老龄海洋平台的结构延寿评估

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(中国船级社 海洋工程技术中心,天津 300457)

0 引 言

我国海上油气田的开发始于1966年，迄今已有50年的历史，目前我国服役的海上固定平台总数达360多座，其中超过20年服役期的有32座，接近20年服役期的有73座。海洋平台的设计寿命通常在15～25年，据最新统计，目前仍在服役的超龄平台共有93个，其中渤海湾有22个、胜利浅海区域有63个、南海海域8个。这些数据表明，目前已有相当数量的平台步入服役后期或超期服役期。随着时间的推移，老龄平台的数量会越来越多，尤其是当年开采高峰期投产的平台集中步入老龄化平台的行列时，平台超期服役现象将愈加突出。

海洋平台在服役期间长期遭受风、浪、流、海冰等恶劣环境影响，会产生不同的损伤和风险，主要包括：(1)波浪拍击、罕见台风、船只碰撞、上部设施重量增加等原因引起的平台结构损伤和变形，使平台的整体强度降低；(2)平台油漆脱落、阳极保护失常等原因导致结构产生腐蚀，大幅降低平台结构钢材的力学性能，增加海洋平台的运营风险[1]；(3)海生物的长期附着会增加平台的整体重量，增大平台的波流载荷，还会对平台产生腐蚀作用[2]；(4)平台桩基周围局部水流动力场的变化产生的海底土层冲刷，降低平台桩基能力，影响平台稳定性[3]；(5)平台在服役过程中受到海浪等载荷的交变作用而引起结构的疲劳损伤，会导致平台管节点产生裂纹，如不及时处理，甚至会出现结构断裂问题，严重影响平台结构的安全。随着平台使用年限的延长，材料腐蚀、疲劳裂纹等平台老化问题将不断突出，导致平台结构的安全度和耐久度不断减弱，给平台的运营生产带来安全隐患，如不及时采取安全有效的措施对平台进行修复或加固，容易给油田资产和平台人员带来巨大损失，并严重污染海洋环境。

目前已有相当数量的平台接近或超过了设计使用寿命，平台结构通常会出现不同程度的裂纹、凹陷或腐蚀等缺陷。但很多时候，由于平台的产量超过预期，业主希望继续进行开采，或是因为平台特殊的地理位置，可作为依托平台为其邻近的新探明的海上油气田区块的开发提供油气处理或外输服务，节省新区块的开发成本。一些老龄平台往往具有超期服役的实际需求，通过利用老龄平台已有的生产处理设备，开发或输送新的油气资源，可降低新油田区块开发的投资成本，提高经济效益。如何保证平台的安全性、可靠性和完整性是延长老龄平台使用年限的一项重要任务。对平台进行全面有效的结构安全评估，为平台管理人员制定合理的检验程序、维修策略提供依据，可以使平台的操作人员对平台的安全状况拥有更加全面的认识，为平台的安全使用提供科学的操作指导，从而有效降低平台运营风险。

国外对老龄平台延寿技术做了非常多的研究工作。WALKER等[4]通过非线性有限元方法计算得到更加精确的平台在极端海洋环境条件下自存能力。BEA等[5]通过剩余极限强度评估的方法评估现役平台的剩余结构寿命，并开发了平台剩余结构寿命和平台极限能力等评估的计算分析软件，如Dassault软件可用于平台结构剩余寿命的评估、TOPCAT软件可用于平台极限能力的评估[6]。这些理论计算方法及评估分析体系已在北海和墨西哥湾的海上油田得到了广泛应用，并取得了显著的成效，目前已形成一套完整的应用技术体系。国内的老龄平台延寿技术始于20世纪90年代，清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和大连理工大学等在中海油总公司的组织下，开展“海上结构物检测、维护与修理”科研项目，对受损伤构件的修理与评估、结构裂纹缺陷分析与结构寿命预测、海洋平台维修等多项技术进行攻关。同时，国内的技术专家、设计人员和高校学者[7]也一直致力于老龄固定平台的剩余寿命、极限强度、结构可靠性分析的研究工作，总结出一系列的技术经验，为老龄平台评估技术的发展打下了坚实的基础，有力地促进了平台风险与安全评估技术的发展。本文从平台延寿评估的依据、方法、策略、程序和缓解措施建议等方面介绍老龄平台在超期服役过程中的关注重点，为老龄平台的超期服役提供决策依据，为制定超期服役过程中的检验计划提供参考。

1 老龄平台结构延寿评估的具体流程

老龄平台结构延寿评估是根据人员安全、失效后果、先期检验结果等因素，按照相应的标准对平台的结构安全性、可靠性和完整性进行综合分析和评价。结构延寿评估通常分5个部分：平台的选择，平台的分级，条件评估，详细结构评估，加固及缓解措施的考虑。具体评估流程如图1所示。

图1 老龄平台延寿评估流程

1.1 平台的选择

平台延寿评估的起因有：平台年龄超过设计使用寿命；疲劳寿命低于要求的使用寿命；在延长使用寿命期间，腐蚀引起的结构退化已经发生或很有可能发生。业主可以根据平台的剩余储量、邻近区域新发现的区块储量、海上油田配套开发成本的对比等综合评价，确定平台是否具备继续使用的价值，以做出是否需要对平台进行延寿评估。若平台具有延期服役的价值和需求，则制定相应的延寿服役信息调查内容，为平台延寿的可行性评估准备基础资料，调查内容包括：文件调查、结构调查、地质调查和环境调查等。

1.2 平台的分级

平台分级是通过人命安全和失效后果2个方面对平台结构的重要性进行分类，从而确定延寿评估所依据的评估标准，使其与预定的功能相适应。根据人命安全和失效后果的组合将平台分成3种暴露分级：L1,L2,L3，见表1。分级级别为L1>L2>L3：如果人员或设备增加导致平台暴露分级由L3增至L2,L3增至L1或者L2增至L1，则平台需要评估；如果平台暴露分级由L2降至L3,L1降至L3或者L1降至L2，则不需要评估。

表1 平台暴露等级分类[8]

1.3 条件评估

条件评估是指通过收集各种评估基础数据确认平台当前状态，根据相关的接受准则初步判断是否需要对平台进行详细的结构评估以及进行相应的评估规划。条件评估的接受准则根据平台的暴露分级，依据相关的法令要求、业主所属公司的政策、行业标准/惯例等确定。

1.4 详细结构评估

如果条件评估的结论是认为平台需要进行详细分析来进一步评估其实际状态，则应对平台进行设计水平分析和极限强度分析。在进行详细校核分析前，应根据平台历史检测结果对结构防腐系统，包括阳极块、防腐涂层的状态进行评估，在保证防腐系统可以满足平台预期使用要求的前提下，充分考虑平台服役期间经历的各项改造引起的平台重量、重心变化，所发现的任何损坏、修理、侵蚀或其他影响结构性能或整体性的缺陷，正确评估平台的真实状态。

在评估分析时，一些基础数据和指标，如海生物厚度、活载大小、安全系数等一定要先考虑设计值(在确定其合理的前提下)，如设计无明确要求，则根据平台使用情况或相关检验数据确定。对于无法检测的结构，如桩和部分水下管节点等，在进行疲劳分析时，应该考虑更大的安全系数，可以参考API RP 2A和NORSOK STANDARD N-006等规范。

详细校核分析的内容可包括结构静力分析、波浪动力分析、地震分析、疲劳分析等整体强度分析，也可包括波浪拍击和涡激振动等局部结构强度分析，主要依据API RP 2A-WSD规范的相关要求，必要时可以参考其他船级社或权威组织规范。对于凹陷、裂纹等局部损伤的分析，可以参考API RP 2SIM和BS 7910等规范。

1.5 加固及缓解措施

若平台不能通过结构评估，可以采取合适的缓解措施，如降低碳氢化合物存储量、减少平台人数、减少平台载荷和/或进行整体、局部加强或维修等，以使得平台通过评估。通常的缓解措施[9]有：(1)降低载荷。如减少上部结构多余的设备或结构，移去多余的隔水套管、附属结构等，控制海生物厚度且适时清除。(2)结构加强。如增加加强筋、构件或节点灌浆、卡箍加强等。(3)局部改造。如安装构件改善局部构件或节点受力等。(4)结构防护。如定期检测、平台监测、定期刷漆、飞溅区加强保护、阳极块及时更换等。(5)降低应力集中。如焊趾打磨、裂纹打磨修复、管节点灌浆等。(6)使用材料证明或材料试验来更好地评估结构抗力强度。(7)对疲劳敏感部位有计划地进行跟踪检测。

2 老龄平台结构延寿评估面临的困难

未来几年，我国将有大量平台步入老龄化服役期。然而在老龄平台延寿评估方面，还存在较多的困难，主要集中在：(1)国内对老龄平台延寿评估尚未展开广泛深入的研究，缺乏相关指导性规范和专业软件；(2)早期的平台，如20世纪90年代投产的平台，原始设计及完工资料残缺严重，服役期的改造情况记录不详，难以准确模拟平台的实际状态；(3)缺乏精确的理论和方法对平台所存在的缺陷，如锈蚀、裂纹、凹陷等，进行高效评估；(4)对处于较大水深的海域，如东海、南海的平台，平台底部海生物残骸堆积严重，不能充分检测裙桩的结构状态，使得延寿评估不能准确预测裙桩的实际能力。

这些困难对老龄平台延寿评估结果的准确性带来一定的挑战，需要业内各方，包括平台管理方、检测方、施工方和规范研究部门，共同重视和努力才能妥善解决，通过对海洋平台延寿方法的研究，制定出符合我国国情的指导性规范，同时平台管理方要做好平台的完整性管理，实时掌握平台的最新状态，检测方需要进一步加强对平台的检测手段和检测精度，克服检测过程中存在的困难，为延寿评估提供全面、真实的第一手数据。只有这样，延寿评估的结果才能更加可靠，对老龄平台的安全营运才能具有更重要的指导意义。

3 结 语

随着我国海洋平台老龄化趋势的加重，平台超期服役的需求将不断增大，老龄平台延寿评估将成为今后

保障海洋石油平台安全运营的重要手段。本文系统介绍了平台延寿评估的流程、依据、方法、策略和缓解措施建议等，指出了目前老龄平台延寿评估中存在的问题和困难，可为老龄平台的延寿提供决策依据，为制定平台的检验计划提供参考。

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[2] 郭剑,朱晓旭.对海洋石油生产平台防海生物装置的解析[J],中国海上油气(工程),2002,14(06):39-44.

[3] 孙宁松,孙永福,宋玉鹏.海洋平台桩基冲刷及影响因素分析[J],海岸工程,2004,23(04):38-43.

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[7] 黄炎,周晓东.海洋平台延寿与再利用可行性评估流程分析[J].中国海上油气,2013,25(04),71-76.

[8] API.Recommended Practice for Planning,designing,and Construction Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design:API RP 2A-WSD[S].2014.

[9] 中国船级社.在役导管架平台结构检验指南[M].北京:中国船级社,2013.