國(guó)產(chǎn)聚酯纜性能評(píng)估及其在陵水17-2氣田“深海一號(hào)”能源站的適用性研究*

蔡元浪 張廣磊 楊小龍 李俊汲 趙晶瑞

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

聚酯纜是深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)系泊系統(tǒng)的常規(guī)材料，通常由具有黏彈性的材料制成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕和疲勞好等優(yōu)良特征[1-2]。聚酯纜系泊系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)尤其是巴西及墨西哥灣海域得到廣泛應(yīng)用[3-4]，越來(lái)越多的深水浮式結(jié)構(gòu)采用此形式的系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，淺水平臺(tái)中(水深小于300 m)采用張緊式系泊的平臺(tái)僅占總數(shù)的21%；當(dāng)進(jìn)入中等深度水域后(水深大于300 m而小于1 500 m),該比例增至40%；而當(dāng)進(jìn)入超深水后(水深大于1 500 m)，則有85%的平臺(tái)采用張緊式系泊。目前中國(guó)國(guó)內(nèi)聚酯纜在深水海洋石油工程的應(yīng)用尚處于研究階段，雖然纜繩規(guī)格、破斷載荷已接近國(guó)際主流纜繩參數(shù)水平，但未對(duì)聚酯纜在深水油氣浮式平臺(tái)上的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)展深入的研究[2]。由于深水聚酯纜的采辦周期長(zhǎng)、總價(jià)高及被少數(shù)公司壟斷等因素，聚酯纜系泊系統(tǒng)成為制約中國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)“卡脖子”問(wèn)題的關(guān)鍵設(shè)備之一。

本文通過(guò)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)聚酯纜和進(jìn)口纜在材料性能、破斷載荷、剛度、疲勞和防沙性能等方面的對(duì)比，以南海陵水17-2半潛生產(chǎn)平臺(tái)——“深海一號(hào)”能源站系泊系統(tǒng)為例，開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)聚酯纜在南海深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的可行性分析，以期為國(guó)產(chǎn)聚酯纜在南海深水平臺(tái)系泊系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 國(guó)產(chǎn)聚酯纜材料絲特性

國(guó)產(chǎn)聚酯纜材料絲的材質(zhì)、組成數(shù)量和機(jī)械性能滿足美國(guó)船級(jí)社規(guī)范[5]要求并取得了相應(yīng)認(rèn)證，與進(jìn)口聚酯纜材料絲的特性對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯?，國(guó)產(chǎn)聚酯纜材料線密度、破斷載荷等方面性能方面強(qiáng)于進(jìn)口聚酯纜，在韌度和伸長(zhǎng)率方面接近進(jìn)口聚酯纜。

表1 聚酯纜材料絲特性Table 1 Material characteristics of polyester rope

2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口聚酯纜性能對(duì)比

聚酯纜性能主要通過(guò)插頭質(zhì)量試驗(yàn)、防沙試驗(yàn)、子繩剛度試驗(yàn)和最小破斷載荷試驗(yàn)等進(jìn)行測(cè)試，所有試驗(yàn)內(nèi)容及其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)均根據(jù)美國(guó)船級(jí)社規(guī)范[6]開(kāi)展。

1) 插頭質(zhì)量。

聚酯纜插頭為人工編制，是纜繩強(qiáng)度和質(zhì)量最關(guān)鍵的位置之一。插頭質(zhì)量評(píng)估試驗(yàn)的目的是通過(guò)不同載荷的循環(huán)疲勞檢驗(yàn)，考察插頭的穩(wěn)定性和質(zhì)量[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于最嚴(yán)格的17 000次循環(huán)疲勞試驗(yàn)，在10%～50%的最小破斷載荷(minimum break strength，MBS)下，國(guó)產(chǎn)聚酯纜插頭的破斷載荷為23 476 kN，大于纜繩設(shè)計(jì)的最小破斷載荷21 437 kN，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 纜繩防沙能力。

纜繩防沙能力是指聚酯纜繩外部4～6層防沙層能夠達(dá)到的防沙效果。通常情況下，纜繩防沙試驗(yàn)包括室內(nèi)模擬和實(shí)際海域試驗(yàn)2種，實(shí)際海域試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，因而本次防沙試驗(yàn)只采用了室內(nèi)模擬的形式開(kāi)展[6]。試驗(yàn)樣品為長(zhǎng)度1.2 m的整繩，兩端進(jìn)行隔水包扎處理；試驗(yàn)?zāi)嗌碁閷?shí)際預(yù)鋪海域泥沙。試驗(yàn)時(shí)將纜繩在壓力容器內(nèi)浸泡1 h后，加壓至10 MPa并將該壓力保持20 h，期間壓力容器保持每分鐘旋轉(zhuǎn)1周，取6個(gè)2～3 cm的纜繩段進(jìn)行電子顯微鏡掃描，結(jié)果顯示所附沙子顆粒尺寸小于5 μm，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) 最小破斷載荷性能。

最小破斷載荷試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)纜繩的破斷載荷是否滿足設(shè)計(jì)最小破斷要求[7](21 437 kN)。試驗(yàn)使用5根整繩并提前在水中浸泡24 h以上后，放入拉力測(cè)試機(jī)，按照美國(guó)船級(jí)社規(guī)范[5]要求的步驟進(jìn)行測(cè)試，最終完成整繩破斷并記錄破斷時(shí)的載荷，結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，國(guó)產(chǎn)聚酯纜除樣品1外，其余6個(gè)樣品的破斷載荷均超過(guò)了最小破斷載荷，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)產(chǎn)聚酯纜樣品1的最小破斷載荷未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是由于試驗(yàn)中纜繩末端連接試驗(yàn)機(jī)器的位置沒(méi)有進(jìn)行充分噴水降溫而造成的。

表2 聚酯纜最小破斷載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Minimum break strength test result of polyester rope

4) 子繩伸長(zhǎng)性能。

子繩伸長(zhǎng)性能反映給定預(yù)張力條件下聚酯纜安裝前后長(zhǎng)度的變化，通常以伸長(zhǎng)率，即纜繩原長(zhǎng)度與安裝后長(zhǎng)度之比表示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?，國(guó)產(chǎn)纜多組樣品的測(cè)試結(jié)果偏差較大，表明國(guó)產(chǎn)聚酯纜的剛度不確定性較高，從而造成了子繩伸長(zhǎng)率的較大偏差。

表3 聚酯纜伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Elongation test result of polyester rope

5) 動(dòng)態(tài)剛度。

聚酯纜動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)表4。工況中的平均載荷主要包括預(yù)張力載荷(15%MBS)、張緊載荷(35% MBS、40%MBS)及最大載荷(60%MBS)；載荷幅值可以按照美國(guó)船級(jí)社規(guī)范選??；載荷周期為半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的橫蕩、橫搖、垂蕩下的固有周期。從表4可以看出，國(guó)產(chǎn)聚酯纜的動(dòng)態(tài)剛度小于進(jìn)口聚酯纜，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)聚酯纜會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)蠕變，導(dǎo)致平臺(tái)位移增大及立管設(shè)計(jì)難度和建造成本的提高。同時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度小會(huì)造成聚酯纜長(zhǎng)度變化較大，因此需要根據(jù)國(guó)產(chǎn)聚酯纜具體的長(zhǎng)度變量而考慮更多的裕量設(shè)計(jì)，例如增加頂部和底部錨鏈的長(zhǎng)度。

表4 聚酯纜動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Dynamic stiffness test result of polyester rope

6) 準(zhǔn)靜態(tài)剛度。

聚酯纜準(zhǔn)靜態(tài)剛度試驗(yàn)中需要依次測(cè)試安裝工況下載荷從15%～40%(S1)、15%～30%(S2)、15%～45%(S3)、15%～60%(S4)、15%～30%(S5)、15%～45%(S6)、15%～60%(S7)MBS變化的準(zhǔn)靜態(tài)剛度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯觯瑖?guó)產(chǎn)聚酯纜的準(zhǔn)靜態(tài)剛度小于進(jìn)口纜，表明其靜態(tài)蠕變也較大，同樣會(huì)造成平臺(tái)位移及立管設(shè)計(jì)難度和建造成本的增加。

表5 聚酯纜靜態(tài)剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Quasi static stiffness test result of polyester rope

3 國(guó)產(chǎn)聚酯纜在“深海一號(hào)”能源站的適用性分析

“深海一號(hào)”能源站位于中國(guó)南海海域陵水17-2氣田區(qū)，水深約1 420 m，主體包括1.9萬(wàn)t的桁架式上部模塊和四立柱、四浮筒式的下船體，系泊系統(tǒng)采用了16根系泊纜。單根纜的組成由平臺(tái)至樁基依次為平臺(tái)鏈(244 m)、上聚酯纜(975 m)、安裝鏈(12 m)、下聚酯纜(975 m)、躺底鏈(259 m)和錨樁鏈(38 m)。

采用水動(dòng)力分析軟件SESAM和時(shí)域耦合分析軟件OrcaFlex，模擬分析建立的水動(dòng)力數(shù)值模型及系泊纜模型(圖1)。模擬的環(huán)境條件為南海陵水17-2氣田海域百年一遇海況[8]，系泊系統(tǒng)分別采用16根國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口聚酯纜，主要結(jié)果見(jiàn)表6。可以看出，由于國(guó)產(chǎn)聚酯纜的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)剛度較進(jìn)口聚酯纜低，因此其錨鏈張力、強(qiáng)度安全系數(shù)和最小疲勞壽命的模擬結(jié)果也優(yōu)于進(jìn)口聚酯纜；但國(guó)產(chǎn)聚酯纜的平臺(tái)最大位移稍高于進(jìn)口聚酯纜，增大了立管設(shè)計(jì)的難度和建造成本，因此在“深海一號(hào)”能源站系泊系統(tǒng)系泊纜實(shí)際應(yīng)用中，16根系泊纜中只有1根采用了國(guó)產(chǎn)聚酯纜。

圖1 “深海一號(hào)”能源站系泊系統(tǒng)數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model of “Deep Sea No.1” energy station

表6 “深海一號(hào)”能源站系泊數(shù)值分析結(jié)果Table 6 Mooring numerical analysis result of “Deep Sea No.1” energy station

4 結(jié)論與建議

1) 國(guó)產(chǎn)聚酯纜在材料絲、最小破斷載荷方面與進(jìn)口聚酯纜沒(méi)有差距，但在子繩伸長(zhǎng)性能、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)剛度方面與進(jìn)口聚酯纜相比則表現(xiàn)出剛度偏小、蠕變量偏大的特征。

2) 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口聚酯纜在陵水17-2氣田“深海一號(hào)”能源站的水動(dòng)力分析和系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析表明，國(guó)產(chǎn)聚酯纜的伸長(zhǎng)性能和剛度性能可以較好地滿足深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3) 由于目前國(guó)產(chǎn)聚酯纜剛剛投入使用，因此在實(shí)際使用應(yīng)對(duì)其進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。