内转塔单点系泊监测系统标准化及应用

李 鹏

中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 （天津 300451）

海上浮式储卸油装置（以下简称“FPSO”）是“全海式”油田开发工程中的核心单元[1]。内转塔单点系泊是南中国海海域FPSO最为广泛的系泊形式。相较于外转塔系统，其可靠性高、抗风浪能力强。其主要作用是将FPSO定位于预定海域，实现输送井流、电力、通信等功能，同时使FPSO具有风向标的效应，在海洋环境作用下受力为最小，从而保证海上定位和连续生产作业。

通常情况下，FPSO系泊系统的设计为100年重现期当地风浪流环境[2]，且世界各国船级社都对系泊系统设计采用安全系数进行冗余设计，例如中国南海FPSO入级法国船级社所规定：采用动态计算法，破断张力应大于设计最大张力的1.67倍[3]。但近年来全球恶劣海况引起的系泊系统失效事故越来越多，为达到提前判断和识别风险的目的，在FPSO上加装系泊系统运动与受力测量装置，越来越受到油田作业者的重视。

内转塔单点系泊系统在原设计上已经有比较高的冗余设计，但其并未考虑对系泊力等参数的监测和预警。因此无论是国内领域还是国际领域，都面临监测系统在原系泊系统上的改造设计、实践应用、标准化及持续改进等问题。

经过多年的实践及经验总结，目前内转塔单点系泊监测系统已成功应用于我国多艘FPSO，通过实践的总结和归纳，并于2015年发布一项中国海洋石油总公司企业标准[4]。从“海洋石油118”FPSO开始，系泊监测系统已经成为中海油新造FPSO项目的“标准配置”，从设计理念、技术难点、标准化及持续改进创新等方面对系泊监测系统进行论述（图1）。

图1　内转塔单点系泊系统示意图

1　内转塔单点系泊监测系统的标准化设计

1.1　设计理念

系泊监测系统是一种通过在单点系泊系统和浮式装置上布放信号采集装置，将采集得到的环境、运动数据集成到系统终端（通常布置在FPSO的中控室中），实现集中显示、存储等功能的系统。与其他相关行业在线监测不同的是，系泊系统的监测设备需要经受恶劣环境条件的考验，需在极端海况（如台风）下，实现系泊缆、FPSO船体等参数信息的采集保存。

面对严苛的使用条件，若要达到对监测指标全面而精准的采集几乎是不可能的。因此对采集参数的选取和权衡显得至关重要。任何传感器都是量程和精度权衡的结果，若要达到高精度的采集，量程往往限制在一定范围内；若要实现量程的全面覆盖，精度往往不甚理想。因此需对系泊监测的目的有明确地认识，有取舍地确定采集参数和安装方式，才能达到理想的监测效果。

系泊监测系统的设计应尽可能选用性能稳定、标准成熟的传感器，保持在恶劣环境条件作用下设备的可靠性。同时，该系统在各传感器上层设置有数据采集器，实现集中存储和传输，并实现关键参数的运算和预警。

1.2　系统标准架构

将单点系泊监测系统以标准化模块进行划分，以一个典型的内转塔单点系泊系统为例，针对现场测量信息与测量内容的要求，监测系统主要包括如下几个部分，见表1。

表1　单点系泊监测系统架构

在国际海洋工程领域，对系泊系统的监测源自完整性管理理念（图2），特别是对水下锚泊部分的持续监测，可以提高安全评估的准确性。通过对异常现象微小变化观测的累积，可以预判失效事件，争取更多的反应事件，实现全生命周期的完整性管理。

1.3　水下系泊系统监测方式对比分析

针对系泊系统中水下系泊腿的监测，目前主要分为两种方法：一是直接监测方法，对系泊缆的拉力进行长期的持续监测，即通过使用内嵌的应变传感器或安装在系泊缆固定基座上的测力单元实现长期的测量；是间接监测方法，对系泊缆的状态（如倾斜角度）进行监测，即通过监测系泊缆的完整性来捕捉单缆破断的现象。

图2　内转塔单点系泊系统架构示意图

近几年来全球海洋工程实践中，两种方法均有应用。但从工程实际结果反馈，直接监测方法多面临工程实施难度高、水下设备稳定性差、数据路由布设困难、传感器零点漂移等问题[5]；而间接监测方法的实践表明其设备稳定性较高[6]。由于大部分设备安装在FPSO的生活楼等非危险区，设备使用寿命较长，维护成本较低。对于内转塔单点系泊系统，由于锚缆与船体的连接点位于船体底部，常规的水上监控无法实现对水下锚缆的倾角状态进行观察（如国外应用较多的外转塔，系泊缆末段位于水面以上，观察非常方便），因此间接监测方式在内转塔单点系泊系统上的实现仍具有较高的难度。

系泊系统看似是一个非常简单的问题，但是从现场监测情况来看，它是一个非常复杂的动力学问题。由于浮式平台系统需要在固定海域进行连续的长期作业，这就需要其系泊系统也能长期保持工作。系泊系统的设计寿命一般为20年，但是其可能承受百年一遇的极端条件。对于系泊系统状态的识别可以从判断其预张力是否合理和识别各锚链是否破损两个方面入手。目前对于系泊系统受力测量方法主要有：

1）系泊链深度测量。通过在每根系泊链上不同深度安装压力传感器，绘制拟合整条系泊链的悬链线型，根据线型的变化判断系泊腿整体受力及工作状态。

2）系泊链倾斜角度测量。根据系泊链角度推导得出系泊系统受力。此种方法需要建立系统响应模型（SRM），并根据测量的系泊链角度确定系统整体受力。

3）系泊链中的张力测量。该方法是最直接的测量方法，但是由于需要在系泊链中嵌入张力测量元件，并使之成为荷载传递路径的一部分，因此也是风险最大的一种测量方法。

对比各种测量方法，从技术可行性、适用传感器、运维成本等方面进行风险分析，见表2。

表2　不同监测方法对比

从应用效果和成本有效性考虑，水下系泊链倾角测量是相对可靠的方法。目前国际上已有多家公司开发了水下系泊链的角度测量设备，如Pluse Structural Monitoring公司、Falmouth Scientific公司、BMT Scientific Marine Services公司等都开发出了类似的产品。

2　内转塔单点系泊监测系统的标准化实践效果及意义

在国外监测技术相对成熟、应用广泛且新技术亦不断涌现的背景下，中海油结合自身生产运营情况，在部分FPSO加装了单点系泊监测系统。在吸收借鉴国外相关技术指南和指导文件的基础上，结合自身的技术实践，开展了单点系泊监测标准化工作。

通过项目实践，从监测系统的设计、设备选型，到现场安装实施，为系泊监测系统的标准化积累了经验。该标准的编制是在FPSO现场操作人员、陆地管理人员、监测设备维护技术人员共同讨论的基础上完成的。例如海洋环境监测设备的选型，就是与国家海洋环境监测部门所依据的国家标准相一致的；而水下监测设备的数量配置，则是来自现场施工冗余度的经验教训；关于系泊力直接测量方法的描述，由于国内没有应用案例，因此借鉴了国际石油公司、国际行业协会的项目实例作为参考。在各方共同努力下，最终申请并组织完成了海洋石油总公司企业标准《内转塔式单点系泊监测系统功能配置和技术要求》的编制工作。

在标准形成前，部分FPSO针对系泊系统采取了一些传统的船舶卫星定位的方式对系泊中心进行定位。但由于没有标准化，不同FPSO的管理水平和对系统评估的认知程度参差不齐，有的甚至出现了盲目追求定位精度，却不知可接受偏差范围的情况。

在标准形成后，通过积极宣贯并认真听取反馈建议，各FPSO内对系泊系统监测的认识水平普遍提高。在标准的促进下，不仅可以根据位置信息判断其水下系泊系统完整性，还可以进一步对定位精度、偏差范围的计算和水下系泊系统健康程度的评估进行深入研究。因此，该标准的实施一方面为海上台风后恢复生产提供了判断依据；另一方面也为系泊系统累计损伤和剩余寿命评估技术的发展起到了促进作用。

该标准的实施为各FPSO系泊系统安全管理提供了统一的模板。每艘FPSO的内转塔系泊系统从过去台风期间被动抵抗到现在的主动记录，为在役FPSO的管理及未来新建FPSO的设计建造及相关领域提供了有效地指导。

3　内转塔单点系泊监测系统现场应用与持续改进

为监测和记录南海中国海域恶劣的海洋环境对FPSO单点系泊系统的影响，特别是台风期间的环境和单点系统响应数据，陆续在“海洋石油111”、“海洋石油118”等多艘FPSO上安装了单点系泊监测系统，取得了一定的应用效果。

不可否认，国外联合工业项目[7]中遇到的恶劣环境导致监测设备失效的挑战，在南中国海同样无法回避。例如“海洋石油118”FPSO系泊监测系统的水下倾角传感器共有12台（图3），布置在系泊锁接头连接件上，但在单点浮筒水下安装过程中，由于锁接头连接件的运动角度过大，其中两台倾角传感器失效。而在2014年台风“海鸥”过境期间，剩余的10台水下倾角传感器也全都陆续失效。后经潜水作业，初步证实由于水下接线箱、连接电缆接头等多处脱落，电缆多处出现过度弯折，导致监测设备失效。

图3　“海洋石油118”水下倾角仪台风前后对比

综合考虑水下施工经济性、水下设备稳定性、系统维护便利性、误差可接受程度等因素后，“海洋石油118”单点监测系统采用了国际上更为广泛接受的差分定位（Differential Global Positioning System）测量单点中心位移的方案[8]，在原水面以上系泊监测系统基础上进行升级改造，通过后台运算修正的方式，用单点坐标位移反推系泊力。单点系统在设计建造阶段，其设计中心位移即为一个重要的参数，该参数的大小直接反映锚缆张力水平。通过悬链线公式，已知锚点坐标和单点中心位移，以及锚缆组成参数的情况下，可以迭代计算出锚缆张力。

此次升级将悬链线迭代公式封装成为软件（图4），同时考虑现场的需要，将软件界面进行升级，能够显示动态的相对坐标系，并增加极限位移分级警戒线，使操作更加直观。

图4　升级后的系泊监测系统界面

台风期间的单点漂移数据可以为海上安全生产作业提供支持，也可为重大事件事后保险提供参考依据。针对海上现场实施长期的监测和数据跟踪，可以为后续新系统设计提供良好的建设性反馈，同时也为后续标准升版积累了宝贵经验。

4　结论

以实践促进标准的发布与实施，以后续实践反馈标准的升版，可以将前期项目总结的经验推广给后来的使用者作为参考。依照该标准开展后续的单点系泊监测工作，可在一定程度地避免设备选取不当、功能不匹配等在实际工作中可能遇到的问题。让单点监测系统运行更稳定，增加系统冗余度，提高后续监测设备接入的接口兼容性，对于后续工作的开展提供有价值的参考和建议。