單點系泊系統(tǒng)使用含有缺陷的鋼纜T-T 疲勞壽命影響研究

王 敦

（深圳市潤渤船舶與石油工程技術有限公司， 廣東 深圳 518067）

引言

南海FPSO 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)系泊腿大多使用系泊鋼纜以減輕對船體的重量，而且由于其具有強度高、撓性好、運動平穩(wěn)、自重輕等優(yōu)點而被廣泛地應用于海上浮式設施單點系泊系統(tǒng)錨腿上。在運營的過程中，F(xiàn)PSO 遭受風、浪、流的環(huán)境載荷，其中以波浪的波頻與低頻力為主導載荷，此時系泊鋼纜將承受著幅值變化的張力，從而產(chǎn)生T-T 疲勞失效現(xiàn)象，而腐蝕磨損等損傷將加速疲勞失效[1]。

目前對鋼纜疲勞性能的研究只限于理論研究，進行鋼纜的疲勞試驗是非常困難且耗時的，因此本文基于組成鋼纜鋼絲疲勞試驗的方法，對組成鋼纜的鋼絲進行疲勞試驗，研究出現(xiàn)腐蝕磨損損傷等缺陷的系泊鋼纜的T-T 疲勞壽命變化以及對系統(tǒng)整體疲勞的影響。

1 系泊鋼纜疲勞壽命計算方法

系泊鋼纜的T-T 疲勞壽命計算分析一般使用T-N 曲線進行動力分析，計算鋼纜在波頻和低頻波浪力下引起的張力統(tǒng)計幅值及年循環(huán)次數(shù)。鋼纜T-N 曲線基于實驗結果繪制，描述的是特定系泊部件恒幅正則化張力范圍與此張力范圍水平下達到疲勞失效經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關系，然后利用Miner定律來計算年疲勞累計損傷率D：

式中：ni為張力范圍i 的年循環(huán)次數(shù)；Ni為適當?shù)腡-N 曲線中給出的正則化張力范圍i 對應的達到疲勞失效經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。用于計算的系泊組件T-N曲線公式為[2]：

式中：N 為循環(huán)次數(shù)；R 為張力幅范圍（雙邊幅值）與參考破斷強度的比值；m 為T-N 疲勞曲線反向坡度系數(shù)；K 為系泊線單元屬性常數(shù)，具體見表1。

表1 T-N 曲線設計參數(shù)

系泊鋼纜在不同平均載荷的T-N 曲線如圖1所示[3]。

圖1 鋼纜T-N 曲線

根據(jù)系泊鋼纜廠家的設計，對于無保護層且內(nèi)部無鋅塊保護的鋼纜，設計壽命為8～10 a，然而依據(jù)規(guī)范鋼纜的T-T 疲勞設計曲線，南海某服役FPSO系泊系統(tǒng)鋼纜設計壽命為幾千年甚至上萬年，因此有必要對鋼纜的實際疲勞性能進行研究。

從圖1 可以看出，采用具有代表性的30%破斷載荷的平均張力進行鋼纜的疲勞試驗需要107～108的循環(huán)次數(shù)，對試驗要求是非常高，而且進行該試驗也是非常困難的[4]。

考慮鋼纜結構是由多根鋼纜單捻而成的，而且鋼纜疲勞評判依據(jù)為外層鋼絲在循環(huán)載荷下發(fā)生斷裂，即鋼纜疲勞破壞，因此鋼絲的疲勞性能可以在一定程度上表征系泊鋼纜的疲勞性能，測定組成鋼纜的不同鋼絲剩余疲勞壽命，可評估腐蝕對試驗鋼纜疲勞壽命的影響[5]。

2 系泊鋼纜疲勞試驗

2.1 基礎數(shù)據(jù)

南海某FPSO 所使用的系泊鋼纜為無保護層的螺旋股鋼纜，設計使用壽命為10 a，破斷載荷為15 800 kN，鋼纜鋼絲總共橫截面積為9 655 mm2?？偣灿?2 層（包括中心）、378 根纜絲組成。由1 根中心鋼絲直徑為6.73 mm、向外依次6+12+18+24+30+36+42+48+53=269 根共9 層鋼絲直徑為5.53 mm、1層直徑6.1 mm 共54 根鋼絲和最外層54 根直徑6.73 mm 的鋼絲組成。所有纜絲都經(jīng)過熱鍍鋅表面處理，根據(jù)ASTM A 856 Class 100 標準要求鍍鋅覆蓋層最小滿足305 g/m2，鋼纜鋼絲的絲間填充物為無定形聚乙烯填塞混合物[6]。

2.2 疲勞試驗

考慮該段試驗鋼纜上的鋼纜絲內(nèi)外層腐蝕磨損情況不同，從組成該鋼纜的鋼絲中選取兩類鋼絲進行疲勞試驗[7]。每類鋼絲制作3 個試驗件，試驗件的尺寸、形貌如表2 所示。

表2 鋼絲試驗件

根據(jù)規(guī)范可知，系泊鋼纜T-N 曲線取0.3 倍破斷載荷的平均張力具有代表性，同時假設組成鋼絲具有鋼纜相同行為的T-N 曲線，因此可以按下列參數(shù)進行疲勞實驗。選取加載的平均載荷為30%的破斷載荷，幅值范圍為20%破斷載荷[8]。根據(jù)圖1 所示，在此平均張力的情況下，完好鋼絲達到理論壽命的循環(huán)次數(shù)約為500 000 次。

因此兩類鋼絲疲勞試驗的選取參數(shù)，如表3 所示。

表3 鋼絲疲勞實驗參數(shù)

各組疲勞試驗載荷水平匯總見表4，各組疲勞試驗結果見表5。所有試驗件均在要求的循環(huán)次數(shù)（500 000 次）范圍內(nèi)斷裂，試驗件斷裂之后直徑減少的很小，在0.1 mm 范圍內(nèi)，斷后長度增加在1～2 mm范圍內(nèi)。第一類試樣平均壽命減少17.28%，第二類試樣減少76.21%[9]。

表4 疲勞試驗載荷水平

表5 疲勞試驗結果

3 結論

1）兩類鋼纜鋼絲試驗件疲勞試驗循環(huán)次數(shù)少于理論最小循環(huán)次數(shù)，第一類疲勞壽命減小17.28%，第二類疲勞壽命減少76.21%。說明內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)使用鋼纜疲勞壽命大大降低；

2）腐蝕磨損大大降低系泊鋼纜的疲勞壽命；

3）對于已出現(xiàn)腐蝕磨損的鋼纜，可以增加防腐措施例如涂防腐油脂，減緩疲勞失效。