原型測量法在海冰作用下海上采油平臺 失效評估中的應用

劉寧(天津北海油人力資源咨詢服務有限公司，天津 300457)

0 引言

位于我國渤海區域的海上石油采油平臺處于高緯度地區，冬季時要面對海冰等災害的威脅。海冰會引發導管架和平臺持續振動，而導致采油平臺的管線發生法蘭松動、管線斷裂、泄漏等問題，進而嚴重威脅平臺的安全生產活動，也會對周邊海洋環境造成污染和破壞。因此應建立海上石油采油平臺長效監測和分析評估機制，對海冰給海上采油平臺造成的危害預測與預警，以便及時采取應對措施。

1 現狀分析

我國渤海冬季多為冰區，中海油在此區域多為邊際油田，儲油量小，因此在當時設計時雖然考慮了抗冰結構設計，但是兼顧開發成本的因素，采用減小平臺用鋼量的方法來降低開發成本，縮短制造工期，提高收益。因此我國渤海區域的海上采油平臺的導管架用鋼量較少，結構相對較柔，進而造成渤海區域的海上采油平臺在海冰作用下的振動問題較國外的同緯度、同環境下的平臺更為突出，嚴重威脅著海上采油平臺的生產安全[1]。

1.1 分析方法

海上采油平臺結構中最先接觸海冰的是導管架，其受到海冰的作用力往往最大，而后在海冰的持續作用下，平臺上部、中下部管道也受到持續的影響，進而在振動產生的動力作用下造成結構失效問題[2]，其中失效問題中非常重要的一項就是結構的疲勞失效。此外，海冰會引起導管架和平臺持續振動，在振動下海洋平臺的上部管線可能會出現法蘭松動、管線斷裂及泄漏等安全問題。基于上述情況：首先根據對海冰作用下的海上采油平臺設施受損和功能失效模式認識，有針對性地選擇渤海區域內典型受海冰作用的超齡服役海上采油平臺下部導管架，進行現場原型測量點位設計，并開展現場監測工作；其次，根據監測的加速度數據判別失效的風險，并進行分析與對比；最后基于實測數據和分析數據，將海冰對海上采油平臺的危害進行數據量化和評估，進而進行預測與預警。

1.2 失效模式分析

失效模式一般指靜力失效和加速度作用下結構疲勞失效問題。文章選取JX1-1 A平臺對兩種情況分別進行相關研究。該平臺是一座四腿錐體導管架結構，實際中設計了可以安裝在平臺導管上的壓力盒。該壓力盒由4個壓力感應原件構成，壓力盒的有效長度為1 m，壓力盒安裝如圖1所示。

1.2.1 靜力失效問題

海上采油平臺靜力失效一般包括兩種模式，分別是強度和剛度失效模式。為了防止在設計壽命中出現靜力失效問題，海上采油平臺一般在初步設計時就充分考慮了平臺對強度和剛度的要求。一般情況下，強度要求指設計允許使用應力大于結構極端狀況下產生的最大應力；剛度要求是指規范強制要求的允許值大于結構產生的極大變形值。因此，評估JX1-1 A平臺結構在渤海區域極值靜冰作用力下的安全性與可靠性可以通過強度和剛度設計要求值和實測值對比來實現。

我國現行的國標和中國海洋石油總公司的企業標準關于渤海區域的海上采油平臺結構的設計都作出了相應規定：充分考慮滿足極值靜冰作用力下的情況，因此，在設計時靜力安全儲備預留很大[3]。通過查閱設計文件和現場實際測量數據可以看出，JX1-1 A平臺在海冰極值靜冰作用力下，結構的極大變形和最大應力都能夠滿足對于結構的高強度和剛性的設計需要，且具有很大的安全儲備量，如表1所示。

表1 最大靜位移和最大名義應力

1.2.2 結構疲勞失效問題

主要對JX1-1 A平臺上的管線振動情況進行了監測。管線的振動主要是由甲板和導管架振動引起的，而甲板和導管架振動的加速度取決于海冰的厚度和速度[4]。對監測數據進行了整理和建模分析，得到不同甲板和導管架振動加速度與冰厚、冰速的呈現出線性函數關系，如圖2所示。

圖2 管線振動加速度與冰速的關系

1.3 管線失效評估

(1)對JX1-1 A平臺上部管線基于監測數據進行失效評估。本文選取2018年、2019年、2020年加速度監測樣本中最大數據作為樣本，經過計算得出最大值出現在2月中旬幾天，并且在2019年2月11日，監測加速度達到0.43 m/s2，有造成法蘭松動的風險。數據和風險的關系如表2所示。

(2)同樣，選取2018年、2019年、2020年加速度監測樣本中最大數據作為樣本，對JX1-1 A平臺中下部管線基于監測數據進行失效評估，經過計算得出2019年最大值出現在1月下旬，平臺監測加速度主要集中在0.22～0.42 m/s2，有造成法蘭松動的風險。

表2 監測數據和風險關系表

2 建議

建立長效監測和分析評估機制，對海冰給海上采油平臺造成的危害預測與預警，以便主動采取積極應對措施。

(1)建立全天候天氣預報機制，包括對海流、潮汐、浪高、風力和海冰等情況的預報；

(2)建立高緯度平臺振動最大加速度監測數據預警體系；

(3)建立危險冰情聯動值守共享機制，在形成危險的海冰災害的半小時內最近的破冰船應到達相關平臺區域進行單獨或協同破冰作業。

3 結語

以上研究為海冰作用下的海上采油平臺評估提出了一種量化的理論手段。針對渤海區域海上超期服役采油平臺進行基于原型測量法的評估，可以解決定性問題定量化的問題，監測示例顯示出這一方法具有很強的實用性。

除了渤海區域外，我國在南海也有海上采油平臺，大多采用半潛浮式深海采油平臺，由于所處環境、結構、工作場景、操作形式等存在差異和復雜化的問題，原型測量法在半潛浮式深海采油平臺方面的研究與應用開展十分有限。隨著國家深化海上石油走進深海的戰略，筆者認為這方面的研究將是今后發展的重要方向。