魏加旺

應(yīng)用研究

FPSO MODA立管監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏加旺

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

MODA立管監(jiān)控系統(tǒng)是一種適用于多點(diǎn)系泊FPSO（浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置）上撓性立管的完整性監(jiān)控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)光學(xué)傳感器來監(jiān)測撓性立管防護(hù)層金屬線的變形和應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測斷裂或損壞的立管的目的。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各部件的技術(shù)要求及特性，給出了具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和選用原則，清晰劃分了在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中的責(zé)任界面及安裝完畢后的調(diào)試要求，為類似設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

立管監(jiān)測 MODA 光纖布拉格光柵 多點(diǎn)系泊FPSO

0 引言

FPSO是浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置的簡稱，是海洋石油開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)施，通常與海底采油系統(tǒng)組成一個(gè)完整的采油、原油處理、儲油和卸油系統(tǒng)，而撓性立管則是浮式油氣開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，起到FPSO和海底設(shè)備連接的作用。其安全方面具有明顯的不確定性和獨(dú)特的挑戰(zhàn)性，一旦出現(xiàn)故障將危及整個(gè)采油系統(tǒng)的安全，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染事故。MODA立管監(jiān)控系統(tǒng)是適用于多點(diǎn)系泊FPSO上撓性立管的完整性監(jiān)控的系統(tǒng)，MODA為葡萄牙文首字母的縮寫，全稱為：Monitoramento óptico Direto no Arame (英文翻譯為：Optical Monitoring Directly on the Wire)。該系統(tǒng)的框架布局與FPSO的上部模塊上用于該系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的布置密切相關(guān)，本文將重點(diǎn)闡述系統(tǒng)的配置功能特性，并對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置及調(diào)試等方面進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1 系統(tǒng)組成

MODA立管監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱“MODA系統(tǒng)”）主要由FBG傳感器、立管光纖、立管光纖接線盒、機(jī)柜光纖以及MODA機(jī)柜等五個(gè)主要部分組成，承擔(dān)著數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、處理及分析的功能。該系統(tǒng)可以通過監(jiān)測撓性立管斷裂金屬線的變形/張力狀態(tài)和鄰近斷裂金屬線的過載狀態(tài)的松弛相關(guān)的永久變化來識別立管防護(hù)層金屬線狀態(tài)的變化。此外，MODA系統(tǒng)還可以通過動(dòng)態(tài)分析金屬線中的負(fù)荷變化來識別斷裂事件。雖然更復(fù)雜，但這種類型的分析可以通過檢測立管外部抗拉金屬層中傳播的瞬態(tài)擾動(dòng)來表明立管內(nèi)部金屬層破裂的發(fā)生，從而識別斷裂或損壞的立管。

1.1 FBG 傳感器 ( Fiber Bragg Grating Sensor)

FBG傳感器為MODA系統(tǒng)的重要部件，它的工作方式將記錄FBG傳感器波長的絕對值，同時(shí)允許根據(jù)要執(zhí)行分析的類型或要顯示給用戶的信息的類型來更新和改變初始安裝參考值。FBG傳感器有以下主要功能特點(diǎn)：

它是一個(gè)無源系統(tǒng)，因?yàn)樗褂玫墓鈱W(xué)傳感器只使用光不需要其他輔助能源，傳感器、光纖和光纜沒有金屬組件，每根光纖可監(jiān)控多達(dá)30個(gè)傳感器，并容許光學(xué)探詢設(shè)備安裝在一個(gè)較遠(yuǎn)距離的位置。

FBG傳感器安裝在撓性立管頂端部件（Top End Fitting[1]）的觀察孔內(nèi)，使用粘合劑安裝在外部金屬線的表面上，并通過內(nèi)部的光纖連接到撓性立管頂端部件肩部的潛水干式光纖連接器上，如圖1和2所示。

圖1 FBG傳感器安裝位置

1.2 立管光纖 (Riser Optical Cable）

立管光纖為一根10米長的PBOF（Pressure Balanced Oil-Filled）型8芯單模光纖。一端安裝有海底干式光纖連接器（公接頭，與安裝在Top End Fitting上的連接器相匹配），另一端采用未端接的尾纖，在末端裝有一個(gè)JIC 37°3/4”tube管母接頭。此尾纖（如圖 3和4所示）將熔接到立管平臺上的立管光纖接線盒內(nèi)。

立管光纖的特性：8芯單模光纖（ITU-T G.652[2]或ITU-T G.654[3]）；防水阻燃（100% LSZH）；標(biāo)稱外徑：約30 mm；最小彎曲半徑：150 mm。

1.3 立管光纖接線盒 (Riser Balcony JB）

立管光纖接線盒是立管光纖和機(jī)柜光纖之間的接口，安裝位置一般布置在上立管平臺上方便維護(hù)的位置，如圖 5所示。

圖2 FBG傳感器與光纖熔接示意圖

圖3 立管光纖示意圖

圖4 未端接的立管光纖圖片

光纖接線盒及其附件應(yīng)滿足危險(xiǎn)區(qū)域（Zone1-Exe）的要求，防護(hù)等級至少為IP66，光纖接線盒材質(zhì)為不銹鋼AISI 316L。接線盒內(nèi)應(yīng)配有足夠的熔纖盒（splice tray）用于光纖連接。

光纖接線盒底部應(yīng)設(shè)計(jì)成可拆的填料函板（至少3個(gè)進(jìn)線口：2個(gè)為立管光纖接口，1個(gè)為機(jī)柜光纖電纜接口。如圖6所示。），接線盒上應(yīng)配備連接機(jī)柜光纖的電纜填料函或臨時(shí)盲堵。

對于每根連接到相應(yīng)光纖接線盒的立管光纖，根據(jù)系統(tǒng)布局，光纖接線盒應(yīng)配有2個(gè)3/4”的37° flare tube管公接頭（37o JIC size 12）（參考：SS-1210-6- 12AN)。由于立管光纖只能在海上安裝，因此每個(gè)公接頭應(yīng)使用匹配的母金屬帽進(jìn)行保護(hù)。

1.4 機(jī)柜光纖 (Cabinet Optical Cable）

機(jī)柜光纖的技術(shù)要求為：緊套式標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 (ITU-T G.652[2]or ITU-T G.654[3])，分支結(jié)構(gòu)（breakout construction），阻水型（Water blocked），低煙無鹵阻燃，鍍鋅鋼絲編織鎧裝，橙色外護(hù)套，如圖7所示。光纖芯數(shù)通常為8 芯或16芯, 根據(jù)系統(tǒng)圖最終確定。

圖5 立管與接線盒之間光纖連接示意圖

圖6 立管接線盒典型圖

當(dāng)在立管光纖接線盒上安裝機(jī)柜光纖時(shí)，需在光纖接線盒內(nèi)至少預(yù)留2米長的電纜。預(yù)留的長度應(yīng)允許沒有機(jī)械應(yīng)力的情況下進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜劢樱ㄟ^其內(nèi)部的盤圈來消除。如果在海上作業(yè)過程中光纖電纜損壞接頭，預(yù)留長度也允許將來返工。

機(jī)柜光纖安裝后，應(yīng)測試光纖的連續(xù)性/衰減損耗，不接受纖維斷裂或過度衰減的光纖，不滿足要求的需更換。

圖7 機(jī)柜光纖電纜結(jié)構(gòu)圖

1.5 MODA機(jī)柜 (MODA Cabinet）

MODA機(jī)柜上配有FBG探詢器，服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，KVM控制臺以及光纖配線架等，如圖8所示。機(jī)柜通常為19英寸機(jī)架式機(jī)柜，應(yīng)安裝在溫度控制在24℃的安全區(qū)域，每個(gè)MODA機(jī)柜應(yīng)通過兩根CAT 6電纜連接到油公司的局域網(wǎng)機(jī)柜。如果電纜長度超過90米，則應(yīng)根據(jù)ANSI/EIA/TIA 568-B3采用光纖電纜連接，在這種情況下，應(yīng)提供光纖/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。

每個(gè)機(jī)柜均應(yīng)提供的UPS供電，并設(shè)計(jì)為在失電時(shí)至少為所有設(shè)備供電30分鐘，同時(shí)每個(gè)機(jī)柜的功率應(yīng)限制在3 kW。每個(gè)MODA機(jī)柜至少應(yīng)包含以下組件：

(x1) 雙極斷路器；

(x1) 雙極浪涌保護(hù)器；

(x1) 帶有開門開關(guān)的前后照明燈；

(x1) 機(jī)架安裝式帶10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插座的電源插排；

36端口光纖配線架，可以連接機(jī)柜的所有光纖；

(x1) FBG 傳感器陣列；

(x1) 24端口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；

(x1) KVM連接到同一機(jī)柜內(nèi)的所有服務(wù)器/探詢器；

光纖跳線(SC/APC或LC/APC接頭），將所有光纖從光纖配線架連接到FBG探詢器；

(x12) 10m 備用光纖跳線；

(x1) UPS；

(x1) 機(jī)架安裝抽屜。

圖8 MODA機(jī)柜示意圖

FBG探詢器是MODA機(jī)柜上最重要部件，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，其主要作用為收集傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)并通過服務(wù)器進(jìn)行處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨渡?，至少要滿足以下功能要求：

每個(gè)通道同時(shí)掃描波長激光掃描頻率不低于125 Hz，波長范圍在1 510 nm到1 590 nm或更寬，波長掃描范圍80 nm或更寬，每個(gè)探詢器為16個(gè)光通道，波長精度2 pm或更好，波長重復(fù)性1 pm或更好，峰值動(dòng)態(tài)范圍21 db或更好，全譜測量并具備峰值檢測功能，SC/APC or LC/APC 光纖連接器，以太網(wǎng)接口，配有傳感分析軟件。

FBG探詢器是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-28[4]定義的本質(zhì)安全型光輻射傳輸設(shè)備（Ex op is T4 Ga），所以探詢器應(yīng)在安全區(qū)域內(nèi)安裝和操作，但系統(tǒng)的無源組件（光纖、熔接、立管接線盒、光連接器和FBG傳感器）可以在0，1或2區(qū)環(huán)境中安裝和操作。由于FBG探詢器的距離范圍容量在幾千米以內(nèi)，因此對MODA系統(tǒng)的光纖路徑?jīng)]有嚴(yán)格的限制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

MODA系統(tǒng)通常有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是每1個(gè)立管對應(yīng)1個(gè)立管光纖接線盒和1根8芯機(jī)柜光纖；另一種每2個(gè)立管對應(yīng)1個(gè)立管光纖接線盒和1根16芯機(jī)柜光纖，如圖9所示。

每個(gè)立管提供至少1個(gè)光纖接線盒，如果連接接線盒與立管的光纖長度不超過8米，則可以2個(gè)撓性立管提供1個(gè)光纖接線盒，每個(gè)接線盒不允許超過2個(gè)立管的連接。即為兩種設(shè)計(jì)方案的選用原則。光纖接線盒和MODA機(jī)柜之間也不允許中間拼接。

MODA機(jī)柜的數(shù)量可能會(huì)隨著要連接到FPSO上的撓性立管的數(shù)量而變化，每個(gè)機(jī)柜最多允許容納12個(gè)立管。每組最多3個(gè)撓性立管應(yīng)提供1套FBG探詢器，每組4個(gè)FBG探詢器應(yīng)提供一臺Server（包括所有附件，如：光纖跳線、電源線、PSU等），例如某FPSO撓性立管數(shù)量為31個(gè)，則至少需要配備3個(gè)MODA機(jī)柜。當(dāng)需要提供一個(gè)以上的MODA機(jī)柜時(shí)，機(jī)柜應(yīng)并排安裝，側(cè)面或底部進(jìn)線，并且機(jī)柜之間應(yīng)提供至少6根CAT6的備用網(wǎng)線進(jìn)行互聯(lián)。

圖9 MODA系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)計(jì)界面劃分

MODA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、采購及安裝應(yīng)按照項(xiàng)目規(guī)格書的要求進(jìn)行，MODA FBG傳感器一般由立管承包商設(shè)計(jì)、采購并安裝，立管和光纖接線盒之間的立管光纖一般由立管承包商設(shè)計(jì)并采購，其連接一般為油公司或MODA操作者的范圍，用于固定光纖的電纜托架、機(jī)柜光纖及MODA機(jī)柜為FPSO承包商的范圍，通常的設(shè)計(jì)界面劃分如表1所示。

表1 MODA系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面劃分表

4 調(diào)試要求

調(diào)試應(yīng)旨在驗(yàn)證組件之間的接口和整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所有機(jī)械、電氣、儀器儀表和自動(dòng)化接口均應(yīng)進(jìn)行功能測試。所有系統(tǒng)運(yùn)行模式（及其組合，當(dāng)涉及多個(gè)部件時(shí)）都應(yīng)進(jìn)行測試，以確保適當(dāng)?shù)拈L期、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)集成測試應(yīng)與系統(tǒng)的實(shí)際組件一起進(jìn)行。

在FPSO上安裝MODA設(shè)備和相關(guān)材料之前，應(yīng)完成試驗(yàn)程序，包括：

MODA機(jī)柜設(shè)備和附件測試程序，特別是FBG探詢器；

光纜測試程序（包括OTDRs和FBG傳感器陣列）。

注：建議使用光纖測深儀（OTDR）檢查MODA傳感器操作的光纖通道完整性（光纖連接器/電纜/光纖熔接）。檢查完整性的典型測量是光纖的插入損耗（OIL）優(yōu)于或等于1.5dB@1550 nm和光纖的回波損耗（ORL）優(yōu)于或等于-50 dB@1550 nm。

在系統(tǒng)安裝完畢后，還需要進(jìn)行驗(yàn)收測試，并至少證明滿足如下要求：

每個(gè)MODA機(jī)柜中的布線和電源；與MODA系統(tǒng)相關(guān)的所有網(wǎng)絡(luò)電纜的認(rèn)證；設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的連通性測試；所有光纖的OTDR測試；對系統(tǒng)進(jìn)行全面測試(船廠范圍），使FBG傳感器陣列連接到每個(gè)熔接盒上的每根光纖；UPS放電測試（如適用）。

5 結(jié)語

MODA立管監(jiān)測系統(tǒng)是保障FPSO上撓性立管及其附屬系統(tǒng)在位安全的重要方法和措施，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性對海洋石油的安全開采起著非常重要的作用。本文對MODA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成、功能特性和設(shè)計(jì)方案，并歸納總結(jié)了調(diào)試相關(guān)的技術(shù)要求。為類似FPSO上撓性立管監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒與支持。

[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] 胡知輝，段夢蘭，曹靜，等，深水立管監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[A]. 第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(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，工程師。研究方向：船舶與海洋工程電力、自動(dòng)化及通訊設(shè)計(jì)。E-mail：wei.jiawang@coscoshipping.com