FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

楊貴強(qiáng)1,孫麗萍2

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452;2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

摘要：考慮到FPSO服役期間受到臺(tái)/颶風(fēng)等惡劣海洋環(huán)境、設(shè)備失效、人為失誤以及其他因素的影響，不可避免地存在著碰撞、泄漏、火災(zāi)、爆炸、落物等風(fēng)險(xiǎn)，建立FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)，從FPSO設(shè)備及數(shù)據(jù)的分類方式、FPSO失效數(shù)據(jù)的篩選處理與失效概率計(jì)算，F(xiàn)PSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)三方面論述建立FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的思路和方法，認(rèn)為該系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：FPSO;風(fēng)險(xiǎn)管理;失效;數(shù)據(jù)庫(kù)

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.020

中圖分類號(hào)：U662.9;P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0068-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一楊貴強(qiáng)(1971-)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

Abstract:During FPSO in-service period, it is influenced by typhoon or hurricanes and other harsh marine environment, equipment failure, human error and other factors, there is inevitably risks of collide, leakage, fire, explosion, falling objects and so on. So it is necessary to establish a FPSO failure database so as to improve risk analysis and management. From aspects of the classification FPSO equipment and data, FPSO failure screening data processing and calculation of the probability of failure, structure design and implementation of FPSO failure database, the idea and method to build up the FPSO failure database system are presented. The system is believed having a wide range of applications.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(E-J215A002)

研究方向:海洋工程

E-mail:yanggq@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(floating production storage and offloading system,FPSO)服役期間受到臺(tái)/颶風(fēng)等惡劣海洋環(huán)境、設(shè)備失效、人為失誤以及其他因素的影響，不可避免地存在著碰撞、泄漏、火災(zāi)、爆炸、落物等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國(guó)際傷害、疾病,以及危險(xiǎn)事件報(bào)告數(shù)據(jù)，1996～2002年間發(fā)生了316起FPSO危險(xiǎn)事件。FPSO的安全問(wèn)題一直受到了深切關(guān)注，也促進(jìn)了國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)FPSO風(fēng)險(xiǎn)分析和安全保障的研究，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)和安全評(píng)定提高到一個(gè)新的水平。然而由于海洋環(huán)境以及FPSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，尚有很多的問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究，特別是在FPSO風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程中缺乏可靠、有效的失效數(shù)據(jù)支持，給FPSO風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估造成了極大的困難，甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤的評(píng)定結(jié)果。

建立FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)的目的一是提高風(fēng)險(xiǎn)分析和管理的技術(shù)與能力，確保FPSO的安全運(yùn)行，二是為FPSO船體及上部模塊進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)時(shí)提供技術(shù)支持。針對(duì)我國(guó)FPSO服役海域環(huán)境條件、系統(tǒng)設(shè)備性能等特點(diǎn)，重點(diǎn)建立FPSO的爆炸、火災(zāi)、碰撞、落物、系泊失效等主要風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)及防損措施。在FPSO風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論，將FPSO的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行歸納總結(jié)，確定FPSO設(shè)備名目定義、分類邊界等，形成FPSO設(shè)備的編碼規(guī)則。采用服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模式，分析選擇FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具及運(yùn)行的環(huán)境配置要求，實(shí)現(xiàn)FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)。

11FPSO設(shè)備及數(shù)據(jù)的分類方式

FPSO結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是系統(tǒng)設(shè)備龐大，對(duì)于樣本名目的編排、失效數(shù)據(jù)的收集與分析以及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成極大的困難。為了便于FPSO設(shè)備的標(biāo)識(shí)和分類，有效地建立失效數(shù)據(jù)庫(kù)，必須建立一個(gè)科學(xué)的、完整的設(shè)備編碼系統(tǒng)，以保證設(shè)備編碼準(zhǔn)確可靠、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、利于失效數(shù)據(jù)的提取和錄入，保證信息流通順暢和數(shù)據(jù)共享。

針對(duì)FPSO的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、惰氣/氮?dú)庀到y(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、氦氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、熱介質(zhì)系統(tǒng)、貨油系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、掃艙洗艙系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)、起重系統(tǒng)、安全消防系統(tǒng)以及溢油回收系統(tǒng)等，在對(duì)國(guó)外已有的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展深入、細(xì)致研究的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合我國(guó)海洋工程的特點(diǎn)，確定FPSO設(shè)備名目定義、分類邊界等，依據(jù)相關(guān)國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)編碼方法進(jìn)行評(píng)估并形成FPSO設(shè)備分類編碼規(guī)則，圖1為數(shù)據(jù)庫(kù)框架。

2失效數(shù)據(jù)篩選及失效概率計(jì)算

2.11FPSO失效數(shù)據(jù)的篩選處理

對(duì)FPSO系統(tǒng)而言，失效分內(nèi)部失效和外部失效。前者包括制造失效和設(shè)計(jì)失效，故障可能發(fā)生在元件級(jí)、模塊級(jí)、單元級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的任何層次。外部失效包括環(huán)境因素、維修故障和操作故障。由于FPSO系統(tǒng)故障層次繁雜，失效存在大量相關(guān)性，失效模式受不確定因素影響較多，因此數(shù)據(jù)的采集與分析是否準(zhǔn)確有效尤為重要。

圖1　數(shù)據(jù)庫(kù)框架

FPSO失效數(shù)據(jù)的獲得方法有采用失效模式影響分析(FMEA)及其衍生分析方法、相關(guān)性可靠性評(píng)估模型和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。失效模式影響分析及其衍生分析方法是獲取失效數(shù)據(jù)的一種重要途徑和方法。但僅通過(guò)FMEA及其衍生法獲得的失效數(shù)據(jù)并不能完全反映FPSO在實(shí)際作業(yè)環(huán)境下的失效率，要想獲得高質(zhì)量的失效數(shù)據(jù)，需有工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及FPSO現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行組合分析。獲取失效數(shù)據(jù)的另外一個(gè)重要方法是建立良好的現(xiàn)場(chǎng)失效數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，以很好的定義和遵循數(shù)據(jù)采集流程為基礎(chǔ)，對(duì)FPSO在現(xiàn)場(chǎng)的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整理、分析和評(píng)估，這也需要結(jié)合對(duì)FPSO全面管理信息的支持以及FPSO相關(guān)人員在生產(chǎn)操作、檢測(cè)維護(hù)等方面的經(jīng)驗(yàn)來(lái)綜合分析。相關(guān)失效數(shù)據(jù)的獲得方法具體可分為：

1)靜設(shè)備失效數(shù)據(jù)獲取可采用這三種方法，其中以專項(xiàng)可靠性評(píng)估模型及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查最為廣泛，如FPSO立管、海底管道和油氣容器剩余壽命評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源等。

2)錨鏈、錨機(jī)等部件的失效數(shù)據(jù)則通過(guò)大量FMEA分析或者現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查獲得，部分通過(guò)專項(xiàng)可靠性評(píng)估模型分析得到。

3)由于轉(zhuǎn)塔、張緊器等動(dòng)設(shè)備不但涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)部件，還涉及到大量零部件，因而FMEA及其相關(guān)分析方法、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查方法都是此類失效數(shù)據(jù)獲取的通用方法。

4)儀器儀表屬于大量元件組成的典型設(shè)備，因而FMEA及其衍生方法、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)查方法是此類數(shù)據(jù)獲取的主要方法。

我國(guó)FPSO失效和風(fēng)險(xiǎn)管理在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及失效數(shù)據(jù)庫(kù)建立方面，與發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家存在較大差距，特別是一些應(yīng)用場(chǎng)合復(fù)雜、失效數(shù)據(jù)分散性大的設(shè)備(如單點(diǎn)系泊裝置、采油樹(shù))。對(duì)于不同的設(shè)備，使用條件、管理水平及維護(hù)方法不同，所表現(xiàn)出的設(shè)備失效也截然不同。在FPSO設(shè)備有效分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合FPSO船體不同的結(jié)構(gòu)(包含船體、轉(zhuǎn)塔、立管、錨泊等結(jié)構(gòu))，開(kāi)展FPSO失效數(shù)據(jù)的收集與分析工作。對(duì)應(yīng)FPSO系統(tǒng)的元件、模塊、單元、系統(tǒng)各級(jí)的故障產(chǎn)生的特點(diǎn)，結(jié)合不同數(shù)據(jù)采集分析的方法來(lái)綜合靈活運(yùn)用，使得FPSO的數(shù)據(jù)采集分析更加接近事實(shí)，以利于后續(xù)的失效概率分析和失效數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建。最終獲得的FPSO失效數(shù)據(jù)包含以上各類系統(tǒng)設(shè)備和結(jié)構(gòu)相關(guān)的條目數(shù)據(jù)、服務(wù)時(shí)間、失效時(shí)間、失效數(shù)量、失效/維護(hù)等數(shù)據(jù)。形成數(shù)據(jù)收集指南，包含對(duì)數(shù)據(jù)收集定義規(guī)范、收集計(jì)劃及質(zhì)量控制要求等。

2.2失效概率計(jì)算

作為定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中一項(xiàng)最重要的內(nèi)容，失效概率的計(jì)算主要依據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。這就需要建立導(dǎo)致FPSO失效原因的數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上建立FPSO失效概率模型，進(jìn)而得到FPSO各類事故的發(fā)生概率。

針對(duì)幾種典型風(fēng)險(xiǎn)，分別采用不同的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率計(jì)算。采用事件樹(shù)分析方法和歷史發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)的方法研究火災(zāi)(爆炸)發(fā)生概率；通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查的方式在以上分類的基礎(chǔ)上拓展海洋結(jié)構(gòu)的火災(zāi)分類形式，然后分析每種火災(zāi)類型形成原理，確定可用于描述每種火災(zāi)類型特征的參數(shù)(如風(fēng)向、泄露速度、空氣補(bǔ)給、周?chē)ㄖ锴闆r等)，從而為火災(zāi)建模提供條件。

對(duì)于碰撞及落物風(fēng)險(xiǎn)，主要采用數(shù)值模擬及歷史發(fā)生事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的方法來(lái)建立風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生及損傷概率的計(jì)算模型。

由于系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)是FPSO的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，采用兩種技術(shù)手段進(jìn)行FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率計(jì)算。采用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)失效數(shù)據(jù)庫(kù)收集的與單點(diǎn)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素(例如內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)系纜斷絲、破損)的過(guò)去發(fā)生頻率，做出相應(yīng)的頻率分布圖，建立近似數(shù)學(xué)模型，并以此模型預(yù)測(cè)現(xiàn)在或?qū)?lái)的發(fā)生頻率。

對(duì)于失效數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)不足的風(fēng)險(xiǎn)因素，基于失效數(shù)據(jù)庫(kù)的定量分析變得困難且不可信，此時(shí)可考慮利用可靠性分析的方法。例如，結(jié)合實(shí)際海況條件下內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊FPSO時(shí)域計(jì)算分析結(jié)果，利用可靠性分析方法求得系泊纜的失效概率，從而得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

3FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)需要滿足兩個(gè)方面的要求。首先是失效數(shù)據(jù)的錄入，這部分的功能主要是針對(duì)用戶部分，可以讓各級(jí)用戶輸入FPSO失效數(shù)據(jù)，通過(guò)交互的功能擴(kuò)展并不斷的將實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)納入失效數(shù)據(jù)庫(kù)；其次即為本身基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的組成，需要實(shí)現(xiàn)不同硬件/軟件層面數(shù)據(jù)的融合。

失效數(shù)據(jù)庫(kù)的性能直接決定著風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)管理能否及時(shí)實(shí)施。由于FPSO數(shù)據(jù)庫(kù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)種類眾多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)插入存儲(chǔ)以及查詢等訪問(wèn)頻繁，失效數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該滿足數(shù)據(jù)能夠充分表達(dá)、容易理解和方便處理的要求，并體現(xiàn)設(shè)備信息、失效數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)及事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)采取用戶層-邏輯層(業(yè)務(wù)層-持久層)-數(shù)據(jù)層的架構(gòu)方式建立。在用戶層，用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)可操作權(quán)限內(nèi)的相關(guān)內(nèi)容。邏輯層和數(shù)據(jù)層分別存放在遠(yuǎn)程端的應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器上。在應(yīng)用服務(wù)器中，使用Apache Tomcat發(fā)布邏輯層的內(nèi)容，供用戶瀏覽和操作。在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)。使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)業(yè)務(wù)層以及業(yè)務(wù)層與數(shù)據(jù)層的連接(持久層)。應(yīng)用JSF技術(shù)編制瀏覽器客戶端頁(yè)面。這種設(shè)計(jì)可最大限度地減小對(duì)客戶端的要求，并能保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)的分離和安全。

根據(jù)FPSO的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)之間為一對(duì)一或一對(duì)多的關(guān)系，關(guān)系清楚明了。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖中每個(gè)數(shù)據(jù)模塊中還包含多個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)選項(xiàng)，數(shù)據(jù)模塊及數(shù)據(jù)選項(xiàng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)使用者的需要確定是否顯示，不需要的數(shù)據(jù)可以隱藏。在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)時(shí)，將所有數(shù)據(jù)可能遇到的值(或情況)錄入庫(kù)中，并將每個(gè)數(shù)據(jù)最常見(jiàn)的值設(shè)置成默認(rèn)值，這樣在使用的時(shí)候，只要點(diǎn)擊選擇所需的選項(xiàng)即可，數(shù)據(jù)庫(kù)在使用過(guò)程中的錄入工作量大為減少。

FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包括FPSO在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)輸與安裝、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、退役等全生命周期的相關(guān)設(shè)備及結(jié)構(gòu)失效數(shù)據(jù)，充分考慮系統(tǒng)擴(kuò)展能力及運(yùn)行環(huán)境配置要求，實(shí)現(xiàn)了與風(fēng)險(xiǎn)管理和完整性管理的對(duì)接，是國(guó)內(nèi)自主進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的第一套FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除具有與世界上同類數(shù)據(jù)庫(kù)OREDA相類似的功能外，數(shù)據(jù)涵蓋國(guó)內(nèi)大部分FPSO的設(shè)備失效、維護(hù)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的可靠性數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景

隨著FPSO市場(chǎng)需求量急劇增加，至2014年底，F(xiàn)PSO全球現(xiàn)役數(shù)量近160艘，預(yù)計(jì)未來(lái)5年內(nèi)新增FPSO數(shù)量將超過(guò)15艘。FPSO是一個(gè)多功能集成、危險(xiǎn)源高度集中的特殊載體，在貫穿其整個(gè)運(yùn)行生命系統(tǒng)中一旦發(fā)生安全事故將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。中海油已運(yùn)營(yíng)FPSO多年，也曾出現(xiàn)過(guò)各種形式的失效事故，造成了不同程度的損失。較輕的造成設(shè)備故障、損壞，嚴(yán)重的造成油田停產(chǎn)，如“海洋石油113”單點(diǎn)曾出現(xiàn)嚴(yán)重事故，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，我國(guó)尚未形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。FPSO失效數(shù)據(jù)庫(kù)的建立將形成專業(yè)、靈活且動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為FPSO在生命周期中的優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全性和經(jīng)濟(jì)性分析提供必備的科學(xué)依據(jù)，并為FPSO失效分析的智能化系統(tǒng)的形成奠定基礎(chǔ)，具有可觀的推廣應(yīng)用前景。該系統(tǒng)可以與國(guó)外失效數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，形成動(dòng)態(tài)的交互智能系統(tǒng)，有效減低FPSO全壽命周期內(nèi)面臨的各類風(fēng)險(xiǎn)，有效提高FPSO的安全性和經(jīng)濟(jì)性。此外，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，將推進(jìn)我國(guó)海洋工程企業(yè)國(guó)際化的進(jìn)程，并為我國(guó)自主研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)入海外市場(chǎng)提供實(shí)力，進(jìn)而增強(qiáng)我國(guó)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

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Development of FPSO Failure Database System

YANG Gui-qiang1, SUN Li-ping2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China;

2.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Key words: FPSO; risk management; failure; database