TLP张力腿监测系统应用研究
刘俭飞1 王 晶1 赵 倩2
【摘 要】摘 要：张力腿监测系统主要用于监测张力筋腱的状态、张力，分析平台的质量分配，对于张力腿平台在安装及作业过程中的安全性起着至关重要的作用。为保证张力腿监测系统的可靠性与完整性，对比了张力腿监测设备性能和应用条件，考虑了海洋工程的施工特点和难点，提出了张力腿监测系统设计的基本原则和设计要求,并给出了具体的设计方案。通过项目验证，该系统适于在张力腿平台推广和应用。 【期刊名称】自动化仪表 【年(卷),期】2016(037)005 【总页数】4
【关键词】海洋工程 浮式平台 张力腿平台 监测系统 系泊系统 称重元件 基盘 冗余 涡激振动
0 引言
随着浮式平台技术的快速发展，深海油气资源及边际油田的开发成为可能。张力腿平台(tension leg platform，TLP)是应用最多的浮式生产平台之一。它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力。浮力除了抵消自重之外，剩余部分就称为剩余浮力，这部分剩余浮力与预张力平衡。预张力作用在张力腿平台的垂直张力腿系统上，使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态。张力腿将平台和海底固接在一起，为生产提供一个相对平稳安全的工作环境。这种结构形式使得张力腿平台具有良好的运动性能。若出现应力超限，TLP可能会倾斜甚至倾覆，威胁平台上人员安全和财产安全。目前在役和新建的TLP均要求使用
张力腿监测系统(tendon tension monitoring system，TTMS)，确保平台安全和张力腿系统完整性。
国外的海洋工程张力腿监测相比国内有较成熟的经验。最早的一个海洋结构监测系统是BMT公司在1987年设计的TLP平台监测系统。在我国,目前还没有完整的海洋工程结构健康监测体系，也没有具有张力腿系统及其监测系统生产能力的公司[1-3]。
1 张力腿平台
张力腿平台的结构形式如图1所示。
TLP适用于300～1 600 m(甚至更深)的海域。TLP通过张力腿系统固定在海底的浮式海洋平台，张力腿系统能够保证平台在风、浪、流的作用下保持位置并限制平台的运动。张力腿平台通常由以下主要部分组成[4]。 ①上部生产设施、干式或湿式采油树、钻井模块； ②船体系统、压载系统、下浮体及立柱结构； ③张力腿系统(张力腿、基盘等)； ④立管(钻井和生产管线)。
2 张力腿系统
TLP通过船体浮力使张力筋腱始终处于拉伸状态，通过拉力将TLP限制在允许的运动偏差及合理姿态和吃水范围内,实现平台在设计环境条件下的生产功能需求。张力腿系泊系统需提供足够的刚度，以保证平台的升沉、横摇和纵摇频率远离波浪能量集中频率范围，从而避免谐振响应。张力筋腱内部截面一般设计为中空。张力筋腱尺寸(直径和壁厚)的设计需要考虑减小自身质量，以减轻对平台的荷载，同时方便运输和安装。典型的张力腿系统(tendon tension
system,TTS)示意图如图2所示。
张力腿系统设计的实施重点或关键节点是：
①在设计环境条件下，为TLP平台提供横向约束能力；
②确定张力腿系统的数量、位置和截面尺寸，控制平台的升沉、纵摇和横摇运动；
③分析张力腿系统(主体钢管和连接器)和钢桩，保证系统的强度和疲劳满足要求；
④满足运输、安装、操作和检验不同阶段的需求。
张力腿系统主要包括张力筋腱、上端和下端接头、海底基础、TTMS等。张力腿平台每个立柱(或延伸腿)底部通常安装2根或更多根张力筋腱，总数通常为6～16根。张力筋腱钢管通常为常压，除去顶部和底部连接器外，全长范围可以采用一致或者变化的外径和壁厚。每根张力筋腱由顶部连接段、底部连接段和等长的主体分段(包含耦合连接器)组成。张力筋腱顶部节点将张力筋腱与TLP船体连接节点相连，同时配备张力筋腱监测系统。主体分段贯穿整个水深与底部节点相连，底部节点将张力筋腱与底部基础连接。
3 张力腿监测系统
3.1 系统功能
为确定张力筋腱的受力状态以及平台上部荷载的分布情况,一般进行TLP张力筋腱张力测量。当张力接近0甚至为负,或者超过其张力的许用值时,均表明上部荷载或环境荷载超过了许用值。此外,通过对张力筋膜张力的频谱分析,还可以识别张力筋腱的涡激振动效应(vortex induced vibration,VIV)现象[5-6]。
TTMS通过对张力筋腱的张力、弯曲载荷的监测，提供实时和历史数据查询、
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