海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估與維修

胡　果

(1.深圳海油人力資源服務(wù)有限公司，廣東 深圳518067； 2.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保公司 深圳分公司，廣東 深圳518067)

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海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估與維修

胡果1,2

(1.深圳海油人力資源服務(wù)有限公司，廣東 深圳518067； 2.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保公司 深圳分公司，廣東 深圳518067)

如何評(píng)價(jià)海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命，如何采取相應(yīng)的維修方案，已經(jīng)成為了海洋石油企業(yè)管理決策性所需要考慮的重大問(wèn)題。采用基于疲勞斷裂力學(xué)控制的評(píng)估法，來(lái)評(píng)估處于中后期服役海洋石油平臺(tái)的安全壽命，根據(jù)安全壽命評(píng)估結(jié)果，列出不需檢修、一般檢修、重點(diǎn)檢修和立即檢修項(xiàng)目，科學(xué)地安排檢修計(jì)劃，以保證海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、經(jīng)濟(jì)和安全地可持續(xù)性運(yùn)行。

海洋石油平臺(tái)；維修措施；安全壽命；評(píng)估

海洋石油平臺(tái)造價(jià)較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長(zhǎng)期處于較危險(xiǎn)、惡劣的工作環(huán)境，一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題，必將造成極為嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難事故，并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[1]。目前，我國(guó)一大批海洋石油平臺(tái)已經(jīng)進(jìn)入到了中后期服役階段，為了增加經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約投資，這些海洋石油平臺(tái)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將繼續(xù)使用，因而安全問(wèn)題就成為關(guān)鍵性問(wèn)題。如何評(píng)價(jià)海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命，并采取相應(yīng)的維修方案，已經(jīng)成為了海洋石油企業(yè)管理決策性所需要考慮的重大問(wèn)題。本文就海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估與維修進(jìn)行研究。

1　海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估

基于疲勞斷裂力學(xué)控制的評(píng)估法和基于S-N曲線(xiàn)的安全壽命法是目前2種主要的結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估方法。基于S-N曲線(xiàn)的安全壽命法使用經(jīng)驗(yàn)豐富，簡(jiǎn)單易用，但評(píng)估結(jié)果離散性較大，多用于校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的疲勞；而基于疲勞斷裂力學(xué)控制的評(píng)估法主要是根據(jù)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，再加上斷裂力學(xué)原理來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，其根本點(diǎn)在于任何結(jié)構(gòu)都具有缺陷，缺陷的分布、大小、類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的受載歷史、所處環(huán)境、加工方法和型式等有關(guān)，還可通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)果[2]，該方法適合于任意使用階段、任何類(lèi)型的結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估。本文采用基于疲勞斷裂力學(xué)控制的評(píng)估法來(lái)評(píng)估處于中后期服役海洋石油平臺(tái)的安全壽命。

1.1結(jié)構(gòu)壽命安全評(píng)估的基本內(nèi)容

結(jié)構(gòu)壽命安全評(píng)估的基本內(nèi)容包括：1)對(duì)海洋石油平臺(tái)目前的安全狀態(tài)進(jìn)行了解，并基于平臺(tái)的受載歷史及裂紋擴(kuò)展規(guī)律來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)平臺(tái)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的安全性；2)利用安全壽命評(píng)估來(lái)進(jìn)行識(shí)別海洋石油平臺(tái)的主要危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，并按輕重緩急排序，詳細(xì)評(píng)估主要危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)；3)判斷主要危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)修復(fù)的可能性與必要性，制定出科學(xué)的檢維修計(jì)劃[3]。海洋平臺(tái)安全壽命評(píng)估及檢修決策流程圖如圖1所示，主要包括危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的可靠性評(píng)估模塊、疲勞分析模塊、應(yīng)力應(yīng)變分析模塊、斷裂力學(xué)評(píng)定模塊和靜強(qiáng)度評(píng)定模塊等。

1.2平臺(tái)當(dāng)前安全狀態(tài)

基于當(dāng)前對(duì)平臺(tái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)或最近一次的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及到目前為止所經(jīng)歷的載荷歷程作為基本輸入，按上述流程進(jìn)行安全評(píng)估。當(dāng)輸入為當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果時(shí)，僅需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷裂力學(xué)評(píng)定、強(qiáng)度評(píng)定和應(yīng)力應(yīng)變分析；而當(dāng)輸入為最近一次的檢測(cè)結(jié)果時(shí)，除進(jìn)行上述評(píng)定外，還需進(jìn)一步進(jìn)行疲勞分析，并給出疲勞分析結(jié)果。對(duì)平臺(tái)上所有高應(yīng)力/應(yīng)變節(jié)點(diǎn)按如下準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。

圖1　海洋石油平臺(tái)安全壽命評(píng)估及檢修決策流程圖

強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則：

σ≤[σ]

斷裂評(píng)定準(zhǔn)則：

KI≤ [KIC]

極限載荷：

Pmax=min{P(σ =[σ])，P(KI=[KIC])}。

式中，Pmax為平臺(tái)所能承受的最大極限載荷；σ為應(yīng)力；[KIC] 為斷裂韌性；KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子；[σ]為許用應(yīng)力；P(KI=[KIC])為斷裂力學(xué)決定的極限載荷；P(σ =[σ])為靜力強(qiáng)度決定的極限載荷。

基于一定的規(guī)則來(lái)劃分評(píng)定結(jié)果，可將其分成若干個(gè)安全等級(jí)，斷裂評(píng)定和靜強(qiáng)度評(píng)定都滿(mǎn)足的為I級(jí)；斷裂評(píng)定不滿(mǎn)足，但靜強(qiáng)度滿(mǎn)足的為Ⅱ級(jí)；兩者均不滿(mǎn)足的為Ⅲ級(jí)。判斷評(píng)定結(jié)果的可接受性時(shí)，應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面：1)對(duì)全系統(tǒng)狀態(tài)、功能以及工作產(chǎn)生的后果；2)可能造成的整體失效(局部失效導(dǎo)致的)；3)可能造成的從屬失效(原始失效導(dǎo)致的)；4)設(shè)備、人員的安全性及維修要求。

1.3平臺(tái)安全壽命評(píng)估

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛研究海洋石油平臺(tái)安全壽命評(píng)估問(wèn)題，特別是重點(diǎn)研究固定導(dǎo)管架平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的疲勞問(wèn)題。平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞熱點(diǎn)處應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算模型是平臺(tái)安全壽命評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)之一，不同的學(xué)者基于不同的側(cè)重點(diǎn)給出了多種計(jì)算模型。從總體而言，海洋石油平臺(tái)可分為移動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)等2種類(lèi)型，梁/筋與板、板與板、管與管以及管與板之間的連接焊縫處是海洋石油平臺(tái)典型疲勞熱點(diǎn)部位[4]。正是由于焊縫處是很容易出現(xiàn)裂紋的部位，焊縫焊趾處的表面裂紋已成為了平臺(tái)安全壽命評(píng)估的重點(diǎn)。

1.3.1表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的統(tǒng)一形式

Newman-Raju公式是最適宜計(jì)算表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的公式，其具有適用范圍大和計(jì)算精度高等特點(diǎn)。黃小平研究結(jié)果表明，Newman-Raju公式適用于計(jì)算處于壓彎組合應(yīng)力下的表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，同樣適用于管節(jié)點(diǎn)0.20.5時(shí),計(jì)算結(jié)果則不太精確，主要原因在于載荷下降會(huì)帶來(lái)較大的誤差，造成計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，因而要引入相應(yīng)的修正項(xiàng)。

在拉(壓)彎應(yīng)力作用下，焊縫焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KI統(tǒng)一計(jì)算式為：

式中，q=lg(11.584-0.058 8θ)/2.30 (150°≤ θ≤180°)。

1.3.2疲勞壽命估算公式

在載荷恒定不變的情況下，疲勞壽命估算常常采用Paris公式：

在載荷變化的情況下，疲勞壽命為:

1.3.3疲勞可靠度R的計(jì)算公式

2　海洋石油平臺(tái)維修措施

在對(duì)海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全壽命評(píng)估之后，應(yīng)對(duì)檢修項(xiàng)目和檢修時(shí)間進(jìn)行合理、科學(xué)地安排，以便能夠達(dá)到既使檢修費(fèi)用最低，又確保平臺(tái)安全的目的[5]。根據(jù)安全壽命評(píng)估結(jié)果，可以得出平臺(tái)的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)其可靠性進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，并以輕重緩急來(lái)將評(píng)估結(jié)果排序，列出不需檢修項(xiàng)目、一般檢修項(xiàng)目、重點(diǎn)檢修項(xiàng)目和立即檢修項(xiàng)目。

以某海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)維修為例，對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行安全壽命分析，建立計(jì)算模型，得出平臺(tái)的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)其可靠性進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，求出各設(shè)備的關(guān)鍵重要度。

2.1故障檢修模式等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

故障檢修模式等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下。

不需檢修項(xiàng)目(Ⅰ級(jí))：產(chǎn)品輕度損壞、經(jīng)濟(jì)輕度損失或不足以造成人員傷害。

一般檢修項(xiàng)目(Ⅱ級(jí))：造成環(huán)境中等程度損害、產(chǎn)品中等程度損壞、任務(wù)延誤，或引起中等程度人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失。

重點(diǎn)檢修項(xiàng)目(Ⅲ級(jí))：造成環(huán)境嚴(yán)重?fù)p害、產(chǎn)品嚴(yán)重?fù)p壞、任務(wù)失敗，或引起重大經(jīng)濟(jì)損失、人員嚴(yán)重傷害。

立即檢修項(xiàng)目(Ⅳ級(jí))：引起巨大環(huán)境損害、產(chǎn)品毀壞、人員死亡。

2.2部分設(shè)備可靠性評(píng)估結(jié)果

部分設(shè)備可靠性評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　部分設(shè)備可靠性評(píng)估結(jié)果

2.3維修措施

2.3.1采取預(yù)防性維修方式

1)以環(huán)境、質(zhì)量、安全、成本和利用率為依據(jù)，基于檔案資料對(duì)海洋石油平臺(tái)設(shè)備故障后果和原因進(jìn)行分析；同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的反饋(損失、停機(jī)和可靠性等)，運(yùn)用分析結(jié)果來(lái)改進(jìn)海洋石油平臺(tái)設(shè)備維護(hù)管理工作，并及時(shí)確定預(yù)防性維修的方式。

2)將海洋石油平臺(tái)設(shè)備分解成若干個(gè)模塊，同時(shí)深入調(diào)查分析重要部件的使用情況。

3)由海洋石油平臺(tái)設(shè)備的操作人員、熟悉此設(shè)備的人員或者專(zhuān)家來(lái)選擇具體的維修方式。為了讓所選擇的維修方式變得更加有效，設(shè)備管理部門(mén)應(yīng)編寫(xiě)下列文件：選擇出最有效的維修方式維修工作任務(wù)手冊(cè)；將設(shè)備維修方法進(jìn)行分類(lèi)，建立設(shè)備維護(hù)邏輯判斷程序，以適合多種故障模式維修。

2.3.2加強(qiáng)引進(jìn)進(jìn)口備件的力度及把好國(guó)產(chǎn)備件的質(zhì)量關(guān)

海洋石油平臺(tái)許多關(guān)鍵的設(shè)備及重要設(shè)備都是進(jìn)口設(shè)備，如頂驅(qū)、柴油機(jī)和升降裝置等，常常因?yàn)檫@些進(jìn)口備件問(wèn)題而使設(shè)備運(yùn)行陷入尷尬的境地，石油企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)重視進(jìn)口備件的引進(jìn)力度，加快引進(jìn)，縮短引進(jìn)周期，提高進(jìn)口備件的實(shí)際到貨率。國(guó)產(chǎn)備件采購(gòu)相對(duì)容易，但應(yīng)把好質(zhì)量關(guān)，應(yīng)從源頭上抓起，從有資質(zhì)的廠(chǎng)家采購(gòu)備件。

2.3.3努力改進(jìn)平臺(tái)不合理的設(shè)計(jì)

在海洋石油平臺(tái)工作的設(shè)備人員，還應(yīng)針對(duì)工作中的不同需要和設(shè)備存在的各種缺陷來(lái)對(duì)現(xiàn)有的部分設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。目前，有許多改進(jìn)工作已經(jīng)在生產(chǎn)中發(fā)揮了積極的作用，如井口上、下支撐的改進(jìn)

設(shè)計(jì)、鉆井給定開(kāi)關(guān)的無(wú)級(jí)改造和泥漿泵等，為鉆井工作的順利進(jìn)行起到了很重要的作用。

3　結(jié)語(yǔ)

總之，應(yīng)該及時(shí)評(píng)定海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全壽命，給出合理、科學(xué)的維修措施，以保證海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠，同時(shí)經(jīng)濟(jì)、安全地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性運(yùn)行。

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責(zé)任編輯馬彤

LifeSafetyEvaluationandMaintenanceofOffshoreOilPlatformConstruction

HUGuo1,2

(1.ShenzhenCNOOCHumanResourcesServiceCo.,Ltd.,Shenzhen518067,China; 2.CNOOCEnergySecurityandEnvironmentalProtectionShenzhenBranch,Shenzhen518067,China)

Howtoassessthestructuralsafetyoflifeoffshoreoilplatformsandhowtotaketheappropriatemaintenanceprogram,havebecomeamajorissueofoffshoreoilenterprisemanagementdecisionsneedingtobeconsidered.Analyzethestructuralsafetyofoffshoreoilplatformlifeevaluation,andwiththeoffshoreoilplatformmaintenancemeasures,toensurethattheoffshoreoilplatformstructurecanbereliable,economicalandinthesafeoperationofsustainability.

offshoreoilplatform，maintenancemeasures，safelife，assessment

U656.6

A

胡果(1984-)，男，工程師，主要從事海洋石油安全工程管理等方面的研究。

2016-03-09