深水系泊系统预警管理设计

贾旭，白雪平，李达，陈勇军

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028;2.北京迪玛尔海洋技术有限公司,北京 100085)

随着海洋油气开发和生产逐步走向深远海，材料轻、成本低、水平回复效率高的聚酯缆越来越多地应用于系泊系统。由于聚酯缆材料的特殊性，缆的轴向刚度非线性特征明显，并且刚度值与张力平均值、张力幅值和激振周期有关。在实际使用过程中，聚酯缆因为使用时间久会产生蠕变，从而导致刚度降低，预张力减小，平台运动性能受影响，不确定性增加。2021年6月安装于我国南海1 500 m水深的“深海一号”能源站是我国首座深水浮式生产平台，首次采用多点聚酯缆系泊系统。新型平台和新型系泊系统的安全运维是一个极大的挑战。为此，首先调研历史事故，分析深水系泊系统潜在风险，总结预警需求，以“深海一号”能源站的多点聚酯缆系泊系统为例，在数值计算分析的基础上，提出相应的预警管理方法和步骤。

1 系泊系统预警管理需求

系泊系统的设计虽然依照船级社规范要求采用了足够的安全系数，但是在缆绳材质控制、加工制造、安装作业等因素的影响下，系泊缆断裂失效事件还是时有发生。21世纪以来，全世界范围内深水浮式平台出现了几十起系泊缆失效事故，并且不少是多根缆同时失效。例如，2011年，英国Gryphon Alpha FPSO因恶劣天气而发生事故，起始是迎风向的1根缆失效(1个链节的对接焊缝失效)，使浮体不再顺风运动，而是横向正面受力，从而导致另外3根迎风向的系泊线失效，导致浮体失去定位能力，海底生产系统受损，最终生产关闭，人员撤离。

造成平台系泊系统失效的主要原因包括：①海洋环境的影响。台风、飓风、巨浪、强流等造成系泊缆荷载过大而断裂失效；②系泊缆部件故障。链、钢缆、聚酯缆、连接部件、海底桩等因为加工、腐蚀、张力、疲劳等原因而失效；③人工操作失误。安装和作业过程中的人为因素，如收放过程中的张力过大等。

为了降低风险，避免事故发生，有必要对深水平台的系泊系统进行预警管理，主要包括关键参数的选取和监测，预警阈值的确定，预警原因的识别，以及消警措施的推荐等。

2 系泊系统预警管理数值

平台及其系泊系统在不同环境条件下的响应特性数值分析包括完整工况和单根系泊缆失效的破损工况；分析环境条件包括正常作业(1年台风)、极限环境(100年台风)和生存环境(1 000年台风)。

2.1 系泊系统设计参数

目标平台系泊系统采用4组×4根的布置形式,见图1。每1根系泊缆分为船链、聚酯缆、和底链等三段。系泊缆各部分物理属性见表1。

图1 平台及其系泊系统布置示意

表1 系泊缆组成及其物理属性

2.2 完整工况下的系泊响应特性

为了充分了解系泊缆在正常状态下的张力监测值范围，从而确定相应的预警阈值，对其进行浮体-系泊-立管全时域耦合分析，得到系泊缆在不同环境条件作用下的张力极值，见图2。

图2 系泊系统动态响应张力极值

分析结果表明：系泊系统的最大张力低于规范许用值，满足设计要求。

系泊系统在作业时会经受不同方向的环境荷载，而且系泊缆之间存在布置方位夹角，所以在同一时刻相邻系泊缆的张力和方差会存在差异。为了识别张力监测值是否异常，需要分析和了解相邻系泊缆张力差异的正常范围。

分析计算结果，在作业环境条件下(1年台风)，同一时间点相邻缆张力差异不超过5% (见图3)；在同一短时间范围内相邻缆的张力方差比值在60%～170%之间，见图4。

图3 相邻系泊缆张力差异

图4 相邻系泊缆张力方差比值

2.3 单根缆失效对平台性能的静态影响

系泊缆失效不仅影响其他缆的张力，同时还影响平台运动以及立管性能。根据船级社的规范要求，单根缆失效后在100年一遇的极限环境条件下仍需具有足够的安全系数。

对16根系泊缆逐一进行“单根破损失效”静态平衡分析，结果见图5和图6。

图5 单根缆失效对平台运动的静态影响

图6 单根缆失效对其他缆张力的静态影响

1)单根缆失效后平台静态位移不超过9 m，转角不超过0.7°，垂荡不超过0.1 m。

2)单根缆失效后同组其他缆预张力增大10%～15%，对角组缆预张力减少7%～10%。

3)单根缆失效对立管张力影响非常小。

2.4 单根缆失效对平台性能的动态影响

基于完整工况下的时域分析结果，选择最为关键的两根系泊缆#6和#14进行单根缆失效动态分析，见图7、8。

图7 单根缆失效对平台位移的动态影响

图8 单根缆失效对其他缆张力的动态影响

图7表明，单根缆失效对平台位移影响很大，在不同环境条件下，平台位移均有较大程度的增加(25%～40%)。

图8表明，单根缆失效对系泊系统最大张力影响明显，增大约18%～23%。单根系泊缆失效虽然会增加平台位移，但是对立管的张力影响较小(±2%范围内)。

2.5 单根缆失效对平台性能的瞬态影响

系泊缆在海上作业时可能会由于张力过大而突然断裂失效，应关注其瞬间失效对平台运动和相邻系泊缆张力的冲击作用。与传统系泊缆失效动态分析(即初始失效，假设系泊缆在分析中不存在)不同，瞬间失效是假设失效发生在该系泊缆最大张力发生时间(或其他相关时间)。以系泊缆#6瞬间失效为例，计算极限环境条件下完整工况、初始失效和瞬间失效3种状态下对平台性能的影响，见图9 和图10。

图9 #6系泊缆瞬间失效对平台位移的影响

图10 #6系泊缆瞬间失效对相邻缆(#7)张力的影响

结果显示，平台的位移及系泊缆受力在失效前与完整工况的响应一样；系泊缆失效后，瞬态响应持续的时间1～2 min，在这期间平台位移及系泊缆受力骤然增加，最终进入稳定状态后的响应特征与初始失效状态一致。瞬间效应虽然在局部时间范围内增加了平台的位移和相邻系泊缆的张力，但是对于整个时域分析的极值影响较小(≤5%)。

2.6 单根缆失效的平台恢复措施

单根系泊缆失效后，在进行修补或替换之前，通常需要通过系泊调节(收紧本组缆或放松对角组缆)将平台恢复到破损前的状态，即将平台平移到初始安装位置。通过数值分析，平台恢复措施见表2。

表2 平台恢复系泊调节措施 m

3 系泊系统监测预警管理

3.1 系泊系统现场监测

系泊缆张力的监测一般通过两种方法实现。一种是直接张力测量，将压力传感器安装在锚机上；另一种是基于测斜仪的张力计算，通过测量系泊缆在顶部导缆器处与平台的相对转角，计算得到张力。

系泊系统监测通常要求每组至少监测2根，避免由于1个传感器的失灵而导致整组都没有监测数据。最好是对每1根系泊缆都进行监测，从而便于识别异常信号，及时发现失效风险。

3.2 系泊系统预警阈值设置

为了及时发现异常监测信号和发布警讯提示，需要对系泊系统的监测数据进行预警管理。预警级别通常包括正常状态(绿色)、一般预警(橙色)、严重预警(红色)3个级别。对于系泊缆张力，预警不仅针对张力上限值，也包括下限值。过小的系泊缆张力可能意味着聚酯缆段已经与海底接触或者系泊缆已经断裂失效。

基于此前的系泊系统张力统计极值，目标平台系泊系统的预警阈值范围推荐见表3。

表3 预警管理系统系泊系统预警阈值 kN

3.3 系泊系统预警原因识别

预警管理的主要目的之一就是在发生预警后，能尽快识别和确认平台是否真正发生故障(破损)。为了识别和确认预警原因，不仅需要对发生预警的监测参数进行分析，也需要对相关的其他监测参数进行分析。

为了避免误判，对于识别为“同组有缆断裂”的状况，需要对监测数据进行进一步的分析去核实识别结果。核实分析将基于系泊系统完整分析和失效分析的计算统计结果，主要从自身的张力值、相邻缆的张力值、自身与相邻缆的张力对比、平台位移变化等多个方面去分析比较。例如，预警缆与相邻缆张力差异值是否正常；同一时间范围内的方差比值是否正常等。

3.4 消警措施推荐

①对破损缆同组的缆进行收缩操作，增加其预张力；②对破损缆对角组的缆进行放松操作，减少其预张力。

4 结论

1)在深水系泊系统完整且作业环境条件下(1年台风)，同一时间点相邻缆张力差异应不超过5%，在同一短时间范围内相邻缆的张力方差比值在60%～170%之间。

2)在单根缆破断情况下，系泊系统最大张力影响明显导致平台位移影响较大，但系泊缆失效瞬间效应对于整个时域分析的极值影响较小。

3)深水系泊系统预警需根据预警管理系统结合人工判断，以免出现误判。