在役水上軟鋼臂式系泊系統(tǒng)風(fēng)險評價簡述

楊光 張建勇 王寧 王浩

摘 要：近年來軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)事故屢有發(fā)生，因此，有必要對渤海軟剛臂式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險點進行識別，并對風(fēng)險點進行相應(yīng)管控。該文對我國渤海海域軟鋼臂式系泊系統(tǒng)進行了風(fēng)險辨識與評價，并對其中若干關(guān)鍵風(fēng)險點進行了相應(yīng)的解析，為制定相應(yīng)的RBI檢驗策略提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軟鋼臂式系泊系統(tǒng) 風(fēng)險辨識 風(fēng)險評價 RBI檢驗

中圖分類號：U661.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0242-04

渤海目前共有6條FPSO處于服役狀態(tài)，隨著FPSO服役過程中不斷改造、服役期不斷延長或超期，以及服役環(huán)境的日益苛刻，但近年來軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)事故屢有發(fā)生，該文通過歷次事故經(jīng)驗及對系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、水動力計算，對渤海軟剛臂式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險點進行識別，并對各風(fēng)險進行風(fēng)險評價，為制定相應(yīng)RBI（Risk Based Inspection）檢驗策略提供依據(jù)。基本流程如圖1所示。

1 軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險評價

1.1 風(fēng)險識別

軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險辨識包括兩個方面的風(fēng)險辨識，即：已發(fā)生故障風(fēng)險點識別與潛在風(fēng)險點識別，對于已發(fā)生故障的風(fēng)險點識別，可通過系泊系統(tǒng)和類似系泊設(shè)施的歷史故障/事故記錄中取得，結(jié)合對單點系泊系統(tǒng)整體的現(xiàn)狀分析，研究對應(yīng)的風(fēng)險管控措施；對于潛在風(fēng)險點識別，主要通過目前國內(nèi)外類似單點系泊系統(tǒng)計算、研究成果、發(fā)表的論文及獨立的有限元分析計算結(jié)果獲得。（見圖2）

通過對在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)設(shè)計、建造、安裝、維修、檢驗、評估等各類文件及現(xiàn)場反饋，可初步得出在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險辨識結(jié)果。軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備設(shè)施的一般風(fēng)險點及失效形式如表1所示：

1.2 風(fēng)險評價

風(fēng)險評價是對已識別的風(fēng)險進行“后果和發(fā)生可能性”分析，風(fēng)險分析是理解風(fēng)險特性和確定風(fēng)險大小的過程。FPSO的風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過油輪及海上石油固定平臺等其他海上設(shè)施。因此，要充分考慮各個方面的風(fēng)險因素。以海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)為例，該系泊系統(tǒng)設(shè)計時間較早，受當(dāng)時技術(shù)條件限制，以及后續(xù)的改裝、遷移工程，將不可避免地增大與其他單點系泊系統(tǒng)的風(fēng)險程度。

為便于分析該系泊系統(tǒng)風(fēng)險因素及等級，將單點系泊系統(tǒng)進一步劃分為不同的層次和級別[1]，建立起良好的層級關(guān)系，有助于對單點系統(tǒng)組成的了解和分析。如，軟鋼臂系泊系統(tǒng)可進一步分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、電儀系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又可按構(gòu)件進一步分為FPSO系泊鋼架、系泊腿、YOKE、轉(zhuǎn)盤、系泊導(dǎo)管架、軟管托架、通道扶梯等。以YOKE為例，YOKE又可進一步拆分為壓載艙、橫撐、YOKE臂、鼻筒等子構(gòu)件。

為對軟鋼臂系泊系統(tǒng)進行風(fēng)險評價，可根據(jù)上節(jié)風(fēng)險識別所列出的各類風(fēng)險因素，對軟鋼臂系泊系統(tǒng)各子系統(tǒng)分別進行風(fēng)險評價，同時，對關(guān)鍵位置可進行詳細(xì)的有限元分析計算，進一步研究其失效作用機制，最終按照各子系統(tǒng)失效可能性與失效后果大小，進行風(fēng)險排序。

綜上，結(jié)合海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與有限元分析計算，總結(jié)水上軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險分布如表2所示。

2 關(guān)鍵風(fēng)險點解析

通過上述軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險評價結(jié)果，可得海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險匯總?cè)缦隆?/p>

（1）環(huán)境風(fēng)險：背向工況（引起YOKE-FPSO碰撞）/極端天氣。

（2）結(jié)構(gòu)風(fēng)險：FPSO系泊鋼架、系泊腿結(jié)構(gòu)、YOKE、系泊導(dǎo)管架、軟管托架等。

（3）系泊腿相關(guān)問題（疲勞、腐蝕、過度搖擺、沉降、潤滑磨損等）。

2.1 環(huán)境風(fēng)險

2.1.1背向工況風(fēng)險

環(huán)境條件對系泊系統(tǒng)設(shè)計影響非常大，我國渤海海域軟鋼臂系泊系統(tǒng)設(shè)計過程中普遍考慮的工況有：生存工況、正常操作工況、外輸工況、抗海冰工況、連接與解脫工況等[2]。但通過對生產(chǎn)運營階段軟鋼臂系泊系統(tǒng)事故調(diào)查了解，海洋石油102 FPSO 2011年出現(xiàn)由于風(fēng)浪流作用致使FPSO擠壓YOKE導(dǎo)致YOKE壓潰事故，海洋石油112出現(xiàn)背向工況下棧橋沖出破壞甲板結(jié)構(gòu)情況。除上述案例外，當(dāng)系泊系統(tǒng)受天氣突變、涌浪等自然環(huán)境影響，F(xiàn)PSO姿態(tài)若未能及時調(diào)整產(chǎn)生的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)延遲現(xiàn)象極有可能對系泊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)對考慮風(fēng)浪流自FPSO船尾方向作用而使FPSO擠壓系泊導(dǎo)管架的工況（背向工況）進行分析。（見圖3，圖4）

以海洋石油102FPSO為例進行系泊水動力計算。由于背向補充工況下，F(xiàn)PSO為不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，因此，時域模擬為FPSO正背向開始逐步調(diào)整至穩(wěn)定期間的30 min時間內(nèi)。分析結(jié)果表明：

（1）對各順向工況下的計算結(jié)果表明，F(xiàn)PSO系泊鋼架、YOKE等主要承受受水平系泊力作用的結(jié)構(gòu)受壓載荷均不同程度大于原始設(shè)計值。

（2）順向工況下，單點系泊系統(tǒng)YOKE與FPSO船體結(jié)構(gòu)的碰撞風(fēng)險不可忽略，對該類風(fēng)險應(yīng)提出相應(yīng)的風(fēng)險管控措施。

（3）根據(jù)系泊計算結(jié)果，海況突變或涌浪狀態(tài)下[3]，F(xiàn)PSO姿態(tài)調(diào)整過程通常需要15 min左右時間完成，因此，對實時海況的監(jiān)控可最大限度提高事故預(yù)警時間并采取響應(yīng)措施

（4）FPSO姿態(tài)調(diào)整過程中產(chǎn)生的YOKE與FPSO中軸角過大、YOKE/系泊腿橫擺幅值過大等情況極有可能對系泊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。

2.1.2極端環(huán)境風(fēng)險

極端環(huán)境是影響軟鋼臂系泊系統(tǒng)正常服役運營的最為主要的風(fēng)險，2009年，海洋石油113水下軟鋼臂FPSO遭受颶風(fēng)襲擊致使系泊塔倒塌，軟管與電纜被拉斷，F(xiàn)PSO與水下軟鋼臂漂移15 km里。對于軟鋼臂系泊系統(tǒng)，遭遇極端環(huán)境下解脫作業(yè)難度極大且解脫時間較長（普遍為2～3d），一旦無法及時解脫即面臨重大的系泊系統(tǒng)失效風(fēng)險。

通過國家海洋局提供的渤海氣象資料對比分析，以海洋石油112軟鋼臂系泊系統(tǒng)為例，發(fā)現(xiàn)，海洋石油112設(shè)計海況已經(jīng)與目前實際海況出現(xiàn)較大的偏差，同時，風(fēng)暴工況出現(xiàn)概率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計預(yù)期，海洋石油112目前實際一個服役年中，100年設(shè)計海況實際出現(xiàn)總天數(shù)高達(dá)7天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實際水平。同時發(fā)現(xiàn)，由于目前多條軟鋼臂系泊系統(tǒng)已面臨延期服役問題，原始設(shè)計環(huán)境數(shù)據(jù)已與目前實際環(huán)境出現(xiàn)了較大的出入，因此，目前我國在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)面臨的極端環(huán)境風(fēng)險已經(jīng)大大增加。

2.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)險

軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險主要指FPSO系泊鋼架、系泊腿主體結(jié)構(gòu)、YOKE、系泊導(dǎo)管架/系泊塔、軟管托架等主要結(jié)構(gòu)的強度、疲勞、腐蝕等結(jié)構(gòu)相關(guān)風(fēng)險。由于目前多處軟鋼臂系泊系統(tǒng)已接近設(shè)計服役年限，長期運營過程中存在的腐蝕壁厚減薄、循環(huán)應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋、事故撞擊變形、固定件缺失等各方面因素更是加劇了結(jié)構(gòu)風(fēng)險的重要性。

對于在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險辨識，應(yīng)使用有限元方法，結(jié)合各結(jié)構(gòu)實際情況進行具體分析。

2.3 系泊腿相關(guān)問題

根據(jù)系泊腿風(fēng)險評價結(jié)果，系泊腿全局風(fēng)險等級為高，是水上軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險高發(fā)區(qū)域，需對該部位進行特別關(guān)注。系泊腿相關(guān)風(fēng)險有以下幾種。

（1）設(shè)計問題：通過對海洋石油102、友誼號FPSO等系泊系統(tǒng)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計原因，普遍存在萬向節(jié)滑油加注不良導(dǎo)致的過度磨損問題。

（2）沉降問題：海洋石油102、友誼號FPSO均存在不同程度的沉降問題，原因為內(nèi)部滾柱軸承壓縮位移造成的過度磨損。

（3）疲勞問題：系泊腿由于軸力循環(huán)作用，結(jié)構(gòu)易受疲勞破壞。

（4）結(jié)構(gòu)腐蝕：由于目前普遍對系泊腿腐蝕問題重視程度不足，調(diào)查發(fā)現(xiàn)系泊腿結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象普遍存在。

（5）大幅度運動響應(yīng)：通過分析現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)FPSO的艏搖運動是造成系泊腿大幅橫擺的主要原因，F(xiàn)PSO的艏搖角度與系泊腿橫擺角度呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢，當(dāng)FPSO艏搖角度越大時，系泊腿橫擺偏離平衡位置的角度就越大，系泊結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性就越大。

3 結(jié)語

無論是資產(chǎn)完整性管理還是設(shè)施的全生命周期管理，單點的風(fēng)險管控措施是保證單點系泊系統(tǒng)正常作業(yè)不可忽視的重要部分。本文僅簡要闡述軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險評價流程及部分關(guān)鍵風(fēng)險點，以此作為軟鋼臂系泊系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗計劃（RBI）的技術(shù)基礎(chǔ)，便于現(xiàn)場人員對上述風(fēng)險點認(rèn)知與理解。

參考文獻

[1] 中海石油（中國）有限公司.塔架式水上軟鋼臂系泊系統(tǒng)完整性管理解決方案[R].中國，2013.

[2] 中國海洋石油總公司.海洋石油工程設(shè)計指南第九冊：海洋石油工程FPSO與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007：358.

[3] 國際油氣生產(chǎn)商協(xié)會（OGP），Guidline for managing risks associated with FPSOs[R].中國海洋石油總公司健康安全環(huán)保部.國際油氣生產(chǎn)商協(xié)會2006：76.