劉儉飛　王　晶　趙　倩

(海洋石油工程股份有限公司1，天津　300451;中國(guó)石油東方地球物理有限責(zé)任公司2，天津　300451)

TLP張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉儉飛1王晶1趙倩2

(海洋石油工程股份有限公司1，天津300451;中國(guó)石油東方地球物理有限責(zé)任公司2，天津300451)

摘要：張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)張力筋腱的狀態(tài)、張力，分析平臺(tái)的質(zhì)量分配，對(duì)于張力腿平臺(tái)在安裝及作業(yè)過(guò)程中的安全性起著至關(guān)重要的作用。為保證張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性與完整性，對(duì)比了張力腿監(jiān)測(cè)設(shè)備性能和應(yīng)用條件，考慮了海洋工程的施工特點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)要求,并給出了具體的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)證，該系統(tǒng)適于在張力腿平臺(tái)推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海洋工程浮式平臺(tái)張力腿平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系泊系統(tǒng)稱重元件基盤冗余渦激振動(dòng)

0引言

隨著浮式平臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展，深海油氣資源及邊際油田的開發(fā)成為可能。張力腿平臺(tái)(tension leg platform，TLP)是應(yīng)用最多的浮式生產(chǎn)平臺(tái)之一。它通過(guò)自身的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自重的浮力。浮力除了抵消自重之外，剩余部分就稱為剩余浮力，這部分剩余浮力與預(yù)張力平衡。預(yù)張力作用在張力腿平臺(tái)的垂直張力腿系統(tǒng)上，使張力腿時(shí)刻處于受張拉的繃緊狀態(tài)。張力腿將平臺(tái)和海底固接在一起，為生產(chǎn)提供一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)安全的工作環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)形式使得張力腿平臺(tái)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。若出現(xiàn)應(yīng)力超限，TLP可能會(huì)傾斜甚至傾覆，威脅平臺(tái)上人員安全和財(cái)產(chǎn)安全。目前在役和新建的TLP均要求使用張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(tendon tension monitoring system，TTMS)，確保平臺(tái)安全和張力腿系統(tǒng)完整性。

國(guó)外的海洋工程張力腿監(jiān)測(cè)相比國(guó)內(nèi)有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。最早的一個(gè)海洋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是BMT公司在1987年設(shè)計(jì)的TLP平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在我國(guó),目前還沒(méi)有完整的海洋工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系，也沒(méi)有具有張力腿系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的公司[1-3]。

1張力腿平臺(tái)

張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

TLP適用于300～1 600 m(甚至更深)的海域。TLP通過(guò)張力腿系統(tǒng)固定在海底的浮式海洋平臺(tái)，張力腿系統(tǒng)能夠保證平臺(tái)在風(fēng)、浪、流的作用下保持位置并限制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。張力腿平臺(tái)通常由以下主要部分組成[4]。

①上部生產(chǎn)設(shè)施、干式或濕式采油樹、鉆井模塊；

②船體系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、下浮體及立柱結(jié)構(gòu)；

③張力腿系統(tǒng)(張力腿、基盤等)；

④立管(鉆井和生產(chǎn)管線)。

2張力腿系統(tǒng)

TLP通過(guò)船體浮力使張力筋腱始終處于拉伸狀態(tài)，通過(guò)拉力將TLP限制在允許的運(yùn)動(dòng)偏差及合理姿態(tài)和吃水范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的生產(chǎn)功能需求。張力腿系泊系統(tǒng)需提供足夠的剛度，以保證平臺(tái)的升沉、橫搖和縱搖頻率遠(yuǎn)離波浪能量集中頻率范圍，從而避免諧振響應(yīng)。張力筋腱內(nèi)部截面一般設(shè)計(jì)為中空。張力筋腱尺寸(直徑和壁厚)的設(shè)計(jì)需要考慮減小自身質(zhì)量，以減輕對(duì)平臺(tái)的荷載，同時(shí)方便運(yùn)輸和安裝。典型的張力腿系統(tǒng)(tendon tension system,TTS)示意圖如圖2所示。

圖2　張力腿系統(tǒng)示意圖

張力腿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)施重點(diǎn)或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是：

①在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，為TLP平臺(tái)提供橫向約束能力；

②確定張力腿系統(tǒng)的數(shù)量、位置和截面尺寸，控制平臺(tái)的升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)；

③分析張力腿系統(tǒng)(主體鋼管和連接器)和鋼樁，保證系統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞滿足要求；

④滿足運(yùn)輸、安裝、操作和檢驗(yàn)不同階段的需求。

張力腿系統(tǒng)主要包括張力筋腱、上端和下端接頭、海底基礎(chǔ)、TTMS等。張力腿平臺(tái)每個(gè)立柱(或延伸腿)底部通常安裝2根或更多根張力筋腱，總數(shù)通常為6～16根。張力筋腱鋼管通常為常壓，除去頂部和底部連接器外，全長(zhǎng)范圍可以采用一致或者變化的外徑和壁厚。每根張力筋腱由頂部連接段、底部連接段和等長(zhǎng)的主體分段(包含耦合連接器)組成。張力筋腱頂部節(jié)點(diǎn)將張力筋腱與TLP船體連接節(jié)點(diǎn)相連，同時(shí)配備張力筋腱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主體分段貫穿整個(gè)水深與底部節(jié)點(diǎn)相連，底部節(jié)點(diǎn)將張力筋腱與底部基礎(chǔ)連接。

3張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)功能

為確定張力筋腱的受力狀態(tài)以及平臺(tái)上部荷載的分布情況,一般進(jìn)行TLP張力筋腱張力測(cè)量。當(dāng)張力接近0甚至為負(fù),或者超過(guò)其張力的許用值時(shí),均表明上部荷載或環(huán)境荷載超過(guò)了許用值。此外,通過(guò)對(duì)張力筋膜張力的頻譜分析,還可以識(shí)別張力筋腱的渦激振動(dòng)效應(yīng)(vortex induced vibration,VIV)現(xiàn)象[5-6]。

TTMS通過(guò)對(duì)張力筋腱的張力、彎曲載荷的監(jiān)測(cè)，提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警功能，并結(jié)合特定算法，分析并輔助調(diào)整平臺(tái)的質(zhì)量分配[7]。

TTMS主要功能包括：

①監(jiān)測(cè)張力腿的受力情況,以評(píng)估疲勞損傷；

②在惡劣海況下監(jiān)測(cè)張力腿平臺(tái)的表現(xiàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性-張力筋腱在服役期內(nèi)的表現(xiàn)，將此作為壽命后期延壽評(píng)估的基礎(chǔ)；

③以作業(yè)者易于理解的形式，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輔助平臺(tái)作業(yè)。

3.2測(cè)量元件

TTMS的測(cè)量元件有Porch-based和In-line兩種類型。Porch-based類型測(cè)量元件中，每個(gè)張力筋腱設(shè)有3個(gè)稱重單元沿Porch圓環(huán)均勻分布,每個(gè)稱重單元內(nèi)的2個(gè)稱重傳感器獲得冗余的受力信息。In-line 類型測(cè)量元件由密封腔內(nèi)的2個(gè)傳感器環(huán)焊接在鍛件上組成。密封腔內(nèi)充有硅油并由樹脂密封，以防海水侵入[8]。

這兩種類型的測(cè)量元件各有特點(diǎn)與應(yīng)用要求，Porch-based類型的主要優(yōu)點(diǎn)是在TLP安裝過(guò)程中即可進(jìn)行張力監(jiān)測(cè)；而In-line 類型主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需定期標(biāo)定，且可在位更換。在實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行規(guī)劃選擇，其應(yīng)用特點(diǎn)及性能對(duì)比如表1所示。本項(xiàng)目采用了Porch-based型測(cè)量元件。

表1　測(cè)量單元特性對(duì)比

3.3系統(tǒng)組成

本文以Porch-based的TTMS為例，說(shuō)明系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。TTMS通過(guò)Modbus TCP與船舶綜合海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(integrated marine monitoring system，IMMS)系統(tǒng)通信[9]。

TTMS采用雙通道應(yīng)變稱重元件。每個(gè)Tendon使用3個(gè)稱重單元，并輸出線性模擬信號(hào)。這些模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)TLP TOC的接線箱的信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)，通過(guò)串口通信(RS-485/RS-422)傳輸?shù)絋TMS機(jī)柜的串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換接口，最終通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)絋TMS服務(wù)器，以便實(shí)時(shí)處理、顯示和存儲(chǔ)。

圖3　TTMS結(jié)構(gòu)組成圖

3.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)/實(shí)施要點(diǎn)

鑒于張力腿系統(tǒng)對(duì)于TLP的重要性,對(duì)張力腿系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，即TTMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)以保證失效安全為原則。TTMS系統(tǒng)的冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，也就是說(shuō)，任意單一失效均不應(yīng)影響系統(tǒng)性能。同時(shí)TTMS的稱重單元為水下設(shè)備，應(yīng)進(jìn)行防水侵入設(shè)計(jì)以及使用水下電纜接頭。

TTMS系統(tǒng)稱重傳感器、稱重單元以及張力筋腱構(gòu)成了3級(jí)冗余結(jié)構(gòu)，滿足TLP 30年的設(shè)計(jì)壽命要求。

TTMS采用兩個(gè)完全獨(dú)立的稱重應(yīng)力傳感器。每個(gè)應(yīng)力傳感器回路使用獨(dú)立的水下電氣接頭、鎧裝水下電纜以及獨(dú)立TLP TOC的信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元內(nèi)部應(yīng)有完全獨(dú)立的信號(hào)通道、A/D轉(zhuǎn)換器以及完全獨(dú)立的電源通道。這些經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)應(yīng)分別進(jìn)入各自獨(dú)立的信號(hào)接口單元。同時(shí)TTMS也應(yīng)使用冗余的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在工程實(shí)踐中，TTMS的冗余電纜應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立路徑規(guī)劃，避免穿越同一火區(qū)，以降低共因失效概率。當(dāng)任意單一元件發(fā)生故障時(shí)，TTMS的服務(wù)器均應(yīng)能檢測(cè)報(bào)警并自動(dòng)進(jìn)行切換[10]。

3.4.1供電要求

TTMS供電應(yīng)采用雙通道100%容量設(shè)計(jì)。通過(guò)TTMS專用的UPS為系統(tǒng)供電，UPS本身應(yīng)有至少15 min的供電能力。冗余的單元供電采用各自獨(dú)立的供電回路。TTMS應(yīng)配備獨(dú)立的兩個(gè)24 VDC電源模塊，分別為獨(dú)立的稱重傳感器以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理單元供電。

3.4.2備用服務(wù)器

備用服務(wù)器與主服務(wù)器配置完全一致，通過(guò)TTMS以太網(wǎng)連接。備用服務(wù)器完全鏡像主服務(wù)器的功能，并在主服務(wù)器硬件或軟件失效的情況下，接管所有數(shù)據(jù)采集、處理以及通信功能。備用服務(wù)器不使用單獨(dú)的人機(jī)交互，而是使用切換控制盒。這樣在系統(tǒng)失效時(shí)，操作員可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)的切換控制。

4結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了張力腿系統(tǒng)及TTMS系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)，對(duì)比了TTMS兩種可選類型的選用方法，分析了TTMS設(shè)計(jì)要求，總結(jié)提出了TTMS設(shè)計(jì)應(yīng)用的一些基本原則。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，采用了Porch-based的TTMS測(cè)量元件、冗余的系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)以及獨(dú)立冗余的供電和熱備服務(wù)器，使系統(tǒng)的可靠性達(dá)到30年設(shè)計(jì)要求。隨著中國(guó)深海油氣資源開發(fā)的不斷推進(jìn)和發(fā)展，TLP必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。TTMS作為TLP平臺(tái)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，應(yīng)該給予足夠的重視。

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Application Research on the Tendon Tension Monitoring System

Abstract：The tendon tension monitoring system (TTMS) is mainly used for monitoring the status and tension of tendons,and the mass assignments of analysis platform,it plays a key role in safety during the process of installation and operation of the tension lag platform.In order to ensure the reliability and integrity of TTMS,the performance and application conditions of tension leg monitoring equipment are compared,the construction characteristics and difficulties of marine engineering are considered,the basic principle and design requirements of TTMS are put forward,and the specific design scheme is given.Through the project verification,this system is suitable for promotion and application in the tension leg platform.

Keywords:Marine engineeringFloating platformTLPMonitoring systemMooring systemWeighing deviceBase trayRedundancyVortex induced vibration (VIV)

中圖分類號(hào)：TH-3;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605010

修改稿收到日期：2016-03-12。

第一作者劉儉飛(1984-)，男，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事過(guò)程控制方向的研究。