海洋石油生产作业设施钢丝绳缺陷检测及维保管理

杨 轶

(中海油能源发展采油服务公司 天津 300452)

0 引 言

近年来，海洋石油行业发生多起吊装作业事故，2014年12月，某钻井平台右舷吊车扒杆钢丝绳发生断裂，致使扒杆坠落砸中平台结构，造成吊车扒杆和平台结构受损严重。事故调查认定吊车钢丝绳磨损断丝导致钢丝绳性能下降而受力断裂。2017年8月，某平台油井大修进行打捞作业时，经过5次震击作业后，上提钻具至103t时，钻井大绳突然断裂，导致游车、大钩从2.5m高度滑落至钻台，幸无人员伤亡。事故调查认定，钻井钢丝绳局部过度摩擦形成疲劳源区，导致钢丝疲劳裂纹性能降低受力断裂。2020年 2月，某平台上提游车活动钢丝绳为除掉大绳等游动系统上的结冰，上提16.9m时钻井大绳突然断裂，游车顶驱迅速滑落至钻台，顶驱回座在井口钻杆上，幸无人员伤亡。事故调查认定，钻井大绳在天车滑轮组处跳槽打扭，将靠近的死绳卷入挡绳杆和滑轮之间摩擦切割并最终断裂。钢丝绳在使用过程中承受着拉、弯、扭、挤、振动等交变应力，存在断绳风险，钢丝绳作为海洋石油生产作业设施专业设备的“生命线”，一旦发生事故，可能造成人员伤亡、环境污染或财产损失。

1 海洋石油生产设施使用的钢丝绳种类

海洋石油生产设施所使用钢丝绳的作业类别繁多，根据《钢丝绳术语、标记和分类》(GB/T 8706—2017)和《海上石油作业系物安全规程》(SY 6564—2011)，海洋石油设施钢丝绳按照使用场所及用途分为系物钢丝绳和专用设备钢丝绳。系物钢丝绳是指海上石油作业中进行起重和拖曳等系物作业的绳缆、吊具等(不含起重机等专用设备使用的钢丝绳)；专用设备钢丝绳是指起重机用钢丝绳、矿井提升用钢丝绳、海洋工程系泊用钢丝绳、石油天然气工业用钢丝绳(钻修井作业相关)。以某工程公司为例，工程船舶钢丝绳主要分布在工程作业船舶上，钢丝绳主要用于浮吊、折臂吊、克令吊和锚机；陆地设备钢丝绳主要为起重机械设备、卷扬机设备本体附属钢丝绳。

2 典型钢丝绳缺陷分析

某专业检测公司近几年完成了30多万条次系物钢丝绳和7000多条次专用设备钢丝绳的检测，从检验大数据分析可知，钢丝绳失效主要包括断丝、 磨损、腐蚀(锈蚀)、损伤、变形、断股，如图1～12 所示。 桂旭等[1]针对某停车场升降平台断裂钢丝绳，采取断口分析、显微组织观察、化学成分分析、拆股试验等方法，推断钢丝绳失效的主要原因是疲劳。

图1 顶部断丝 Fig.1 Top broken wire

图2 谷部断丝 Fig.2 Valley broken wire

图3 变形-波浪形 Fig.3 Deformation wavy

图4 变形-灯笼形 Fig.4 Deformation lantern

图5 深芯挤出 Fig.5 Deep core extrusion

图6 变形-压扁变形 Fig.6 Deformation-flattening deformation

图7 扭结变形 Fig.7 Kink deformation

图8 弯折变形 Fig.8 Bending deformation

图9 外部磨损 Fig.9 External wear

图10 局部磨损 Fig.10 Local wear

图11 挤伤 Fig.11 Crush injury

图12 刮伤 Fig.12 Scratch

3 钢丝绳失效原因分析

海洋石油生产设施钢丝绳失效分为以下几类：制造缺陷、环境不良、选型不当、使用不当、维保不当和检测不当。从历年钢丝绳检测数据分析可知，系物钢丝绳检验总体不合格报废率大约为10%，其中以变形、损伤、锈蚀、断丝为主要报废缺陷，4类缺陷占比超过90%，与现场使用不当、维保不当、环境不良、检测不当等有关，见表1。当钢丝绳因断丝、断股、损伤或缺陷发生重大安全事故，以及事故调查组需要弄清钢丝绳失效原因或划定责任时，应向有资质的鉴定机构申请失效原因分析和事故鉴定。张平萍等[2]提出了钢丝绳“失效分析项目”及对应试验方法。

表1 系物钢丝绳检验不合格报废率分布表 Tab.1 Distribution of unqualified scrap rate of tie wire rope

专用设备(重要用途)钢丝绳缺陷分析以某检测公司2015—2019年实际检测专用设备钢丝绳数据为基础，分析得出结论如表2所示。

表2 专用设备(重要用途)钢丝绳缺陷分析表 Tab.2 Defect analysis of steel wire rope of special equipment(important use)

专用设备钢丝绳检验总体缺陷率为2%左右，以断丝、磨损、锈蚀为主要缺陷，3类缺陷占比超过85%，与现场使用不当、维保不当、检测不全面有关。专用设备钢丝绳断丝缺陷占比较高的原因是：专用设备钢丝绳在使用过程中与卷筒、滑轮等接触摩擦，当钢丝绳速度过快、打滑或润滑不良时，钢丝表面温度过高可能形成马氏体组织(硬而脆)，从而降低钢丝韧性，造成钢丝出现疲劳裂纹而断裂；另外，人工检测存在不足，只能检测钢丝绳的表面情况，检测频率有限、检测周期长、检测结果不稳定、检测工况恶劣或空间有限、检验人员劳动强度大或不能靠近钢丝绳，存在检验盲区或漏检问题，见表3。

表3 专用设备钢丝绳检验缺陷原因分类表 Tab.3 Classification of inspection defects of special equipment wire rope

4 钢丝绳维保管理的良好实践

4.1 将钢丝绳管理纳入QHSE管理体系

为进一步加强吊装作业安全，某石油企业将吊装作业纳入安全生产专项整治“三年行动”计划，组织开展钢丝绳专项检查并加强整改，重点提升钢丝绳使用、维保和检验管理水平。另外，制定并实施《关于进一步加强吊装安全管理的通知》和《关于进一步加强海洋工程吊装作业钢丝绳/索具管理的指导意见》，将起重作业定义为高风险作业，涉及钢丝绳的内容包括：①作业前所有的吊索、吊具须经专业人员检查；②起重装置和设备应处于检验合格证书的有效期内，起重设备的安全装置能正常工作；③负载不得超过起重设备的动态和静态装载能力；④操作动力起重装置的工作人员和司索指挥人员应经过专业培训并取得资格证书。

4.2 源头管控：加强钢丝绳采购环节的管理

新购钢丝绳可能存在制造缺陷，主要原因包括厂家制造过程未执行标准要求、出厂检验未落实、随意更改制造标识、代理商采购、技术要求不明确、非专业验收。针对上述问题，新购钢丝绳应事先确认厂家生产资质及第三方颁发的检验证书，采购合同必须明确索具，索具器件交货前应取得船级社所属专业设备检验机构检验合格证书和报告，通过建立钢丝绳生产品牌短名单，加强采办环节把关，细化和明确钢丝绳采办技术要求，增加出厂前预拉伸要求。

4.3 进一步规范钢丝绳的使用

选用的钢丝绳载荷、类型、附属件不匹配，钢丝绳直接与锐利棱角、其他结构物等接触或摩擦，钢丝绳受力角度超出标准规定允许值，都会对钢丝绳形成挤压、腐蚀等损伤。主要原因是作业人员对钢丝绳必要的使用知识缺乏，钢丝绳选型不当(类型不符、尺寸不符、载荷不符等)；存在造成摩擦或损坏钢丝绳的结构，未能发现或未被处理；在不良环境下使用，操作不规范；使用前检查不到位。当被吊物品有棱角或表面粗糙时，会使钢丝绳提前断丝或绳芯露出，推荐选择专用护角或护套来保护绳索，防止绳索在吊装过程中被尖棱锐角损坏降低其有效强度。禁止钢丝绳间直接连接使用，应加卸扣或吊环连接。钢丝绳吊索起吊要平稳，避免冲击载荷。采用有效措施避免索具在锐角处发生弯折或与其他构筑物碰撞钢丝绳吊索，肢间角夹角不得大于120°，以60°为佳。禁止从高处向下抛掷钢丝绳吊索，禁止用起重设备从被吊物下面强行抽拽钢丝绳吊索，使用中不得暴露在腐蚀性很强的液体或蒸汽介质中，不得在-60～100℃范围外使用，吊装过程中如钢丝绳出现异响应立即停止 使用。

4.4 严格按照技术标准做好检查和保养

钢丝绳使用前后进行常规目测检查，检查内容包括断丝情况、绳股变化、磨损程度、腐蚀程度、涂油状态、弹性变化、变形、松股、松捻、环眼部位、直径和长度、压头部位、外观颜色等。吊装用钢丝绳应由专人保管，贮存前应清除表面杂物，分类卷绕放置在垫板或悬挂在绳架上，严禁混存，并贮存在干燥、通风的区域，防止阳光直射、热气烘烤和接触酸碱等环境。吊装过腐蚀性较强物品的钢丝绳，使用后必须冲洗干净。为了获得最佳使用性能，大多数钢丝绳在使用期间应进行适时的清洗并涂以润滑油或润滑脂，特别是那些绕过滑轮时经受弯曲的部位需要进行补充涂油，所涂润滑剂必须与制造期间原润滑剂一致，对于牵引驱动钢丝绳所涂润滑剂不得消减其摩擦性能。

4.5 做好钢丝绳的日常检验和标识

建立钢丝绳使用档案，对钢丝绳要登记造册，钢丝绳应有产品合格证书、技术资料和使用说明书，禁止使用无证钢丝绳，强化对钢丝绳的全过程安全管理和完整性管理。钢丝绳的检验应委托有资质的第三方检验检测机构开展，定期检验周期为6个月。海上结构物安装使用前必须进行检验，出现损坏或可疑状况时应进行临时复验，停用半年以上(包括半年)又重新使用均应进行检验。检验标记包括检验色标和检验标牌，检验标牌是检验机构检验合格标识。检验色标分为黄、蓝、绿、白、红，单数年上半年检验合格的使用黄色，下半年使用蓝色；双数年上半年检验合格的使用绿色，下半年使用白色，红色为不合格并禁止使用的色标。检验色刷涂在钢丝绳索具的铝合金压 头上。

4.6 提升钢丝绳检查、检验质量

传统的检验存在“死角”，如没有全绳检验、人员无法到达检验位置等；选用检验方式不当或不全面，识别缺陷能力有限，无法实现重大缺陷的及时识别；未经检验或检验项目不全等。主要原因是技术手段限制或位置受限，造成“死角”存在或不能及时发现缺陷；第三方检验机构的检验技术、能力有限或人为不规范检验等。考虑利用诸如DROPS的检验技术解决高空不可及位置问题，利用钢丝绳探伤仪等提高缺陷识别能力，利用钢丝绳在线监测系统实时检测。目前钢丝绳损伤检测的方法有很多，可以大致分为电磁法、声学法、光学法、X射线法、力学法等[3]。钢丝绳在线检测装置在一定程度上保证了钢丝绳的安全运行，并在安全运行的前提下减少了因过早报废而产生的浪费[4]。■