以數字化技術為依托的工程階段結構完整性管理研究

董月洲，章昀昊，姜曉波，王子維，陳 濤

（1中國石油天然氣股份有限公司大港油田第四采油廠<灘海開發公司> 天津 300280）

（2中國石油天然氣股份有限公司大港油田石油工程研究院 天津 300280）

（3中海油安全技術服務有限公司 天津 300472）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，人們對能源的需求也日益增加，能源已經成為制約我國經濟發展的重要因素之一，能源問題也成為了我國實現兩個一百年發展目標的關鍵因素。而石油作為重要的化石能源，其供給安全對我國改革開發的飛速發展來說具有重要的社會和政治意義。海洋平臺作為海上油氣開發的重要依托和工具之一，為海洋石油的開采提供了設備設施和人員居住的空間，但海洋導管架平臺由于長期處于大海之上，承受著海風、海浪以及海冰等環境因素的影響，工作環境比較惡劣，導管架及組塊結構腐蝕、結構部件疲勞以及外部船只撞擊等損傷的影響隨著服役年限的增加日益加劇[1]。

本次研究以渤海某平臺工程建設階段的完整性建設工作為依托，開發了一套結構完整性管理數據庫系統，實現了結構圖紙、基礎數據和可視化模型的關聯，方便了現場及運維單位對數據的直接認知，可視化的數據界面極大地方便了數據的展示和錄入，同時提升了數據的使用效率，消除了數據信息孤島。同時預留后期接口，為后期除結構數據外的設備設施狀態數據的錄入和管理提供了開發的可能。

通過工程階段數字化技術在平臺結構完整性管理過程中的應用，能實現在工程階段不斷優化設計方案，驗證前期基礎研究階段各項假設的正確性，從而優化前期設計方案，其次能為后期的設施運維階段提供運維策略指導，實現設計階段到工程階段以及生產運維階段的全流程無縫對接，確保平臺處于安全可靠的服役狀態。

1 結構完整性管理理論

結構完整性管理是在結構整個生命周期中表現其適用性過程，即管理平臺退化、損傷、荷載改變和意外過載帶來的影響。API-RP 2SIM中明確指出數據、評估、檢驗和維修是結構完整性管理的4個重要流程。

數據主要是指平臺的基礎數據，包括平臺的設計數據，圖紙資料數據，建造過程中的安裝數據以及伴隨著建造過程的不斷進行而進行的檢驗、檢測數據，這里面就包括本項目實施過程中的基線檢測數據。同時還有設備設施的特征參數，比如平臺泵的類型、揚程、轉速、流速等基本信息。這些信息隨著平臺建設過程的不斷推進，會越來越多，越來越復雜，這些復雜的信息構成了平臺的基礎數據信息。在后期的運行期間，又會產生一大批數據，比如設備運行過程中的溫度、壓力的大小，平臺主要容器、管線的測厚數據，檢驗記錄等。平臺的數據管理是完整性管理的基礎，只有數據完整性得到保證，后期的完整性管理才有據可循。平臺的數據管理是完整性管理開始部分，制約著其他環節的精確性[2]。

評估是完整性管理過程中的重要組成部分，通過評估工作的實施，完成對導管架運行過程中現狀的了解，明確導管架現在的健康水平。評估工作主要是通過專業的結構風險評估軟件，如SACS等對導管架在一定服役年限后根據最新的檢測數據對模型進行修正或者根據最新的改造信息建立新的模型，同時采用當前的設計環境條件，比如風、波、流及地質土壤調查數據等對導管架平臺進行操作工況和極端工況條件下的靜力、疲勞及地震等安全評估。根據評估結果給出高風險桿件位置，以指導后續檢驗工作的實施。

檢驗主要是根據完整性評估的結果及海洋石油平臺安全管理的要求對相關部位進行年檢或者局部檢驗，檢驗目的就是為了驗證評估結果或者說為了充分了解平臺各部分結構的現狀，以確定平臺的腐蝕、損傷等是否已經到了設計允許值或者了解結構重點部位的腐蝕速錄，為后期的維修維護提供參考。通過檢驗的實施明確了需要進行下一步維修的部位，為后期的例行維修或者大修等維修計劃的制定確定方向。

維修維護主要是根據評估確定的重點部位的風險等級，對高風險區域或者部件，特別是現場檢測結果已經出現了異常或者腐蝕速率超過了允許的腐蝕速率的部位進行維修。通過維修的實施來緩解平臺結構或者設備設施的損壞程度，使其恢復到滿足正常運行的安全水平，確保平臺處于安全運營狀態。同時，相關的維修維護以及改造數據也要即時地進行存儲，作為平臺數據的重要組成部分，從而完成整個數據—評估—檢測—維修的閉環管理，從本質上保證平臺安全實現管理系統流程的循環更迭[3]。

2 工程建設階段的數字化技術應用

在工程設計階段，面臨著大量的數據資料，如何管理這些資料成為重中之重，基礎資料的有效性將直接決定后期完整性管理工作是否能有效實施，通過數字化技術，針對設計規范、設計文件、結構圖紙、結構形式、檢測壁厚等基礎數據進行管理，將工程建設階段的實測數據與設計數據進行對比分析，分析變更發生的原因及合理性，確保工程建設的質量滿足要求。

數字化技術能極大地優化數據的記錄流程和手段，同時能夠提高數據的錄入、查詢等工作效率，本次工程階段數字化技術主要應用可視化技術，將之前的枯燥的書面或者表格數據進行模型化，在前期模型處理的基礎上對數據進行賦值，即將數據逐個對應到可視化的模型上面，使枯燥的數據有了載體和依托，便于后期的數據錄入以及數據的查詢，同時通過數字化技術的應用，預留后期生產數據和檢測數據接口，具備直接從生產實時數據讀取的功能，確保數據的及時性。

在工程建設階段對數字化技術進行應用時，需要利用數字化技術有效銜接前期研究以及生產運營管理兩個階段。在對前期研究進行優化改進時，主要是利用數字化技術的前期研究工作與建設階段的數據對比，對于數據變化的原因和數據變化是否合理進行深入分析，以分析結果為基礎完成前期研究成果優化，提高前期研究成果的準確性與科學性。除此之外，對生產運維階段的數進行數據化移交，主要是利用數字化技術對數據開展分類整理工作，對不同生產運維參數進行結構化處理，最終完成數字化移交，可以使用戶方便在線查詢各項數據信息。在工程建設階段數字庫架構構建時，主要包括采集層、處理層和應用層。采集層的主要作用是以相應的規范和標準構建采集平臺，獲取平臺建設階段以及運營階段的數據，并將數據存儲在相應的系統中。處理層的主要作用是為管理平臺項目運行的整個過程提供相關材料，主要包括設計文件和郵件等。在這一系統層運行過程中需要保證數據的全面性與有效性。應用層的主要作用是顯示各種數據信息，方便用戶在線查詢各類文件資料。

在工程建設階段，數字化技術的應用關鍵點是數字化移交功能的有效實現。這一功能可以為工程設計平臺建設和海上安裝等不同工作提供完整的數據信息，為生產運維工作順利進行奠定基礎。數字化移交工作主要包括準備階段、實施階段和完成階段。在準備階段，需要確定數據采集模板，進行數據化初始化處理；在實施階段需要完成數據采集并錄入，在這一過程中必須對數據的真實性以及全面性進行嚴格控制；完成階段主要是以各平臺基線為基礎開展檢測作業，并開展數據交互與審查工作。

3 工程階段結構完整性數據庫系統架設

為了使數據具有較高的查詢速度，同時具有三維視角，可以通過網頁訪問等功能，本次數據庫系統設計前后端分離架構，采用SpringBoot 2.x、Ant Design&Vue、Mybatis-plus、Shiro、JWT穩定版本，模型采用WebGL技術進行渲染。

整個數據庫系統具有三維模型展示，結構部件詳細信息展示，包括結構類型、壁厚、材質、長度、設計數據、檢驗數據以及相關的圖紙資料附件存檔等功能，見圖1。

同時為了保證數據庫系統的安全性，設置了三級管理權限系統，保證了系統管理員、主管及用戶3個層級的不同管理權限，避免數據的誤刪，確保了數據的安全。

模型建立完畢后，對所有模型進行編號處理，并根據設計圖紙對模型的數據進行輸入和展示，展示界面為前臺展示，包括結構的主要關鍵信息以及檢測信息等。

當前數據庫系統將所有關鍵桿件、設備都進行了建模，構想是在第1階段完成結構完整性相關數據的錄入和建立工作，第2階段完成設備設施數據的錄入和建立工作。

通過數字化技術，從平臺建立開始就進行良好的數據管理，極大地避免了后期數據的缺失[4]，對每次的檢驗檢測、維修以及原始數據都有了較好的記錄，能夠實現平臺結構數據的動態傳遞和更新，從而保證了三維模型、結構特征參數實時反映平臺的現狀，為平臺后期的運維提供支持。

4 工程階段基線檢測的實施

明確了工程階段結構完整性建立的重要性后，分別對相關的數據進行了整理，并利用數據庫系統對結構數據進行記錄，但在日常管理過程中常常發現，部分結構的實際檢測數據與設計數據不符，比如壁厚不一致等問題普遍存在。

為了有效杜絕此類事件的發生，在本次工程完整性實施過程中，開展了結構數據的基線檢測工作，目的就是通過基線檢測工作的實施，完全獨立于設計方、建造方以及檢驗機構。基線檢測流程和方法見圖2。

采用UT檢測技術，利用超聲波在金屬構件傳播和反射的原理，在工程建設階段，對組塊結構、管道、容器等設備設施的材料厚度進行監測，獲取原始材料真實壁厚數據超聲波測厚主要是用于檢查構件的厚度。通常在檢驗中如發現平臺油漆普遍脫落或有明顯腐蝕情況，應要求進行測厚檢查，以確認構件的腐蝕情況。平臺在進行結構評估時，如需要獲得構件厚度，也應進行測厚檢查。抽檢要優先檢測受力集中、風險等級較高的位置，若甲方未提供風險分級參考依據，則依據檢測人員經驗進行判斷，檢驗區域點位布置在離焊縫50 mm區域。容器檢測點布置見圖3。一方面確保母材壁厚滿足標準及設計規格書要求；另一方面作為運營期風險評估基準數據。

通過基線檢測工作的實施，發現與設計不符壁厚超標或者壁厚不足的桿件9處，現場及時與項目建設單位以及甲方進行了溝通核實，對部分區域的設計進行了重新的校核，確保了結構的數據準確以及強度滿足要求，保證了后期平臺主體的安全運行[5]。

5 結語

在本項目中，通過實施工程階段完整性管理，建立了一套結構完整性管理信息系統，以數字化手段對數據進行規范化和有序化，為后期的結構以及設備設施數據的管理提供了良好的基礎，同時利用基線檢測數據對設計及檢驗數據進行了驗證和把關，確保了海洋導管架平臺的出生優秀性，為后期的完全運行保駕護航。利用數字化技術三維設計功能，可以對工程建設過程中的設計方案進行完善化管理，同時利用三維模型進行碰撞檢測和干涉，可以降低在施工建設過程中的技術難度[6]。

當然目前數字化技術還可以繼續進行升級和優化，比如加入風險自動比對和識別，風險自動計算，設備設施檢驗或者相關數據預警等功能。另一方面本系統目前考慮了數據的記錄和存儲，還未建立通用的統計分析功能，隨著數據的不斷累計以及生產數據的不斷增加，可以對所有的數據進行分析統計，同時對相關數據的異常進行預警，并根據預警的結果向不同層級的管理人員進行信息或者郵件的推送，讓相關人員能在最短時間內獲取到預警信息并進行處理。最后系統后期還可以考慮與現有的生產管理系統進行融合，讀取生產管理系統里面的檢測數據，直接集成到系統中進行簡易的剩余壁厚的計算、剩余強度的計算等，相關技術實現后，可以對平臺的健康狀況有較全面的了解和監控[7]。生產和運維人員可以通過電腦、手機以及手持終端等多種設備對平臺的健康狀態實時進行監控和查看，極大地擴充了完整性管理體系的功能，提升了系統管理的效率。