張廣磊，周聲結(jié)，李俊汲，尹彥坤，郭 濤

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?570100；3.中船郵輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上海）有限公司，上海 200120）

0 引 言

聚酯纜系泊系統(tǒng)是海洋石油開發(fā)工程中的重要設(shè)施，其主要功能是為浮式平臺提供限位，見圖1。聚酯纜系泊系統(tǒng)屬于張緊式系泊系統(tǒng)［1］，具有限位能力強(qiáng)和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是深水浮式平臺中應(yīng)用最廣泛的系泊系統(tǒng)，已在國外得到廣泛應(yīng)用，目前在國內(nèi)的應(yīng)用案例較少。聚酯纜系泊系統(tǒng)一般由提升系統(tǒng)、系泊纜和樁基組成，其中系泊纜通常由聚酯纜和錨鏈組成。相對于采用純錨鏈或鋼纜［2］的系泊系統(tǒng)來說，聚酯纜的價(jià)格優(yōu)勢明顯，且不易被海水腐蝕，疲勞性能好，自重較輕，能降低對平臺排水量、錨鏈直徑和錨機(jī)能力的要求。同時(shí)，聚酯纜的缺點(diǎn)也非常明顯，主要是易磨損，且在一定載荷下存在蠕變和剛度非線性問題。針對這些缺點(diǎn)，需在安裝聚酯纜時(shí)采取一定的保護(hù)措施。聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸是降低聚酯纜蠕變的一種措施。目前國內(nèi)對聚酯纜的研究非常少，且大多針對的是聚酯纜系泊系統(tǒng)和浮式平臺在位分析，很少對聚酯纜的安裝方法和安裝流程進(jìn)行研究。聚酯纜的基本結(jié)構(gòu)組成和剛度特性在文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［6］中有詳細(xì)研究，本文在此基礎(chǔ)上總結(jié)聚酯纜的特性，并指出該特性對聚酯纜安裝的影響，同時(shí)創(chuàng)新性地提出一種聚酯纜安裝方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證其有效性。

圖1 浮式平臺聚酯纜系泊系統(tǒng)示意圖

1 聚酯纜特性分析

1.1 聚酯纜基本特性

聚酯材料為合成纖維材料，其特性與其結(jié)構(gòu)相關(guān)。聚酯纜結(jié)構(gòu)由晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)組成，在緩慢加載狀態(tài)下，聚酯纜內(nèi)部的非晶體和結(jié)晶部分有充足的時(shí)間對載荷作出反應(yīng)，這2 部分的剛度平均值作為靜態(tài)剛度。當(dāng)聚酯纜受到周期性載荷的作用時(shí)，由于非結(jié)晶部分無法快速對加載作出反應(yīng)，只有剛度更大的結(jié)晶部分承受大部分加載，因此纜繩會產(chǎn)生很大的響應(yīng)峰值［3］，此部分產(chǎn)生的剛度為動(dòng)態(tài)剛度。動(dòng)態(tài)剛度一般為靜態(tài)剛度的2 ～3 倍，這就導(dǎo)致聚酯纜具有非線性載荷伸長特性（此為蠕變，承受的載荷未超過極限載荷，不會發(fā)生塑性變形），該特性取決于平均載荷、載荷范圍、溫度、載荷率和載荷歷史。因此，聚酯纜的剛度特征不是恒定的，而是隨著載荷時(shí)長、載荷幅度、載荷周期、循環(huán)次數(shù)和加載周期的變化而變化［4］。

1.2 聚酯纜特性對浮式平臺的影響及進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸的必要性

聚酯纜的特性也是聚酯纜系泊系統(tǒng)的特性，當(dāng)纜繩的拉伸荷載超過其在服役期間經(jīng)歷的最大拉伸荷載時(shí)，其長度會永久增加。通常情況下，聚酯纜在經(jīng)歷長時(shí)間的服役之后其剛度會增加。由此可見，聚酯纜的特性對聚酯纜系泊系統(tǒng)的主要影響體現(xiàn)在剛度和伸長量上。為減少聚酯纜在服役期間長度和剛度的變化，需在聚酯纜服役之前對其進(jìn)行一次大載荷加載（此次加載通常稱為結(jié)構(gòu)拉伸，加載的載荷小于聚酯纜的極限載荷），使其在服役之前完成部分的永久變形和變形產(chǎn)生的長度增加。聚酯纜試驗(yàn)結(jié)果顯示，完成結(jié)構(gòu)拉伸之后，聚酯纜的靜態(tài)剛度顯著增加，這會大大提高系泊系統(tǒng)的性能，并對浮式平臺的位移和聚酯纜觸底等設(shè)計(jì)指標(biāo)產(chǎn)生良好影響。文獻(xiàn)［6］充分對比了剛度對浮式平臺設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，主要結(jié)論為剛度增加能減少浮式平臺的位移，有利于立管的設(shè)計(jì)。

靜態(tài)剛度方程［5］為

式（1）中：F1為初始張力；F2為終點(diǎn)張力；E1為初始應(yīng)變；E2為終點(diǎn)應(yīng)變；C為蠕變系數(shù)，通過回歸分析確定；t為環(huán)境事件的持續(xù)時(shí)間。

通過靜剛度試驗(yàn)，結(jié)合通過式（1）計(jì)算所得聚酯纜在結(jié)構(gòu)拉伸前、拉伸后的靜態(tài)剛度，第4 節(jié)的2 個(gè)示例中的聚酯纜靜態(tài)剛度［6］測試結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)拉伸前后聚酯纜靜態(tài)剛度測試結(jié)果對比

2 聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸方法概述

2.1 聚酯纜系泊系統(tǒng)安裝主要流程

聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸在聚酯纜安裝過程中進(jìn)行，是聚酯纜系泊系統(tǒng)安裝的步驟之一。此外，聚酯纜系泊系統(tǒng)的安裝步驟還包括預(yù)鋪、回接和結(jié)構(gòu)拉伸等。在結(jié)構(gòu)拉伸完成之后，將整個(gè)聚酯纜系泊系統(tǒng)的張力調(diào)整至設(shè)計(jì)預(yù)張力狀態(tài)，此時(shí)即為整個(gè)系泊系統(tǒng)安裝完成。聚酯纜系泊系統(tǒng)安裝主要程序如下：

1）將聚酯纜系泊系統(tǒng)（包括聚酯纜和錨鏈）預(yù)鋪至海底；

2）將平臺拖航至服役場址，并將其與預(yù)鋪至海底的聚酯纜系泊系統(tǒng)相連接；

3）對聚酯纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸；

4）通過錨機(jī)調(diào)節(jié)系泊系統(tǒng)的張力至設(shè)定的預(yù)張力，完成系泊系統(tǒng)安裝。

2.2 聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸方法

聚酯纜通常應(yīng)用在深水浮式平臺中。深水海域的環(huán)境條件一般較差，對聚酯纜系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度有較高的要求。我國南海永久式浮式平臺的系泊系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)載荷通常在1 100 t左右，對應(yīng)的聚酯纜的最小破斷載荷在2 000 t左右。聚酯纜在安裝期間的結(jié)構(gòu)拉伸載荷理論上需達(dá)到最大設(shè)計(jì)載荷，從而最大程度地降低聚酯纜在服役期間的長度變化和剛度變化（為達(dá)到經(jīng)濟(jì)性與適用性的平衡，工程界常將結(jié)構(gòu)拉伸目標(biāo)載荷設(shè)定為30% ～40%MBS）。因此，要求安裝聚酯纜期間的安裝資源和系泊設(shè)備（錨機(jī)）的能力匹配聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸載荷，即需達(dá)到1 100 t。

一般通過系泊纜安裝船或平臺系泊錨機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸最為方便和直接。系泊纜安裝船的作業(yè)能力通常在300 ～400 t；平臺系泊錨機(jī)的作業(yè)能力根據(jù)系泊系統(tǒng)的預(yù)張力要求，通常在500 t。系泊安裝船和系泊錨機(jī)的作業(yè)能力遠(yuǎn)小于本文所述結(jié)構(gòu)拉伸所需載荷。若將系泊安裝船或系泊錨機(jī)的作業(yè)能力提高至結(jié)構(gòu)拉伸所需載荷，會大大增加費(fèi)用，導(dǎo)致整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益下降。目前國內(nèi)有關(guān)該結(jié)構(gòu)拉伸方法的研究較少，本文通過研究國外相關(guān)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際案例，提出利用平臺系泊設(shè)備（錨機(jī)、止鏈器和導(dǎo)纜器）和系泊纜布置形式進(jìn)行對角拉伸的方法。在拉伸過程中，啟動(dòng)錨機(jī)收放系泊纜，通過止鏈器（位于錨機(jī)內(nèi)部）鎖死系泊纜。系泊纜載荷通過錨機(jī)內(nèi)部的載荷監(jiān)測系統(tǒng)觀察。該方法的基本設(shè)計(jì)思路是在完成聚酯纜系泊系統(tǒng)回接工作之后固定目標(biāo)纜，通過調(diào)整目標(biāo)纜、目標(biāo)纜同組纜及其對角纜的載荷，使目標(biāo)纜的載荷被動(dòng)地達(dá)到結(jié)構(gòu)拉伸所需載荷。

3 聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸實(shí)例

以2 個(gè)采用聚酯纜系泊系統(tǒng)的工程項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。實(shí)例1 為陵水17-2 氣田開發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于我國南海海域，水深約1 420 m，采用半潛平臺加水下井口的開發(fā)形式。該項(xiàng)目采用的半潛平臺“深海一號”是由我國自主研發(fā)建造的全球首座10 萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，于2021 年6 月正式投產(chǎn)。該平臺主體包括1.9 萬t的桁架式上部模塊和四立柱、四浮筒式下船體，其系泊系統(tǒng)采用4 ×4 的布置形式。實(shí)例2為南海某目標(biāo)油田開發(fā)項(xiàng)目，水深約300 m，采用圓筒形浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）加水下井口的開發(fā)模式。該項(xiàng)目尚處于設(shè)計(jì)階段，其系泊系統(tǒng)采用3 ×4 的布置形式。這2 個(gè)實(shí)例都采用張緊式系泊系統(tǒng)，系泊纜由聚酯纜和錨鏈組成，其布置形式具有一定的代表性。

受多種因素的影響，苗木成活率一直較低，當(dāng)前我們還不能保障林業(yè)苗木成活率百分之百。而通過分析林業(yè)苗木種植死亡存在的問題，采取必要的應(yīng)對方法。針對一些無法控制的因素，實(shí)施有效的控制和預(yù)防，讓林業(yè)苗木更容易成活，踐行林業(yè)建設(shè)職責(zé)，較好地服務(wù)生產(chǎn)環(huán)境建設(shè)工作。

3.1 實(shí)例1：4 組系泊纜形式的聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸方法

“深海一號”的4 組系泊纜位于半潛平臺［7］的四立柱上（每組4 根），其數(shù)值模型示意見圖2。系泊系統(tǒng)采用錨鏈＋聚酯纜＋錨鏈形式，其最小破斷強(qiáng)度為2 140 t，需要的聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸載荷大于等于850 t（40%MBS）。

圖2 半潛平臺聚酯纜系泊系統(tǒng)數(shù)值模型示意

在將所有系泊纜回接至平臺之后，對聚酯纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸，操作步驟如下：

1）通過錨機(jī)調(diào)整所有系泊纜的載荷為基本相同的初始載荷；

2）使用錨機(jī)拉緊目標(biāo)纜（1 號纜）所在組的4 根纜，使其載荷達(dá)到一定的數(shù)值；

3）松弛與目標(biāo)纜相鄰的3 條纜，使其載荷調(diào)整至初始載荷；

4）拉緊目標(biāo)纜對角組的4 根纜，監(jiān)測目標(biāo)纜，使其載荷達(dá)到預(yù)定荷載，并保持3 h。

在完成第一根纜的結(jié)構(gòu)拉伸之后，按相同的步驟完成同組剩余纜的結(jié)構(gòu)拉伸操作。在第一組結(jié)構(gòu)拉伸中，同時(shí)操作對角組纜繩，且其已處于高負(fù)載狀態(tài)，通常是完成第一組4 根纜的結(jié)構(gòu)拉伸之后接著對該組對角組的系泊纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸，可減少二次張緊，節(jié)約操作時(shí)間。此次拉伸的整體順序是從纜1 到纜4、從纜9到纜12、從纜5 到纜8 和從纜13 到纜16。表2 為第一組中的4 根纜的結(jié)構(gòu)拉伸載荷分析結(jié)果，剩余組的拉伸方法和拉伸順序可參考第一組完成，本文不再贅述。從表2 中可看出，每根纜繩最大的張緊載荷都超過了850 t，滿足聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸對載荷的要求。

表2 4 組系泊纜的前4 根聚酯纜的結(jié)構(gòu)拉伸載荷分析結(jié)果 單位：t

3.2 實(shí)例2：3 組系泊纜形式的聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸方法

實(shí)例2 中FPSO的系泊纜分為3 組，每組4 根，其數(shù)值模型示意見圖3。每根系泊纜都由錨鏈、聚酯纜和錨鏈構(gòu)成，聚酯纜的最小破斷載荷約為2 300 t，預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)拉伸的載荷大于等于800 t（35%MBS）。

圖3 FPSO聚酯纜系泊系統(tǒng)數(shù)值模型示意

1）通過錨機(jī)調(diào)整所有系泊纜的載荷為基本相同的初始載荷；2）松弛與目標(biāo)纜相鄰的3 條纜，使目標(biāo)纜的載荷自動(dòng)調(diào)整至結(jié)構(gòu)拉伸所需載荷，并保持3 h。

表3 為3 組系泊纜的結(jié)構(gòu)拉伸載荷分析結(jié)果。從表3 中看出，每根纜繩最大的張緊載荷都接近或超過800 t，滿足聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸對載荷的要求。

表3 3 組系泊纜的結(jié)構(gòu)拉伸載荷分析結(jié)果 單位：t

4 結(jié) 語

在對聚酯纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸時(shí)，需注意以下幾個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)：

1）目標(biāo)纜的載荷在達(dá)到結(jié)構(gòu)拉伸載荷之后需維持3 h，在維持過程中，當(dāng)目標(biāo)纜的載荷增大或降低超過拉伸載荷的8%時(shí)，需進(jìn)行1 ～2 次調(diào)整；

2）在使用錨機(jī)進(jìn)行系泊纜收放時(shí)，通常記錄錨鏈?zhǔn)辗砰L度，用于進(jìn)行現(xiàn)場判斷，并可對系泊纜的載荷進(jìn)行校對；

3）聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸的最大載荷通常是選擇錨機(jī)最大剎車載荷和工作載荷的重要依據(jù)，甚至是首要依據(jù)；

4）在調(diào)整系泊纜載荷過程中，特別需注意系泊纜載荷不能超過錨機(jī)的剎車載荷，即在錨機(jī)允許的載荷范圍內(nèi)才能進(jìn)行載荷調(diào)整，否則會造成錨機(jī)系統(tǒng)損壞和系泊纜失控；

5）在海上施工時(shí)，系泊纜載荷會受環(huán)境條件的影響，可根據(jù)環(huán)境條件對收放系泊纜的載荷進(jìn)行微調(diào)，保證目標(biāo)纜的最終拉伸載荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

6）在對聚酯纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)拉伸時(shí)，需結(jié)合錨鏈長度、錨機(jī)能力和施工限位駁船能力制訂合理的拉伸流程，從而有效減少海上操作時(shí)間和降低錨機(jī)購置成本。

目前國內(nèi)類似項(xiàng)目較少，本文提出的聚酯纜結(jié)構(gòu)拉伸方法能有效解決施工難題，減少施工費(fèi)用，已得到成功應(yīng)用，取得了相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)國內(nèi)聚酯纜系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供了新的方法和思路，為聚酯纜在我國深水領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。