南海深水FPSO系泊錨鏈腐蝕原因分析及強度預(yù)測

王火平，陳道毅

(1.清華大學(xué) 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518000；2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司 深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

目前，全世界共有近300座永久系泊系統(tǒng)，很多服役年限已超過原設(shè)計使用壽命，面臨著超期服役的問題。為掌握錨鏈服役多年后的腐蝕情況及強度折減機理，近年來國外針對西非、墨西哥灣等海域相繼開展錨鏈腐蝕研究[1-4]，國內(nèi)也有一些前期的理論研究[5]。本文以中國南海海域長期服役的南海勝利號浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)系泊錨鏈為例，對錨鏈腐蝕原因和剩余強度進行分析研究，為系泊系統(tǒng)延壽評估提供依據(jù)。

南海勝利號是一艘服役于流花11-1油田的FPSO，作業(yè)水深約300 m。流花11-1油田于1996年投產(chǎn)，F(xiàn)PSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)，原始設(shè)計壽命為10 a?？紤]到該系泊系統(tǒng)已運行23 a，為確保流花油田的持續(xù)安全運行，對部分腐蝕磨損嚴重的錨鏈進行取樣，在實驗室分析腐蝕成因，并采用有限元分析與試驗相結(jié)合的方法對錨鏈剩余強度進行對比分析，為系泊系統(tǒng)延壽制定依據(jù)。

1 錨鏈腐蝕磨損及原因分析

1.1 錨鏈腐蝕磨損類型

錨鏈由于自身結(jié)構(gòu)簡單，強度高，因此在系泊系統(tǒng)中一般用在易于受到高損傷的區(qū)域，如應(yīng)力較高的錨腿上部、易磨損的導(dǎo)纜孔處和觸地段區(qū)域。結(jié)合其不同區(qū)域的用途特點，錨鏈的腐蝕磨損狀況通?？蓜潪?種類型[4]，如圖1所示，其中圓形為鏈環(huán)橫截面，陰影區(qū)域為腐蝕磨損后剩下的截面區(qū)域，白色區(qū)域為腐蝕磨損區(qū)域。

圖1 錨鏈腐蝕磨損類型

1.2 錨鏈腐蝕磨損情況

南海勝利號FPSO系泊錨腿結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其中ACT(Anchor Chain Turntable)鏈和海底鏈分別用于導(dǎo)纜孔處和觸地段處。錨鏈直徑均為114.3 mm，錨鏈等級為ORQ+20%，鏈環(huán)棒料直徑為117.0 mm。海底鏈經(jīng)常與海底摩擦接觸的拍打段區(qū)域長約40.0 m。

圖2 南海勝利號FPSO系泊錨腿示例

ACT鏈和海底鏈自安裝完成后至今已在位服役遠超過10 a原始設(shè)計壽命。為獲取錨鏈的真實腐蝕磨損狀況，對部分錨腿的ACT鏈和海底鏈進行在位檢測。根據(jù)文獻[6]，對于永久式系泊系統(tǒng)，一般進行海上檢測。海上檢測中對錨鏈鏈環(huán)的外觀直徑測量主要包括不同鏈環(huán)位置的直徑測量，2倍直徑測量和5倍長度測量等3種方法，分別如圖3和圖4所示。圖3和圖4中，dn為鏈環(huán)測量位置，D為鏈環(huán)名義直徑，L為單鏈環(huán)長度。

圖3 不同鏈環(huán)位置的直徑測量

圖4 2倍直徑測量和5倍長度測量示例

圖5為ACT鏈檢測現(xiàn)場圖。雖然ACT鏈位于飛濺區(qū)，但其外觀狀況較為良好，主要以一般性腐蝕和局部點腐蝕為主，未在環(huán)冠區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的鏈環(huán)間磨損現(xiàn)象。直徑測量結(jié)果顯示錨鏈腐蝕磨損速率仍在設(shè)計范圍內(nèi)(<0.4 mm/a)。

圖5 ACT鏈檢測現(xiàn)場圖

海底鏈的拍打區(qū)除了一般性腐蝕外，還存在其他較嚴重的腐蝕磨損狀況，如圖6所示。

圖6 海底鏈拍打區(qū)檢測現(xiàn)場圖

對鏈環(huán)進行初步的表面清理后，發(fā)現(xiàn)海底鏈拍打區(qū)鏈環(huán)呈現(xiàn)3個明顯特點：(1)單側(cè)嚴重磨損，金屬材料損失明顯，圓形截面形狀明顯損壞；(2)有輕微的局部點腐蝕；(3)部分鏈環(huán)在閃光焊接部分存在較深的凹槽。

錨鏈未在環(huán)冠區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的鏈環(huán)間磨損現(xiàn)象。為分析導(dǎo)致鏈環(huán)截面損傷的具體原因，挑選3個磨損嚴重的鏈環(huán)進行實驗室分析。

1.3 腐蝕磨損原因分析

實驗室分析在中國船舶重工集團公司第七二五研究所進行。通過宏觀分析發(fā)現(xiàn)，磨損嚴重區(qū)域有細密且均勻的平行線條痕跡，呈沿同一方向磨損的特征，顯著區(qū)別于其他正常腐蝕區(qū)域，如圖7所示。低倍鏡下該區(qū)域表面亦有沿同一方向的平行磨痕，表面可見細密的附著物，可知錨鏈表面發(fā)生了氧化和腐蝕，如圖8所示。

圖7 宏觀形貌(磨損痕跡)

圖8 低倍鏡下腐蝕形貌

FPSO在風(fēng)浪流的作用下往復(fù)運動，海底鏈也因此受到拖曳并由自身的重力提供系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力，保持FPSO位置常年在一定的區(qū)域內(nèi)。在此過程中，拍打區(qū)與海床長期摩擦碰撞導(dǎo)致錨鏈損傷較為嚴重。其他區(qū)域則僅受海水腐蝕作用，因此錨鏈表面呈局部點腐蝕、一般性腐蝕混合形貌。

2 錨鏈剩余強度評估方法

目前，船級社規(guī)范及行業(yè)推薦中，系泊系統(tǒng)設(shè)計時錨鏈腐蝕磨損量一般建議在每年0.2～0.4 mm[7-8]，但對于腐蝕磨損后的錨鏈強度預(yù)測并無明確的規(guī)范可以借鑒。在工業(yè)界預(yù)測腐蝕磨損后錨鏈的剩余強度一般有3種方法：截面面積等效法、有限元分析和全尺度破斷試驗。

2.1 截面面積等效法

對于新的錨鏈，可基于鏈環(huán)直徑和材料參數(shù)來確定其破斷強度，錨鏈的不同強度等級和材料參數(shù)可通過查閱國際船級社協(xié)會(IACS)[9]、美國石油協(xié)會[10]和中國石油天然氣行業(yè)標準[11]的相關(guān)規(guī)范得到。

文獻[10]提到的錨鏈最小破斷強度經(jīng)驗公式是目前在系泊系統(tǒng)設(shè)計中主要采用的方法，即在初始設(shè)計錨鏈的直徑時考慮一個設(shè)計裕量，以適應(yīng)使用過程中腐蝕磨損導(dǎo)致的鏈環(huán)強度損失。對于腐蝕后的鏈環(huán)，由于鏈環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，若采用經(jīng)驗公式法則不可取，其強度評估應(yīng)基于截面面積損失百分比來確定，通常計算式為

(1)

式中：Sc為腐蝕后錨鏈最小破斷強度；S為新(未腐蝕)錨鏈最小破斷強度；Dc為腐蝕后錨鏈直徑；D為新(未腐蝕)錨鏈直徑。

2.2 有限元分析

有限元分析中建立精確的幾何模型至關(guān)重要。目前，三維激光掃描技術(shù)已能提供精確捕獲物體外觀的成熟解決方案。激光掃描設(shè)備型式多樣。圖9為鏈環(huán)實體與激光掃描設(shè)備獲得的幾何模型對比。

圖9 鏈環(huán)實體和三維激光掃描模型對比

有限元分析可對各種腐蝕磨損情況進行鏈環(huán)剩余破斷強度的精確預(yù)測。然而，有限元分析中變量較多，需仔細考慮建模參數(shù)，包括邊界條件、摩擦因數(shù)和單元類型等，以確保預(yù)測結(jié)果的質(zhì)量。因此，有必要進行物理試驗對數(shù)值結(jié)果進行對比驗證。

2.3 全尺度破斷試驗

全尺度破斷試驗需對錨鏈鏈環(huán)進行部分取樣，一般取腐蝕磨損較嚴重的3個鏈環(huán)，在拉伸試驗工作臺上進行破斷試驗，實際測量錨鏈的最小破斷強度。該方法可對任一種腐蝕磨損狀況進行錨鏈剩余破斷強度的評估，直觀可靠，但考慮到從原始錨鏈上截取一部分鏈環(huán)以及進行破斷試驗所需要的資源、時間，該方法成本最高。

3 錨鏈剩余強度評估結(jié)果

為確定海底鏈在腐蝕磨損后的剩余強度，選取3組典型樣品進行全尺度破斷試驗。3組鏈環(huán)分別編號為1-3、2-3和2-7，其中1-3組選自海底鏈的躺底段，2-3組和2-7組選自海底鏈的拍打段。每組均包含3個鏈環(huán)，編號為1、2和3(見圖10)，同時對3個鏈環(huán)相鄰的鏈環(huán)取樣用于相關(guān)測試。

圖10 破斷試驗樣品選取

選取的3組鏈環(huán)(見圖11)分別具有如下特點：

圖11 錨鏈樣本

(1)1-3組鏈環(huán)有輕微的一般性腐蝕，局部點腐蝕均勻分布在包括環(huán)冠和彎曲段的鏈環(huán)表面，深約1.5～3.0 mm；(2)2-3組鏈環(huán)除了明顯的一般性腐蝕外，其單一側(cè)邊金屬材料損失嚴重，有明顯的磨損跡象；(3)2-7組鏈環(huán)除了明顯的一般性腐蝕和磨損外，閃光焊接區(qū)域還存在較深的凹槽。

破斷試驗前對3組錨鏈開展多項測試，包括磁粉檢測確定鏈環(huán)內(nèi)部沒有裂紋存在，機械性能測試確定鏈環(huán)的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，化學(xué)成分檢測、硬度試驗和宏觀檢查確定材料屬性滿足ORQ+20%等級要求，以及按照文獻[6]推薦做法進行的尺度測量。然后，采用精確的三維激光掃描技術(shù)對擬進行破斷試驗的鏈環(huán)進行數(shù)值建模，最后對3組錨鏈進行全尺度破斷試驗。

3.1 截面面積等效法分析結(jié)果

根據(jù)文獻[6]推薦做法，鏈環(huán)同一位置的外觀直徑測量包含2組直徑數(shù)據(jù)D3和D4，實際測量如圖12所示，其中D3選取當前截面的直徑最小值，D4是垂直于D3方向的直徑測量值。

圖12 鏈環(huán)截面直徑測量

假設(shè)腐蝕磨損后截面為橢圓形，其長軸和短軸分別為D4和D3。將橢圓等效為圓形，取其直徑為等效直徑D5：

(2)

取所有位置的等效直徑最小值為目標直徑，結(jié)合式(1)計算錨鏈的剩余破斷強度和對應(yīng)的磨損腐蝕速率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同鏈環(huán)組剩余破斷強度和磨損腐蝕速率計算結(jié)果

3.2 有限元分析結(jié)果

有限元分析采用Abaqus軟件，模擬分析中考慮幾何非線性和大尺度變形效應(yīng)，材料屬性中應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用試驗值。有限元模型如圖13所示。

圖13 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.3 全尺度破斷試驗結(jié)果

全尺度破斷試驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 破斷試驗結(jié)果

(1)1-3組的鏈環(huán)破斷位置在1-3-1的環(huán)冠處。試驗中，拉伸載荷達到峰值后開始下降，5 s后鏈環(huán)即斷裂。斷裂位置有明顯的材料頸縮現(xiàn)象，顯示出材料良好的塑性變形能力。

(2)2-3組的鏈環(huán)在拉伸載荷達到峰值并開始下降時終止試驗，此時鏈環(huán)并沒有發(fā)生破斷。終止試驗的原因一方面是在拉伸載荷曲線下降時，材料實際已達到應(yīng)力最大點，另一方面是防止鏈環(huán)崩斷時較大的沖擊載荷對設(shè)備造成損傷。

(3)2-7組鏈環(huán)在閃光焊接區(qū)域突然發(fā)生破斷，破斷前未觀察到材料塑性變形，表明閃光焊接區(qū)域的凹槽處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，鏈環(huán)剩余強度難以預(yù)測。

3.4 結(jié)果對比

以全尺度破斷試驗結(jié)果為參考標準，3種不同方法對腐蝕磨損后錨鏈的剩余破斷強度對比結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法剩余破斷強度結(jié)果對比

由表2可知：(1)對于1-3組，2種方法的預(yù)測結(jié)果都較好，這是由于1-3組主要以一般性腐蝕為主。一般性腐蝕只會導(dǎo)致錨鏈鏈環(huán)直徑均勻減小，因此截面面積等效法適合于一般性腐蝕情況。(2)對于2-3組，有限元分析給出了較好的結(jié)果。對于磨損比較嚴重的鏈環(huán)，部分區(qū)域金屬材料損失嚴重，截面面積等效法對于非圓形截面的預(yù)測會得出偏于保守的結(jié)果，因此有限元分析適用于磨損情況。(3)對于2-7組，雖然截面面積等效法給出了偏于保守的結(jié)果，但其實際并不能用于此種情況的預(yù)測，這是由于鏈環(huán)并沒有在連續(xù)的截面發(fā)生破斷。在有限元分析中，閃光焊接區(qū)域的深凹槽的模擬和網(wǎng)格劃分比較困難，導(dǎo)致分析結(jié)果偏大。這種情況下通過全尺度破斷試驗獲取真實的剩余破斷強度是較好的選擇。

因此，在不同的腐蝕磨損情況下對錨鏈剩余強度的評估需要結(jié)合實際具體分析。

4 結(jié) 論

對長期服役于中國南海海域的南海勝利號FPSO系泊錨鏈進行取樣，并對其導(dǎo)致腐蝕磨損的原因進行分析，采用多種方法對其強度進行預(yù)測研究，主要結(jié)論如下：

(1)飛濺區(qū)錨鏈以局部點腐蝕、一般性腐蝕混合形貌為主，其磨損腐蝕速率在設(shè)計范圍內(nèi)(<0.4 mm/a)；(2)觸地段錨鏈拍打區(qū)除了有局部點腐蝕、一般性腐蝕外，還有明顯的磨損痕跡，研究結(jié)果顯示腐蝕磨損速率達0.53 mm/a，已超過設(shè)計規(guī)范要求。

對中國南海海域的系泊錨鏈使用建議如下：

(1)對于無配重塊或配重鏈的海底鏈拍打區(qū)需考慮足夠的磨損腐蝕裕量，其余部分的錨鏈建議采用規(guī)范推薦值。(2)在不具備條件時，腐蝕磨損錨鏈剩余破斷強度預(yù)測可采用截面面積等效法進行初步評估，具備條件時可采用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合有限元分析進行詳細評估，腐蝕磨損特別嚴重的可考慮取樣進行全尺度破斷試驗以獲取真實數(shù)據(jù)。(3)對于在閃光焊接區(qū)域發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)生凹槽的鏈環(huán)，建議進行報廢處理。