海洋石油平台结构安全寿命评估与维修

胡　果

(1.深圳海油人力资源服务有限公司，广东 深圳518067； 2.中海油能源发展安全环保公司 深圳分公司，广东 深圳518067)



海洋石油平台结构安全寿命评估与维修

胡果1,2

(1.深圳海油人力资源服务有限公司，广东 深圳518067； 2.中海油能源发展安全环保公司 深圳分公司，广东 深圳518067)

如何评价海洋石油平台结构安全寿命，如何采取相应的维修方案，已经成为了海洋石油企业管理决策性所需要考虑的重大问题。采用基于疲劳断裂力学控制的评估法，来评估处于中后期服役海洋石油平台的安全寿命，根据安全寿命评估结果，列出不需检修、一般检修、重点检修和立即检修项目，科学地安排检修计划，以保证海洋石油平台结构能够实现可靠、经济和安全地可持续性运行。

海洋石油平台；维修措施；安全寿命；评估

海洋石油平台造价较高，结构复杂，且长期处于较危险、恶劣的工作环境，一旦出现安全问题，必将造成极为严重的环境灾难事故，并带来经济损失[1]。目前，我国一大批海洋石油平台已经进入到了中后期服役阶段，为了增加经济效益，节约投资，这些海洋石油平台在未来很长一段时间内还将继续使用，因而安全问题就成为关键性问题。如何评价海洋石油平台结构安全寿命，并采取相应的维修方案，已经成为了海洋石油企业管理决策性所需要考虑的重大问题。本文就海洋石油平台结构安全寿命评估与维修进行研究。

1　海洋石油平台结构安全寿命评估

基于疲劳断裂力学控制的评估法和基于S-N曲线的安全寿命法是目前2种主要的结构安全寿命评估方法。基于S-N曲线的安全寿命法使用经验丰富，简单易用，但评估结果离散性较大，多用于校核平台结构设计阶段的疲劳；而基于疲劳断裂力学控制的评估法主要是根据裂纹的扩展规律，再加上断裂力学原理来评估结构的疲劳寿命，其根本点在于任何结构都具有缺陷，缺陷的分布、大小、类型与结构的受载历史、所处环境、加工方法和型式等有关，还可通过无损检测方法来检验评估结果[2]，该方法适合于任意使用阶段、任何类型的结构安全寿命评估。本文采用基于疲劳断裂力学控制的评估法来评估处于中后期服役海洋石油平台的安全寿命。

1.1结构寿命安全评估的基本内容

结构寿命安全评估的基本内容包括：1)对海洋石油平台目前的安全状态进行了解，并基于平台的受载历史及裂纹扩展规律来评估预测平台在未来一段时期内的安全性；2)利用安全寿命评估来进行识别海洋石油平台的主要危险节点，并按轻重缓急排序，详细评估主要危险节点；3)判断主要危险节点修复的可能性与必要性，制定出科学的检维修计划[3]。海洋平台安全寿命评估及检修决策流程图如图1所示，主要包括危险节点的可靠性评估模块、疲劳分析模块、应力应变分析模块、断裂力学评定模块和静强度评定模块等。

1.2平台当前安全状态

基于当前对平台的检测数据或最近一次的检测数据，以及到目前为止所经历的载荷历程作为基本输入，按上述流程进行安全评估。当输入为当前检测结果时，仅需对结构进行断裂力学评定、强度评定和应力应变分析；而当输入为最近一次的检测结果时，除进行上述评定外，还需进一步进行疲劳分析，并给出疲劳分析结果。对平台上所有高应力/应变节点按如下准则进行评定。

图1　海洋石油平台安全寿命评估及检修决策流程图

强度评定准则：

σ≤[σ]

断裂评定准则：

KI≤ [KIC]

极限载荷：

Pmax=min{P(σ =[σ])，P(KI=[KIC])}。

式中，Pmax为平台所能承受的最大极限载荷；σ为应力；[KIC] 为断裂韧性；KI为应力强度因子；[σ]为许用应力；P(KI=[KIC])为断裂力学决定的极限载荷；P(σ =[σ])为静力强度决定的极限载荷。

基于一定的规则来划分评定结果，可将其分成若干个安全等级，断裂评定和静强度评定都满足的为I级；断裂评定不满足，但静强度满足的为Ⅱ级；两者均不满足的为Ⅲ级。判断评定结果的可接受性时，应考虑如下几个方面：1)对全系统状态、功能以及工作产生的后果；2)可能造成的整体失效(局部失效导致的)；3)可能造成的从属失效(原始失效导致的)；4)设备、人员的安全性及维修要求。

1.3平台安全寿命评估

目前，国内外已经广泛研究海洋石油平台安全寿命评估问题，特别是重点研究固定导管架平台管节点的疲劳问题。平台结构疲劳热点处应力强度因子的计算模型是平台安全寿命评估的关键技术之一，不同的学者基于不同的侧重点给出了多种计算模型。从总体而言，海洋石油平台可分为移动平台和固定平台等2种类型，梁/筋与板、板与板、管与管以及管与板之间的连接焊缝处是海洋石油平台典型疲劳热点部位[4]。正是由于焊缝处是很容易出现裂纹的部位，焊缝焊趾处的表面裂纹已成为了平台安全寿命评估的重点。

1.3.1表面裂纹应力强度因子的统一形式

Newman-Raju公式是最适宜计算表面裂纹应力强度因子的公式，其具有适用范围大和计算精度高等特点。黄小平研究结果表明，Newman-Raju公式适用于计算处于压弯组合应力下的表面裂纹应力强度因子，同样适用于管节点0.20.5时,计算结果则不太精确，主要原因在于载荷下降会带来较大的误差，造成计算结果过于保守，因而要引入相应的修正项。

在拉(压)弯应力作用下，焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子KI统一计算式为：

式中，q=lg(11.584-0.058 8θ)/2.30 (150°≤ θ≤180°)。

1.3.2疲劳寿命估算公式

在载荷恒定不变的情况下，疲劳寿命估算常常采用Paris公式：

在载荷变化的情况下，疲劳寿命为:

1.3.3疲劳可靠度R的计算公式

2　海洋石油平台维修措施

在对海洋石油平台结构安全寿命评估之后，应对检修项目和检修时间进行合理、科学地安排，以便能够达到既使检修费用最低，又确保平台安全的目的[5]。根据安全寿命评估结果，可以得出平台的危险节点，然后对其可靠性进行进一步评估，并以轻重缓急来将评估结果排序，列出不需检修项目、一般检修项目、重点检修项目和立即检修项目。

以某海洋石油平台电力系统维修为例，对电力系统设备进行安全寿命分析，建立计算模型，得出平台的危险节点，然后对其可靠性进行进一步评估，求出各设备的关键重要度。

2.1故障检修模式等级划分标准

故障检修模式等级划分标准如下。

不需检修项目(Ⅰ级)：产品轻度损坏、经济轻度损失或不足以造成人员伤害。

一般检修项目(Ⅱ级)：造成环境中等程度损害、产品中等程度损坏、任务延误，或引起中等程度人员伤害、经济损失。

重点检修项目(Ⅲ级)：造成环境严重损害、产品严重损坏、任务失败，或引起重大经济损失、人员严重伤害。

立即检修项目(Ⅳ级)：引起巨大环境损害、产品毁坏、人员死亡。

2.2部分设备可靠性评估结果

部分设备可靠性评估结果见表1。

表1　部分设备可靠性评估结果

2.3维修措施

2.3.1采取预防性维修方式

1)以环境、质量、安全、成本和利用率为依据，基于档案资料对海洋石油平台设备故障后果和原因进行分析；同时，对其进行相应的反馈(损失、停机和可靠性等)，运用分析结果来改进海洋石油平台设备维护管理工作，并及时确定预防性维修的方式。

2)将海洋石油平台设备分解成若干个模块，同时深入调查分析重要部件的使用情况。

3)由海洋石油平台设备的操作人员、熟悉此设备的人员或者专家来选择具体的维修方式。为了让所选择的维修方式变得更加有效，设备管理部门应编写下列文件：选择出最有效的维修方式维修工作任务手册；将设备维修方法进行分类，建立设备维护逻辑判断程序，以适合多种故障模式维修。

2.3.2加强引进进口备件的力度及把好国产备件的质量关

海洋石油平台许多关键的设备及重要设备都是进口设备，如顶驱、柴油机和升降装置等，常常因为这些进口备件问题而使设备运行陷入尴尬的境地，石油企业领导应重视进口备件的引进力度，加快引进，缩短引进周期，提高进口备件的实际到货率。国产备件采购相对容易，但应把好质量关，应从源头上抓起，从有资质的厂家采购备件。

2.3.3努力改进平台不合理的设计

在海洋石油平台工作的设备人员，还应针对工作中的不同需要和设备存在的各种缺陷来对现有的部分设备进行改进。目前，有许多改进工作已经在生产中发挥了积极的作用，如井口上、下支撑的改进

设计、钻井给定开关的无级改造和泥浆泵等，为钻井工作的顺利进行起到了很重要的作用。

3　结语

总之，应该及时评定海洋石油平台结构的安全寿命，给出合理、科学的维修措施，以保证海洋石油平台结构可靠，同时经济、安全地实现可持续性运行。

[1]ForbesJ,GlinkaG,BurnsDJ.Fracturemechanicsanalysisoffatiguecracksandloadsheddingintubularweldedjoints[J].Proc11thOMAE,1992,23(3):307-312.

[2]BownessD,LeemmK.Predictionofweldtoemagnificationfactorsforsemi-ellipticalcracksinT-buttjoint[J].InternationalJournalofFatigue,2000,22(11):369-387.

[3]BarabadyJ,KumarU.Reliabilityanalysisofminingequipment:AcasestudyofacrushingplantatJajarmBauxiteMineinIran[J].ReliabilityEngineering&SystemSafety, 2008，93 (4):647 -653.

[4]孙维,王金娟.未来深水水下油气田开发模式——超远程全潜式深水水下油气田开发水下系统探索[J].新技术新工艺，2016，19(1):55-57.

[5]郝伟修,胡夏琦,张鹏举,等.深海双管道连接装置在低温环境下金属密封研究及应用[J].新技术新工艺，2016，19(1): 58-65.

责任编辑马彤

LifeSafetyEvaluationandMaintenanceofOffshoreOilPlatformConstruction

HUGuo1,2

(1.ShenzhenCNOOCHumanResourcesServiceCo.,Ltd.,Shenzhen518067,China; 2.CNOOCEnergySecurityandEnvironmentalProtectionShenzhenBranch,Shenzhen518067,China)

Howtoassessthestructuralsafetyoflifeoffshoreoilplatformsandhowtotaketheappropriatemaintenanceprogram,havebecomeamajorissueofoffshoreoilenterprisemanagementdecisionsneedingtobeconsidered.Analyzethestructuralsafetyofoffshoreoilplatformlifeevaluation,andwiththeoffshoreoilplatformmaintenancemeasures,toensurethattheoffshoreoilplatformstructurecanbereliable,economicalandinthesafeoperationofsustainability.

offshoreoilplatform，maintenancemeasures，safelife，assessment

U656.6

A

胡果(1984-)，男，工程师，主要从事海洋石油安全工程管理等方面的研究。

2016-03-09