資產(chǎn)完整性管理在海洋油氣平臺裝備管理中的應(yīng)用

袁遠(yuǎn)，徐立新，祝傳鈺，陳文科，王金光，繆宸

（招商局海洋裝備研究院有限公司， 江蘇 海門 226116）

1 引言

海上石油天然氣開發(fā)所利用的裝備和設(shè)施通常具有系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高、裝備設(shè)施價格昂貴等特點(diǎn)，同時由于海上石油開采一般遠(yuǎn)離陸地，一旦發(fā)生設(shè)備故障將導(dǎo)致災(zāi)害事故，很難得到陸地的及時支援，往往導(dǎo)致比較重大財產(chǎn)和人員損失。因此海洋設(shè)施和裝備在其全生命周期內(nèi)的可靠性、安全性一直是海上作業(yè)者關(guān)注的核心課題。

自1 9 8 0 年代以來，以風(fēng)險分析、風(fēng)險控制為核心的資產(chǎn)完整性管理（Asset Integrity Management）理論和方法在提升海洋裝備設(shè)施的安全性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，并得到了廣泛應(yīng)用。一些國際著名的安全管理機(jī)構(gòu)如英國HSE，挪威船級社DNV，法國船級社BV等均頒布了相應(yīng)的指南和軟件。我國在2000年代首次在陸地石化企業(yè)中針對煉油裝置中的高風(fēng)險設(shè)備如壓力容器、反應(yīng)塔、熱交換器等開展基于風(fēng)險的檢驗(yàn)工作（RBI），并逐步拓展到海洋石油天然氣領(lǐng)域。中國海洋石油總公司已于2013年頒布了完整的《中海石油（中國）有限公司設(shè)備設(shè)施完整性管理體系》[1]，并逐步在各類現(xiàn)役海洋油氣平臺裝置中開始實(shí)施。

完整性管理的基礎(chǔ)在于風(fēng)險識別，即識別出能夠?qū)е赂吆蠊年P(guān)鍵性設(shè)備、零部件。通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和事故調(diào)查，對于海洋設(shè)備設(shè)施目前行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的關(guān)鍵設(shè)備為：(1)海洋油氣平臺起重機(jī)[2]；(2)海底管道；(3)海洋油氣固定式平臺。

本文以完整性理論為基礎(chǔ)，選取其中最具代表性的關(guān)鍵設(shè)備—海洋起重機(jī)為工程實(shí)例，開展完整性管理應(yīng)用。通過現(xiàn)場調(diào)研、設(shè)計(jì)審核、獨(dú)立分析和試驗(yàn)研究等方法，實(shí)施完整性管理，并基于分析和檢驗(yàn)結(jié)果形成的最優(yōu)化的完整性管理策略，確保設(shè)備在全壽命期內(nèi)的安全。

2 完整性管理基本理論

完整性管理中最基本技術(shù)路線為，通過風(fēng)險識別、風(fēng)險評估、風(fēng)險管理最終使得設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險水平處于可接受的范圍內(nèi)，從而確保設(shè)備的安全。相應(yīng)的管理邏輯可以用圖1清晰地表示出來。

圖1 完整性管理邏輯

從圖1可知，風(fēng)險識別是實(shí)施完整性管理的基礎(chǔ)。大量的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表明，在一個裝置中通常由20%零部件貢獻(xiàn)了80%的系統(tǒng)風(fēng)險，這就是完整性理論中的“二八法則”。在實(shí)施完整性管理的過程中，需要將這20%的高風(fēng)險零部件進(jìn)行識別，并優(yōu)先進(jìn)行風(fēng)險控制，從而在總體維護(hù)成本不變甚至減少的情況下，提升設(shè)備的整體安全等級。

完整性管理的另一個核心技術(shù)是風(fēng)險評估，對于海洋設(shè)施，其風(fēng)險評估目前有兩種方法：

一是依據(jù)先進(jìn)的可靠性理論，采用數(shù)學(xué)分析計(jì)算方法求解裝備的失效概率，進(jìn)行精確的量化風(fēng)險分析；

二是基于失效模式，如疲勞裂紋、結(jié)構(gòu)損傷、軸承磨損等，結(jié)合實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性或者半定量的風(fēng)險評估。

第一種方法通常需要專業(yè)的風(fēng)險分析軟件以及相應(yīng)的設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫，比較適用于科研研究；在實(shí)際工程中，為了工程應(yīng)用的方便，多采用第二種半經(jīng)驗(yàn)的評估方法。以下將以海洋油氣平臺中的關(guān)鍵裝備—海洋起重機(jī)為例，詳細(xì)探討資產(chǎn)完整性管理實(shí)施的方案。

3 資產(chǎn)完整性管理實(shí)施

海洋平臺起重機(jī)是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，其主要功能是裝卸貨物、轉(zhuǎn)移工具、吊運(yùn)人員、運(yùn)送補(bǔ)給等，在平臺的日常作業(yè)中屬于必不可少的裝備。一旦發(fā)生起重機(jī)故障，由于海上維修周期長，通常會造成較長時間的停產(chǎn)從而導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。我國某海域，曾發(fā)生過起重機(jī)之起重臂發(fā)生大范圍裂紋，需要停產(chǎn)檢修，較長時間影響生產(chǎn)的案例。因此，油田平臺的作業(yè)者均將平臺起重機(jī)歸類為核心裝備[3]，并在實(shí)際中進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)，是實(shí)施完整性管理的重點(diǎn)對象。

以我國東海某平臺在役海洋平臺起重機(jī)為例，該起重機(jī)設(shè)計(jì)壽命20年，最大起升重量35t，最大作業(yè)半徑40m，已運(yùn)行10年，起重臂為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，由平臺的立柱支撐。在過去10年服役期中，一直采用常規(guī)方式維護(hù)，即每2年定期進(jìn)行焊縫無損檢測（NDT），檢測部位則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，歷年的檢驗(yàn)結(jié)果都顯示結(jié)構(gòu)正常。

為進(jìn)一步提升裝備風(fēng)險控制水平，消除其故障隱患，計(jì)劃對該起重機(jī)實(shí)行資產(chǎn)完整性管理，基于風(fēng)險管理來優(yōu)化檢驗(yàn)和維護(hù)策略[4]，其主要流程為：

(1)資料審查和風(fēng)險識別。主要包括設(shè)計(jì)圖紙和常規(guī)檢驗(yàn)記錄文件審查，辨識潛在的、未能有效管理的風(fēng)險點(diǎn)。(2)結(jié)構(gòu)失效分析（強(qiáng)度、屈曲、疲勞）。利用結(jié)構(gòu)分析軟件（如ANSYS、SACS等）針對起重機(jī)的實(shí)際工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞、屈曲分析，辨識高風(fēng)險區(qū)。(3)基于風(fēng)險的檢驗(yàn)（如無損檢測NDT）。在上述工作的基礎(chǔ)上，對潛在的高風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識，并制定有針對性的無損檢測。(4)缺陷評價和維護(hù)?；陲L(fēng)險檢驗(yàn)的結(jié)果，對所發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行評價，并制定相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。

3.1 風(fēng)險辨識

在本項(xiàng)目中采用半經(jīng)驗(yàn)方法對起重機(jī)進(jìn)行風(fēng)險辨識，主要過程為：

(1)采用風(fēng)險矩陣對起重機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵部件識別

風(fēng)險矩陣是通過專家打分方法，綜合失效后果和失效可能性，識別起重機(jī)中的關(guān)鍵零部件。風(fēng)險矩陣[1]形式如表1：

表1 風(fēng)險矩陣表

結(jié)合起重機(jī)的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，綜合專家打分結(jié)果，初步可以辨識出起重機(jī)的關(guān)鍵零部件為：

表2 起重機(jī)關(guān)鍵零件

(2)通過現(xiàn)場檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)文件審查進(jìn)行風(fēng)險辨識

現(xiàn)場檢驗(yàn)和資料審查發(fā)現(xiàn)，起重機(jī)實(shí)際作業(yè)均滿足其設(shè)計(jì)條件，未遭遇意外超載和極端氣象條件（如臺風(fēng)、地震）等。但是設(shè)計(jì)文件中未對平臺起重機(jī)立柱進(jìn)行疲勞校核，定期結(jié)構(gòu)維護(hù)過程中也未對疲勞高風(fēng)險區(qū)進(jìn)行無損檢測NDT，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，將起重機(jī)立柱的過渡錐（幾何不連續(xù)）處標(biāo)示為潛在風(fēng)險區(qū)，如圖2所示。

圖2 起重機(jī)立柱疲勞風(fēng)險區(qū)

(3)通過應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險辨識

采用專業(yè)分析軟件，對起重機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，并對全部的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了辨識。結(jié)果表明，起重機(jī)的高應(yīng)力區(qū)和高風(fēng)險主要集中于起重臂的前端、后端以及支座。計(jì)算結(jié)果和高風(fēng)險區(qū)域的標(biāo)示如表3。

表3 應(yīng)力分析風(fēng)險識別結(jié)果

圖4 結(jié)構(gòu)分析高應(yīng)力區(qū)域標(biāo)示

3.2 基于風(fēng)險的檢驗(yàn)和評價

通過風(fēng)險辨識，對高風(fēng)險區(qū)域行了有針對性的無損檢測（NDT），主要發(fā)現(xiàn)問題如下：

(1)起重機(jī)機(jī)械零件如主軸承、主鉤、鋼絲繩、滑輪等狀態(tài)良好。(2)起重臂前端部發(fā)現(xiàn)間斷型表面裂紋，通過現(xiàn)場打磨可以直接消除?？梢耘袛嘣摿鸭y為初始焊接表面缺陷，不影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。(3)在起重機(jī)支撐立柱的過渡錐處發(fā)現(xiàn)多段裂紋，深度2～3mm，無法通過焊縫打磨消除。通過詳細(xì)的有限元疲勞分析表明該處疲勞UC值為0.98，因此判斷該裂紋為疲勞所致，而且原始設(shè)計(jì)中并未進(jìn)行疲勞校核，屬于設(shè)計(jì)缺陷，在后續(xù)維護(hù)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 起重機(jī)支撐立柱過渡錐疲勞裂紋

基于風(fēng)險的檢測結(jié)果和詳細(xì)的疲勞分析如圖5：

圖6 起重機(jī)支撐立柱過渡錐有限元疲勞分析

通過對比歷史檢驗(yàn)記錄文件發(fā)現(xiàn)，在過去10年服役期間，由于缺乏風(fēng)險辨識和風(fēng)險評估，對此高風(fēng)險點(diǎn)從未進(jìn)行檢驗(yàn)，無法及時發(fā)現(xiàn)疲勞缺陷，起重機(jī)存在一定的潛在風(fēng)險和故障源。這說明，傳統(tǒng)上基于經(jīng)驗(yàn)的起重機(jī)維護(hù)管理存在一定局限性；而資產(chǎn)完整性管理AIM則正好能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，確保起重機(jī)等平臺設(shè)備的全生命期安全，值得在海洋油氣平臺裝備管理中廣泛開展。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)際工程案例，詳細(xì)剖析資產(chǎn)完整性管理實(shí)施方法，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備維護(hù)，由于缺乏科學(xué)的風(fēng)險辨識和風(fēng)險評估，對設(shè)備的風(fēng)險源、故障源往往產(chǎn)生遺漏，設(shè)備存在一定的潛在風(fēng)險。

(2)完整性AIM方法在經(jīng)濟(jì)有效地提升海洋工程設(shè)施的安全性方面有顯著的優(yōu)勢，特別基于風(fēng)險分析和故障模式分析能夠從根本上識別風(fēng)險源，從而進(jìn)行有針對性的維護(hù)。

(3)基于失效模式，采用半經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行風(fēng)險評估從而完整性管理，在工程上是可行且有效的，從而可以避免使用過于復(fù)雜的理論方法，便于在工程上推廣實(shí)施。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 中海石油（中國）有限公司. 設(shè)備設(shè)施完整性管理體系[Z].2013.

[2] 中海石油（中國）有限公司. 吊機(jī)完整性管理解決方案[Z].2013.

[3] API SPECIFICATION 2C Offshore Pedestal-mounted Cranes.2013.

[4] API RP 2SIM Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures.2013.