海洋鉆修機模塊結構完整性評估技術研究與實踐

葉 劍

(中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300352)

海洋鉆修機模塊是海上油氣生產的關鍵裝備之一。為有效提升裝備管理效率，降低安全風險，海上油田近年來持續推廣完整性管理體系，海洋鉆修機模塊是其中重要的管理和研究對象。按功能劃分，海洋鉆修機模塊主要由實現鉆機提升和旋轉的機械設備和用于固定、支撐、承載的結構件組成，另外還包括鉆井液儲存罐、管匯和用于測井、錄井的電儀設備等。為集中資源，對主要風險進行管控，海洋鉆修機模塊的完整性管理以結構完整性為核心。本文以評估環節為重點，以渤海某在役設備為例研究了結構完整性技術在海洋鉆修機模塊上的實施步驟。

1 結構完整性管理概述

結構完整性管理(SIM)，是確保海上設施全生命周期安全性和適用性的工作程序。根據ISO 55002—2014和API RP 2SIM—2014要求，其實施過程由數據收集、結構評估、策略制定和規劃實施4個環節形成一個閉環系統。

1.1 結構完整性管理框架

ISO和API只給出了結構完整性管理的指導思想和總體內容，具體實施流程需要根據特定的管理對象進行研究確定。在工程實踐中，把基于風險的檢驗(RBI)方法論應用到設施結構中，以風險作為核心指標，采用最優化方法，制定檢測與維修策略，最后通過執行策略有效管控風險。根據海洋鉆修機模塊的運行環境，制定結構完整性管理框架如圖1所示。

1.2 數據

SIM是一個連續迭代的管理系統，4環節構成“計劃—執行—檢查—行動”(PDCA)循環，因此，數據記錄包括設備服役的全生命周期[1]，而且在役設備的完整性數據比新建設備多。海洋鉆修機模塊完整性管理過程必要的數據包括設計數據、建造數據、環境數據和表征服役過程的運行數據，海洋鉆修機模塊完整性數據收集表見表1。

圖1 海洋鉆修機模塊結構完整性管理框架

表1 海洋鉆修機模塊完整性數據收集表

1.3 評估

評估是SIM過程的核心環節，既是對數據的綜合分析，又是后續策略與規劃制定的依據，在整個管理程序中起承上啟下的作用。評估采用基于風險的策略，對于歷史風險較低的情況一般采用定性評價，包括關鍵部位檢測結果的趨勢分析，或基于專家經驗、行業慣例的邏輯判斷，或參考相似平臺、同類設備的對比分析。對于服役時間較長、出現過嚴重損傷、功能衰退或現役狀態變更的設備，須進行更加細致的結構分析，一般包括設備模塊/支持模塊的靜強度評估、地震強度評估、井架結構的穩定性評估、鉆修機模塊整體的耐久性評估和剩余壽命評估，并最終進行風險評估。得出評估結論后，基于狀態和風險制定策略。

1.4 策略與規劃

策略與規劃聯系緊密，是保證結構始終維持在可接受風險水平內采取的措施。策略制定包括結構檢查策略和風險緩解選項。檢查策略提供了海洋鉆修機模塊結構檢測的框架，旨在確定檢測的周期、使用的技術方法以及是否部署實時檢測等。根據不同的風險等級、風險原因，需要確定不同的風險緩解選項，包括加強檢查、復位、加固、更新，直到修改設計等。

規劃描述詳細工作范圍的執行步驟，以完成SIM策略中所列的各項任務。檢查規劃(包括時間間隔、檢查范圍、檢查方法等)每年都要進行審查，必要時進行修改，以反映出現風險的趨勢。維修規劃應對高風險構件制定詳細的維修與加固方案，包括實施步驟與維修工藝等。

2 海洋鉆修機模塊結構評估實例

評估是完整性管理的核心環節。以渤海油田的一臺典型海洋鉆修機模塊為例，介紹評估環節的實施步驟。評估對象由設備模塊(DES)和支持模塊(DSM)組成，其中DSM分為南北2個子模塊。DES位于DSM西側，整個模塊分為下移動底座、上移動底座和井架3大部分。鉆修機模塊設計壽命25年，累計運行20年。

2.1 數據收集

根據評估要求和平臺管理現狀，收集評估對象的數據包括原始設計圖紙和歷次改造圖紙，結構設計報告，結構重量控制說明，所在海域風載歷史資料，地震、風暴等自然災害記錄，設備作業記錄和檢測維修記錄。

2.2 檢查

評估前開展檢查，是對歷史策略的執行也是對狀態數據的補充。針對評估對象，進行外觀檢查和主結構預選焊縫的無損檢測。結果顯示結構無變形，局部存在腐蝕，未發現焊縫裂紋。

2.3 評估方案

根據歷史數據的初步篩選和當次檢查結果，確定某海洋鉆修機模塊結構評估總體方案如圖2所示。由于該設備服役時間較長，格外關注耐久性和剩余壽命評估。

圖2 某海洋鉆修機模塊結構評估總體方案

2.4 載荷分析

海洋鉆修機模塊除受到工作載荷外，還承受環境載荷、結構自身重量、設備載荷、甲板活載荷等。其中工作載荷主要指大鉤載荷、立根載荷、泥漿載荷等鉆井工作載荷；環境載荷主要包括風載荷和地震載荷。根據結構設計圖、設計書、重量控制報告及海事數據，能夠參考文獻[2]對結構所有載荷逐一計算。需要注意的是，考慮渤海海域的實際海況以及鉆修機模塊結構對環境載荷的敏感程度，對平面幾何特點為左右對稱的規則矩形結構，環境載荷在0～180°范圍內至少取5個方向，包括幾何形狀最弱軸的垂直方向；其他幾何形狀的結構，環境載荷應在0～360°范圍內至少取8個方向，包括幾何形狀最弱軸的垂直方向。

2.5 結構靜強度評估

1)DES和DSM靜強度評估。對DES和DSM進行評估時需考慮不同工況下具有不同的載荷組合方式[2]。考慮4種典型井口位置，可得到28種基本工況和16種作業組合工況。評估過程采用有限元方法，通過ANSYS建立結構的有限元模型，并依據檢測數據，對模型進行修正，然后進行靜強度和地震強度計算，最后根據計算結果，確定危險區域，為后期的檢測與維修提供建議[3]。

2)井架靜強度評估。井架的靜強度評估同樣采用有限元方法，建立有限元模型后基于檢測結果進行修正，然后進行靜強度、振動特性及穩定性計算，以全面反映井架當前的承載能力。需要指出的是，風載在井架評估中占據重要作用。

本評估對象為K型井架，左右對稱結構，故以井架前門方向為正，取0°、45°、90°、135°和180°共5種風載作用方向。考慮井架自重和天車等設備自重造成的恒載以及最大鉤載保持不變，根據3種典型工況，可得到15種評估工況。根據文獻[3]給出的計算方法能夠評估井架的靜強度，但由于井架高度范圍大，需要考慮風壓高度變化系數對結構的影響。為簡化計算，將井架高度方向劃分為4段，風載大小可根據文獻[4]給出的方法進行計算。

井架穩定性計算的基礎是彈性穩定理論。有限元法簡單易行，且求解精度高，成為主流評估方法，可參考文獻[5]開展。

2.6 耐久性評估

結構耐久性評估主要是對其材料性能、服役狀態及內在損傷的綜合性評估。為得到綜合性的評估結論，需要根據業主的風險可接受程度設定耐久性級別，針對海洋鉆修機模塊，建議耐久性級別劃分為5個等級，如表2所示。

表2 耐久性評定等級

結構耐久性評估方法主要有傳統經驗法、失效理論評估法、層次分析法、專家系統法[6]。目前，對于多層次、多目標且不易量化的復雜系統多采用層次分析法，能夠利用少量的定量輸入使決策的過程數學化[7]。結合評估對象實施步驟如下。

建立層次評估模型。對于在役的海洋鉆修機模塊，結構耐久性的影響因素集可表示為B={腐蝕損傷B1，疲勞損傷B2，機械損傷B3}，進一步分解后可得到各因素的指標集。結合工程經驗，3個耐久性影響因素各包括5個影響指標，最終構建因素層和指標層2層分析模型如圖3所示。通過該模型，使整體耐久性評估問題歸結為最低層相對重要權值的確定問題。

圖3 海洋鉆修機模塊結構層次分析模型

確定了結構層次模型，即可根據層次分析法，計算整體的耐久性分值，公式如下：

S=α1B1+α2B2+α3B3,

(1)

(2)

式中：a1、a2、a3分別為3個影響因素的權重值，建議A={a1，a2，a3}={0.45,0.40,0.15}；B1、B2、B3分別為3個影響因素的分值；m為各因素的指標數量，本文取m=5；Cij為各影響指標的耐久性評分值；wij為Cij的權重值，可通過判別矩陣求解最大特征值對應的特征向量，并進行歸一化處理得到，具體計算方法可參考文獻[8]。

結合工程實踐中腐蝕、疲勞和機械損傷的統計特性，對各影響指標耐久性分值劃分5個等級，如表3～表5所示，除腐蝕損傷指標可進行定量劃分外，其他指標的取值一般采納行業經驗。對應wij根據文獻[8]計算并進行一致性檢驗后分別為{0.32,0.10,0.29,0.18,0.11}，{0.11,0.10,0.32,0.26,0.21}，{0.24,0.14,0.35,0.16,0.11}。計算整體耐久性分值S=8.71，符合耐久性等級Ⅱ級。

表3 腐蝕損傷(B1)影響指標耐久性評定分值表分

指標極微輕微中等較重嚴重腐蝕率C11108640腐蝕外觀C12108642腐蝕速率C13108640腐蝕分布C14108641涂層受蝕率C15108642

表4 疲勞損傷(B2)影響指標耐久性評定分值表分

指標很好較好中等較差很差斷裂韌性C21108642殘余應力C22108640原始缺陷C23108642應力集中C24108642環境載荷C25108640

表5 機械損傷(B3)影響指標耐久性評定分值表分

指標很好較好中等較差很差彎曲變形C31108642構件凹陷C32108642連接失效C33108640支座沉降C34108642構件穿孔C35108642

2.7 剩余壽命評估

鉆修機模塊結構的剩余壽命以疲勞壽命為主，且承載動力載荷的主體是井架。因此，在工程上井架的疲勞壽命可以代表海洋鉆修機模塊的整體壽命。大量工程實踐證明，焊接缺陷是形成疲勞裂縫和疲勞破壞的根源。井架絕大多數是焊接結構，建議采用許用應力幅值法進行分析[9]。本方法相對成熟，文獻[10]給出了完整的計算過程。需要注意的是井架承受載荷是不穩定的，其疲勞是變幅疲勞，需要根據積累損傷原理，將變幅疲勞折合成等效常幅疲勞進行計算。評估對象計算結果為疲勞壽命33年，擁有較大余量。

2.8 風險評估

設備風險級別以風險矩陣的方式表示，包括風險后果嚴重程度和風險發生概率2個維度。評估時，失效后果等級主要考慮生命安全、環境污染、經濟損失、公眾干擾4個方面。鑒于工作環境，海洋鉆修機模塊結構失效與生命安全是強相關，基于此，強制定義鉆修機模塊結構失效后果等級為高等級。失效可能性就成為影響最終風險等級的唯一變量因素。為綜合地衡量失效可能性，可通過結構安全度(基于靜強度評估結果)、穩定性(基于穩定性評估結果)、耐久性(基于耐久性評估結果)和剩余壽命(基于疲勞壽命評估結果)4項指標制定相應的失效分值和對應權重后求和得到。根據經驗，建議的失效可能性準則如表6～表9所示。計算后評估對象失效可能性為130，根據業主確定的等級劃分，失效可能性較小，需制定小修及定期檢查的風險控制策略。

表6 結構安全度失效準則

表7 井架穩定性失效準則

表8 結構耐久性失效準則

表9 結構壽命失效準則

3 結束語

完整性評估是完整性管理的核心環節。針對海洋鉆修機模塊的完整性評估，根據實際運行情況，可進行定性或定量評估。定量的結構分析至少應該包括各模塊的靜強度評估、井架的穩定性評估、結構耐久性評估和井架的疲勞剩余壽命評估，并將評估結果結合安全度準則進行風險評估，給出最終的綜合性評估結論。