RBI檢驗技術(shù)在在役FPSO船體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

張 勇王 浩

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518067；2.必維（天津）安全技術(shù)有限公司，天津 300381）

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RBI檢驗技術(shù)在在役FPSO船體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

張 勇1王 浩2

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518067；2.必維（天津）安全技術(shù)有限公司，天津 300381）

摘 要：在役期FPSO船體結(jié)構(gòu)的安全對整個油田的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。本文簡要分析基于風險的檢驗（RBI）技術(shù)應(yīng)用于FPSO等船舶結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，系統(tǒng)闡述RBI檢驗技術(shù)在FPSO船體結(jié)構(gòu)上的一般應(yīng)用流程。

關(guān)鍵詞：風險 檢驗 完整性 FPSO船體結(jié)構(gòu)

1 基于風險的檢驗

海洋工程結(jié)構(gòu)物復雜，體積龐大，造價昂貴。特別是與陸地結(jié)構(gòu)相比，它所處的海洋環(huán)境十分復雜和惡劣。在如此環(huán)境條件下，環(huán)境腐蝕、材料老化、構(gòu)件缺陷、機械損傷以及疲勞和裂紋擴展的損傷積累等不利因素，都將導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，影響結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久度。FPSO作為油田主要生產(chǎn)設(shè)施，承擔生產(chǎn)及儲藏任務(wù)，其納入結(jié)構(gòu)完整性管理的范疇是完整性管理團隊的一個重要課題。將運營期FPSO船體結(jié)構(gòu)納入到完整性管理流程中，對降低風險、節(jié)省全生命周期內(nèi)的成本以及為優(yōu)化未來的設(shè)計都具有十分重要的意義。

對于運營期船體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)完整性管理策略與新建船體結(jié)構(gòu)管理做法和流程基本類似。由于運營期船體結(jié)構(gòu)不能做出大量設(shè)計變更來緩解各種退化和事件帶來的危害，所以策略上又有所不同。風險管理和風險緩解都要落實到檢測計劃、監(jiān)測和緩解措施上，在制定和執(zhí)行時應(yīng)充分考慮各種制約因素。

2 RBI技術(shù)在FPSO上的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，基于風險的檢驗技術(shù)（Risk-Based Inspecti on）已經(jīng)在海洋工程領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，各大船級社也陸續(xù)出臺了關(guān)于RBI檢驗技術(shù)的技術(shù)指南［1-3］。與此同時，各船東、船級社、研究機構(gòu)等也陸續(xù)嘗試將RBI檢驗技術(shù)應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。例如，ABS船級社2004年應(yīng)用于西非某1973年由油輪改裝的FPSO［4］；BV船級社曾嘗試將RBI檢驗與完整性管理理念應(yīng)用于Girassol FPSO中［5］。國內(nèi)方面，RBI檢驗技術(shù)在海洋工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也得到了廣泛研究與初步應(yīng)用。理論方面，唐文勇等人較為系統(tǒng)地提出構(gòu)建RBI檢驗技術(shù)應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的一般流程與需解決的關(guān)鍵問題［6］。另外，DNV船級社將基于風險的資產(chǎn)完成下管理（AIM）技術(shù)應(yīng)用于中海油FPSO111上。隨后，BV船級社也在南海發(fā)現(xiàn)號FPSO上成功運用RBI檢驗技術(shù)。

3 在役FPSO船體結(jié)構(gòu)RBI分析的基本流程

3.1 結(jié)構(gòu)層級劃分與命名

為便于分析結(jié)構(gòu)失效自最低結(jié)構(gòu)等級發(fā)生，到中間結(jié)構(gòu)等級擴展，再到最高結(jié)構(gòu)等級失效的全過程，需建立合適的FPSO船體結(jié)構(gòu)分級模型。FPSO船體結(jié)構(gòu)節(jié)點命名應(yīng)符合準確性、一致性、先進性的要求。

對于大型的船舶，關(guān)鍵在于區(qū)分參與總縱強度的主要結(jié)構(gòu)與易引起疲勞熱點損傷的關(guān)鍵區(qū)域。前者的風險在于，由于服役年限較長極易導致過度的壁厚減薄，引起總縱強度不足；后者的風險在于，局部累積疲勞損傷引發(fā)不易檢測到的疲勞裂紋，導致局部結(jié)構(gòu)強度不足。因此，一般情況下，可根據(jù)上述觀點對其進行FPSO船體結(jié)構(gòu)的分層劃分。

船體結(jié)構(gòu)的層級劃分，各大船級社相關(guān)規(guī)范中已有明確規(guī)定。但為更好地進行RBI分析，本文采用BV船級社規(guī)范（Rules for the classification of steel ships Part A， Chapter 2， Appendix 3）與ABS船級社規(guī)范（ABS FPI 5A-3-4）相結(jié)合的方式進行。

根據(jù)艙室類型，分為：Wing Tank/Center Tank；

對每一肋位，分為：Deck Zone/Neutral Axis Zone/ Bottom Zone，并以縱向強度結(jié)構(gòu)和橫向強度結(jié)構(gòu)區(qū)分，見圖1。

圖1 船體結(jié)構(gòu)的一般層級劃分

圖2 SCIPs一般定義

同時，考慮到船體結(jié)構(gòu)各疲勞關(guān)鍵點分析、分級的需要，除上述必要分區(qū)外，增加SCIPs（Structural Critical Inspection Points）分區(qū)，分區(qū)內(nèi)包含圖示的各類結(jié)構(gòu)疲勞及檢驗關(guān)鍵點。SCIPs的選擇根據(jù)ABS FPI 5A-3-4相關(guān)規(guī)定進行，見圖2。

在中國石油集團公司物資裝備部和專業(yè)分公司的大力支持下，渤海裝備按照物資采購建立區(qū)域集中儲備中心的工作要求，在國內(nèi)最大煙氣輪機制造企業(yè)蘭州石油化工機械廠建立了中石油煙氣輪機集中備件儲備庫，集中儲備了中石油集團所屬各大煉廠的煙氣輪機輪盤、動葉片、主軸等十大類近700件/套的關(guān)鍵備件。

因此，按照上述船體結(jié)構(gòu)層級劃分原則，對于大型的FPSO船體結(jié)構(gòu)，一般可劃分為如表1所示的層級。

表1 大型FPSO船體結(jié)構(gòu)層級劃分（船中艙）

3.2 風險篩選

風險篩選矩陣包括所評估風險的概率和后果。通常，風險需要考慮安全、環(huán)境、經(jīng)濟等方面的影響。風險篩選的目的是將低風險的結(jié)構(gòu)件快速識別出來，針對中高風險的結(jié)構(gòu)件進行詳細分析，從而使檢驗規(guī)劃能夠有效降低風險并具有成本效益。

風險篩選最終要定性確定所要分析的FPSO各主要艙室的風險等級。

FPSO船體結(jié)構(gòu)數(shù)量繁多，較好的系統(tǒng)層級劃分策略可利于將各艙室不同的構(gòu)件狀態(tài)以相同的評價標準進行風險排序。

一般情況下，由于FPSO特殊的儲油、抗臺風、系泊等用途，F(xiàn)PSO船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價指標應(yīng)至少包括以下6個方面：艙內(nèi)涂層情況；結(jié)構(gòu)腐蝕狀況；點蝕狀況；結(jié)構(gòu)變形；裂紋、結(jié)構(gòu)破損；艙底沉積物狀況。

3.3 詳細的RBI分析

對于已經(jīng)投入長時間運營的FPSO船體結(jié)構(gòu)，由于服役期間產(chǎn)生的壁厚腐蝕減薄、裂紋擴展、結(jié)構(gòu)變形、涂層脫落等因素，單單依據(jù)本文的艙室狀態(tài)評分進行風險判定是不夠的，還需要根據(jù)歷年的檢測記錄，具體分析敏感區(qū)域的壁厚減薄情況、熱點的累計疲勞損傷情況以及最為影響FPSO結(jié)構(gòu)安全的極限強度情況。

3.3.1 船體結(jié)構(gòu)疲勞分析

圖3 疲勞熱點分析FEM建模示例

失效概率的接受標準與所分析的節(jié)點的設(shè)計疲勞因子（DFF）的取值、所選定的S-N曲線、節(jié)點幾何尺寸等因素有關(guān)。在給定S-N曲線、節(jié)點幾何尺寸等參數(shù)的條件下，可以確定疲勞失效概率和DFF之間的關(guān)系曲線。

圖4 疲勞失效概率和設(shè)計疲勞因子DFF的關(guān)系曲線

3.3.2 船體結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀分析

船體結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀分析，需歸納匯總在役FPSO船體結(jié)構(gòu)歷年腐蝕數(shù)據(jù)，借此分析每種艙室、總縱強度構(gòu)件、橫向強度構(gòu)件當前的壁厚減薄情況，并對壁厚減薄嚴重區(qū)域在日后的檢維修過程中給予額外的關(guān)注。以南海發(fā)現(xiàn)號FPSO船體結(jié)構(gòu)為例，通過對比分析歷年檢測獲得的數(shù)萬個檢測點，可以得出如下壁厚分布情況（以縱艙壁板為例），見圖5。

圖5 縱艙壁腐蝕數(shù)據(jù)散點圖

4 制定RBI檢驗計劃

RBI檢驗策略覆蓋范圍必須滿足相關(guān)船級社規(guī)范要求，以制定RBI最低檢驗要求，見表2。不同的艙室風險水平對應(yīng)不同的檢驗要求，并基于該建議要求制定檢驗區(qū)域。

表2 FPSO船體結(jié)構(gòu)RBI檢驗計劃最低檢驗要求

RBI檢驗計劃制定過程中，對船體結(jié)構(gòu)檢驗剖面的選取主要考慮以下幾方面。

（1）合規(guī)：滿足ABS船級社相關(guān)規(guī)范要求；（2）結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域：充分考慮各有限元計算、風險識別結(jié)果，確保檢驗剖面覆蓋結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域；（3）缺陷復檢及擴大檢驗：覆蓋第8次特檢的各類檢驗發(fā)現(xiàn)，增加相似位置的檢驗，并盡可能在下次檢驗過程中進行復檢，確保監(jiān)測結(jié)果持續(xù)性；（4）避免重復：避免第8次特檢中檢驗

未發(fā)現(xiàn)異常的剖面，選取檢驗剖面以與第八次特檢互補；（5）MPI探傷：第8次特檢過程中，裂紋探測基于目視檢驗，難以發(fā)現(xiàn)潛在的微小裂紋。因此，對RBI檢驗計劃增加對疲勞熱點的抽檢要求：對SCIPs的首次探傷檢驗，RBI檢驗計劃推薦首次抽檢部分肋位，并根據(jù)檢驗結(jié)果決定擴大或縮減檢驗范圍。建議選取3處橫剖面進行全面NDT探傷，對各橫艙壁與甲板、船底板連接處以及船中0.5L范圍內(nèi)的橫桁熱點進行探傷檢驗；（6）UT測厚范圍調(diào)整：對結(jié)構(gòu)涂層保護良好的結(jié)構(gòu)，適當減小UT測厚覆蓋范圍；確保縱向受力結(jié)構(gòu)特別是船底板、縱艙壁、甲板板等部位的測厚覆蓋率；滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，適當降低橫向構(gòu)件的測厚覆蓋率（橫艙壁及橫艙壁橫桁除外）。

在制定RBI檢驗計劃時，還應(yīng)考慮RBI技術(shù)的通用技術(shù)規(guī)范，通過目標可靠性準則與計算得到的失效概率，綜合計算目標艙段的首次檢驗日期與檢驗間隔。一般流程如圖6所示。

圖6 RBI檢驗計劃計算流程

5 總結(jié)

在役期FPSO船體結(jié)構(gòu)的安全對整個油田的正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。本文簡要分析基于風險的檢驗（RBI）技術(shù)應(yīng)用于FPSO等船舶結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，系統(tǒng)闡述RBI檢驗技術(shù)在FPSO船體結(jié)構(gòu)上的一般應(yīng)用流程。事實上，RBI檢驗技術(shù)的應(yīng)用情況還需根據(jù)FPSO實際生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗逐步完善。

參考文獻

［1］ABS.Guide for Surveys Using Risk-based Inspection for the Offshore Industry［S］.New York：American Bureau of Shipping，2003.

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Application of RBI Technology on the Hull Structure of In-service FPSO

ZHANG Yong1，WANG Hao2
（1.CNOOC （China） Co.， L td. Shenzhen Branch， Shenzhen 518067；2.BV （Tianjin） Security Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300381）

Abstract:It is critical to the normal operation of whole oilfield that the hull s tructure safety of the in s ervice FPSO. This paper analyses the research and current s tatus of RBI technology applied to FPSO hull structure， and systematically elaborated the general application flow of RBI technology in the FPSO inspection technology on the hull structure.

Key words:risk-based inspection， integrity， FPSO hull structure