原型測(cè)量法在海冰作用下海上采油平臺(tái) 失效評(píng)估中的應(yīng)用

劉寧(天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司，天津 300457)

0 引言

位于我國(guó)渤海區(qū)域的海上石油采油平臺(tái)處于高緯度地區(qū)，冬季時(shí)要面對(duì)海冰等災(zāi)害的威脅。海冰會(huì)引發(fā)導(dǎo)管架和平臺(tái)持續(xù)振動(dòng)，而導(dǎo)致采油平臺(tái)的管線發(fā)生法蘭松動(dòng)、管線斷裂、泄漏等問題，進(jìn)而嚴(yán)重威脅平臺(tái)的安全生產(chǎn)活動(dòng)，也會(huì)對(duì)周邊海洋環(huán)境造成污染和破壞。因此應(yīng)建立海上石油采油平臺(tái)長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)和分析評(píng)估機(jī)制，對(duì)海冰給海上采油平臺(tái)造成的危害預(yù)測(cè)與預(yù)警，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

1 現(xiàn)狀分析

我國(guó)渤海冬季多為冰區(qū)，中海油在此區(qū)域多為邊際油田，儲(chǔ)油量小，因此在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)雖然考慮了抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是兼顧開發(fā)成本的因素，采用減小平臺(tái)用鋼量的方法來降低開發(fā)成本，縮短制造工期，提高收益。因此我國(guó)渤海區(qū)域的海上采油平臺(tái)的導(dǎo)管架用鋼量較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)較柔，進(jìn)而造成渤海區(qū)域的海上采油平臺(tái)在海冰作用下的振動(dòng)問題較國(guó)外的同緯度、同環(huán)境下的平臺(tái)更為突出，嚴(yán)重威脅著海上采油平臺(tái)的生產(chǎn)安全[1]。

1.1 分析方法

海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)中最先接觸海冰的是導(dǎo)管架，其受到海冰的作用力往往最大，而后在海冰的持續(xù)作用下，平臺(tái)上部、中下部管道也受到持續(xù)的影響，進(jìn)而在振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力作用下造成結(jié)構(gòu)失效問題[2]，其中失效問題中非常重要的一項(xiàng)就是結(jié)構(gòu)的疲勞失效。此外，海冰會(huì)引起導(dǎo)管架和平臺(tái)持續(xù)振動(dòng)，在振動(dòng)下海洋平臺(tái)的上部管線可能會(huì)出現(xiàn)法蘭松動(dòng)、管線斷裂及泄漏等安全問題?；谏鲜銮闆r：首先根據(jù)對(duì)海冰作用下的海上采油平臺(tái)設(shè)施受損和功能失效模式認(rèn)識(shí)，有針對(duì)性地選擇渤海區(qū)域內(nèi)典型受海冰作用的超齡服役海上采油平臺(tái)下部導(dǎo)管架，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原型測(cè)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)，并開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作；其次，根據(jù)監(jiān)測(cè)的加速度數(shù)據(jù)判別失效的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行分析與對(duì)比；最后基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，將海冰對(duì)海上采油平臺(tái)的危害進(jìn)行數(shù)據(jù)量化和評(píng)估，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)警。

1.2 失效模式分析

失效模式一般指靜力失效和加速度作用下結(jié)構(gòu)疲勞失效問題。文章選取JX1-1 A平臺(tái)對(duì)兩種情況分別進(jìn)行相關(guān)研究。該平臺(tái)是一座四腿錐體導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，實(shí)際中設(shè)計(jì)了可以安裝在平臺(tái)導(dǎo)管上的壓力盒。該壓力盒由4個(gè)壓力感應(yīng)原件構(gòu)成，壓力盒的有效長(zhǎng)度為1 m，壓力盒安裝如圖1所示。

1.2.1 靜力失效問題

海上采油平臺(tái)靜力失效一般包括兩種模式，分別是強(qiáng)度和剛度失效模式。為了防止在設(shè)計(jì)壽命中出現(xiàn)靜力失效問題，海上采油平臺(tái)一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了平臺(tái)對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。一般情況下，強(qiáng)度要求指設(shè)計(jì)允許使用應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)極端狀況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力；剛度要求是指規(guī)范強(qiáng)制要求的允許值大于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的極大變形值。因此，評(píng)估JX1-1 A平臺(tái)結(jié)構(gòu)在渤海區(qū)域極值靜冰作用力下的安全性與可靠性可以通過強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求值和實(shí)測(cè)值對(duì)比來實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)和中國(guó)海洋石油總公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于渤海區(qū)域的海上采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都作出了相應(yīng)規(guī)定：充分考慮滿足極值靜冰作用力下的情況，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)靜力安全儲(chǔ)備預(yù)留很大[3]。通過查閱設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，JX1-1 A平臺(tái)在海冰極值靜冰作用力下，結(jié)構(gòu)的極大變形和最大應(yīng)力都能夠滿足對(duì)于結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度和剛性的設(shè)計(jì)需要，且具有很大的安全儲(chǔ)備量，如表1所示。

表1 最大靜位移和最大名義應(yīng)力

1.2.2 結(jié)構(gòu)疲勞失效問題

主要對(duì)JX1-1 A平臺(tái)上的管線振動(dòng)情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。管線的振動(dòng)主要是由甲板和導(dǎo)管架振動(dòng)引起的，而甲板和導(dǎo)管架振動(dòng)的加速度取決于海冰的厚度和速度[4]。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和建模分析，得到不同甲板和導(dǎo)管架振動(dòng)加速度與冰厚、冰速的呈現(xiàn)出線性函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 管線振動(dòng)加速度與冰速的關(guān)系

1.3 管線失效評(píng)估

(1)對(duì)JX1-1 A平臺(tái)上部管線基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行失效評(píng)估。本文選取2018年、2019年、2020年加速度監(jiān)測(cè)樣本中最大數(shù)據(jù)作為樣本，經(jīng)過計(jì)算得出最大值出現(xiàn)在2月中旬幾天，并且在2019年2月11日，監(jiān)測(cè)加速度達(dá)到0.43 m/s2，有造成法蘭松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系如表2所示。

(2)同樣，選取2018年、2019年、2020年加速度監(jiān)測(cè)樣本中最大數(shù)據(jù)作為樣本，對(duì)JX1-1 A平臺(tái)中下部管線基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行失效評(píng)估，經(jīng)過計(jì)算得出2019年最大值出現(xiàn)在1月下旬，平臺(tái)監(jiān)測(cè)加速度主要集中在0.22～0.42 m/s2，有造成法蘭松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系表

2 建議

建立長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)和分析評(píng)估機(jī)制，對(duì)海冰給海上采油平臺(tái)造成的危害預(yù)測(cè)與預(yù)警，以便主動(dòng)采取積極應(yīng)對(duì)措施。

(1)建立全天候天氣預(yù)報(bào)機(jī)制，包括對(duì)海流、潮汐、浪高、風(fēng)力和海冰等情況的預(yù)報(bào)；

(2)建立高緯度平臺(tái)振動(dòng)最大加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警體系；

(3)建立危險(xiǎn)冰情聯(lián)動(dòng)值守共享機(jī)制，在形成危險(xiǎn)的海冰災(zāi)害的半小時(shí)內(nèi)最近的破冰船應(yīng)到達(dá)相關(guān)平臺(tái)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)或協(xié)同破冰作業(yè)。

3 結(jié)語

以上研究為海冰作用下的海上采油平臺(tái)評(píng)估提出了一種量化的理論手段。針對(duì)渤海區(qū)域海上超期服役采油平臺(tái)進(jìn)行基于原型測(cè)量法的評(píng)估，可以解決定性問題定量化的問題，監(jiān)測(cè)示例顯示出這一方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

除了渤海區(qū)域外，我國(guó)在南海也有海上采油平臺(tái)，大多采用半潛浮式深海采油平臺(tái)，由于所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)、工作場(chǎng)景、操作形式等存在差異和復(fù)雜化的問題，原型測(cè)量法在半潛浮式深海采油平臺(tái)方面的研究與應(yīng)用開展十分有限。隨著國(guó)家深化海上石油走進(jìn)深海的戰(zhàn)略，筆者認(rèn)為這方面的研究將是今后發(fā)展的重要方向。