FPSO失效数据库系统开发

FPSO失效数据库系统开发

杨贵强1,孙丽萍2

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452;2.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

摘要：考虑到FPSO服役期间受到台/飓风等恶劣海洋环境、设备失效、人为失误以及其他因素的影响，不可避免地存在着碰撞、泄漏、火灾、爆炸、落物等风险，建立FPSO失效数据库，从FPSO设备及数据的分类方式、FPSO失效数据的筛选处理与失效概率计算，FPSO失效数据库结构设计与实现三方面论述建立FPSO失效数据库系统的思路和方法，认为该系统应用前景广阔。

关键词：FPSO;风险管理;失效;数据库

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.020

中图分类号：U662.9;P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0068-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一杨贵强(1971-)，男，学士，高级工程师

Abstract:During FPSO in-service period, it is influenced by typhoon or hurricanes and other harsh marine environment, equipment failure, human error and other factors, there is inevitably risks of collide, leakage, fire, explosion, falling objects and so on. So it is necessary to establish a FPSO failure database so as to improve risk analysis and management. From aspects of the classification FPSO equipment and data, FPSO failure screening data processing and calculation of the probability of failure, structure design and implementation of FPSO failure database, the idea and method to build up the FPSO failure database system are presented. The system is believed having a wide range of applications.

修回日期：2015-09-01

资助项目：工信部项目(E-J215A002)

研究方向:海洋工程

E-mail:yanggq@cnooc.com.cn

浮式生产储卸油装置(floating production storage and offloading system,FPSO)服役期间受到台/飓风等恶劣海洋环境、设备失效、人为失误以及其他因素的影响，不可避免地存在着碰撞、泄漏、火灾、爆炸、落物等风险。根据国际伤害、疾病,以及危险事件报告数据，1996～2002年间发生了316起FPSO危险事件。FPSO的安全问题一直受到了深切关注，也促进了国内研究机构对FPSO风险分析和安全保障的研究，使得结构设计、维护和安全评定提高到一个新的水平。然而由于海洋环境以及FPSO系统结构的复杂性，尚有很多的问题需要进一步的研究，特别是在FPSO风险分析过程中缺乏可靠、有效的失效数据支持，给FPSO风险的定量评估造成了极大的困难，甚至会出现错误的评定结果。

建立FPSO失效数据库的目的一是提高风险分析和管理的技术与能力，确保FPSO的安全运行，二是为FPSO船体及上部模块进行基于风险的设计时提供技术支持。针对我国FPSO服役海域环境条件、系统设备性能等特点，重点建立FPSO的爆炸、火灾、碰撞、落物、系泊失效等主要风险数据及防损措施。在FPSO风险辨识技术分析的基础上，运用系统工程理论，将FPSO的系统设备进行归纳总结，确定FPSO设备名目定义、分类边界等，形成FPSO设备的编码规则。采用服务器的结构模式，分析选择FPSO失效数据库系统开发工具及运行的环境配置要求，实现FPSO失效数据库的开发。

11FPSO设备及数据的分类方式

FPSO结构复杂，特别是系统设备庞大，对于样本名目的编排、失效数据的收集与分析以及数据库系统结构的设计造成极大的困难。为了便于FPSO设备的标识和分类，有效地建立失效数据库，必须建立一个科学的、完整的设备编码系统，以保证设备编码准确可靠、规范和标准、利于失效数据的提取和录入，保证信息流通顺畅和数据共享。

针对FPSO的生产工艺系统、惰气/氮气系统、蒸汽系统、压缩空气系统、海水系统、氦气系统、动力系统、热介质系统、货油系统、压载系统、扫舱洗舱系统、外输系统、系泊系统、立管系统、起重系统、安全消防系统以及溢油回收系统等，在对国外已有的相关数据库开展深入、细致研究的基础上，借鉴国外成熟的技术和经验并结合我国海洋工程的特点，确定FPSO设备名目定义、分类边界等，依据相关国内外行业标准对编码方法进行评估并形成FPSO设备分类编码规则，图1为数据库框架。

2失效数据筛选及失效概率计算

2.11FPSO失效数据的筛选处理

对FPSO系统而言，失效分内部失效和外部失效。前者包括制造失效和设计失效，故障可能发生在元件级、模块级、单元级和系统级的任何层次。外部失效包括环境因素、维修故障和操作故障。由于FPSO系统故障层次繁杂，失效存在大量相关性，失效模式受不确定因素影响较多，因此数据的采集与分析是否准确有效尤为重要。

图1　数据库框架

FPSO失效数据的获得方法有采用失效模式影响分析(FMEA)及其衍生分析方法、相关性可靠性评估模型和现场调查。失效模式影响分析及其衍生分析方法是获取失效数据的一种重要途径和方法。但仅通过FMEA及其衍生法获得的失效数据并不能完全反映FPSO在实际作业环境下的失效率，要想获得高质量的失效数据，需有工业数据库以及FPSO现场作业数据和经验等进行组合分析。获取失效数据的另外一个重要方法是建立良好的现场失效数据获取系统，以很好的定义和遵循数据采集流程为基础，对FPSO在现场的失效数据进行有效整理、分析和评估，这也需要结合对FPSO全面管理信息的支持以及FPSO相关人员在生产操作、检测维护等方面的经验来综合分析。相关失效数据的获得方法具体可分为：

1)静设备失效数据获取可采用这三种方法，其中以专项可靠性评估模型及现场数据调查最为广泛，如FPSO立管、海底管道和油气容器剩余寿命评估数据来源等。

2)锚链、锚机等部件的失效数据则通过大量FMEA分析或者现场数据调查获得，部分通过专项可靠性评估模型分析得到。

3)由于转塔、张紧器等动设备不但涉及到转动部件，还涉及到大量零部件，因而FMEA及其相关分析方法、现场数据调查方法都是此类失效数据获取的通用方法。

4)仪器仪表属于大量元件组成的典型设备，因而FMEA及其衍生方法、现场数据调查方法是此类数据获取的主要方法。

我国FPSO失效和风险管理在数据统计及失效数据库建立方面，与发达工业国家存在较大差距，特别是一些应用场合复杂、失效数据分散性大的设备(如单点系泊装置、采油树)。对于不同的设备，使用条件、管理水平及维护方法不同，所表现出的设备失效也截然不同。在FPSO设备有效分类的基础上，结合FPSO船体不同的结构(包含船体、转塔、立管、锚泊等结构)，开展FPSO失效数据的收集与分析工作。对应FPSO系统的元件、模块、单元、系统各级的故障产生的特点，结合不同数据采集分析的方法来综合灵活运用，使得FPSO的数据采集分析更加接近事实，以利于后续的失效概率分析和失效数据库的创建。最终获得的FPSO失效数据包含以上各类系统设备和结构相关的条目数据、服务时间、失效时间、失效数量、失效/维护等数据。形成数据收集指南，包含对数据收集定义规范、收集计划及质量控制要求等。

2.2失效概率计算

作为定量风险评价中一项最重要的内容，失效概率的计算主要依据对历史数据的统计与分析。这就需要建立导致FPSO失效原因的数据库，在此基础上建立FPSO失效概率模型，进而得到FPSO各类事故的发生概率。

针对几种典型风险，分别采用不同的方法进行风险发生概率计算。采用事件树分析方法和历史发生频率统计的方法研究火灾(爆炸)发生概率；通过文献调查的方式在以上分类的基础上拓展海洋结构的火灾分类形式，然后分析每种火灾类型形成原理，确定可用于描述每种火灾类型特征的参数(如风向、泄露速度、空气补给、周围建筑物情况等)，从而为火灾建模提供条件。

对于碰撞及落物风险，主要采用数值模拟及历史发生事件统计数据分析的方法来建立风险发生及损伤概率的计算模型。

由于系泊系统风险是FPSO的主要风险之一，采用两种技术手段进行FPSO单点系泊系统风险发生概率计算。采用统计的方法对失效数据库收集的与单点相关的历史数据进行分析，得出某个风险因素(例如内转塔系泊系统系缆断丝、破损)的过去发生频率，做出相应的频率分布图，建立近似数学模型，并以此模型预测现在或将来的发生频率。

对于失效数据库中数据不足的风险因素，基于失效数据库的定量分析变得困难且不可信，此时可考虑利用可靠性分析的方法。例如，结合实际海况条件下内转塔单点系泊FPSO时域计算分析结果，利用可靠性分析方法求得系泊缆的失效概率，从而得到风险发生概率。

3FPSO失效数据库结构设计与实现

FPSO失效数据库需要满足两个方面的要求。首先是失效数据的录入，这部分的功能主要是针对用户部分，可以让各级用户输入FPSO失效数据，通过交互的功能扩展并不断的将实际运行数据纳入失效数据库；其次即为本身基础数据库的组成，需要实现不同硬件/软件层面数据的融合。

失效数据库的性能直接决定着风险评估及风险管理能否及时实施。由于FPSO数据库需要存储的数据种类众多、数据量大、数据插入存储以及查询等访问频繁，失效数据库应该满足数据能够充分表达、容易理解和方便处理的要求，并体现设备信息、失效数据、维修数据及事故统计数据之间的关系。

FPSO失效数据库采取用户层-逻辑层(业务层-持久层)-数据层的架构方式建立。在用户层，用户通过浏览器远程登录系统可操作权限内的相关内容。逻辑层和数据层分别存放在远程端的应用服务器和数据服务器上。在应用服务器中，使用Apache Tomcat发布逻辑层的内容，供用户浏览和操作。在数据服务器中，使用MySQL数据库存储所有数据。使用Java语言编写业务层以及业务层与数据层的连接(持久层)。应用JSF技术编制浏览器客户端页面。这种设计可最大限度地减小对客户端的要求，并能保证服务器端数据的分离和安全。

根据FPSO的特点，数据采用树状结构，数据之间为一对一或一对多的关系，关系清楚明了。数据结构图中每个数据模块中还包含多个相关的数据或数据选项，数据模块及数据选项可以根据数据库使用者的需要确定是否显示，不需要的数据可以隐藏。在数据库建设时，将所有数据可能遇到的值(或情况)录入库中，并将每个数据最常见的值设置成默认值，这样在使用的时候，只要点击选择所需的选项即可，数据库在使用过程中的录入工作量大为减少。

FPSO失效数据库内容包括FPSO在设计、建造、运输与安装、生产运营、退役等全生命周期的相关设备及结构失效数据，充分考虑系统扩展能力及运行环境配置要求，实现了与风险管理和完整性管理的对接，是国内自主进行设计和开发的第一套FPSO失效数据库系统。该系统除具有与世界上同类数据库OREDA相类似的功能外，数据涵盖国内大部分FPSO的设备失效、维护及相关结构的可靠性数据。

4系统推广应用前景

随着FPSO市场需求量急剧增加，至2014年底，FPSO全球现役数量近160艘，预计未来5年内新增FPSO数量将超过15艘。FPSO是一个多功能集成、危险源高度集中的特殊载体，在贯穿其整个运行生命系统中一旦发生安全事故将会带来巨大的经济损失。中海油已运营FPSO多年，也曾出现过各种形式的失效事故，造成了不同程度的损失。较轻的造成设备故障、损坏，严重的造成油田停产，如“海洋石油113”单点曾出现严重事故，带来巨大的经济损失。目前，我国尚未形成自主知识产权的FPSO失效数据库系统。FPSO失效数据库的建立将形成专业、灵活且动态的数据系统，为FPSO在生命周期中的优化设计、安全性和经济性分析提供必备的科学依据，并为FPSO失效分析的智能化系统的形成奠定基础，具有可观的推广应用前景。该系统可以与国外失效数据库对接，形成动态的交互智能系统，有效减低FPSO全寿命周期内面临的各类风险，有效提高FPSO的安全性和经济性。此外，该系统的开发，将推进我国海洋工程企业国际化的进程，并为我国自主研发的产品进入海外市场提供实力，进而增强我国产品的国际竞争实力。

参考文献

[1] 孙丽萍,孙海.FPSO关键系统风险分析[J].Journal of Marine Science and Application,2012,11:402-409.

[2] 夏鑫.量化风险分析(QRA)在FPSO上的应用[J].船舶,2010(2):23-29.

[3] 余建星,张中华.基于风险的检测(RBI)技术在FPSO上的应用[J].海洋技术,2009,28(2):477-79-6.

[4] 许涛,赵军凯,朱宪,等.基于风险分析的FPSO资产完整性管理[J].安全与环境工程,2009,16(6):85-87.

Development of FPSO Failure Database System

YANG Gui-qiang1, SUN Li-ping2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China;

2.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Key words: FPSO; risk management; failure; database