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摘要：本文以南海某FPSO单点系泊锚链监测系统故障分析为背景，介绍锚链受力监测系统的工作原理，分析倾角仪数据传输系统故障的原因，并提出系统改进建议，为以后同类工程应用提供实践参考。
关键词：系泊监测；倾角仪；FPSO；水声通讯
1 概述
浮式储油轮（FPSO）锚链受力监测系统是监测FPSO锚链受力是否在设计范围内的最客观的观测方式，FPSO受力监测系统越来越受到油田生产者的重视。从国际国内系泊系统运动与受力测量的工程实践中，使用最多的是以一种锚链倾角装置测出锚链角度，从而监测锚链运动状态和推算系泊受力的方法。本文以南海某内转塔型FPSO为例，介绍锚链受力系统组成、在运行过程中所碰到的问题及改进建议。
2 锚链监测系统
FPSO通过内转塔形式单点进行系泊，单点浮筒通过9条锚缆进行固定。该FPSO安装了一套锚链监测控系统，系统由锚链倾角仪（ISA/Instrument Sensor Assembly）、数据收集单元（DAU /Data Acquisition Unit）和张力计算单元组成，安装在每条锚链上的倾角仪对锚链倾角进行测量，将锚链倾角数据通过水声通讯方式传输给安装在FPSO左右舷的DAU，并通过电缆传输给张力计算单元，从而推算锚链的张力。
每条锚链上安装一个倾角仪，安装于夹套内，并采用倾角仪顶部的螺栓进行固定，同时在倾角仪底部加装胶垫，倾角仪安装深度相同位于水下25米处，倾角仪每6小时监测10分钟，并将采集倾角数据发送给安装于FPSO的DAU。
3 锚链监测系统运行分析
锚链监测系统作为一种新兴的检测系统，在运行过程中出现了多种问题。在一年多的运行时间里，系统存在需反复重启设置与倾角仪建立新通讯、电池消耗过快、两个DAU无法同时工作等问题，设备的稳定性及可靠性均不能满足使用要求。
倾角仪与DAU通过水声通讯方式进行数据传输，使用过程中数据传输极易出现不稳定现象，特别是在台风经过后，多套倾角仪出现与DAU多次失去通讯现象。分析原因可能是由于障碍物遮挡、附着海生物等因素的影响，导致水声通讯系统接收与发送信号传输不理想，以及DAU采用冷备份方式，不能同时工作，致使通讯不稳定。倾角仪由于依靠自带电池供电，大部分仅能工作一年时间，且在台风后，出现七台倾角仪所携带电池电量耗尽的现象，原因可能因水声通讯设备功耗大，电池容量低，或设备长时间处于工作状态，导致电量大量消耗。
4系统改进建议
针对所出现问题，并分析可能造成的原因，提出了一系列改进措施。将两个DAU由冷备份方式改为热备份方式，那么FPSO旋转的情况下至少保证一个DAU可以收到发射端的信号，尽可能避免因遮挡导致信号传输不稳定的问题，保障DAU与倾角仪连接畅通，提高系统通讯成功率和可靠性。
水下设备采用低功耗元器件设计，采用值班电路，具有休眠和唤醒功能，减小系统待机功耗；采用高比能、寿命长的电池组；采用同时采集、分时发送方案等措施，保障工作时间。
采用牺牲阳极解决海洋腐蚀问题，换能器采用抗海洋生物附着技术，保证水声信号接收和发射功能的稳定、可靠。DAU采用升降杆安装方式，便于对附着海生物的清理及对系统的维护，同时可避免水下电缆被外力割断。
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5关键技术研发
5.1低功耗技术
倾角仪在海水中工作，采用电池组供电方式，倾角仪要求在水下连续工作时间达两年。因此，其全部模块设计均须采用低功耗技术，尽量降低电能损耗，延长电池使用时间。在没有收到唤醒信号时，除值班电路外，全系统应处于休眠状态或断电状态。在接收到有效地唤醒信号时，触发休眠的主处理电路工作。主处理器识别信号特征，判断询问信号类型，采集完成相应数据后，打开发射模块电源，控制水下发射机发射调制信号。任务完成后，主处理电路关闭发射模块电源，并进入低功耗休眠状态或断电状态。为节省电源，保障倾角仪在水下长时间工作。安装于系泊锚链上的倾角仪以倾角测量为主，设计具备休眠和唤醒功能，平时倾角仪处于休眠状态，其主要为值班电路功耗和待机功耗，系统采用3000Wh的电池组供电，每6小时采集10分钟数据的条件下，可满足连续工作两年的要求。
5.2 抗海洋防腐蚀及防海洋生物附着技术
附着海洋生物的厚度会对声学换能器的接收与发送性能产生不良影响，附着海生物相对较少，因此倾角仪可以考虑安装在该深度以下，可以减少附着海生物厚度，减小对声学接收与发送的影响，同时减缓腐蚀速度。
倾角仪和DAU在海水里工作，受到海洋环境的腐蚀和海洋生物的附着，因此抗海洋腐蚀，防海生物附着技术对设备的可靠性和使用寿命极为关键，外壳采用牺牲阳极和外涂防海洋生物涂料来解决海洋环境的腐蚀。
5.3 高比能、长寿命电池组技术
锂离子电池也称锂离子蓄电池，是一种可以反复使用的化学电池。锂离子电池需要一定的维护和保养，否则会造成电池寿命的降低及安全性问题。
锂一次性电池是一种高能化学原电池，以金属锂为负极的，固体盐类或溶于有机溶剂的盐类为电解质，金属氧化物或其他固体、液体氧化剂为正极活性物。该类电池的最大突出特点和优势就是贮存寿命长，在满电态下可以长时间贮存，最短5年，最长可达20年，而且其自放电不会对电池造成任何性能和安全性的影响，特别适合于长时间使用且无需维护的场合。
倾角仪用自带电池组为电子部件提供电源，在水下连续工作两年时间，因此电池组需具有高比能、使用寿命长的特点，锂离子电池需每半年进行充电维护，不能满足两年工作的时间要求，而锂一次性电池贮存寿命长，高比能的特点，因此选用锂一次性电池作为电池组，同时可以满足需水下作业，具有重量轻、体积小，便于安装的要求。
5.4 高可靠、抗干扰信标体制设计技术
由于FPSO在浅海工作，浅海的环境噪声较大，声传播信道比较复杂，来自平台上的机械设备施工和周围船只航行带来的噪声干扰，以及信号对海面及平台的反射干扰，并且泊链晃动也会产生一定的噪声，影响系泊链倾角水声测量系统水声传输的性能。基于船位仪成熟技术，采用宽带扩频信标体制核心技术，保障水声通信的可靠性。
6 结束语
通过对FPSO系泊系统的运动受力监测，可以帮助判断FPSO系泊系统的损伤程度，而改进后的监测系统可以实现该系统的良性迭代，可以对海上现场实施长期的检测和数据跟踪，并为后续新项目设计提供良好的建设性意见。
参考文献
[1]李鹏．失效模式研究在单点系泊系统完整性管理体系中的应用［J］． 资源节约与环保，2012，5：116-122．
[2]李鹏，田冠楠，严明．内转塔单点系泊监测系统应用［J］．石油机械，2016，45（5）：58-61．
作者简介：王万旭（1973.06-），男，高级电气工程师，主要从事海上油气田电力系统设计及研究。
论文作者:王万旭1,高阳1,陈建玲1,马金喜1,许晓英1,郭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/14
标签：倾角论文; 锚链论文; 单点论文; 系统论文; 电池组论文; 水下论文; 监测系统论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;