深水系泊系統預警管理設計

賈旭，白雪平，李達，陳勇軍

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028;2.北京迪瑪爾海洋技術有限公司,北京 100085)

隨著海洋油氣開發和生產逐步走向深遠海，材料輕、成本低、水平回復效率高的聚酯纜越來越多地應用于系泊系統。由于聚酯纜材料的特殊性，纜的軸向剛度非線性特征明顯，并且剛度值與張力平均值、張力幅值和激振周期有關。在實際使用過程中，聚酯纜因為使用時間久會產生蠕變，從而導致剛度降低，預張力減小，平臺運動性能受影響，不確定性增加。2021年6月安裝于我國南海1 500 m水深的“深海一號”能源站是我國首座深水浮式生產平臺，首次采用多點聚酯纜系泊系統。新型平臺和新型系泊系統的安全運維是一個極大的挑戰。為此，首先調研歷史事故，分析深水系泊系統潛在風險，總結預警需求，以“深海一號”能源站的多點聚酯纜系泊系統為例，在數值計算分析的基礎上，提出相應的預警管理方法和步驟。

1 系泊系統預警管理需求

系泊系統的設計雖然依照船級社規范要求采用了足夠的安全系數，但是在纜繩材質控制、加工制造、安裝作業等因素的影響下，系泊纜斷裂失效事件還是時有發生。21世紀以來，全世界范圍內深水浮式平臺出現了幾十起系泊纜失效事故，并且不少是多根纜同時失效。例如，2011年，英國Gryphon Alpha FPSO因惡劣天氣而發生事故，起始是迎風向的1根纜失效(1個鏈節的對接焊縫失效)，使浮體不再順風運動，而是橫向正面受力，從而導致另外3根迎風向的系泊線失效，導致浮體失去定位能力，海底生產系統受損，最終生產關閉，人員撤離。

造成平臺系泊系統失效的主要原因包括：①海洋環境的影響。臺風、颶風、巨浪、強流等造成系泊纜荷載過大而斷裂失效；②系泊纜部件故障。鏈、鋼纜、聚酯纜、連接部件、海底樁等因為加工、腐蝕、張力、疲勞等原因而失效；③人工操作失誤。安裝和作業過程中的人為因素，如收放過程中的張力過大等。

為了降低風險，避免事故發生，有必要對深水平臺的系泊系統進行預警管理，主要包括關鍵參數的選取和監測，預警閾值的確定，預警原因的識別，以及消警措施的推薦等。

2 系泊系統預警管理數值

平臺及其系泊系統在不同環境條件下的響應特性數值分析包括完整工況和單根系泊纜失效的破損工況；分析環境條件包括正常作業(1年臺風)、極限環境(100年臺風)和生存環境(1 000年臺風)。

2.1 系泊系統設計參數

目標平臺系泊系統采用4組×4根的布置形式,見圖1。每1根系泊纜分為船鏈、聚酯纜、和底鏈等三段。系泊纜各部分物理屬性見表1。

圖1 平臺及其系泊系統布置示意

表1 系泊纜組成及其物理屬性

2.2 完整工況下的系泊響應特性

為了充分了解系泊纜在正常狀態下的張力監測值范圍，從而確定相應的預警閾值，對其進行浮體-系泊-立管全時域耦合分析，得到系泊纜在不同環境條件作用下的張力極值，見圖2。

圖2 系泊系統動態響應張力極值

分析結果表明：系泊系統的最大張力低于規范許用值，滿足設計要求。

系泊系統在作業時會經受不同方向的環境荷載，而且系泊纜之間存在布置方位夾角，所以在同一時刻相鄰系泊纜的張力和方差會存在差異。為了識別張力監測值是否異常，需要分析和了解相鄰系泊纜張力差異的正常范圍。

分析計算結果，在作業環境條件下(1年臺風)，同一時間點相鄰纜張力差異不超過5% (見圖3)；在同一短時間范圍內相鄰纜的張力方差比值在60%～170%之間，見圖4。

圖3 相鄰系泊纜張力差異

圖4 相鄰系泊纜張力方差比值

2.3 單根纜失效對平臺性能的靜態影響

系泊纜失效不僅影響其他纜的張力，同時還影響平臺運動以及立管性能。根據船級社的規范要求，單根纜失效后在100年一遇的極限環境條件下仍需具有足夠的安全系數。

對16根系泊纜逐一進行“單根破損失效”靜態平衡分析，結果見圖5和圖6。

圖5 單根纜失效對平臺運動的靜態影響

圖6 單根纜失效對其他纜張力的靜態影響

1)單根纜失效后平臺靜態位移不超過9 m，轉角不超過0.7°，垂蕩不超過0.1 m。

2)單根纜失效后同組其他纜預張力增大10%～15%，對角組纜預張力減少7%～10%。

3)單根纜失效對立管張力影響非常小。

2.4 單根纜失效對平臺性能的動態影響

基于完整工況下的時域分析結果，選擇最為關鍵的兩根系泊纜#6和#14進行單根纜失效動態分析，見圖7、8。

圖7 單根纜失效對平臺位移的動態影響

圖8 單根纜失效對其他纜張力的動態影響

圖7表明，單根纜失效對平臺位移影響很大，在不同環境條件下，平臺位移均有較大程度的增加(25%～40%)。

圖8表明，單根纜失效對系泊系統最大張力影響明顯，增大約18%～23%。單根系泊纜失效雖然會增加平臺位移，但是對立管的張力影響較小(±2%范圍內)。

2.5 單根纜失效對平臺性能的瞬態影響

系泊纜在海上作業時可能會由于張力過大而突然斷裂失效，應關注其瞬間失效對平臺運動和相鄰系泊纜張力的沖擊作用。與傳統系泊纜失效動態分析(即初始失效，假設系泊纜在分析中不存在)不同，瞬間失效是假設失效發生在該系泊纜最大張力發生時間(或其他相關時間)。以系泊纜#6瞬間失效為例，計算極限環境條件下完整工況、初始失效和瞬間失效3種狀態下對平臺性能的影響，見圖9 和圖10。

圖9 #6系泊纜瞬間失效對平臺位移的影響

圖10 #6系泊纜瞬間失效對相鄰纜(#7)張力的影響

結果顯示，平臺的位移及系泊纜受力在失效前與完整工況的響應一樣；系泊纜失效后，瞬態響應持續的時間1～2 min，在這期間平臺位移及系泊纜受力驟然增加，最終進入穩定狀態后的響應特征與初始失效狀態一致。瞬間效應雖然在局部時間范圍內增加了平臺的位移和相鄰系泊纜的張力，但是對于整個時域分析的極值影響較小(≤5%)。

2.6 單根纜失效的平臺恢復措施

單根系泊纜失效后，在進行修補或替換之前，通常需要通過系泊調節(收緊本組纜或放松對角組纜)將平臺恢復到破損前的狀態，即將平臺平移到初始安裝位置。通過數值分析，平臺恢復措施見表2。

表2 平臺恢復系泊調節措施 m

3 系泊系統監測預警管理

3.1 系泊系統現場監測

系泊纜張力的監測一般通過兩種方法實現。一種是直接張力測量，將壓力傳感器安裝在錨機上；另一種是基于測斜儀的張力計算，通過測量系泊纜在頂部導纜器處與平臺的相對轉角，計算得到張力。

系泊系統監測通常要求每組至少監測2根，避免由于1個傳感器的失靈而導致整組都沒有監測數據。最好是對每1根系泊纜都進行監測，從而便于識別異常信號，及時發現失效風險。

3.2 系泊系統預警閾值設置

為了及時發現異常監測信號和發布警訊提示，需要對系泊系統的監測數據進行預警管理。預警級別通常包括正常狀態(綠色)、一般預警(橙色)、嚴重預警(紅色)3個級別。對于系泊纜張力，預警不僅針對張力上限值，也包括下限值。過小的系泊纜張力可能意味著聚酯纜段已經與海底接觸或者系泊纜已經斷裂失效。

基于此前的系泊系統張力統計極值，目標平臺系泊系統的預警閾值范圍推薦見表3。

表3 預警管理系統系泊系統預警閾值 kN

3.3 系泊系統預警原因識別

預警管理的主要目的之一就是在發生預警后，能盡快識別和確認平臺是否真正發生故障(破損)。為了識別和確認預警原因，不僅需要對發生預警的監測參數進行分析，也需要對相關的其他監測參數進行分析。

為了避免誤判，對于識別為“同組有纜斷裂”的狀況，需要對監測數據進行進一步的分析去核實識別結果。核實分析將基于系泊系統完整分析和失效分析的計算統計結果，主要從自身的張力值、相鄰纜的張力值、自身與相鄰纜的張力對比、平臺位移變化等多個方面去分析比較。例如，預警纜與相鄰纜張力差異值是否正常；同一時間范圍內的方差比值是否正常等。

3.4 消警措施推薦

①對破損纜同組的纜進行收縮操作，增加其預張力；②對破損纜對角組的纜進行放松操作，減少其預張力。

4 結論

1)在深水系泊系統完整且作業環境條件下(1年臺風)，同一時間點相鄰纜張力差異應不超過5%，在同一短時間范圍內相鄰纜的張力方差比值在60%～170%之間。

2)在單根纜破斷情況下，系泊系統最大張力影響明顯導致平臺位移影響較大，但系泊纜失效瞬間效應對于整個時域分析的極值影響較小。

3)深水系泊系統預警需根據預警管理系統結合人工判斷，以免出現誤判。