海上固定油氣開采設施結構完整性管理分析

李紅濤

(中國船級社海工審圖中心，天津 300457)

海上油氣開采固定設施長期工作在惡劣、復雜的海洋環境中，受到波浪、腐蝕、沖刷、疲勞及其它不利因素的影響，其結構承載能力將逐步降低，往往會造成人員安全、環境污染的隱患，因此如何正確評估海上固定設施的結構安全狀況，最大程度地減小發生次生災害的可能性，這一直是海洋工程業界不斷探索的課題［1-3］。

我國海上油氣開采起步較晚，目前相關的法律、法規，包括業界的規范、標準正在逐步完善。主要以海上油氣發展技術較為成熟的墨西哥灣為例，對美國海洋工程業界的相關標準、規范進行研究，從中得到可供國內海洋工程參考的有益結論。

1 美國海上固定設施的結構安全管理要求

美國墨西哥灣的海上油氣開發起步較早，到目前為止，墨西哥灣總共大約有4 000座固定平臺。美國海洋油氣開發的安全監管職能由美國礦業管理局MMS(U.S.Minerals Management Service)行使。MMS于2003年8月15日發布NTL No.2003-G16“Assessment of Existing OCS Platforms”［4］，要求在墨西哥灣服役時間超過5年的固定平臺應按照 API RP 2A-WSD(第21版)第17章的要求進行評估，并給出了為期3年的“四步走”的時間表，其中涉及評估的平臺達到3 500多座。

美國礦業管理局頒布的聯邦法案NTL-2003-G16，通過安全評估準確了解平臺結構的現狀和安全水平，對保證海洋石油平臺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章對海上固定設施的評估要求

目前，海洋工程業界對于海上固定平臺的設計一般依據API RP 2A-WSD［5-6］，其第21版第17章明確規定了對于現存固定設施的評估方法和流程。

推薦做法中規定，當固定平臺發生以下情況時，應對平臺結構進行評估:① 人員的增加;② 設備的增加;③結構荷載的增大;④甲板的高程不足;⑤檢測中發現損傷。

評估前應取得足夠的資料，包括平臺的設計圖紙、歷次改造圖紙、按要求規定進行的測厚、現場檢測以及實際現場土壤資料。這些數據、資料應能真實反映目標平臺的實際結構狀況。

海上固定平臺的評估過程主要包括目標平臺的選擇、平臺的分級、條件評估、設計基礎校核、分析檢查以及緩解措施的考慮。評估流程如圖1所示。

圖1 海上固定設施評估流程Fig.1 Fixed offshore structures assessment process

從評估流程中可以看出，評估的方法可采用兩種方法，即設計水平分析和極限強度分析。設計水平分析類似于新的平臺設計，分析時應考慮所有的安全系數，并且推薦做法中明確規定了應使用墨西哥灣和美國其它海域的海況標準。極限強度分析主要是判斷平臺是否具有足夠的強度和穩定性，能夠承受“極限強度荷載”而不“倒塌”。相對于設計水平分析，極限強度分析較為復雜，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，其衡量標準應采用儲備強度比(RSR)判定，即平臺的極限側向承載能力與平臺所受實際側向載荷之比。推薦做法中明確規定了墨西哥灣和美國其它海域進行極限強度分析應使用的環境條件及RSR值。

不滿足評估要求的平臺需要采取緩解措施，一般可采用減少載荷、增加承載力及降低暴露等級等措施，使其結構強度滿足要求。

3 API RP 2SIM對海上固定設施結構完整性管理的要求

為了讓業界更好的理解和實施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日組織了在役平臺評估的討論會。通過討論，美國業界越來越認識到結構評估不是孤立的，而是結構完整性管理的一個環節，與平臺的檢驗、修理、改造、維護等密不可分，此次會議上提出了研發一套專門針對在役平臺的結構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將僅針對新建平臺。

API RP 2SIM中對結構完整性管理概念定義為保證海上設施從安裝到退役全生命周期過程的適用性評價系統［7］。此過程可用于平臺降級、損傷、載荷變化、偶然過載、用途發生變化、延壽及平臺設計實踐，并為平臺的結構損傷評價、適用性評估、檢驗計劃、維護和修理等提供一個合理的框架程序。結構完整性管理的核心程序如圖2所示。

API RP 2SIM結構完整性管理核心思想包括4個基本要素，即數據、評價、計劃和執行。

圖2 海上固定設施結構完整性管理框架程序Fig.2 Structural integrity management process

3.1 數據

SIM系統中最新的、準確的數據是保證結構完整性管理的基礎，可分為特征數據和狀態數據。特征數據主要包括平臺完工初始狀態時的信息，完工圖紙和文件資料、建造數據以及海上安裝數據等;狀態數據主要包括反映平臺在其壽命周期內特征數據變化的信息，如平臺歷次改造數據、檢驗數據、損傷評估數據、腐蝕數據、平臺評估資料、加強/改造/修理數據以及狀態檢測數據等。這些數據應能全面、真實地反映平臺的實際結構狀況。

3.2 評價

評價是一個評估最新得到的平臺數據對平臺結構完整性管理影響的過程，包括在必要時進行的平臺結構評估以表明平臺結構的適用性，同時為調整平臺的檢驗、監測及維修等計劃提供輸入。

API RP 2SIM中規定，SIM中規定，出現以下情況應進行計算評估:①人命安全等級提高或失效后果等級提高;②載荷增加超過10%;③甲板高程不足;④結構明顯損傷超過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種評估方法，分別為簡單分析方法、設計水平分析方法、極限強度分析方法及其它方法。簡單分析方法是利用以前的評估結果或類似平臺的評估結論，根據目前平臺狀態，推斷目前平臺結構狀況水平;設計水平分析方法是根據API 2A-WSD設計方法進行評估，API 2A-WSD，19th版本前設計的平臺，評估時環境條件可進行折減;API 2A-WSD，20th版本及以后設計的平臺，評估時環境條件應按原設計條件。推薦做法中第9、10節詳細規定了墨西哥灣及美國其它海域評估時應使用的海況環境條件;當設計水平分析不能通過時，往往需進行極限強度分析，主要利用非線性大變形的分析方法確定平臺所能承受的最大載荷，此種情況下，局部構件可以損壞，但平臺不會坍塌。極限強度分析可采用等效線性分析方法或非線性分析方法，其使用的環境條件數據及儲備強度比RSR要求可詳見API RP 2SIM中第9、10節。

API RP 2SIM中推薦的評價流程如圖3所示。

圖3 API RP 2SIM結構評估流程Fig.3 API RP 2SIM structural assessment process

3.3 檢驗計劃

平臺結構檢驗一般可分為水上檢驗和水下檢驗。檢驗計劃應根據評估結論制定，是平臺檢驗的總體性和策略性的安排，包括檢驗的周期和范圍安排，一般幾年為一個周期，并在平臺的生命周期內根據平臺狀況的變化做出適當的調整。檢驗計劃可以基于:

1)基于失效后果的檢驗計劃: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，忽略了不同平臺框架構造對結構損傷的抵抗能力的差異;

2)基于風險的檢驗計劃:借助于結構評估，找出導致平臺整體坍塌的關鍵構件，對其進行重點的檢驗和關注。

根據檢驗的范圍、周期和位置，現場檢測可劃分為I，II，III，IV四個水平的檢驗。四個水平的檢驗要求和規定可參見API RP 2SIM中第6節。

3.4 檢驗實施

根據檢驗計劃的要求，完成相應的現場檢驗工作，并完成對平臺結構的加強、維護和修理，最終的數據應反饋到SIM的數據系統，從而維持平臺數據的最新狀態，實現結構完整性管理的一個循環。通過定期的此種評估循環，可實現對海上固定設施全生命周期的結構完整性管理。

此外，API RP 2SIM對結構損傷的評估、平臺改變用途的使用、緩解失效后果及降低風險的措施以及平臺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首次引入了結構完整性管理概念，通過數據、評價、檢驗計劃及檢驗實施四要素為循環的管理模式，實現平臺的結構損傷評價、適用性評估、檢驗計劃、維護和修理等要求，為平臺的安全運營和科學管理提供了全生命周期的技術保證。

4 國內海上固定設施的結構安全管理現狀

自從20世紀60年代我國開始應用海上固定平臺開發海洋石油以來，在我國近海海域已有固定平臺幾百座之多，但目前只是在平臺改造、損傷、到達設計壽命或業主特別需要時才進行結構評估，還沒有形成完善的結構完整性管理體系，主要表現在三個方面:一是目前業主尚未充分理解和認識到結構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的基礎數據管理體系或數據庫;三是還沒有建立起適合中國海域的、業界普遍接受的評估判定標準，主管機關也沒有此方面明確的管理規定，使作業者獲得有效約束，從而承擔明確可控的社會責任風險。

另外，國內早期建造的海洋石油平臺陸續達到和超過設計使用年限，例如渤海灣的埕北油田平臺已超期服役6年，南海海域的潿洲10-3已超期服役3年［2］，針對當前我國越來越多的老齡石油平臺進入超期服役階段，且對于海洋老齡石油平臺管理混亂、無序的現狀，在吸收國外海洋油氣安全監管先進理念的基礎上，結合我國海洋油氣工程開發的特點，提出適合中國實際的海洋石油平臺結構完整性安全監管方法是十分必要和迫切的。

5 結語

針對目前國內海上固定設施的結構安全管理現狀，借鑒美國墨西哥灣較為成熟的油氣開采技術經驗，建議從國內立法、海洋工程業界規范、標準完善以及業主安全管理意識的提升等幾個方面加強國內海上固定設施的結構安全性管理。

1)法律、法規監管體系建立及完善

國家主管機關可出臺相關法律、法規，明確規定對海上固定設施應進行結構完整性管理，從國家法律、法規層次對海上固定設施的安全管理提出要求。

2)海上固定設施結構適用性評估標準的建立

目前，國內對海上固定設施的評估依據并沒有適用于國內海域的標準或規范，如缺乏國內海域的海況條件標準和適用于國內海域的儲備強度比(RSR)。因此建議主管機關牽頭，聯合國內海洋工程業界盡快開展相關研究，盡快填補這一空白。

在相關標準出臺之前的過渡期，考慮到我國海洋石油固定平臺基本上是借鑒美國墨西哥灣開發經驗設計、建造的，API RP 2A-WSD是被等效接受作為石油天然氣行業標準發布，建議先參考API RP 2A-WSD等規范，依據平臺新建標準對海上固定設施進行結構適用性評估。

3)平臺結構完整性管理的具體實施要求

平臺結構完整性評估、檢驗工作由具備相應資質的機構完成并得到發證檢驗機構的審查批準，或由發證檢驗機構進行。結構適用性評估的結論和發證檢驗機構對平臺是否可以繼續發證和生產的建議應報安監總局備案。

4)海上固定平臺基礎數據庫的建立

完整、準確的數據是海上固定平臺結構完整性管理的基礎。基礎數據的提供是業主/作業者的責任，需要的資料和數據至少應包括:平臺一般信息、設計圖紙資料、加強/改造/修理數據、狀態檢測數據等。業主/作業者應加強海上固定設施基礎數據信息的管理，建立數字化數據信息系統，建議從設計階段開始即采用結構完整性管理方法管理新建平臺數據。

［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.海洋老齡石油平臺安全監管體系探討［J］.船舶工程，2010，32(4):64-67.

［3］ 歐進萍，段忠東.海洋平臺結構安全評定:理論、方法與應用［M］.北京:科學出版社，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.