FPSO MODA立管监测系统设计

魏加旺

应用研究

FPSO MODA立管监测系统设计

魏加旺

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

MODA立管监控系统是一种适用于多点系泊FPSO（浮式生产储油卸油装置）上挠性立管的完整性监控的系统。该系统基于光纤布拉格光栅（FBG）技术光学传感器来监测挠性立管防护层金属线的变形和应力，以实现监测断裂或损坏的立管的目的。本文详细阐述了系统各部件的技术要求及特性，给出了具体的系统设计方案和选用原则，清晰划分了在设计实施过程中的责任界面及安装完毕后的调试要求，为类似设计项目提供参考。

立管监测 MODA 光纤布拉格光栅 多点系泊FPSO

0 引言

FPSO是浮式生产储油卸油装置的简称，是海洋石油开发的关键设施，通常与海底采油系统组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，而挠性立管则是浮式油气开发系统的重要组成部分，起到FPSO和海底设备连接的作用。其安全方面具有明显的不确定性和独特的挑战性，一旦出现故障将危及整个采油系统的安全，不仅会造成经济损失，甚至导致严重的环境污染事故。MODA立管监控系统是适用于多点系泊FPSO上挠性立管的完整性监控的系统，MODA为葡萄牙文首字母的缩写，全称为：Monitoramento Óptico Direto no Arame (英文翻译为：Optical Monitoring Directly on the Wire)。该系统的框架布局与FPSO的上部模块上用于该系统相关设备的布置密切相关，本文将重点阐述系统的配置功能特性，并对其系统设计、布置及调试等方面进行详细的说明。

1 系统组成

MODA立管监测系统（简称“MODA系统”）主要由FBG传感器、立管光纤、立管光纤接线盒、机柜光纤以及MODA机柜等五个主要部分组成，承担着数据监测、采集、处理及分析的功能。该系统可以通过监测挠性立管断裂金属线的变形/张力状态和邻近断裂金属线的过载状态的松弛相关的永久变化来识别立管防护层金属线状态的变化。此外，MODA系统还可以通过动态分析金属线中的负荷变化来识别断裂事件。虽然更复杂，但这种类型的分析可以通过检测立管外部抗拉金属层中传播的瞬态扰动来表明立管内部金属层破裂的发生，从而识别断裂或损坏的立管。

1.1 FBG 传感器 ( Fiber Bragg Grating Sensor)

FBG传感器为MODA系统的重要部件，它的工作方式将记录FBG传感器波长的绝对值，同时允许根据要执行分析的类型或要显示给用户的信息的类型来更新和改变初始安装参考值。FBG传感器有以下主要功能特点：

它是一个无源系统，因为它使用的光学传感器只使用光不需要其他辅助能源，传感器、光纤和光缆没有金属组件，每根光纤可监控多达30个传感器，并容许光学探询设备安装在一个较远距离的位置。

FBG传感器安装在挠性立管顶端部件（Top End Fitting[1]）的观察孔内，使用粘合剂安装在外部金属线的表面上，并通过内部的光纤连接到挠性立管顶端部件肩部的潜水干式光纤连接器上，如图1和2所示。

图1 FBG传感器安装位置

1.2 立管光纤 (Riser Optical Cable）

立管光纤为一根10米长的PBOF（Pressure Balanced Oil-Filled）型8芯单模光纤。一端安装有海底干式光纤连接器（公接头，与安装在Top End Fitting上的连接器相匹配），另一端采用未端接的尾纤，在末端装有一个JIC 37°3/4”tube管母接头。此尾纤（如图 3和4所示）将熔接到立管平台上的立管光纤接线盒内。

立管光纤的特性：8芯单模光纤（ITU-T G.652[2]或ITU-T G.654[3]）；防水阻燃（100% LSZH）；标称外径：约30 mm；最小弯曲半径：150 mm。

1.3 立管光纤接线盒 (Riser Balcony JB）

立管光纤接线盒是立管光纤和机柜光纤之间的接口，安装位置一般布置在上立管平台上方便维护的位置，如图 5所示。

图2 FBG传感器与光纤熔接示意图

图3 立管光纤示意图

图4 未端接的立管光纤图片

光纤接线盒及其附件应满足危险区域（Zone1-Exe）的要求，防护等级至少为IP66，光纤接线盒材质为不锈钢AISI 316L。接线盒内应配有足够的熔纤盒（splice tray）用于光纤连接。

光纤接线盒底部应设计成可拆的填料函板（至少3个进线口：2个为立管光纤接口，1个为机柜光纤电缆接口。如图6所示。），接线盒上应配备连接机柜光纤的电缆填料函或临时盲堵。

对于每根连接到相应光纤接线盒的立管光纤，根据系统布局，光纤接线盒应配有2个3/4”的37° flare tube管公接头（37º JIC size 12）（参考：SS-1210-6- 12AN)。由于立管光纤只能在海上安装，因此每个公接头应使用匹配的母金属帽进行保护。

1.4 机柜光纤 (Cabinet Optical Cable）

机柜光纤的技术要求为：紧套式标准单模光纤 (ITU-T G.652[2]or ITU-T G.654[3])，分支结构（breakout construction），阻水型（Water blocked），低烟无卤阻燃，镀锌钢丝编织铠装，橙色外护套，如图7所示。光纤芯数通常为8 芯或16芯, 根据系统图最终确定。

图5 立管与接线盒之间光纤连接示意图

图6 立管接线盒典型图

当在立管光纤接线盒上安装机柜光纤时，需在光纤接线盒内至少预留2米长的电缆。预留的长度应允许没有机械应力的情况下进行适当的熔接，通过其内部的盘圈来消除。如果在海上作业过程中光纤电缆损坏接头，预留长度也允许将来返工。

机柜光纤安装后，应测试光纤的连续性/衰减损耗，不接受纤维断裂或过度衰减的光纤，不满足要求的需更换。

图7 机柜光纤电缆结构图

1.5 MODA机柜 (MODA Cabinet）

MODA机柜上配有FBG探询器，服务器，网络交换机，KVM控制台以及光纤配线架等，如图8所示。机柜通常为19英寸机架式机柜，应安装在温度控制在24℃的安全区域，每个MODA机柜应通过两根CAT 6电缆连接到油公司的局域网机柜。如果电缆长度超过90米，则应根据ANSI/EIA/TIA 568-B3采用光纤电缆连接，在这种情况下，应提供光纤/以太网转换器。

每个机柜均应提供的UPS供电，并设计为在失电时至少为所有设备供电30分钟，同时每个机柜的功率应限制在3 kW。每个MODA机柜至少应包含以下组件：

(x1) 双极断路器；

(x1) 双极浪涌保护器；

(x1) 带有开门开关的前后照明灯；

(x1) 机架安装式带10个标准插座的电源插排；

36端口光纤配线架，可以连接机柜的所有光纤；

(x1) FBG 传感器阵列；

(x1) 24端口网络交换机；

(x1) KVM连接到同一机柜内的所有服务器/探询器；

光纤跳线(SC/APC或LC/APC接头），将所有光纤从光纤配线架连接到FBG探询器；

(x12) 10m 备用光纤跳线；

(x1) UPS；

(x1) 机架安装抽屉。

图8 MODA机柜示意图

FBG探询器是MODA机柜上最重要部件，是实现系统功能的核心，其主要作用为收集传感器的相关数据并通过服务器进行处理后，通过网络传输到岸上，至少要满足以下功能要求：

每个通道同时扫描波长激光扫描频率不低于125 Hz，波长范围在1 510 nm到1 590 nm或更宽，波长扫描范围80 nm或更宽，每个探询器为16个光通道，波长精度2 pm或更好，波长重复性1 pm或更好，峰值动态范围21 db或更好，全谱测量并具备峰值检测功能，SC/APC or LC/APC 光纤连接器，以太网接口，配有传感分析软件。

FBG探询器是根据标准IEC 60079-28[4]定义的本质安全型光辐射传输设备（Ex op is T4 Ga），所以探询器应在安全区域内安装和操作，但系统的无源组件（光纤、熔接、立管接线盒、光连接器和FBG传感器）可以在0，1或2区环境中安装和操作。由于FBG探询器的距离范围容量在几千米以内，因此对MODA系统的光纤路径没有严格的限制。

2 系统设计方案

MODA系统通常有两种设计方案，一种是每1个立管对应1个立管光纤接线盒和1根8芯机柜光纤；另一种每2个立管对应1个立管光纤接线盒和1根16芯机柜光纤，如图9所示。

每个立管提供至少1个光纤接线盒，如果连接接线盒与立管的光纤长度不超过8米，则可以2个挠性立管提供1个光纤接线盒，每个接线盒不允许超过2个立管的连接。即为两种设计方案的选用原则。光纤接线盒和MODA机柜之间也不允许中间拼接。

MODA机柜的数量可能会随着要连接到FPSO上的挠性立管的数量而变化，每个机柜最多允许容纳12个立管。每组最多3个挠性立管应提供1套FBG探询器，每组4个FBG探询器应提供一台Server（包括所有附件，如：光纤跳线、电源线、PSU等），例如某FPSO挠性立管数量为31个，则至少需要配备3个MODA机柜。当需要提供一个以上的MODA机柜时，机柜应并排安装，侧面或底部进线，并且机柜之间应提供至少6根CAT6的备用网线进行互联。

图9 MODA系统设计方案

3 设计界面划分

MODA系统的设计、采购及安装应按照项目规格书的要求进行，MODA FBG传感器一般由立管承包商设计、采购并安装，立管和光纤接线盒之间的立管光纤一般由立管承包商设计并采购，其连接一般为油公司或MODA操作者的范围，用于固定光纤的电缆托架、机柜光纤及MODA机柜为FPSO承包商的范围，通常的设计界面划分如表1所示。

表1 MODA系统设计界面划分表

4 调试要求

调试应旨在验证组件之间的接口和整个系统的正常运行。所有机械、电气、仪器仪表和自动化接口均应进行功能测试。所有系统运行模式（及其组合，当涉及多个部件时）都应进行测试，以确保适当的长期、稳定运行，系统集成测试应与系统的实际组件一起进行。

在FPSO上安装MODA设备和相关材料之前，应完成试验程序，包括：

MODA机柜设备和附件测试程序，特别是FBG探询器；

光缆测试程序（包括OTDRs和FBG传感器阵列）。

注：建议使用光纤测深仪（OTDR）检查MODA传感器操作的光纤通道完整性（光纤连接器/电缆/光纤熔接）。检查完整性的典型测量是光纤的插入损耗（OIL）优于或等于1.5dB@1550 nm和光纤的回波损耗（ORL）优于或等于-50 dB@1550 nm。

在系统安装完毕后，还需要进行验收测试，并至少证明满足如下要求：

每个MODA机柜中的布线和电源；与MODA系统相关的所有网络电缆的认证；设备与网络之间的连通性测试；所有光纤的OTDR测试；对系统进行全面测试(船厂范围），使FBG传感器阵列连接到每个熔接盒上的每根光纤；UPS放电测试（如适用）。

5 结语

MODA立管监测系统是保障FPSO上挠性立管及其附属系统在位安全的重要方法和措施，其系统设计的可靠性对海洋石油的安全开采起着非常重要的作用。本文对MODA系统的设计进行了深入的研究，详细阐述了系统的设计组成、功能特性和设计方案，并归纳总结了调试相关的技术要求。为类似FPSO上挠性立管监测系统的设计提供了借鉴与支持。

[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] 胡知辉，段梦兰，曹静，等，深水立管监测技术研究进展[A]. 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集(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，工程师。研究方向：船舶与海洋工程电力、自动化及通讯设计。E-mail：wei.jiawang@coscoshipping.com