深水系泊系統(tǒng)預(yù)警管理設(shè)計(jì)

賈旭，白雪平，李達(dá)，陳勇軍

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028;2.北京迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司,北京 100085)

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)逐步走向深遠(yuǎn)海，材料輕、成本低、水平回復(fù)效率高的聚酯纜越來(lái)越多地應(yīng)用于系泊系統(tǒng)。由于聚酯纜材料的特殊性，纜的軸向剛度非線性特征明顯，并且剛度值與張力平均值、張力幅值和激振周期有關(guān)。在實(shí)際使用過(guò)程中，聚酯纜因?yàn)槭褂脮r(shí)間久會(huì)產(chǎn)生蠕變，從而導(dǎo)致剛度降低，預(yù)張力減小，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能受影響，不確定性增加。2021年6月安裝于我國(guó)南海1 500 m水深的“深海一號(hào)”能源站是我國(guó)首座深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)，首次采用多點(diǎn)聚酯纜系泊系統(tǒng)。新型平臺(tái)和新型系泊系統(tǒng)的安全運(yùn)維是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。為此，首先調(diào)研歷史事故，分析深水系泊系統(tǒng)潛在風(fēng)險(xiǎn)，總結(jié)預(yù)警需求，以“深海一號(hào)”能源站的多點(diǎn)聚酯纜系泊系統(tǒng)為例，在數(shù)值計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的預(yù)警管理方法和步驟。

1 系泊系統(tǒng)預(yù)警管理需求

系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然依照船級(jí)社規(guī)范要求采用了足夠的安全系數(shù)，但是在纜繩材質(zhì)控制、加工制造、安裝作業(yè)等因素的影響下，系泊纜斷裂失效事件還是時(shí)有發(fā)生。21世紀(jì)以來(lái)，全世界范圍內(nèi)深水浮式平臺(tái)出現(xiàn)了幾十起系泊纜失效事故，并且不少是多根纜同時(shí)失效。例如，2011年，英國(guó)Gryphon Alpha FPSO因惡劣天氣而發(fā)生事故，起始是迎風(fēng)向的1根纜失效(1個(gè)鏈節(jié)的對(duì)接焊縫失效)，使浮體不再順風(fēng)運(yùn)動(dòng)，而是橫向正面受力，從而導(dǎo)致另外3根迎風(fēng)向的系泊線失效，導(dǎo)致浮體失去定位能力，海底生產(chǎn)系統(tǒng)受損，最終生產(chǎn)關(guān)閉，人員撤離。

造成平臺(tái)系泊系統(tǒng)失效的主要原因包括：①海洋環(huán)境的影響。臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、巨浪、強(qiáng)流等造成系泊纜荷載過(guò)大而斷裂失效；②系泊纜部件故障。鏈、鋼纜、聚酯纜、連接部件、海底樁等因?yàn)榧庸ぁ⒏g、張力、疲勞等原因而失效；③人工操作失誤。安裝和作業(yè)過(guò)程中的人為因素，如收放過(guò)程中的張力過(guò)大等。

為了降低風(fēng)險(xiǎn)，避免事故發(fā)生，有必要對(duì)深水平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警管理，主要包括關(guān)鍵參數(shù)的選取和監(jiān)測(cè)，預(yù)警閾值的確定，預(yù)警原因的識(shí)別，以及消警措施的推薦等。

2 系泊系統(tǒng)預(yù)警管理數(shù)值

平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的響應(yīng)特性數(shù)值分析包括完整工況和單根系泊纜失效的破損工況；分析環(huán)境條件包括正常作業(yè)(1年臺(tái)風(fēng))、極限環(huán)境(100年臺(tái)風(fēng))和生存環(huán)境(1 000年臺(tái)風(fēng))。

2.1 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)平臺(tái)系泊系統(tǒng)采用4組×4根的布置形式,見(jiàn)圖1。每1根系泊纜分為船鏈、聚酯纜、和底鏈等三段。系泊纜各部分物理屬性見(jiàn)表1。

圖1 平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)布置示意

表1 系泊纜組成及其物理屬性

2.2 完整工況下的系泊響應(yīng)特性

為了充分了解系泊纜在正常狀態(tài)下的張力監(jiān)測(cè)值范圍，從而確定相應(yīng)的預(yù)警閾值，對(duì)其進(jìn)行浮體-系泊-立管全時(shí)域耦合分析，得到系泊纜在不同環(huán)境條件作用下的張力極值，見(jiàn)圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)張力極值

分析結(jié)果表明：系泊系統(tǒng)的最大張力低于規(guī)范許用值，滿足設(shè)計(jì)要求。

系泊系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)會(huì)經(jīng)受不同方向的環(huán)境荷載，而且系泊纜之間存在布置方位夾角，所以在同一時(shí)刻相鄰系泊纜的張力和方差會(huì)存在差異。為了識(shí)別張力監(jiān)測(cè)值是否異常，需要分析和了解相鄰系泊纜張力差異的正常范圍。

分析計(jì)算結(jié)果，在作業(yè)環(huán)境條件下(1年臺(tái)風(fēng))，同一時(shí)間點(diǎn)相鄰纜張力差異不超過(guò)5% (見(jiàn)圖3)；在同一短時(shí)間范圍內(nèi)相鄰纜的張力方差比值在60%～170%之間，見(jiàn)圖4。

圖3 相鄰系泊纜張力差異

圖4 相鄰系泊纜張力方差比值

2.3 單根纜失效對(duì)平臺(tái)性能的靜態(tài)影響

系泊纜失效不僅影響其他纜的張力，同時(shí)還影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及立管性能。根據(jù)船級(jí)社的規(guī)范要求，單根纜失效后在100年一遇的極限環(huán)境條件下仍需具有足夠的安全系數(shù)。

對(duì)16根系泊纜逐一進(jìn)行“單根破損失效”靜態(tài)平衡分析，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 單根纜失效對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)影響

圖6 單根纜失效對(duì)其他纜張力的靜態(tài)影響

1)單根纜失效后平臺(tái)靜態(tài)位移不超過(guò)9 m，轉(zhuǎn)角不超過(guò)0.7°，垂蕩不超過(guò)0.1 m。

2)單根纜失效后同組其他纜預(yù)張力增大10%～15%，對(duì)角組纜預(yù)張力減少7%～10%。

3)單根纜失效對(duì)立管張力影響非常小。

2.4 單根纜失效對(duì)平臺(tái)性能的動(dòng)態(tài)影響

基于完整工況下的時(shí)域分析結(jié)果，選擇最為關(guān)鍵的兩根系泊纜#6和#14進(jìn)行單根纜失效動(dòng)態(tài)分析，見(jiàn)圖7、8。

圖7 單根纜失效對(duì)平臺(tái)位移的動(dòng)態(tài)影響

圖8 單根纜失效對(duì)其他纜張力的動(dòng)態(tài)影響

圖7表明，單根纜失效對(duì)平臺(tái)位移影響很大，在不同環(huán)境條件下，平臺(tái)位移均有較大程度的增加(25%～40%)。

圖8表明，單根纜失效對(duì)系泊系統(tǒng)最大張力影響明顯，增大約18%～23%。單根系泊纜失效雖然會(huì)增加平臺(tái)位移，但是對(duì)立管的張力影響較小(±2%范圍內(nèi))。

2.5 單根纜失效對(duì)平臺(tái)性能的瞬態(tài)影響

系泊纜在海上作業(yè)時(shí)可能會(huì)由于張力過(guò)大而突然斷裂失效，應(yīng)關(guān)注其瞬間失效對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和相鄰系泊纜張力的沖擊作用。與傳統(tǒng)系泊纜失效動(dòng)態(tài)分析(即初始失效，假設(shè)系泊纜在分析中不存在)不同，瞬間失效是假設(shè)失效發(fā)生在該系泊纜最大張力發(fā)生時(shí)間(或其他相關(guān)時(shí)間)。以系泊纜#6瞬間失效為例，計(jì)算極限環(huán)境條件下完整工況、初始失效和瞬間失效3種狀態(tài)下對(duì)平臺(tái)性能的影響，見(jiàn)圖9 和圖10。

圖9 #6系泊纜瞬間失效對(duì)平臺(tái)位移的影響

圖10 #6系泊纜瞬間失效對(duì)相鄰纜(#7)張力的影響

結(jié)果顯示，平臺(tái)的位移及系泊纜受力在失效前與完整工況的響應(yīng)一樣；系泊纜失效后，瞬態(tài)響應(yīng)持續(xù)的時(shí)間1～2 min，在這期間平臺(tái)位移及系泊纜受力驟然增加，最終進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的響應(yīng)特征與初始失效狀態(tài)一致。瞬間效應(yīng)雖然在局部時(shí)間范圍內(nèi)增加了平臺(tái)的位移和相鄰系泊纜的張力，但是對(duì)于整個(gè)時(shí)域分析的極值影響較小(≤5%)。

2.6 單根纜失效的平臺(tái)恢復(fù)措施

單根系泊纜失效后，在進(jìn)行修補(bǔ)或替換之前，通常需要通過(guò)系泊調(diào)節(jié)(收緊本組纜或放松對(duì)角組纜)將平臺(tái)恢復(fù)到破損前的狀態(tài)，即將平臺(tái)平移到初始安裝位置。通過(guò)數(shù)值分析，平臺(tái)恢復(fù)措施見(jiàn)表2。

表2 平臺(tái)恢復(fù)系泊調(diào)節(jié)措施 m

3 系泊系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理

3.1 系泊系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

系泊纜張力的監(jiān)測(cè)一般通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)。一種是直接張力測(cè)量，將壓力傳感器安裝在錨機(jī)上；另一種是基于測(cè)斜儀的張力計(jì)算，通過(guò)測(cè)量系泊纜在頂部導(dǎo)纜器處與平臺(tái)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，計(jì)算得到張力。

系泊系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通常要求每組至少監(jiān)測(cè)2根，避免由于1個(gè)傳感器的失靈而導(dǎo)致整組都沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最好是對(duì)每1根系泊纜都進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而便于識(shí)別異常信號(hào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 系泊系統(tǒng)預(yù)警閾值設(shè)置

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常監(jiān)測(cè)信號(hào)和發(fā)布警訊提示，需要對(duì)系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警管理。預(yù)警級(jí)別通常包括正常狀態(tài)(綠色)、一般預(yù)警(橙色)、嚴(yán)重預(yù)警(紅色)3個(gè)級(jí)別。對(duì)于系泊纜張力，預(yù)警不僅針對(duì)張力上限值，也包括下限值。過(guò)小的系泊纜張力可能意味著聚酯纜段已經(jīng)與海底接觸或者系泊纜已經(jīng)斷裂失效。

基于此前的系泊系統(tǒng)張力統(tǒng)計(jì)極值，目標(biāo)平臺(tái)系泊系統(tǒng)的預(yù)警閾值范圍推薦見(jiàn)表3。

表3 預(yù)警管理系統(tǒng)系泊系統(tǒng)預(yù)警閾值 kN

3.3 系泊系統(tǒng)預(yù)警原因識(shí)別

預(yù)警管理的主要目的之一就是在發(fā)生預(yù)警后，能盡快識(shí)別和確認(rèn)平臺(tái)是否真正發(fā)生故障(破損)。為了識(shí)別和確認(rèn)預(yù)警原因，不僅需要對(duì)發(fā)生預(yù)警的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析，也需要對(duì)相關(guān)的其他監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析。

為了避免誤判，對(duì)于識(shí)別為“同組有纜斷裂”的狀況，需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析去核實(shí)識(shí)別結(jié)果。核實(shí)分析將基于系泊系統(tǒng)完整分析和失效分析的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主要從自身的張力值、相鄰纜的張力值、自身與相鄰纜的張力對(duì)比、平臺(tái)位移變化等多個(gè)方面去分析比較。例如，預(yù)警纜與相鄰纜張力差異值是否正常；同一時(shí)間范圍內(nèi)的方差比值是否正常等。

3.4 消警措施推薦

①對(duì)破損纜同組的纜進(jìn)行收縮操作，增加其預(yù)張力；②對(duì)破損纜對(duì)角組的纜進(jìn)行放松操作，減少其預(yù)張力。

4 結(jié)論

1)在深水系泊系統(tǒng)完整且作業(yè)環(huán)境條件下(1年臺(tái)風(fēng))，同一時(shí)間點(diǎn)相鄰纜張力差異應(yīng)不超過(guò)5%，在同一短時(shí)間范圍內(nèi)相鄰纜的張力方差比值在60%～170%之間。

2)在單根纜破斷情況下，系泊系統(tǒng)最大張力影響明顯導(dǎo)致平臺(tái)位移影響較大，但系泊纜失效瞬間效應(yīng)對(duì)于整個(gè)時(shí)域分析的極值影響較小。

3)深水系泊系統(tǒng)預(yù)警需根據(jù)預(yù)警管理系統(tǒng)結(jié)合人工判斷，以免出現(xiàn)誤判。