FPSO單點(diǎn)系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評估方法

于超，鄭曉濤，謝小波，段北辰

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

摘要：針對FPSO系泊系統(tǒng)安全性問題,從服役多年系泊系統(tǒng)鋼纜的剩余強(qiáng)度入手,建立系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評估方法，利用無損檢測儀檢測系泊鋼纜的損傷情況,計(jì)算剩余強(qiáng)度。應(yīng)用水動力軟件和系泊分析軟件計(jì)算系泊系統(tǒng)的極限張力，進(jìn)而得到系泊鋼纜的安全系數(shù)，為FPSO生產(chǎn)提供安全保障。

關(guān)鍵詞：系泊鋼纜；剩余強(qiáng)度；評估方法；安全系數(shù)

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.004

中圖分類號：U661.4；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0012-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一于超(1986-)，男，碩士，工程師

Abstract:For safety of the FPSO mooring system, taking the mooring line which has serviced for many years in a FPSO as the research object, the residual strength assessment method of mooring lines is set forth. The damage in the mooring line is detected by the NDT instrument in order to calculate the residual strength. The ultimate tension of mooring system is calculated by the hydrodynamic software and mooring analysis software, so that the safety factor of mooring lines can be gotten, which can provide the safety guarantee for the production of FPSO.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：中海油能源發(fā)展集團(tuán)項(xiàng)目(E-J214A021)

研究方向:油田設(shè)備科研管理、海洋工程技術(shù)

E-mail:yuchao@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(floating production storage and offloading system，F(xiàn)PSO)是海洋油田采油領(lǐng)域中的一種重要結(jié)構(gòu)設(shè)施。在中國南海它通常通過單點(diǎn)系泊系統(tǒng)固定在海上，可在風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素作用下，繞系泊浮筒進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，適用范圍廣、應(yīng)用前景好，可用于各種不同類型的油田，集眾多功能于一體；機(jī)動靈活，可重復(fù)適用，易于安裝，油田停產(chǎn)后可繼續(xù)使用[1]。

FPSO的系泊系統(tǒng)的水下部分一般為組合式系泊錨纜，系泊鋼纜是易損構(gòu)件，隨著日常使用會發(fā)生斷絲、磨損、腐蝕、變形等類型的損傷[2]，這些損傷使系泊鋼纜的承載能力大大降低。過早的更換會造成資源浪費(fèi)，過晚更換會增加系泊系統(tǒng)損壞的風(fēng)險。目前尚未有成熟的系泊鋼纜的評估、報廢標(biāo)準(zhǔn)和方法，因此系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評估的研究十分重要，本文研究FPSO系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評估方法，以期為油田安全生產(chǎn)提供合理化建議。

1系泊鋼纜基本參數(shù)

以海洋石油111FPSO系泊鋼纜為例，該系泊系統(tǒng)采用不可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，系泊鋼纜選用無保護(hù)層的螺旋股鋼纜，設(shè)計(jì)壽命為10年，鋼纜鋼絲總共橫截面積為9 655 mm2?？偣灿?2層(包括中心)、378根鋼絲組成。單根鋼纜的最小破斷載荷為15 800 kN，10年后的破斷載荷為15 600 kN，系泊鋼纜的橫截面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　系泊鋼纜橫截面結(jié)構(gòu)示意

2評估方法

系泊鋼纜的安全系數(shù)是隨著系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度狀況和受力狀況變化的動態(tài)量，安全系數(shù)的評估也就是對鋼纜所處每個階段的剩余強(qiáng)度和極限張力值進(jìn)行分析確定。

當(dāng)鋼纜出現(xiàn)損傷時，根據(jù)損傷程度，需要進(jìn)行評估范圍的界定。

當(dāng)損傷程度超過界定值時，進(jìn)行鋼纜剩余強(qiáng)度評估值。

當(dāng)剩余強(qiáng)度的減少量超過設(shè)計(jì)的允許值時，進(jìn)行系泊系統(tǒng)分析與系泊鋼纜疲勞壽命的分析。

當(dāng)評估后的系泊張力或疲勞壽命超過設(shè)計(jì)的允許值時，進(jìn)行合適的減少張力緩解措施。

通過上述的評估，鋼纜已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)使用要求(即不滿足時間安全系數(shù))，鋼纜應(yīng)該進(jìn)行棄置更換。具體評估流程見圖2。

圖2　系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評估流程

3模型建立，計(jì)算極限張力分布

系泊系統(tǒng)系泊張力的大小與FPSO的船體運(yùn)動緊密相關(guān)，而吃水不同船體運(yùn)動狀況是不同的。吃水太淺船體受風(fēng)面積太大，船體運(yùn)動風(fēng)阻力增大；吃水太深又使船體所受的波浪阻力增大很多，對船舶的運(yùn)動也不利。因此，利用HydroSTAR軟件建模[3]，分析在不同吃水狀態(tài)下的船舶運(yùn)動情況，計(jì)算出載荷傳遞函數(shù)，將傳遞函數(shù)進(jìn)一步輸入到Ariane軟件中計(jì)算系泊系統(tǒng)的極限張力及其分布。系泊系統(tǒng)在Ariane軟件中的分析模型[4]見圖3。

圖3　Ariane系泊系統(tǒng)分析模型

以南海FPSO111系泊系統(tǒng)為例，考慮不同的裝載狀態(tài)下系泊系統(tǒng)受力情況。結(jié)果顯示：在不同吃水下，系泊力的變化見圖4。

圖4　各種裝載狀態(tài)下系泊張力變化

由圖4可知，在不同吃水深度條件下FPSO所受的張力極限值是不同的。對于系泊系統(tǒng)的每一根鋼纜都需要進(jìn)行不同裝載條件下系泊張力計(jì)算，選取最大的張力點(diǎn)，設(shè)為Tmax。

4系泊鋼纜的缺陷檢測

4.1檢測裝置

采用水下無損檢測設(shè)備——系泊鋼纜無損檢測儀檢測系泊鋼纜的損傷。檢測儀磁化裝置采用永磁磁化，它是由高磁能積永磁體提供高磁通，通過勵磁器(傳感器頭)磁化一段鋼纜，鋼纜中的不連續(xù)(例如，斷絲)將產(chǎn)生漏磁場，該漏磁信號被霍爾效應(yīng)傳感器采集，轉(zhuǎn)化為電信號輸出，進(jìn)而執(zhí)行轉(zhuǎn)換、處理、記錄、計(jì)算等操作。此方法能確定鋼纜中斷絲、內(nèi)腐蝕和磨損等缺陷是否存在。

4.2檢測方法

系泊鋼纜在役檢測需要采用工程支持船作為依托，將水下機(jī)器人ROV和檢測儀連接在一起，由ROV操作人員攜帶檢測儀下水進(jìn)行無損檢測，檢測目標(biāo)鋼纜的損傷數(shù)據(jù)存儲在檢測儀的存儲器中[5]。

將檢測到的系泊鋼纜損傷信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可知其斷絲數(shù)量、磨損狀態(tài)、鋼纜截面積損失[6]情況。

5剩余強(qiáng)度及安全系數(shù)計(jì)算方法

5.1系泊鋼纜剩余強(qiáng)度計(jì)算方法

將鋼纜的各種損傷認(rèn)為是截面積的損失，通過剩余截面積來計(jì)算系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度[7]。

依據(jù)API Specification9A(ANNEX F)公式對“鋼纜剩余強(qiáng)度進(jìn)行估算。

(1)

式中：Fmin——最小破斷載荷，kN；

d——鋼纜的公稱直徑，mm；

Rr——鋼纜的等級，N/mm2；

K——給定等級的鋼纜最小破斷強(qiáng)度系數(shù)。

(2)

其中：f——鋼纜填充系數(shù)；

k——鋼纜捻制損失系數(shù)。

鋼纜填充系數(shù)f為所有鋼絲計(jì)算金屬橫截面積總和A與以鋼纜公稱直徑d為圓的橫截面積Au的比值?？杀硎緸椋?/p>

(3)

式中：A=C·d2,C為鋼纜等效橫截面積系數(shù)，

參考文獻(xiàn)系泊鋼纜安全系數(shù)計(jì)算方法[8]。

系泊系統(tǒng)承受的最大張力所要求的安全系數(shù)被定義為系泊錨纜的剩余強(qiáng)度與極值條件下最大張力的比值設(shè)為SF。

(4)

海洋石油111系泊鋼纜允許安全系數(shù)的規(guī)定見表1[9]。

表1　允許安全系數(shù)

當(dāng)系泊鋼纜的安全系數(shù)低于設(shè)計(jì)安全系數(shù)時，需要及時更換鋼纜。

6結(jié)論

系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評估數(shù)據(jù)的真實(shí)性基礎(chǔ)在于系泊鋼纜無損檢測儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，因此在檢測作業(yè)時需要選擇適宜的天氣進(jìn)行作業(yè)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安全[10]。

系泊系統(tǒng)的安全關(guān)系到海上FPSO和人員安全，本文討論的評估方法為系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度和安全系數(shù)評估提供了新的技術(shù)方法，該方法將會在未來FPSO系泊鋼損傷纜數(shù)據(jù)的長期積累中發(fā)揮重要的作用，為FPSO作業(yè)者提供合理化建議，保證油田的安全生產(chǎn)。

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[9] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2008.

[10] Specification for Wire Rope[S]. API Spec 9A.

Research of Residual Strength Assessment for

FPSO Single Point Mooring Lines

YU Chao, ZHENG Xiao-tao, XIE Xiao-bo, DUAN Bei-chen

(CNOOC Oil Production Service Co. Ltd., Tianjin 300457, China)

Key words: mooring line; residual strength; assessment method; safety factor