单点系泊系统损伤钢缆剩余强度评估研究

杨天笑， 陈 池， 王 敦， 陈瑞峰

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司， 广东 深圳 518067 2.深圳市润渤船舶与石油工程技术有限公司， 广东 深圳 518067 )



单点系泊系统损伤钢缆剩余强度评估研究

杨天笑1， 陈 池1， 王 敦2， 陈瑞峰2

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司， 广东 深圳 518067 2.深圳市润渤船舶与石油工程技术有限公司， 广东 深圳 518067 )

系泊钢缆通常使用在浮式生产储油船( FPSO)单点系泊锚腿的上升段与躺地段，从工程实践与系统水下检验检测可以发现，钢缆磨损、腐蚀、断丝、松股等形式的损伤是最常见而且最严重的。该文以南海某FPSO使用10年的钢缆为研究对象，采用理论计算与破断试验的方法评估损伤钢缆的剩余强度，研究各种损伤对理论公式相关参数的影响，并验证理论计算方法的合理性与可靠性，为系泊钢缆安全评价以及系泊系统完整性管理提供科学方法。

单点系泊系统; 钢缆; 剩余强度; 破断试验; 破断载荷

0 引言

我国南海海域深海油气资源丰富，据目前预测大约有350亿吨～500亿吨油气当量，由于南海油气田水深以及海洋环境等复杂因素的影响，目前主要采用浮式生产储油装置(FPSO)作为海上油气田开发的核心单元，其中系泊系统是其最关键的组成部分。南海FPSO系泊系统采用内转塔悬链线锚腿式单点系泊系统，系泊锚腿由上钢缆、配重锚链、躺地钢缆、锚端的锚链组成。从工程实践与系统水下检验检测中发现，钢缆的损伤是最常见而且最严重的，多发生断丝、缆丝松股、腐蚀、磨损等损伤现象，这些损伤将直接导致系泊钢缆的强度降低，疲劳寿命减少。但现阶段已有的钢缆强度计算方法是否适用于海上永久式单点系泊系统损伤钢缆，行业内一直没有得到验证。因此，评价出现损伤的系泊钢缆使用的安全性和可靠性，评估系泊钢缆的剩余强度是亟待解决的问题。

1 泊钢缆

南海某FPSO所使用的系泊钢缆为无保护层的螺旋股钢缆，设计使用寿命为10年，钢缆的具体属性参数见表1。

表1 系泊钢缆属性

图1 钢缆的结构示意图

钢缆钢丝总共横截面积为9 655 mm2，由12 层(包括中心)、378 根缆丝组成。1根中心钢丝直径为6.73 mm、向外依此6+12+18+24+30+36+42+48+53共9层钢丝直径为5.53 mm、1层直径6.1 mm共54根钢丝和最外层54根直径6.73 mm的钢丝组成。所有缆丝都经过热镀锌表面处理，根据ASTM A 856 Class 100 标准要求，镀锌覆盖层最小满足305 g/m2。钢缆钢丝的丝间填充物为无定形聚乙烯填塞混合物，钢丝的最小平均拉伸强度为1 660 MPa～1 800 MPa，该钢缆结构如图1所示。

由于该系泊钢缆工作于恶劣的南海海洋环境，通过ROV水下检测以及陆地检测发现钢缆出现不同程度的损伤，外层钢丝松股、腐蚀，钢丝直径明显减小，而且出现了断丝现象，因此需要进一步研究钢缆的剩余强度情况。

2 系泊钢缆强度理论计算方法

依据规范API Specification 9A与标准ISO 17893钢缆最小破断载荷理论计算公式如下：

式中：Fmin为最小破断载荷，kN；d为钢缆的公称直径，mm；Rr为钢缆的等级，N/mm2；K为给定等级的钢缆最小破断强度系数。

式中：k为钢缆捻制损失系数;f为钢缆填充系数。

从上面的分析可以看出，钢缆的剩余强度与截面积大小和钢缆填充系数、捻制损失系数有关。

假设钢缆横截面积损失的过程中，钢缆防腐保护与捻制结构保持完好无破损，即最小破断强度系数不变，因此可以对上述公式进行整理换算得：

依据该公式对南海某FPSO系泊系统使用钢缆强度进行计算分析，给出钢缆剩余强度与断丝数量、金属截面积损失关系如图2、图3所示。

图2 钢缆剩余强度与断丝数关系 图3 钢缆剩余强度与截面积损失关系图

在系泊钢缆实际的过程中，由于钢缆会出现多种形式的损伤，剩余强度变化是复杂的，因此需要通过钢缆破断试验来验证理论计算方法的合理性与可靠性。

3 系泊钢缆破断试验

3.1 破断试验件选取

为了验证理论计算方法是否适合钢缆剩余强度的计算以及计算结果的可靠性，对钢缆进行破断试验，钢缆破断试验件选取见表2。

表2 钢缆破断试验件选取

3.2 计算结果与分析

两个钢缆试验件的剩余强度见表3。

表3 试验件剩余强度

破断试验过程所加载的拉伸与时间曲线如图4、图5所示。

图4 试验件1拉伸与时间曲线 图5 试验件1拉伸与时间曲线

结果统计如下：

(1)试验件1为原130 mm直径的钢缆去除外四层钢丝，直径82.55 mm的钢缆，表面覆盖防腐油脂，钢丝镀锌层完好，钢缆横截面理论损失率59.77%，剩余强度理论值6 356 kN,试验值为6 434.6 kN。

(2)试验件2为原130 mm直径的钢缆，外层腐蚀磨损松股，采用漏磁检测测量钢缆横截面损失率为28.56%，剩余强度理论值11 288 kN,试验值为10 726.3 kN。

4 结论

通过对损伤系泊钢缆进行破断试验以及剩余强度评估研究，得出以下结论：

(1)钢缆防腐保护完好的情况下，剩余强度理论公式计算值与破断试验测量值误差为1.2%，说明规范给出的理论公式计算该类型的单点系泊钢缆最小剩余强度。

(2)钢缆外层防腐发生破坏时，剩余强度理论公式计算值大于破断试验测量值，误差为5.2%，误差有所增大，说明损伤的钢缆不仅使钢缆横截面积发生损失，同时也改变了钢缆的捻制与填充系数，但横截面积的损伤对钢缆的剩余强度减小的贡献占主导因素。因此对于不同损伤程度的钢缆，修正破断载荷系数或考虑合适的安全系数理论公式计算钢缆最小剩余强度是可行的。

(3)通过，使用系泊钢缆剩余强度的理论计算方法研究与试验验证，提出合理科学的方法计算使用的钢缆剩余强度，为系泊系统以及系泊钢缆安全评价提供科学的方法。

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Research on the Damage Wire Rope Residual Strength of
the Single Point Mooring System

YANG Tian-xiao1， CHEN Chi1， WANG Dun2， CHEN Rui-feng2

(1. Shenzhen Branch of CNOOC Ltd, Guangdong Shenzhen 518067, China;2. Shenzhen Rainbow Ship and Oil Engineering Co., Ltd, Guangdong Shenzhen 518067, China)

Wire ropes are often used in the riser segment and ground segment of the mooring line of the FPSO mooring system. And it is found in the engineering practice and underwater inspection that the defects of wire rope, such as wear, corrosion, broken wire, and loose strand appear most frequently and are the severest ones. This paper chose a wire rope which had been used for a FPSO for ten years in South China Sea as the research subject, by assessing the residual strength of the wire rope with theoretical calculation and test measurement method and studying the influence of the defected wire rope to the formula parameters to verify the rationality and reliability of the theoretical calculation method, so as to offer a scientific method for the safety evaluation of wire ropes and the integrity management of mooring system.

single point mooring system; wire rope; residual strength; breaking test; breaking force

2014-11-17

杨天笑(1980-)，男，工程师。

1001-4500(2015)03-0027-04

P75

A