臺(tái)風(fēng)作用下海洋井架結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)及評(píng)級(jí)

摘要：

海洋井架服役期間經(jīng)常承受極端風(fēng)載荷作用，定量評(píng)估其風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)并指導(dǎo)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警尤為重要。采用有限元分析方法研究風(fēng)載作用下井架高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)采集井架在臺(tái)風(fēng)期的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并建立風(fēng)載作用下井架安全評(píng)級(jí)模型，對(duì)井架現(xiàn)狀進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。應(yīng)用結(jié)果表明：井架在風(fēng)載作用下高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域處在結(jié)構(gòu)不同分體的連接處，尤其是承載機(jī)構(gòu)部位；井架在線監(jiān)測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為井架安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考；井架安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)模型可在充分結(jié)合井架實(shí)際服役狀況及臺(tái)風(fēng)預(yù)警數(shù)據(jù)的前提下，實(shí)現(xiàn)井架量化安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)。所得結(jié)論可為臺(tái)風(fēng)期井架安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及分級(jí)管控提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

海洋井架結(jié)構(gòu)；風(fēng)載作用；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)；在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TE95

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

202402071

Risk Monitoring and Safety Rating of Offshore Derrick

Structure Under the Action of Typhoons

Zhang Shichao1，2，3 Huang Rukang1，2 Li Biaobiao1，2 Li Jianwei2，3 Chen Xiaowei1，2，3 He Baolin1，2

（1.CNOOC Safety Technology Services Co.，Ltd.；2.CNOOC EnerTech-Safety amp; Environmental Protection Co.；3.Key Laboratory for Safety amp; Environmental Protection of Offshore Oilfield，CNOOC Energy Technology amp; Services Limited）

Offshore derricks are often subjected to extreme wind loads during service，so it is particularly important to quantitatively evaluate their structural response under wind loads and guide safety risk warning.In this paper，the finite element analysis method was used to examine the high-risk area of the derrick under the action of wind load.Then，combined with the on-line monitoring technology，the structural response data of the derrick during the typhoon period were collected.Finally，a safety rating model of the derrick under the action of wind load was built to quantify the risk classification of the current situation of the derrick.The application results show that the high-risk area of the derrick under wind load is located at the connection of different structural components，especially at the load-bearing mechanism.The online monitoring equipment of derrick can run continuously and stably during typhoon periods，and the monitoring data can provide reference for the monitoring and early warning of the safety status of the derrick.The derrick safety risk rating model can achieve quantitative safety risk rating of the derrick by fully combining the actual service condition of derrick with the typhoon warning data.The research conclusions provide useful guidance for the safety risk warning and hierarchical control of derricks during typhoon periods.

offshore derrick structure；wind load effect；high-risk area；safety risk rating；online monitoring

0 引 言

海洋石油井架作為鉆修機(jī)最主要的承載結(jié)構(gòu)，在服役過(guò)程中長(zhǎng)期承受復(fù)雜的作業(yè)載荷及海洋環(huán)境載荷雙重作用［1］。與陸地石油井架不同，海洋井架作為石油平臺(tái)高聳鋼結(jié)構(gòu)，風(fēng)載對(duì)其不利影響更加明顯。特別是近年來(lái)，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引發(fā)極端風(fēng)暴頻發(fā)，使得海洋井架服役環(huán)境越趨惡劣。2019年，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“玲玲”正面襲擊東海，實(shí)測(cè)最大強(qiáng)度超過(guò)17級(jí)，造成了有史以來(lái)最嚴(yán)重的生產(chǎn)和鉆井設(shè)施損失，其中部分井架均有不同程度損壞［2］。

為了掌握井架在風(fēng)載作用下響應(yīng)規(guī)律，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［3-4］進(jìn)行了井架風(fēng)洞試驗(yàn)研究，采用測(cè)壓試驗(yàn)和測(cè)力試驗(yàn)有效獲取井架風(fēng)壓分布與風(fēng)載荷大小；文獻(xiàn)［5-6］采用相似理論建立井架縮尺物理模型進(jìn)行了風(fēng)載荷激勵(lì)試驗(yàn)，采集了井架各部位加速度響應(yīng)與應(yīng)變響應(yīng)；文獻(xiàn)［7-8］通過(guò)建立數(shù)值模型進(jìn)行仿真模擬，揭示了不同風(fēng)載荷作用下井架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。大量的研究文獻(xiàn)為海洋井架防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了思路及方法，但在海洋井架防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警工程應(yīng)用上還少有相關(guān)實(shí)踐。

鑒于上述情況，筆者通過(guò)分析風(fēng)載作用下井架高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，融合井架結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)［9-10］，通過(guò)建立風(fēng)載作用下井架安全評(píng)級(jí)模型，對(duì)井架現(xiàn)狀進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)［11-12］，由此搭建了一套集應(yīng)力分析、在線監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)為一體的海洋井架防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系。應(yīng)用示范結(jié)果表明，該技術(shù)體系可監(jiān)控井架在臺(tái)風(fēng)期間的狀態(tài)，能有效指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)期間井架安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及分級(jí)管控。

1 風(fēng)載作用下井架高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)強(qiáng)度分析

1.1 井架整體應(yīng)力分析

為掌握井架在風(fēng)載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律，確定井架高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)井架整體進(jìn)行了風(fēng)載作用下的有限元分析。

1.1.1 井架概況

L平臺(tái)JJ450/47型井架是以H型鋼為主大腿的前開(kāi)口式無(wú)繃?yán)K“K”形自舉式井架，額定靜鉤載4 500 kN；工作高度46.7 m；井架抗風(fēng)能力為：保全設(shè)備工況（無(wú)立根、無(wú)鉤載）風(fēng)速≤63.3 m/s；等候天氣工況（滿立根無(wú)鉤載）風(fēng)速≤47.475 m/s。

1.1.2 有限元模型建立

根據(jù)井架出廠資料及歷史檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立井架整體有限元模型。為了減少計(jì)算工作量，在進(jìn)行有限元建模時(shí)，結(jié)合井架的特點(diǎn)，在滿足計(jì)算精度的情況下，對(duì)井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。在建立井架模型時(shí)作了以下假設(shè)：

①將井架簡(jiǎn)化為三維空間剛架結(jié)構(gòu)，其單元為三維空間梁?jiǎn)卧虎诮r(shí)將二層臺(tái)、天車、井架護(hù)欄、護(hù)梯等附屬設(shè)備忽略；③在井架上下體連接處建立耦合約束，模擬承載機(jī)構(gòu)的連接方式。建立的L平臺(tái)井架三維模型如圖1所示。

1.1.3 應(yīng)力分析結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［13］要求進(jìn)行風(fēng)載作用下應(yīng)力分析。臺(tái)風(fēng)條件下應(yīng)力分析2種工況：等候天氣工況（無(wú)鉤載，二層臺(tái)滿立根）和保全設(shè)備工況（無(wú)鉤載，二層臺(tái)無(wú)立根），每種工況風(fēng)載施加方向包括0°、45°、90°、135°、 180°、225°、270°、315°這8種情況。0°方向（背向）風(fēng)載施加示意圖如圖2所示。

分析結(jié)果表明，井架在保全設(shè)備工況背向承風(fēng)時(shí)為最不利工況，井架高應(yīng)力區(qū)位于井架上體與井架基座的相連接的承載機(jī)構(gòu)處，應(yīng)力云圖如圖3所示。

1.2 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)強(qiáng)度校核

為分析承載機(jī)構(gòu)部位在風(fēng)載作用下的應(yīng)力變化情況，結(jié)合具體事故案例進(jìn)行事故反演分析。某次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用造成C平臺(tái)井架在承載機(jī)構(gòu)處發(fā)生斷裂并致使井架傾覆，如圖4所示。事故失效模式與有限元分析結(jié)論相符，即承載機(jī)構(gòu)處是井架在風(fēng)載作用下的薄弱部位。

由于缺少實(shí)測(cè)風(fēng)速資料以及井架實(shí)際結(jié)構(gòu)性能方面的數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)井架倒塌過(guò)程作初步分析。井架承受風(fēng)載后，井架上體和基段安裝的承載機(jī)構(gòu)拉脫，承載機(jī)構(gòu)防退安全銷被井架下段處耳板剪斷，井架脫出。從井架基段上部前傾近60°可知，井架在受背向風(fēng)載狀態(tài)下倒塌的同時(shí)也將井架基段折彎，井架上體完全與井架基段脫離并倒向大門（開(kāi)口）方向。

L平臺(tái)井架結(jié)構(gòu)形式（包括承載機(jī)構(gòu)）均與事故C平臺(tái)井架類似，故參照C平臺(tái)井架進(jìn)行井架傾覆事故反演。計(jì)算時(shí)采用極端工況風(fēng)速64.7 m/s（該井架設(shè)計(jì)最大風(fēng)速）進(jìn)行載荷輸入，計(jì)算承載機(jī)構(gòu)處的位移，然后將其位移載荷施加至承載機(jī)構(gòu)局部模型中（見(jiàn)圖5），承載機(jī)構(gòu)有限元分析見(jiàn)圖6。

由事故反演有限元計(jì)算結(jié)果可知，承載機(jī)構(gòu)軸銷及耳板根部有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在承受非預(yù)期載荷時(shí)會(huì)首先受到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致井架上部結(jié)構(gòu)與井架基段分離并倒塌，可見(jiàn)反演結(jié)果符合事故真實(shí)情況。由于井架風(fēng)載作用下產(chǎn)生大的位移，對(duì)承載機(jī)構(gòu)軸銷以及耳板產(chǎn)生了強(qiáng)大的剪切力，造成軸銷或耳板的結(jié)構(gòu)破壞，使得承載機(jī)構(gòu)完全失效，最終導(dǎo)致井架倒塌脫落。有限元分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)事故案例均表明，后續(xù)在井架設(shè)計(jì)時(shí)及臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前要重點(diǎn)關(guān)注承載機(jī)構(gòu)部位。

2 臺(tái)風(fēng)期井架結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)

為掌握在臺(tái)風(fēng)作用下井架實(shí)時(shí)狀態(tài)，收集更多歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要對(duì)井架做臺(tái)風(fēng)期在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取井架結(jié)構(gòu)響應(yīng)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)井架隱患，進(jìn)而指導(dǎo)臺(tái)風(fēng)期間對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)管控。

2.1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)方案選擇的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)、配套設(shè)備及監(jiān)測(cè)軟件等構(gòu)成。采集數(shù)據(jù)傳輸方式為傳感器→網(wǎng)線→數(shù)據(jù)采集器防爆箱→工控機(jī)（含顯示屏）/UPS→北斗傳輸系統(tǒng)發(fā)射端。井架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖7。

采用DH2002集中式低速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)點(diǎn)數(shù)量多、測(cè)點(diǎn)相對(duì)集中、采樣速率要求不高的大型結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。

2.2 傳感器選型

在線監(jiān)測(cè)傳感器其主要包括如下部件。

（1）應(yīng)變計(jì)。DH1101焊接式應(yīng)變計(jì)是一種特殊的電阻應(yīng)變計(jì)，繼承了通用電阻應(yīng)變計(jì)的典型特性，特別適合金屬構(gòu)件的精密應(yīng)力測(cè)量和分析，具有穩(wěn)定性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、電焊安裝方便快捷、牢固可靠等特點(diǎn)。

（2）傾角傳感器。SCA120T雙軸電壓輸出型傾角傳感器是一款模擬電壓輸出的雙軸傾角傳感器，能同時(shí)輸出2個(gè)方向軸的傾斜度，用戶只需采集傳感器的電壓值就可計(jì)算出當(dāng)前物體的傾斜度。主要用來(lái)測(cè)量井架結(jié)構(gòu)與水平面的傾斜角度。

（3）風(fēng)速傳感器。對(duì)處于臺(tái)風(fēng)區(qū)域的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測(cè)，宜選擇三向超聲風(fēng)速儀。WINDSONIC超聲風(fēng)速傳感器是一個(gè)低成本的風(fēng)速計(jì)，它利用成熟的超聲波技術(shù)，通過(guò)一個(gè)串行或2個(gè)模擬輸出提供風(fēng)速和方向數(shù)據(jù)。其具有堅(jiān)固、無(wú)腐蝕的聚碳酸酯外殼，這種小型、輕便的風(fēng)傳感器特別適合于海洋風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

2.3.1 總體安裝要求

為滿足總體安裝后的適用性及安全性，提出了如下安裝要求。

（1）由于臺(tái)風(fēng)期間平臺(tái)需要撤臺(tái)，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備使用期間平臺(tái)上無(wú)人值守，故臺(tái)風(fēng)期監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)是持續(xù)供電，需要設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)備要求24 h開(kāi)機(jī)供電；該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用電總功率預(yù)估為100 W，能夠連續(xù)運(yùn)行時(shí)間預(yù)估為7 d，滿足監(jiān)測(cè)周期要求。

（2）為避免監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝后對(duì)作業(yè)造成干涉，需要所有電纜用不銹鋼綁扎帶進(jìn)行綁扎。電纜鋪設(shè)過(guò)程中，可以沿用原走線馬腳和線槽，無(wú)法利用的必須重新焊接馬腳和布置線槽。嚴(yán)禁直接綁扎在欄桿、護(hù)欄、梯子等結(jié)構(gòu)上。

（3）井架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部件及連接件必須穩(wěn)固可靠，具備雙重防墜落措施；卡箍與橫撐之間加裝膠皮以防止破壞井架涂層以及雙金屬腐蝕。

2.3.2 傳感器布置

傳感器布設(shè)要充分結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、井架歷史失效數(shù)據(jù)、井架應(yīng)力分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況等綜合考慮。最終確定井架布置32個(gè)應(yīng)變傳感器（8個(gè)安裝部位，每個(gè)部位4個(gè)點(diǎn)）、4個(gè)傾角傳感器，布置方案如圖8所示。其中下截面布點(diǎn)位置距鉆臺(tái)面17 m，上截面布點(diǎn)位置距鉆臺(tái)面31 m。

2.3.3 傳感器安裝

井架在線監(jiān)測(cè)傳感器安裝要求如下。

（1）應(yīng)變傳感器上截面安裝位置處于井架二層臺(tái)截面上方約6 m的井架主立柱距邊緣5 mm處；下截面安裝位置處于距離井架下端爬梯平臺(tái)平面的截面上方約2 m的井架主立柱邊緣5 mm處。

（2）傾角傳感器的防爆箱安裝位置處于井架二層臺(tái)截面上方的橫撐H型鋼凹槽處，夾具避開(kāi)井架照明燈。

（3）北斗傳輸系統(tǒng)和風(fēng)速傳感器安裝位置處于鉆修機(jī)儀表間房頂角落欄桿合適部位，以不影響鉆井作業(yè)，周邊不得有遮擋，在高處安裝為原則。

（4）數(shù)據(jù)采集器防爆箱安裝位置處于鉆修機(jī)配電間與儀表間之間外墻面；工控機(jī)（含顯示屏）、UPS應(yīng)安裝在鉆修機(jī)儀表間門口處空置位置。

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在監(jiān)測(cè)期間，實(shí)時(shí)獲取井架32個(gè)應(yīng)變傳感器及4個(gè)傾角傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取L平臺(tái)的氣象數(shù)據(jù)。

2.4.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取風(fēng)速較大的2023年11月3日全天數(shù)據(jù)和2023年11月4日截止到下午4時(shí)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每隔300 s完成一次傳輸，所獲取的數(shù)據(jù)為井架不同位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖9所示。為了更直觀地看出應(yīng)變值的變化，制作了井架應(yīng)變變化圖（見(jiàn)圖9a）。監(jiān)測(cè)期間最大應(yīng)變?yōu)?27.44 με，該鋼材彈性模量為206 GPa，故最大應(yīng)力為67.45 MPa。井架安全系數(shù)為5.12，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安全系數(shù)1.67［13］，因此該井架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。此外，結(jié)合風(fēng)速及應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)風(fēng)速變大，結(jié)構(gòu)應(yīng)變也隨之變大。

2.4.2 傾角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取2024年1月1日部分傾角傳感器的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)每隔300 s傳輸1次），經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到不同時(shí)刻傾角的數(shù)據(jù)如圖9b所示，其中X和Y表示不同方向。基于位移準(zhǔn)則，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［14］，高聳結(jié)構(gòu)在以風(fēng)為主的載荷標(biāo)準(zhǔn)組合下，其水平位移角不得大于1/75。在此次監(jiān)測(cè)中，傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)距鉆臺(tái)面31 m，故監(jiān)測(cè)處水平位移不得超過(guò)413.3 mm。經(jīng)測(cè)算，水平傾角不得超過(guò)0.764°。由圖9b可以看出，監(jiān)測(cè)期間傾角最大值為0.58°，傾角最小值為0.11°，其傾角絕對(duì)值均滿足要求。

3 臺(tái)風(fēng)作用下井架安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)

由于海洋鉆修機(jī)井架長(zhǎng)期服役于復(fù)雜工況下，其安全等級(jí)受結(jié)構(gòu)自有狀況及外界環(huán)境等多種因素共同作用，影響其安全性能的因素較多。若要判斷各因素對(duì)鉆修機(jī)井架的安全影響程度，并綜合考慮多種影響因素同時(shí)作用下對(duì)其安全性能造成的影響，基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)法有其突出的適用性。

3.1 建立評(píng)價(jià)模型

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)、工程經(jīng)驗(yàn)及管理要求建立臺(tái)風(fēng)作用下井架安全等級(jí)評(píng)級(jí)指標(biāo)體系，模型指標(biāo)體系分為2個(gè)層級(jí)，具體見(jiàn)表1。

3.2 建立評(píng)語(yǔ)集

將評(píng)價(jià)對(duì)象井架安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為A、B、C、D等4個(gè)級(jí)別，建立評(píng)語(yǔ)集V=（較低風(fēng)險(xiǎn)，一般風(fēng)險(xiǎn)，較大風(fēng)險(xiǎn)，重大風(fēng)險(xiǎn)），并對(duì)其賦值為：V=（4，3，2，1）。

3.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

結(jié)合歷史數(shù)據(jù)建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并采用“1-9標(biāo)度法”邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥瑢?duì)臺(tái)風(fēng)作用下鉆修機(jī)井架安全性能影響因素進(jìn)行權(quán)重賦值。為確保賦值的客觀性及全面性，確定專家人選時(shí)充分考慮了專家的擅長(zhǎng)領(lǐng)域及專家人數(shù)。最終從鉆修機(jī)使用單位、鉆修機(jī)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)廠家，第三方檢驗(yàn)咨詢機(jī)構(gòu)以及鉆修機(jī)維保單位等領(lǐng)域選定了共計(jì)12位專家。專家打分確定的最終臺(tái)風(fēng)作用下井架安全性能影響指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。

3.4 評(píng)價(jià)隸屬度矩陣確定

在建立隸屬度矩陣時(shí)充分參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)條目量化確定，使得分級(jí)結(jié)果更加客觀。

依據(jù)文獻(xiàn)［15］8.1中的規(guī)定，井架現(xiàn)有承載能力分為4級(jí)。井架抗風(fēng)能力同樣體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體的承載性能，故分級(jí)指標(biāo)的確定可參照應(yīng)力測(cè)試分級(jí)。井架結(jié)構(gòu)承載性能分級(jí)準(zhǔn)則見(jiàn)表3。

損傷情況依據(jù)文獻(xiàn)［16］中6.2的規(guī)定，對(duì)鉆修機(jī)結(jié)構(gòu)檢查期間發(fā)現(xiàn)的損壞定義為“嚴(yán)重”“中等”和“輕微”3類；腐蝕銹蝕情況可參考文獻(xiàn)［17］。綜合確定井架結(jié)構(gòu)完好性分級(jí)準(zhǔn)則見(jiàn)表4。

由于井架歷史服役情況4個(gè)指標(biāo)歷史記錄不夠完善，不能獲得十分精確的數(shù)據(jù)，故對(duì)4個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定，井架歷史服役情況分級(jí)準(zhǔn)則見(jiàn)表5。

3.5 安全等級(jí)分級(jí)計(jì)算

結(jié)合海上油氣田防臺(tái)輔助支持系統(tǒng)，獲取臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息。以2023年第14號(hào)“小犬”臺(tái)風(fēng)為例，該臺(tái)風(fēng)生成后朝西北方向移動(dòng)并逐漸增強(qiáng)，于10月2日夜間與10月4日夜間2次加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)。10月4日進(jìn)入南海東部油氣田最外層警戒線區(qū)域，風(fēng)力強(qiáng)度達(dá)15級(jí)；并于4日夜間在蘭嶼站測(cè)得最大風(fēng)速95 m/s，打破中國(guó)實(shí)測(cè)最強(qiáng)陣風(fēng)記錄。臺(tái)風(fēng)“小犬”進(jìn)入南海后移動(dòng)速度減緩，移動(dòng)方向由偏西轉(zhuǎn)為西偏南，但強(qiáng)度未明顯減弱，于10月6日再次加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)并進(jìn)入南海東部油氣田紅色警戒區(qū)域內(nèi)，最大風(fēng)力48 m/s，給南海東部和西部油氣田平臺(tái)帶來(lái)較大影響。臺(tái)風(fēng)“小犬”移動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖10。

根據(jù)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，L平臺(tái)所在區(qū)域未來(lái)所受最大風(fēng)力48 m/s。收集獲取L平臺(tái)井架相關(guān)服役情況并分析，將L平臺(tái)海洋井架進(jìn)行安全等級(jí)量化分級(jí)，評(píng)定結(jié)果如表6所示。

通過(guò)對(duì)防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，得到各指標(biāo)對(duì)應(yīng)于評(píng)語(yǔ)集的隸屬度，進(jìn)而得到了該平臺(tái)鉆修機(jī)井架防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)單因素評(píng)價(jià)矩陣R：

R=10000100010000100001001010000010（1）

防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)定量化見(jiàn)表7。

模糊綜合評(píng)判表達(dá)式為：

B=A×R

A=0.422 60.237 70.145 80.060 80.066 70.033 10.012 30.021 0T（2）

式中：B為評(píng)判結(jié)果向量，A為評(píng)判因素權(quán)向量。

綜合評(píng)估結(jié)果D為評(píng)估向量B與安全等級(jí)賦值V的乘積，則有：

D=B×V（3）

將式（1）代入式（2）計(jì)算可得：

B=0.438 90.383 50.114 90.066 7

又V=4 3 2 1T，經(jīng)式（3）計(jì)算得D=3.202 6。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果3.202 6屬于（2.5，3.5）的范圍，相應(yīng)評(píng)估結(jié)果為“3”。因此L平臺(tái)鉆修機(jī)井架防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為B，防臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為“一般風(fēng)險(xiǎn)”。

為了有效管控臺(tái)風(fēng)作用下井架安全風(fēng)險(xiǎn)，提出如下針對(duì)性技術(shù)措施：

（1）臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，依據(jù)井架評(píng)級(jí)及預(yù)警信息對(duì)影響井架整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查并修復(fù)，確保其處于良好的狀態(tài)；井架結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)做好檢驗(yàn)檢測(cè)工作（尤其是承載機(jī)構(gòu)），確保臺(tái)風(fēng)期間無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備固定綁扎，提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性，減小由風(fēng)載荷引起的振動(dòng)振幅。

（2）臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，除了對(duì)井架關(guān)鍵部位進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，還需要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估，對(duì)有損傷處征詢?cè)O(shè)備廠家進(jìn)行維修升級(jí)，提出修復(fù)加強(qiáng)措施，以滿足后續(xù)使用要求。

4 結(jié)論與展望

（1）通過(guò)有限元分析，結(jié)合事故案例反演可知：井架在風(fēng)載作用下，井架高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域處在結(jié)構(gòu)不同分體的連接處，尤其是承載機(jī)構(gòu)部位。

（2）井架在線監(jiān)測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)期持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為臺(tái)風(fēng)作用下井架安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及適用性的前提下，未來(lái)可考慮研發(fā)輕量化集成化在線監(jiān)測(cè)裝備。

（3）利用基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了臺(tái)風(fēng)作用下井架安全等級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，臺(tái)風(fēng)預(yù)警數(shù)據(jù)應(yīng)用結(jié)果表明，該模型可實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)作用下井架安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)。對(duì)于模型中部分指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取困難、量化打分缺少客觀依據(jù)的情況，需要后續(xù)持續(xù)調(diào)研完善，以使評(píng)級(jí)結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。

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第一張士超，高級(jí)工程師，生于1989年，2014年7月畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋油氣鉆采設(shè)備質(zhì)量與安全技術(shù)研究工作。地址：（300457）天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。email：zhangshch18@cnooc.com.cn。2024-02-182024-07-11楊曉峰