FPSO單點(diǎn)系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估方法

FPSO單點(diǎn)系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估方法

于超，鄭曉濤，謝小波，段北辰

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

摘要：針對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)安全性問(wèn)題,從服役多年系泊系統(tǒng)鋼纜的剩余強(qiáng)度入手,建立系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評(píng)估方法，利用無(wú)損檢測(cè)儀檢測(cè)系泊鋼纜的損傷情況,計(jì)算剩余強(qiáng)度。應(yīng)用水動(dòng)力軟件和系泊分析軟件計(jì)算系泊系統(tǒng)的極限張力，進(jìn)而得到系泊鋼纜的安全系數(shù)，為FPSO生產(chǎn)提供安全保障。

關(guān)鍵詞：系泊鋼纜；剩余強(qiáng)度；評(píng)估方法；安全系數(shù)

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.004

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.4；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0012-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：中海油能源發(fā)展集團(tuán)項(xiàng)目(E-J214A021)

研究方向:油田設(shè)備科研管理、海洋工程技術(shù)

E-mail:yuchao@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(floating production storage and offloading system，F(xiàn)PSO)是海洋油田采油領(lǐng)域中的一種重要結(jié)構(gòu)設(shè)施。在中國(guó)南海它通常通過(guò)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)固定在海上，可在風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素作用下，繞系泊浮筒進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，適用范圍廣、應(yīng)用前景好，可用于各種不同類(lèi)型的油田，集眾多功能于一體；機(jī)動(dòng)靈活，可重復(fù)適用，易于安裝，油田停產(chǎn)后可繼續(xù)使用[1]。

FPSO的系泊系統(tǒng)的水下部分一般為組合式系泊錨纜，系泊鋼纜是易損構(gòu)件，隨著日常使用會(huì)發(fā)生斷絲、磨損、腐蝕、變形等類(lèi)型的損傷[2]，這些損傷使系泊鋼纜的承載能力大大降低。過(guò)早的更換會(huì)造成資源浪費(fèi)，過(guò)晚更換會(huì)增加系泊系統(tǒng)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。目前尚未有成熟的系泊鋼纜的評(píng)估、報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)和方法，因此系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評(píng)估的研究十分重要，本文研究FPSO系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度評(píng)估方法，以期為油田安全生產(chǎn)提供合理化建議。

1系泊鋼纜基本參數(shù)

以海洋石油111FPSO系泊鋼纜為例，該系泊系統(tǒng)采用不可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，系泊鋼纜選用無(wú)保護(hù)層的螺旋股鋼纜，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　系泊鋼纜橫截面結(jié)構(gòu)示意

2評(píng)估方法

系泊鋼纜的安全系數(shù)是隨著系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度狀況和受力狀況變化的動(dòng)態(tài)量，安全系數(shù)的評(píng)估也就是對(duì)鋼纜所處每個(gè)階段的剩余強(qiáng)度和極限張力值進(jìn)行分析確定。

當(dāng)鋼纜出現(xiàn)損傷時(shí)，根據(jù)損傷程度，需要進(jìn)行評(píng)估范圍的界定。

當(dāng)損傷程度超過(guò)界定值時(shí)，進(jìn)行鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估值。

當(dāng)剩余強(qiáng)度的減少量超過(guò)設(shè)計(jì)的允許值時(shí)，進(jìn)行系泊系統(tǒng)分析與系泊鋼纜疲勞壽命的分析。

當(dāng)評(píng)估后的系泊張力或疲勞壽命超過(guò)設(shè)計(jì)的允許值時(shí)，進(jìn)行合適的減少?gòu)埩徑獯胧?/p>

通過(guò)上述的評(píng)估，鋼纜已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)使用要求(即不滿足時(shí)間安全系數(shù))，鋼纜應(yīng)該進(jìn)行棄置更換。具體評(píng)估流程見(jiàn)圖2。

圖2　系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估流程

3模型建立，計(jì)算極限張力分布

系泊系統(tǒng)系泊張力的大小與FPSO的船體運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，而吃水不同船體運(yùn)動(dòng)狀況是不同的。吃水太淺船體受風(fēng)面積太大，船體運(yùn)動(dòng)風(fēng)阻力增大；吃水太深又使船體所受的波浪阻力增大很多，對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)也不利。因此，利用HydroSTAR軟件建模[3]，分析在不同吃水狀態(tài)下的船舶運(yùn)動(dòng)情況，計(jì)算出載荷傳遞函數(shù)，將傳遞函數(shù)進(jìn)一步輸入到Ariane軟件中計(jì)算系泊系統(tǒng)的極限張力及其分布。系泊系統(tǒng)在Ariane軟件中的分析模型[4]見(jiàn)圖3。

圖3　Ariane系泊系統(tǒng)分析模型

以南海FPSO111系泊系統(tǒng)為例，考慮不同的裝載狀態(tài)下系泊系統(tǒng)受力情況。結(jié)果顯示：在不同吃水下，系泊力的變化見(jiàn)圖4。

圖4　各種裝載狀態(tài)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(duì)于系泊系統(tǒng)的每一根鋼纜都需要進(jìn)行不同裝載條件下系泊張力計(jì)算，選取最大的張力點(diǎn)，設(shè)為T(mén)max。

4系泊鋼纜的缺陷檢測(cè)

4.1檢測(cè)裝置

采用水下無(wú)損檢測(cè)設(shè)備——系泊鋼纜無(wú)損檢測(cè)儀檢測(cè)系泊鋼纜的損傷。檢測(cè)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(guò)勵(lì)磁器(傳感器頭)磁化一段鋼纜，鋼纜中的不連續(xù)(例如，斷絲)將產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，該漏磁信號(hào)被霍爾效應(yīng)傳感器采集，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，進(jìn)而執(zhí)行轉(zhuǎn)換、處理、記錄、計(jì)算等操作。此方法能確定鋼纜中斷絲、內(nèi)腐蝕和磨損等缺陷是否存在。

4.2檢測(cè)方法

系泊鋼纜在役檢測(cè)需要采用工程支持船作為依托，將水下機(jī)器人ROV和檢測(cè)儀連接在一起，由ROV操作人員攜帶檢測(cè)儀下水進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)目標(biāo)鋼纜的損傷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在檢測(cè)儀的存儲(chǔ)器中[5]。

將檢測(cè)到的系泊鋼纜損傷信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可知其斷絲數(shù)量、磨損狀態(tài)、鋼纜截面積損失[6]情況。

5剩余強(qiáng)度及安全系數(shù)計(jì)算方法

5.1系泊鋼纜剩余強(qiáng)度計(jì)算方法

將鋼纜的各種損傷認(rèn)為是截面積的損失，通過(guò)剩余截面積來(lái)計(jì)算系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度[7]。

依據(jù)API Specification9A(ANNEX F)公式對(duì)“鋼纜剩余強(qiáng)度進(jìn)行估算。

(1)

式中：Fmin——最小破斷載荷，kN；

d——鋼纜的公稱(chēng)直徑，mm；

Rr——鋼纜的等級(jí)，N/mm2；

K——給定等級(jí)的鋼纜最小破斷強(qiáng)度系數(shù)。

(2)

其中：f——鋼纜填充系數(shù)；

k——鋼纜捻制損失系數(shù)。

鋼纜填充系數(shù)f為所有鋼絲計(jì)算金屬橫截面積總和A與以鋼纜公稱(chēng)直徑d為圓的橫截面積Au的比值?？杀硎緸椋?/p>

(3)

式中：A=C·d2,C為鋼纜等效橫截面積系數(shù)，

參考文獻(xiàn)系泊鋼纜安全系數(shù)計(jì)算方法[8]。

系泊系統(tǒng)承受的最大張力所要求的安全系數(shù)被定義為系泊錨纜的剩余強(qiáng)度與極值條件下最大張力的比值設(shè)為SF。

(4)

海洋石油111系泊鋼纜允許安全系數(shù)的規(guī)定見(jiàn)表1[9]。

表1　允許安全系數(shù)

當(dāng)系泊鋼纜的安全系數(shù)低于設(shè)計(jì)安全系數(shù)時(shí)，需要及時(shí)更換鋼纜。

6結(jié)論

系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估數(shù)據(jù)的真實(shí)性基礎(chǔ)在于系泊鋼纜無(wú)損檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，因此在檢測(cè)作業(yè)時(shí)需要選擇適宜的天氣進(jìn)行作業(yè)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安全[10]。

系泊系統(tǒng)的安全關(guān)系到海上FPSO和人員安全，本文討論的評(píng)估方法為系泊鋼纜的剩余強(qiáng)度和安全系數(shù)評(píng)估提供了新的技術(shù)方法，該方法將會(huì)在未來(lái)FPSO系泊鋼損傷纜數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累中發(fā)揮重要的作用，為FPSO作業(yè)者提供合理化建議，保證油田的安全生產(chǎn)。

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

[2] 譚繼文.戰(zhàn)衛(wèi)俠，田志勇，等.提升鋼絲繩安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)[N].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002-08-22(4).

[3] 袁洪濤，曾驥，莫建，等.極端海況下深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng) FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析[N].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015-04-29(2).

[4] 劉曉健.FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)分析[D].江蘇:江蘇科技大學(xué),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(cè)的鋼絲繩安全性評(píng)價(jià)[J].煤炭機(jī)電,2002(1):17-18.

[7] 劉瑜珩，董海杰，于超.單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在役鋼纜安全評(píng)價(jià)研究探索[J].資源節(jié)約與環(huán)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(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)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