海洋平臺立管風(fēng)險管理研究

梁瑞 車雪麗 王芳鈺 晏姍姍

摘 要： 海洋平臺立管是海洋工程中的至關(guān)重要的構(gòu)成部分，為保障海洋工程順利工作，做好海洋平臺立管的風(fēng)險管理工作很有必要。通過國內(nèi)外對海洋平臺立管事故的數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料研究、分析，將引起海洋平臺立管事故的風(fēng)險因素進(jìn)行了整理分類，將引起立管失效的因素分為立管本身失效、立管干涉、立管與外部事物或載荷的作用等三部分，進(jìn)行分類研究分析。

關(guān) 鍵 詞：海洋平臺立管；風(fēng)險管理；腐蝕；立管干涉；管理水平；第三方破壞；載荷破壞

中圖分類號：TE 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1573-04

Study of Risk Management of Offshore Platform Risers

LIANG Rui，CHE Xue-li，WANG Fang-yu，YAN Shan-shan

（Lanzhou university of technology， Gansu Lanzhou 730050，China）

Abstract： Offshore platform riser is a vital part of marine engineering.To ensure the smooth work of marine engineering， it is necessary to carry out risk management of offshore platform riser. In this paper， though study on statistics of platform marine riser accidents at home and abroad， the risk factors to cause the offshore platform riser accidents were classified， and the factors were divided into three parts： the riser itself fail， riser interference， interaction between riser and external things or load.

Key words： Offshore platform riser； Risk management； Corrosion； Riser interference； Management level； Third-party damage； Load damage

隨著海洋油氣開采向深海的發(fā)展，海洋工程結(jié)構(gòu)物面臨著更大的風(fēng)險。海洋平臺是在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運、觀測、導(dǎo)航、施工等活動提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物。海洋平臺立管是連接海上作業(yè)平臺與海底管道的構(gòu)件，是海洋油氣開采、輸送的重要組成部分。海洋平臺立管所處環(huán)境惡劣，海域開闊，且產(chǎn)品為易燃易爆物，一旦事故發(fā)生，后果不堪設(shè)想。

1988年7月6日22時，英國北海阿爾法平臺天然氣生產(chǎn)平臺發(fā)生爆炸，導(dǎo)致整個平臺結(jié)構(gòu)坍塌，倒入海中，當(dāng)時平臺上共226人，其中165人死亡，造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟損失，是世界海洋石油工業(yè)史上最大的一次悲慘事故，震動了世界海洋石油界?？▊惥羰柯暑I(lǐng)的官方調(diào)查團(tuán)進(jìn)行了事故調(diào)查[1]，提出了106條建議，指出近年來重大事故的調(diào)查報告已表明，這些危險都是組織機構(gòu)在風(fēng)險管理上的嚴(yán)重失誤造成的?？▊惖恼{(diào)查報告確定了風(fēng)險管理體系的概念和以目標(biāo)設(shè)定的哲學(xué)為基礎(chǔ)制定新的安全法規(guī)，是一次卓有成效的改革，其使用范圍已超過英國本身。

風(fēng)險管理體系包括風(fēng)險識別、風(fēng)險評價、風(fēng)險控制等過程，結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行反應(yīng)，對風(fēng)險管理體系過程中的具體操作、程序進(jìn)行調(diào)整。因此風(fēng)險管理技術(shù)、不是固定不變的，而是在堅持現(xiàn)有的能夠保障海洋工程安全進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)和做法的同時，與時俱進(jìn)。風(fēng)險管理的目標(biāo)就是要以最小的成本獲取最大的安全保障，涉及財務(wù)、安全、生產(chǎn)、設(shè)備、物流、技術(shù)等多個方面，爭取將可能發(fā)生的事故扼殺在風(fēng)險階段甚至是風(fēng)險萌芽時期，是一套完整的方案，也是一個系統(tǒng)工程。

1 海洋平臺立管事故風(fēng)險識別

風(fēng)險識別是風(fēng)險管理的第一步，也是風(fēng)險管理的重要基礎(chǔ)，在進(jìn)行海洋平臺立管風(fēng)險識別時，可以采用安全檢查表法或者HAZOP方法進(jìn)行定性研究。根據(jù)立管失效的作用位置，有立管本身失效，立管與立管之間的相互作用，立管與外部事物、載荷之間的作用；立管的失效模式，有泄露，爆炸，破裂，斷裂，崩潰等；引起立管失效的因素，有溫度因素，內(nèi)、外壓作用，立管內(nèi)油氣侵蝕，渦激振動，腐蝕，疲勞，過度張力，過度彎曲應(yīng)力，機械損傷，偶然損傷（船只碰撞等），涂層性能減弱，過載，材料衰減，海生物作用，密封泄漏，渦激振動抑制裝置出現(xiàn)問題，周圍環(huán)境的變化，柔性連接等柔性元素失效等[2]。

根據(jù)海洋平臺立管事故的統(tǒng)計資料，進(jìn)行立管定量及定性的風(fēng)險識別。根據(jù)美國礦產(chǎn)管理局（Minerals Management Service）統(tǒng)計的1994-2006年關(guān)于海洋平臺立管事故的資料[3]，對美國海洋平臺立管事故原因進(jìn)行統(tǒng)計如表1所示。

表1 美國海洋平臺立管事故統(tǒng)計

Table 1 US offshore platform riser accident statistics

事故原因 發(fā)生次數(shù)

船只碰撞 7

管理不善 12

拋錨 2

吊機落物 2

腐蝕 5

載荷破壞 7

原因未知 4

美國的海洋平臺立管事故不完整統(tǒng)計資料顯示，這13年來美國海洋平臺立管事故一共發(fā)生39起，其中船只碰撞、吊機落物、拋錨等第三方破壞與管理不善等第三方作用引起的事故有23起，占美國海洋平臺立管事故總量的59%。根據(jù)事故發(fā)生時間來看，2000年3月23日的事故之后再無因腐蝕出現(xiàn)事故的描述，船只碰撞則出現(xiàn)在了整個調(diào)查統(tǒng)計期間。

根據(jù)英國健康與安全執(zhí)行署（Health and Safety Executive）的1994-2004年英國大陸架海洋平臺立管事故的統(tǒng)計資料[4]，對英國海洋平臺立管事故原因進(jìn)行統(tǒng)計如表2所示。

表2 英國海洋平臺立管事故統(tǒng)計

Table 2 UK offshore platform riser accident statistics

事故原因 發(fā)生次數(shù)

船只碰撞 5

管理不善 4

吊機 1

腐蝕 2

載荷破壞 4

原因未知 12

英國大陸架海洋平臺立管事故不完整統(tǒng)計資料顯示，這11年來英國海洋平臺立管事故一共發(fā)生28起，船只碰撞、管理不善等人為因素引起的事故占英國大陸架海洋平臺立管事故總量的34.5%，原因未知的事故占到事故總量的42.9%，這應(yīng)該引起我們的注意，加強海洋平臺立管的檢測、監(jiān)測力度，盡可能的通過監(jiān)測數(shù)據(jù)找出事故的具體原因，就有了解決問題的可能。

2 海洋平臺立管事故風(fēng)險分析

2.1 立管本身失效

當(dāng)立管出現(xiàn)事故時，只考慮立管本身失效方面，可能導(dǎo)致的立管失效模式，有泄露，爆炸，破裂，斷裂，崩潰等。可能引起的立管失效因素，有溫度過高，內(nèi)、外壓作用，立管內(nèi)油氣侵蝕，渦激振動，腐蝕，疲勞，過度張力，過度彎曲應(yīng)力，涂層性能減弱，過載，材料衰減，海生物作用，密封泄漏，渦激振動抑制裝置出現(xiàn)問題，周圍環(huán)境的變化，柔性連接等柔性元素失效等。通過現(xiàn)有的立管資料和數(shù)據(jù)，以及表1和表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要考慮腐蝕因素對立管的作用。腐蝕是指金屬材料在內(nèi)部高溫高壓油氣與外部環(huán)境介質(zhì)的作用下，加之振動、沖擊、流固耦合等機械作用，發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)作用或物理溶解作用，而引起表面損傷或晶格破壞等的現(xiàn)象和過程。腐蝕引起的失效模式包括有腐蝕減薄、腐蝕疲勞、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、點蝕等。

腐蝕防護(hù)。對立管外壁采用3PE管道的整體防腐措施。立管內(nèi)壁受到油氣侵蝕或者外壁因防腐材料全面失效造成海水及大氣侵蝕的均勻腐蝕，使立管壁厚度減薄，此時可以考慮足夠的腐蝕裕度以及定期檢測。受到溶氧及活性離子（氯離子等）腐蝕造成點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕時，考慮提高立管兩壁的光滑程度，降低高溫高壓油氣的溶氧率，進(jìn)行陰極保護(hù)或緩蝕劑保護(hù)等措施。材料在循環(huán)應(yīng)力或脈動應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生裂紋甚至破裂的腐蝕疲勞破壞時，可以采用表面覆蓋層，減少部件內(nèi)應(yīng)力，選用適當(dāng)緩蝕劑等預(yù)防措施。綜上，正確選擇材料，制定適當(dāng)腐蝕防護(hù)措施，設(shè)計防腐結(jié)構(gòu)與強度，考慮安裝、維修對防腐的影響，并綜合考慮立管壽命來進(jìn)行立管腐蝕防護(hù)設(shè)計。

腐蝕不可避免的情況下，通過適當(dāng)?shù)膶嶒災(zāi)M和數(shù)學(xué)方法計算，研究腐蝕管道的剩余強度，根據(jù)研究結(jié)果制定了多種剩余強度評估規(guī)范，其中比較有代表性的有，美國的ASME B31G[5]和API579[6]、英國的BS7910[7]、挪威的DNV-RP-F101[8]、加拿大的CAS-Z184-M86[9]以及我國的SY/T6477[10]。ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)是基于大量實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式，方法簡單易行，是目前腐蝕管道評估使用最多的一種標(biāo)準(zhǔn)。但是ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)的計算結(jié)果過于保守，會造成不必要的維修和更換[11]。API579標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)背景是石油化工承壓設(shè)備，其特點是更多反映了石油化工在役設(shè)備安全評估的需要，幫助在用設(shè)備的優(yōu)化維修及操作；保證舊設(shè)備有效利用，提高經(jīng)濟服務(wù)的期限。主要評價均勻腐蝕、局部減薄、槽坑缺陷、點蝕等。評定等級分為一級、二級和三級。SY/T6477是用來評價含體積型缺陷（包括均勻腐蝕和局部腐蝕缺陷）管道剩余強度，評定等級分為一級和二級。參考了API579標(biāo)準(zhǔn)，但是定量化了選擇的標(biāo)準(zhǔn)，這樣能更好地指導(dǎo)檢測、評估人員?？傮w上來說，SY/T6477較API579要保守一些。對于含腐蝕缺陷的立管，符合腐蝕管道剩余強度規(guī)范要求時，保持一定周期的檢測，繼續(xù)使用；不符合腐蝕管道剩余強度規(guī)范要求時，對立管進(jìn)行維護(hù)或者更換。

2.2 立管干涉

歷史上，在一般的設(shè)計實踐中，無論是一般情況還是極端情況下，是不允許立管發(fā)生碰撞的。隨著深海的開發(fā)，現(xiàn)在的文件已經(jīng)考慮了評估立管干涉過程的分析與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。Tebbett在20世紀(jì)80年代對世界上120起需要維修的海洋平臺的破壞原因進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出由碰撞引起的結(jié)構(gòu)破壞多達(dá)30%[12]。根據(jù)DNV-RP-F203[13]，針對立管干涉問題的研究主要有兩個不同的設(shè)計理念：一是不允許發(fā)生碰撞，二是允許發(fā)生碰撞。對于不允許發(fā)生碰撞設(shè)計思想，相鄰立管必須校驗在各種工況下立管間有充足的間距，其工況包括一般情況、極端載荷、重大隨機事故。對于允許發(fā)生碰撞的設(shè)計思想，需要校驗立管的碰撞結(jié)構(gòu)強度是否安全，例如疲勞、極限載荷、磨損等都要進(jìn)行校核。立管的碰撞可導(dǎo)致局部凹陷損傷，在立管整體彎曲的共同作用下使立管的極限承載能力降低，縮減立管的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者對立管的碰撞問題做了大量包括大尺度試驗和數(shù)值模擬的研究[14-21]，其中文獻(xiàn)[14]采用平臺模型試驗和計算流體力學(xué)的方法得到了立管的碰撞頻率和碰撞應(yīng)力分布。認(rèn)為影響立管碰撞過程重要的參數(shù)有：（1）立管間距；（2）立管張緊力；（3）立管表面性質(zhì)；（4）海流和平臺運動性質(zhì) [15-19]。通過模型模擬實驗、相關(guān)理論（流體力學(xué)等）、相關(guān)ANSYS軟件等，研究了尾流效應(yīng)、渦激振動、導(dǎo)流板等對立管狀態(tài)及立管碰撞的夾角、速度、頻率和碰撞應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[20]建立了立管干涉的數(shù)學(xué)模型，研究了遮蔽效應(yīng)下相鄰立管碰撞的某些重要參數(shù)，其研究表明：（1）平面情況下引起碰撞的關(guān)鍵因素是誘導(dǎo)流速的平方以及立管的質(zhì)量參數(shù)；（2）三維情況下還與立管頂部張緊力的附加參數(shù)有重要關(guān)系。[21]利用通用有限元軟件分析了三種不同運動邊界條件以及考慮內(nèi)流影響下海洋立管的非線性振動。分析結(jié)果表明，管內(nèi)流體和固定立管頂部的平臺的運動將增大立管的應(yīng)力和位移幅值。

[3]Minerals Management Service.Incidents Associated with Oil and Gas Operations Outer Continental Shelf 1991-2000[R]. OCS Report， 2002.

[4]Det Norske Veritas Industry AS， The UK Health & Safety Executive-Offshore Safety Division.Accidents on Fixed Units on the UK Continental Shelf 1980-2005[R].Health and Safety Executive， 2006.

[5]ASME B31G. Manual of determining the remaining strength of corrded pipelines-A supplement to ANSI/ASME B31G code for pressure piping[S]. American Society of Mechanical Engineers， New York， 1991.

[6]API RP579.Recommended practice for fitness-for-service[S]. American Petroleum Institute， 2000.

[7]BS 7910， Guidance on the method for assessing the acceptability for flaws in fusion welded structure[S]. British Standard Institute， London， UK， 1999.

[8]DNV. Recommend practice， RP-F101， corroded pipelines[S]. Det Norske Veritas， Norway， 2004.

[9]CAN/CSA-Z184-M86， Gas pipeline system[S]. Canadian Standards Association， 1886.

[10]SY/T6477-2000，含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法第1部分：體積型缺陷[S].國家石油與化學(xué)工業(yè)局.

[11]王正濤，李著信，諸家榮.含缺陷管道評價標(biāo)準(zhǔn)及方法研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報，2004（4）：76-79.

[12]Tebbett EI. The Last Five Years' Experience in Steel Platform Repairs[C]. OTC， Houston， Texas ， 2000.

[13]DNV RP F203.Riser Interference[S].Det Norske Veritas，2009.

[14]Leira BJ， Holmas T， Herfjord K. Probabilistic Modeling and Analysis of Riser Collision[J]. Transactions-American society of mechanical engineers journal of offshore mechanics and arctic engineering， 2002， 124（3）：132-138.

[15]Kavanagh WK， Imas L， Thompson H， et al. Genesis spar risers： interference assessment and VIV model testing[C].OTC， Houston， Texas， 2000.

[16]Huse E. Experimental Investigation of Deep Sea Riser Interaction[C]. OTC， Houston， Texas， 1996.

[17]Baarholm R， Kristiansen T， Lie H， et al. Experimental investigation of dual riser interaction[C].OMAE， Halkidiki， Greece，2005.

[18] 陳正壽.柔性管渦激振動的模型實驗及數(shù)值模擬研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2009.

[19]崔洋洋.串列布設(shè)立管干涉問題流固耦合研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[20]Huang S， Wu W. Non-Dimensional Parameters Governing The Onset of Wake-Induced Marine Riser Collision[C].22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， Cancun， Mexico， 2003.

[21]孫傳棟，黃維平，曹靜. 深水頂張式生產(chǎn)立管動力響應(yīng)的有限元計算[J].海洋石油，2009，29（3）：85-90.

[22] 楊懌，郭振邦.人誤因素分析在船舶撞擊立管概率計算中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺，2007，22（3）：40-43.

[23]劉海燕，尹群，李良碧.漂浮碰撞作用下立管油氣泄漏風(fēng)險定量分析[J].中國海洋平臺，2008，23（6）：26-30.

[24]樂從歡，丁紅巖，董國海，等.基于模糊故障樹的海洋立管破壞失效風(fēng)險分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2012，2（2）：174-179.

[25]俞樹榮，劉雪.海洋平臺立管風(fēng)險因素敏感性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2014，23（11）：23-25.

[26]梁瑞，楊璽慶.模糊綜合評價法對海洋平臺立管的風(fēng)險評價研究[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2014，23（11）：23-25.

[27]宋青武.海洋平臺立管風(fēng)險評價與安全措施研究[D].天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2009.

[28]徐正強.災(zāi)害環(huán)境下深海立管的安全性評估[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[29]駱成.海洋立管動態(tài)響應(yīng)及動態(tài)可靠度分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2014.