FPSO單點系泊鋼纜剩余強度評估方法

FPSO單點系泊鋼纜剩余強度評估方法

于超，鄭曉濤，謝小波，段北辰

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

摘要：針對FPSO系泊系統安全性問題,從服役多年系泊系統鋼纜的剩余強度入手,建立系泊鋼纜的剩余強度評估方法，利用無損檢測儀檢測系泊鋼纜的損傷情況,計算剩余強度。應用水動力軟件和系泊分析軟件計算系泊系統的極限張力，進而得到系泊鋼纜的安全系數，為FPSO生產提供安全保障。

關鍵詞：系泊鋼纜；剩余強度；評估方法；安全系數

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.004

中圖分類號：U661.4；P754

文獻標志碼：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

資助項目：中海油能源發展集團項目(E-J214A021)

研究方向:油田設備科研管理、海洋工程技術

E-mail:yuchao@cnooc.com.cn

浮式生產儲卸油裝置(floating production storage and offloading system，FPSO)是海洋油田采油領域中的一種重要結構設施。在中國南海它通常通過單點系泊系統固定在海上，可在風、浪、流等環境因素作用下，繞系泊浮筒進行自由旋轉，適用范圍廣、應用前景好，可用于各種不同類型的油田，集眾多功能于一體；機動靈活，可重復適用，易于安裝，油田停產后可繼續使用[1]。

FPSO的系泊系統的水下部分一般為組合式系泊錨纜，系泊鋼纜是易損構件，隨著日常使用會發生斷絲、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，過晚更換會增加系泊系統損壞的風險。目前尚未有成熟的系泊鋼纜的評估、報廢標準和方法，因此系泊鋼纜的剩余強度評估的研究十分重要，本文研究FPSO系泊鋼纜的剩余強度評估方法，以期為油田安全生產提供合理化建議。

1系泊鋼纜基本參數

以海洋石油111FPSO系泊鋼纜為例，該系泊系統采用不可解脫內轉塔式系泊系統，系泊鋼纜選用無保護層的螺旋股鋼纜，設計壽命為10年，鋼纜鋼絲總共橫截面積為9 655 mm2。總共由12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構見圖1。

圖1　系泊鋼纜橫截面結構示意

2評估方法

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

當鋼纜出現損傷時，根據損傷程度，需要進行評估范圍的界定。

當損傷程度超過界定值時，進行鋼纜剩余強度評估值。

當剩余強度的減少量超過設計的允許值時，進行系泊系統分析與系泊鋼纜疲勞壽命的分析。

當評估后的系泊張力或疲勞壽命超過設計的允許值時，進行合適的減少張力緩解措施。

通過上述的評估，鋼纜已經不滿足設計使用要求(即不滿足時間安全系數)，鋼纜應該進行棄置更換。具體評估流程見圖2。

圖2　系泊鋼纜剩余強度評估流程

3模型建立，計算極限張力分布

系泊系統系泊張力的大小與FPSO的船體運動緊密相關，而吃水不同船體運動狀況是不同的。吃水太淺船體受風面積太大，船體運動風阻力增大；吃水太深又使船體所受的波浪阻力增大很多，對船舶的運動也不利。因此，利用HydroSTAR軟件建模[3]，分析在不同吃水狀態下的船舶運動情況，計算出載荷傳遞函數，將傳遞函數進一步輸入到Ariane軟件中計算系泊系統的極限張力及其分布。系泊系統在Ariane軟件中的分析模型[4]見圖3。

圖3　Ariane系泊系統分析模型

以南海FPSO111系泊系統為例，考慮不同的裝載狀態下系泊系統受力情況。結果顯示：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。對于系泊系統的每一根鋼纜都需要進行不同裝載條件下系泊張力計算，選取最大的張力點，設為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(例如，斷絲)將產生漏磁場，該漏磁信號被霍爾效應傳感器采集，轉化為電信號輸出，進而執行轉換、處理、記錄、計算等操作。此方法能確定鋼纜中斷絲、內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行無損檢測，檢測目標鋼纜的損傷數據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據進行處理分析，可知其斷絲數量、磨損狀態、鋼纜截面積損失[6]情況。

5剩余強度及安全系數計算方法

5.1系泊鋼纜剩余強度計算方法

將鋼纜的各種損傷認為是截面積的損失，通過剩余截面積來計算系泊鋼纜的剩余強度[7]。

依據API Specification9A(ANNEX F)公式對“鋼纜剩余強度進行估算。

(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度系數。

(2)

其中：f——鋼纜填充系數；

k——鋼纜捻制損失系數。

鋼纜填充系數f為所有鋼絲計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。可表示為：

(3)

式中：A=C·d2,C為鋼纜等效橫截面積系數，

參考文獻系泊鋼纜安全系數計算方法[8]。

系泊系統承受的最大張力所要求的安全系數被定義為系泊錨纜的剩余強度與極值條件下最大張力的比值設為SF。

(4)

海洋石油111系泊鋼纜允許安全系數的規定見表1[9]。

表1　允許安全系數

當系泊鋼纜的安全系數低于設計安全系數時，需要及時更換鋼纜。

6結論

系泊鋼纜剩余強度評估數據的真實性基礎在于系泊鋼纜無損檢測儀的數據準確性，因此在檢測作業時需要選擇適宜的天氣進行作業，保證數據準確、安全[10]。

系泊系統的安全關系到海上FPSO和人員安全，本文討論的評估方法為系泊鋼纜的剩余強度和安全系數評估提供了新的技術方法，該方法將會在未來FPSO系泊鋼損傷纜數據的長期積累中發揮重要的作用，為FPSO作業者提供合理化建議，保證油田的安全生產。

[1] 余建星，王永功，王宏偉.風浪流聯合作用下單點系泊船的受力分析[J].海洋技術,2005，24(3):96-100.

[2] 譚繼文.戰衛俠，田志勇，等.提升鋼絲繩安全檢測與評價[N].遼寧工程技術大學學報, 2002-08-22(4).

[3] 袁洪濤，曾驥，莫建，等.極端海況下深水單點系泊系統 FPSO運動響應分析[N].江蘇科技大學學報：自然科學版,2015-04-29(2).

[4] 劉曉健.FPSO單點系泊系統運動相應分析[D].江蘇:江蘇科技大學,2013.

[5] Recommended practice for design and analysis of Station Keeping systems for floating structure [S]. API RP2 SK.

[6] 譚繼文.基于損傷與張力檢測的鋼絲繩安全性評價[J].煤炭機電,2002(1):17-18.

[7] 劉瑜珩，董海杰，于超.單點系泊系統在役鋼纜安全評價研究探索[J].資源節約與環保,2013(12):49-50.

[8] Wire Rope Integrity Management for Vessels in the Offshore Industry[R]. IMCA SEL 022: IMCA M 194-October 2008.

[9] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南海洋石油工程FPSO與單點系泊系統設計[M].北京：石油工業出版社,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