失效模式研究在單點系泊系統(tǒng)完整性管理體系中的應用

李鵬

（中海油能源發(fā)展采油服務公司技術中心，天津塘沽，郵編：300457）

1.0 概述

據(jù)不完全統(tǒng)計，轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)在全世界FPSO定位系泊系統(tǒng)中占的比例約為65%，可謂舉足輕重【1】，它們遍布世界風浪條件最惡劣的海域，諸如挪威大陸架、北北海、墨西哥灣和南中國海。目前在南中國海域作業(yè)的FPSO均采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，其典型的布置設施見圖1所示。

圖1 南中國海典型系泊系統(tǒng)示意圖

近年來，隨著超強臺風和土臺風的不斷侵襲，南海海域作業(yè)的FPSO系泊系統(tǒng)分別出現(xiàn)了不同程度的損壞和功能缺失，雖然幸運的是尚未出現(xiàn)系泊系統(tǒng)重大損毀失效事件，但如何提高整體系統(tǒng)運營的風險管理和維護檢測的手段正在逐步得到整個中海油的重視。

2.0 系泊系統(tǒng)安全管理的意義

傳統(tǒng)的油田作業(yè)者在安排生產(chǎn)維保中一般包含機械設備、生產(chǎn)工藝設備等顯而易見的內(nèi)容，而對于在水下的系泊系統(tǒng)，往往被忽視甚至被認為是永不失效的裝置，而事實上由于設計冗余度不足、疲勞、安裝損傷等原因，系泊系統(tǒng)往往有著天生的缺陷，應該得到充足的重視。

做好系泊系統(tǒng)安全管理工作，其意義在于：

1、油田安全生產(chǎn)最基本的保障：由于FPSO是一個作業(yè)區(qū)塊的中心，擔負著原油處理、儲存、供電等重要職能，因此FPSO的系泊安全是整個作業(yè)區(qū)塊的最基本要求。

2、國際聲譽、環(huán)境保護的需要：系泊系統(tǒng)的作用在于通過質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)使FPSO的位移保持在生產(chǎn)管線可以承受的范圍內(nèi)，若風、浪、流的作用使其位移超出范圍，則生產(chǎn)管線、電纜就會因拉力過大而失效，F(xiàn)PSO船體也可能因不平衡力的作用發(fā)生傾覆，因此在防止海上溢油等重大事故的發(fā)生，維護作業(yè)者良好的國際聲譽、甚至國家聲譽方面，系泊系統(tǒng)都發(fā)揮著重要作用。

3、國際保險市場重要的參保依據(jù)：從規(guī)模和投資比來看，系泊系統(tǒng)有相對簡單的結構，卻占到較大的資金投入，足可見其技術難度和重要性。在國際保險市場上亦是如此，國際保險人把單點系泊系統(tǒng)的安全作為整個油田設施保險的重要環(huán)節(jié)，因此會借助某些組織機構提出比船級社規(guī)范更詳細的維護、監(jiān)測要求。做好系泊系統(tǒng)安全管理工作，不僅可以降低維護成本，而且能夠在國際保險談判中占到更有利的位置。

3.0 國內(nèi)國際管理方式和技術手段的對比

3.1 管理方式對比

3.1.1 國內(nèi)現(xiàn)有管理方式

目前南海FPSO系泊系統(tǒng)的管理與FPSO船體的船級社入級管理是合并在一起的，基本采用船級社入級管理程序，實施水下檢驗。對系泊系統(tǒng)所屬的甲板機械設備實行換證檢驗。海上一般由機械部門完成對單點系統(tǒng)水上部位的維護和檢測，水下部位由于維保難度大，動員費用高，基本上每2.5年進行一次水下檢驗。此時間間隔內(nèi)無法了解系泊系統(tǒng)（水下部分）的作業(yè)狀態(tài)。

3.1.2 國外管理方式

國外作業(yè)者（以北海內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)為例）除在正常生產(chǎn)狀態(tài)采用上述船級社檢驗入級外，還采用完整性管理概念實現(xiàn)單點系泊系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的管理。具體流程見圖2。

如圖2所示，其中“設計環(huán)境條件”一項，目前國外相關文獻【2】中已經(jīng)明確提出建議將單點系泊系統(tǒng)的設計海況重現(xiàn)期由與船體結構一致的百年一遇，調(diào)整到萬年一遇海況，以增加系泊系統(tǒng)安全性。其中“確定/更新系統(tǒng)狀態(tài)標準”的含義是：在完成系泊系統(tǒng)安裝后，通常采用設計復核的方法對錨泊線（包括錨鏈、鋼纜、連接結構等）進行檢查，看是否存在因現(xiàn)場安裝導致構件破損形象整體壽命的情況出現(xiàn)。設計復核后確定系泊系統(tǒng)基線（baseline）數(shù)據(jù)，后期的檢測監(jiān)測則以該基線為參照，當系泊系統(tǒng)狀態(tài)特征數(shù)據(jù)低于基線數(shù)據(jù)時，則表明存在風險并應采取補救措施。

圖2 單點系泊系統(tǒng)完整性管理流程

3.2 技術手段對比

3.2.1 國內(nèi)技術手段

1、常規(guī)潛水：操作時間較短，應用于水面以下較淺位置的檢測，如單點艙處的船底板，單點浮筒（見圖1）等的檢測

2、飽和潛水【4】：按照國際慣例，當潛水作業(yè)深度超過120米、時間超過1小時，一般采用飽和潛水。應用于鋼纜檢查，在南中國海FPSO中的應用與ROV類似。

3、ROV檢測：應用于水下較深部位的檢測，如系泊鋼纜，海底錨鏈，配重塊等的檢測。

3.2.2 國外技術手段

除3.2.1中1、2、3外，國外比較常見的技術手段還有：

1、單點系泊在線檢測系統(tǒng)：一般采用應變檢測儀器或傾角儀對系泊線的張力進行實時監(jiān)控，通過設定報警值的方法反饋給FPSO或陸地控制部門，給作業(yè)者提供參考。

2、系泊線三維成像技術：搭載在ROV上的一套系統(tǒng)，有多個水下攝像頭，沿系泊線拍攝的圖像返回處理計算機得到三維圖像，可以精確到鋼纜和錨鏈環(huán)的局部腐蝕，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后可以進行剩余系泊力評估。

圖3 某公司鋼絲繩測量系統(tǒng)

圖4 某公司錨鏈環(huán)分析——應力分布云圖

3、系泊線疲勞壽命評估：三維成像技術的延伸，通過三維圖像可以分析出系泊線的疲勞壽命。由于疲勞問題的研究在國際上還沒有得到根本性的突破，目前世界范圍內(nèi)還在采用概率和統(tǒng)計方法，對疲勞壽命進行評估，而在檢測精密程度上越來越高。

4.0 失效模式研究在完整性管理中的體現(xiàn)形式

在圖2“單點系泊系統(tǒng)完整性管理流程”的介紹中，并不能直接看到失效模式研究的整個完整性管理體系中位置。但實際上，流程“設計一套受損運行理念和程序”和“按部件逐級進行風險評審”中就會涉及失效模式研究的內(nèi)容：首先在受損運行狀態(tài)下，應明確受損部位的失效模式，在已知不會影響整個系統(tǒng)全局的情況下，應對該部件受損導致的結果做充分的風險判斷，并制定相應的應急管理程序；其次，按部件逐級進行風險評審的前提就是對各部件有充分的失效模式研究，做到對部件本身和其牽連的部件進行風險分析。因此失效模式研究是對系泊系統(tǒng)各組成部分可能發(fā)生的問題進行梳理和預判，從而在管理監(jiān)控方面提高范圍和精度，是系泊系統(tǒng)完整性管理中技術層面的重要一環(huán)。

5.0 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)失效模式研究具體技術內(nèi)容

失效模式研究不僅只是一種管理理念，針對具體系泊系統(tǒng)，有著具體的技術細節(jié)，是要通過科學的計算和經(jīng)驗積累得到的。

下文結合國外文獻和中國南海FPSO實際情況，對典型的內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)失效模式進行介紹。

5.1 系泊分析數(shù)據(jù)輸入不足

系泊分析是系泊系統(tǒng)設計的第一步，并貫穿整個系泊系統(tǒng)生命周期，該項技術因水動力技術的發(fā)展得到迅速提高，但目前最大的問題在于輸入數(shù)據(jù)的不準確甚至缺失，如事實風浪參數(shù)需要安裝專用測量儀器，而不應采用預報值，又如海底泥沙，巖石條件沒有得到監(jiān)測等。具體參見表1。

5.2 設計分析方法不當

設計分析方法是指具體系泊分析時的水動力分析方法，其中多項內(nèi)容涉及水動力專業(yè)參數(shù)，詳見表2。

5.3 強度不足引起失效

在單點系泊系統(tǒng)設計時應充分考慮各構件的強度問題，并考慮充分的安全系數(shù)和余量。而處于海水中的各系泊組件因不能得到及時監(jiān)控和修補，常常出現(xiàn)強度問題，具體形式見表3。

表1 系泊分析數(shù)據(jù)不足具體形式

表2 設計分析方法不當具體形式

5.4 磨損問題

系泊系統(tǒng)各組件內(nèi)部，組件之間，組件與海底均存在磨損問題，應定期檢測，及時更換。具體可能發(fā)生磨損的部位見表4。

5.5 疲勞問題

疲勞問題是指系泊線由于長期周期性運動，沒有達到塑性變形階段的作用力導致系泊線斷裂失效的現(xiàn)象。詳見表5。

5.6 腐蝕問題

系泊系統(tǒng)尤其是錨鏈、系泊纜部分長期浸泡于海水中，不可避免地會發(fā)生腐蝕。腐蝕是自然規(guī)律不可能做到百分之百防腐，但對宜腐蝕部位加強監(jiān)控，可以有效降低此類風險，具體可能發(fā)生腐蝕的部位見表6。

5.7 其他四類問題

另外,引起系泊系統(tǒng)失效的原因還有觸碰問題、運動問題、制造問題、安裝問題等，作者將其匯總于表7。

本文總結的國外對失效模式的研究共可分為

10大類【2】，內(nèi)容涉及設計、生產(chǎn)、安裝等系泊系統(tǒng)全生命周期。應用失效模式研究于系泊系統(tǒng)，可以為作業(yè)者提供重要的參考，方便編制維保檢修計劃。

表3 強度問題

表4 磨損問題

表5 疲勞問題

表6 腐蝕問題

表7 其它失效模式匯總

6.0 結束語

隨著近年來全球范圍的惡劣海況不確定因素增加，世界各國（包括中國）在海洋工程系泊安全問題上都遇到了一些困難。面對國際問題，就需要國際合作來解決，中國正處于起步階段，吸收國外的先進管理理念和技術手段是邁向國際化的第一步。因此本文建議逐步理解吸收國外經(jīng)驗，同步將其應用于南海FPSO的維護、檢修與管理，實現(xiàn)事故發(fā)生概率的最小化。

目前在南中國海服役的單點系泊系統(tǒng)的設計，關鍵部位制造全部來自國外，并且國外在檢測、維護技術、管理手段上也處于領先地位，我國的南海油藏量豐富，系泊系統(tǒng)的應用顯然未達到飽和，因此有必要以現(xiàn)有的系泊系統(tǒng)為基礎，逐步提高管理、技術兩個方面水平，為未來水深更深、海況更復雜系泊系統(tǒng)的應用積累經(jīng)驗。

【1】《海洋石油工程設計指南》第九冊：FPSO與單點系泊系統(tǒng)設計

【2】Oil&Gas UK Mooring Integrity Guidance

【2】中華人民共和國海洋石油天然氣行業(yè)標準：單點系泊裝置建造與入級規(guī)范

【4】劉貞飛等 《中國水運》2012-3 38-39飽和潛水在海洋工程中的應用

【5】劉振國 《中國海上油氣（工程）》1994-10海上結構物在服役期的安全性檢測