTDR）檢查MODA傳感器操作的光纖通道完整性（光纖連接器/電纜/光纖熔接）。檢查完整性的典型測量是光纖的插入損耗（OIL）優于或等于1.5dB@1550 nm和光纖的回波損耗（ORL）優于或等于-50 dB@1550 nm。

在系統安裝完畢后，還需要進行驗收測試，并至少證明滿足如下要求：

每個MODA機柜中的布線和電源；與MODA系統相關的所有網絡電纜的認證；設備與網絡之間的連通性測試；所有光纖的OTDR測試；對系統進行全面測試(船廠范圍），使FBG傳感器陣列連接到每個熔接盒上的每根光纖；UPS放電測試（如適用）。

5 結語

MODA立管監測系統是保障FPSO上撓性立管及其附屬系統在位安全的重要方法和措施，其系統設計的可靠性對海洋石油的安全開采起著非常重要的作用。本文對MODA系統的設計進行了深入的研究，詳細闡述了系統的設計組成、功能特性和設計方案，并歸納總結了調試相關的技術要求。為類似FPSO上撓性立管監測系統的設計提供了借鑒與支持。

[1] Patent EP2489824A2 Scuttle for the monitoring and inspection of a flexible riser [P]. 2012.

[2] ITU-T G. 652 Characteristics of a single-mode optical fiber and cable [S]. 2016.

[3] ITU-T G.654 Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fiber and cable [S]. 2006.

[4] IEC 60079-28 Explosive atmospheres -Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical radiation [S]. 2015.

[5] 胡知輝，段夢蘭，曹靜，等，深水立管監測技術研究進展[A]. 第十五屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集(上)[C]. 2011.

Design for FPSO MODA Riser Monitoring System

Wei Jiawang

(COSCO SHIPPING Heavy Industry (Dalian) Co., Ltd., Dalian 116113, Liaoning, China)

U674

A

1003-4862（2023）12-0028-04

2023-06-27

魏加旺（1980-），男，工程師。研究方向：船舶與海洋工程電力、自動化及通訊設計。E-mail：wei.jiawang@coscoshipping.com