海洋系泊鏈發(fā)展現(xiàn)狀探究

李劍，陶興，張衛(wèi)新，邵云亮，張明

（江蘇亞星錨鏈股份有限公司，江蘇 靖江 214533）

FPSO最主要的風(fēng)險(xiǎn)因子就是系泊系統(tǒng)故障，而導(dǎo)致其出現(xiàn)運(yùn)行故障的主要因素就是構(gòu)件疲勞。由于FPSO所處的海上風(fēng)浪變化無(wú)常，環(huán)境較為復(fù)雜，儲(chǔ)存在其中的原油載荷也會(huì)隨之進(jìn)行周期性的持續(xù)變化，以及船身因?yàn)橥廨斢痛倪B接所形成的張力，所以導(dǎo)致FPSO系泊系統(tǒng)出現(xiàn)非常復(fù)雜的受力情況，以至于很難對(duì)其展開(kāi)疲勞評(píng)估。之前大部分的研究都是以對(duì)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值為基礎(chǔ)而進(jìn)行的模擬計(jì)算。中海油為了可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系泊系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為海上油田作業(yè)提供進(jìn)一步安全保障，已經(jīng)在多條在役FPSO上陸續(xù)安裝了許多在線監(jiān)控設(shè)備，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。風(fēng)浪流等海洋環(huán)境條件、FPSO六自由度運(yùn)動(dòng)以及系泊系統(tǒng)重要結(jié)構(gòu)受力等均是系泊系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。

1 海洋工程

如果要投身于海洋工程項(xiàng)目管理，一定要對(duì)海域以及周?chē)h(huán)境了如指掌，充分了解風(fēng)、浪、流的變化規(guī)律，對(duì)施工“窗口期”進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而制定更加科學(xué)的施工方案。當(dāng)項(xiàng)目進(jìn)行招標(biāo)時(shí)，建設(shè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該仔細(xì)勘察項(xiàng)目所在環(huán)境，并出具報(bào)告，為投標(biāo)報(bào)價(jià)和施工組織提供依據(jù)，這同時(shí)也是項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)管理規(guī)劃的主要依據(jù)。對(duì)于常規(guī)的工程項(xiàng)目而言，其環(huán)境往往大體一致，最大的差異體現(xiàn)在“四通一平”的實(shí)際施工效果上，也就是通水、通電、通路、通訊、場(chǎng)地平整的實(shí)際效果，有許多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以作為參考。然而，在我國(guó)沿海地區(qū)，由于氣候條件以及海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，導(dǎo)致項(xiàng)目的技術(shù)方案、裝備選型、工期計(jì)劃、安全管理等充滿了不確定性，而大部分施工調(diào)查也都只能依賴查找翻閱歷史資料，比如過(guò)去幾年臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)間以及大風(fēng)天氣分布等統(tǒng)計(jì)值，因此，這部分的內(nèi)容只能作為參考。當(dāng)工程開(kāi)工后，施工團(tuán)隊(duì)還應(yīng)該持續(xù)觀測(cè)施工區(qū)的水文、地質(zhì)、氣象特征，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直觀體驗(yàn)后再與設(shè)計(jì)資料進(jìn)行仔細(xì)對(duì)比，進(jìn)一步了解環(huán)境變化規(guī)律，及時(shí)調(diào)整施工方案。

2 成分及工藝設(shè)計(jì)

（1）性能要求。通常情況下，大部分大型艦船、石油平臺(tái)等錨鏈及系泊系統(tǒng)都會(huì)選擇使用系泊鏈鋼。由于在使用時(shí)會(huì)受到海水鹽鹵的不斷侵蝕，因此在選擇原材料時(shí)既要選擇耐低溫性更高的材料，也要能夠承受成品鏈條嚴(yán)格的破斷、拉力以及低溫沖擊韌性檢測(cè)等條件。所以，這就對(duì)鋼的成分、純度及均勻性做出了更高的要求。

（2）工藝設(shè)計(jì)。要持續(xù)優(yōu)化LF精煉、送絲、軟吹等技術(shù)工藝，以鍛造純度更高的鋼材。選擇結(jié)晶器電磁攪拌進(jìn)行連鑄，以防止連鑄坯矯直裂紋，矯直時(shí)避免在連鑄坯脆性溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)格控制鋼材的過(guò)熱度，保障恒拉速拉鋼。此外，為細(xì)化材料的晶體結(jié)構(gòu)，應(yīng)該對(duì)乳制過(guò)程中的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且控制終軋溫度。

（3）化學(xué)成分設(shè)計(jì)。含碳量控制在0.22%～0.31%。依據(jù)使用系泊鏈的條件，為進(jìn)一步增強(qiáng)鏈條的抗腐蝕能力，應(yīng)該加入適量的Cr元素于化學(xué)成分中，保持不超過(guò)0.015%的P值，確保材料具備更強(qiáng)的低溫沖擊韌性。依據(jù)0.15%～0.35%控制其他化學(xué)成分，Mn按1.40%～1.90%控制。當(dāng)Cr和Mn兩種元素共同存在于調(diào)制鋼中，也就提升了高溫回火脆性的敏感程度，而可以加入少量Mo以遏制高溫回火脆性，從而使其具備更穩(wěn)定的材料性能，即使回火溫度較高時(shí)，依舊可以保持高硬度以及高韌性。

3 系泊鏈的疲勞研究

使用系泊鏈時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是疲勞性能。當(dāng)海上設(shè)備在運(yùn)行時(shí)受到諸如風(fēng)、浪和水流等環(huán)境載荷的制約，這些是環(huán)境載荷的主要組成部分，并受制于靜態(tài)載荷。設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)就在于系泊鏈疲勞參數(shù)，應(yīng)該制定一套設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，充分確保安全，同時(shí)考慮到材料特性、海洋環(huán)境和應(yīng)力分布等各個(gè)方面。目前，國(guó)際上系泊鏈設(shè)計(jì)主要基于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即apirp2sk和DNVglos-e301浮動(dòng)錨定設(shè)計(jì)指南。捕捉鏈中的t-n和s-n曲線單獨(dú)提供，并廣泛用于各種系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，由平面外彎曲(opb)引起的疲勞是業(yè)界關(guān)注的主要問(wèn)題之一。

4 質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)及對(duì)策

4.1 匹配船機(jī)裝備

海洋中蘊(yùn)含著龐大的能量，海洋的破壞力也同樣驚人。因此，在海洋工程建設(shè)中，對(duì)施工裝備的要求也非常嚴(yán)格，這些裝備要具備更高的自動(dòng)化程度、更大的結(jié)構(gòu)尺寸以及更強(qiáng)的施工效率等條件。此外，項(xiàng)目的建設(shè)模式要盡量保證整體化施工，通常選擇標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化與工廠化的施工模式。施工團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)全面了解周邊環(huán)境與海況，應(yīng)該使用浮吊船、運(yùn)輸船、拖輪、錨艇或交通船等與實(shí)際相符的船機(jī)械資源。這些裝備既要與施工海域相適用，還要與其相匹配。以浮吊船為例，不僅要注重吊高、吊重等數(shù)據(jù)，也要注重船體長(zhǎng)度，通常不低于施工海域1.5倍的波長(zhǎng)；運(yùn)輸船定位要選擇四錨，依據(jù)水深狀況確認(rèn)錨繩長(zhǎng)度與錨發(fā)熱重量；拖輪、錨艇的拖力及功率要符合進(jìn)場(chǎng)時(shí)采用的無(wú)動(dòng)力船；浮吊船一定要與運(yùn)輸船的選型相適配。

4.2 考慮季節(jié)性作用的時(shí)變可靠性

海洋環(huán)境負(fù)荷的季節(jié)性較強(qiáng)，在計(jì)算疲勞可靠性時(shí)，其荷載的裝載順序與損害累積速度一定程度上會(huì)影響隨時(shí)間變化的可靠性計(jì)算結(jié)果。如若想獲取指標(biāo)值更好的疲勞可變可靠性，一定考慮將季節(jié)性變化。（1）將負(fù)荷期間劃分為4個(gè)季節(jié)，針對(duì)季度負(fù)荷進(jìn)行分開(kāi)計(jì)算，然后獲取其負(fù)荷分布以及平均疲勞損傷。（2）依據(jù)時(shí)間與負(fù)荷的不同分別計(jì)算累積損害估計(jì)公式，將季節(jié)變化的影響計(jì)算進(jìn)去。（3）各時(shí)期的可靠性變化。

4.3 加強(qiáng)相關(guān)管理，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)

隨著我國(guó)海洋工程陸地項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展，組塊陸地建造技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。為不影響施工質(zhì)量，應(yīng)該重視施工裝備的應(yīng)用與更新，施工人員首先可以著手引進(jìn)先進(jìn)的工程設(shè)備，然后在引進(jìn)優(yōu)秀技術(shù)之余，使其操作更加簡(jiǎn)便。其施工細(xì)則要立足項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化、深化設(shè)計(jì)細(xì)則，運(yùn)用幾何思維建模軟件技術(shù)，避免在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生施工內(nèi)容更改、缺乏科學(xué)預(yù)估工程量以及存在施工控制風(fēng)險(xiǎn)等情況。一體化建造技術(shù)在當(dāng)下實(shí)際施工技術(shù)的運(yùn)用中，其使用價(jià)值是不可預(yù)測(cè)的。

4.4 變更強(qiáng)化措施

海洋工程EPC項(xiàng)目合同中的工作界面復(fù)雜，非常容易產(chǎn)生責(zé)任方與配合方職能不明的情況，因此，應(yīng)該在施工中設(shè)置分工矩陣，使各方責(zé)任更加分明。分工矩陣也就是RACI（責(zé)任分配矩陣），制定了矩陣內(nèi)各相關(guān)方在此項(xiàng)工作中所對(duì)應(yīng)的責(zé)任，R（Responsible），負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)；A（Accountable），負(fù)責(zé)批準(zhǔn)與評(píng)價(jià)任務(wù)；C（Consulted），負(fù)責(zé)提供支持與咨詢服務(wù)；I（Informed），負(fù)責(zé)應(yīng)及時(shí)被通知的信息接收者。為了方便說(shuō)明，提出變更的一方簡(jiǎn)稱為甲方，即海洋工程開(kāi)發(fā)方，變更施工的一方簡(jiǎn)稱為乙方，也就是海洋工程EPC項(xiàng)目總包方。在簽訂或啟動(dòng)的時(shí)侯，項(xiàng)目分工界面表由甲、乙兩方共同創(chuàng)建，也就是分工矩陣，制定了兩方所承擔(dān)的責(zé)任，分工矩陣相較長(zhǎng)篇文字的優(yōu)點(diǎn)是可以更簡(jiǎn)潔、明確地體現(xiàn)雙方責(zé)任，當(dāng)甲乙雙方展開(kāi)變更談判時(shí)，方便甲乙雙方更迅速地評(píng)估變更成立的條件，從而有效提升變更談判效率。

4.5 腐蝕機(jī)理

一般情況下，均勻腐蝕、坑內(nèi)腐蝕、細(xì)菌腐蝕等都屬于錨鏈腐蝕。其原因與許多因素有關(guān)，例如，海水溫度、深度、細(xì)菌、材料純度以及氧氣含量等。國(guó)內(nèi)外許多團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)深入研究物理鏈環(huán)在平臺(tái)上的腐蝕特性，然后通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中展開(kāi)模擬以研究形成機(jī)理，繼而獲取環(huán)境、材料組成及技術(shù)等因素對(duì)腐蝕性能產(chǎn)生的影響。若干石油公司和行業(yè)分包商組織的scorchjip項(xiàng)目分析了實(shí)際水中錨鏈的腐蝕情況，并初步分析了造成這種腐蝕的原則和應(yīng)對(duì)措施。研究的重點(diǎn)是某些平臺(tái)（西非生產(chǎn)平臺(tái)）的鏈腐蝕問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)坑深受到嚴(yán)重侵蝕，當(dāng)?shù)刂睆綋p失35%，而破斷載荷也下降到公稱載荷的80%～90%；在這一地區(qū)，有較大的可能是因?yàn)槲⑸飳?duì)鏈條產(chǎn)生了坑蝕，這與高溫氣候以及海水中豐富的氮含量有關(guān)。JIP項(xiàng)目LMCC則主要對(duì)影響系泊鏈局部腐蝕的熱處理狀態(tài)、拉力狀態(tài)等因素進(jìn)行了研究，研究表明，鏈環(huán)表面生成的局部腐蝕并不因細(xì)菌的產(chǎn)生與消失而有所變化，此類(lèi)局部腐蝕會(huì)隨著鋼材中的MnS等夾雜物的變化而變化，此外，鋼的局部腐蝕抗性也會(huì)受到拉力試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的永久變形而影響。研究了達(dá)到最佳防腐性能的熱處理方法，研究了不同的攪拌和回火溫度對(duì)r4s鏈防腐性能的影響，以及織物、成分和腐蝕特性等幾個(gè)因素對(duì)鏈腐蝕行為的影響。

4.6 結(jié)構(gòu)總裝階段

當(dāng)進(jìn)行到結(jié)構(gòu)總裝工作階段時(shí)，意味著陸地結(jié)構(gòu)已基本完工。所有任務(wù)中所涉內(nèi)容最全、占地面積最大的部分都屬于此項(xiàng)工作的工作內(nèi)容，各個(gè)施工工序互相作用，收尾工作除結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)一定要完成外，剩余的專(zhuān)業(yè)也都應(yīng)該加入進(jìn)來(lái)，從而確保施工時(shí)的各種內(nèi)容不受干擾，同時(shí)也使各專(zhuān)業(yè)的工作互相牽制。對(duì)于陸地建設(shè)部分的工程管理部分而言，陸地建造首先要建設(shè)完主體工程，然后再陸續(xù)進(jìn)行墻皮、管線支架、連接管線、電纜支架和設(shè)備底座的安裝。但是，在進(jìn)行施工時(shí)，施工人員不能自行完成專(zhuān)業(yè)完整的鋪設(shè)及收尾工作，以免對(duì)之后的保溫棉、舾裝板等安裝工作造成影響。在進(jìn)行部分施工工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)該著重關(guān)注設(shè)計(jì)與加工細(xì)則，充分考慮其中的結(jié)構(gòu)、管線與電纜構(gòu)建等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安裝。在進(jìn)行實(shí)際安裝時(shí)，很容易產(chǎn)生碰撞事件，如若對(duì)其不管不顧，很容易導(dǎo)致項(xiàng)目發(fā)生變更或返工等情況。為此，進(jìn)一步健全施工規(guī)范則尤為重要，以免影響施工進(jìn)度，假如發(fā)生臨時(shí)情況，也可以依據(jù)之前做好的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和調(diào)節(jié)計(jì)劃執(zhí)行，以最大限度地減少維護(hù)時(shí)間并確保維護(hù)效果。

4.7 考慮腐蝕作用的時(shí)變可靠性

盡管腐蝕不能對(duì)材質(zhì)性能造成很大的影響，卻能對(duì)結(jié)構(gòu)比例造成很大的影響。熱軋鋼的實(shí)驗(yàn)研究表明，相較于低于5%的截面損失率以及均勻腐蝕的低腐蝕鋼，其sn曲線依舊具備顯著的撓度點(diǎn)，拉伸與法規(guī)要求相符，可將材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度等同于母材，計(jì)算承受負(fù)荷時(shí)，就應(yīng)該將截面的折減計(jì)算進(jìn)去。所以，錨鏈截面面積的縮小引起的強(qiáng)度縮減就是均勻腐蝕的影響簡(jiǎn)化。

材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可以認(rèn)為是相同的?；南嗤?，在計(jì)算軸承載荷時(shí)，應(yīng)考慮橫截面的減小。因此，將均勻腐蝕的影響簡(jiǎn)化為由于錨鏈橫截面積的減小而導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。

5 結(jié)語(yǔ)

作為系泊系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分，系泊鏈擁有著優(yōu)異的綜合性能與獨(dú)一無(wú)二的特性，此外，系泊鏈的可靠性對(duì)平臺(tái)服役的安全性發(fā)揮著重要的作用。所以，國(guó)內(nèi)外油氣公司、承包商以及研究機(jī)構(gòu)等都熱衷于展開(kāi)項(xiàng)目建設(shè)，著眼于材料、疲勞、腐蝕、環(huán)境等各個(gè)角度全面看待結(jié)合關(guān)系。此外，由于鏈性能研究的日益普及，新的材料、工藝及制造設(shè)備也隨著技術(shù)工程師和工程師越來(lái)越多地采用一些基本學(xué)科和機(jī)制而出現(xiàn)，從而進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性與科學(xué)性。不僅如此，過(guò)于繁雜的平臺(tái)服務(wù)環(huán)境與越來(lái)越嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)資源綁定提出了更高的要求，以推進(jìn)這一領(lǐng)域的研究，促進(jìn)整個(gè)綁定行業(yè)的發(fā)展。