一种新型水下自容式锚链监测传感器研发及应用

(1.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028； 2.中国船级社质量认证公司， 北京 100006;3.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

0 引 言

随着海洋油气开发的需要，越来越多的平台应用于深远海开发，采用系泊系统的浮式平台必不可少，而系泊系统是关乎平台安全的重要组成部分，对其进行安全监测有利于掌握系泊系统的受力情况，并进行适当评估。模型试验技术[1-2]是确保平台安全和校核系泊系统的重要手段，海上原型测量技术则是将模型试验技术搬到海上现场，进一步通过实际监测得到系泊系统真实情况的手段，国内也越来越重视监测研究[3-5]。水下设施的监测是监测研究的难点，从国际上深水系泊系统的研究可以看出，系泊系统原型测量技术是深水系泊系统研究的重要方法[6-8]。虽然很多平台在止链器附近通过测量压力进行直接测量，但是由于止链器与锚链之间的摩擦等因素，实际减小了锚链张力的动态效应，测得的锚链张力比实际偏小，并且由于在锚机下方，这种直接测量的系统安装后一旦出现故障很难维修，除非拆除锚机和止链器等设备，因此这种直接测量方式也有局限性和不便利性，此外锚链止链器测得的压力是静态力，无法准确地反应海流、海浪对系泊的影响。

如果采用水下监测，需探索一种新的方式来监测系泊系统的张力等要素。测量水下锚链倾斜角度的方式是一种间接测量锚链张力的方法，这种方式具有维修便利、成本较低的优势，但需解决水下传感器供电、数据储存、抵抗台风等技术难题，如果直接采用导线供电和传输数据，在台风条件下这些线路容易损坏和出现故障。本文研发一种用于锚链安全监测的水下自容式倾角传感器(不用水下导线供电和传输数据)，并提出通过两点原型测量以及使用三分量系泊系统控制方程等技术推导得到锚链张力的监测方法，成功应用于中国流花油田“南海挑战”号半潜式生产平台锚链系统的监测，得到多个台风下的锚链张力数据。该新型倾角传感器和监测方法可用于其他形式平台的系泊系统、立管系统的监测。

1 水深-倾角传感器测量系泊系统原理

水深-倾角传感器测量系泊系统主要原理是假设单根锚链满足悬链线控制方程，通过悬链线某两点位置的倾角、高度等信息，反推悬链线张力。

假定某锚链有两个点处安装了水深-倾角传感器，每个点可获得水深、倾角数据，通过悬链线控制方程求解锚链张力。图1给出了两个点传感器情况下水下锚链系统测量原理。计算公式如下:

图1 两个传感器情况下水下锚链系统测量原理

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

tanθ4=0

(6)

L3=L3c+L3r，L1=L11+L12+L13

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式(1)～式(16)中：θk(k=2,3)、θ1i(i=1,2,3)为不同位置锚链延x轴向的倾斜角度，θ4为锚链在触地点处的倾斜角度，为0;ωi(i=1,2,3)为水中每段锚链的湿重，为已知量；Li(i=1,2,3)为每段锚链从顶到底的长度，为已知量；Q为锚链拉力的水平分量；T为锚链轴向拉力；Hi、si(i=1,2,3)分别为各段锚链在水平和垂直方向的长度分量。

通过水深-倾角传感器测量获得倾角、水深数据后，可根据式(1)～式(16)求解其他变量。已知变量、通过测量得到的变量以及需计算求解得到的变量如表1所示。

图2 水下自容式水深与倾角传感器样机

已知变量通过测量得到的变量需计算得到的变量ωi (i=1,2,3)θ12,θ13θ11,θ2,θ3,T,Q, H13Li (i=1,2,3)H11,H12H2, H3, L11,L12,L13,L3cθ4=0-L3r, s11, s12, s13, s2, s3

2 水深-倾角传感器样机研制及“南海挑战”号现场实施

根据水深-倾角传感器集成及锚链系统测量原理，制作水深-倾角传感器样机，如图2所示。该传感器由微处理器模块、加速度模块、倾角模块、水深模块、模数转换模块、存储模块、时钟模块、电源管理模块等八大模块组成，从精简布局考虑，将水深传感器、倾角传感器与模数转换组成一个整体，根据实际需求，将传感器各功能模块独立制板，模块间通过总线板进行连接通信。为便于该样机在锚链上的安装，且为节省后期更换传感器样机的成本，专门设计了可采用水下机器人(Remote Operated Vehicle， ROV)拆卸和安装传感器的夹具，随后将传感器样机安装到流花油田“南海挑战”号浮式生产平台(Floating Production System， FPS)的7号锚链上。该平台及其锚链系统分布如图3所示，同时采用ROV进行传感器样机的安装和拆卸如图4所示。

图3 流花油田“南海挑战”号FPS及其锚链系统分布 图4 水下自容式水深-倾角传感器水下安装和拆卸

通过取回水深-倾角传感器样机的数据，得到图5倾角变化数据和图6水深变化数据。图6方框里说明了锚链在这段时间内的下放和调整，与实际情况吻合；图7a)和图8a)分别显示了每个小时倾角和水深的数值情况，倾角的变化范围为2°～5°，水深的变化范围为0.5～1.5 m(不包括锚链移动调整情况)；图7b)和图8b)分别给出了倾角和水深变化的标准差，从监测数据可以看出倾角与水深的标准差相当接近。

图5 倾角变化数据 图6 水深变化数据

图7 倾角数据及标准差

图8 水深数据及标准差

这些水深和倾角的监测数据能够清楚说明锚链的波频分量在系泊系统分析中的贡献，这是锚链系统很重要的一个现象。图9给出了通过水下自容式水深-倾角传感器得到的倾角和水深的谱密度分布，从图9a)可以看出峰值在0.12 Hz和0.16 Hz两个位置，从图9b)看出峰值在0.12 Hz附近，与波浪频率0.16 Hz接近，这个频率同样与锚链的固有频率接近[9]。从水深-倾角传感器的谱密度可以看出，这套水下监测系统可准确得到锚链在波浪作用下的频域特征。

图9 水下自容式水深-倾角传感器倾角和水深的谱密度(PSD)结果

3 结论及建议

海上水下锚链监测如同模型试验一样，对平台安全和系泊系统安全尤为重要，还能积累数据用于未来中国海域系泊系统的设计和分析。本文研发一种新型水下自容式水深-倾角传感器，并成功在海上应用，同时测量某段锚链的水深和倾角，从而计算得到锚链张力，应用于海上水下锚链系统的监测。在传感器设计和研发过程中，采用自容式技术，在传感器集成过程中包含了电源模块、存储模块、水深模块、倾角模块，并给出集成思路和过程。为了节省传感器在安装期间的费用，从而让传感器方案易于实施，专门设计可采用ROV进行拆卸安装传感器的夹具。上述方案成功在中国流花油田的“南海挑战”号FPS的某根锚链上进行安装实施，并于2015年6月-7月期间获取了将近2个月的数据。通过对每天的数据分析、谱分析等，这套水下监测系统可准确得到锚链在波浪作用下的频域特征，充分说明监测传感器在水下锚链张力监测上的可行性和可靠性，克服了目前其他监测手段无法准确地反映海流、海浪对系泊的影响、不能抵抗台风等缺点，这种监测方案和原理可延伸应用于水下其他结构的监测。