王吉祥、倪超、魏佳廣、劉月舟、黃海濱
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)
《漢書(shū)·西域傳上·烏秅國(guó)》:“ 縣度者,石山也,溪谷不通,以繩索相引而度云。”繩索在古代已較早發(fā)明和投入使用,以天然植物纖維編織和鍛打鐵質(zhì)鎖鏈為主。隨著工業(yè)革命鋼鐵產(chǎn)能爆發(fā)式增長(zhǎng),19世紀(jì)鋼制纜繩開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)繩索進(jìn)行廣泛替代,至今仍占有絕對(duì)主導(dǎo)地位,如海上工程船舶的定位錨纜近乎100%采用鋼纜。進(jìn)入21世紀(jì),隨著材料和技術(shù)的進(jìn)步革新,很多性能優(yōu)異的化學(xué)纖維纜繩,如UHMWPE纖維纜開(kāi)始在碼頭系泊、漁業(yè)、紡織[1]等越來(lái)越多領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
項(xiàng)目執(zhí)行期間了解到,具備為大型工程船提供錨系軟纜在中東海域施工業(yè)績(jī)的廠家,有且僅有美國(guó)CORTLAND和韓國(guó)DSR兩個(gè)國(guó)外廠家。經(jīng)國(guó)內(nèi)實(shí)地調(diào)研考察,九力繩纜與浙江四兄繩業(yè)等國(guó)內(nèi)繩纜企業(yè)雖無(wú)此項(xiàng)特型UHMWPE錨系軟纜生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),但長(zhǎng)期具備為國(guó)內(nèi)外用戶供貨類似結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)和規(guī)格繩纜,應(yīng)用于拖航、碼頭系泊與單點(diǎn)系泊等領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn),與項(xiàng)目需求應(yīng)用場(chǎng)景接近。工程船舶錨系軟纜股繩采用無(wú)接頭雙編12股編制要求,經(jīng)計(jì)算制繩機(jī)設(shè)備的股盤(pán)容股能力應(yīng)不小于0.7方,容股重量應(yīng)不小于0.455噸,通過(guò)工藝提升和專項(xiàng)改進(jìn),滿足錨系軟纜國(guó)產(chǎn)化對(duì)資質(zhì)、設(shè)備、業(yè)績(jī)的要求。經(jīng)綜合考量,為降低項(xiàng)目執(zhí)行成本,提升國(guó)內(nèi)繩纜行業(yè)能力和業(yè)績(jī),保證項(xiàng)目進(jìn)度控制,滿足業(yè)主硬性安全要求,項(xiàng)目決策招標(biāo)采用國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)錨系軟纜改造自有工程船舶投入國(guó)際項(xiàng)目施工。
錨系軟纜生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)要求見(jiàn)下,結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,要求生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量控制。
圖1 錨系軟纜結(jié)構(gòu)形式
UHMWPE錨系軟纜總計(jì)采辦12根,8用4備,成品長(zhǎng)度為1800米。繩芯繩股結(jié)構(gòu)為雙編12股,由各6個(gè)分別是“S”和“Z”捻向的繩股交織而成,空心編織,該編制形式纜繩不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。成繩(包含防磨護(hù)套)公稱直徑:76毫米,考慮軟纜易變形截面不規(guī)整,應(yīng)采用多組測(cè)量取平均值,結(jié)合周長(zhǎng)反推方法。纜繩材料為超高分子量聚乙烯UHMWPE纖維。護(hù)套材質(zhì)要與繩芯材質(zhì)一致,纖維型號(hào)一致。繩纜端面是圓形且緊實(shí),整繩的股繩不能有接頭,否則強(qiáng)度和直徑控制無(wú)法滿足要求。UHMWPE纖維絲線加捻成繩紗,以及繩紗編制合股工藝過(guò)程中,規(guī)范中可以有接頭,應(yīng)該是考慮纖維繩纜編制形式可保證足夠的內(nèi)部拉力強(qiáng)度。插編后破斷強(qiáng)度不低于340噸,每根成品錨系軟纜取樣進(jìn)行破斷力試驗(yàn)。
UHMWPE纖維自身?yè)碛袃?yōu)異特性,適用于海洋環(huán)境。最高工作溫度70°C,在溫度到達(dá)60°C時(shí),強(qiáng)度下降不超過(guò)20%。比重約0.97-0.98,可漂浮于海面;熔點(diǎn)為140°C ~150°C,斷裂伸長(zhǎng)率為4%-5%,纖維不吸水,具有優(yōu)異的耐紫外線性、抗化學(xué)腐蝕、耐磨自潤(rùn)滑性[2]。在開(kāi)始生產(chǎn)前,駐場(chǎng)質(zhì)量工程師需對(duì)纖維進(jìn)行抽檢,抽檢頻率為每10噸纖維一次,抽檢樣品經(jīng)獨(dú)立第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè),若檢驗(yàn)不合格,需停止生產(chǎn)以終止全部抽檢批次材料的使用,并封存處理,新批次纖維產(chǎn)品抽檢樣品合格方可繼續(xù)生產(chǎn)。
生產(chǎn)過(guò)程使用進(jìn)口Lago膠浸潤(rùn)工藝,浸膠速度按照技術(shù)要求的設(shè)定值:繩紗浸膠的速度為10分鐘每100米;內(nèi)芯12股浸膠的速度為4小時(shí)每100米;護(hù)套浸膠的速度為4小時(shí)每100米,保證整繩充分浸膠。干燥時(shí)間視天氣濕度等控制在10天左右??拷瞬凯h(huán)眼10米長(zhǎng)度區(qū)域?yàn)橐啄p特殊位置,需進(jìn)行額外涂層抗磨處理,增加環(huán)氧樹(shù)脂涂層,增加可替換耐磨護(hù)套,并針對(duì)纜繩提供詳細(xì)的使用說(shuō)明和維護(hù)保養(yǎng)方法。護(hù)套使用36錠以上編制工藝,大張力編制使護(hù)套質(zhì)地密實(shí)成繩截面圓度好,建議成繩過(guò)程使用模具輥制。單根錨系軟纜一端為自由端,可以與錨機(jī)進(jìn)行連接,一端為環(huán)眼,并安裝匹配120噸卡環(huán)的雞心環(huán)。自由端預(yù)制一個(gè)小連接頭,和牽引鋼絲連接后方便與錨機(jī)固定點(diǎn)連接,澆制固定頭后強(qiáng)度不低于30噸。使用儲(chǔ)纜滾筒存放,考慮到錨系軟纜使用期間替換下來(lái)鋼纜的無(wú)損存放,供貨的儲(chǔ)纜滾筒強(qiáng)度需滿足鋼纜倒纜使用。為滿足國(guó)際項(xiàng)目業(yè)主對(duì)設(shè)備資質(zhì)要求,需出具ABS、DNV等國(guó)際第三方產(chǎn)品證書(shū)。
鑒于國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)UHMWPE錨系軟纜尚屬首次,為保障供貨軟滿足國(guó)外項(xiàng)目使用需求,對(duì)提供的國(guó)產(chǎn)錨系軟纜生命周期主要體現(xiàn)在耐磨性能指標(biāo)提出較高要求,因此組織進(jìn)行國(guó)內(nèi)首次錨系軟纜“耐磨試驗(yàn)”和“極限惡劣工況耐磨試驗(yàn)”。
由于國(guó)際國(guó)內(nèi)并無(wú)相關(guān)耐磨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),本次試驗(yàn)所用耐磨試驗(yàn)機(jī)為特別改造定制系統(tǒng)。以廠家現(xiàn)有拉力試驗(yàn)機(jī)為框架和基礎(chǔ),根據(jù)改裝設(shè)計(jì)方案,增加大直徑滑輪、大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝置、感應(yīng)式電腦啟停反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、自動(dòng)計(jì)數(shù)器、可調(diào)頂深磨損件等,兩側(cè)磨損件表面粗糙度分別為100微米的金剛砂銼刀和200微米的碳鋼銼刀。截取試驗(yàn)纜繩合適長(zhǎng)度短節(jié),兩端按雙編12股插編要求編制環(huán)眼,安裝在磨損試驗(yàn)機(jī)滑輪組上。拉力試驗(yàn)機(jī)提供模擬錨系軟纜實(shí)際使用工況時(shí)特定內(nèi)部張力1.5噸,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng),使試驗(yàn)纜繩進(jìn)行往復(fù)移動(dòng),凸起布置的磨損件與試驗(yàn)纜繩進(jìn)行滑動(dòng)摩擦,模擬實(shí)際使用工況錨系軟纜在收放過(guò)程中與船舶錨纜通道摩擦。耐磨試驗(yàn)設(shè)備布置如圖2所示。
圖2 耐磨試驗(yàn)設(shè)備布置
耐磨試驗(yàn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為10000次往復(fù)運(yùn)動(dòng),100um粗糙度摩擦處,護(hù)套未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損;200um粗糙度摩擦處,護(hù)套也沒(méi)有嚴(yán)重受損現(xiàn)現(xiàn)象,磨損狀態(tài)如圖3所示。
圖3 耐磨試驗(yàn)結(jié)束錨系軟纜200um粗糙度磨損狀態(tài)
為更直觀測(cè)試UHMWPE錨系軟纜性能極限,進(jìn)行極限惡劣工況耐磨試驗(yàn)。剪除試驗(yàn)系統(tǒng)中單側(cè)軟纜的護(hù)套,使內(nèi)芯直接與粗糙度200um碳鋼銼刀摩擦。加大磨損件頂深至設(shè)備極限,由5cm增加至8cm。啟動(dòng)系統(tǒng)使軟纜往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦,實(shí)時(shí)觀測(cè)軟纜內(nèi)芯磨損程度。300次時(shí)可見(jiàn)內(nèi)芯明顯磨損挫傷,稍微起毛;600次時(shí)可見(jiàn)明顯起毛刺,磨損深度加大;1200次時(shí)可見(jiàn)明顯起毛球,磨損長(zhǎng)度范圍內(nèi)每根股繩最大磨損超過(guò)一半,磨損情況如圖4所示。
圖4 極限耐磨試驗(yàn)1200次后錨系軟纜繩芯磨損狀態(tài)
綜上,UHMWPE錨系軟纜的護(hù)套保護(hù)作用切實(shí)有效,是護(hù)套編織工藝和UHMWPE纖維耐磨自潤(rùn)滑性相結(jié)合的效果。軟纜內(nèi)芯由于編制形式限制,耐磨性能不佳。因此在實(shí)際操作使用過(guò)程中,應(yīng)密切跟蹤檢查錨系軟纜磨損狀態(tài),及時(shí)修補(bǔ)修復(fù)受損軟纜。
截取試驗(yàn)纜繩合適長(zhǎng)度短節(jié),兩端按雙編12股插編要求編制琵琶頭,安裝在廠家拉力試驗(yàn)機(jī)上,按照拉力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)并出具拉力試驗(yàn)報(bào)告。其中前期五批次典型拉力試驗(yàn)結(jié)果如下:試驗(yàn)拉力340噸,維持一段時(shí)間未斷裂;試驗(yàn)拉力329噸時(shí),單側(cè)琵琶頭股繩滑動(dòng),試驗(yàn)停止,經(jīng)查主體結(jié)構(gòu)無(wú)損傷;試驗(yàn)拉力393噸,維持一段時(shí)間未斷裂;試驗(yàn)拉力386噸,單側(cè)琵琶頭股繩滑動(dòng),試驗(yàn)停止,經(jīng)查主體結(jié)構(gòu)無(wú)損傷;試驗(yàn)拉力372噸,維持一段時(shí)間未斷裂。
綜上,公稱直徑76毫米錨系軟纜,去除護(hù)套實(shí)際內(nèi)芯直徑72毫米,技術(shù)要求插編后最小破斷力不低于340噸。實(shí)際交付時(shí)軟纜琵琶頭會(huì)使用環(huán)氧樹(shù)脂處理工藝避免出現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)琵琶頭編制瑕疵,但軟纜主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度即最小破斷力超出設(shè)計(jì)要求。
為測(cè)試軟纜破斷力和耐用性極限,同時(shí)廠家設(shè)備能力滿足,且積極配合試驗(yàn)研究,項(xiàng)目利用上文提到的極限惡劣工況耐磨試驗(yàn)留存樣繩,對(duì)這根無(wú)護(hù)套且內(nèi)芯大長(zhǎng)度嚴(yán)重磨損,每根股繩最大磨損超過(guò)一半的狀態(tài)極差的UHMWPE錨系軟纜,使用大噸位拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行連續(xù)破斷試驗(yàn),破斷力以拉力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)到張力減小自動(dòng)停止為標(biāo)準(zhǔn)。6次破斷力拉力試驗(yàn)斷裂處均發(fā)生在非編制琵琶頭的繩芯主體結(jié)構(gòu)處,破斷位置及連續(xù)破斷試驗(yàn)過(guò)程中錨系軟纜狀態(tài)如圖5所示,破斷力分別為202噸、197噸、159噸、127噸、139噸、99噸??梢?jiàn),受惠于先進(jìn)編制工藝,即使單股繩芯受損,錨系軟纜整體受力仍可維持較高強(qiáng)度。
圖5 連續(xù)破斷試驗(yàn)錨系軟纜狀態(tài)及破斷位置
在某些特定水域,水深不滿足動(dòng)力定位(DP)船作業(yè)要求,海底管纜的分布密集如蛛網(wǎng),新建或改擴(kuò)建工程時(shí),工程船可選擇的適合拋錨方案受限。再考慮鋪管過(guò)程中的移錨操作,極限工況單條錨纜由于跨越管線需要綁扎多達(dá)20個(gè)浮筒,對(duì)拋錨拖輪設(shè)備要求高,操作費(fèi)時(shí)效率低,且存在溜錨劃傷管線風(fēng)險(xiǎn)?;谝陨显?,部分公司要求鋪管船在進(jìn)入此類海域施工前,必須將鋪管船鋼質(zhì)錨纜更換為高強(qiáng)度軟纜。國(guó)內(nèi)UHMWPE軟纜應(yīng)用發(fā)展很快,2018年進(jìn)行陸地耐磨試驗(yàn)、拉力試驗(yàn)和海試,2019年成功應(yīng)用于國(guó)外某海域海管鋪設(shè)施工,2020年項(xiàng)目完工,國(guó)產(chǎn)UHMWPE錨系軟纜成功經(jīng)受住嚴(yán)苛的項(xiàng)目實(shí)踐考驗(yàn)。