無損檢測技術在FPSO系泊鋼纜中的應用研究

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(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457)

水下系泊鋼纜是FPSO單點系泊系統(tǒng)的重要組成部分，一旦系泊鋼纜出現(xiàn)問題，會造成FPSO重大安全隱患。南海FPSO常設計成十幾年不解脫的形式，由于海水的腐蝕、臺風的破壞，系泊鋼纜經(jīng)常會出現(xiàn)銹蝕、磨損、斷絲等損傷，這些損傷使系泊鋼纜的使用強度降低，特別是臺風過后需要對系泊鋼纜進行檢測和評估。目前系泊系統(tǒng)鋼纜的檢測主要采用潛水員和水下機器人觀測的方式[1]，這種方式僅能觀察鋼纜表面狀態(tài)，且易受海生物及海水下環(huán)境的影響。

1 FPSO111系泊鋼纜介紹

“海洋石油111”FPSO系泊系統(tǒng)采用不可解脫內轉塔式系泊系統(tǒng)，2003年投入使用，設計壽命10年。系泊鋼纜為螺旋股鋼纜，直徑130 mm，無保護層，長度210 m。錨系分為3組，每組3條，組間距為120°，線間距為5°。非對稱布置,見圖1。

2012年 11月，中海輝固公司對“海洋石油111”FPSO系泊系統(tǒng)9根鋼纜進行了一般的水下外觀檢驗。檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)所有系泊鋼纜保護涂層有不同程度的破損現(xiàn)象，4號系泊鋼纜與上錨鏈連接索節(jié)發(fā)生松動；5號系泊鋼纜出現(xiàn)1根斷絲；6號系泊鋼纜出現(xiàn)3根斷絲；7號系泊鋼纜有松股現(xiàn)象；8號系泊鋼纜出現(xiàn)3根斷絲。

2 檢測儀的關鍵技術研究

系泊鋼纜無損檢測儀系統(tǒng)，主要采用漏磁技術，當被檢系泊鋼纜由于磁化后，它的表面或近表面處缺陷就會形成漏磁場，人們可以通過檢測漏磁場的變化來識別系泊鋼纜的缺陷[2]。針對水下應用的系泊鋼纜無損檢測儀設計難點有兩個方面。

“海洋石油111”系泊鋼纜直徑較大，對直徑在100 mm以上的系泊鋼纜在斷絲的漏磁場檢測方法中，如果勵磁磁路結構不合理，不能在系泊鋼纜中形成較為均勻的磁場，則無法可靠、準確地獲取鋼纜的斷絲、銹蝕、磨損信息。

FPSO111工作水深為水下100 m，為了使無損檢測儀能夠有更好的水下工作能力，設計密封要求為300 m，這就對無損檢測儀及連接附件的密封提出了很高的要求。

2.1 大直徑系泊鋼纜檢測技術

磁化磁路中包括永磁體、銜鐵、鋼纜三大組件。永磁體作為勵磁源，為磁路提供磁動勢，其作用相當于電路中的干電池，只是其供能方式較干電池復雜得多；銜鐵在磁路中起到導磁作用，形成高磁導，低磁阻磁回路，相當于電路中的導線，其自身雖然也具有一定的磁阻，但較其他磁路組件而言已非常小；鋼纜是需要進行磁化的目標構件，整個磁路的目的就是為了使鋼纜中產生較大的磁感應強度，鋼纜相當于電路中的應用電器[3]。見圖2。

系泊鋼纜的相對磁導率在1 000 H/m左右，當鋼纜直徑超過20 mm時，可以用一定數(shù)量、均勻分布在鋼絲繩周向上的塊狀永磁來替代圖2中的環(huán)形永磁，靠近鋼絲繩表面處用環(huán)形銜鐵連接，這樣并不影響勵磁效果，而且可以降低勵磁器的重量[4]。本檢測儀采用四塊長方體磁鐵代替環(huán)形磁鐵，見圖3，內圈加有環(huán)形銜鐵，外圍使用與磁鐵等寬的長條形銜鐵。

圖1 HYSY111系泊系統(tǒng)布置示意

Ds-鋼絲繩公稱直徑;Ls-兩極靴內側間距;Lm-永磁沿鋼絲繩軸向的長度;Tm-永磁沿鋼絲繩徑向的厚度;S-鋼絲繩表面到銜鐵內側的距離;Tx-銜鐵沿鋼絲繩徑向的厚度;q-永磁與鋼絲繩表面的氣隙。圖2 磁路基本結構形式

2.2 檢測儀水下密封設計

系泊鋼纜檢測儀正常進行檢測工作時，檢測儀套筒表面和外表面都是浸泡在海水中的。因此檢測儀的密封采用對空腔進行充填膠黏劑的方法，即檢測儀各個零件相互粘合，沒有氣隙和氣孔，以達到防水的效果。檢測儀填充的膠黏劑選用愛牢達(Araldite)AW106/HV953U型號環(huán)氧樹脂膠，它是一種多功能，雙組份，室溫固化的糊狀膠粘劑， 強度高，軔性好，適用于粘結各種金屬，陶瓷，玻璃，橡膠，硬塑料以及大多數(shù)常用材料，是一種用途廣泛的膠粘劑。檢測儀內部膠黏劑填充見圖4。

圖3 簡化磁路結構

圖4 檢測儀本體膠黏劑填充密封示意

3 水下檢測工程

3.1 工作原理

ROV系統(tǒng)負責定位、探摸、觀察、錄像、固定高壓水槍、攜帶鋼刷和檢測儀等工作。在整個作業(yè)過程中，全程監(jiān)控鋼纜檢測狀態(tài)。ROV攜帶檢測儀及其工具包檢測1～2根系泊鋼纜，同時測試檢測儀的行走狀況，了解水下系泊鋼纜漏磁變化規(guī)律以及檢測磁信號的靈敏性。

系泊鋼纜檢測儀是專門為水下系泊鋼纜檢測而開發(fā)的專用儀器。儀器采用稀土永磁磁化鋼纜，并使用霍爾元件采集鋼纜的漏磁信號，通過分析鋼纜的漏磁信號判斷鋼纜的內部及表面斷絲、磨損、腐蝕等缺陷[5]。

3.2 海上調試過程

1)組裝檢測儀與ROV連接工具包，并將工具包安裝在ROV基板上。

2)將檢測儀電子艙固定在ROV基板上。

3)連接檢測儀與電子艙、ROV電子艙的電水密纜。

4)將蓄能器、電磁閥等應急打開系統(tǒng)設備固定在ROV基板上，并連接液壓油管。

5)在ROV控制室操作ROV液壓系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，驅動檢測儀完成張開、閉合動作，重復3～5次，觀察運動情況，并進行相應參數(shù)的記錄。

3.3 水下檢測

將ROV連同檢測儀及其工具包吊入海中，進行ROV攜帶檢測儀行走。

驅動ROV液壓系統(tǒng)，完成檢測儀在水中打開、閉合動作。

操作ROV，使其靠近系泊鋼纜，并進行吸附。 ROV攜帶系泊鋼纜檢測儀完成吸附鋼纜動作，并沿鋼纜一側方向行走。當遇到障礙物時，檢測儀張開，然后跨過障礙物，重復前面動作，繼續(xù)進行檢測工作[6]。

4 檢測成果

以5#系泊鋼纜(檢測范圍在水深35～50 m的部分)為例，對檢測數(shù)據(jù)進行分析。將檢測的數(shù)據(jù)導入到計算機中，利用系泊鋼纜無損檢測數(shù)據(jù)分析軟件可以看出，被檢測鋼纜無斷絲損傷，漏磁信號曲線中波動起伏的位置表明鋼纜漏磁量發(fā)生了變化。圖中信號波動表示被測系泊鋼纜在一個捻距內的磨損情況，在檢測位置1.06 m處，系泊鋼纜的最大磨損量為0.85%。

5 結論

ROV攜帶系泊鋼纜檢測儀進行水下系泊鋼纜無損檢測的方案可行，所設計的工具包能夠滿足檢測需要；

系泊鋼纜檢測儀水下檢測信號穩(wěn)定，采用合理的濾波方法無其他背景噪聲信號干擾。

研發(fā)的系泊鋼纜檢測儀可以對水下在役的系泊鋼纜進行無損檢測并識別系泊鋼纜的缺陷，工作穩(wěn)定，操作性強。

[1] 譚靜軒，劉振國，景 勇.FPSO:STP中深水單點系泊系統(tǒng)[C]∥2005年度海洋工程學術會議論文集，2005.

[2] 林其壬，趙佑民.磁路設計原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[3] 左憲章．永磁體漏磁檢測原理及其在無損檢測中的應用[J].電測與儀表，1994，31(11)：16-19.

[4] 談 兵，杜潤生，康宜華，等.大直徑鋼絲繩軸向勵磁磁路的研究[J].華中理工大學學報,1994(7):36-39.

[5] 余浩然.漏磁通法油氣管道在役檢測技術[J].實用測試技術，1997，23(5)：1-9.

[6] Wire Rope Integrity Management for Vesselsin the Offshore Industry[R].IMCA SEL 022/IMCA M 194.2008.