数字化技术在海洋石油平台结构完整性管理中的应用

王 宁，王毅坚

(1．中海油能源发展股份有限公司 油田建设工程分公司 天津300452;2．吉林化工学院 机电工程学院 吉林 吉林132022)

海洋石油平台工作环境恶劣，结构承受腐蚀、疲劳、偶然事故等损伤，抗力逐年衰减．为确保平台作业人员生命安全、正常生产乃至保护海洋环境，必须及时掌握平台结构状况，发现安全隐患，科学决策，避免由此引起的灾难和损失［1］．

近年来，数字化技术不断成熟，形成了以工程数据库为核心的数据管理、评估、检验、缓解风险策略、三维设计为一体的管理体系．通过引入数字化技术，能够实现海洋石油平台全生命周期的数据管理，推进前期研究阶段的持续改进、实现工程建设阶段的数字化交付、优化生产运维阶段的变更管理和检验计划制定，同时提供平台弃置所需的完整性数据支持［2］．

现有成果的优点在于:1)实现了电子文档、结构化数据和三维模型的关联，极大的提高了调用数据的效率;2)实现了数字虚拟仿真推演，从而推动方案设计的持续优化;3)制定了数据质量控制标准，并通过版本跟踪和历史追溯确保数据来源唯一，减少重复录入工作量;现有成果缺点在于:1)三维模型对带宽的要求较高，占用海上平台较多的带宽资源，使访问速度受限;2)平台结构化数据的范围有待进一步优化，使其更适用于海上生产作业［3］．

通过数字化技术的应用，能够推动前期研究的优化设计，实现工程建设阶段向生产运维阶段的数字化移交，辅助制定基于风险的检验计划和优化缓解风险的措施，确保平台处于可靠和安全的服役状态．

1 工程建设阶段的数字化技术应用

1．1 总体目标

工程建设阶段数字化技术应用的总体目标为实现对前期研究和生产运维阶段承上启下的过渡作用，一方面促进前期研究阶段的持续改进，另一方面实现对生产运维阶段的数据化移交．

(1)面向前期研究阶段，通过数字化技术，针对设计规范、设计文件、设备厂家资料、运输和安装等数据进行管理，将工程建设阶段产生的数据与前期研究阶段数据进行对比，分析变更发生的原因及合理性，持续的推动前期研究阶段的设计工作进行改进．

(2)面向生产运维阶段，通过数字化技术，对工程建设阶段产生的数据整理和分类，将生产运维所需的参数进行结构化处理，打通数据通道，完成数字化移交，使作业者能够方便快捷的查询到生产作业所需的数据．

1．2 数据库架构设计

数据库构架设计分为采集层、处理层和应用层．

(1)采集层．根据工程设施信息规范及编码规则对海洋石油平台建设期和运营期的数据进行采集，并存储至数据库中．

(2)处理层．通过信息集成平台对项目运行期间的设计文件(包括版本跟踪)、收发文情况、邮件及任务督办进行管理，同样存储至数据库中，以便追溯．

(3)应用层．通过数据应用门户进行展示，用户可以方便的查询、使用数据库中存储的各类文件和信息，并配备专业的团队对用户提出的问题进行回复．

1．3 数字化移交功能

数字化移交功能旨在提交完整、准确、一致的数据信息，移交内容涵盖工程设计、建造、海上安装和基线检测，为生产运维工作的开展提供数据支撑．

数字化移交的主要工作包括:(1)准备阶段制定数据采集模板、编码规范和移交清单，完成数据库初始化，并编写对承包商、服务商的规范要求;(2)实施阶段平台结构数据进行采集、录入、质量控制和装载导入数据库;(3)完工阶段进行平台基线检测、完成数据交付审查和最终成果移交．

工程数据数字化移交完善和规范了资料的移交范围，提高了数据的质量，提供了项目运行期间的存储平台，为建设期向运营期的过渡打下了良好的基础．此外，数字化系统通过启动版本跟踪、线上审核能够实现无纸化办公和提升工作效率．

2 生产运维阶段的数字化技术应用

2．1 总体目标

生产运维阶段数字化技术应用的总体目标为实现对平台结构完整性数据的管理，确保数据和三维模型的更新，实现动态和连续的评估、预警，确保其处于安全的服役状态．

2．2 完整性数据结构化

完整性数据结构化是指通过数字化技术搭建完整性数据管理模块，记录、更新和分析平台结构的结构化数据，包括平台信息、平台分级、构件特征、防腐系统、环境条件和平台载荷等，真实反映平台结构的服役状态，图1为海洋平台结构特征参数［4］．

该模块能够实现对影响平台结构状态的完整性数据进行定义和动态记录，生成随时间变化的状态曲线或报表，取代人工查找档案，分析结构报告的工作，提高结构设计效率．

借助完整性数据结构化，运营商或管理层能够实时把握平台结构的当前性能，进行性能趋势分析与预测，从而能够制定合理的策略和规划，为海洋平台结构的安全服役提供保障．

图1 海洋平台结构特征参数

2．3 结构数据关联、快捷搜索和定位

通过数字化技术，可实现结构设计文档、结构三维模型，结构特征参数和预警信息之间的数据关联和相互定位［5］．

(1)输入结构构件名称或者通过搜索条件找到关注的结构构件并点击，则快速定位至三维模型，同时在搜索栏显示出该构件相关的结构设计文档．

(2)在三维模型中点击关注结构构件，则在搜索结果中显现该构件的特征参数、关联结构设计文档和预警信息．

(3)输入预警条件，如图2数字化信息统搜索功能所示，点击搜索显示全部符合该条件的构件，并在三维模型中突出显示，同时关联结构设计文档和构件特征参数．

图2 数字化信息统搜索功能

2．4 数据自动更新

通过数字化技术，结合平台投产后的变更管理机制，能够实现平台结构数据的动态传递和更新．将历次变更中涉及到结构数据变化的部分进行更新，从而保证三维模型、结构特征参数和预警信息能够真实反映平台的现状．并且，数字化技术实现了对平台结构检测数据的管理，包括牺牲阳极、ACFM检测、磁粉检测、基础冲刷检测、厚度检测和目视．通过不断积累检测数据信息，不但能够生成构件特征参数历史曲线，并且有利于积累经验和优化检测范围及频率．

2．5 结构构件自动预警

当平台发生改造、损伤、载荷变化、抗风暴分析、延寿及应急响应时，通过数字化自动预警技术可实现对其结构快速、连续及动态评估，并为结构损伤评估、适用性评估、检验计划、维护和修理等提供技术支持．

预警条件包括构件名义应力比、节点冲剪、ACFM检测发现裂纹、阳极腐蚀速率、基础冲刷和构件测厚，图3为自动预警功能模块．

图3 自动预警功能

3三维设计和可视化功能应用

数字化技术的三维可视化功能以数据库为核心，依托工程设计三维模型完成，具有精准、直观、高效的特点，在若干平台的试点应用中取得了良好的效果．

利用三维设计和可视化功能，为平台结构提供一个可供全生命周期内使用的数字化平台，包括工程设计数据、材料数据、合同采办数据和检测监测数据等，为后期维修改造提供方便，并为相关服务产业的延伸创造可能性［6］．

3．1 碰撞检查

三维模型完成总装之后，可对平台结构与其他各专业之间是否发生碰撞进行检查．主要包括:

(1)结构构件与机械设备、管线、电缆、梯道和门窗等的碰撞;

(2)机械设备撬座、管汇及电缆等之间的碰撞;

(3)平台上的模块钻机在不同井位移动时与平台其他设施(如生活楼、吊机等)的碰撞;

(4)钻井设备在平台上摆放位置是否合理;

3．2 三维检测信息管理

将平台结构的年检和特检报告进行结构化处理，录入数据库中，在三维模型中设置焊缝、管节点、杆件、牺牲阳极、海生物等关键位置的热点，对结构化数据进行关联和更新，可以实现:

(1)检测报告与结构化数据的相互关联;

(2)历史数据查询、避免重复检验和漏检;

(3)设定预警值，如杆件壁厚减薄、海生物厚度、基础冲刷等，通过在模型中以突出颜色的显示实现预警功能;

3．3 工作效率提升

(1)三维模型直观性强，可有效的指导平台陆地建造和海上安装，避免由于对设计图纸或安装方位等的误解;

(2)三维模型对管线连接和工艺流程进行模拟，减少与结构构件的碰撞、开孔，节约调试时间和海上工作量;

(3)通过三维模型对施工进行控制，合理配置各个专业的工作顺序，避免冲突和返工;

(4)对维修改造方案进行陆地模拟，减少出海调研工作量．

4 试点应用效果统计

案例一:在LD10-1油田综合调整开发方案设计中，应用数字化技术对外挂平台 +旅大4-2WHPB平台新增污水处理设施方案、外挂平台+注水海管方案和独立平台+海管海缆+生活楼方案进行了结构设计，对比未应用数字化技术的同类项目，效果如下:

(1)减少档案馆资料收集、整理和复印100人工天和出海调研的20人工天;

(2)利用数字化技术将历次改造图纸合并，可节约绘图150人工天;

(3)利用数字化的工程设计模型，可节约有限元分析150人工天;

(4)利用三维模型辅助设计，可研方案设计阶段排查碰撞16处，减少管线穿梁27处．

案例二:绥中36-1油田各平台生活楼定员未考虑钻完井人员、维修工作人员、修井工作人员的居住需求，造成了平台服役期间居住空间严重不足的问题，为了合法合规的解决海上施工居住问题，采取对油田13个平台生活设施进行改造．在本项目应用数字化技术的效果如下:

(1)利用数据库中的电子文档，减少档案馆资料收集、整理和复印66人工天;

(2)利用三维可视化模型，落实移动式生活设施摆放及接口位置，节约出海调研130人工天;

(3)利用数字化的工程设计模型，可节约有限元分析200人工天．

5 结 论

通过本文对数字化技术在海洋石油平台结构完整性管理中的应用分析，并在试点应用效果统计上，可得到以下几点:

(1)在海洋石油平台结构设计中使用数字化技术，有利于结构化参数和非结构化文档的存储和管理，并使其具备可追溯性．通过向海上油气田设施的推广使用工程数字化信息系统，能够更好的促进油田开发的智能化和信息化;

(2)数字化技术三维设计功能，能够使设计更加精细化．通过三维模型校验碰撞和干涉，从而避免建造阶段的变更，从而缩短建造周期和海上安装的难度;

(3)根据调研和反馈意见，通过在试点开展的数字化技术应用，有效的减少了出海调研时间，增强了维修改造方案，缩短了项目工期．可见，使用数字化信息系统的成效十分明显;

(4)数字化信息系统可以实现对平台结构特征参数、检测数据、运行期间历史数据的管理，不断积累设计、施工、安装、维护的数据和经验积累，建立起完整的平台结构信息数据库，奠定平台结构完整性管理的基础;

(5)将数字化技术、地理信息系统、MAXIMO系统、三维模型设计功能及互联网等信息技术相结合，搭建出一套适用于海洋石油平台结构的完整性管理数字化信息平台，实现对其全生命周期的管理，必将是未来发展的方向．

［1］ 中国船级社．《海上固定平台入级与建造规范》［M］．北京:人民交通出版社，1992．

［2］ 刘尊良，王宏．基于设计文件的油气田地面工程数字化［J］．石油规划设计，2008，19(4):5-18．

［3］ 姚竞争，韩端锋，肖贵英．集成制造系统下的数据交互技术研究［J］．船舶工程，2011，33(4):60-65．

［4］ 赵东岩，余建星．海底管道完整性管理研究［J］．海洋技术，2008，27(4):71-74．

［5］ 张锡洲，吴彦君，赵毅．数字化施工管理系统的研究及应用［J］．石油化工自动化，2010，3:25-28．

［6］ 庞可．三维设计技术应用及前景展望［J］．电力建 设，2003，24(5):4-7．