國產(chǎn)聚酯纜性能評估及其在陵水17-2氣田“深海一號”能源站的適用性研究*

蔡元浪 張廣磊 楊小龍 李俊汲 趙晶瑞

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

聚酯纜是深水半潛式生產(chǎn)平臺系泊系統(tǒng)的常規(guī)材料，通常由具有黏彈性的材料制成，具有強度高、質(zhì)量輕和疲勞好等優(yōu)良特征[1-2]。聚酯纜系泊系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)尤其是巴西及墨西哥灣海域得到廣泛應用[3-4]，越來越多的深水浮式結(jié)構(gòu)采用此形式的系泊系統(tǒng)進行定位，淺水平臺中(水深小于300 m)采用張緊式系泊的平臺僅占總數(shù)的21%；當進入中等深度水域后(水深大于300 m而小于1 500 m),該比例增至40%；而當進入超深水后(水深大于1 500 m)，則有85%的平臺采用張緊式系泊。目前中國國內(nèi)聚酯纜在深水海洋石油工程的應用尚處于研究階段，雖然纜繩規(guī)格、破斷載荷已接近國際主流纜繩參數(shù)水平，但未對聚酯纜在深水油氣浮式平臺上的實際應用開展深入的研究[2]。由于深水聚酯纜的采辦周期長、總價高及被少數(shù)公司壟斷等因素，聚酯纜系泊系統(tǒng)成為制約中國深水油氣開發(fā)“卡脖子”問題的關鍵設備之一。

本文通過開展國產(chǎn)聚酯纜和進口纜在材料性能、破斷載荷、剛度、疲勞和防沙性能等方面的對比，以南海陵水17-2半潛生產(chǎn)平臺——“深海一號”能源站系泊系統(tǒng)為例，開展了國產(chǎn)聚酯纜在南海深水半潛式生產(chǎn)平臺的可行性分析，以期為國產(chǎn)聚酯纜在南海深水平臺系泊系統(tǒng)的進一步應用奠定基礎。

1 國產(chǎn)聚酯纜材料絲特性

國產(chǎn)聚酯纜材料絲的材質(zhì)、組成數(shù)量和機械性能滿足美國船級社規(guī)范[5]要求并取得了相應認證，與進口聚酯纜材料絲的特性對比見表1。可以看出，國產(chǎn)聚酯纜材料線密度、破斷載荷等方面性能方面強于進口聚酯纜，在韌度和伸長率方面接近進口聚酯纜。

表1 聚酯纜材料絲特性Table 1 Material characteristics of polyester rope

2 國產(chǎn)與進口聚酯纜性能對比

聚酯纜性能主要通過插頭質(zhì)量試驗、防沙試驗、子繩剛度試驗和最小破斷載荷試驗等進行測試，所有試驗內(nèi)容及其評估標準均根據(jù)美國船級社規(guī)范[6]開展。

1) 插頭質(zhì)量。

聚酯纜插頭為人工編制，是纜繩強度和質(zhì)量最關鍵的位置之一。插頭質(zhì)量評估試驗的目的是通過不同載荷的循環(huán)疲勞檢驗，考察插頭的穩(wěn)定性和質(zhì)量[5]。試驗結(jié)果表明，對于最嚴格的17 000次循環(huán)疲勞試驗，在10%～50%的最小破斷載荷(minimum break strength，MBS)下，國產(chǎn)聚酯纜插頭的破斷載荷為23 476 kN，大于纜繩設計的最小破斷載荷21 437 kN，符合質(zhì)量標準要求。

2) 纜繩防沙能力。

纜繩防沙能力是指聚酯纜繩外部4～6層防沙層能夠達到的防沙效果。通常情況下，纜繩防沙試驗包括室內(nèi)模擬和實際海域試驗2種，實際海域試驗周期長、成本高，因而本次防沙試驗只采用了室內(nèi)模擬的形式開展[6]。試驗樣品為長度1.2 m的整繩，兩端進行隔水包扎處理；試驗泥沙為實際預鋪海域泥沙。試驗時將纜繩在壓力容器內(nèi)浸泡1 h后，加壓至10 MPa并將該壓力保持20 h，期間壓力容器保持每分鐘旋轉(zhuǎn)1周，取6個2～3 cm的纜繩段進行電子顯微鏡掃描，結(jié)果顯示所附沙子顆粒尺寸小于5 μm，符合質(zhì)量標準要求。

3) 最小破斷載荷性能。

最小破斷載荷試驗是為了檢驗纜繩的破斷載荷是否滿足設計最小破斷要求[7](21 437 kN)。試驗使用5根整繩并提前在水中浸泡24 h以上后，放入拉力測試機，按照美國船級社規(guī)范[5]要求的步驟進行測試，最終完成整繩破斷并記錄破斷時的載荷，結(jié)果見表2。可以看出，國產(chǎn)聚酯纜除樣品1外，其余6個樣品的破斷載荷均超過了最小破斷載荷，符合質(zhì)量標準要求。國產(chǎn)聚酯纜樣品1的最小破斷載荷未達到設計要求，是由于試驗中纜繩末端連接試驗機器的位置沒有進行充分噴水降溫而造成的。

表2 聚酯纜最小破斷載荷實驗結(jié)果Table 2 Minimum break strength test result of polyester rope

4) 子繩伸長性能。

子繩伸長性能反映給定預張力條件下聚酯纜安裝前后長度的變化，通常以伸長率，即纜繩原長度與安裝后長度之比表示，試驗結(jié)果見表3。可以看出，國產(chǎn)纜多組樣品的測試結(jié)果偏差較大，表明國產(chǎn)聚酯纜的剛度不確定性較高，從而造成了子繩伸長率的較大偏差。

表3 聚酯纜伸長率試驗結(jié)果Table 3 Elongation test result of polyester rope

5) 動態(tài)剛度。

聚酯纜動態(tài)剛度試驗參數(shù)和結(jié)果見表4。工況中的平均載荷主要包括預張力載荷(15%MBS)、張緊載荷(35% MBS、40%MBS)及最大載荷(60%MBS)；載荷幅值可以按照美國船級社規(guī)范選取；載荷周期為半潛式生產(chǎn)平臺的橫蕩、橫搖、垂蕩下的固有周期。從表4可以看出，國產(chǎn)聚酯纜的動態(tài)剛度小于進口聚酯纜，說明國產(chǎn)聚酯纜會產(chǎn)生較大的動態(tài)蠕變，導致平臺位移增大及立管設計難度和建造成本的提高。同時，動態(tài)剛度小會造成聚酯纜長度變化較大，因此需要根據(jù)國產(chǎn)聚酯纜具體的長度變量而考慮更多的裕量設計，例如增加頂部和底部錨鏈的長度。

表4 聚酯纜動態(tài)剛度試驗結(jié)果Table 4 Dynamic stiffness test result of polyester rope

6) 準靜態(tài)剛度。

聚酯纜準靜態(tài)剛度試驗中需要依次測試安裝工況下載荷從15%～40%(S1)、15%～30%(S2)、15%～45%(S3)、15%～60%(S4)、15%～30%(S5)、15%～45%(S6)、15%～60%(S7)MBS變化的準靜態(tài)剛度，試驗結(jié)果見表5。可以看出，國產(chǎn)聚酯纜的準靜態(tài)剛度小于進口纜，表明其靜態(tài)蠕變也較大，同樣會造成平臺位移及立管設計難度和建造成本的增加。

表5 聚酯纜靜態(tài)剛度實驗結(jié)果Table 5 Quasi static stiffness test result of polyester rope

3 國產(chǎn)聚酯纜在“深海一號”能源站的適用性分析

“深海一號”能源站位于中國南海海域陵水17-2氣田區(qū)，水深約1 420 m，主體包括1.9萬t的桁架式上部模塊和四立柱、四浮筒式的下船體，系泊系統(tǒng)采用了16根系泊纜。單根纜的組成由平臺至樁基依次為平臺鏈(244 m)、上聚酯纜(975 m)、安裝鏈(12 m)、下聚酯纜(975 m)、躺底鏈(259 m)和錨樁鏈(38 m)。

采用水動力分析軟件SESAM和時域耦合分析軟件OrcaFlex，模擬分析建立的水動力數(shù)值模型及系泊纜模型(圖1)。模擬的環(huán)境條件為南海陵水17-2氣田海域百年一遇海況[8]，系泊系統(tǒng)分別采用16根國產(chǎn)和進口聚酯纜，主要結(jié)果見表6。可以看出，由于國產(chǎn)聚酯纜的動態(tài)和靜態(tài)剛度較進口聚酯纜低，因此其錨鏈張力、強度安全系數(shù)和最小疲勞壽命的模擬結(jié)果也優(yōu)于進口聚酯纜；但國產(chǎn)聚酯纜的平臺最大位移稍高于進口聚酯纜，增大了立管設計的難度和建造成本，因此在“深海一號”能源站系泊系統(tǒng)系泊纜實際應用中，16根系泊纜中只有1根采用了國產(chǎn)聚酯纜。

圖1 “深海一號”能源站系泊系統(tǒng)數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model of “Deep Sea No.1” energy station

表6 “深海一號”能源站系泊數(shù)值分析結(jié)果Table 6 Mooring numerical analysis result of “Deep Sea No.1” energy station

4 結(jié)論與建議

1) 國產(chǎn)聚酯纜在材料絲、最小破斷載荷方面與進口聚酯纜沒有差距，但在子繩伸長性能、動態(tài)和靜態(tài)剛度方面與進口聚酯纜相比則表現(xiàn)出剛度偏小、蠕變量偏大的特征。

2) 國產(chǎn)和進口聚酯纜在陵水17-2氣田“深海一號”能源站的水動力分析和系泊系統(tǒng)時域耦合分析表明，國產(chǎn)聚酯纜的伸長性能和剛度性能可以較好地滿足深水半潛式生產(chǎn)平臺系泊系統(tǒng)的設計要求。

3) 由于目前國產(chǎn)聚酯纜剛剛投入使用，因此在實際使用應對其進行密切監(jiān)測。