LBL声学定位技术在深水膨胀弯测量中的应用

LBL声学定位技术在深水膨胀弯测量中的应用
戚蒿;李一凡;邓冠华
【摘要】针对深海油气田由于饱和潜水员的下潜深度通常在300 m以内,无法依靠潜水员完成海底管线膨胀弯和跨接管的测量的问题,介绍长基线水下定位技术,利用该技术,南海某气田项目成功测量和安装了多条膨胀弯和跨接管.%The mooring monitoring data of each FPSO is different in various aspects.The configuration of existing mooring monitoring system of FPSO was investigated to summarize a simple method of sending back the mooring monitoring data to a moor-ing monitoring database without any drastic changes.
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2017(046)005
【总页数】4页(P164-166,174)
【关键词】深水;长基线;声学定位;膨胀弯;精确测量
【作者】戚蒿;李一凡;邓冠华
【作者单位】中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,广东湛江524057;中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057;中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,广东湛江524057
【正文语种】中文
【中图分类】P754
膨胀弯和跨接管主要由弯头、直管段、法兰三部分组成，是整个海管系统的重要组成部分，用于吸收海底管线因热胀冷缩而产生的应力和应变。

膨胀弯和跨接管的水下精确测量、陆地准确预制和水下法兰对接安装质量是清管试压顺利进行的基础[1]。

然而，对于300 m以深的海上油气田来说，采用传统的饱和潜水员外加法兰测量仪的方式已经无法得到预制膨胀弯和跨接管所需的数据，同时，由于海上施工船队日费率极高，如何在最短的时间内完成2个对接法兰之间相对空间位置和方
位角的精确测量就显得非常关键[2]。

声学定位系统是目前水下导航和定位的主要
手段，根据声学定位系统定位基线的长度可以分为3种：长基线定位系统(LBL)、
短基线定位系统(SBL)和超短基线定位系统(USBL)，其中短基线及超短基线定位的精度会随着深度的增加而降低，长基线定位系统由于其基线长度是与水深相比拟的定位系统，定位原理可理解为通过时间测量得到距离而从解算目标位置的定位系统[3]，因而其定位精度与水深无关，因此被广泛应用于深海作业中的很多领域[4]。

长基线定位系统主要由导航控制单元、海底基阵(信标)、问答传感器和应答器等组成[5]，并与高精度差分系统、综合导航系统和水下机器人等进行配合工作。

其中，导航控制单元用于传输控制信号并实时对接收到的信息进行处理；海底基阵需预先布置在海底，是坐标推算的基点；问答传感器发送控制单元的命令并接收信息的反馈；应答器对问答传感器发送的命令作出响应[6]。

长基线定位系统需要在海底布设3个以上的基点，以一定的几何图形组成的海底
定位基阵，通过基阵校准来确定基阵的几何形状及海底基阵各个基点的绝对坐标，被测目标一般位于基阵之内，然后通过测量目标物和基点之间的相对位置，进而来确定目标物的位置[7-8]。

长基线定位系统的测量精度主要由测距误差和位置误差引起。

对于测距误差，一是由系统测时误差引起，属于硬件系统误差无法消除，此外就是多路径效应对时间的影响；二是声速引起的误差，因其受海水的盐度、温度和密度的影响，不同时刻这
些参数都是不同的，因此要提到精度就要定期使用声速剖面仪测量声速。

对于位置误差，实践表明，其相对定位精度可以控制在5 cm以内，即间距误差在10 cm
以内，较传统的法兰测量仪测量间距误差20 cm有较大改善。

南海某气田项目所在海域水深接近100 m，需安装4条膨胀弯和3条跨接管，本
文以其中1条8 in海管直管段法兰与水下管汇橇PLET法兰之间的膨胀弯为例，
采用基于长基线水下定位和测量系统对2个法兰之间的距离、方位角、竖向倾角
和高差等进行测量。

由于应答器的数量越多，目标跟踪解算的速度越快，精度越高，因此本项目在水下设计布设5个应答器。

需要注意的是，基阵的布设要完全包围目标物所在区域，
同时，要保证所有应答器之间可以相互通讯，基线长度大致相等。

作业前将5个
智能信标安装在特制的架子上，将其布置在海底设计位置，见图1。

考虑水流影响，在吊机钢缆头上安装超短基线USBL信标来实时跟踪信标架子的位置。

在完成海管直管段的铺设和水下管汇橇PLET的水下安装后，为了精确测量出2个法兰之间的相对空间位置和方位角，利用水下机器人ROV在海管和PLET法兰上
分别安装和固定一个智能信标固定支架，见图2。

由于LBL水声定位系统具有传感器搭载功能[9]，因此在每个智能信标都加载上艏向、姿态、深度和声速感器等。

信标底座需使用牛眼水平仪保证底座水平。

同时，需提前精确测量出支架以及支架与法兰之间的相互位置尺寸。

为了给目标物进行定位作业，在布设完成海底基阵信标后通常利用Sonardyne Fusion软件对其进行校准，通常分3个步骤[10]：基线校准、位置校准和综合解算。

基线校准和位置校准，即确定信标之间的相对位置和在大地坐标中的绝对位置。

相对位置的校准是采集阵列中的所有基线长度，应用数学模型的条件方程法，并对其进行平差解算。

绝对位置的校准是利用DGPS水面定位系统将大地坐标传递到
水下基阵，决定基阵的绝对位置，采用的数学模型为坐标变动法。

结合位置校准和
基线校准的结果，应用的数学模型为坐标变动法进行综合解算[11]，最终解算出各海底基阵信标的绝对位置[12]。

为了能够精确预制膨胀弯，利用长基线声学测量系统测量海管端和PLET端2个法兰面的高差、斜距、姿态以及2个法兰距离海底的深度等参数，如图3所示，这些数据需要反复多次精测，若有一次误差超过一定范围都需要重新测量。

根据各个信标之间的相对关系，结合固定支架分别与法兰之间的距离，可以精确得到单个法兰的姿态，2个法兰之间的方位角、高差、水平距离、斜距等参数，测得的数据如表1和图4所示。

根据膨胀弯的测量数量，对膨胀弯的路由和走向进行设计。

为了实现膨胀弯的精确预制，除了降低长基线水下测量的误差外，还需要从以下几个方面进行产品的质量监控。

1)材料方面：提高膨胀弯弯头、法兰的制造精度。

2)焊接方面：严格控制膨胀弯各个焊口的焊接精度。

膨胀弯预制完成之后，利用吊索具将其下放入水，见图5。

在ROV的辅助下控制膨胀弯在水中的姿态，将其放置在海管和PLET之间，待其法兰面位置合适后，由潜水员完成法兰螺栓和密封钢圈的安装作业，最后利用法兰螺栓液压拉伸器，分步对螺栓进行均匀加力直至达到设计扭矩值。

在南海某气田项目所在浅水区域采用长基线声学定位及其搭载的传感器系统安装膨胀弯是一次大胆的创新与尝试。

利用该项技术测得海管直管段和水下管汇橇法兰之间的相对空间位置和方位角等数据，通过对8 in膨胀弯的精确预制并实现该段膨胀弯水下顺利安装，最终海管一次性试压合格。

为了更好地发挥长基线定位技术在深水膨胀弯和跨接管测量和安装中的作用，结合本项目在实践当中的技术摸索和应用经验，建议在今后的工作中重点关注以下几点。

1)与传统潜水员采用法兰测量仪进行水下测量相比，虽然长基线定位技术克服了水
深的限制，测量精度也更高，但其测量精度同样受到测距误差、位置误差等多种因素的影响和制约，如何减小误差是重点。

2)为了获得更准确的膨胀弯预制数据，海管和水下结构物法兰侧智能信标固定支架的设计和相对位置的测量精度尤为关键。

3)由于存在多种基阵信标校准数学模型，建议选择不同校准数学模型进行对比分析，从而选择最优的校准方法。

【相关文献】
[1] 马超.膨胀弯精确预制的探讨[J].中国造船，2008(2):305-309.
[2] 朱绍华,魏行超,刘勃.使用法兰测量仪进行海底管线膨胀弯测量技术研究与应用[J].中国海上油气，2008(5):342-344.
[3] 孙微,王方勇,乔钢,等.基于长基线水声定位系统误差分析以及定位精度研究[J].声学与电子工程，2016(2):14-24.
[4] 高国青,叶湘滨,乔纯捷,等.水下声学定位系统原理与误差分析[J].四川兵工学报,2010(6):95-97，108.
[5] 狄冰,高辉,徐亚国.长基线定位系统在海洋油气开发中的应用[J].北京石油化工学院学
报,2015(4):35-39.
[6] 吴永亭,周兴华,杨龙.水下声学定位系统及应用[J].海洋测绘,2003(4):18-21.
[7] 张建喜.基于长基线定位系统的水声定位技术研究[D].南昌:东华理工大学,2012.
[8] 杨方琼,谭青,彭高明.基于长基线系统深海采矿ROV精确定位[J].海洋工程,2006(3):95-99.
[9] 宁津生,吴永亭,孙大军.长基线水声定位系统发展现状及其应用[J].海洋测绘,2014(1):72-75.
[10] 那丽丽.长基线水下定位导航系统显控软件的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.
[11] 付进.长基线定位信号处理若干关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.
[12] 刘俊.长基线水下导航定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.。