王火平，陳道毅

(1.清華大學(xué) 深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518000；2.中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司 深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

目前，全世界共有近300座永久系泊系統(tǒng)，很多服役年限已超過(guò)原設(shè)計(jì)使用壽命，面臨著超期服役的問(wèn)題。為掌握錨鏈服役多年后的腐蝕情況及強(qiáng)度折減機(jī)理，近年來(lái)國(guó)外針對(duì)西非、墨西哥灣等海域相繼開(kāi)展錨鏈腐蝕研究[1-4]，國(guó)內(nèi)也有一些前期的理論研究[5]。本文以中國(guó)南海海域長(zhǎng)期服役的南海勝利號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)系泊錨鏈為例，對(duì)錨鏈腐蝕原因和剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，為系泊系統(tǒng)延壽評(píng)估提供依據(jù)。

南海勝利號(hào)是一艘服役于流花11-1油田的FPSO，作業(yè)水深約300 m。流花11-1油田于1996年投產(chǎn)，F(xiàn)PSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，原始設(shè)計(jì)壽命為10 a。考慮到該系泊系統(tǒng)已運(yùn)行23 a，為確保流花油田的持續(xù)安全運(yùn)行，對(duì)部分腐蝕磨損嚴(yán)重的錨鏈進(jìn)行取樣，在實(shí)驗(yàn)室分析腐蝕成因，并采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)錨鏈?zhǔn)Ｓ鄰?qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，為系泊系統(tǒng)延壽制定依據(jù)。

1 錨鏈腐蝕磨損及原因分析

1.1 錨鏈腐蝕磨損類型

錨鏈由于自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，因此在系泊系統(tǒng)中一般用在易于受到高損傷的區(qū)域，如應(yīng)力較高的錨腿上部、易磨損的導(dǎo)纜孔處和觸地段區(qū)域。結(jié)合其不同區(qū)域的用途特點(diǎn)，錨鏈的腐蝕磨損狀況通常可劃為4種類型[4]，如圖1所示，其中圓形為鏈環(huán)橫截面，陰影區(qū)域?yàn)楦g磨損后剩下的截面區(qū)域，白色區(qū)域?yàn)楦g磨損區(qū)域。

圖1 錨鏈腐蝕磨損類型

1.2 錨鏈腐蝕磨損情況

南海勝利號(hào)FPSO系泊錨腿結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其中ACT(Anchor Chain Turntable)鏈和海底鏈分別用于導(dǎo)纜孔處和觸地段處。錨鏈直徑均為114.3 mm，錨鏈等級(jí)為ORQ+20%，鏈環(huán)棒料直徑為117.0 mm。海底鏈經(jīng)常與海底摩擦接觸的拍打段區(qū)域長(zhǎng)約40.0 m。

圖2 南海勝利號(hào)FPSO系泊錨腿示例

ACT鏈和海底鏈自安裝完成后至今已在位服役遠(yuǎn)超過(guò)10 a原始設(shè)計(jì)壽命。為獲取錨鏈的真實(shí)腐蝕磨損狀況，對(duì)部分錨腿的ACT鏈和海底鏈進(jìn)行在位檢測(cè)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，對(duì)于永久式系泊系統(tǒng)，一般進(jìn)行海上檢測(cè)。海上檢測(cè)中對(duì)錨鏈鏈環(huán)的外觀直徑測(cè)量主要包括不同鏈環(huán)位置的直徑測(cè)量，2倍直徑測(cè)量和5倍長(zhǎng)度測(cè)量等3種方法，分別如圖3和圖4所示。圖3和圖4中，dn為鏈環(huán)測(cè)量位置，D為鏈環(huán)名義直徑，L為單鏈環(huán)長(zhǎng)度。

圖3 不同鏈環(huán)位置的直徑測(cè)量

圖4 2倍直徑測(cè)量和5倍長(zhǎng)度測(cè)量示例

圖5為ACT鏈檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖。雖然ACT鏈位于飛濺區(qū)，但其外觀狀況較為良好，主要以一般性腐蝕和局部點(diǎn)腐蝕為主，未在環(huán)冠區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的鏈環(huán)間磨損現(xiàn)象。直徑測(cè)量結(jié)果顯示錨鏈腐蝕磨損速率仍在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(<0.4 mm/a)。

圖5 ACT鏈檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

海底鏈的拍打區(qū)除了一般性腐蝕外，還存在其他較嚴(yán)重的腐蝕磨損狀況，如圖6所示。

圖6 海底鏈拍打區(qū)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

對(duì)鏈環(huán)進(jìn)行初步的表面清理后，發(fā)現(xiàn)海底鏈拍打區(qū)鏈環(huán)呈現(xiàn)3個(gè)明顯特點(diǎn)：(1)單側(cè)嚴(yán)重磨損，金屬材料損失明顯，圓形截面形狀明顯損壞；(2)有輕微的局部點(diǎn)腐蝕；(3)部分鏈環(huán)在閃光焊接部分存在較深的凹槽。

錨鏈未在環(huán)冠區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的鏈環(huán)間磨損現(xiàn)象。為分析導(dǎo)致鏈環(huán)截面損傷的具體原因，挑選3個(gè)磨損嚴(yán)重的鏈環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。

1.3 腐蝕磨損原因分析

實(shí)驗(yàn)室分析在中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所進(jìn)行。通過(guò)宏觀分析發(fā)現(xiàn)，磨損嚴(yán)重區(qū)域有細(xì)密且均勻的平行線條痕跡，呈沿同一方向磨損的特征，顯著區(qū)別于其他正常腐蝕區(qū)域，如圖7所示。低倍鏡下該區(qū)域表面亦有沿同一方向的平行磨痕，表面可見(jiàn)細(xì)密的附著物，可知錨鏈表面發(fā)生了氧化和腐蝕，如圖8所示。

圖7 宏觀形貌(磨損痕跡)

圖8 低倍鏡下腐蝕形貌

FPSO在風(fēng)浪流的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，海底鏈也因此受到拖曳并由自身的重力提供系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力，保持FPSO位置常年在一定的區(qū)域內(nèi)。在此過(guò)程中，拍打區(qū)與海床長(zhǎng)期摩擦碰撞導(dǎo)致錨鏈損傷較為嚴(yán)重。其他區(qū)域則僅受海水腐蝕作用，因此錨鏈表面呈局部點(diǎn)腐蝕、一般性腐蝕混合形貌。

2 錨鏈?zhǔn)Ｓ鄰?qiáng)度評(píng)估方法

目前，船級(jí)社規(guī)范及行業(yè)推薦中，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)錨鏈腐蝕磨損量一般建議在每年0.2～0.4 mm[7-8]，但對(duì)于腐蝕磨損后的錨鏈強(qiáng)度預(yù)測(cè)并無(wú)明確的規(guī)范可以借鑒。在工業(yè)界預(yù)測(cè)腐蝕磨損后錨鏈的剩余強(qiáng)度一般有3種方法：截面面積等效法、有限元分析和全尺度破斷試驗(yàn)。

2.1 截面面積等效法

對(duì)于新的錨鏈，可基于鏈環(huán)直徑和材料參數(shù)來(lái)確定其破斷強(qiáng)度，錨鏈的不同強(qiáng)度等級(jí)和材料參數(shù)可通過(guò)查閱國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)[9]、美國(guó)石油協(xié)會(huì)[10]和中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]的相關(guān)規(guī)范得到。

文獻(xiàn)[10]提到的錨鏈最小破斷強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式是目前在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要采用的方法，即在初始設(shè)計(jì)錨鏈的直徑時(shí)考慮一個(gè)設(shè)計(jì)裕量，以適應(yīng)使用過(guò)程中腐蝕磨損導(dǎo)致的鏈環(huán)強(qiáng)度損失。對(duì)于腐蝕后的鏈環(huán)，由于鏈環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，若采用經(jīng)驗(yàn)公式法則不可取，其強(qiáng)度評(píng)估應(yīng)基于截面面積損失百分比來(lái)確定，通常計(jì)算式為

(1)

式中：Sc為腐蝕后錨鏈最小破斷強(qiáng)度；S為新(未腐蝕)錨鏈最小破斷強(qiáng)度；Dc為腐蝕后錨鏈直徑；D為新(未腐蝕)錨鏈直徑。

2.2 有限元分析

有限元分析中建立精確的幾何模型至關(guān)重要。目前，三維激光掃描技術(shù)已能提供精確捕獲物體外觀的成熟解決方案。激光掃描設(shè)備型式多樣。圖9為鏈環(huán)實(shí)體與激光掃描設(shè)備獲得的幾何模型對(duì)比。

圖9 鏈環(huán)實(shí)體和三維激光掃描模型對(duì)比

有限元分析可對(duì)各種腐蝕磨損情況進(jìn)行鏈環(huán)剩余破斷強(qiáng)度的精確預(yù)測(cè)。然而，有限元分析中變量較多，需仔細(xì)考慮建模參數(shù)，包括邊界條件、摩擦因數(shù)和單元類型等，以確保預(yù)測(cè)結(jié)果的質(zhì)量。因此，有必要進(jìn)行物理試驗(yàn)對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2.3 全尺度破斷試驗(yàn)

全尺度破斷試驗(yàn)需對(duì)錨鏈鏈環(huán)進(jìn)行部分取樣，一般取腐蝕磨損較嚴(yán)重的3個(gè)鏈環(huán)，在拉伸試驗(yàn)工作臺(tái)上進(jìn)行破斷試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量錨鏈的最小破斷強(qiáng)度。該方法可對(duì)任一種腐蝕磨損狀況進(jìn)行錨鏈?zhǔn)Ｓ嗥茢鄰?qiáng)度的評(píng)估，直觀可靠，但考慮到從原始錨鏈上截取一部分鏈環(huán)以及進(jìn)行破斷試驗(yàn)所需要的資源、時(shí)間，該方法成本最高。

3 錨鏈?zhǔn)Ｓ鄰?qiáng)度評(píng)估結(jié)果

為確定海底鏈在腐蝕磨損后的剩余強(qiáng)度，選取3組典型樣品進(jìn)行全尺度破斷試驗(yàn)。3組鏈環(huán)分別編號(hào)為1-3、2-3和2-7，其中1-3組選自海底鏈的躺底段，2-3組和2-7組選自海底鏈的拍打段。每組均包含3個(gè)鏈環(huán)，編號(hào)為1、2和3(見(jiàn)圖10)，同時(shí)對(duì)3個(gè)鏈環(huán)相鄰的鏈環(huán)取樣用于相關(guān)測(cè)試。

圖10 破斷試驗(yàn)樣品選取

選取的3組鏈環(huán)(見(jiàn)圖11)分別具有如下特點(diǎn)：

圖11 錨鏈樣本

(1)1-3組鏈環(huán)有輕微的一般性腐蝕，局部點(diǎn)腐蝕均勻分布在包括環(huán)冠和彎曲段的鏈環(huán)表面，深約1.5～3.0 mm；(2)2-3組鏈環(huán)除了明顯的一般性腐蝕外，其單一側(cè)邊金屬材料損失嚴(yán)重，有明顯的磨損跡象；(3)2-7組鏈環(huán)除了明顯的一般性腐蝕和磨損外，閃光焊接區(qū)域還存在較深的凹槽。

破斷試驗(yàn)前對(duì)3組錨鏈開(kāi)展多項(xiàng)測(cè)試，包括磁粉檢測(cè)確定鏈環(huán)內(nèi)部沒(méi)有裂紋存在，機(jī)械性能測(cè)試確定鏈環(huán)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，化學(xué)成分檢測(cè)、硬度試驗(yàn)和宏觀檢查確定材料屬性滿足ORQ+20%等級(jí)要求，以及按照文獻(xiàn)[6]推薦做法進(jìn)行的尺度測(cè)量。然后，采用精確的三維激光掃描技術(shù)對(duì)擬進(jìn)行破斷試驗(yàn)的鏈環(huán)進(jìn)行數(shù)值建模，最后對(duì)3組錨鏈進(jìn)行全尺度破斷試驗(yàn)。

3.1 截面面積等效法分析結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[6]推薦做法，鏈環(huán)同一位置的外觀直徑測(cè)量包含2組直徑數(shù)據(jù)D3和D4，實(shí)際測(cè)量如圖12所示，其中D3選取當(dāng)前截面的直徑最小值，D4是垂直于D3方向的直徑測(cè)量值。

圖12 鏈環(huán)截面直徑測(cè)量

假設(shè)腐蝕磨損后截面為橢圓形，其長(zhǎng)軸和短軸分別為D4和D3。將橢圓等效為圓形，取其直徑為等效直徑D5：

(2)

取所有位置的等效直徑最小值為目標(biāo)直徑，結(jié)合式(1)計(jì)算錨鏈的剩余破斷強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的磨損腐蝕速率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同鏈環(huán)組剩余破斷強(qiáng)度和磨損腐蝕速率計(jì)算結(jié)果

3.2 有限元分析結(jié)果

有限元分析采用Abaqus軟件，模擬分析中考慮幾何非線性和大尺度變形效應(yīng)，材料屬性中應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用試驗(yàn)值。有限元模型如圖13所示。

圖13 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.3 全尺度破斷試驗(yàn)結(jié)果

全尺度破斷試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 破斷試驗(yàn)結(jié)果

(1)1-3組的鏈環(huán)破斷位置在1-3-1的環(huán)冠處。試驗(yàn)中，拉伸載荷達(dá)到峰值后開(kāi)始下降，5 s后鏈環(huán)即斷裂。斷裂位置有明顯的材料頸縮現(xiàn)象，顯示出材料良好的塑性變形能力。

(2)2-3組的鏈環(huán)在拉伸載荷達(dá)到峰值并開(kāi)始下降時(shí)終止試驗(yàn)，此時(shí)鏈環(huán)并沒(méi)有發(fā)生破斷。終止試驗(yàn)的原因一方面是在拉伸載荷曲線下降時(shí)，材料實(shí)際已達(dá)到應(yīng)力最大點(diǎn)，另一方面是防止鏈環(huán)崩斷時(shí)較大的沖擊載荷對(duì)設(shè)備造成損傷。

(3)2-7組鏈環(huán)在閃光焊接區(qū)域突然發(fā)生破斷，破斷前未觀察到材料塑性變形，表明閃光焊接區(qū)域的凹槽處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，鏈環(huán)剩余強(qiáng)度難以預(yù)測(cè)。

3.4 結(jié)果對(duì)比

以全尺度破斷試驗(yàn)結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，3種不同方法對(duì)腐蝕磨損后錨鏈的剩余破斷強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法剩余破斷強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比

由表2可知：(1)對(duì)于1-3組，2種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果都較好，這是由于1-3組主要以一般性腐蝕為主。一般性腐蝕只會(huì)導(dǎo)致錨鏈鏈環(huán)直徑均勻減小，因此截面面積等效法適合于一般性腐蝕情況。(2)對(duì)于2-3組，有限元分析給出了較好的結(jié)果。對(duì)于磨損比較嚴(yán)重的鏈環(huán)，部分區(qū)域金屬材料損失嚴(yán)重，截面面積等效法對(duì)于非圓形截面的預(yù)測(cè)會(huì)得出偏于保守的結(jié)果，因此有限元分析適用于磨損情況。(3)對(duì)于2-7組，雖然截面面積等效法給出了偏于保守的結(jié)果，但其實(shí)際并不能用于此種情況的預(yù)測(cè)，這是由于鏈環(huán)并沒(méi)有在連續(xù)的截面發(fā)生破斷。在有限元分析中，閃光焊接區(qū)域的深凹槽的模擬和網(wǎng)格劃分比較困難，導(dǎo)致分析結(jié)果偏大。這種情況下通過(guò)全尺度破斷試驗(yàn)獲取真實(shí)的剩余破斷強(qiáng)度是較好的選擇。

因此，在不同的腐蝕磨損情況下對(duì)錨鏈?zhǔn)Ｓ鄰?qiáng)度的評(píng)估需要結(jié)合實(shí)際具體分析。

4 結(jié) 論

對(duì)長(zhǎng)期服役于中國(guó)南海海域的南海勝利號(hào)FPSO系泊錨鏈進(jìn)行取樣，并對(duì)其導(dǎo)致腐蝕磨損的原因進(jìn)行分析，采用多種方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，主要結(jié)論如下：

(1)飛濺區(qū)錨鏈以局部點(diǎn)腐蝕、一般性腐蝕混合形貌為主，其磨損腐蝕速率在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(<0.4 mm/a)；(2)觸地段錨鏈拍打區(qū)除了有局部點(diǎn)腐蝕、一般性腐蝕外，還有明顯的磨損痕跡，研究結(jié)果顯示腐蝕磨損速率達(dá)0.53 mm/a，已超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

對(duì)中國(guó)南海海域的系泊錨鏈?zhǔn)褂媒ㄗh如下：

(1)對(duì)于無(wú)配重塊或配重鏈的海底鏈拍打區(qū)需考慮足夠的磨損腐蝕裕量，其余部分的錨鏈建議采用規(guī)范推薦值。(2)在不具備條件時(shí)，腐蝕磨損錨鏈?zhǔn)Ｓ嗥茢鄰?qiáng)度預(yù)測(cè)可采用截面面積等效法進(jìn)行初步評(píng)估，具備條件時(shí)可采用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合有限元分析進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，腐蝕磨損特別嚴(yán)重的可考慮取樣進(jìn)行全尺度破斷試驗(yàn)以獲取真實(shí)數(shù)據(jù)。(3)對(duì)于在閃光焊接區(qū)域發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)生凹槽的鏈環(huán)，建議進(jìn)行報(bào)廢處理。