海洋石油生產(chǎn)作業(yè)設(shè)施鋼絲繩缺陷檢測及維保管理

楊 軼

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

0 引 言

近年來，海洋石油行業(yè)發(fā)生多起吊裝作業(yè)事故，2014年12月，某鉆井平臺右舷吊車扒桿鋼絲繩發(fā)生斷裂，致使扒桿墜落砸中平臺結(jié)構(gòu)，造成吊車扒桿和平臺結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重。事故調(diào)查認(rèn)定吊車鋼絲繩磨損斷絲導(dǎo)致鋼絲繩性能下降而受力斷裂。2017年8月，某平臺油井大修進(jìn)行打撈作業(yè)時(shí)，經(jīng)過5次震擊作業(yè)后，上提鉆具至103t時(shí)，鉆井大繩突然斷裂，導(dǎo)致游車、大鉤從2.5m高度滑落至鉆臺，幸無人員傷亡。事故調(diào)查認(rèn)定，鉆井鋼絲繩局部過度摩擦形成疲勞源區(qū)，導(dǎo)致鋼絲疲勞裂紋性能降低受力斷裂。2020年 2月，某平臺上提游車活動鋼絲繩為除掉大繩等游動系統(tǒng)上的結(jié)冰，上提16.9m時(shí)鉆井大繩突然斷裂，游車頂驅(qū)迅速滑落至鉆臺，頂驅(qū)回座在井口鉆桿上，幸無人員傷亡。事故調(diào)查認(rèn)定，鉆井大繩在天車滑輪組處跳槽打扭，將靠近的死繩卷入擋繩桿和滑輪之間摩擦切割并最終斷裂。鋼絲繩在使用過程中承受著拉、彎、扭、擠、振動等交變應(yīng)力，存在斷繩風(fēng)險(xiǎn)，鋼絲繩作為海洋石油生產(chǎn)作業(yè)設(shè)施專業(yè)設(shè)備的“生命線”，一旦發(fā)生事故，可能造成人員傷亡、環(huán)境污染或財(cái)產(chǎn)損失。

1 海洋石油生產(chǎn)設(shè)施使用的鋼絲繩種類

海洋石油生產(chǎn)設(shè)施所使用鋼絲繩的作業(yè)類別繁多，根據(jù)《鋼絲繩術(shù)語、標(biāo)記和分類》(GB/T 8706—2017)和《海上石油作業(yè)系物安全規(guī)程》(SY 6564—2011)，海洋石油設(shè)施鋼絲繩按照使用場所及用途分為系物鋼絲繩和專用設(shè)備鋼絲繩。系物鋼絲繩是指海上石油作業(yè)中進(jìn)行起重和拖曳等系物作業(yè)的繩纜、吊具等(不含起重機(jī)等專用設(shè)備使用的鋼絲繩)；專用設(shè)備鋼絲繩是指起重機(jī)用鋼絲繩、礦井提升用鋼絲繩、海洋工程系泊用鋼絲繩、石油天然氣工業(yè)用鋼絲繩(鉆修井作業(yè)相關(guān))。以某工程公司為例，工程船舶鋼絲繩主要分布在工程作業(yè)船舶上，鋼絲繩主要用于浮吊、折臂吊、克令吊和錨機(jī)；陸地設(shè)備鋼絲繩主要為起重機(jī)械設(shè)備、卷揚(yáng)機(jī)設(shè)備本體附屬鋼絲繩。

2 典型鋼絲繩缺陷分析

某專業(yè)檢測公司近幾年完成了30多萬條次系物鋼絲繩和7000多條次專用設(shè)備鋼絲繩的檢測，從檢驗(yàn)大數(shù)據(jù)分析可知，鋼絲繩失效主要包括斷絲、 磨損、腐蝕(銹蝕)、損傷、變形、斷股，如圖1～12 所示。 桂旭等[1]針對某停車場升降平臺斷裂鋼絲繩，采取斷口分析、顯微組織觀察、化學(xué)成分分析、拆股試驗(yàn)等方法，推斷鋼絲繩失效的主要原因是疲勞。

圖1 頂部斷絲 Fig.1 Top broken wire

圖2 谷部斷絲 Fig.2 Valley broken wire

圖3 變形-波浪形 Fig.3 Deformation wavy

圖4 變形-燈籠形 Fig.4 Deformation lantern

圖5 深芯擠出 Fig.5 Deep core extrusion

圖6 變形-壓扁變形 Fig.6 Deformation-flattening deformation

圖7 扭結(jié)變形 Fig.7 Kink deformation

圖8 彎折變形 Fig.8 Bending deformation

圖9 外部磨損 Fig.9 External wear

圖10 局部磨損 Fig.10 Local wear

圖11 擠傷 Fig.11 Crush injury

圖12 刮傷 Fig.12 Scratch

3 鋼絲繩失效原因分析

海洋石油生產(chǎn)設(shè)施鋼絲繩失效分為以下幾類：制造缺陷、環(huán)境不良、選型不當(dāng)、使用不當(dāng)、維保不當(dāng)和檢測不當(dāng)。從歷年鋼絲繩檢測數(shù)據(jù)分析可知，系物鋼絲繩檢驗(yàn)總體不合格報(bào)廢率大約為10%，其中以變形、損傷、銹蝕、斷絲為主要報(bào)廢缺陷，4類缺陷占比超過90%，與現(xiàn)場使用不當(dāng)、維保不當(dāng)、環(huán)境不良、檢測不當(dāng)?shù)扔嘘P(guān)，見表1。當(dāng)鋼絲繩因斷絲、斷股、損傷或缺陷發(fā)生重大安全事故，以及事故調(diào)查組需要弄清鋼絲繩失效原因或劃定責(zé)任時(shí)，應(yīng)向有資質(zhì)的鑒定機(jī)構(gòu)申請失效原因分析和事故鑒定。張平萍等[2]提出了鋼絲繩“失效分析項(xiàng)目”及對應(yīng)試驗(yàn)方法。

表1 系物鋼絲繩檢驗(yàn)不合格報(bào)廢率分布表 Tab.1 Distribution of unqualified scrap rate of tie wire rope

專用設(shè)備(重要用途)鋼絲繩缺陷分析以某檢測公司2015—2019年實(shí)際檢測專用設(shè)備鋼絲繩數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析得出結(jié)論如表2所示。

表2 專用設(shè)備(重要用途)鋼絲繩缺陷分析表 Tab.2 Defect analysis of steel wire rope of special equipment(important use)

專用設(shè)備鋼絲繩檢驗(yàn)總體缺陷率為2%左右，以斷絲、磨損、銹蝕為主要缺陷，3類缺陷占比超過85%，與現(xiàn)場使用不當(dāng)、維保不當(dāng)、檢測不全面有關(guān)。專用設(shè)備鋼絲繩斷絲缺陷占比較高的原因是：專用設(shè)備鋼絲繩在使用過程中與卷筒、滑輪等接觸摩擦，當(dāng)鋼絲繩速度過快、打滑或潤滑不良時(shí)，鋼絲表面溫度過高可能形成馬氏體組織(硬而脆)，從而降低鋼絲韌性，造成鋼絲出現(xiàn)疲勞裂紋而斷裂；另外，人工檢測存在不足，只能檢測鋼絲繩的表面情況，檢測頻率有限、檢測周期長、檢測結(jié)果不穩(wěn)定、檢測工況惡劣或空間有限、檢驗(yàn)人員勞動強(qiáng)度大或不能靠近鋼絲繩，存在檢驗(yàn)盲區(qū)或漏檢問題，見表3。

表3 專用設(shè)備鋼絲繩檢驗(yàn)缺陷原因分類表 Tab.3 Classification of inspection defects of special equipment wire rope

4 鋼絲繩維保管理的良好實(shí)踐

4.1 將鋼絲繩管理納入QHSE管理體系

為進(jìn)一步加強(qiáng)吊裝作業(yè)安全，某石油企業(yè)將吊裝作業(yè)納入安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治“三年行動”計(jì)劃，組織開展鋼絲繩專項(xiàng)檢查并加強(qiáng)整改，重點(diǎn)提升鋼絲繩使用、維保和檢驗(yàn)管理水平。另外，制定并實(shí)施《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)吊裝安全管理的通知》和《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)海洋工程吊裝作業(yè)鋼絲繩/索具管理的指導(dǎo)意見》，將起重作業(yè)定義為高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，涉及鋼絲繩的內(nèi)容包括：①作業(yè)前所有的吊索、吊具須經(jīng)專業(yè)人員檢查；②起重裝置和設(shè)備應(yīng)處于檢驗(yàn)合格證書的有效期內(nèi)，起重設(shè)備的安全裝置能正常工作；③負(fù)載不得超過起重設(shè)備的動態(tài)和靜態(tài)裝載能力；④操作動力起重裝置的工作人員和司索指揮人員應(yīng)經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)并取得資格證書。

4.2 源頭管控：加強(qiáng)鋼絲繩采購環(huán)節(jié)的管理

新購鋼絲繩可能存在制造缺陷，主要原因包括廠家制造過程未執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求、出廠檢驗(yàn)未落實(shí)、隨意更改制造標(biāo)識、代理商采購、技術(shù)要求不明確、非專業(yè)驗(yàn)收。針對上述問題，新購鋼絲繩應(yīng)事先確認(rèn)廠家生產(chǎn)資質(zhì)及第三方頒發(fā)的檢驗(yàn)證書，采購合同必須明確索具，索具器件交貨前應(yīng)取得船級社所屬專業(yè)設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格證書和報(bào)告，通過建立鋼絲繩生產(chǎn)品牌短名單，加強(qiáng)采辦環(huán)節(jié)把關(guān)，細(xì)化和明確鋼絲繩采辦技術(shù)要求，增加出廠前預(yù)拉伸要求。

4.3 進(jìn)一步規(guī)范鋼絲繩的使用

選用的鋼絲繩載荷、類型、附屬件不匹配，鋼絲繩直接與銳利棱角、其他結(jié)構(gòu)物等接觸或摩擦，鋼絲繩受力角度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許值，都會對鋼絲繩形成擠壓、腐蝕等損傷。主要原因是作業(yè)人員對鋼絲繩必要的使用知識缺乏，鋼絲繩選型不當(dāng)(類型不符、尺寸不符、載荷不符等)；存在造成摩擦或損壞鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，未能發(fā)現(xiàn)或未被處理；在不良環(huán)境下使用，操作不規(guī)范；使用前檢查不到位。當(dāng)被吊物品有棱角或表面粗糙時(shí)，會使鋼絲繩提前斷絲或繩芯露出，推薦選擇專用護(hù)角或護(hù)套來保護(hù)繩索，防止繩索在吊裝過程中被尖棱銳角損壞降低其有效強(qiáng)度。禁止鋼絲繩間直接連接使用，應(yīng)加卸扣或吊環(huán)連接。鋼絲繩吊索起吊要平穩(wěn)，避免沖擊載荷。采用有效措施避免索具在銳角處發(fā)生彎折或與其他構(gòu)筑物碰撞鋼絲繩吊索，肢間角夾角不得大于120°，以60°為佳。禁止從高處向下拋擲鋼絲繩吊索，禁止用起重設(shè)備從被吊物下面強(qiáng)行抽拽鋼絲繩吊索，使用中不得暴露在腐蝕性很強(qiáng)的液體或蒸汽介質(zhì)中，不得在-60～100℃范圍外使用，吊裝過程中如鋼絲繩出現(xiàn)異響應(yīng)立即停止 使用。

4.4 嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做好檢查和保養(yǎng)

鋼絲繩使用前后進(jìn)行常規(guī)目測檢查，檢查內(nèi)容包括斷絲情況、繩股變化、磨損程度、腐蝕程度、涂油狀態(tài)、彈性變化、變形、松股、松捻、環(huán)眼部位、直徑和長度、壓頭部位、外觀顏色等。吊裝用鋼絲繩應(yīng)由專人保管，貯存前應(yīng)清除表面雜物，分類卷繞放置在墊板或懸掛在繩架上，嚴(yán)禁混存，并貯存在干燥、通風(fēng)的區(qū)域，防止陽光直射、熱氣烘烤和接觸酸堿等環(huán)境。吊裝過腐蝕性較強(qiáng)物品的鋼絲繩，使用后必須沖洗干凈。為了獲得最佳使用性能，大多數(shù)鋼絲繩在使用期間應(yīng)進(jìn)行適時(shí)的清洗并涂以潤滑油或潤滑脂，特別是那些繞過滑輪時(shí)經(jīng)受彎曲的部位需要進(jìn)行補(bǔ)充涂油，所涂潤滑劑必須與制造期間原潤滑劑一致，對于牽引驅(qū)動鋼絲繩所涂潤滑劑不得消減其摩擦性能。

4.5 做好鋼絲繩的日常檢驗(yàn)和標(biāo)識

建立鋼絲繩使用檔案，對鋼絲繩要登記造冊，鋼絲繩應(yīng)有產(chǎn)品合格證書、技術(shù)資料和使用說明書，禁止使用無證鋼絲繩，強(qiáng)化對鋼絲繩的全過程安全管理和完整性管理。鋼絲繩的檢驗(yàn)應(yīng)委托有資質(zhì)的第三方檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)開展，定期檢驗(yàn)周期為6個(gè)月。海上結(jié)構(gòu)物安裝使用前必須進(jìn)行檢驗(yàn)，出現(xiàn)損壞或可疑狀況時(shí)應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)復(fù)驗(yàn)，停用半年以上(包括半年)又重新使用均應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)標(biāo)記包括檢驗(yàn)色標(biāo)和檢驗(yàn)標(biāo)牌，檢驗(yàn)標(biāo)牌是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格標(biāo)識。檢驗(yàn)色標(biāo)分為黃、藍(lán)、綠、白、紅，單數(shù)年上半年檢驗(yàn)合格的使用黃色，下半年使用藍(lán)色；雙數(shù)年上半年檢驗(yàn)合格的使用綠色，下半年使用白色，紅色為不合格并禁止使用的色標(biāo)。檢驗(yàn)色刷涂在鋼絲繩索具的鋁合金壓 頭上。

4.6 提升鋼絲繩檢查、檢驗(yàn)質(zhì)量

傳統(tǒng)的檢驗(yàn)存在“死角”，如沒有全繩檢驗(yàn)、人員無法到達(dá)檢驗(yàn)位置等；選用檢驗(yàn)方式不當(dāng)或不全面，識別缺陷能力有限，無法實(shí)現(xiàn)重大缺陷的及時(shí)識別；未經(jīng)檢驗(yàn)或檢驗(yàn)項(xiàng)目不全等。主要原因是技術(shù)手段限制或位置受限，造成“死角”存在或不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷；第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)技術(shù)、能力有限或人為不規(guī)范檢驗(yàn)等。考慮利用諸如DROPS的檢驗(yàn)技術(shù)解決高空不可及位置問題，利用鋼絲繩探傷儀等提高缺陷識別能力，利用鋼絲繩在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測。目前鋼絲繩損傷檢測的方法有很多，可以大致分為電磁法、聲學(xué)法、光學(xué)法、X射線法、力學(xué)法等[3]。鋼絲繩在線檢測裝置在一定程度上保證了鋼絲繩的安全運(yùn)行，并在安全運(yùn)行的前提下減少了因過早報(bào)廢而產(chǎn)生的浪費(fèi)[4]。■