馮麗梅

[中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

聚酯纜在深水系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮麗梅

[中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

聚酯纜在國外深水系泊系統(tǒng)已有近二十年應(yīng)用歷史，隨著我國海上油氣開發(fā)逐漸步入深水，聚酯纜系泊系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。首先介紹聚酯纜的應(yīng)用歷史、聚酯纜基本構(gòu)成及生產(chǎn)工藝，然后闡述了聚酯纜特性及其在設(shè)計(jì)、施工、維保上的特殊要求，對(duì)比聚酯纜和鋼纜的差異，引出聚酯纜在南中國海首次應(yīng)用需注意的問題，對(duì)我國南海油氣開發(fā)有一定的借鑒意義。

深水系泊系統(tǒng)；纖維纜；聚酯纜；南中國海

0 引 言

世界范圍內(nèi)有多種用于深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)、鉆井平臺(tái)的系泊/拖帶的復(fù)合材料纖維纜，從搜集到的資料來看，主要涉及到聚酯、聚丙烯、尼龍、馬尼拉麻、迪尼瑪?shù)龋埘ダ|也因強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、疲勞好等性能被廣泛應(yīng)用于深水浮式平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)中。

聚酯纜系泊系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別集中在巴西及墨西哥灣海域；最早是巴國油于1995年開始帶有實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用聚酯纜，應(yīng)用了1～2年后進(jìn)行了更換。真正意義上的第一個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用是1997年的巴國油的一個(gè)外輸系泊浮筒。目前搜集到幾十個(gè)聚酯纜的應(yīng)用工程實(shí)例，其中有三十多個(gè)項(xiàng)目是永久系泊系統(tǒng)，包括浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸裝置(FPSO)、半潛式平臺(tái)(SEMI)、單柱式平臺(tái)(Spar)等浮式設(shè)施，錨泊系統(tǒng)多由SOFEC， SBM, Intermoor, Technip等幾個(gè)公司總包[1]。這些永久系泊系統(tǒng)案例中，僅3例用在500 m以淺水深，且都為圓筒形FPSO。

我國海上油氣開發(fā)正向深水發(fā)展。為在南中國海成功應(yīng)用聚酯纜系泊系統(tǒng)，本文對(duì)聚酯纜在深水系泊系統(tǒng)中應(yīng)用的各個(gè)方面加以介紹。

1 聚酯纜基本構(gòu)成及生產(chǎn)工藝

國際上有二十多個(gè)聚酯纜生產(chǎn)廠家，比較著名的廠家有Marlow、CSL、Whitehill、Bridon、Lankhorst等，所有已投入使用的聚酯纜加起來有800多公里。圖為Lankhorst公司的GAMA98型聚酯纜的基本構(gòu)成[2]：外層為編織保護(hù)套，耐磨，保護(hù)受力芯繩；次外層為過濾層，能防止3～5 μm及更大的顆粒進(jìn)入纜內(nèi)產(chǎn)生磨損；內(nèi)層為聚酯芯繩，承受拉力；如果海上安裝要求聚酯纜預(yù)鋪到海底，根據(jù)業(yè)主要求，可以在外層纏繞兩層保護(hù)套，次內(nèi)層設(shè)置兩層過濾層。

圖1 聚酯纜的基本構(gòu)成Fig.1 Composition of polyester rope

制造過程中，需要進(jìn)行拉力測(cè)試、延展性和剛度測(cè)試、接長測(cè)試、蠕變率測(cè)試；若海上安裝程序要求聚酯纜預(yù)鋪到海底，則需要在該海域進(jìn)行海底拖拉實(shí)驗(yàn)，以檢測(cè)其磨損程度；如果與非扭力平衡鋼纜連接，則需要做扭轉(zhuǎn)測(cè)試；通常情況下，其長度精度控制在±(0.5%～1%)內(nèi)，比鋼纜要求高。

2 聚酯纜特性及特殊要求

通過SOFEC、SBM等系泊系統(tǒng)廠家的介紹以及與Bridon、Lankhorst等纜繩廠家的交流，總結(jié)出聚酯纜優(yōu)缺點(diǎn)如下。

2.1 聚酯纜的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)同等破斷力的鋼纜，聚酯纜有重量輕、價(jià)格低、抗海水腐蝕、疲勞性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

(1) 重量輕：水中接近自??；因質(zhì)量輕，可采用張緊式系泊系統(tǒng)，減輕系泊系統(tǒng)重量(張緊式與懸鏈線式系泊系統(tǒng)的對(duì)比如圖2所示)，提高系泊水平回復(fù)力效率，提高浮體的有效載荷；相比懸鏈線形式，可減少40%的錨系半徑，大大降低采辦費(fèi)用。

圖2 懸鏈線式和張緊式系泊系統(tǒng)Fig.2 Catenary type and taut type mooring system

(2) 價(jià)格低：相同破斷強(qiáng)度的聚酯纜采辦成本遠(yuǎn)低于鋼纜，詳見表1。

表1 聚酯纜及鋼纜質(zhì)量與價(jià)格對(duì)比

(3) 抗海水腐蝕：在海水中不發(fā)生腐蝕，不需要腐蝕余量或陽極保護(hù)。

(4) 疲勞性能好：實(shí)驗(yàn)證明其疲勞性能要遠(yuǎn)好于鋼纜和錨鏈。

(5) 強(qiáng)度高：強(qiáng)度/質(zhì)量比高；目前Lankhorst公司的最大型號(hào)為MBL2500,最小破斷力(MBL)高達(dá)24 500 kN，直徑290 mm。

2.2 聚酯纜的缺點(diǎn)

但聚酯纜也有應(yīng)用歷史短、不抗磨、易受損、易蠕變、剛度非線性問題顯著等缺點(diǎn)。

(1) 應(yīng)用歷史短：截至2015年，聚酯纜最長服役記錄為14年；剛開始應(yīng)用時(shí)，規(guī)范規(guī)定每個(gè)項(xiàng)目的錨腿上必須設(shè)置一個(gè)插入段，服役一定時(shí)間后需要更換該插入段，并進(jìn)行陸地實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)在美國船級(jí)社(ABS)等船級(jí)社對(duì)此已不做要求[3]。

(2) 不抗磨、易受損：聚酯纜運(yùn)輸、存儲(chǔ)及使用過程中應(yīng)避免機(jī)械磨損、尖銳物體或粗糙表明的刮擦，避免高溫和日曬。

(3) 抗拉伸性能較差：如圖3所示，曲線1為第一次加載拉力時(shí)的形變，曲線2為第一次卸載時(shí)的形變，曲線3為再次加載時(shí)的形變，可以看出聚酯纜卸載后仍有較多的殘余形變，殘余形變最多能達(dá)到3%～5%，但只要經(jīng)歷過一次較高加載值后，再次拉伸到此值，殘余形變僅有小幅度增加。

圖3 拉力/延展率曲線示例Fig.3 Demonstration of load and extension rate

(4) 蠕變：雖然相對(duì)于其他復(fù)合纖維纜，聚酯纜的蠕變較小，但對(duì)于永久系泊系統(tǒng)，長期服役的聚酯纜預(yù)張力會(huì)降低，當(dāng)降低到設(shè)計(jì)臨界值時(shí)，需對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行再張緊；對(duì)于張緊式系泊系統(tǒng)，不能僅通過錨腿角度評(píng)判是否需要進(jìn)行再張緊，要輔以其他措施進(jìn)行綜合判斷[3]。

(5) 剛度非線性：聚酯纜的剛度是非線性的、非常復(fù)雜的，隨加載力的大小、持續(xù)時(shí)間、循環(huán)次數(shù)等多因素的變化而變化。這使得錨系設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，常用的兩種簡化方式為：分別取安裝后剛度值及臺(tái)風(fēng)后剛度值進(jìn)行計(jì)算，或按圖4所示剛度曲線取值。

基于特性(3)和(4)，需要在安裝及服役期間進(jìn)行下述工作。

(1) 安裝時(shí)的預(yù)拉伸：若安裝時(shí)僅將聚酯纜拉伸至系泊系統(tǒng)預(yù)張力，則聚酯纜僅產(chǎn)生一部分殘余形變，服役期間經(jīng)歷惡劣天氣后，聚酯纜的殘余形變較大，一般能達(dá)到3%～4%[4]；若安裝時(shí)拉伸至30%～40%的破斷力，促使其完成大部分的殘余拉伸變形，則后期殘余變形很少，這樣可減少再張緊的次數(shù)。

(2) 在役期的再張緊：規(guī)范要求安裝一年后及第一次經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)后進(jìn)行張緊；后期需定期檢查錨腿角度、張力，若角度偏小或張力降低到臨界值以下，需重新進(jìn)行張緊。

蠕變和剛度的非線性是聚酯纜應(yīng)用初期研究較多的方向，業(yè)界通過大量的全尺度、循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)，目前對(duì)這些特性已有確切的簡化計(jì)算方法和規(guī)范規(guī)定。圖4是典型的剛度曲線，不同廠家的不同產(chǎn)品有自身的剛度曲線，文獻(xiàn)[5]描述了剛度曲線測(cè)試相關(guān)內(nèi)容。

圖4 剛度曲線Fig.4 Stiffness curve

3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中聚酯纜和鋼纜的主要差異

鋼纜在南中國海應(yīng)用已很成熟，下面通過比較聚酯纜和鋼纜幾個(gè)重要的不同點(diǎn)來加深對(duì)聚酯纜的理解。如表2所示，規(guī)范對(duì)聚酯纜安全系數(shù)要求比鋼纜安全系數(shù)高；聚酯纜的剛度非線性，隨加載大小、歷史、頻率等變化，鋼纜剛度是個(gè)常量；聚酯纜需要預(yù)拉伸以完成大部分形變，鋼纜不需要；針對(duì)聚酯纜拉-拉疲勞，目前已有廣泛而深入的實(shí)驗(yàn)研究，總循環(huán)次數(shù)近4×107次，這些實(shí)驗(yàn)都表明聚酯纜有優(yōu)異的抗疲勞性能，其疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼纜和錨鏈[6-7]。以拉伸疲勞為例，如圖5所示[3,8]，取同等循環(huán)應(yīng)力幅值R=0.398，聚酯纜疲勞循環(huán)次數(shù)N=106.2，鋼纜疲勞循環(huán)次數(shù)N=104.4，聚酯纜是鋼纜的近百倍。

表2系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中聚酯纜和鋼纜的主要差異

Table2Mooringsystemdesigndifferencesbetweenpolyesterropeandwirerope

類型聚酯纜鋼纜安全系數(shù)完整/破損工況(永久系泊系統(tǒng))1.82/1.431.67/1.25剛度非線性常數(shù)拉伸疲勞性能(墨西哥灣)更好好動(dòng)態(tài)響應(yīng)放大幅值很小10%～20%是否需要做預(yù)拉伸分析需要不需要

圖5 鋼纜和聚酯纜拉伸疲勞曲線[3,8]Fig.5 Fatigue design curves of wire rope and polyester rope[3,8]

4 聚酯纜在南中國海應(yīng)用需探討的問題

由于其蠕變特性，聚酯纜服役期間需要再張緊，規(guī)范要求安裝后一年及第一次經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)后需進(jìn)行張緊，后期需定期檢查錨腿角度和張力，若張力低至設(shè)計(jì)下限，需進(jìn)行張緊。

對(duì)于多點(diǎn)式系泊系統(tǒng)，通常采用浮式設(shè)施上系泊系統(tǒng)自身的錨機(jī)或錨鏈頂升液壓缸(見圖6)進(jìn)行；且錨腿張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于平臺(tái)甲板上，不易受臺(tái)風(fēng)影響，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，維保簡單，比較容易得到錨腿張力數(shù)值并判斷是否需要張緊錨腿。

對(duì)于不帶單點(diǎn)浮筒的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，通常采用單點(diǎn)自身的大絞車進(jìn)行張緊。該作業(yè)視大絞車與內(nèi)轉(zhuǎn)塔的相對(duì)位置(見圖7)而定：若大絞車位于FPSO甲板上，隨船對(duì)地轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊作業(yè)需用到2條限位拖輪，每次張緊作業(yè)需要幾百萬元人民幣；若大絞車位于轉(zhuǎn)塔內(nèi)部，對(duì)地不動(dòng)，張緊作業(yè)不需要拖輪限位。

對(duì)于帶單點(diǎn)浮筒的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，需要大馬力拖輪從錨樁側(cè)張緊錨鏈，作業(yè)工期稍長。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的錨腿張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于水面以下，易受臺(tái)風(fēng)破壞，可靠性差，且難以維修，錨腿張力數(shù)值時(shí)常缺失?？紤]到南中國海臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的氣候特點(diǎn)，張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障時(shí)，如何判斷是否需要張緊錨腿，僅通過傾角儀檢查錨腿角度是否可靠，浮式設(shè)施經(jīng)歷何種臺(tái)風(fēng)后需要?jiǎng)佑盟聶C(jī)器人(ROV)進(jìn)行檢查。這些具體的運(yùn)營維保問題，需要進(jìn)一步的研究和調(diào)研。

圖6 錨鏈頂升液壓缸Fig.6 Linear chain jack

圖7 大絞車與內(nèi)轉(zhuǎn)塔的相對(duì)位置Fig.7 Relative position of pull-in winch and turret

5 聚酯纜在不同水深應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

以1 400 m超深水和400 m深水為例，計(jì)算聚酯纜和鋼纜的采辦費(fèi)用。1 400 m水深錨系構(gòu)型參照文獻(xiàn)中Mad Dog項(xiàng)目的有限資料，因未查找到錨鏈相關(guān)數(shù)據(jù)，為簡化計(jì)算，表3僅對(duì)比了Mad Dog項(xiàng)目鋼纜和聚酯纜采辦費(fèi)用的差異；400 m水深錨系構(gòu)型參照南海某油田前期研究的設(shè)計(jì)成果。

表3 聚酯纜和鋼纜在深水和淺水項(xiàng)目中的采辦費(fèi)用

從表3可以看出，超深水項(xiàng)目中聚酯纜的采辦成本優(yōu)勢(shì)明顯。聚酯纜重量輕，能減少系泊載荷，從而減小錨鏈的直徑、降低對(duì)錨機(jī)的能力要求，降低系泊系統(tǒng)采辦費(fèi)用。相比于鋼纜形式，聚酯纜系泊系統(tǒng)水平位移更小，有利于減少立管費(fèi)用，特別是對(duì)于頂張緊立管、鋼懸鏈線(SCR)立管；在超深水項(xiàng)目中，聚酯纜對(duì)項(xiàng)目有著整體的貢獻(xiàn)，其節(jié)約的成本不僅限于系泊系統(tǒng)本身。

而對(duì)于400 m水深，聚酯纜的采辦成本優(yōu)勢(shì)不明顯。400 m水深項(xiàng)目中，鋼纜形式的系泊系統(tǒng)水平位移可以控制在15%水深，以滿足立管要求，聚酯纜的應(yīng)用對(duì)系泊系統(tǒng)及軟管的貢獻(xiàn)不大；若應(yīng)用到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，再張緊等維保作業(yè)削弱了聚酯纜的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 語

聚酯纜系泊系統(tǒng)在墨西哥灣、巴西等海域已有多年應(yīng)用歷史，屬于成熟技術(shù)；相對(duì)于鋼纜，聚酯纜自身的剛度非線性、蠕變等特性導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)、施工、維保上有一定的特殊要求。通過400 m水深和1 400 m水深的案例，綜合對(duì)比采辦、安裝、維保各環(huán)節(jié)，認(rèn)為聚酯纜在400 m水深的成本優(yōu)勢(shì)不明顯，在超深水中的成本優(yōu)勢(shì)顯著。若將聚酯纜應(yīng)用到南中國海，還需要在維保等方面繼續(xù)進(jìn)行深入的探討。

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[8] American Petroleum Institute. API RP 2SK. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S]. 2010.

UsageofPolyesterRopeinDeepwaterMooringSystem

FENG Li-mei

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Polyester rope has been put into usage as part of mooring lines for two decades around the world. As the offshore oil and gas development in the South China Sea goes deeper and deeper, polyester rope will be widely used sooner or later. The history, composition, production process of polyester rope, as well as characteristics and specific requirements during engineering, installation and maintenance of polyester rope are described. The differences between polyester rope and wire rope mooring system design are also listed. The re-tension issues during maintenance should be discussed further if the polyester rope is planned to be used in the South China Sea. This work can provide some guidance for the usage of polyester rope in the South China Sea.

deepwater mooring system; fiber rope; polyester rope; South China Sea

2016-05-31

馮麗梅(1985—)，女，碩士，主要從事船舶與海洋工程方面的研究。

U656.1+26

A

2095-7297(2016)05-0315-05