單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損傷鋼纜剩余強(qiáng)度評估研究

楊天笑， 陳 池， 王 敦， 陳瑞峰

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳 518067 2.深圳市潤渤船舶與石油工程技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518067 )

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單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損傷鋼纜剩余強(qiáng)度評估研究

楊天笑1， 陳 池1， 王 敦2， 陳瑞峰2

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳 518067 2.深圳市潤渤船舶與石油工程技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518067 )

系泊鋼纜通常使用在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船( FPSO)單點(diǎn)系泊錨腿的上升段與躺地段，從工程實(shí)踐與系統(tǒng)水下檢驗(yàn)檢測可以發(fā)現(xiàn)，鋼纜磨損、腐蝕、斷絲、松股等形式的損傷是最常見而且最嚴(yán)重的。該文以南海某FPSO使用10年的鋼纜為研究對象，采用理論計(jì)算與破斷試驗(yàn)的方法評估損傷鋼纜的剩余強(qiáng)度，研究各種損傷對理論公式相關(guān)參數(shù)的影響，并驗(yàn)證理論計(jì)算方法的合理性與可靠性，為系泊鋼纜安全評價(jià)以及系泊系統(tǒng)完整性管理提供科學(xué)方法。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng); 鋼纜; 剩余強(qiáng)度; 破斷試驗(yàn); 破斷載荷

0 引言

我國南海海域深海油氣資源豐富，據(jù)目前預(yù)測大約有350億噸～500億噸油氣當(dāng)量，由于南海油氣田水深以及海洋環(huán)境等復(fù)雜因素的影響，目前主要采用浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)作為海上油氣田開發(fā)的核心單元，其中系泊系統(tǒng)是其最關(guān)鍵的組成部分。南海FPSO系泊系統(tǒng)采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔懸鏈線錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，系泊錨腿由上鋼纜、配重錨鏈、躺地鋼纜、錨端的錨鏈組成。從工程實(shí)踐與系統(tǒng)水下檢驗(yàn)檢測中發(fā)現(xiàn)，鋼纜的損傷是最常見而且最嚴(yán)重的，多發(fā)生斷絲、纜絲松股、腐蝕、磨損等損傷現(xiàn)象，這些損傷將直接導(dǎo)致系泊鋼纜的強(qiáng)度降低，疲勞壽命減少。但現(xiàn)階段已有的鋼纜強(qiáng)度計(jì)算方法是否適用于海上永久式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損傷鋼纜，行業(yè)內(nèi)一直沒有得到驗(yàn)證。因此，評價(jià)出現(xiàn)損傷的系泊鋼纜使用的安全性和可靠性，評估系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度是亟待解決的問題。

1 泊鋼纜

南海某FPSO所使用的系泊鋼纜為無保護(hù)層的螺旋股鋼纜，設(shè)計(jì)使用壽命為10年，鋼纜的具體屬性參數(shù)見表1。

表1 系泊鋼纜屬性

圖1 鋼纜的結(jié)構(gòu)示意圖

鋼纜鋼絲總共橫截面積為9 655 mm2，由12 層(包括中心)、378 根纜絲組成。1根中心鋼絲直徑為6.73 mm、向外依此6+12+18+24+30+36+42+48+53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(biāo)準(zhǔn)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，鋼絲的最小平均拉伸強(qiáng)度為1 660 MPa～1 800 MPa，該鋼纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于該系泊鋼纜工作于惡劣的南海海洋環(huán)境，通過ROV水下檢測以及陸地檢測發(fā)現(xiàn)鋼纜出現(xiàn)不同程度的損傷，外層鋼絲松股、腐蝕，鋼絲直徑明顯減小，而且出現(xiàn)了斷絲現(xiàn)象，因此需要進(jìn)一步研究鋼纜的剩余強(qiáng)度情況。

2 系泊鋼纜強(qiáng)度理論計(jì)算方法

依據(jù)規(guī)范API Specification 9A與標(biāo)準(zhǔn)ISO 17893鋼纜最小破斷載荷理論計(jì)算公式如下：

式中：Fmin為最小破斷載荷，kN；d為鋼纜的公稱直徑，mm；Rr為鋼纜的等級，N/mm2；K為給定等級的鋼纜最小破斷強(qiáng)度系數(shù)。

式中：k為鋼纜捻制損失系數(shù);f為鋼纜填充系數(shù)。

從上面的分析可以看出，鋼纜的剩余強(qiáng)度與截面積大小和鋼纜填充系數(shù)、捻制損失系數(shù)有關(guān)。

假設(shè)鋼纜橫截面積損失的過程中，鋼纜防腐保護(hù)與捻制結(jié)構(gòu)保持完好無破損，即最小破斷強(qiáng)度系數(shù)不變，因此可以對上述公式進(jìn)行整理換算得：

依據(jù)該公式對南海某FPSO系泊系統(tǒng)使用鋼纜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，給出鋼纜剩余強(qiáng)度與斷絲數(shù)量、金屬截面積損失關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 鋼纜剩余強(qiáng)度與斷絲數(shù)關(guān)系 圖3 鋼纜剩余強(qiáng)度與截面積損失關(guān)系圖

在系泊鋼纜實(shí)際的過程中，由于鋼纜會(huì)出現(xiàn)多種形式的損傷，剩余強(qiáng)度變化是復(fù)雜的，因此需要通過鋼纜破斷試驗(yàn)來驗(yàn)證理論計(jì)算方法的合理性與可靠性。

3 系泊鋼纜破斷試驗(yàn)

3.1 破斷試驗(yàn)件選取

為了驗(yàn)證理論計(jì)算方法是否適合鋼纜剩余強(qiáng)度的計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果的可靠性，對鋼纜進(jìn)行破斷試驗(yàn)，鋼纜破斷試驗(yàn)件選取見表2。

表2 鋼纜破斷試驗(yàn)件選取

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

兩個(gè)鋼纜試驗(yàn)件的剩余強(qiáng)度見表3。

表3 試驗(yàn)件剩余強(qiáng)度

破斷試驗(yàn)過程所加載的拉伸與時(shí)間曲線如圖4、圖5所示。

圖4 試驗(yàn)件1拉伸與時(shí)間曲線 圖5 試驗(yàn)件1拉伸與時(shí)間曲線

結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：

(1)試驗(yàn)件1為原130 mm直徑的鋼纜去除外四層鋼絲，直徑82.55 mm的鋼纜，表面覆蓋防腐油脂，鋼絲鍍鋅層完好，鋼纜橫截面理論損失率59.77%，剩余強(qiáng)度理論值6 356 kN,試驗(yàn)值為6 434.6 kN。

(2)試驗(yàn)件2為原130 mm直徑的鋼纜，外層腐蝕磨損松股，采用漏磁檢測測量鋼纜橫截面損失率為28.56%，剩余強(qiáng)度理論值11 288 kN,試驗(yàn)值為10 726.3 kN。

4 結(jié)論

通過對損傷系泊鋼纜進(jìn)行破斷試驗(yàn)以及剩余強(qiáng)度評估研究，得出以下結(jié)論：

(1)鋼纜防腐保護(hù)完好的情況下，剩余強(qiáng)度理論公式計(jì)算值與破斷試驗(yàn)測量值誤差為1.2%，說明規(guī)范給出的理論公式計(jì)算該類型的單點(diǎn)系泊鋼纜最小剩余強(qiáng)度。

(2)鋼纜外層防腐發(fā)生破壞時(shí)，剩余強(qiáng)度理論公式計(jì)算值大于破斷試驗(yàn)測量值，誤差為5.2%，誤差有所增大，說明損傷的鋼纜不僅使鋼纜橫截面積發(fā)生損失，同時(shí)也改變了鋼纜的捻制與填充系數(shù)，但橫截面積的損傷對鋼纜的剩余強(qiáng)度減小的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)因素。因此對于不同損傷程度的鋼纜，修正破斷載荷系數(shù)或考慮合適的安全系數(shù)理論公式計(jì)算鋼纜最小剩余強(qiáng)度是可行的。

(3)通過，使用系泊鋼纜剩余強(qiáng)度的理論計(jì)算方法研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，提出合理科學(xué)的方法計(jì)算使用的鋼纜剩余強(qiáng)度，為系泊系統(tǒng)以及系泊鋼纜安全評價(jià)提供科學(xué)的方法。

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Research on the Damage Wire Rope Residual Strength of
the Single Point Mooring System

YANG Tian-xiao1， CHEN Chi1， WANG Dun2， CHEN Rui-feng2

(1. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd, Guangdong Shenzhen 518067, China;2. Shenzhen Rainbow Ship and Oil Engineering Co., Ltd, Guangdong Shenzhen 518067, China)

Wire ropes are often used in the riser segment and ground segment of the mooring line of the FPSO mooring system. And it is found in the engineering practice and underwater inspection that the defects of wire rope, such as wear, corrosion, broken wire, and loose strand appear most frequently and are the severest ones. This paper chose a wire rope which had been used for a FPSO for ten years in South China Sea as the research subject, by assessing the residual strength of the wire rope with theoretical calculation and test measurement method and studying the influence of the defected wire rope to the formula parameters to verify the rationality and reliability of the theoretical calculation method, so as to offer a scientific method for the safety evaluation of wire ropes and the integrity management of mooring system.

single point mooring system; wire rope; residual strength; breaking test; breaking force

2014-11-17

楊天笑(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0027-04

P75

A