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(shù)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(qiáng)度高、撓性好、運動平穩(wěn)、自重輕等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用于海上浮式設(shè)施單點系泊系統(tǒng)錨腿上。在運營的過程中，F(xiàn)PSO 遭受風(fēng)、浪、流的環(huán)境載荷，其中以波浪的波頻與低頻力為主導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(dá)到疲勞失效經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)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(dāng)?shù)腡-N 曲線中給出的正則化張力范圍i 對應(yīng)的達(dá)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(qiáng)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(shè)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(shè)計，對于無保護(hù)層且內(nèi)部無鋅塊保護(hù)的鋼纜，設(shè)計壽命為8～10 a，然而依據(jù)規(guī)范鋼纜的T-T 疲勞設(shè)計曲線，南海某服役FPSO系泊系統(tǒng)鋼纜設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行該試驗也是非常困難的[4]。

考慮鋼纜結(jié)構(gòu)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(chǔ)數(shù)據(jù)

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(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[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(jìn)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(shè)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(jìn)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(dá)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(jié)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(jié)果

3 結(jié)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。