FPSO失效數據庫系統開發

FPSO失效數據庫系統開發

楊貴強1,孫麗萍2

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452;2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

摘要：考慮到FPSO服役期間受到臺/颶風等惡劣海洋環境、設備失效、人為失誤以及其他因素的影響，不可避免地存在著碰撞、泄漏、火災、爆炸、落物等風險，建立FPSO失效數據庫，從FPSO設備及數據的分類方式、FPSO失效數據的篩選處理與失效概率計算，FPSO失效數據庫結構設計與實現三方面論述建立FPSO失效數據庫系統的思路和方法，認為該系統應用前景廣闊。

關鍵詞：FPSO;風險管理;失效;數據庫

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.020

中圖分類號：U662.9;P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0068-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一楊貴強(1971-)，男，學士，高級工程師

Abstract:During FPSO in-service period, it is influenced by typhoon or hurricanes and other harsh marine environment, equipment failure, human error and other factors, there is inevitably risks of collide, leakage, fire, explosion, falling objects and so on. So it is necessary to establish a FPSO failure database so as to improve risk analysis and management. From aspects of the classification FPSO equipment and data, FPSO failure screening data processing and calculation of the probability of failure, structure design and implementation of FPSO failure database, the idea and method to build up the FPSO failure database system are presented. The system is believed having a wide range of applications.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(E-J215A002)

研究方向:海洋工程

E-mail:yanggq@cnooc.com.cn

浮式生產儲卸油裝置(floating production storage and offloading system,FPSO)服役期間受到臺/颶風等惡劣海洋環境、設備失效、人為失誤以及其他因素的影響，不可避免地存在著碰撞、泄漏、火災、爆炸、落物等風險。根據國際傷害、疾病,以及危險事件報告數據，1996～2002年間發生了316起FPSO危險事件。FPSO的安全問題一直受到了深切關注，也促進了國內研究機構對FPSO風險分析和安全保障的研究，使得結構設計、維護和安全評定提高到一個新的水平。然而由于海洋環境以及FPSO系統結構的復雜性，尚有很多的問題需要進一步的研究，特別是在FPSO風險分析過程中缺乏可靠、有效的失效數據支持，給FPSO風險的定量評估造成了極大的困難，甚至會出現錯誤的評定結果。

建立FPSO失效數據庫的目的一是提高風險分析和管理的技術與能力，確保FPSO的安全運行，二是為FPSO船體及上部模塊進行基于風險的設計時提供技術支持。針對我國FPSO服役海域環境條件、系統設備性能等特點，重點建立FPSO的爆炸、火災、碰撞、落物、系泊失效等主要風險數據及防損措施。在FPSO風險辨識技術分析的基礎上，運用系統工程理論，將FPSO的系統設備進行歸納總結，確定FPSO設備名目定義、分類邊界等，形成FPSO設備的編碼規則。采用服務器的結構模式，分析選擇FPSO失效數據庫系統開發工具及運行的環境配置要求，實現FPSO失效數據庫的開發。

11FPSO設備及數據的分類方式

FPSO結構復雜，特別是系統設備龐大，對于樣本名目的編排、失效數據的收集與分析以及數據庫系統結構的設計造成極大的困難。為了便于FPSO設備的標識和分類，有效地建立失效數據庫，必須建立一個科學的、完整的設備編碼系統，以保證設備編碼準確可靠、規范和標準、利于失效數據的提取和錄入，保證信息流通順暢和數據共享。

針對FPSO的生產工藝系統、惰氣/氮氣系統、蒸汽系統、壓縮空氣系統、海水系統、氦氣系統、動力系統、熱介質系統、貨油系統、壓載系統、掃艙洗艙系統、外輸系統、系泊系統、立管系統、起重系統、安全消防系統以及溢油回收系統等，在對國外已有的相關數據庫開展深入、細致研究的基礎上，借鑒國外成熟的技術和經驗并結合我國海洋工程的特點，確定FPSO設備名目定義、分類邊界等，依據相關國內外行業標準對編碼方法進行評估并形成FPSO設備分類編碼規則，圖1為數據庫框架。

2失效數據篩選及失效概率計算

2.11FPSO失效數據的篩選處理

對FPSO系統而言，失效分內部失效和外部失效。前者包括制造失效和設計失效，故障可能發生在元件級、模塊級、單元級和系統級的任何層次。外部失效包括環境因素、維修故障和操作故障。由于FPSO系統故障層次繁雜，失效存在大量相關性，失效模式受不確定因素影響較多，因此數據的采集與分析是否準確有效尤為重要。

圖1　數據庫框架

FPSO失效數據的獲得方法有采用失效模式影響分析(FMEA)及其衍生分析方法、相關性可靠性評估模型和現場調查。失效模式影響分析及其衍生分析方法是獲取失效數據的一種重要途徑和方法。但僅通過FMEA及其衍生法獲得的失效數據并不能完全反映FPSO在實際作業環境下的失效率，要想獲得高質量的失效數據，需有工業數據庫以及FPSO現場作業數據和經驗等進行組合分析。獲取失效數據的另外一個重要方法是建立良好的現場失效數據獲取系統，以很好的定義和遵循數據采集流程為基礎，對FPSO在現場的失效數據進行有效整理、分析和評估，這也需要結合對FPSO全面管理信息的支持以及FPSO相關人員在生產操作、檢測維護等方面的經驗來綜合分析。相關失效數據的獲得方法具體可分為：

1)靜設備失效數據獲取可采用這三種方法，其中以專項可靠性評估模型及現場數據調查最為廣泛，如FPSO立管、海底管道和油氣容器剩余壽命評估數據來源等。

2)錨鏈、錨機等部件的失效數據則通過大量FMEA分析或者現場數據調查獲得，部分通過專項可靠性評估模型分析得到。

3)由于轉塔、張緊器等動設備不但涉及到轉動部件，還涉及到大量零部件，因而FMEA及其相關分析方法、現場數據調查方法都是此類失效數據獲取的通用方法。

4)儀器儀表屬于大量元件組成的典型設備，因而FMEA及其衍生方法、現場數據調查方法是此類數據獲取的主要方法。

我國FPSO失效和風險管理在數據統計及失效數據庫建立方面，與發達工業國家存在較大差距，特別是一些應用場合復雜、失效數據分散性大的設備(如單點系泊裝置、采油樹)。對于不同的設備，使用條件、管理水平及維護方法不同，所表現出的設備失效也截然不同。在FPSO設備有效分類的基礎上，結合FPSO船體不同的結構(包含船體、轉塔、立管、錨泊等結構)，開展FPSO失效數據的收集與分析工作。對應FPSO系統的元件、模塊、單元、系統各級的故障產生的特點，結合不同數據采集分析的方法來綜合靈活運用，使得FPSO的數據采集分析更加接近事實，以利于后續的失效概率分析和失效數據庫的創建。最終獲得的FPSO失效數據包含以上各類系統設備和結構相關的條目數據、服務時間、失效時間、失效數量、失效/維護等數據。形成數據收集指南，包含對數據收集定義規范、收集計劃及質量控制要求等。

2.2失效概率計算

作為定量風險評價中一項最重要的內容，失效概率的計算主要依據對歷史數據的統計與分析。這就需要建立導致FPSO失效原因的數據庫，在此基礎上建立FPSO失效概率模型，進而得到FPSO各類事故的發生概率。

針對幾種典型風險，分別采用不同的方法進行風險發生概率計算。采用事件樹分析方法和歷史發生頻率統計的方法研究火災(爆炸)發生概率；通過文獻調查的方式在以上分類的基礎上拓展海洋結構的火災分類形式，然后分析每種火災類型形成原理，確定可用于描述每種火災類型特征的參數(如風向、泄露速度、空氣補給、周圍建筑物情況等)，從而為火災建模提供條件。

對于碰撞及落物風險，主要采用數值模擬及歷史發生事件統計數據分析的方法來建立風險發生及損傷概率的計算模型。

由于系泊系統風險是FPSO的主要風險之一，采用兩種技術手段進行FPSO單點系泊系統風險發生概率計算。采用統計的方法對失效數據庫收集的與單點相關的歷史數據進行分析，得出某個風險因素(例如內轉塔系泊系統系纜斷絲、破損)的過去發生頻率，做出相應的頻率分布圖，建立近似數學模型，并以此模型預測現在或將來的發生頻率。

對于失效數據庫中數據不足的風險因素，基于失效數據庫的定量分析變得困難且不可信，此時可考慮利用可靠性分析的方法。例如，結合實際海況條件下內轉塔單點系泊FPSO時域計算分析結果，利用可靠性分析方法求得系泊纜的失效概率，從而得到風險發生概率。

3FPSO失效數據庫結構設計與實現

FPSO失效數據庫需要滿足兩個方面的要求。首先是失效數據的錄入，這部分的功能主要是針對用戶部分，可以讓各級用戶輸入FPSO失效數據，通過交互的功能擴展并不斷的將實際運行數據納入失效數據庫；其次即為本身基礎數據庫的組成，需要實現不同硬件/軟件層面數據的融合。

失效數據庫的性能直接決定著風險評估及風險管理能否及時實施。由于FPSO數據庫需要存儲的數據種類眾多、數據量大、數據插入存儲以及查詢等訪問頻繁，失效數據庫應該滿足數據能夠充分表達、容易理解和方便處理的要求，并體現設備信息、失效數據、維修數據及事故統計數據之間的關系。

FPSO失效數據庫采取用戶層-邏輯層(業務層-持久層)-數據層的架構方式建立。在用戶層，用戶通過瀏覽器遠程登錄系統可操作權限內的相關內容。邏輯層和數據層分別存放在遠程端的應用服務器和數據服務器上。在應用服務器中，使用Apache Tomcat發布邏輯層的內容，供用戶瀏覽和操作。在數據服務器中，使用MySQL數據庫存儲所有數據。使用Java語言編寫業務層以及業務層與數據層的連接(持久層)。應用JSF技術編制瀏覽器客戶端頁面。這種設計可最大限度地減小對客戶端的要求，并能保證服務器端數據的分離和安全。

根據FPSO的特點，數據采用樹狀結構，數據之間為一對一或一對多的關系，關系清楚明了。數據結構圖中每個數據模塊中還包含多個相關的數據或數據選項，數據模塊及數據選項可以根據數據庫使用者的需要確定是否顯示，不需要的數據可以隱藏。在數據庫建設時，將所有數據可能遇到的值(或情況)錄入庫中，并將每個數據最常見的值設置成默認值，這樣在使用的時候，只要點擊選擇所需的選項即可，數據庫在使用過程中的錄入工作量大為減少。

FPSO失效數據庫內容包括FPSO在設計、建造、運輸與安裝、生產運營、退役等全生命周期的相關設備及結構失效數據，充分考慮系統擴展能力及運行環境配置要求，實現了與風險管理和完整性管理的對接，是國內自主進行設計和開發的第一套FPSO失效數據庫系統。該系統除具有與世界上同類數據庫OREDA相類似的功能外，數據涵蓋國內大部分FPSO的設備失效、維護及相關結構的可靠性數據。

4系統推廣應用前景

隨著FPSO市場需求量急劇增加，至2014年底，FPSO全球現役數量近160艘，預計未來5年內新增FPSO數量將超過15艘。FPSO是一個多功能集成、危險源高度集中的特殊載體，在貫穿其整個運行生命系統中一旦發生安全事故將會帶來巨大的經濟損失。中海油已運營FPSO多年，也曾出現過各種形式的失效事故，造成了不同程度的損失。較輕的造成設備故障、損壞，嚴重的造成油田停產，如“海洋石油113”單點曾出現嚴重事故，帶來巨大的經濟損失。目前，我國尚未形成自主知識產權的FPSO失效數據庫系統。FPSO失效數據庫的建立將形成專業、靈活且動態的數據系統，為FPSO在生命周期中的優化設計、安全性和經濟性分析提供必備的科學依據，并為FPSO失效分析的智能化系統的形成奠定基礎，具有可觀的推廣應用前景。該系統可以與國外失效數據庫對接，形成動態的交互智能系統，有效減低FPSO全壽命周期內面臨的各類風險，有效提高FPSO的安全性和經濟性。此外，該系統的開發，將推進我國海洋工程企業國際化的進程，并為我國自主研發的產品進入海外市場提供實力，進而增強我國產品的國際競爭實力。

參考文獻

[1] 孫麗萍,孫海.FPSO關鍵系統風險分析[J].Journal of Marine Science and Application,2012,11:402-409.

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[3] 余建星,張中華.基于風險的檢測(RBI)技術在FPSO上的應用[J].海洋技術,2009,28(2):477-79-6.

[4] 許濤,趙軍凱,朱憲,等.基于風險分析的FPSO資產完整性管理[J].安全與環境工程,2009,16(6):85-87.

Development of FPSO Failure Database System

YANG Gui-qiang1, SUN Li-ping2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China;

2.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Key words: FPSO; risk management; failure; database