海上固定油气开采设施结构完整性管理分析

李红涛

(中国船级社海工审图中心，天津 300457)

海上油气开采固定设施长期工作在恶劣、复杂的海洋环境中，受到波浪、腐蚀、冲刷、疲劳及其它不利因素的影响，其结构承载能力将逐步降低，往往会造成人员安全、环境污染的隐患，因此如何正确评估海上固定设施的结构安全状况，最大程度地减小发生次生灾害的可能性，这一直是海洋工程业界不断探索的课题［1-3］。

我国海上油气开采起步较晚，目前相关的法律、法规，包括业界的规范、标准正在逐步完善。主要以海上油气发展技术较为成熟的墨西哥湾为例，对美国海洋工程业界的相关标准、规范进行研究，从中得到可供国内海洋工程参考的有益结论。

1 美国海上固定设施的结构安全管理要求

美国墨西哥湾的海上油气开发起步较早，到目前为止，墨西哥湾总共大约有4 000座固定平台。美国海洋油气开发的安全监管职能由美国矿业管理局MMS(U.S.Minerals Management Service)行使。MMS于2003年8月15日发布NTL No.2003-G16“Assessment of Existing OCS Platforms”［4］，要求在墨西哥湾服役时间超过5年的固定平台应按照 API RP 2A-WSD(第21版)第17章的要求进行评估，并给出了为期3年的“四步走”的时间表，其中涉及评估的平台达到3 500多座。

美国矿业管理局颁布的联邦法案NTL-2003-G16，通过安全评估准确了解平台结构的现状和安全水平，对保证海洋石油平台超期服役的安全起到了较好的效果。

2 API RP 2A-WSD(第21版)第17章对海上固定设施的评估要求

目前，海洋工程业界对于海上固定平台的设计一般依据API RP 2A-WSD［5-6］，其第21版第17章明确规定了对于现存固定设施的评估方法和流程。

推荐做法中规定，当固定平台发生以下情况时，应对平台结构进行评估:① 人员的增加;② 设备的增加;③结构荷载的增大;④甲板的高程不足;⑤检测中发现损伤。

评估前应取得足够的资料，包括平台的设计图纸、历次改造图纸、按要求规定进行的测厚、现场检测以及实际现场土壤资料。这些数据、资料应能真实反映目标平台的实际结构状况。

海上固定平台的评估过程主要包括目标平台的选择、平台的分级、条件评估、设计基础校核、分析检查以及缓解措施的考虑。评估流程如图1所示。

图1 海上固定设施评估流程Fig.1 Fixed offshore structures assessment process

从评估流程中可以看出，评估的方法可采用两种方法，即设计水平分析和极限强度分析。设计水平分析类似于新的平台设计，分析时应考虑所有的安全系数，并且推荐做法中明确规定了应使用墨西哥湾和美国其它海域的海况标准。极限强度分析主要是判断平台是否具有足够的强度和稳定性，能够承受“极限强度荷载”而不“倒塌”。相对于设计水平分析，极限强度分析较为复杂，且保守余量较小，可采用线性整体分析、局部过载分析以及总体非弹性整体分析等分析方法，其衡量标准应采用储备强度比(RSR)判定，即平台的极限侧向承载能力与平台所受实际侧向载荷之比。推荐做法中明确规定了墨西哥湾和美国其它海域进行极限强度分析应使用的环境条件及RSR值。

不满足评估要求的平台需要采取缓解措施，一般可采用减少载荷、增加承载力及降低暴露等级等措施，使其结构强度满足要求。

3 API RP 2SIM对海上固定设施结构完整性管理的要求

为了让业界更好的理解和实施MMS NTL No.2003-G16，特别是API RP第17章的要求，MMS于2003年9月23日至24日组织了在役平台评估的讨论会。通过讨论，美国业界越来越认识到结构评估不是孤立的，而是结构完整性管理的一个环节，与平台的检验、修理、改造、维护等密不可分，此次会议上提出了研发一套专门针对在役平台的结构完整性管理的推荐做法API RP 2SIM的建议，将API RP 2A-WSD第14章(Surveys)和第17章的要求纳入其中，而新的API RP 2A-WSD将仅针对新建平台。

API RP 2SIM中对结构完整性管理概念定义为保证海上设施从安装到退役全生命周期过程的适用性评价系统［7］。此过程可用于平台降级、损伤、载荷变化、偶然过载、用途发生变化、延寿及平台设计实践，并为平台的结构损伤评价、适用性评估、检验计划、维护和修理等提供一个合理的框架程序。结构完整性管理的核心程序如图2所示。

API RP 2SIM结构完整性管理核心思想包括4个基本要素，即数据、评价、计划和执行。

图2 海上固定设施结构完整性管理框架程序Fig.2 Structural integrity management process

3.1 数据

SIM系统中最新的、准确的数据是保证结构完整性管理的基础，可分为特征数据和状态数据。特征数据主要包括平台完工初始状态时的信息，完工图纸和文件资料、建造数据以及海上安装数据等;状态数据主要包括反映平台在其寿命周期内特征数据变化的信息，如平台历次改造数据、检验数据、损伤评估数据、腐蚀数据、平台评估资料、加强/改造/修理数据以及状态检测数据等。这些数据应能全面、真实地反映平台的实际结构状况。

3.2 评价

评价是一个评估最新得到的平台数据对平台结构完整性管理影响的过程，包括在必要时进行的平台结构评估以表明平台结构的适用性，同时为调整平台的检验、监测及维修等计划提供输入。

API RP 2SIM中规定，SIM中规定，出现以下情况应进行计算评估:①人命安全等级提高或失效后果等级提高;②载荷增加超过10%;③甲板高程不足;④结构明显损伤超过10%;⑤损伤和载荷变化造成承载能力下降超过10%。

API RP 2SIM中提到了4种评估方法，分别为简单分析方法、设计水平分析方法、极限强度分析方法及其它方法。简单分析方法是利用以前的评估结果或类似平台的评估结论，根据目前平台状态，推断目前平台结构状况水平;设计水平分析方法是根据API 2A-WSD设计方法进行评估，API 2A-WSD，19th版本前设计的平台，评估时环境条件可进行折减;API 2A-WSD，20th版本及以后设计的平台，评估时环境条件应按原设计条件。推荐做法中第9、10节详细规定了墨西哥湾及美国其它海域评估时应使用的海况环境条件;当设计水平分析不能通过时，往往需进行极限强度分析，主要利用非线性大变形的分析方法确定平台所能承受的最大载荷，此种情况下，局部构件可以损坏，但平台不会坍塌。极限强度分析可采用等效线性分析方法或非线性分析方法，其使用的环境条件数据及储备强度比RSR要求可详见API RP 2SIM中第9、10节。

API RP 2SIM中推荐的评价流程如图3所示。

图3 API RP 2SIM结构评估流程Fig.3 API RP 2SIM structural assessment process

3.3 检验计划

平台结构检验一般可分为水上检验和水下检验。检验计划应根据评估结论制定，是平台检验的总体性和策略性的安排，包括检验的周期和范围安排，一般几年为一个周期，并在平台的生命周期内根据平台状况的变化做出适当的调整。检验计划可以基于:

1)基于失效后果的检验计划:与API RP 2A-WSD第14章的要求基本一致，这种方法仅仅基于失效后果，忽略了不同平台框架构造对结构损伤的抵抗能力的差异;

2)基于风险的检验计划:借助于结构评估，找出导致平台整体坍塌的关键构件，对其进行重点的检验和关注。

根据检验的范围、周期和位置，现场检测可划分为I，II，III，IV四个水平的检验。四个水平的检验要求和规定可参见API RP 2SIM中第6节。

3.4 检验实施

根据检验计划的要求，完成相应的现场检验工作，并完成对平台结构的加强、维护和修理，最终的数据应反馈到SIM的数据系统，从而维持平台数据的最新状态，实现结构完整性管理的一个循环。通过定期的此种评估循环，可实现对海上固定设施全生命周期的结构完整性管理。

此外，API RP 2SIM对结构损伤的评估、平台改变用途的使用、缓解失效后果及降低风险的措施以及平台的拆除等方面给出了较为深入的建议和要求。

综上所述，API RP 2SIM首次引入了结构完整性管理概念，通过数据、评价、检验计划及检验实施四要素为循环的管理模式，实现平台的结构损伤评价、适用性评估、检验计划、维护和修理等要求，为平台的安全运营和科学管理提供了全生命周期的技术保证。

4 国内海上固定设施的结构安全管理现状

自从20世纪60年代我国开始应用海上固定平台开发海洋石油以来，在我国近海海域已有固定平台几百座之多，但目前只是在平台改造、损伤、到达设计寿命或业主特别需要时才进行结构评估，还没有形成完善的结构完整性管理体系，主要表现在三个方面:一是目前业主尚未充分理解和认识到结构完整性管理的必要性和迫切性;二是还没有建立起完善的海上固定平台的基础数据管理体系或数据库;三是还没有建立起适合中国海域的、业界普遍接受的评估判定标准，主管机关也没有此方面明确的管理规定，使作业者获得有效约束，从而承担明确可控的社会责任风险。

另外，国内早期建造的海洋石油平台陆续达到和超过设计使用年限，例如渤海湾的埕北油田平台已超期服役6年，南海海域的涠洲10-3已超期服役3年［2］，针对当前我国越来越多的老龄石油平台进入超期服役阶段，且对于海洋老龄石油平台管理混乱、无序的现状，在吸收国外海洋油气安全监管先进理念的基础上，结合我国海洋油气工程开发的特点，提出适合中国实际的海洋石油平台结构完整性安全监管方法是十分必要和迫切的。

5 结语

针对目前国内海上固定设施的结构安全管理现状，借鉴美国墨西哥湾较为成熟的油气开采技术经验，建议从国内立法、海洋工程业界规范、标准完善以及业主安全管理意识的提升等几个方面加强国内海上固定设施的结构安全性管理。

1)法律、法规监管体系建立及完善

国家主管机关可出台相关法律、法规，明确规定对海上固定设施应进行结构完整性管理，从国家法律、法规层次对海上固定设施的安全管理提出要求。

2)海上固定设施结构适用性评估标准的建立

目前，国内对海上固定设施的评估依据并没有适用于国内海域的标准或规范，如缺乏国内海域的海况条件标准和适用于国内海域的储备强度比(RSR)。因此建议主管机关牵头，联合国内海洋工程业界尽快开展相关研究，尽快填补这一空白。

在相关标准出台之前的过渡期，考虑到我国海洋石油固定平台基本上是借鉴美国墨西哥湾开发经验设计、建造的，API RP 2A-WSD是被等效接受作为石油天然气行业标准发布，建议先参考API RP 2A-WSD等规范，依据平台新建标准对海上固定设施进行结构适用性评估。

3)平台结构完整性管理的具体实施要求

平台结构完整性评估、检验工作由具备相应资质的机构完成并得到发证检验机构的审查批准，或由发证检验机构进行。结构适用性评估的结论和发证检验机构对平台是否可以继续发证和生产的建议应报安监总局备案。

4)海上固定平台基础数据库的建立

完整、准确的数据是海上固定平台结构完整性管理的基础。基础数据的提供是业主/作业者的责任，需要的资料和数据至少应包括:平台一般信息、设计图纸资料、加强/改造/修理数据、状态检测数据等。业主/作业者应加强海上固定设施基础数据信息的管理，建立数字化数据信息系统，建议从设计阶段开始即采用结构完整性管理方法管理新建平台数据。

［1］ Kallaby J，Lee G，Crawford C，et al.Structural assessment of existing platforms［C］∥Offshore Technology Conference.1994:OTC7483.

［2］ 胡 军，唐友刚，石 烜.海洋老龄石油平台安全监管体系探讨［J］.船舶工程，2010，32(4):64-67.

［3］ 欧进萍，段忠东.海洋平台结构安全评定:理论、方法与应用［M］.北京:科学出版社，2003.

［4］ NTL-2003-G16，Assessment of Existing OCS Platforms［S］.U.S.Minerals Management Service，2003.

［5］ API RP 2A，Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-WSD［S］.American Petroleum Institute，2007:115-137.

［6］ Digre K A，Krieger W F，Wisch D，et al.Assessment of existing platforms［C］∥Proceeding of Boss'94 Conference.1994.

［7］ API RP 2SIM，Structural Integrity Management of Fixed Offshore Structures［S］.American Petroleum Institute，2011.