聚酯纜在深水系泊系統中的應用

馮麗梅

[中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067]

聚酯纜在深水系泊系統中的應用

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已有近二十年應用歷史，隨著我國海上油氣開發逐漸步入深水，聚酯纜系泊系統應用前景廣闊。首先介紹聚酯纜的應用歷史、聚酯纜基本構成及生產工藝，然后闡述了聚酯纜特性及其在設計、施工、維保上的特殊要求，對比聚酯纜和鋼纜的差異，引出聚酯纜在南中國海首次應用需注意的問題，對我國南海油氣開發有一定的借鑒意義。

深水系泊系統；纖維纜；聚酯纜；南中國海

0 引 言

世界范圍內有多種用于深水浮式生產平臺、鉆井平臺的系泊/拖帶的復合材料纖維纜，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、迪尼瑪等，聚酯纜也因強度高、質量輕、疲勞好等性能被廣泛應用于深水浮式平臺的錨泊系統中。

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

我國海上油氣開發正向深水發展。為在南中國海成功應用聚酯纜系泊系統，本文對聚酯纜在深水系泊系統中應用的各個方面加以介紹。

1 聚酯纜基本構成及生產工藝

國際上有二十多個聚酯纜生產廠家，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型聚酯纜的基本構成[2]：外層為編織保護套，耐磨，保護受力芯繩；次外層為過濾層，能防止3～5 μm及更大的顆粒進入纜內產生磨損；內層為聚酯芯繩，承受拉力；如果海上安裝要求聚酯纜預鋪到海底，根據業主要求，可以在外層纏繞兩層保護套，次內層設置兩層過濾層。

圖1 聚酯纜的基本構成Fig.1 Composition of polyester rope

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

2 聚酯纜特性及特殊要求

通過SOFEC、SBM等系泊系統廠家的介紹以及與Bridon、Lankhorst等纜繩廠家的交流，總結出聚酯纜優缺點如下。

2.1 聚酯纜的優點

相對同等破斷力的鋼纜，聚酯纜有重量輕、價格低、抗海水腐蝕、疲勞性能好、強度高等優點。

(1) 重量輕：水中接近自??；因質量輕，可采用張緊式系泊系統，減輕系泊系統重量(張緊式與懸鏈線式系泊系統的對比如圖2所示)，提高系泊水平回復力效率，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，大大降低采辦費用。

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

(2) 價格低：相同破斷強度的聚酯纜采辦成本遠低于鋼纜，詳見表1。

表1 聚酯纜及鋼纜質量與價格對比

(3) 抗海水腐蝕：在海水中不發生腐蝕，不需要腐蝕余量或陽極保護。

(4) 疲勞性能好：實驗證明其疲勞性能要遠好于鋼纜和錨鏈。

(5) 強度高：強度/質量比高；目前Lankhorst公司的最大型號為MBL2500,最小破斷力(MBL)高達24 500 kN，直徑290 mm。

2.2 聚酯纜的缺點

但聚酯纜也有應用歷史短、不抗磨、易受損、易蠕變、剛度非線性問題顯著等缺點。

(1) 應用歷史短：截至2015年，聚酯纜最長服役記錄為14年；剛開始應用時，規范規定每個項目的錨腿上必須設置一個插入段，服役一定時間后需要更換該插入段，并進行陸地實驗；現在美國船級社(ABS)等船級社對此已不做要求[3]。

(2) 不抗磨、易受損：聚酯纜運輸、存儲及使用過程中應避免機械磨損、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的形變，曲線2為第一次卸載時的形變，曲線3為再次加載時的形變，可以看出聚酯纜卸載后仍有較多的殘余形變，殘余形變最多能達到3%～5%，但只要經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：雖然相對于其他復合纖維纜，聚酯纜的蠕變較小，但對于永久系泊系統，長期服役的聚酯纜預張力會降低，當降低到設計臨界值時，需對系泊系統進行再張緊；對于張緊式系泊系統，不能僅通過錨腿角度評判是否需要進行再張緊，要輔以其他措施進行綜合判斷[3]。

(5) 剛度非線性：聚酯纜的剛度是非線性的、非常復雜的，隨加載力的大小、持續時間、循環次數等多因素的變化而變化。這使得錨系設計也非常復雜，常用的兩種簡化方式為：分別取安裝后剛度值及臺風后剛度值進行計算，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行下述工作。

(1) 安裝時的預拉伸：若安裝時僅將聚酯纜拉伸至系泊系統預張力，則聚酯纜僅產生一部分殘余形變，服役期間經歷惡劣天氣后，聚酯纜的殘余形變較大，一般能達到3%～4%[4]；若安裝時拉伸至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。

(2) 在役期的再張緊：規范要求安裝一年后及第一次經歷臺風后進行張緊；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，需重新進行張緊。

蠕變和剛度的非線性是聚酯纜應用初期研究較多的方向，業界通過大量的全尺度、循環載荷實驗，目前對這些特性已有確切的簡化計算方法和規范規定。圖4是典型的剛度曲線，不同廠家的不同產品有自身的剛度曲線，文獻[5]描述了剛度曲線測試相關內容。

圖4 剛度曲線Fig.4 Stiffness curve

3 系泊系統設計中聚酯纜和鋼纜的主要差異

鋼纜在南中國海應用已很成熟，下面通過比較聚酯纜和鋼纜幾個重要的不同點來加深對聚酯纜的理解。如表2所示，規范對聚酯纜安全系數要求比鋼纜安全系數高；聚酯纜的剛度非線性，隨加載大小、歷史、頻率等變化，鋼纜剛度是個常量；聚酯纜需要預拉伸以完成大部分形變，鋼纜不需要；針對聚酯纜拉-拉疲勞，目前已有廣泛而深入的實驗研究，總循環次數近4×107次，這些實驗都表明聚酯纜有優異的抗疲勞性能，其疲勞壽命遠遠超過鋼纜和錨鏈[6-7]。以拉伸疲勞為例，如圖5所示[3,8]，取同等循環應力幅值R=0.398，聚酯纜疲勞循環次數N=106.2，鋼纜疲勞循環次數N=104.4，聚酯纜是鋼纜的近百倍。

表2系泊系統設計中聚酯纜和鋼纜的主要差異

Table2Mooringsystemdesigndifferencesbetweenpolyesterropeandwirerope

類型聚酯纜鋼纜安全系數完整/破損工況(永久系泊系統)1.82/1.431.67/1.25剛度非線性常數拉伸疲勞性能(墨西哥灣)更好好動態響應放大幅值很小10%～20%是否需要做預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，規范要求安裝后一年及第一次經歷臺風后需進行張緊，后期需定期檢查錨腿角度和張力，若張力低至設計下限，需進行張緊。

對于多點式系泊系統，通常采用浮式設施上系泊系統自身的錨機或錨鏈頂升液壓缸(見圖6)進行；且錨腿張力監測系統位于平臺甲板上，不易受臺風影響，運行平穩可靠，維保簡單，比較容易得到錨腿張力數值并判斷是否需要張緊錨腿。

對于不帶單點浮筒的單點系泊系統，通常采用單點自身的大絞車進行張緊。該作業視大絞車與內轉塔的相對位置(見圖7)而定：若大絞車位于FPSO甲板上，隨船對地轉動，張緊作業需用到2條限位拖輪，每次張緊作業需要幾百萬元人民幣；若大絞車位于轉塔內部，對地不動，張緊作業不需要拖輪限位。

對于帶單點浮筒的單點系泊系統，需要大馬力拖輪從錨樁側張緊錨鏈，作業工期稍長。

單點系泊系統的錨腿張力監測系統位于水面以下，易受臺風破壞，可靠性差，且難以維修，錨腿張力數值時常缺失?？紤]到南中國海臺風頻發的氣候特點，張力監測系統故障時，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，浮式設施經歷何種臺風后需要動用水下機器人(ROV)進行檢查。這些具體的運營維保問題，需要進一步的研究和調研。

圖6 錨鏈頂升液壓缸Fig.6 Linear chain jack

圖7 大絞車與內轉塔的相對位置Fig.7 Relative position of pull-in winch and turret

5 聚酯纜在不同水深應用的經濟性

以1 400 m超深水和400 m深水為例，計算聚酯纜和鋼纜的采辦費用。1 400 m水深錨系構型參照文獻中Mad Dog項目的有限資料，因未查找到錨鏈相關數據，為簡化計算，表3僅對比了Mad Dog項目鋼纜和聚酯纜采辦費用的差異；400 m水深錨系構型參照南海某油田前期研究的設計成果。

表3 聚酯纜和鋼纜在深水和淺水項目中的采辦費用

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

而對于400 m水深，聚酯纜的采辦成本優勢不明顯。400 m水深項目中，鋼纜形式的系泊系統水平位移可以控制在15%水深，以滿足立管要求，聚酯纜的應用對系泊系統及軟管的貢獻不大；若應用到單點系泊系統，再張緊等維保作業削弱了聚酯纜的經濟優勢。

6 結 語

聚酯纜系泊系統在墨西哥灣、巴西等海域已有多年應用歷史，屬于成熟技術；相對于鋼纜，聚酯纜自身的剛度非線性、蠕變等特性導致其在設計、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，綜合對比采辦、安裝、維保各環節，認為聚酯纜在400 m水深的成本優勢不明顯，在超深水中的成本優勢顯著。若將聚酯纜應用到南中國海，還需要在維保等方面繼續進行深入的探討。

[1] Flory J F, Banfield S J, Berryman C. Polyester mooring lines on platforms and MODUs in deep water[C]. OTC, 2007: 18768.

[2] Lankhorst. GAMA 98?rope for deep water tethers[R]. 2016.

[3] American Bureau of Shipping. The application of fiber rope for offshore mooring[S]. 2014.

[4] Wibner C, Versavel T, Masetti I. Specifying and testing polyester mooring rope for the Barracuda and Caratinga FPSO deepwater mooring systems[C]. OTC, 2003: 15139.

[5] DeAndrade O, Duggal A. Analysis design and installation of polyester rope mooring system in deep water[C]. OTC, 2010: 20833.

[6] Flory J F, Banfield S J. Durability of polyester ropes used as deepwater mooring lines[C]. Oceans’06 Conference Proceedings, 2006.

[7] Banfield S J, Casey N F. An investigation into the durability of polyester ropes for deepwater moorings[C]. Deep Offshore Technology Conference Proceedings, 2006.

[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