FPSO 艙室不停產(chǎn)維修方法

余俊雄，黃永鋒，彭湘桂，楊 軼

(1. 中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300457； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

渤海某油田FPSO是載重量為15萬噸級的浮式生產(chǎn)儲油裝置[1]，由國內(nèi)某研究所設(shè)計(jì)，于2004年 7月建成并投入使用，該FPSO整體設(shè)計(jì)壽命為25年，其中防腐系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15年[2]。

2017年，在進(jìn)行艙室檢查時發(fā)現(xiàn)某壓載艙與貨油艙之間的艙壁板有多處嚴(yán)重腐蝕甚至穿孔、貨油艙之間艙壁的垂向T型材變形及壓載艙犧牲陽極失效等問題[3]。2018年初采用臨時修補(bǔ)的方式解決泄露的問題，并于2019年開展艙室不進(jìn)塢、不停產(chǎn)在線維修，當(dāng)年4月開始海上施工，12月艙室恢復(fù)使用。艙室維修的主要工作量包括壓載艙與貨油艙壁大面積更換，更換面積約60m2，占整面艙壁的30%；橫艙壁增加3道加強(qiáng)筋，解決艙壁變形問題；壓載艙鋅陽極更換為鋁陽極，解決陽極失效問題。

1 原因分析

1.1 現(xiàn)場調(diào)研

壓載艙分為3層，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)壓載艙的腐蝕情況是由于靠近貨油艙面，而靠近舷側(cè)面基本沒有發(fā)生腐蝕。腐蝕多從焊縫處發(fā)生，大多以鼓泡形式出現(xiàn)(圖1)。

圖1 艙室涂裝調(diào)研情況 Fig.1 Investigation of cabin painting

不同區(qū)域各自測量了陽極的尺寸，壓載艙的陽極已服役15年，其外形尺寸基本沒有變化，也沒有消耗(圖2)，但艙壁發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，判斷艙室的犧牲陽極沒有發(fā)生作用。調(diào)研發(fā)現(xiàn)陽極連接良好，不存在接觸不良的情況。

圖2 艙室陽極調(diào)研情況 Fig.2 Investigation of cabin anode

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)貨油艙之間橫艙壁上的垂向T型材變形，最大變形量達(dá)到35mm，第5#到12#骨材發(fā)生變形(圖3)，全部位于第1～2層平臺之間。

圖3 T型梁變形問題 Fig.3 Deformation of T-beam

1.2 原因分析

根據(jù)調(diào)研情況，涂層破損基本發(fā)生在壓載艙靠近貨油艙一側(cè)，分析認(rèn)為主要是由于相鄰艙室貨油艙介質(zhì)溫度較高(長期溫度控制在80℃左右)導(dǎo)致兩艙之間的艙壁溫度過高；同時，液位變化頻繁使得涂層長期處于高溫低溫不斷變化的狀態(tài)，進(jìn)而加速了涂層失效的進(jìn)程。

對于陽極失效的分析主要是通過采集陽極的樣本實(shí)驗(yàn)?zāi)M艙室內(nèi)的腐蝕環(huán)境來驗(yàn)證腐蝕情況。鋅合金陽極基體經(jīng)機(jī)加工成Φ16mm×48mm 圓柱棒，細(xì)分為3步測試：①常溫常壓下的檢測，按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T17848對樣品進(jìn)行10d的檢測；②檢測在溫度為65℃下進(jìn)行，其他條件與①一致；③高溫加干濕交替條件下的檢測，在65℃時加入50%間浸率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(即浸泡24h后將試樣拿出干燥24h，隨后交替進(jìn)行直至總浸泡時間為10d，總的實(shí)驗(yàn)周期共計(jì)20d)，然后分別觀察樣品的表面腐蝕情況。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)前2個測試陽極電位變化不大，第3個試驗(yàn)在干濕交替條件下，通過記錄電位發(fā)現(xiàn)初期電位變化不大，但是在浸泡到150h之后，3個樣品的電位都有比較明顯的突變(圖4)，陰極保護(hù)作用失效明顯。

圖4 FPSO艙室問題 Fig.4 FPSO cabin problems

陽極材料經(jīng)干濕交替實(shí)驗(yàn)后觀察其表面形貌，腐蝕后的物質(zhì)在樣品外層形成一層全部包圍的緊密的覆蓋層，導(dǎo)致樣品表面出現(xiàn)一種類似不銹鋼防腐被鈍化的保護(hù)層(圖5)，造成陽極失去應(yīng)有保護(hù)功能。

圖5 陽極試驗(yàn)表面形貌 Fig.5 Surface morphology of anode test

對已經(jīng)發(fā)生變形的T型材的剩余能力進(jìn)行分析，骨材翼緣橫向變形33mm，骨材高度470mm，計(jì)算可知骨材局部傾斜角度為4°。根據(jù)ABS和DNV規(guī)范關(guān)于傾斜骨材剖面模數(shù)的折減系數(shù)[4]cos(4°)＝0.998。公司組織檢驗(yàn)單位對變形的T型材進(jìn)行了焊縫ACFM裂紋探傷檢測，抽檢范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋損傷。因此，可以認(rèn)為骨材本身剖面模數(shù)的折減可以忽略不計(jì)。

2 艙室維修

FPSO按照百年一遇的海況設(shè)計(jì)[5]，根據(jù)設(shè)計(jì)要素可以在海上服役15年，然后每5年進(jìn)塢維修1次，對于只有1個終端的油田，這意味著整個油田需要停產(chǎn)至少3個月進(jìn)行1次FPSO塢修，產(chǎn)量損失巨大。通過艙段有限元模型和溫度場模型分析確定62#橫艙壁變形原因，通過陽極取樣和模擬艙室條件的實(shí)驗(yàn)找到陽極失效原因，通過艙壁壁厚測量配合艙段有限元模型分析確定艙壁更換范圍，通過有限元應(yīng)力分析確保艙室維修期間的結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)裝載首次確保FPSO配載的準(zhǔn)確，最終形成了艙室在線不停產(chǎn)維修方案，并通過現(xiàn)場安全管理的升級使得在線維修方案最終順利實(shí)施[6]。

2.1 艙室泄漏的臨時堵漏方法

某FPSO艙室發(fā)現(xiàn)問題后，鑒于沒有查明問題的根本原因，且渤海灣也沒有類似經(jīng)驗(yàn)可借鑒，于是查閱了大量技術(shù)資料并進(jìn)行深入研究，最終形成了打卡子注脂、漏點(diǎn)補(bǔ)焊、局部挖補(bǔ)換板、高分子材料冷焊接等臨時維修方案。由于壓載艙存在泄露的油氣，故采用熱工的方式進(jìn)行維修風(fēng)險極高，在通過多次技術(shù)討論和風(fēng)險分析后最終首次采用了高分子材料冷焊接鋼板的新工藝(圖6)，成功實(shí)現(xiàn)了4個漏洞的臨時修補(bǔ)。

圖6 高分子材料冷焊接鋼板維修漏點(diǎn) Fig.6 Maintenance leakage points of polymer cold welded steel plate

2.2 艙室結(jié)構(gòu)安全性的有限元模型分析

根據(jù)FPSO船體設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了艙段有限元分析(圖7)，結(jié)合艙室測厚報告在模型中對腐蝕區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的壁厚折減以模擬腐蝕后的情況?？紤]到不同的裝卸載工況和作業(yè)海況等因素，將工況載荷施加到模型中進(jìn)行計(jì)算[7]。分析后發(fā)現(xiàn)壓載艙內(nèi)殼縱艙壁FR59肋位腐蝕區(qū)域存在較大的破壞風(fēng)險，泄漏區(qū)域有可能進(jìn)一步擴(kuò)大，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)確定艙室更換期間船體在#58～#60肋位的剪切力不超過 ±20000kN，其他肋位的總縱剪力不超過原裝載手冊中給出的許用值。

圖7 艙壁有限元分析 Fig.7 Finite element analysis of bulkhead

2.3 溫度應(yīng)力對風(fēng)險艙壁變形的影響

針對62#橫艙壁的承載能力，通過建立有限元模型的方法進(jìn)行計(jì)算分析，查找可能導(dǎo)致骨材變形的影響因素，分別建立了艙段有限元模型和溫度場模型(圖8)。在不考慮溫度應(yīng)力的情況下，62#艙壁的屈服和屈曲分析均滿足規(guī)范的要求[8]?？紤]該艙壁在不同溫度條件下溫度應(yīng)力的影響，液體溫度計(jì)算模擬是在60～100℃范圍之內(nèi)(實(shí)際作業(yè)時，貨油的溫度為60～84.5℃)，不同溫度下板架屈曲的校核差異很大，出現(xiàn)了不滿足規(guī)范要求的情況，屈曲校核允許的最大U.C值為0.8(表1)。

表1 不同溫度下板架屈曲校核結(jié)果 Tab.1 Buckling check results of plate supports at different temperatures

圖8 溫度場模型 Fig.8 Temperature field model

2.4 維修不壓產(chǎn)方案的實(shí)施

艙壁換板的面積達(dá)到了整個區(qū)域的30%，為確保維修期間腐蝕區(qū)域船體結(jié)構(gòu)安全，船體#58～#60肋位的剪切荷載不能超過±20000kN。為了滿足此要求[9]，需將原油最大裝載能力降至60000m3(表2)，使得FPSO達(dá)到艙儲原油外輸后的安全生產(chǎn)天數(shù)由5d縮短為2d，這意味著無論是設(shè)備原因還是天氣原因都很有可能造成油田壓產(chǎn)。

表2 FPSO最大裝載能力 Tab.2 Maximum loading capacity of FPSO

經(jīng)過深入研究，最終在裝配載方案上找到了突破點(diǎn)。首先統(tǒng)計(jì)FPSO 歷次改造增加了的設(shè)備載荷合計(jì)總重為447t，達(dá)到原空船重量的1.07%，壓配載系統(tǒng)與實(shí)際不相符，于是通過更新裝載手冊、升級裝載計(jì)算機(jī)來確保FPSO裝配載數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。然后對壓載閥門密封性進(jìn)行逐個檢查，對液位計(jì)進(jìn)行逐個校核，邀請?jiān)漭d儀廠家到現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)密的論證，優(yōu)化配載方案，滿足限載的同時實(shí)現(xiàn)原油裝載最大化。另外，根據(jù)天氣情況提前優(yōu)化外輸計(jì)劃，確保能夠按時外輸，通過加強(qiáng)外輸設(shè)備維保來保障外輸?shù)捻樌浴?/p>

2.5 提高施工效率和減少艙室占用的方法

在確定了維修方案后，如此大面積進(jìn)行艙壁更換意味著很長的施工周期，對縮短施工周期進(jìn)行深入研究后，最終通過優(yōu)化施工工序的方法在減少艙室占用的同時還大幅提高了工作效率(圖9)。首先，將艙室維修分2期進(jìn)行，一期進(jìn)行遠(yuǎn)離6P貨油艙艙壁的維修工作，維修期間只有7P壓載艙和7PSLOP艙空艙；二期進(jìn)行靠近6P貨油艙艙壁的維修工作和橫艙 壁加強(qiáng)，維修期間需要7P壓載艙、7PSLOP艙、6P壓載艙、6P貨油艙4個艙室空艙。通過分期實(shí)施8個月的施工周期，6P貨油艙只空艙了2個月的時間就增加了FPSO的裝載能力。其次，通過結(jié)構(gòu)分析，只要不出現(xiàn)“L”型換板，就可同時更換2塊相距較遠(yuǎn)的壁板；相連的板可以先在艙內(nèi)拼接再整塊更換，減少焊接難度，并優(yōu)先施工59#肋位，解除FPSO配載限制。通過換板工序的優(yōu)化，將艙室內(nèi)的施工效率提高了近1倍；同時，也盡早解除了FPSO配載的限制，提高了裝載能力，減少了壓產(chǎn)的可能性。

圖9 艙室維修分期及同時換板工序 Fig.9 Cabin maintenance stage and simultaneous plate replacement process

2.6 艙室密閉空間動火作業(yè)的現(xiàn)場安全管理

艙室空間限制動火作業(yè)是此項(xiàng)目的第二大難點(diǎn)，也是風(fēng)險級別最高的施工作業(yè)。實(shí)施方案對艙室內(nèi)的通風(fēng)照明、氣體測量記錄、人員每日身體檢查、艙室內(nèi)作息時間、艙室內(nèi)外通信、應(yīng)急救援物資、過程檢驗(yàn)等都做了升級要求，并根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度開展了針對性的應(yīng)急演習(xí)。

3 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)證明，在高溫海水交替的環(huán)境下陽極表面易形成一層致密的鈍化膜，致使陽極失效。在引入溫度場模型后發(fā)現(xiàn)艙室結(jié)構(gòu)的UC值不滿足規(guī)范要求，所以建議對于艙室或類似結(jié)構(gòu)的分析要充分考慮溫度應(yīng)力的影響?！?/p>