數字化技術在海洋石油平臺結構完整性管理中的應用

王 寧，王毅堅

(1．中海油能源發展股份有限公司 油田建設工程分公司 天津300452;2．吉林化工學院 機電工程學院 吉林 吉林132022)

海洋石油平臺工作環境惡劣，結構承受腐蝕、疲勞、偶然事故等損傷，抗力逐年衰減．為確保平臺作業人員生命安全、正常生產乃至保護海洋環境，必須及時掌握平臺結構狀況，發現安全隱患，科學決策，避免由此引起的災難和損失［1］．

近年來，數字化技術不斷成熟，形成了以工程數據庫為核心的數據管理、評估、檢驗、緩解風險策略、三維設計為一體的管理體系．通過引入數字化技術，能夠實現海洋石油平臺全生命周期的數據管理，推進前期研究階段的持續改進、實現工程建設階段的數字化交付、優化生產運維階段的變更管理和檢驗計劃制定，同時提供平臺棄置所需的完整性數據支持［2］．

現有成果的優點在于:1)實現了電子文檔、結構化數據和三維模型的關聯，極大的提高了調用數據的效率;2)實現了數字虛擬仿真推演，從而推動方案設計的持續優化;3)制定了數據質量控制標準，并通過版本跟蹤和歷史追溯確保數據來源唯一，減少重復錄入工作量;現有成果缺點在于:1)三維模型對帶寬的要求較高，占用海上平臺較多的帶寬資源，使訪問速度受限;2)平臺結構化數據的范圍有待進一步優化，使其更適用于海上生產作業［3］．

通過數字化技術的應用，能夠推動前期研究的優化設計，實現工程建設階段向生產運維階段的數字化移交，輔助制定基于風險的檢驗計劃和優化緩解風險的措施，確保平臺處于可靠和安全的服役狀態．

1 工程建設階段的數字化技術應用

1．1 總體目標

工程建設階段數字化技術應用的總體目標為實現對前期研究和生產運維階段承上啟下的過渡作用，一方面促進前期研究階段的持續改進，另一方面實現對生產運維階段的數據化移交．

(1)面向前期研究階段，通過數字化技術，針對設計規范、設計文件、設備廠家資料、運輸和安裝等數據進行管理，將工程建設階段產生的數據與前期研究階段數據進行對比，分析變更發生的原因及合理性，持續的推動前期研究階段的設計工作進行改進．

(2)面向生產運維階段，通過數字化技術，對工程建設階段產生的數據整理和分類，將生產運維所需的參數進行結構化處理，打通數據通道，完成數字化移交，使作業者能夠方便快捷的查詢到生產作業所需的數據．

1．2 數據庫架構設計

數據庫構架設計分為采集層、處理層和應用層．

(1)采集層．根據工程設施信息規范及編碼規則對海洋石油平臺建設期和運營期的數據進行采集，并存儲至數據庫中．

(2)處理層．通過信息集成平臺對項目運行期間的設計文件(包括版本跟蹤)、收發文情況、郵件及任務督辦進行管理，同樣存儲至數據庫中，以便追溯．

(3)應用層．通過數據應用門戶進行展示，用戶可以方便的查詢、使用數據庫中存儲的各類文件和信息，并配備專業的團隊對用戶提出的問題進行回復．

1．3 數字化移交功能

數字化移交功能旨在提交完整、準確、一致的數據信息，移交內容涵蓋工程設計、建造、海上安裝和基線檢測，為生產運維工作的開展提供數據支撐．

數字化移交的主要工作包括:(1)準備階段制定數據采集模板、編碼規范和移交清單，完成數據庫初始化，并編寫對承包商、服務商的規范要求;(2)實施階段平臺結構數據進行采集、錄入、質量控制和裝載導入數據庫;(3)完工階段進行平臺基線檢測、完成數據交付審查和最終成果移交．

工程數據數字化移交完善和規范了資料的移交范圍，提高了數據的質量，提供了項目運行期間的存儲平臺，為建設期向運營期的過渡打下了良好的基礎．此外，數字化系統通過啟動版本跟蹤、線上審核能夠實現無紙化辦公和提升工作效率．

2 生產運維階段的數字化技術應用

2．1 總體目標

生產運維階段數字化技術應用的總體目標為實現對平臺結構完整性數據的管理，確保數據和三維模型的更新，實現動態和連續的評估、預警，確保其處于安全的服役狀態．

2．2 完整性數據結構化

完整性數據結構化是指通過數字化技術搭建完整性數據管理模塊，記錄、更新和分析平臺結構的結構化數據，包括平臺信息、平臺分級、構件特征、防腐系統、環境條件和平臺載荷等，真實反映平臺結構的服役狀態，圖1為海洋平臺結構特征參數［4］．

該模塊能夠實現對影響平臺結構狀態的完整性數據進行定義和動態記錄，生成隨時間變化的狀態曲線或報表，取代人工查找檔案，分析結構報告的工作，提高結構設計效率．

借助完整性數據結構化，運營商或管理層能夠實時把握平臺結構的當前性能，進行性能趨勢分析與預測，從而能夠制定合理的策略和規劃，為海洋平臺結構的安全服役提供保障．

圖1 海洋平臺結構特征參數

2．3 結構數據關聯、快捷搜索和定位

通過數字化技術，可實現結構設計文檔、結構三維模型，結構特征參數和預警信息之間的數據關聯和相互定位［5］．

(1)輸入結構構件名稱或者通過搜索條件找到關注的結構構件并點擊，則快速定位至三維模型，同時在搜索欄顯示出該構件相關的結構設計文檔．

(2)在三維模型中點擊關注結構構件，則在搜索結果中顯現該構件的特征參數、關聯結構設計文檔和預警信息．

(3)輸入預警條件，如圖2數字化信息統搜索功能所示，點擊搜索顯示全部符合該條件的構件，并在三維模型中突出顯示，同時關聯結構設計文檔和構件特征參數．

圖2 數字化信息統搜索功能

2．4 數據自動更新

通過數字化技術，結合平臺投產后的變更管理機制，能夠實現平臺結構數據的動態傳遞和更新．將歷次變更中涉及到結構數據變化的部分進行更新，從而保證三維模型、結構特征參數和預警信息能夠真實反映平臺的現狀．并且，數字化技術實現了對平臺結構檢測數據的管理，包括犧牲陽極、ACFM檢測、磁粉檢測、基礎沖刷檢測、厚度檢測和目視．通過不斷積累檢測數據信息，不但能夠生成構件特征參數歷史曲線，并且有利于積累經驗和優化檢測范圍及頻率．

2．5 結構構件自動預警

當平臺發生改造、損傷、載荷變化、抗風暴分析、延壽及應急響應時，通過數字化自動預警技術可實現對其結構快速、連續及動態評估，并為結構損傷評估、適用性評估、檢驗計劃、維護和修理等提供技術支持．

預警條件包括構件名義應力比、節點沖剪、ACFM檢測發現裂紋、陽極腐蝕速率、基礎沖刷和構件測厚，圖3為自動預警功能模塊．

圖3 自動預警功能

3三維設計和可視化功能應用

數字化技術的三維可視化功能以數據庫為核心，依托工程設計三維模型完成，具有精準、直觀、高效的特點，在若干平臺的試點應用中取得了良好的效果．

利用三維設計和可視化功能，為平臺結構提供一個可供全生命周期內使用的數字化平臺，包括工程設計數據、材料數據、合同采辦數據和檢測監測數據等，為后期維修改造提供方便，并為相關服務產業的延伸創造可能性［6］．

3．1 碰撞檢查

三維模型完成總裝之后，可對平臺結構與其他各專業之間是否發生碰撞進行檢查．主要包括:

(1)結構構件與機械設備、管線、電纜、梯道和門窗等的碰撞;

(2)機械設備撬座、管匯及電纜等之間的碰撞;

(3)平臺上的模塊鉆機在不同井位移動時與平臺其他設施(如生活樓、吊機等)的碰撞;

(4)鉆井設備在平臺上擺放位置是否合理;

3．2 三維檢測信息管理

將平臺結構的年檢和特檢報告進行結構化處理，錄入數據庫中，在三維模型中設置焊縫、管節點、桿件、犧牲陽極、海生物等關鍵位置的熱點，對結構化數據進行關聯和更新，可以實現:

(1)檢測報告與結構化數據的相互關聯;

(2)歷史數據查詢、避免重復檢驗和漏檢;

(3)設定預警值，如桿件壁厚減薄、海生物厚度、基礎沖刷等，通過在模型中以突出顏色的顯示實現預警功能;

3．3 工作效率提升

(1)三維模型直觀性強，可有效的指導平臺陸地建造和海上安裝，避免由于對設計圖紙或安裝方位等的誤解;

(2)三維模型對管線連接和工藝流程進行模擬，減少與結構構件的碰撞、開孔，節約調試時間和海上工作量;

(3)通過三維模型對施工進行控制，合理配置各個專業的工作順序，避免沖突和返工;

(4)對維修改造方案進行陸地模擬，減少出海調研工作量．

4 試點應用效果統計

案例一:在LD10-1油田綜合調整開發方案設計中，應用數字化技術對外掛平臺 +旅大4-2WHPB平臺新增污水處理設施方案、外掛平臺+注水海管方案和獨立平臺+海管海纜+生活樓方案進行了結構設計，對比未應用數字化技術的同類項目，效果如下:

(1)減少檔案館資料收集、整理和復印100人工天和出海調研的20人工天;

(2)利用數字化技術將歷次改造圖紙合并，可節約繪圖150人工天;

(3)利用數字化的工程設計模型，可節約有限元分析150人工天;

(4)利用三維模型輔助設計，可研方案設計階段排查碰撞16處，減少管線穿梁27處．

案例二:綏中36-1油田各平臺生活樓定員未考慮鉆完井人員、維修工作人員、修井工作人員的居住需求，造成了平臺服役期間居住空間嚴重不足的問題，為了合法合規的解決海上施工居住問題，采取對油田13個平臺生活設施進行改造．在本項目應用數字化技術的效果如下:

(1)利用數據庫中的電子文檔，減少檔案館資料收集、整理和復印66人工天;

(2)利用三維可視化模型，落實移動式生活設施擺放及接口位置，節約出海調研130人工天;

(3)利用數字化的工程設計模型，可節約有限元分析200人工天．

5 結 論

通過本文對數字化技術在海洋石油平臺結構完整性管理中的應用分析，并在試點應用效果統計上，可得到以下幾點:

(1)在海洋石油平臺結構設計中使用數字化技術，有利于結構化參數和非結構化文檔的存儲和管理，并使其具備可追溯性．通過向海上油氣田設施的推廣使用工程數字化信息系統，能夠更好的促進油田開發的智能化和信息化;

(2)數字化技術三維設計功能，能夠使設計更加精細化．通過三維模型校驗碰撞和干涉，從而避免建造階段的變更，從而縮短建造周期和海上安裝的難度;

(3)根據調研和反饋意見，通過在試點開展的數字化技術應用，有效的減少了出海調研時間，增強了維修改造方案，縮短了項目工期．可見，使用數字化信息系統的成效十分明顯;

(4)數字化信息系統可以實現對平臺結構特征參數、檢測數據、運行期間歷史數據的管理，不斷積累設計、施工、安裝、維護的數據和經驗積累，建立起完整的平臺結構信息數據庫，奠定平臺結構完整性管理的基礎;

(5)將數字化技術、地理信息系統、MAXIMO系統、三維模型設計功能及互聯網等信息技術相結合，搭建出一套適用于海洋石油平臺結構的完整性管理數字化信息平臺，實現對其全生命周期的管理，必將是未來發展的方向．

［1］ 中國船級社．《海上固定平臺入級與建造規范》［M］．北京:人民交通出版社，1992．

［2］ 劉尊良，王宏．基于設計文件的油氣田地面工程數字化［J］．石油規劃設計，2008，19(4):5-18．

［3］ 姚競爭，韓端鋒，肖貴英．集成制造系統下的數據交互技術研究［J］．船舶工程，2011，33(4):60-65．

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

［5］ 張錫洲，吳彥君，趙毅．數字化施工管理系統的研究及應用［J］．石油化工自動化，2010，3:25-28．

［6］ 龐可．三維設計技術應用及前景展望［J］．電力建 設，2003，24(5):4-7．