无损检测技术在FPSO系泊钢缆中的应用研究

,,

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

水下系泊钢缆是FPSO单点系泊系统的重要组成部分，一旦系泊钢缆出现问题，会造成FPSO重大安全隐患。南海FPSO常设计成十几年不解脱的形式，由于海水的腐蚀、台风的破坏，系泊钢缆经常会出现锈蚀、磨损、断丝等损伤，这些损伤使系泊钢缆的使用强度降低，特别是台风过后需要对系泊钢缆进行检测和评估。目前系泊系统钢缆的检测主要采用潜水员和水下机器人观测的方式[1]，这种方式仅能观察钢缆表面状态，且易受海生物及海水下环境的影响。

1 FPSO111系泊钢缆介绍

“海洋石油111”FPSO系泊系统采用不可解脱内转塔式系泊系统，2003年投入使用，设计寿命10年。系泊钢缆为螺旋股钢缆，直径130 mm，无保护层，长度210 m。锚系分为3组，每组3条，组间距为120°，线间距为5°。非对称布置,见图1。

2012年 11月，中海辉固公司对“海洋石油111”FPSO系泊系统9根钢缆进行了一般的水下外观检验。检验的过程中发现所有系泊钢缆保护涂层有不同程度的破损现象，4号系泊钢缆与上锚链连接索节发生松动；5号系泊钢缆出现1根断丝；6号系泊钢缆出现3根断丝；7号系泊钢缆有松股现象；8号系泊钢缆出现3根断丝。

2 检测仪的关键技术研究

系泊钢缆无损检测仪系统，主要采用漏磁技术，当被检系泊钢缆由于磁化后，它的表面或近表面处缺陷就会形成漏磁场，人们可以通过检测漏磁场的变化来识别系泊钢缆的缺陷[2]。针对水下应用的系泊钢缆无损检测仪设计难点有两个方面。

“海洋石油111”系泊钢缆直径较大，对直径在100 mm以上的系泊钢缆在断丝的漏磁场检测方法中，如果励磁磁路结构不合理，不能在系泊钢缆中形成较为均匀的磁场，则无法可靠、准确地获取钢缆的断丝、锈蚀、磨损信息。

FPSO111工作水深为水下100 m，为了使无损检测仪能够有更好的水下工作能力，设计密封要求为300 m，这就对无损检测仪及连接附件的密封提出了很高的要求。

2.1 大直径系泊钢缆检测技术

磁化磁路中包括永磁体、衔铁、钢缆三大组件。永磁体作为励磁源，为磁路提供磁动势，其作用相当于电路中的干电池，只是其供能方式较干电池复杂得多；衔铁在磁路中起到导磁作用，形成高磁导，低磁阻磁回路，相当于电路中的导线，其自身虽然也具有一定的磁阻，但较其他磁路组件而言已非常小；钢缆是需要进行磁化的目标构件，整个磁路的目的就是为了使钢缆中产生较大的磁感应强度，钢缆相当于电路中的应用电器[3]。见图2。

系泊钢缆的相对磁导率在1 000 H/m左右，当钢缆直径超过20 mm时，可以用一定数量、均匀分布在钢丝绳周向上的块状永磁来替代图2中的环形永磁，靠近钢丝绳表面处用环形衔铁连接，这样并不影响励磁效果，而且可以降低励磁器的重量[4]。本检测仪采用四块长方体磁铁代替环形磁铁，见图3，内圈加有环形衔铁，外围使用与磁铁等宽的长条形衔铁。

图1 HYSY111系泊系统布置示意

Ds-钢丝绳公称直径;Ls-两极靴内侧间距;Lm-永磁沿钢丝绳轴向的长度;Tm-永磁沿钢丝绳径向的厚度;S-钢丝绳表面到衔铁内侧的距离;Tx-衔铁沿钢丝绳径向的厚度;q-永磁与钢丝绳表面的气隙。图2 磁路基本结构形式

2.2 检测仪水下密封设计

系泊钢缆检测仪正常进行检测工作时，检测仪套筒表面和外表面都是浸泡在海水中的。因此检测仪的密封采用对空腔进行充填胶黏剂的方法，即检测仪各个零件相互粘合，没有气隙和气孔，以达到防水的效果。检测仪填充的胶黏剂选用爱牢达(Araldite)AW106/HV953U型号环氧树脂胶，它是一种多功能，双组份，室温固化的糊状胶粘剂， 强度高，轫性好，适用于粘结各种金属，陶瓷，玻璃，橡胶，硬塑料以及大多数常用材料，是一种用途广泛的胶粘剂。检测仪内部胶黏剂填充见图4。

图3 简化磁路结构

图4 检测仪本体胶黏剂填充密封示意

3 水下检测工程

3.1 工作原理

ROV系统负责定位、探摸、观察、录像、固定高压水枪、携带钢刷和检测仪等工作。在整个作业过程中，全程监控钢缆检测状态。ROV携带检测仪及其工具包检测1～2根系泊钢缆，同时测试检测仪的行走状况，了解水下系泊钢缆漏磁变化规律以及检测磁信号的灵敏性。

系泊钢缆检测仪是专门为水下系泊钢缆检测而开发的专用仪器。仪器采用稀土永磁磁化钢缆，并使用霍尔元件采集钢缆的漏磁信号，通过分析钢缆的漏磁信号判断钢缆的内部及表面断丝、磨损、腐蚀等缺陷[5]。

3.2 海上调试过程

1)组装检测仪与ROV连接工具包，并将工具包安装在ROV基板上。

2)将检测仪电子舱固定在ROV基板上。

3)连接检测仪与电子舱、ROV电子舱的电水密缆。

4)将蓄能器、电磁阀等应急打开系统设备固定在ROV基板上，并连接液压油管。

5)在ROV控制室操作ROV液压系统和供电系统，驱动检测仪完成张开、闭合动作，重复3～5次，观察运动情况，并进行相应参数的记录。

3.3 水下检测

将ROV连同检测仪及其工具包吊入海中，进行ROV携带检测仪行走。

驱动ROV液压系统，完成检测仪在水中打开、闭合动作。

操作ROV，使其靠近系泊钢缆，并进行吸附。 ROV携带系泊钢缆检测仪完成吸附钢缆动作，并沿钢缆一侧方向行走。当遇到障碍物时，检测仪张开，然后跨过障碍物，重复前面动作，继续进行检测工作[6]。

4 检测成果

以5#系泊钢缆(检测范围在水深35～50 m的部分)为例，对检测数据进行分析。将检测的数据导入到计算机中，利用系泊钢缆无损检测数据分析软件可以看出，被检测钢缆无断丝损伤，漏磁信号曲线中波动起伏的位置表明钢缆漏磁量发生了变化。图中信号波动表示被测系泊钢缆在一个捻距内的磨损情况，在检测位置1.06 m处，系泊钢缆的最大磨损量为0.85%。

5 结论

ROV携带系泊钢缆检测仪进行水下系泊钢缆无损检测的方案可行，所设计的工具包能够满足检测需要；

系泊钢缆检测仪水下检测信号稳定，采用合理的滤波方法无其他背景噪声信号干扰。

研发的系泊钢缆检测仪可以对水下在役的系泊钢缆进行无损检测并识别系泊钢缆的缺陷，工作稳定，操作性强。

[1] 谭静轩，刘振国，景 勇.FPSO:STP中深水单点系泊系统[C]∥2005年度海洋工程学术会议论文集，2005.

[2] 林其壬，赵佑民.磁路设计原理[M].北京：机械工业出版社，1987.

[3] 左宪章．永磁体漏磁检测原理及其在无损检测中的应用[J].电测与仪表，1994，31(11)：16-19.

[4] 谈 兵，杜润生，康宜华，等.大直径钢丝绳轴向励磁磁路的研究[J].华中理工大学学报,1994(7):36-39.

[5] 余浩然.漏磁通法油气管道在役检测技术[J].实用测试技术，1997，23(5)：1-9.

[6] Wire Rope Integrity Management for Vesselsin the Offshore Industry[R].IMCA SEL 022/IMCA M 194.2008.