海洋系泊链发展现状探究

李剑，陶兴，张卫新，邵云亮，张明

（江苏亚星锚链股份有限公司，江苏 靖江 214533）

FPSO最主要的风险因子就是系泊系统故障，而导致其出现运行故障的主要因素就是构件疲劳。由于FPSO所处的海上风浪变化无常，环境较为复杂，储存在其中的原油载荷也会随之进行周期性的持续变化，以及船身因为外输油船的连接所形成的张力，所以导致FPSO系泊系统出现非常复杂的受力情况，以至于很难对其展开疲劳评估。之前大部分的研究都是以对系泊系统水动力响应的数值为基础而进行的模拟计算。中海油为了可以实时监控系泊系统运行状态，为海上油田作业提供进一步安全保障，已经在多条在役FPSO上陆续安装了许多在线监控设备，以便于实时监测单点系泊系统的关键部位。风浪流等海洋环境条件、FPSO六自由度运动以及系泊系统重要结构受力等均是系泊系统实时监测的主要内容。

1 海洋工程

如果要投身于海洋工程项目管理，一定要对海域以及周围环境了如指掌，充分了解风、浪、流的变化规律，对施工“窗口期”进行准确判断，从而制定更加科学的施工方案。当项目进行招标时，建设团队应该仔细勘察项目所在环境，并出具报告，为投标报价和施工组织提供依据，这同时也是项目经营管理规划的主要依据。对于常规的工程项目而言，其环境往往大体一致，最大的差异体现在“四通一平”的实际施工效果上，也就是通水、通电、通路、通讯、场地平整的实际效果，有许多的实践经验可以作为参考。然而，在我国沿海地区，由于气候条件以及海洋环境的复杂多变，导致项目的技术方案、装备选型、工期计划、安全管理等充满了不确定性，而大部分施工调查也都只能依赖查找翻阅历史资料，比如过去几年台风登陆时间以及大风天气分布等统计值，因此，这部分的内容只能作为参考。当工程开工后，施工团队还应该持续观测施工区的水文、地质、气象特征，经过现场直观体验后再与设计资料进行仔细对比，进一步了解环境变化规律，及时调整施工方案。

2 成分及工艺设计

（1）性能要求。通常情况下，大部分大型舰船、石油平台等锚链及系泊系统都会选择使用系泊链钢。由于在使用时会受到海水盐卤的不断侵蚀，因此在选择原材料时既要选择耐低温性更高的材料，也要能够承受成品链条严格的破断、拉力以及低温冲击韧性检测等条件。所以，这就对钢的成分、纯度及均匀性做出了更高的要求。

（2）工艺设计。要持续优化LF精炼、送丝、软吹等技术工艺，以锻造纯度更高的钢材。选择结晶器电磁搅拌进行连铸，以防止连铸坯矫直裂纹，矫直时避免在连铸坯脆性温度范围内进行，严格控制钢材的过热度，保障恒拉速拉钢。此外，为细化材料的晶体结构，应该对乳制过程中的温度进行严格控制，并且控制终轧温度。

（3）化学成分设计。含碳量控制在0.22%～0.31%。依据使用系泊链的条件，为进一步增强链条的抗腐蚀能力，应该加入适量的Cr元素于化学成分中，保持不超过0.015%的P值，确保材料具备更强的低温冲击韧性。依据0.15%～0.35%控制其他化学成分，Mn按1.40%～1.90%控制。当Cr和Mn两种元素共同存在于调制钢中，也就提升了高温回火脆性的敏感程度，而可以加入少量Mo以遏制高温回火脆性，从而使其具备更稳定的材料性能，即使回火温度较高时，依旧可以保持高硬度以及高韧性。

3 系泊链的疲劳研究

使用系泊链时的一项重要指标就是疲劳性能。当海上设备在运行时受到诸如风、浪和水流等环境载荷的制约，这些是环境载荷的主要组成部分，并受制于静态载荷。设计系泊系统的关键基础就在于系泊链疲劳参数，应该制定一套设计准则，充分确保安全，同时考虑到材料特性、海洋环境和应力分布等各个方面。目前，国际上系泊链设计主要基于两个标准，即apirp2sk和DNVglos-e301浮动锚定设计指南。捕捉链中的t-n和s-n曲线单独提供，并广泛用于各种系泊系统的设计。此外，由平面外弯曲(opb)引起的疲劳是业界关注的主要问题之一。

4 质量控制的关键点及对策

4.1 匹配船机装备

海洋中蕴含着庞大的能量，海洋的破坏力也同样惊人。因此，在海洋工程建设中，对施工装备的要求也非常严格，这些装备要具备更高的自动化程度、更大的结构尺寸以及更强的施工效率等条件。此外，项目的建设模式要尽量保证整体化施工，通常选择标准化、装配化与工厂化的施工模式。施工团队经过全面了解周边环境与海况，应该使用浮吊船、运输船、拖轮、锚艇或交通船等与实际相符的船机械资源。这些装备既要与施工海域相适用，还要与其相匹配。以浮吊船为例，不仅要注重吊高、吊重等数据，也要注重船体长度，通常不低于施工海域1.5倍的波长；运输船定位要选择四锚，依据水深状况确认锚绳长度与锚发热重量；拖轮、锚艇的拖力及功率要符合进场时采用的无动力船；浮吊船一定要与运输船的选型相适配。

4.2 考虑季节性作用的时变可靠性

海洋环境负荷的季节性较强，在计算疲劳可靠性时，其荷载的装载顺序与损害累积速度一定程度上会影响随时间变化的可靠性计算结果。如若想获取指标值更好的疲劳可变可靠性，一定考虑将季节性变化。（1）将负荷期间划分为4个季节，针对季度负荷进行分开计算，然后获取其负荷分布以及平均疲劳损伤。（2）依据时间与负荷的不同分别计算累积损害估计公式，将季节变化的影响计算进去。（3）各时期的可靠性变化。

4.3 加强相关管理，引进国外先进技术

随着我国海洋工程陆地项目的持续发展，组块陆地建造技术也取得了长足的进步。为不影响施工质量，应该重视施工装备的应用与更新，施工人员首先可以着手引进先进的工程设备，然后在引进优秀技术之余，使其操作更加简便。其施工细则要立足项目设计优化、深化设计细则，运用几何思维建模软件技术，避免在施工现场发生施工内容更改、缺乏科学预估工程量以及存在施工控制风险等情况。一体化建造技术在当下实际施工技术的运用中，其使用价值是不可预测的。

4.4 变更强化措施

海洋工程EPC项目合同中的工作界面复杂，非常容易产生责任方与配合方职能不明的情况，因此，应该在施工中设置分工矩阵，使各方责任更加分明。分工矩阵也就是RACI（责任分配矩阵），制定了矩阵内各相关方在此项工作中所对应的责任，R（Responsible），负责执行任务；A（Accountable），负责批准与评价任务；C（Consulted），负责提供支持与咨询服务；I（Informed），负责应及时被通知的信息接收者。为了方便说明，提出变更的一方简称为甲方，即海洋工程开发方，变更施工的一方简称为乙方，也就是海洋工程EPC项目总包方。在签订或启动的时侯，项目分工界面表由甲、乙两方共同创建，也就是分工矩阵，制定了两方所承担的责任，分工矩阵相较长篇文字的优点是可以更简洁、明确地体现双方责任，当甲乙双方展开变更谈判时，方便甲乙双方更迅速地评估变更成立的条件，从而有效提升变更谈判效率。

4.5 腐蚀机理

一般情况下，均匀腐蚀、坑内腐蚀、细菌腐蚀等都属于锚链腐蚀。其原因与许多因素有关，例如，海水温度、深度、细菌、材料纯度以及氧气含量等。国内外许多团队经过深入研究物理链环在平台上的腐蚀特性，然后通过在实验室中展开模拟以研究形成机理，继而获取环境、材料组成及技术等因素对腐蚀性能产生的影响。若干石油公司和行业分包商组织的scorchjip项目分析了实际水中锚链的腐蚀情况，并初步分析了造成这种腐蚀的原则和应对措施。研究的重点是某些平台（西非生产平台）的链腐蚀问题，发现坑深受到严重侵蚀，当地直径损失35%，而破断载荷也下降到公称载荷的80%～90%；在这一地区，有较大的可能是因为微生物对链条产生了坑蚀，这与高温气候以及海水中丰富的氮含量有关。JIP项目LMCC则主要对影响系泊链局部腐蚀的热处理状态、拉力状态等因素进行了研究，研究表明，链环表面生成的局部腐蚀并不因细菌的产生与消失而有所变化，此类局部腐蚀会随着钢材中的MnS等夹杂物的变化而变化，此外，钢的局部腐蚀抗性也会受到拉力试验时发生的永久变形而影响。研究了达到最佳防腐性能的热处理方法，研究了不同的搅拌和回火温度对r4s链防腐性能的影响，以及织物、成分和腐蚀特性等几个因素对链腐蚀行为的影响。

4.6 结构总装阶段

当进行到结构总装工作阶段时，意味着陆地结构已基本完工。所有任务中所涉内容最全、占地面积最大的部分都属于此项工作的工作内容，各个施工工序互相作用，收尾工作除结构专业一定要完成外，剩余的专业也都应该加入进来，从而确保施工时的各种内容不受干扰，同时也使各专业的工作互相牵制。对于陆地建设部分的工程管理部分而言，陆地建造首先要建设完主体工程，然后再陆续进行墙皮、管线支架、连接管线、电缆支架和设备底座的安装。但是，在进行施工时，施工人员不能自行完成专业完整的铺设及收尾工作，以免对之后的保温棉、舾装板等安装工作造成影响。在进行部分施工工程项目时，应该着重关注设计与加工细则，充分考虑其中的结构、管线与电缆构建等关键节点的安装。在进行实际安装时，很容易产生碰撞事件，如若对其不管不顾，很容易导致项目发生变更或返工等情况。为此，进一步健全施工规范则尤为重要，以免影响施工进度，假如发生临时情况，也可以依据之前做好的施工风险预警和调节计划执行，以最大限度地减少维护时间并确保维护效果。

4.7 考虑腐蚀作用的时变可靠性

尽管腐蚀不能对材质性能造成很大的影响，却能对结构比例造成很大的影响。热轧钢的实验研究表明，相较于低于5%的截面损失率以及均匀腐蚀的低腐蚀钢，其sn曲线依旧具备显著的挠度点，拉伸与法规要求相符，可将材料的抗拉强度与屈服强度等同于母材，计算承受负荷时，就应该将截面的折减计算进去。所以，锚链截面面积的缩小引起的强度缩减就是均匀腐蚀的影响简化。

材料的抗拉强度和屈服强度可以认为是相同的。基材相同，在计算轴承载荷时，应考虑横截面的减小。因此，将均匀腐蚀的影响简化为由于锚链横截面积的减小而导致的强度降低。

5 结语

作为系泊系统中关键组成部分，系泊链拥有着优异的综合性能与独一无二的特性，此外，系泊链的可靠性对平台服役的安全性发挥着重要的作用。所以，国内外油气公司、承包商以及研究机构等都热衷于展开项目建设，着眼于材料、疲劳、腐蚀、环境等各个角度全面看待结合关系。此外，由于链性能研究的日益普及，新的材料、工艺及制造设备也随着技术工程师和工程师越来越多地采用一些基本学科和机制而出现，从而进一步提升了设计产品的可靠性与科学性。不仅如此，过于繁杂的平台服务环境与越来越严苛的设计标准要求对资源绑定提出了更高的要求，以推进这一领域的研究，促进整个绑定行业的发展。