海上固定油氣開采設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理分析

李紅濤

(中國(guó)船級(jí)社海工審圖中心，天津 300457)

海上油氣開采固定設(shè)施長(zhǎng)期工作在惡劣、復(fù)雜的海洋環(huán)境中，受到波浪、腐蝕、沖刷、疲勞及其它不利因素的影響，其結(jié)構(gòu)承載能力將逐步降低，往往會(huì)造成人員安全、環(huán)境污染的隱患，因此如何正確評(píng)估海上固定設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全狀況，最大程度地減小發(fā)生次生災(zāi)害的可能性，這一直是海洋工程業(yè)界不斷探索的課題［1-3］。

我國(guó)海上油氣開采起步較晚，目前相關(guān)的法律、法規(guī)，包括業(yè)界的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)正在逐步完善。主要以海上油氣發(fā)展技術(shù)較為成熟的墨西哥灣為例，對(duì)美國(guó)海洋工程業(yè)界的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行研究，從中得到可供國(guó)內(nèi)海洋工程參考的有益結(jié)論。

1 美國(guó)海上固定設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全管理要求

美國(guó)墨西哥灣的海上油氣開發(fā)起步較早，到目前為止，墨西哥灣總共大約有4 000座固定平臺(tái)。美國(guó)海洋油氣開發(fā)的安全監(jiān)管職能由美國(guó)礦業(yè)管理局MMS(U.S.Minerals Management Service)行使。MMS于2003年8月15日發(fā)布NTL No.2003-G16“Assessment of Existing OCS Platforms”［4］，要求在墨西哥灣服役時(shí)間超過5年的固定平臺(tái)應(yīng)按照 API RP 2A-WSD(第21版)第17章的要求進(jìn)行評(píng)估，并給出了為期3年的“四步走”的時(shí)間表，其中涉及評(píng)估的平臺(tái)達(dá)到3 500多座。

美國(guó)礦業(yè)管理局頒布的聯(lián)邦法案NTL-2003-G16，通過安全評(píng)估準(zhǔn)確了解平臺(tái)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和安全水平，對(duì)保證海洋石油平臺(tái)超期服役的安全起到了較好的效果。

2 API RP 2A-WSD(第21版)第17章對(duì)海上固定設(shè)施的評(píng)估要求

目前，海洋工程業(yè)界對(duì)于海上固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)一般依據(jù)API RP 2A-WSD［5-6］，其第21版第17章明確規(guī)定了對(duì)于現(xiàn)存固定設(shè)施的評(píng)估方法和流程。

推薦做法中規(guī)定，當(dāng)固定平臺(tái)發(fā)生以下情況時(shí)，應(yīng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估:① 人員的增加;② 設(shè)備的增加;③結(jié)構(gòu)荷載的增大;④甲板的高程不足;⑤檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)損傷。

評(píng)估前應(yīng)取得足夠的資料，包括平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖紙、歷次改造圖紙、按要求規(guī)定進(jìn)行的測(cè)厚、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)土壤資料。這些數(shù)據(jù)、資料應(yīng)能真實(shí)反映目標(biāo)平臺(tái)的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況。

海上固定平臺(tái)的評(píng)估過程主要包括目標(biāo)平臺(tái)的選擇、平臺(tái)的分級(jí)、條件評(píng)估、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)校核、分析檢查以及緩解措施的考慮。評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 海上固定設(shè)施評(píng)估流程Fig.1 Fixed offshore structures assessment process

從評(píng)估流程中可以看出，評(píng)估的方法可采用兩種方法，即設(shè)計(jì)水平分析和極限強(qiáng)度分析。設(shè)計(jì)水平分析類似于新的平臺(tái)設(shè)計(jì)，分析時(shí)應(yīng)考慮所有的安全系數(shù)，并且推薦做法中明確規(guī)定了應(yīng)使用墨西哥灣和美國(guó)其它海域的海況標(biāo)準(zhǔn)。極限強(qiáng)度分析主要是判斷平臺(tái)是否具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受“極限強(qiáng)度荷載”而不“倒塌”。相對(duì)于設(shè)計(jì)水平分析，極限強(qiáng)度分析較為復(fù)雜，且保守余量較小，可采用線性整體分析、局部過載分析以及總體非彈性整體分析等分析方法，其衡量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用儲(chǔ)備強(qiáng)度比(RSR)判定，即平臺(tái)的極限側(cè)向承載能力與平臺(tái)所受實(shí)際側(cè)向載荷之比。推薦做法中明確規(guī)定了墨西哥灣和美國(guó)其它海域進(jìn)行極限強(qiáng)度分析應(yīng)使用的環(huán)境條件及RSR值。

不滿足評(píng)估要求的平臺(tái)需要采取緩解措施，一般可采用減少載荷、增加承載力及降低暴露等級(jí)等措施，使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3 API RP 2SIM對(duì)海上固定設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理的要求

為了讓業(yè)界更好的理解和實(shí)施MMS NTL No.2003-G16，特別是API RP第17章的要求，MMS于2003年9月23日至24日組織了在役平臺(tái)評(píng)估的討論會(huì)。通過討論，美國(guó)業(yè)界越來越認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)評(píng)估不是孤立的，而是結(jié)構(gòu)完整性管理的一個(gè)環(huán)節(jié)，與平臺(tái)的檢驗(yàn)、修理、改造、維護(hù)等密不可分，此次會(huì)議上提出了研發(fā)一套專門針對(duì)在役平臺(tái)的結(jié)構(gòu)完整性管理的推薦做法API RP 2SIM的建議，將API RP 2A-WSD第14章(Surveys)和第17章的要求納入其中，而新的API RP 2A-WSD將僅針對(duì)新建平臺(tái)。

API RP 2SIM中對(duì)結(jié)構(gòu)完整性管理概念定義為保證海上設(shè)施從安裝到退役全生命周期過程的適用性評(píng)價(jià)系統(tǒng)［7］。此過程可用于平臺(tái)降級(jí)、損傷、載荷變化、偶然過載、用途發(fā)生變化、延壽及平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)踐，并為平臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)、適用性評(píng)估、檢驗(yàn)計(jì)劃、維護(hù)和修理等提供一個(gè)合理的框架程序。結(jié)構(gòu)完整性管理的核心程序如圖2所示。

API RP 2SIM結(jié)構(gòu)完整性管理核心思想包括4個(gè)基本要素，即數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)、計(jì)劃和執(zhí)行。

圖2 海上固定設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理框架程序Fig.2 Structural integrity management process

3.1 數(shù)據(jù)

SIM系統(tǒng)中最新的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是保證結(jié)構(gòu)完整性管理的基礎(chǔ)，可分為特征數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。特征數(shù)據(jù)主要包括平臺(tái)完工初始狀態(tài)時(shí)的信息，完工圖紙和文件資料、建造數(shù)據(jù)以及海上安裝數(shù)據(jù)等;狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括反映平臺(tái)在其壽命周期內(nèi)特征數(shù)據(jù)變化的信息，如平臺(tái)歷次改造數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、損傷評(píng)估數(shù)據(jù)、腐蝕數(shù)據(jù)、平臺(tái)評(píng)估資料、加強(qiáng)/改造/修理數(shù)據(jù)以及狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)應(yīng)能全面、真實(shí)地反映平臺(tái)的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況。

3.2 評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)是一個(gè)評(píng)估最新得到的平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理影響的過程，包括在必要時(shí)進(jìn)行的平臺(tái)結(jié)構(gòu)評(píng)估以表明平臺(tái)結(jié)構(gòu)的適用性，同時(shí)為調(diào)整平臺(tái)的檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)及維修等計(jì)劃提供輸入。

API RP 2SIM中規(guī)定，SIM中規(guī)定，出現(xiàn)以下情況應(yīng)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估:①人命安全等級(jí)提高或失效后果等級(jí)提高;②載荷增加超過10%;③甲板高程不足;④結(jié)構(gòu)明顯損傷超過10%;⑤損傷和載荷變化造成承載能力下降超過10%。

API RP 2SIM中提到了4種評(píng)估方法，分別為簡(jiǎn)單分析方法、設(shè)計(jì)水平分析方法、極限強(qiáng)度分析方法及其它方法。簡(jiǎn)單分析方法是利用以前的評(píng)估結(jié)果或類似平臺(tái)的評(píng)估結(jié)論，根據(jù)目前平臺(tái)狀態(tài)，推斷目前平臺(tái)結(jié)構(gòu)狀況水平;設(shè)計(jì)水平分析方法是根據(jù)API 2A-WSD設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)估，API 2A-WSD，19th版本前設(shè)計(jì)的平臺(tái)，評(píng)估時(shí)環(huán)境條件可進(jìn)行折減;API 2A-WSD，20th版本及以后設(shè)計(jì)的平臺(tái)，評(píng)估時(shí)環(huán)境條件應(yīng)按原設(shè)計(jì)條件。推薦做法中第9、10節(jié)詳細(xì)規(guī)定了墨西哥灣及美國(guó)其它海域評(píng)估時(shí)應(yīng)使用的海況環(huán)境條件;當(dāng)設(shè)計(jì)水平分析不能通過時(shí)，往往需進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，主要利用非線性大變形的分析方法確定平臺(tái)所能承受的最大載荷，此種情況下，局部構(gòu)件可以損壞，但平臺(tái)不會(huì)坍塌。極限強(qiáng)度分析可采用等效線性分析方法或非線性分析方法，其使用的環(huán)境條件數(shù)據(jù)及儲(chǔ)備強(qiáng)度比RSR要求可詳見API RP 2SIM中第9、10節(jié)。

API RP 2SIM中推薦的評(píng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 API RP 2SIM結(jié)構(gòu)評(píng)估流程Fig.3 API RP 2SIM structural assessment process

3.3 檢驗(yàn)計(jì)劃

平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)一般可分為水上檢驗(yàn)和水下檢驗(yàn)。檢驗(yàn)計(jì)劃應(yīng)根據(jù)評(píng)估結(jié)論制定，是平臺(tái)檢驗(yàn)的總體性和策略性的安排，包括檢驗(yàn)的周期和范圍安排，一般幾年為一個(gè)周期，并在平臺(tái)的生命周期內(nèi)根據(jù)平臺(tái)狀況的變化做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。檢驗(yàn)計(jì)劃可以基于:

1)基于失效后果的檢驗(yàn)計(jì)劃:與API RP 2A-WSD第14章的要求基本一致，這種方法僅僅基于失效后果，忽略了不同平臺(tái)框架構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的抵抗能力的差異;

2)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)計(jì)劃:借助于結(jié)構(gòu)評(píng)估，找出導(dǎo)致平臺(tái)整體坍塌的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)的檢驗(yàn)和關(guān)注。

根據(jù)檢驗(yàn)的范圍、周期和位置，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可劃分為I，II，III，IV四個(gè)水平的檢驗(yàn)。四個(gè)水平的檢驗(yàn)要求和規(guī)定可參見API RP 2SIM中第6節(jié)。

3.4 檢驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)檢驗(yàn)計(jì)劃的要求，完成相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作，并完成對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、維護(hù)和修理，最終的數(shù)據(jù)應(yīng)反饋到SIM的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，從而維持平臺(tái)數(shù)據(jù)的最新狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性管理的一個(gè)循環(huán)。通過定期的此種評(píng)估循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上固定設(shè)施全生命周期的結(jié)構(gòu)完整性管理。

此外，API RP 2SIM對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)估、平臺(tái)改變用途的使用、緩解失效后果及降低風(fēng)險(xiǎn)的措施以及平臺(tái)的拆除等方面給出了較為深入的建議和要求。

綜上所述，API RP 2SIM首次引入了結(jié)構(gòu)完整性管理概念，通過數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)計(jì)劃及檢驗(yàn)實(shí)施四要素為循環(huán)的管理模式，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)、適用性評(píng)估、檢驗(yàn)計(jì)劃、維護(hù)和修理等要求，為平臺(tái)的安全運(yùn)營(yíng)和科學(xué)管理提供了全生命周期的技術(shù)保證。

4 國(guó)內(nèi)海上固定設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全管理現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)60年代我國(guó)開始應(yīng)用海上固定平臺(tái)開發(fā)海洋石油以來，在我國(guó)近海海域已有固定平臺(tái)幾百座之多，但目前只是在平臺(tái)改造、損傷、到達(dá)設(shè)計(jì)壽命或業(yè)主特別需要時(shí)才進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估，還沒有形成完善的結(jié)構(gòu)完整性管理體系，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是目前業(yè)主尚未充分理解和認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)完整性管理的必要性和迫切性;二是還沒有建立起完善的海上固定平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理體系或數(shù)據(jù)庫(kù);三是還沒有建立起適合中國(guó)海域的、業(yè)界普遍接受的評(píng)估判定標(biāo)準(zhǔn)，主管機(jī)關(guān)也沒有此方面明確的管理規(guī)定，使作業(yè)者獲得有效約束，從而承擔(dān)明確可控的社會(huì)責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)。

另外，國(guó)內(nèi)早期建造的海洋石油平臺(tái)陸續(xù)達(dá)到和超過設(shè)計(jì)使用年限，例如渤海灣的埕北油田平臺(tái)已超期服役6年，南海海域的潿洲10-3已超期服役3年［2］，針對(duì)當(dāng)前我國(guó)越來越多的老齡石油平臺(tái)進(jìn)入超期服役階段，且對(duì)于海洋老齡石油平臺(tái)管理混亂、無序的現(xiàn)狀，在吸收國(guó)外海洋油氣安全監(jiān)管先進(jìn)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)海洋油氣工程開發(fā)的特點(diǎn)，提出適合中國(guó)實(shí)際的海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性安全監(jiān)管方法是十分必要和迫切的。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)海上固定設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全管理現(xiàn)狀，借鑒美國(guó)墨西哥灣較為成熟的油氣開采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，建議從國(guó)內(nèi)立法、海洋工程業(yè)界規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)完善以及業(yè)主安全管理意識(shí)的提升等幾個(gè)方面加強(qiáng)國(guó)內(nèi)海上固定設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全性管理。

1)法律、法規(guī)監(jiān)管體系建立及完善

國(guó)家主管機(jī)關(guān)可出臺(tái)相關(guān)法律、法規(guī)，明確規(guī)定對(duì)海上固定設(shè)施應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性管理，從國(guó)家法律、法規(guī)層次對(duì)海上固定設(shè)施的安全管理提出要求。

2)海上固定設(shè)施結(jié)構(gòu)適用性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的建立

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)海上固定設(shè)施的評(píng)估依據(jù)并沒有適用于國(guó)內(nèi)海域的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，如缺乏國(guó)內(nèi)海域的海況條件標(biāo)準(zhǔn)和適用于國(guó)內(nèi)海域的儲(chǔ)備強(qiáng)度比(RSR)。因此建議主管機(jī)關(guān)牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)海洋工程業(yè)界盡快開展相關(guān)研究，盡快填補(bǔ)這一空白。

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前的過渡期，考慮到我國(guó)海洋石油固定平臺(tái)基本上是借鑒美國(guó)墨西哥灣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、建造的，API RP 2A-WSD是被等效接受作為石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，建議先參考API RP 2A-WSD等規(guī)范，依據(jù)平臺(tái)新建標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海上固定設(shè)施進(jìn)行結(jié)構(gòu)適用性評(píng)估。

3)平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理的具體實(shí)施要求

平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估、檢驗(yàn)工作由具備相應(yīng)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)完成并得到發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的審查批準(zhǔn)，或由發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)適用性評(píng)估的結(jié)論和發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)平臺(tái)是否可以繼續(xù)發(fā)證和生產(chǎn)的建議應(yīng)報(bào)安監(jiān)總局備案。

4)海上固定平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是海上固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理的基礎(chǔ)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的提供是業(yè)主/作業(yè)者的責(zé)任，需要的資料和數(shù)據(jù)至少應(yīng)包括:平臺(tái)一般信息、設(shè)計(jì)圖紙資料、加強(qiáng)/改造/修理數(shù)據(jù)、狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)等。業(yè)主/作業(yè)者應(yīng)加強(qiáng)海上固定設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的管理，建立數(shù)字化數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，建議從設(shè)計(jì)階段開始即采用結(jié)構(gòu)完整性管理方法管理新建平臺(tái)數(shù)據(jù)。

［1］ Kallaby J，Lee G，Crawford C，et al.Structural assessment of existing platforms［C］∥Offshore Technology Conference.1994:OTC7483.

［2］ 胡 軍，唐友剛，石 烜.海洋老齡石油平臺(tái)安全監(jiān)管體系探討［J］.船舶工程，2010，32(4):64-67.

［3］ 歐進(jìn)萍，段忠東.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定:理論、方法與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［4］ NTL-2003-G16，Assessment of Existing OCS Platforms［S］.U.S.Minerals Management Service，2003.

［5］ API RP 2A，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-WSD［S］.American Petroleum Institute，2007:115-137.

［6］ Digre K A，Krieger W F，Wisch D，et al.Assessment of existing platforms［C］∥Proceeding of Boss'94 Conference.1994.

［7］ API RP 2SIM，Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures［S］.American Petroleum Institute，2011.