老齡海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)延壽評(píng)估

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(中國船級(jí)社 海洋工程技術(shù)中心,天津 300457)

0 引 言

我國海上油氣田的開發(fā)始于1966年，迄今已有50年的歷史，目前我國服役的海上固定平臺(tái)總數(shù)達(dá)360多座，其中超過20年服役期的有32座，接近20年服役期的有73座。海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命通常在15～25年，據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，目前仍在服役的超齡平臺(tái)共有93個(gè)，其中渤海灣有22個(gè)、勝利淺海區(qū)域有63個(gè)、南海海域8個(gè)。這些數(shù)據(jù)表明，目前已有相當(dāng)數(shù)量的平臺(tái)步入服役后期或超期服役期。隨著時(shí)間的推移，老齡平臺(tái)的數(shù)量會(huì)越來越多，尤其是當(dāng)年開采高峰期投產(chǎn)的平臺(tái)集中步入老齡化平臺(tái)的行列時(shí)，平臺(tái)超期服役現(xiàn)象將愈加突出。

海洋平臺(tái)在服役期間長期遭受風(fēng)、浪、流、海冰等惡劣環(huán)境影響，會(huì)產(chǎn)生不同的損傷和風(fēng)險(xiǎn)，主要包括：(1)波浪拍擊、罕見臺(tái)風(fēng)、船只碰撞、上部設(shè)施重量增加等原因引起的平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷和變形，使平臺(tái)的整體強(qiáng)度降低；(2)平臺(tái)油漆脫落、陽極保護(hù)失常等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，大幅降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能，增加海洋平臺(tái)的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)[1]；(3)海生物的長期附著會(huì)增加平臺(tái)的整體重量，增大平臺(tái)的波流載荷，還會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生腐蝕作用[2]；(4)平臺(tái)樁基周圍局部水流動(dòng)力場的變化產(chǎn)生的海底土層沖刷，降低平臺(tái)樁基能力，影響平臺(tái)穩(wěn)定性[3]；(5)平臺(tái)在服役過程中受到海浪等載荷的交變作用而引起結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，如不及時(shí)處理，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂問題，嚴(yán)重影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全。隨著平臺(tái)使用年限的延長，材料腐蝕、疲勞裂紋等平臺(tái)老化問題將不斷突出，導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全度和耐久度不斷減弱，給平臺(tái)的運(yùn)營生產(chǎn)帶來安全隱患，如不及時(shí)采取安全有效的措施對(duì)平臺(tái)進(jìn)行修復(fù)或加固，容易給油田資產(chǎn)和平臺(tái)人員帶來巨大損失，并嚴(yán)重污染海洋環(huán)境。

目前已有相當(dāng)數(shù)量的平臺(tái)接近或超過了設(shè)計(jì)使用壽命，平臺(tái)結(jié)構(gòu)通常會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋、凹陷或腐蝕等缺陷。但很多時(shí)候，由于平臺(tái)的產(chǎn)量超過預(yù)期，業(yè)主希望繼續(xù)進(jìn)行開采，或是因?yàn)槠脚_(tái)特殊的地理位置，可作為依托平臺(tái)為其鄰近的新探明的海上油氣田區(qū)塊的開發(fā)提供油氣處理或外輸服務(wù)，節(jié)省新區(qū)塊的開發(fā)成本。一些老齡平臺(tái)往往具有超期服役的實(shí)際需求，通過利用老齡平臺(tái)已有的生產(chǎn)處理設(shè)備，開發(fā)或輸送新的油氣資源，可降低新油田區(qū)塊開發(fā)的投資成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。如何保證平臺(tái)的安全性、可靠性和完整性是延長老齡平臺(tái)使用年限的一項(xiàng)重要任務(wù)。對(duì)平臺(tái)進(jìn)行全面有效的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，為平臺(tái)管理人員制定合理的檢驗(yàn)程序、維修策略提供依據(jù)，可以使平臺(tái)的操作人員對(duì)平臺(tái)的安全狀況擁有更加全面的認(rèn)識(shí)，為平臺(tái)的安全使用提供科學(xué)的操作指導(dǎo)，從而有效降低平臺(tái)運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

國外對(duì)老齡平臺(tái)延壽技術(shù)做了非常多的研究工作。WALKER等[4]通過非線性有限元方法計(jì)算得到更加精確的平臺(tái)在極端海洋環(huán)境條件下自存能力。BEA等[5]通過剩余極限強(qiáng)度評(píng)估的方法評(píng)估現(xiàn)役平臺(tái)的剩余結(jié)構(gòu)壽命，并開發(fā)了平臺(tái)剩余結(jié)構(gòu)壽命和平臺(tái)極限能力等評(píng)估的計(jì)算分析軟件，如Dassault軟件可用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)剩余壽命的評(píng)估、TOPCAT軟件可用于平臺(tái)極限能力的評(píng)估[6]。這些理論計(jì)算方法及評(píng)估分析體系已在北海和墨西哥灣的海上油田得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的成效，目前已形成一套完整的應(yīng)用技術(shù)體系。國內(nèi)的老齡平臺(tái)延壽技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等在中海油總公司的組織下，開展“海上結(jié)構(gòu)物檢測、維護(hù)與修理”科研項(xiàng)目，對(duì)受損傷構(gòu)件的修理與評(píng)估、結(jié)構(gòu)裂紋缺陷分析與結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測、海洋平臺(tái)維修等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。同時(shí)，國內(nèi)的技術(shù)專家、設(shè)計(jì)人員和高校學(xué)者[7]也一直致力于老齡固定平臺(tái)的剩余壽命、極限強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)可靠性分析的研究工作，總結(jié)出一系列的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為老齡平臺(tái)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有力地促進(jìn)了平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)與安全評(píng)估技術(shù)的發(fā)展。本文從平臺(tái)延壽評(píng)估的依據(jù)、方法、策略、程序和緩解措施建議等方面介紹老齡平臺(tái)在超期服役過程中的關(guān)注重點(diǎn)，為老齡平臺(tái)的超期服役提供決策依據(jù)，為制定超期服役過程中的檢驗(yàn)計(jì)劃提供參考。

1 老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)延壽評(píng)估的具體流程

老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)延壽評(píng)估是根據(jù)人員安全、失效后果、先期檢驗(yàn)結(jié)果等因素，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全性、可靠性和完整性進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)延壽評(píng)估通常分5個(gè)部分：平臺(tái)的選擇，平臺(tái)的分級(jí)，條件評(píng)估，詳細(xì)結(jié)構(gòu)評(píng)估，加固及緩解措施的考慮。具體評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 老齡平臺(tái)延壽評(píng)估流程

1.1 平臺(tái)的選擇

平臺(tái)延壽評(píng)估的起因有：平臺(tái)年齡超過設(shè)計(jì)使用壽命；疲勞壽命低于要求的使用壽命；在延長使用壽命期間，腐蝕引起的結(jié)構(gòu)退化已經(jīng)發(fā)生或很有可能發(fā)生。業(yè)主可以根據(jù)平臺(tái)的剩余儲(chǔ)量、鄰近區(qū)域新發(fā)現(xiàn)的區(qū)塊儲(chǔ)量、海上油田配套開發(fā)成本的對(duì)比等綜合評(píng)價(jià)，確定平臺(tái)是否具備繼續(xù)使用的價(jià)值，以做出是否需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行延壽評(píng)估。若平臺(tái)具有延期服役的價(jià)值和需求，則制定相應(yīng)的延壽服役信息調(diào)查內(nèi)容，為平臺(tái)延壽的可行性評(píng)估準(zhǔn)備基礎(chǔ)資料，調(diào)查內(nèi)容包括：文件調(diào)查、結(jié)構(gòu)調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查和環(huán)境調(diào)查等。

1.2 平臺(tái)的分級(jí)

平臺(tái)分級(jí)是通過人命安全和失效后果2個(gè)方面對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重要性進(jìn)行分類，從而確定延壽評(píng)估所依據(jù)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，使其與預(yù)定的功能相適應(yīng)。根據(jù)人命安全和失效后果的組合將平臺(tái)分成3種暴露分級(jí)：L1,L2,L3，見表1。分級(jí)級(jí)別為L1>L2>L3：如果人員或設(shè)備增加導(dǎo)致平臺(tái)暴露分級(jí)由L3增至L2,L3增至L1或者L2增至L1，則平臺(tái)需要評(píng)估；如果平臺(tái)暴露分級(jí)由L2降至L3,L1降至L3或者L1降至L2，則不需要評(píng)估。

表1 平臺(tái)暴露等級(jí)分類[8]

1.3 條件評(píng)估

條件評(píng)估是指通過收集各種評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確認(rèn)平臺(tái)當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)相關(guān)的接受準(zhǔn)則初步判斷是否需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)評(píng)估以及進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估規(guī)劃。條件評(píng)估的接受準(zhǔn)則根據(jù)平臺(tái)的暴露分級(jí)，依據(jù)相關(guān)的法令要求、業(yè)主所屬公司的政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/慣例等確定。

1.4 詳細(xì)結(jié)構(gòu)評(píng)估

如果條件評(píng)估的結(jié)論是認(rèn)為平臺(tái)需要進(jìn)行詳細(xì)分析來進(jìn)一步評(píng)估其實(shí)際狀態(tài)，則應(yīng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)水平分析和極限強(qiáng)度分析。在進(jìn)行詳細(xì)校核分析前，應(yīng)根據(jù)平臺(tái)歷史檢測結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)防腐系統(tǒng)，包括陽極塊、防腐涂層的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，在保證防腐系統(tǒng)可以滿足平臺(tái)預(yù)期使用要求的前提下，充分考慮平臺(tái)服役期間經(jīng)歷的各項(xiàng)改造引起的平臺(tái)重量、重心變化，所發(fā)現(xiàn)的任何損壞、修理、侵蝕或其他影響結(jié)構(gòu)性能或整體性的缺陷，正確評(píng)估平臺(tái)的真實(shí)狀態(tài)。

在評(píng)估分析時(shí)，一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，如海生物厚度、活載大小、安全系數(shù)等一定要先考慮設(shè)計(jì)值(在確定其合理的前提下)，如設(shè)計(jì)無明確要求，則根據(jù)平臺(tái)使用情況或相關(guān)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。對(duì)于無法檢測的結(jié)構(gòu)，如樁和部分水下管節(jié)點(diǎn)等，在進(jìn)行疲勞分析時(shí)，應(yīng)該考慮更大的安全系數(shù)，可以參考API RP 2A和NORSOK STANDARD N-006等規(guī)范。

詳細(xì)校核分析的內(nèi)容可包括結(jié)構(gòu)靜力分析、波浪動(dòng)力分析、地震分析、疲勞分析等整體強(qiáng)度分析，也可包括波浪拍擊和渦激振動(dòng)等局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，主要依據(jù)API RP 2A-WSD規(guī)范的相關(guān)要求，必要時(shí)可以參考其他船級(jí)社或權(quán)威組織規(guī)范。對(duì)于凹陷、裂紋等局部損傷的分析，可以參考API RP 2SIM和BS 7910等規(guī)范。

1.5 加固及緩解措施

若平臺(tái)不能通過結(jié)構(gòu)評(píng)估，可以采取合適的緩解措施，如降低碳?xì)浠衔锎鎯?chǔ)量、減少平臺(tái)人數(shù)、減少平臺(tái)載荷和/或進(jìn)行整體、局部加強(qiáng)或維修等，以使得平臺(tái)通過評(píng)估。通常的緩解措施[9]有：(1)降低載荷。如減少上部結(jié)構(gòu)多余的設(shè)備或結(jié)構(gòu)，移去多余的隔水套管、附屬結(jié)構(gòu)等，控制海生物厚度且適時(shí)清除。(2)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。如增加加強(qiáng)筋、構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)灌漿、卡箍加強(qiáng)等。(3)局部改造。如安裝構(gòu)件改善局部構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)受力等。(4)結(jié)構(gòu)防護(hù)。如定期檢測、平臺(tái)監(jiān)測、定期刷漆、飛濺區(qū)加強(qiáng)保護(hù)、陽極塊及時(shí)更換等。(5)降低應(yīng)力集中。如焊趾打磨、裂紋打磨修復(fù)、管節(jié)點(diǎn)灌漿等。(6)使用材料證明或材料試驗(yàn)來更好地評(píng)估結(jié)構(gòu)抗力強(qiáng)度。(7)對(duì)疲勞敏感部位有計(jì)劃地進(jìn)行跟蹤檢測。

2 老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)延壽評(píng)估面臨的困難

未來幾年，我國將有大量平臺(tái)步入老齡化服役期。然而在老齡平臺(tái)延壽評(píng)估方面，還存在較多的困難，主要集中在：(1)國內(nèi)對(duì)老齡平臺(tái)延壽評(píng)估尚未展開廣泛深入的研究，缺乏相關(guān)指導(dǎo)性規(guī)范和專業(yè)軟件；(2)早期的平臺(tái)，如20世紀(jì)90年代投產(chǎn)的平臺(tái)，原始設(shè)計(jì)及完工資料殘缺嚴(yán)重，服役期的改造情況記錄不詳，難以準(zhǔn)確模擬平臺(tái)的實(shí)際狀態(tài)；(3)缺乏精確的理論和方法對(duì)平臺(tái)所存在的缺陷，如銹蝕、裂紋、凹陷等，進(jìn)行高效評(píng)估；(4)對(duì)處于較大水深的海域，如東海、南海的平臺(tái)，平臺(tái)底部海生物殘骸堆積嚴(yán)重，不能充分檢測裙樁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使得延壽評(píng)估不能準(zhǔn)確預(yù)測裙樁的實(shí)際能力。

這些困難對(duì)老齡平臺(tái)延壽評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來一定的挑戰(zhàn)，需要業(yè)內(nèi)各方，包括平臺(tái)管理方、檢測方、施工方和規(guī)范研究部門，共同重視和努力才能妥善解決，通過對(duì)海洋平臺(tái)延壽方法的研究，制定出符合我國國情的指導(dǎo)性規(guī)范，同時(shí)平臺(tái)管理方要做好平臺(tái)的完整性管理，實(shí)時(shí)掌握平臺(tái)的最新狀態(tài)，檢測方需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)的檢測手段和檢測精度，克服檢測過程中存在的困難，為延壽評(píng)估提供全面、真實(shí)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。只有這樣，延壽評(píng)估的結(jié)果才能更加可靠，對(duì)老齡平臺(tái)的安全營運(yùn)才能具有更重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 語

隨著我國海洋平臺(tái)老齡化趨勢的加重，平臺(tái)超期服役的需求將不斷增大，老齡平臺(tái)延壽評(píng)估將成為今后

保障海洋石油平臺(tái)安全運(yùn)營的重要手段。本文系統(tǒng)介紹了平臺(tái)延壽評(píng)估的流程、依據(jù)、方法、策略和緩解措施建議等，指出了目前老齡平臺(tái)延壽評(píng)估中存在的問題和困難，可為老齡平臺(tái)的延壽提供決策依據(jù)，為制定平臺(tái)的檢驗(yàn)計(jì)劃提供參考。

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