在役水上軟鋼臂式系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)述

楊光 張建勇 王寧 王浩

摘 要：近年來(lái)軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)事故屢有發(fā)生，因此，有必要對(duì)渤海軟剛臂式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)管控。該文對(duì)我國(guó)渤海海域軟鋼臂式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)價(jià)，并對(duì)其中若干關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的解析，為制定相應(yīng)的RBI檢驗(yàn)策略提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軟鋼臂式系泊系統(tǒng) 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) RBI檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U661.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0242-04

渤海目前共有6條FPSO處于服役狀態(tài)，隨著FPSO服役過(guò)程中不斷改造、服役期不斷延長(zhǎng)或超期，以及服役環(huán)境的日益苛刻，但近年來(lái)軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)事故屢有發(fā)生，該文通過(guò)歷次事故經(jīng)驗(yàn)及對(duì)系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力計(jì)算，對(duì)渤海軟剛臂式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為制定相應(yīng)RBI（Risk Based Inspection）檢驗(yàn)策略提供依據(jù)。基本流程如圖1所示。

1 軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)包括兩個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，即：已發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別與潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別，對(duì)于已發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別，可通過(guò)系泊系統(tǒng)和類似系泊設(shè)施的歷史故障/事故記錄中取得，結(jié)合對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)整體的現(xiàn)狀分析，研究對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施；對(duì)于潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別，主要通過(guò)目前國(guó)內(nèi)外類似單點(diǎn)系泊系統(tǒng)計(jì)算、研究成果、發(fā)表的論文及獨(dú)立的有限元分析計(jì)算結(jié)果獲得。（見圖2）

通過(guò)對(duì)在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造、安裝、維修、檢驗(yàn)、評(píng)估等各類文件及現(xiàn)場(chǎng)反饋，可初步得出在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果。軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備設(shè)施的一般風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及失效形式如表1所示：

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)已識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行“后果和發(fā)生可能性”分析，風(fēng)險(xiǎn)分析是理解風(fēng)險(xiǎn)特性和確定風(fēng)險(xiǎn)大小的過(guò)程。FPSO的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)油輪及海上石油固定平臺(tái)等其他海上設(shè)施。因此，要充分考慮各個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素。以海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)為例，該系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間較早，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，以及后續(xù)的改裝、遷移工程，將不可避免地增大與其他單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)程度。

為便于分析該系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素及等級(jí)，將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為不同的層次和級(jí)別[1]，建立起良好的層級(jí)關(guān)系，有助于對(duì)單點(diǎn)系統(tǒng)組成的了解和分析。如，軟鋼臂系泊系統(tǒng)可進(jìn)一步分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電儀系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又可按構(gòu)件進(jìn)一步分為FPSO系泊鋼架、系泊腿、YOKE、轉(zhuǎn)盤、系泊導(dǎo)管架、軟管托架、通道扶梯等。以YOKE為例，YOKE又可進(jìn)一步拆分為壓載艙、橫撐、YOKE臂、鼻筒等子構(gòu)件。

為對(duì)軟鋼臂系泊系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，可根據(jù)上節(jié)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別所列出的各類風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)軟鋼臂系泊系統(tǒng)各子系統(tǒng)分別進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵位置可進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析計(jì)算，進(jìn)一步研究其失效作用機(jī)制，最終按照各子系統(tǒng)失效可能性與失效后果大小，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序。

綜上，結(jié)合海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與有限元分析計(jì)算，總結(jié)水上軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分布如表2所示。

2 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)解析

通過(guò)上述軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，可得海洋石油102軟鋼臂系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)匯總?cè)缦隆?/p>

（1）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：背向工況（引起YOKE-FPSO碰撞）/極端天氣。

（2）結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)：FPSO系泊鋼架、系泊腿結(jié)構(gòu)、YOKE、系泊導(dǎo)管架、軟管托架等。

（3）系泊腿相關(guān)問(wèn)題（疲勞、腐蝕、過(guò)度搖擺、沉降、潤(rùn)滑磨損等）。

2.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1背向工況風(fēng)險(xiǎn)

環(huán)境條件對(duì)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響非常大，我國(guó)渤海海域軟鋼臂系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍考慮的工況有：生存工況、正常操作工況、外輸工況、抗海冰工況、連接與解脫工況等[2]。但通過(guò)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段軟鋼臂系泊系統(tǒng)事故調(diào)查了解，海洋石油102 FPSO 2011年出現(xiàn)由于風(fēng)浪流作用致使FPSO擠壓YOKE導(dǎo)致YOKE壓潰事故，海洋石油112出現(xiàn)背向工況下棧橋沖出破壞甲板結(jié)構(gòu)情況。除上述案例外，當(dāng)系泊系統(tǒng)受天氣突變、涌浪等自然環(huán)境影響，F(xiàn)PSO姿態(tài)若未能及時(shí)調(diào)整產(chǎn)生的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)延遲現(xiàn)象極有可能對(duì)系泊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，應(yīng)對(duì)考慮風(fēng)浪流自FPSO船尾方向作用而使FPSO擠壓系泊導(dǎo)管架的工況（背向工況）進(jìn)行分析。（見圖3，圖4）

以海洋石油102FPSO為例進(jìn)行系泊水動(dòng)力計(jì)算。由于背向補(bǔ)充工況下，F(xiàn)PSO為不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，因此，時(shí)域模擬為FPSO正背向開始逐步調(diào)整至穩(wěn)定期間的30 min時(shí)間內(nèi)。分析結(jié)果表明：

（1）對(duì)各順向工況下的計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)PSO系泊鋼架、YOKE等主要承受受水平系泊力作用的結(jié)構(gòu)受壓載荷均不同程度大于原始設(shè)計(jì)值。

（2）順向工況下，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)YOKE與FPSO船體結(jié)構(gòu)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)不可忽略，對(duì)該類風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

（3）根據(jù)系泊計(jì)算結(jié)果，海況突變或涌浪狀態(tài)下[3]，F(xiàn)PSO姿態(tài)調(diào)整過(guò)程通常需要15 min左右時(shí)間完成，因此，對(duì)實(shí)時(shí)海況的監(jiān)控可最大限度提高事故預(yù)警時(shí)間并采取響應(yīng)措施

（4）FPSO姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中產(chǎn)生的YOKE與FPSO中軸角過(guò)大、YOKE/系泊腿橫擺幅值過(guò)大等情況極有可能對(duì)系泊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。

2.1.2極端環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

極端環(huán)境是影響軟鋼臂系泊系統(tǒng)正常服役運(yùn)營(yíng)的最為主要的風(fēng)險(xiǎn)，2009年，海洋石油113水下軟鋼臂FPSO遭受颶風(fēng)襲擊致使系泊塔倒塌，軟管與電纜被拉斷，F(xiàn)PSO與水下軟鋼臂漂移15 km里。對(duì)于軟鋼臂系泊系統(tǒng)，遭遇極端環(huán)境下解脫作業(yè)難度極大且解脫時(shí)間較長(zhǎng)（普遍為2～3d），一旦無(wú)法及時(shí)解脫即面臨重大的系泊系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)國(guó)家海洋局提供的渤海氣象資料對(duì)比分析，以海洋石油112軟鋼臂系泊系統(tǒng)為例，發(fā)現(xiàn)，海洋石油112設(shè)計(jì)海況已經(jīng)與目前實(shí)際海況出現(xiàn)較大的偏差，同時(shí)，風(fēng)暴工況出現(xiàn)概率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)預(yù)期，海洋石油112目前實(shí)際一個(gè)服役年中，100年設(shè)計(jì)海況實(shí)際出現(xiàn)總天數(shù)高達(dá)7天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際水平。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于目前多條軟鋼臂系泊系統(tǒng)已面臨延期服役問(wèn)題，原始設(shè)計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)已與目前實(shí)際環(huán)境出現(xiàn)了較大的出入，因此，目前我國(guó)在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)面臨的極端環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)大大增加。

2.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)

軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)主要指FPSO系泊鋼架、系泊腿主體結(jié)構(gòu)、YOKE、系泊導(dǎo)管架/系泊塔、軟管托架等主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、疲勞、腐蝕等結(jié)構(gòu)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。由于目前多處軟鋼臂系泊系統(tǒng)已接近設(shè)計(jì)服役年限，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的腐蝕壁厚減薄、循環(huán)應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋、事故撞擊變形、固定件缺失等各方面因素更是加劇了結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的重要性。

對(duì)于在役軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，應(yīng)使用有限元方法，結(jié)合各結(jié)構(gòu)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

2.3 系泊腿相關(guān)問(wèn)題

根據(jù)系泊腿風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，系泊腿全局風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高，是水上軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)區(qū)域，需對(duì)該部位進(jìn)行特別關(guān)注。系泊腿相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)有以下幾種。

（1）設(shè)計(jì)問(wèn)題：通過(guò)對(duì)海洋石油102、友誼號(hào)FPSO等系泊系統(tǒng)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)原因，普遍存在萬(wàn)向節(jié)滑油加注不良導(dǎo)致的過(guò)度磨損問(wèn)題。

（2）沉降問(wèn)題：海洋石油102、友誼號(hào)FPSO均存在不同程度的沉降問(wèn)題，原因?yàn)閮?nèi)部滾柱軸承壓縮位移造成的過(guò)度磨損。

（3）疲勞問(wèn)題：系泊腿由于軸力循環(huán)作用，結(jié)構(gòu)易受疲勞破壞。

（4）結(jié)構(gòu)腐蝕：由于目前普遍對(duì)系泊腿腐蝕問(wèn)題重視程度不足，調(diào)查發(fā)現(xiàn)系泊腿結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象普遍存在。

（5）大幅度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)：通過(guò)分析現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)FPSO的艏搖運(yùn)動(dòng)是造成系泊腿大幅橫擺的主要原因，F(xiàn)PSO的艏搖角度與系泊腿橫擺角度呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢(shì)，當(dāng)FPSO艏搖角度越大時(shí)，系泊腿橫擺偏離平衡位置的角度就越大，系泊結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性就越大。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是資產(chǎn)完整性管理還是設(shè)施的全生命周期管理，單點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施是保證單點(diǎn)系泊系統(tǒng)正常作業(yè)不可忽視的重要部分。本文僅簡(jiǎn)要闡述軟鋼臂系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程及部分關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，以此作為軟鋼臂系泊系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)計(jì)劃（RBI）的技術(shù)基礎(chǔ)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)認(rèn)知與理解。

參考文獻(xiàn)

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