張曉頻 穆 頃 王 寧 李彥麗

（中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司 天津300452）

1 結(jié)構(gòu)完整性管理

在惡劣的海洋環(huán)境中，海洋平臺工作會受到波浪抨擊、沖刷、冰撞擊、腐蝕等不利因素的影響。進(jìn)入后期或超期服役階段，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衰減疲勞損傷加速，平臺結(jié)構(gòu)物事故風(fēng)險增高［1］。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，美國石油協(xié)會組織API聯(lián)合各大石油公司及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，頒布了API RP 2SIM海上固定設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理（Structural Integrity Management，以下簡稱SIM）。

SIM是一個確保海上設(shè)施從安裝到退役的整個生命周期內(nèi)的適用性的程序，這個程序?yàn)闇?zhǔn)確理解平臺因設(shè)施降級、損壞、載荷變化、事故性超載、用途改變和海上設(shè)計實(shí)踐的演變等影響提供了理性方法。SIM過程適用于固定式海上鋼質(zhì)平臺的水上和水下結(jié)構(gòu)。與新建平臺設(shè)計規(guī)范API RP 2A不同，SIM關(guān)心的是在役平臺結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)完整性管理（SIM）包括4個主要元素：數(shù)據(jù)、評價、策略和程序。它是一個連續(xù)的過程且是基于對下列事項(xiàng)的評價：結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計、結(jié)構(gòu)在整個服役期間的檢查結(jié)果、檢查所發(fā)現(xiàn)的損壞情況、荷載和/或用途變化［2］。

1.1 數(shù) 據(jù)

SIM本身是一個連續(xù)動態(tài)的管理系統(tǒng)，業(yè)主/作業(yè)者保留平臺服役期間的詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄是必要的，它分為特征數(shù)據(jù)和狀況數(shù)據(jù)兩部分。特征數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)在安裝時的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括平臺的綜合數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、建造數(shù)據(jù)、安裝數(shù)據(jù)等；狀況數(shù)據(jù)是平臺整個服役過程中特征數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的變化，如平臺的改造、在役檢查數(shù)據(jù)、損壞數(shù)據(jù)、加固/改造/修理數(shù)據(jù)等。

1.2 評 價

評價貫穿于平臺的整個服役周期，一般采用基于風(fēng)險的策略，根據(jù)故障后果和故障發(fā)生可能性的乘積劃分平臺的風(fēng)險類別。評估并非表示必須要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，它可包括基于專家知識或作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的工程方法判斷、簡化分析，或參考研究數(shù)據(jù)、相似平臺的詳細(xì)分析等。

1.3 策 略

策略包括制定檢查計劃和緩解選項(xiàng)。在平臺的服役期內(nèi)，策略應(yīng)依據(jù)收到的文件和關(guān)于諸如檢查數(shù)據(jù)、平臺評估結(jié)果的相關(guān)SIM報告而定期更新。檢查策略包括常規(guī)水上部分的檢查、常規(guī)水下部分的檢查和特殊檢查。

1.4 程 序

程序描述詳細(xì)工作范圍的執(zhí)行步驟，以完成SIM策略中所列的各項(xiàng)任務(wù)。該程序包括以下一項(xiàng)或者多項(xiàng)檢查：常規(guī)水上部分檢查、基線檢查、常規(guī)水下部分檢查、特殊檢查以及加固、修改或修復(fù)。

結(jié)構(gòu)完整性管理基于風(fēng)險原則來制定SIM策略，回答油田作業(yè)者最關(guān)心的問題：檢驗(yàn)什么？怎么檢驗(yàn)？什么時候檢驗(yàn)最佳？風(fēng)險是事件發(fā)生的可能性與其嚴(yán)重性的乘積。故障可能性低的平臺可以采用較低頻率和較低強(qiáng)度的檢查，包括檢查間隔時間和工作范圍［3-4］。

2 延期服役平臺結(jié)構(gòu)評估實(shí)例

渤海海域某鉆井生產(chǎn)平臺（以下簡稱DP平臺）為16腿16主樁鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺，平臺布置有東、西2個井口區(qū)，每個井口區(qū)包括16口井。整個平臺包括導(dǎo)管架、導(dǎo)管架帽及上部組塊三個部分。其中導(dǎo)管架三個水平層標(biāo)高分別為EL.（-）15.45 m、EL.（-）4.35 m和EL.（+）4.65 m；導(dǎo)管架帽兩層標(biāo)高分別為EL.（+）13.0 m和EL.（+）18.1 m；上部組塊包括上層、中層、下層和底層共4層甲板。平臺到達(dá)其設(shè)計使用期后，對導(dǎo)管架進(jìn)行延期服役結(jié)構(gòu)評估。

圖1 平臺實(shí)景圖

2.1 平臺狀態(tài)數(shù)據(jù)

平臺狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：平臺原始設(shè)計結(jié)構(gòu)圖紙和歷次改造圖紙；平臺初始設(shè)計報告，特別是結(jié)構(gòu)計算分析報告；制造和安裝檢驗(yàn)記錄；平臺檢驗(yàn)、維修和保養(yǎng)記錄；平臺使用記錄。這些數(shù)據(jù)應(yīng)反映評估時期平臺的實(shí)際狀態(tài)。

2.2 平臺檢測

平臺到達(dá)其設(shè)計服役期后對平臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測，包括導(dǎo)管架水上水下外觀檢測、焊縫檢測、結(jié)構(gòu)腐蝕檢測、陽極塊測量、海生物測厚、海床調(diào)查等。

（1）水上結(jié)構(gòu)外觀：外觀檢測水上結(jié)構(gòu)無變形，但存在局部腐蝕情況，涂層狀態(tài)較差；靠船件有不同程度的旋轉(zhuǎn)移位現(xiàn)象。

圖2 水上外觀檢測

（2）水下結(jié)構(gòu)外觀：飛濺區(qū)結(jié)構(gòu)有局部腐蝕，水下水平層結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷及異常。

（3）焊縫檢測：對導(dǎo)管架水上主結(jié)構(gòu)預(yù)選點(diǎn)進(jìn)行磁粉及超聲波檢測，對水下主結(jié)構(gòu)預(yù)選點(diǎn)進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)兩處焊縫存在裂紋（發(fā)生在A1和A4主樁腿過渡段與導(dǎo)管架帽連接位置），其余焊縫均合格。

（4）結(jié)構(gòu)腐蝕檢測：導(dǎo)管架水下部分測厚報告顯示，無桿件壁厚小于設(shè)計圖紙所標(biāo)厚度；水上導(dǎo)管架水平層桿件最大點(diǎn)腐蝕率10.9%；導(dǎo)管架帽主腿最大點(diǎn)腐蝕率11.6%；導(dǎo)管架帽斜撐最大點(diǎn)腐蝕率5%。

（5）陽極腐蝕：檢測結(jié)果顯示陽極消耗速率低于原設(shè)計壽命水平，電位測量值顯示其在合理范圍之內(nèi)。

（6）海生物：水下導(dǎo)管架海生物覆蓋率100%，最小覆蓋厚度50 mm，最大厚度200 mm。

（7）基礎(chǔ)沖刷：平臺所在泥面處海床未發(fā)現(xiàn)明顯凹凸不平現(xiàn)象，海床表面泥質(zhì)為軟質(zhì)淤泥，約30 cm以下為硬質(zhì)。

2.3 結(jié)構(gòu)評估

在役平臺結(jié)構(gòu)評估有四種方法可以選擇：

（1）簡單型方法。如與相似平臺進(jìn)行對比實(shí)施評價，該方法耗時費(fèi)力最少。

（2）設(shè)計水平法。它與新平臺設(shè)計方法相似。

（3）極限強(qiáng)度法。使用非線性方法確定平臺的基本運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

（4）替代型方法。通過評價平臺的歷史表現(xiàn)或計算平臺保留的顯式概率來實(shí)現(xiàn)。

較之于極限強(qiáng)度法，設(shè)計水平法是相對簡單、保險系數(shù)高且易于實(shí)施的評估方法。因此，初始評價通常先采用設(shè)計水平法。極限強(qiáng)度法由于減少了保險系數(shù)，如果平臺不能通過設(shè)計水平法，則可能會通過極限強(qiáng)度法。DP平臺結(jié)構(gòu)評估采用了設(shè)計水平法與極限強(qiáng)度法結(jié)合的方式。

2.3.1 失效后果等級

通過考慮人命安全和失效后果來確定海洋平臺等級，其中A-1為高風(fēng)險級，A-2為中等風(fēng)險級，A-3為低風(fēng)險級，D/P平臺評定為A-2中等風(fēng)險級。

2.3.2 結(jié)構(gòu)建模

圖3 結(jié)構(gòu)模型

表1 樁基承載力安全系數(shù)

采用SACS軟件建立導(dǎo)管架和導(dǎo)管架帽的結(jié)構(gòu)模型（紅色部分為導(dǎo)管架帽），如圖3所示。模型基于平臺當(dāng)前而非初始設(shè)計時的環(huán)境條件，如風(fēng)、波浪、海流、冰等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時基于檢測數(shù)據(jù)考慮了受損、腐蝕、沖刷等影響結(jié)構(gòu)評估的因素。

2.3.3 設(shè)計水平分析

對平臺進(jìn)行在位操作風(fēng)暴、極端風(fēng)暴、極端冰工況分析和疲勞分析。結(jié)果顯示平臺導(dǎo)管架桿件強(qiáng)度、管節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度及樁基承載力安全系數(shù)均滿足API RP 2A規(guī)范要求。其中導(dǎo)管架桿件最大應(yīng)力比為0.93，管節(jié)點(diǎn)沖剪最大應(yīng)力比為0.80。

2.3.4 極限強(qiáng)度分析

極限強(qiáng)度法通過非線性分析判斷平臺是否具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，承受破壞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的載荷水平而不至于崩塌，它允許局部性的過應(yīng)力和損壞。極限強(qiáng)度的校核標(biāo)準(zhǔn)是儲備強(qiáng)度比RSR（Reserve Strength Ratio），RSR不小于1.6時認(rèn)為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足繼續(xù)服役要求。

渤海平臺控制工況通常為極端冰工況或地震工況，為了找出平臺最先發(fā)生破壞的桿件位置并為后期服役的檢測重點(diǎn)做出指導(dǎo)，故選用渤海海域千年一遇的地震環(huán)境數(shù)據(jù)對平臺進(jìn)行倒塌分析。平臺4個方向的結(jié)構(gòu)儲備強(qiáng)度比RSR見表2，地震條件下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足最小RSR要求。

表2 儲備強(qiáng)度比RSR

3 結(jié)構(gòu)評估結(jié)論

3.1 檢測評價和改進(jìn)措施

根據(jù)平臺檢測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)損傷或不合格項(xiàng)進(jìn)行成因分析，并提出改進(jìn)措施。

3.2 評估結(jié)論

基于對平臺結(jié)構(gòu)形式、所處海域及檢測數(shù)據(jù)的分析，該平臺具有以下特點(diǎn)：

（2）原始設(shè)計較為保守，具備儲備強(qiáng)度；

（3）平臺的自振周期約為1 s，而所處渤海海域波浪主周期集中在3～5 s范圍內(nèi)，管節(jié)點(diǎn)發(fā)生疲勞退化的可能性較小；

（4）檢測結(jié)果顯示主要結(jié)構(gòu)無明顯損傷及變形。

根據(jù)平臺最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了設(shè)計水平法和極限強(qiáng)度法校核［5］。設(shè)計水平法基于API RP 2A工作應(yīng)力法，風(fēng)、波浪、流和海冰等環(huán)境數(shù)據(jù)根據(jù)平臺海域當(dāng)前數(shù)據(jù)，以反映平臺當(dāng)前的受力狀態(tài)。計算結(jié)果表明：正常操作工況和極端風(fēng)暴/極端冰工況，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；極限強(qiáng)度法采用倒塌分析計算的平臺地震條件下儲備強(qiáng)度比，滿足SIM最小儲備強(qiáng)度比要求。

根據(jù)上述分析，認(rèn)為在進(jìn)行如下頁表3所示改進(jìn)后，平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)可以滿足繼續(xù)服役的適用性要求。延期服役階段應(yīng)根據(jù)《海上固定平臺安全規(guī)則》和API RP 2A要求進(jìn)行平臺年度檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)，定期檢驗(yàn)時間間隔不大于3年，繼續(xù)服役的監(jiān)測重點(diǎn)應(yīng)包括：

表3 結(jié)構(gòu)損傷成因和改進(jìn)措施

（1）導(dǎo)管架水面以上水平層桿件的腐蝕；

（2）導(dǎo)管架帽主腿和斜撐的腐蝕；

(3) 第三層時間服務(wù)：CATS A和CATS B作為NTP服務(wù)的服務(wù)器端來提供時間服務(wù)，所有工作站、LATS和連接信號子網(wǎng)的兩個網(wǎng)關(guān)(即網(wǎng)關(guān)A和網(wǎng)關(guān)B)作為NTP服務(wù)的客戶端來同步兩臺CATS服務(wù)器的時間。

（3）導(dǎo)管架斜撐的腐蝕；

（4）導(dǎo)管架過渡段與導(dǎo)管架帽主腿連接處的焊縫；

（5）導(dǎo)管架斜撐相交處的管節(jié)點(diǎn)焊縫；

（6）導(dǎo)管架帽斜撐與主腿連接處的管節(jié)點(diǎn)焊縫。

結(jié)構(gòu)的延期服役評估，是平臺延期服役評估的重要組成部分。建議對平臺進(jìn)行設(shè)備設(shè)施檢測評估和管線檢測評估，以確保平臺延期服役的適用性。

4 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)完整性管理是貫穿平臺整個生命周期的適用性程序。數(shù)據(jù)是SIM的基礎(chǔ)，包括設(shè)計資料、建造施工數(shù)據(jù)、改造/維修記錄、檢測記錄等。當(dāng)發(fā)生以下情況時需要對平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估以評價其適用性：

（1）人員增加，導(dǎo)致生命安全級別需要提高；

（2）設(shè)施增加，如管線、井口等增加，導(dǎo)致故障后果等級提高；

（3）荷載增加，平臺總荷載的累積變化超過10%；

（4）檢測中發(fā)現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)部件明顯損傷；

（5）重大損壞，累積損傷造成平臺的承載能力下降超過10%。

完整詳盡的數(shù)據(jù)是評估結(jié)果真實(shí)可靠的重要保障，因此，盡快建立平臺數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫以反映平臺的真實(shí)狀態(tài)十分必要。隨著中海油數(shù)字化油田工程信息平臺的逐步建立，結(jié)構(gòu)完整性管理在我國海洋平臺評估中的應(yīng)用將更為深入。

［1］ 童波，金強(qiáng).基于南海環(huán)境條件的豐潛式鉆井平臺設(shè)計環(huán)境參數(shù)分析［J］.船舶，2012（2）：8-14.

［2］ API RP 2SIM，Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures［S］.American Petroleum Institute，2011.

［3］ 李紅濤.老齡海上移動平臺結(jié)構(gòu)安全管理初探［J］.海洋工程 .2012，30（2）：123-128.

［4］ 李紅濤.海上固定油氣開采設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理分析［J］.海洋工程 .2013，31（1）：90-94.

［5］ 聶炳林.埕島油田導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的安全評估［J］.石油工程建設(shè) .2005，31（5）：46-48.