FPSO单点系泊钢缆剩余强度评估方法

FPSO单点系泊钢缆剩余强度评估方法

于超，郑晓涛，谢小波，段北辰

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

摘要：针对FPSO系泊系统安全性问题,从服役多年系泊系统钢缆的剩余强度入手,建立系泊钢缆的剩余强度评估方法，利用无损检测仪检测系泊钢缆的损伤情况,计算剩余强度。应用水动力软件和系泊分析软件计算系泊系统的极限张力，进而得到系泊钢缆的安全系数，为FPSO生产提供安全保障。

关键词：系泊钢缆；剩余强度；评估方法；安全系数

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.004

中图分类号：U661.4；P754

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0012-03

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一于超(1986-)，男，硕士，工程师

Abstract:For safety of the FPSO mooring system, taking the mooring line which has serviced for many years in a FPSO as the research object, the residual strength assessment method of mooring lines is set forth. The damage in the mooring line is detected by the NDT instrument in order to calculate the residual strength. The ultimate tension of mooring system is calculated by the hydrodynamic software and mooring analysis software, so that the safety factor of mooring lines can be gotten, which can provide the safety guarantee for the production of FPSO.

修回日期：2015-09-01

资助项目：中海油能源发展集团项目(E-J214A021)

研究方向:油田设备科研管理、海洋工程技术

E-mail:yuchao@cnooc.com.cn

浮式生产储卸油装置(floating production storage and offloading system，FPSO)是海洋油田采油领域中的一种重要结构设施。在中国南海它通常通过单点系泊系统固定在海上，可在风、浪、流等环境因素作用下，绕系泊浮筒进行自由旋转，适用范围广、应用前景好，可用于各种不同类型的油田，集众多功能于一体；机动灵活，可重复适用，易于安装，油田停产后可继续使用[1]。

FPSO的系泊系统的水下部分一般为组合式系泊锚缆，系泊钢缆是易损构件，随着日常使用会发生断丝、磨损、腐蚀、变形等类型的损伤[2]，这些损伤使系泊钢缆的承载能力大大降低。过早的更换会造成资源浪费，过晚更换会增加系泊系统损坏的风险。目前尚未有成熟的系泊钢缆的评估、报废标准和方法，因此系泊钢缆的剩余强度评估的研究十分重要，本文研究FPSO系泊钢缆的剩余强度评估方法，以期为油田安全生产提供合理化建议。

1系泊钢缆基本参数

以海洋石油111FPSO系泊钢缆为例，该系泊系统采用不可解脱内转塔式系泊系统，系泊钢缆选用无保护层的螺旋股钢缆，设计寿命为10年，钢缆钢丝总共横截面积为9 655 mm2。总共由12层(包括中心)、378根钢丝组成。单根钢缆的最小破断载荷为15 800 kN，10年后的破断载荷为15 600 kN，系泊钢缆的横截面结构见图1。

图1　系泊钢缆横截面结构示意

2评估方法

系泊钢缆的安全系数是随着系泊钢缆的剩余强度状况和受力状况变化的动态量，安全系数的评估也就是对钢缆所处每个阶段的剩余强度和极限张力值进行分析确定。

当钢缆出现损伤时，根据损伤程度，需要进行评估范围的界定。

当损伤程度超过界定值时，进行钢缆剩余强度评估值。

当剩余强度的减少量超过设计的允许值时，进行系泊系统分析与系泊钢缆疲劳寿命的分析。

当评估后的系泊张力或疲劳寿命超过设计的允许值时，进行合适的减少张力缓解措施。

通过上述的评估，钢缆已经不满足设计使用要求(即不满足时间安全系数)，钢缆应该进行弃置更换。具体评估流程见图2。

图2　系泊钢缆剩余强度评估流程

3模型建立，计算极限张力分布

系泊系统系泊张力的大小与FPSO的船体运动紧密相关，而吃水不同船体运动状况是不同的。吃水太浅船体受风面积太大，船体运动风阻力增大；吃水太深又使船体所受的波浪阻力增大很多，对船舶的运动也不利。因此，利用HydroSTAR软件建模[3]，分析在不同吃水状态下的船舶运动情况，计算出载荷传递函数，将传递函数进一步输入到Ariane软件中计算系泊系统的极限张力及其分布。系泊系统在Ariane软件中的分析模型[4]见图3。

图3　Ariane系泊系统分析模型

以南海FPSO111系泊系统为例，考虑不同的装载状态下系泊系统受力情况。结果显示：在不同吃水下，系泊力的变化见图4。

图4　各种装载状态下系泊张力变化

由图4可知，在不同吃水深度条件下FPSO所受的张力极限值是不同的。对于系泊系统的每一根钢缆都需要进行不同装载条件下系泊张力计算，选取最大的张力点，设为Tmax。

4系泊钢缆的缺陷检测

4.1检测装置

采用水下无损检测设备——系泊钢缆无损检测仪检测系泊钢缆的损伤。检测仪磁化装置采用永磁磁化，它是由高磁能积永磁体提供高磁通，通过励磁器(传感器头)磁化一段钢缆，钢缆中的不连续(例如，断丝)将产生漏磁场，该漏磁信号被霍尔效应传感器采集，转化为电信号输出，进而执行转换、处理、记录、计算等操作。此方法能确定钢缆中断丝、内腐蚀和磨损等缺陷是否存在。

4.2检测方法

系泊钢缆在役检测需要采用工程支持船作为依托，将水下机器人ROV和检测仪连接在一起，由ROV操作人员携带检测仪下水进行无损检测，检测目标钢缆的损伤数据存储在检测仪的存储器中[5]。

将检测到的系泊钢缆损伤信号数据进行处理分析，可知其断丝数量、磨损状态、钢缆截面积损失[6]情况。

5剩余强度及安全系数计算方法

5.1系泊钢缆剩余强度计算方法

将钢缆的各种损伤认为是截面积的损失，通过剩余截面积来计算系泊钢缆的剩余强度[7]。

依据API Specification9A(ANNEX F)公式对“钢缆剩余强度进行估算。

(1)

式中：Fmin——最小破断载荷，kN；

d——钢缆的公称直径，mm；

Rr——钢缆的等级，N/mm2；

K——给定等级的钢缆最小破断强度系数。

(2)

其中：f——钢缆填充系数；

k——钢缆捻制损失系数。

钢缆填充系数f为所有钢丝计算金属横截面积总和A与以钢缆公称直径d为圆的横截面积Au的比值。可表示为：

(3)

式中：A=C·d2,C为钢缆等效横截面积系数，

参考文献系泊钢缆安全系数计算方法[8]。

系泊系统承受的最大张力所要求的安全系数被定义为系泊锚缆的剩余强度与极值条件下最大张力的比值设为SF。

(4)

海洋石油111系泊钢缆允许安全系数的规定见表1[9]。

表1　允许安全系数

当系泊钢缆的安全系数低于设计安全系数时，需要及时更换钢缆。

6结论

系泊钢缆剩余强度评估数据的真实性基础在于系泊钢缆无损检测仪的数据准确性，因此在检测作业时需要选择适宜的天气进行作业，保证数据准确、安全[10]。

系泊系统的安全关系到海上FPSO和人员安全，本文讨论的评估方法为系泊钢缆的剩余强度和安全系数评估提供了新的技术方法，该方法将会在未来FPSO系泊钢损伤缆数据的长期积累中发挥重要的作用，为FPSO作业者提供合理化建议，保证油田的安全生产。

[1] 余建星，王永功，王宏伟.风浪流联合作用下单点系泊船的受力分析[J].海洋技术,2005，24(3):96-100.

[2] 谭继文.战卫侠，田志勇，等.提升钢丝绳安全检测与评价[N].辽宁工程技术大学学报, 2002-08-22(4).

[3] 袁洪涛，曾骥，莫建，等.极端海况下深水单点系泊系统 FPSO运动响应分析[N].江苏科技大学学报：自然科学版,2015-04-29(2).

[4] 刘晓健.FPSO单点系泊系统运动相应分析[D].江苏:江苏科技大学,2013.

[5] Recommended practice for design and analysis of Station Keeping systems for floating structure [S]. API RP2 SK.

[6] 谭继文.基于损伤与张力检测的钢丝绳安全性评价[J].煤炭机电,2002(1):17-18.

[7] 刘瑜珩，董海杰，于超.单点系泊系统在役钢缆安全评价研究探索[J].资源节约与环保,2013(12):49-50.

[8] Wire Rope Integrity Management for Vessels in the Offshore Industry[R]. IMCA SEL 022: IMCA M 194-October 2008.

[9] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M].北京：石油工业出版社,2008.

[10] Specification for Wire Rope[S]. API Spec 9A.

Research of Residual Strength Assessment for

FPSO Single Point Mooring Lines

YU Chao, ZHENG Xiao-tao, XIE Xiao-bo, DUAN Bei-chen

(CNOOC Oil Production Service Co. Ltd., Tianjin 300457, China)

Key words: mooring line; residual strength; assessment method; safety factor