TLP張力腿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
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)
中圖分類號(hào)：TH -3；TP277 DOI:10. 16086/j．cnki. issnl000 - 0380. 201605010
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 legplatform，TLP)是應(yīng)用最多的浮式生產(chǎn)平臺(tái)之一。它通過自身的結(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)，目前還沒有完整的海洋工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系，也沒有具有張力腿系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的公司。
1 張力腿平臺(tái)
張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
TLP適用于300 ~1 600 m（甚至更深）的海域。TLP通過張力腿系統(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。
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通過船體浮力使張力筋腱始終處于拉伸狀態(tài)，通過拉力將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。
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)，或者超過其張力的許用值時(shí)，均表明上部荷載或環(huán)境荷載超過了許用值。此外，通過對(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。
TTMS通過對(duì)張力筋腱的張力、彎曲載荷的監(jiān)澳0，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。
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)可靠性一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。
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TIP安裝過程中即可進(jìn)行張力監(jiān)測(cè)；而In - line類型主要優(yōu)點(diǎn)是無需定期標(biāo)定，且可在位更換。在實(shí)踐過程中，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。
3.3系統(tǒng)組成
本文以Porch - based的TTMS為例，說明系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。TTMS通過Modbus TCP與船舶綜合海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(integrated marine monitoringsystem，IMMS)系統(tǒng)通信。
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)，通過串口通信( RS-485/RS422)傳輸?shù)絋TMS機(jī)柜的串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換接口，最終通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絋TMS服務(wù)器，以便實(shí)時(shí)處理、顯示和存儲(chǔ)。
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，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。
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
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。
