原型测量法在海冰作用下海上采油平台 失效评估中的应用
2021-06-15刘宁天津北海油人力资源咨询服务有限公司天津300457
刘宁(天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津 300457)
0 引言
位于我国渤海区域的海上石油采油平台处于高纬度地区，冬季时要面对海冰等灾害的威胁。海冰会引发导管架和平台持续振动，而导致采油平台的管线发生法兰松动、管线断裂、泄漏等问题，进而严重威胁平台的安全生产活动，也会对周边海洋环境造成污染和破坏。因此应建立海上石油采油平台长效监测和分析评估机制，对海冰给海上采油平台造成的危害预测与预警，以便及时采取应对措施。
1 现状分析
我国渤海冬季多为冰区，中海油在此区域多为边际油田，储油量小，因此在当时设计时虽然考虑了抗冰结构设计，但是兼顾开发成本的因素，采用减小平台用钢量的方法来降低开发成本，缩短制造工期，提高收益。因此我国渤海区域的海上采油平台的导管架用钢量较少，结构相对较柔，进而造成渤海区域的海上采油平台在海冰作用下的振动问题较国外的同纬度、同环境下的平台更为突出，严重威胁着海上采油平台的生产安全[1]。
1.1 分析方法
海上采油平台结构中最先接触海冰的是导管架，其受到海冰的作用力往往最大，而后在海冰的持续作用下，平台上部、中下部管道也受到持续的影响，进而在振动产生的动力作用下造成结构失效问题[2]，其中失效问题中非常重要的一项就是结构的疲劳失效。此外，海冰会引起导管架和平台持续振动，在振动下海洋平台的上部管线可能会出现法兰松动、管线断裂及泄漏等安全问题。基于上述情况：首先根据对海冰作用下的海上采油平台设施受损和功能失效模式认识，有针对性地选择渤海区域内典型受海冰作用的超龄服役海上采油平台下部导管架，进行现场原型测量点位设计，并开展现场监测工作；其次，根据监测的加速度数据判别失效的风险，并进行分析与对比；最后基于实测数据和分析数据，将海冰对海上采油平台的危害进行数据量化和评估，进而进行预测与预警。
1.2 失效模式分析
失效模式一般指静力失效和加速度作用下结构疲劳失效问题。文章选取JX1-1 A平台对两种情况分别进行相关研究。该平台是一座四腿锥体导管架结构，实际中设计了可以安装在平台导管上的压力盒。该压力盒由4个压力感应原件构成，压力盒的有效长度为1 m，压力盒安装如图1所示。
1.2.1 静力失效问题
海上采油平台静力失效一般包括两种模式，分别是强度和刚度失效模式。为了防止在设计寿命中出现静力失效问题，海上采油平台一般在初步设计时就充分考虑了平台对强度和刚度的要求。一般情况下，强度要求指设计允许使用应力大于结构极端状况下产生的最大应力；刚度要求是指规范强制要求的允许值大于结构产生的极大变形值。因此，评估JX1-1 A平台结构在渤海区域极值静冰作用力下的安全性与可靠性可以通过强度和刚度设计要求值和实测值对比来实现。
我国现行的国标和中国海洋石油总公司的企业标准关于渤海区域的海上采油平台结构的设计都作出了相应规定：充分考虑满足极值静冰作用力下的情况，因此，在设计时静力安全储备预留很大[3]。通过查阅设计文件和现场实际测量数据可以看出，JX1-1 A平台在海冰极值静冰作用力下，结构的极大变形和最大应力都能够满足对于结构的高强度和刚性的设计需要，且具有很大的安全储备量，如表1所示。
表1 最大静位移和最大名义应力
1.2.2 结构疲劳失效问题
主要对JX1-1 A平台上的管线振动情况进行了监测。管线的振动主要是由甲板和导管架振动引起的，而甲板和导管架振动的加速度取决于海冰的厚度和速度[4]。对监测数据进行了整理和建模分析，得到不同甲板和导管架振动加速度与冰厚、冰速的呈现出线性函数关系，如图2所示。
图2 管线振动加速度与冰速的关系
1.3 管线失效评估
(1)对JX1-1 A平台上部管线基于监测数据进行失效评估。本文选取2018年、2019年、2020年加速度监测样本中最大数据作为样本，经过计算得出最大值出现在2月中旬几天，并且在2019年2月11日，监测加速度达到0.43 m/s2，有造成法兰松动的风险。数据和风险的关系如表2所示。
(2)同样，选取2018年、2019年、2020年加速度监测样本中最大数据作为样本，对JX1-1 A平台中下部管线基于监测数据进行失效评估，经过计算得出2019年最大值出现在1月下旬，平台监测加速度主要集中在0.22～0.42 m/s2，有造成法兰松动的风险。
表2 监测数据和风险关系表
2 建议
建立长效监测和分析评估机制，对海冰给海上采油平台造成的危害预测与预警，以便主动采取积极应对措施。
(1)建立全天候天气预报机制，包括对海流、潮汐、浪高、风力和海冰等情况的预报；
(2)建立高纬度平台振动最大加速度监测数据预警体系；
(3)建立危险冰情联动值守共享机制，在形成危险的海冰灾害的半小时内最近的破冰船应到达相关平台区域进行单独或协同破冰作业。
3 结语
以上研究为海冰作用下的海上采油平台评估提出了一种量化的理论手段。针对渤海区域海上超期服役采油平台进行基于原型测量法的评估，可以解决定性问题定量化的问题，监测示例显示出这一方法具有很强的实用性。
除了渤海区域外，我国在南海也有海上采油平台，大多采用半潜浮式深海采油平台，由于所处环境、结构、工作场景、操作形式等存在差异和复杂化的问题，原型测量法在半潜浮式深海采油平台方面的研究与应用开展十分有限。随着国家深化海上石油走进深海的战略，笔者认为这方面的研究将是今后发展的重要方向。
