半潛平臺(tái)功能艙室內(nèi)檢測(cè)智能化研究

熊小林

(中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司，海南 海口 570311)

0 引言

海上某深水半潛式儲(chǔ)油生產(chǎn)平臺(tái)為全球首個(gè)凝析油儲(chǔ)存平臺(tái)，其中在船體內(nèi)設(shè)置有60 多個(gè)功能艙室，為保證艙室結(jié)構(gòu)完整性，每五年需要對(duì)所有功能艙室完成清艙及內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)作業(yè)。在這60 多個(gè)功能艙室中，作業(yè)難度最高、風(fēng)險(xiǎn)最大的則是位于船體四個(gè)立柱內(nèi)的凝析油存儲(chǔ)艙(如圖1 所示)。由于凝析油艙從艙室頂部到艙室底部中間沒(méi)有任何分隔，只在艙室的一側(cè)側(cè)壁上設(shè)置有爬梯，若采用常規(guī)的人員進(jìn)艙檢驗(yàn)方式，則需要先對(duì)艙室進(jìn)行人工清洗、惰化、活化，然后在艙內(nèi)搭建腳手架，搭建完成后檢驗(yàn)人員再進(jìn)艙進(jìn)行檢驗(yàn)，整個(gè)作業(yè)面臨入艙清洗作業(yè)量大、作業(yè)難度大、人員窒息和人員墜落等風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，完成四個(gè)艙室的清洗和檢驗(yàn)至少需要50 d，費(fèi)用約300 萬(wàn)元。因此，采用常規(guī)艙室檢驗(yàn)方法耗時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、投入費(fèi)用高。

圖1 凝析油艙示意圖

為了降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率并降低作業(yè)成本，本文則針對(duì)檢驗(yàn)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)最高的凝析油艙開(kāi)展研究，目的是研究出一套智能化艙室檢驗(yàn)檢測(cè)裝置[1]，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在艙室外即可完成艙室的可視化檢查及測(cè)厚等檢測(cè)工作，從而避免人員進(jìn)艙作業(yè)所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 凝析油艙室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

此半潛平臺(tái)船體四個(gè)立柱內(nèi)各有一個(gè)凝析油艙，艙室從船體立柱頂部一直向下延伸至壓載艙頂部，深度達(dá)48.2 m，中間無(wú)隔斷。在距離艙底22 m 以上的艙室容積約占凝整個(gè)艙室容積的1/4，22 m 標(biāo)高以下部分則分別向兩側(cè)延伸，最終形成雙L 型異型結(jié)構(gòu)艙室(如圖1)，同時(shí)在艙室垂直方向中間設(shè)置有帶孔隔板，隔板的作用為一方面提升艙室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另一方面可以防止凝析油在艙內(nèi)形成浪涌，影響平臺(tái)的穩(wěn)定性。

每個(gè)凝析油艙室內(nèi)設(shè)置有1 臺(tái)凝析油泵和7 臺(tái)洗艙機(jī)。在開(kāi)展艙室檢驗(yàn)前，通過(guò)凝析油泵排空艙內(nèi)凝析油，再通過(guò)洗艙機(jī)對(duì)艙壁進(jìn)行沖洗，去除殘留在艙壁的油污以及艙底的油泥。

2 艙室檢驗(yàn)要求

為保證船體艙室的結(jié)構(gòu)完整性，每年需要對(duì)選定的船體艙室進(jìn)行檢查檢驗(yàn)，并在五年內(nèi)完成所有艙室100% 全覆蓋檢驗(yàn)(如表1 所示)，檢驗(yàn)方式通常為目視檢查，對(duì)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)域或以前已記錄的異常情況位置，還需要使用射線(xiàn)、磁粉等無(wú)損檢測(cè)方式來(lái)進(jìn)一步分析確認(rèn)該處結(jié)構(gòu)的完整性。當(dāng)艙室壁厚減少明顯或外觀(guān)有明顯腐蝕時(shí)，需使用超聲波進(jìn)行測(cè)厚檢測(cè)，以評(píng)估腐蝕量。另外每年還需要測(cè)量艙室內(nèi)部防腐鋅塊，并計(jì)算其腐蝕速率是否在正常范圍。

表1 凝析油艙檢驗(yàn)周期及檢驗(yàn)內(nèi)容

3 智能化檢測(cè)方案研究

3.1 完整性解決方案

通過(guò)對(duì)凝析油艙內(nèi)部布局、艙口位置與尺寸、檢驗(yàn)檢測(cè)需求進(jìn)行綜合分析后，經(jīng)研究，確定采用系纜無(wú)人機(jī)+地面供電系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)搭載的各種探測(cè)器所組成的綜合性凝析油艙智能檢驗(yàn)檢測(cè)裝置(如圖2 所示)，又稱(chēng)系留無(wú)人機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)[2]。此系統(tǒng)包含一臺(tái)無(wú)人機(jī)及其控制系統(tǒng)、地面供電系統(tǒng)和輔助裝置(系留線(xiàn)纜滑動(dòng)托墜環(huán)、無(wú)人機(jī)保護(hù)罩、超聲波測(cè)厚儀等)。工作時(shí)，通過(guò)系留供電線(xiàn)纜將電能傳輸至無(wú)人機(jī)，使無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間飛行。作業(yè)人員在艙室外操作此系統(tǒng)即可完成艙室檢測(cè)，包括艙壁外觀(guān)檢查、艙室三維建模、艙壁測(cè)厚和防腐鋅塊尺寸測(cè)量，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人進(jìn)艙的智能化檢測(cè)模式。

圖2 艙室智能化檢測(cè)方案示意圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)備組成

本次研究的智能化檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備主要從以下三個(gè)方面開(kāi)展選型：一是設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，選擇市場(chǎng)上成熟的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，不但能減少研發(fā)費(fèi)用，還能保證設(shè)備的可靠性。二是性能，為了能有效查看艙室內(nèi)結(jié)構(gòu)情況，所拍攝的圖像分辨率不低于3 840×2 160 像素，視頻分辨率不低于1 920×1 080 像素，需要選擇可搭載高清攝像頭的無(wú)人機(jī)。三是適用性，由于凝析油艙為危險(xiǎn)區(qū)，設(shè)備需要具有防爆功能，防爆認(rèn)證需滿(mǎn)足Exd IIB/IIC T5 Gb 標(biāo)準(zhǔn)。只有滿(mǎn)足以上三個(gè)方面的要求，才能實(shí)現(xiàn)艙室的智能化檢測(cè)，系統(tǒng)設(shè)備具體情況如下。

3.2.1 無(wú)人機(jī)

本系統(tǒng)無(wú)人機(jī)選用了大疆經(jīng)緯系列(M300 RTK)，該系列無(wú)人機(jī)具有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是硬件成熟，擁有55 min超長(zhǎng)續(xù)航、高精度的空中傳感器和可靠的數(shù)據(jù)鏈接系統(tǒng)；二是可搭載2 000 萬(wàn)像素、23 倍混合光學(xué)變焦和1 200 萬(wàn)像素廣角的相機(jī)，能有效保證在艙室內(nèi)所拍圖片和視頻的清晰度；三是通過(guò)搭載激光雷達(dá)和激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)高精度定位，還能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，完成對(duì)艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量與三維建模；四是載重量大，載重可達(dá)2.7 kg，可搭載超聲波測(cè)厚儀、云臺(tái)燈等。缺點(diǎn)則是不具備防爆功能，因此防爆功能需要單獨(dú)研發(fā)。

3.2.2 地面供電系統(tǒng)

雖然大疆經(jīng)緯系列無(wú)人機(jī)具有超長(zhǎng)續(xù)航，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)的需求。因此本方案選擇了一套與無(wú)人機(jī)配套使用的地面供電系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)持續(xù)供電(如圖3 所示)，型號(hào)TK300。此地面供電系統(tǒng)具有重量輕(約13 kg)、IP 防護(hù)等級(jí)高(IP54)、線(xiàn)纜長(zhǎng)(110 m)以及能與大疆無(wú)人機(jī)匹配等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 TK300 地面供電系統(tǒng)外形圖

此系統(tǒng)主要作用為將單相交流電轉(zhuǎn)換成直流高電壓，通過(guò)供電線(xiàn)纜[3]將電能持續(xù)地傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)，賦予無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航飛行能力。線(xiàn)纜內(nèi)芯采用高性能鎳合金材料，用于電力傳導(dǎo)，線(xiàn)纜外殼由輕質(zhì)合成材料制成，強(qiáng)度高，線(xiàn)纜直徑約3.5 mm。當(dāng)無(wú)人機(jī)故障墜落時(shí)，可通過(guò)線(xiàn)纜將無(wú)人機(jī)收回，從而避免人員進(jìn)艙帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 輔助裝置

系留無(wú)人機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)輔助裝置包括無(wú)人機(jī)槳葉保護(hù)罩、系留線(xiàn)纜滑動(dòng)托墜環(huán)、超聲波測(cè)厚儀、云臺(tái)燈和激光雷達(dá)可見(jiàn)光融合測(cè)繪相機(jī)。

(1)無(wú)人機(jī)槳葉保護(hù)罩。由于凝析油艙室艙壁有較多筋梁，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為防止無(wú)人機(jī)在艙內(nèi)失控造成無(wú)人機(jī)碰撞損壞，通過(guò)在無(wú)人機(jī)外增加一個(gè)保護(hù)罩的方式來(lái)防止螺旋槳與艙室物體碰撞。槳葉保護(hù)罩采用兩半式鏤空輕量化設(shè)計(jì)和碳纖維材質(zhì)(如圖4 所示)，重量輕，幾乎不影響無(wú)人機(jī)操控。保護(hù)罩由碳纖維管組成，通過(guò)支點(diǎn)與無(wú)人機(jī)機(jī)臂連接固定，最終形成一個(gè)球形[4]。由于保護(hù)罩可承受碰撞力且有一定的彈性，因此當(dāng)無(wú)人機(jī)碰撞艙壁或其他障礙物時(shí)可以回彈，從而解決無(wú)人機(jī)碰撞損壞問(wèn)題。

圖4 無(wú)人機(jī)槳葉保護(hù)罩示意圖

(2)系留線(xiàn)纜滑動(dòng)托墜環(huán)。系留線(xiàn)纜滑動(dòng)托墜環(huán)的作用防止系留線(xiàn)纜纏繞到無(wú)人機(jī)內(nèi)部，造成無(wú)人機(jī)螺旋槳損壞。滑動(dòng)托墜環(huán)安裝于靠近無(wú)人機(jī)側(cè)系留線(xiàn)纜上，托墜環(huán)可在線(xiàn)纜上自由滑動(dòng)，以確保無(wú)人機(jī)底部的系留線(xiàn)纜一直保持垂直狀態(tài)。

滑動(dòng)托墜環(huán)采用黃銅材質(zhì)，以滿(mǎn)足防爆要求。在托墜環(huán)內(nèi)部對(duì)稱(chēng)布置有4 個(gè)滑動(dòng)滾輪，滾輪采用聚四氟乙烯材質(zhì)，以減小托墜環(huán)在滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力，在保證滑動(dòng)順暢的同時(shí)避免損壞系留線(xiàn)纜，托墜環(huán)重量約400 g(如圖5 所示)。

圖5 無(wú)人機(jī)系留線(xiàn)纜滑動(dòng)托墜環(huán)安裝示意圖

(3)超聲波測(cè)厚儀。超聲波測(cè)厚儀根據(jù)凝析油艙艙壁鋼板厚度(20 mm)以及涂層厚度(約2 mm)進(jìn)行選擇，通過(guò)比選，最終選擇重量輕、應(yīng)用成熟的Multigauge6000無(wú)人機(jī)超聲波測(cè)厚儀，此款測(cè)厚儀由檢測(cè)探頭、安裝支架和耦合劑分配器組成(如圖6 所示)。

圖6 測(cè)厚儀安裝支架和耦合劑分配器示意圖

此型號(hào)超聲波測(cè)厚儀探頭能穿透防腐涂層，最大可穿透20 mm 涂層直接測(cè)量金屬基體厚度(如表2 所示)。超聲波測(cè)厚儀通過(guò)探頭支架安裝在無(wú)人機(jī)上，探頭支架采用碳纖維材料[5]，支架前端設(shè)置有壓縮彈簧和錐形保護(hù)罩，以保護(hù)探頭在接觸鋼結(jié)構(gòu)時(shí)不被碰撞損，并使探頭緊密地貼合在檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面。同時(shí)探頭采用特殊耦合設(shè)計(jì)，通過(guò)耦合劑分配器將耦合劑泵送到探頭表面完成測(cè)量。測(cè)量結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)發(fā)送到接收終端設(shè)備，傳輸距離可達(dá)500 m。

表2 超聲波測(cè)厚儀基本參數(shù)

(4) 云臺(tái)燈。由于凝析油艙室內(nèi)沒(méi)有照明光源，要實(shí)現(xiàn)對(duì)艙室內(nèi)部艙壁的外觀(guān)可視化檢查，則需要有充足的照明。本次選擇了與M300RTK 無(wú)人機(jī)匹配的GL60 Plus 云臺(tái)燈。該燈僅重750 g，額定功率高達(dá)120 W，在150 m 的照射高度下，有效照射面積達(dá)1 225 m2，完全可以滿(mǎn)足對(duì)艙室艙壁的目視檢查和照片與視頻拍攝。

(5)激光雷達(dá)可見(jiàn)光融合測(cè)繪相機(jī)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障與導(dǎo)航、艙室三維結(jié)構(gòu)建模等需求，為下一次檢測(cè)提供定位和檢測(cè)依據(jù)。本次智能化檢測(cè)方案選擇了能搭配經(jīng)緯M300RTK 無(wú)人機(jī)的大疆禪思L1 激光雷達(dá)可見(jiàn)光融合測(cè)繪相機(jī)，其集成搭載了激光雷達(dá)模塊、高精度慣導(dǎo)、測(cè)繪相機(jī)、三軸云臺(tái)等模塊[6]，并配合大疆智圖軟件實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)獲取和后期三維模型生成。

4 系統(tǒng)檢驗(yàn)操作

在開(kāi)始檢測(cè)作業(yè)前，使用艙內(nèi)洗艙機(jī)對(duì)艙室進(jìn)行清洗，清洗后使用深艙測(cè)氧儀檢測(cè)艙內(nèi)氣體組分，組分要滿(mǎn)足可燃?xì)怏w含量低于爆炸下限(LEL)的20%。然后再進(jìn)行艙室惰化，惰化后氧含量低于5%，完成后即可開(kāi)展檢測(cè)工作，無(wú)人機(jī)搭載云臺(tái)燈和檢測(cè)作業(yè)步驟如下(如圖7 所示)：

圖7 無(wú)人機(jī)大艙入艙口和大艙檢測(cè)示意圖

(1) 操縱無(wú)人機(jī)從凝析油艙頂部檢修口進(jìn)入艙內(nèi)，檢修口形狀為方形，尺寸為0.9 m×0.9 m，能滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)順利通過(guò)。無(wú)人機(jī)進(jìn)入艙室后，自上而下進(jìn)行凝析油艙大艙(凝析油艙室從艙頂直通至艙底部分艙室)的檢測(cè)。

(2)大艙檢測(cè)完成后，再操縱無(wú)人機(jī)從大艙與小艙底部留出的開(kāi)口進(jìn)入小艙，完成小艙的檢測(cè)。大艙與小艙底部的開(kāi)口寬6.9 m，高1.5 m，無(wú)人機(jī)可輕松通過(guò)。

(3)利用無(wú)人機(jī)上搭載激光雷達(dá)融合測(cè)繪相機(jī)對(duì)艙室底部的防腐鋅塊進(jìn)行掃描和尺寸測(cè)量。

(4)若檢測(cè)出艙壁有嚴(yán)重腐蝕或缺陷，則回收無(wú)人機(jī)，更換超聲波測(cè)厚儀對(duì)艙壁進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)完成后，通過(guò)軟件計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，形成艙室三維模型，同時(shí)計(jì)算出防腐鋅塊的損失量，為后續(xù)制定更換計(jì)劃和評(píng)估艙室腐蝕情況提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，完成四個(gè)艙室的人工進(jìn)艙清洗和檢驗(yàn)作業(yè)需要約324 萬(wàn)元，包含清洗人工費(fèi)84 萬(wàn)元(8人×30 d×3 500 元/(人·d))，搭建腳手架費(fèi)用約240 萬(wàn)元(約60 元/艙)。而使用智能化艙室檢驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)則只需要費(fèi)用約100 萬(wàn)元(5人×10 d×20 000 元/(人·d))。因此，采用本文研究的艙室內(nèi)檢測(cè)智能化方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)直接經(jīng)濟(jì)效益—節(jié)省費(fèi)用：相對(duì)于傳統(tǒng)的人工進(jìn)艙檢驗(yàn)方式，使用智能化檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)每五年可節(jié)省費(fèi)用約224 萬(wàn)元，在30 年生命周期節(jié)省1 344 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀(guān)。

(2)間接經(jīng)濟(jì)效益—安全效益：開(kāi)創(chuàng)了智能化檢驗(yàn)代替人工檢測(cè)方式的先河，避免了人員進(jìn)入艙室作業(yè)帶來(lái)的人員墜落以及其他風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的本質(zhì)安全。

(3)間接經(jīng)濟(jì)效益—產(chǎn)量效益：智能檢測(cè)作業(yè)較人員進(jìn)艙檢驗(yàn)作業(yè)時(shí)間更短，避免了長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)凝析油存儲(chǔ)空間不足引起的減產(chǎn)產(chǎn)量損失約1 000萬(wàn)m3/d。

(4)間接經(jīng)濟(jì)效益—技術(shù)突破：異形深艙智能化檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，打破傳統(tǒng)艙室檢測(cè)方式，為不同結(jié)構(gòu)艙室檢測(cè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)字化的高效應(yīng)用。