海洋钻修机模块结构完整性评估技术研究与实践

叶 剑

(中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300352)

海洋钻修机模块是海上油气生产的关键装备之一。为有效提升装备管理效率，降低安全风险，海上油田近年来持续推广完整性管理体系，海洋钻修机模块是其中重要的管理和研究对象。按功能划分，海洋钻修机模块主要由实现钻机提升和旋转的机械设备和用于固定、支撑、承载的结构件组成，另外还包括钻井液储存罐、管汇和用于测井、录井的电仪设备等。为集中资源，对主要风险进行管控，海洋钻修机模块的完整性管理以结构完整性为核心。本文以评估环节为重点，以渤海某在役设备为例研究了结构完整性技术在海洋钻修机模块上的实施步骤。

1 结构完整性管理概述

结构完整性管理(SIM)，是确保海上设施全生命周期安全性和适用性的工作程序。根据ISO 55002—2014和API RP 2SIM—2014要求，其实施过程由数据收集、结构评估、策略制定和规划实施4个环节形成一个闭环系统。

1.1 结构完整性管理框架

ISO和API只给出了结构完整性管理的指导思想和总体内容，具体实施流程需要根据特定的管理对象进行研究确定。在工程实践中，把基于风险的检验(RBI)方法论应用到设施结构中，以风险作为核心指标，采用最优化方法，制定检测与维修策略，最后通过执行策略有效管控风险。根据海洋钻修机模块的运行环境，制定结构完整性管理框架如图1所示。

1.2 数据

SIM是一个连续迭代的管理系统，4环节构成“计划—执行—检查—行动”(PDCA)循环，因此，数据记录包括设备服役的全生命周期[1]，而且在役设备的完整性数据比新建设备多。海洋钻修机模块完整性管理过程必要的数据包括设计数据、建造数据、环境数据和表征服役过程的运行数据，海洋钻修机模块完整性数据收集表见表1。

图1 海洋钻修机模块结构完整性管理框架

表1 海洋钻修机模块完整性数据收集表

1.3 评估

评估是SIM过程的核心环节，既是对数据的综合分析，又是后续策略与规划制定的依据，在整个管理程序中起承上启下的作用。评估采用基于风险的策略，对于历史风险较低的情况一般采用定性评价，包括关键部位检测结果的趋势分析，或基于专家经验、行业惯例的逻辑判断，或参考相似平台、同类设备的对比分析。对于服役时间较长、出现过严重损伤、功能衰退或现役状态变更的设备，须进行更加细致的结构分析，一般包括设备模块/支持模块的静强度评估、地震强度评估、井架结构的稳定性评估、钻修机模块整体的耐久性评估和剩余寿命评估，并最终进行风险评估。得出评估结论后，基于状态和风险制定策略。

1.4 策略与规划

策略与规划联系紧密，是保证结构始终维持在可接受风险水平内采取的措施。策略制定包括结构检查策略和风险缓解选项。检查策略提供了海洋钻修机模块结构检测的框架，旨在确定检测的周期、使用的技术方法以及是否部署实时检测等。根据不同的风险等级、风险原因，需要确定不同的风险缓解选项，包括加强检查、复位、加固、更新，直到修改设计等。

规划描述详细工作范围的执行步骤，以完成SIM策略中所列的各项任务。检查规划(包括时间间隔、检查范围、检查方法等)每年都要进行审查，必要时进行修改，以反映出现风险的趋势。维修规划应对高风险构件制定详细的维修与加固方案，包括实施步骤与维修工艺等。

2 海洋钻修机模块结构评估实例

评估是完整性管理的核心环节。以渤海油田的一台典型海洋钻修机模块为例，介绍评估环节的实施步骤。评估对象由设备模块(DES)和支持模块(DSM)组成，其中DSM分为南北2个子模块。DES位于DSM西侧，整个模块分为下移动底座、上移动底座和井架3大部分。钻修机模块设计寿命25年，累计运行20年。

2.1 数据收集

根据评估要求和平台管理现状，收集评估对象的数据包括原始设计图纸和历次改造图纸，结构设计报告，结构重量控制说明，所在海域风载历史资料，地震、风暴等自然灾害记录，设备作业记录和检测维修记录。

2.2 检查

评估前开展检查，是对历史策略的执行也是对状态数据的补充。针对评估对象，进行外观检查和主结构预选焊缝的无损检测。结果显示结构无变形，局部存在腐蚀，未发现焊缝裂纹。

2.3 评估方案

根据历史数据的初步筛选和当次检查结果，确定某海洋钻修机模块结构评估总体方案如图2所示。由于该设备服役时间较长，格外关注耐久性和剩余寿命评估。

图2 某海洋钻修机模块结构评估总体方案

2.4 载荷分析

海洋钻修机模块除受到工作载荷外，还承受环境载荷、结构自身重量、设备载荷、甲板活载荷等。其中工作载荷主要指大钩载荷、立根载荷、泥浆载荷等钻井工作载荷；环境载荷主要包括风载荷和地震载荷。根据结构设计图、设计书、重量控制报告及海事数据，能够参考文献[2]对结构所有载荷逐一计算。需要注意的是，考虑渤海海域的实际海况以及钻修机模块结构对环境载荷的敏感程度，对平面几何特点为左右对称的规则矩形结构，环境载荷在0～180°范围内至少取5个方向，包括几何形状最弱轴的垂直方向；其他几何形状的结构，环境载荷应在0～360°范围内至少取8个方向，包括几何形状最弱轴的垂直方向。

2.5 结构静强度评估

1)DES和DSM静强度评估。对DES和DSM进行评估时需考虑不同工况下具有不同的载荷组合方式[2]。考虑4种典型井口位置，可得到28种基本工况和16种作业组合工况。评估过程采用有限元方法，通过ANSYS建立结构的有限元模型，并依据检测数据，对模型进行修正，然后进行静强度和地震强度计算，最后根据计算结果，确定危险区域，为后期的检测与维修提供建议[3]。

2)井架静强度评估。井架的静强度评估同样采用有限元方法，建立有限元模型后基于检测结果进行修正，然后进行静强度、振动特性及稳定性计算，以全面反映井架当前的承载能力。需要指出的是，风载在井架评估中占据重要作用。

本评估对象为K型井架，左右对称结构，故以井架前门方向为正，取0°、45°、90°、135°和180°共5种风载作用方向。考虑井架自重和天车等设备自重造成的恒载以及最大钩载保持不变，根据3种典型工况，可得到15种评估工况。根据文献[3]给出的计算方法能够评估井架的静强度，但由于井架高度范围大，需要考虑风压高度变化系数对结构的影响。为简化计算，将井架高度方向划分为4段，风载大小可根据文献[4]给出的方法进行计算。

井架稳定性计算的基础是弹性稳定理论。有限元法简单易行，且求解精度高，成为主流评估方法，可参考文献[5]开展。

2.6 耐久性评估

结构耐久性评估主要是对其材料性能、服役状态及内在损伤的综合性评估。为得到综合性的评估结论，需要根据业主的风险可接受程度设定耐久性级别，针对海洋钻修机模块，建议耐久性级别划分为5个等级，如表2所示。

表2 耐久性评定等级

结构耐久性评估方法主要有传统经验法、失效理论评估法、层次分析法、专家系统法[6]。目前，对于多层次、多目标且不易量化的复杂系统多采用层次分析法，能够利用少量的定量输入使决策的过程数学化[7]。结合评估对象实施步骤如下。

建立层次评估模型。对于在役的海洋钻修机模块，结构耐久性的影响因素集可表示为B={腐蚀损伤B1，疲劳损伤B2，机械损伤B3}，进一步分解后可得到各因素的指标集。结合工程经验，3个耐久性影响因素各包括5个影响指标，最终构建因素层和指标层2层分析模型如图3所示。通过该模型，使整体耐久性评估问题归结为最低层相对重要权值的确定问题。

图3 海洋钻修机模块结构层次分析模型

确定了结构层次模型，即可根据层次分析法，计算整体的耐久性分值，公式如下：

S=α1B1+α2B2+α3B3,

(1)

(2)

式中：a1、a2、a3分别为3个影响因素的权重值，建议A={a1，a2，a3}={0.45,0.40,0.15}；B1、B2、B3分别为3个影响因素的分值；m为各因素的指标数量，本文取m=5；Cij为各影响指标的耐久性评分值；wij为Cij的权重值，可通过判别矩阵求解最大特征值对应的特征向量，并进行归一化处理得到，具体计算方法可参考文献[8]。

结合工程实践中腐蚀、疲劳和机械损伤的统计特性，对各影响指标耐久性分值划分5个等级，如表3～表5所示，除腐蚀损伤指标可进行定量划分外，其他指标的取值一般采纳行业经验。对应wij根据文献[8]计算并进行一致性检验后分别为{0.32,0.10,0.29,0.18,0.11}，{0.11,0.10,0.32,0.26,0.21}，{0.24,0.14,0.35,0.16,0.11}。计算整体耐久性分值S=8.71，符合耐久性等级Ⅱ级。

表3 腐蚀损伤(B1)影响指标耐久性评定分值表分

指标极微轻微中等较重严重腐蚀率C11108640腐蚀外观C12108642腐蚀速率C13108640腐蚀分布C14108641涂层受蚀率C15108642

表4 疲劳损伤(B2)影响指标耐久性评定分值表分

指标很好较好中等较差很差断裂韧性C21108642残余应力C22108640原始缺陷C23108642应力集中C24108642环境载荷C25108640

表5 机械损伤(B3)影响指标耐久性评定分值表分

指标很好较好中等较差很差弯曲变形C31108642构件凹陷C32108642连接失效C33108640支座沉降C34108642构件穿孔C35108642

2.7 剩余寿命评估

钻修机模块结构的剩余寿命以疲劳寿命为主，且承载动力载荷的主体是井架。因此，在工程上井架的疲劳寿命可以代表海洋钻修机模块的整体寿命。大量工程实践证明，焊接缺陷是形成疲劳裂缝和疲劳破坏的根源。井架绝大多数是焊接结构，建议采用许用应力幅值法进行分析[9]。本方法相对成熟，文献[10]给出了完整的计算过程。需要注意的是井架承受载荷是不稳定的，其疲劳是变幅疲劳，需要根据积累损伤原理，将变幅疲劳折合成等效常幅疲劳进行计算。评估对象计算结果为疲劳寿命33年，拥有较大余量。

2.8 风险评估

设备风险级别以风险矩阵的方式表示，包括风险后果严重程度和风险发生概率2个维度。评估时，失效后果等级主要考虑生命安全、环境污染、经济损失、公众干扰4个方面。鉴于工作环境，海洋钻修机模块结构失效与生命安全是强相关，基于此，强制定义钻修机模块结构失效后果等级为高等级。失效可能性就成为影响最终风险等级的唯一变量因素。为综合地衡量失效可能性，可通过结构安全度(基于静强度评估结果)、稳定性(基于稳定性评估结果)、耐久性(基于耐久性评估结果)和剩余寿命(基于疲劳寿命评估结果)4项指标制定相应的失效分值和对应权重后求和得到。根据经验，建议的失效可能性准则如表6～表9所示。计算后评估对象失效可能性为130，根据业主确定的等级划分，失效可能性较小，需制定小修及定期检查的风险控制策略。

表6 结构安全度失效准则

表7 井架稳定性失效准则

表8 结构耐久性失效准则

表9 结构寿命失效准则

3 结束语

完整性评估是完整性管理的核心环节。针对海洋钻修机模块的完整性评估，根据实际运行情况，可进行定性或定量评估。定量的结构分析至少应该包括各模块的静强度评估、井架的稳定性评估、结构耐久性评估和井架的疲劳剩余寿命评估，并将评估结果结合安全度准则进行风险评估，给出最终的综合性评估结论。