浮式平臺系泊系統中的聚酯纜結構拉伸方法

張廣磊，周聲結，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.中船郵輪產業發展（上海）有限公司，上海 200120）

0 引 言

聚酯纜系泊系統是海洋石油開發工程中的重要設施，其主要功能是為浮式平臺提供限位，見圖1。聚酯纜系泊系統屬于張緊式系泊系統［1］，具有限位能力強和造價低等優點，是深水浮式平臺中應用最廣泛的系泊系統，已在國外得到廣泛應用，目前在國內的應用案例較少。聚酯纜系泊系統一般由提升系統、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］的系泊系統來說，聚酯纜的價格優勢明顯，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、錨鏈直徑和錨機能力的要求。同時，聚酯纜的缺點也非常明顯，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，需在安裝聚酯纜時采取一定的保護措施。聚酯纜結構拉伸是降低聚酯纜蠕變的一種措施。目前國內對聚酯纜的研究非常少，且大多針對的是聚酯纜系泊系統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行研究。聚酯纜的基本結構組成和剛度特性在文獻［1］和文獻［6］中有詳細研究，本文在此基礎上總結聚酯纜的特性，并指出該特性對聚酯纜安裝的影響，同時創新性地提出一種聚酯纜安裝方法，并通過實例驗證其有效性。

圖1 浮式平臺聚酯纜系泊系統示意圖

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，其特性與其結構相關。聚酯纜結構由晶體結構和非晶體結構組成，在緩慢加載狀態下，聚酯纜內部的非晶體和結晶部分有充足的時間對載荷作出反應，這2 部分的剛度平均值作為靜態剛度。當聚酯纜受到周期性載荷的作用時，由于非結晶部分無法快速對加載作出反應，只有剛度更大的結晶部分承受大部分加載，因此纜繩會產生很大的響應峰值［3］，此部分產生的剛度為動態剛度。動態剛度一般為靜態剛度的2 ～3 倍，這就導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，而是隨著載荷時長、載荷幅度、載荷周期、循環次數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行結構拉伸的必要性

聚酯纜的特性也是聚酯纜系泊系統的特性，當纜繩的拉伸荷載超過其在服役期間經歷的最大拉伸荷載時，其長度會永久增加。通常情況下，聚酯纜在經歷長時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的主要影響體現在剛度和伸長量上。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行一次大載荷加載（此次加載通常稱為結構拉伸，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生的長度增加。聚酯纜試驗結果顯示，完成結構拉伸之后，聚酯纜的靜態剛度顯著增加，這會大大提高系泊系統的性能，并對浮式平臺的位移和聚酯纜觸底等設計指標產生良好影響。文獻［6］充分對比了剛度對浮式平臺設計指標的影響，主要結論為剛度增加能減少浮式平臺的位移，有利于立管的設計。

靜態剛度方程［5］為

式（1）中：F1為初始張力；F2為終點張力；E1為初始應變；E2為終點應變；C為蠕變系數，通過回歸分析確定；t為環境事件的持續時間。

通過靜剛度試驗，結合通過式（1）計算所得聚酯纜在結構拉伸前、拉伸后的靜態剛度，第4 節的2 個示例中的聚酯纜靜態剛度［6］測試結果見表1。

表1 結構拉伸前后聚酯纜靜態剛度測試結果對比

2 聚酯纜結構拉伸方法概述

2.1 聚酯纜系泊系統安裝主要流程

聚酯纜結構拉伸在聚酯纜安裝過程中進行，是聚酯纜系泊系統安裝的步驟之一。此外，聚酯纜系泊系統的安裝步驟還包括預鋪、回接和結構拉伸等。在結構拉伸完成之后，將整個聚酯纜系泊系統的張力調整至設計預張力狀態，此時即為整個系泊系統安裝完成。聚酯纜系泊系統安裝主要程序如下：

1）將聚酯纜系泊系統（包括聚酯纜和錨鏈）預鋪至海底；

2）將平臺拖航至服役場址，并將其與預鋪至海底的聚酯纜系泊系統相連接；

3）對聚酯纜進行結構拉伸；

4）通過錨機調節系泊系統的張力至設定的預張力，完成系泊系統安裝。

2.2 聚酯纜結構拉伸方法

聚酯纜通常應用在深水浮式平臺中。深水海域的環境條件一般較差，對聚酯纜系泊系統的強度有較高的要求。我國南海永久式浮式平臺的系泊系統的最大設計載荷通常在1 100 t左右，對應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構拉伸載荷理論上需達到最大設計載荷，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（為達到經濟性與適用性的平衡，工程界常將結構拉伸目標載荷設定為30% ～40%MBS）。因此，要求安裝聚酯纜期間的安裝資源和系泊設備（錨機）的能力匹配聚酯纜結構拉伸載荷，即需達到1 100 t。

一般通過系泊纜安裝船或平臺系泊錨機進行結構拉伸最為方便和直接。系泊纜安裝船的作業能力通常在300 ～400 t；平臺系泊錨機的作業能力根據系泊系統的預張力要求，通常在500 t。系泊安裝船和系泊錨機的作業能力遠小于本文所述結構拉伸所需載荷。若將系泊安裝船或系泊錨機的作業能力提高至結構拉伸所需載荷，會大大增加費用，導致整個工程的經濟效益下降。目前國內有關該結構拉伸方法的研究較少，本文通過研究國外相關技術，結合實際案例，提出利用平臺系泊設備（錨機、止鏈器和導纜器）和系泊纜布置形式進行對角拉伸的方法。在拉伸過程中，啟動錨機收放系泊纜，通過止鏈器（位于錨機內部）鎖死系泊纜。系泊纜載荷通過錨機內部的載荷監測系統觀察。該方法的基本設計思路是在完成聚酯纜系泊系統回接工作之后固定目標纜，通過調整目標纜、目標纜同組纜及其對角纜的載荷，使目標纜的載荷被動地達到結構拉伸所需載荷。

3 聚酯纜結構拉伸實例

以2 個采用聚酯纜系泊系統的工程項目為例進行分析。實例1 為陵水17-2 氣田開發項目，該項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形式。該項目采用的半潛平臺“深海一號”是由我國自主研發建造的全球首座10 萬噸級深水半潛式生產儲油平臺，于2021 年6 月正式投產。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，其系泊系統采用4 ×4 的布置形式。實例2為南海某目標油田開發項目，水深約300 m，采用圓筒形浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）加水下井口的開發模式。該項目尚處于設計階段，其系泊系統采用3 ×4 的布置形式。這2 個實例都采用張緊式系泊系統，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。

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3.1 實例1：4 組系泊纜形式的聚酯纜結構拉伸方法

“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），其數值模型示意見圖2。系泊系統采用錨鏈＋聚酯纜＋錨鏈形式，其最小破斷強度為2 140 t，需要的聚酯纜結構拉伸載荷大于等于850 t（40%MBS）。

圖2 半潛平臺聚酯纜系泊系統數值模型示意

在將所有系泊纜回接至平臺之后，對聚酯纜進行結構拉伸，操作步驟如下：

1）通過錨機調整所有系泊纜的載荷為基本相同的初始載荷；

2）使用錨機拉緊目標纜（1 號纜）所在組的4 根纜，使其載荷達到一定的數值；

3）松弛與目標纜相鄰的3 條纜，使其載荷調整至初始載荷；

4）拉緊目標纜對角組的4 根纜，監測目標纜，使其載荷達到預定荷載，并保持3 h。

在完成第一根纜的結構拉伸之后，按相同的步驟完成同組剩余纜的結構拉伸操作。在第一組結構拉伸中，同時操作對角組纜繩，且其已處于高負載狀態，通常是完成第一組4 根纜的結構拉伸之后接著對該組對角組的系泊纜進行結構拉伸，可減少二次張緊，節約操作時間。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 根纜的結構拉伸載荷分析結果，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，滿足聚酯纜結構拉伸對載荷的要求。

表2 4 組系泊纜的前4 根聚酯纜的結構拉伸載荷分析結果 單位：t

3.2 實例2：3 組系泊纜形式的聚酯纜結構拉伸方法

實例2 中FPSO的系泊纜分為3 組，每組4 根，其數值模型示意見圖3。每根系泊纜都由錨鏈、聚酯纜和錨鏈構成，聚酯纜的最小破斷載荷約為2 300 t，預計結構拉伸的載荷大于等于800 t（35%MBS）。

圖3 FPSO聚酯纜系泊系統數值模型示意

1）通過錨機調整所有系泊纜的載荷為基本相同的初始載荷；2）松弛與目標纜相鄰的3 條纜，使目標纜的載荷自動調整至結構拉伸所需載荷，并保持3 h。

表3 為3 組系泊纜的結構拉伸載荷分析結果。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，滿足聚酯纜結構拉伸對載荷的要求。

表3 3 組系泊纜的結構拉伸載荷分析結果 單位：t

4 結 語

在對聚酯纜進行結構拉伸時，需注意以下幾個關鍵事項：

1）目標纜的載荷在達到結構拉伸載荷之后需維持3 h，在維持過程中，當目標纜的載荷增大或降低超過拉伸載荷的8%時，需進行1 ～2 次調整；

2）在使用錨機進行系泊纜收放時，通常記錄錨鏈收放長度，用于進行現場判斷，并可對系泊纜的載荷進行校對；

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

4）在調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的剎車載荷，即在錨機允許的載荷范圍內才能進行載荷調整，否則會造成錨機系統損壞和系泊纜失控；

5）在海上施工時，系泊纜載荷會受環境條件的影響，可根據環境條件對收放系泊纜的載荷進行微調，保證目標纜的最終拉伸載荷達到設計要求；

6）在對聚酯纜進行結構拉伸時，需結合錨鏈長度、錨機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間和降低錨機購置成本。

目前國內類似項目較少，本文提出的聚酯纜結構拉伸方法能有效解決施工難題，減少施工費用，已得到成功應用，取得了相關施工經驗，為后續國內聚酯纜系泊系統的設計和施工提供了新的方法和思路，為聚酯纜在我國深水領域的應用奠定了基礎。