袁遠(yuǎn)，徐立新，祝傳鈺，陳文科，王金光，繆宸

（招商局海洋裝備研究院有限公司， 江蘇 海門(mén) 226116）

1 引言

海上石油天然氣開(kāi)發(fā)所利用的裝備和設(shè)施通常具有系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高、裝備設(shè)施價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，同時(shí)由于海上石油開(kāi)采一般遠(yuǎn)離陸地，一旦發(fā)生設(shè)備故障將導(dǎo)致災(zāi)害事故，很難得到陸地的及時(shí)支援，往往導(dǎo)致比較重大財(cái)產(chǎn)和人員損失。因此海洋設(shè)施和裝備在其全生命周期內(nèi)的可靠性、安全性一直是海上作業(yè)者關(guān)注的核心課題。

自1 9 8 0 年代以來(lái)，以風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)控制為核心的資產(chǎn)完整性管理（Asset Integrity Management）理論和方法在提升海洋裝備設(shè)施的安全性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，并得到了廣泛應(yīng)用。一些國(guó)際著名的安全管理機(jī)構(gòu)如英國(guó)HSE，挪威船級(jí)社DNV，法國(guó)船級(jí)社BV等均頒布了相應(yīng)的指南和軟件。我國(guó)在2000年代首次在陸地石化企業(yè)中針對(duì)煉油裝置中的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備如壓力容器、反應(yīng)塔、熱交換器等開(kāi)展基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)工作（RBI），并逐步拓展到海洋石油天然氣領(lǐng)域。中國(guó)海洋石油總公司已于2013年頒布了完整的《中海石油（中國(guó)）有限公司設(shè)備設(shè)施完整性管理體系》[1]，并逐步在各類現(xiàn)役海洋油氣平臺(tái)裝置中開(kāi)始實(shí)施。

完整性管理的基礎(chǔ)在于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，即識(shí)別出能夠?qū)е赂吆蠊年P(guān)鍵性設(shè)備、零部件。通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和事故調(diào)查，對(duì)于海洋設(shè)備設(shè)施目前行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的關(guān)鍵設(shè)備為：(1)海洋油氣平臺(tái)起重機(jī)[2]；(2)海底管道；(3)海洋油氣固定式平臺(tái)。

本文以完整性理論為基礎(chǔ)，選取其中最具代表性的關(guān)鍵設(shè)備—海洋起重機(jī)為工程實(shí)例，開(kāi)展完整性管理應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、設(shè)計(jì)審核、獨(dú)立分析和試驗(yàn)研究等方法，實(shí)施完整性管理，并基于分析和檢驗(yàn)結(jié)果形成的最優(yōu)化的完整性管理策略，確保設(shè)備在全壽命期內(nèi)的安全。

2 完整性管理基本理論

完整性管理中最基本技術(shù)路線為，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理最終使得設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)水平處于可接受的范圍內(nèi)，從而確保設(shè)備的安全。相應(yīng)的管理邏輯可以用圖1清晰地表示出來(lái)。

圖1 完整性管理邏輯

從圖1可知，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是實(shí)施完整性管理的基礎(chǔ)。大量的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表明，在一個(gè)裝置中通常由20%零部件貢獻(xiàn)了80%的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，這就是完整性理論中的“二八法則”。在實(shí)施完整性管理的過(guò)程中，需要將這20%的高風(fēng)險(xiǎn)零部件進(jìn)行識(shí)別，并優(yōu)先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，從而在總體維護(hù)成本不變甚至減少的情況下，提升設(shè)備的整體安全等級(jí)。

完整性管理的另一個(gè)核心技術(shù)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)于海洋設(shè)施，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目前有兩種方法：

一是依據(jù)先進(jìn)的可靠性理論，采用數(shù)學(xué)分析計(jì)算方法求解裝備的失效概率，進(jìn)行精確的量化風(fēng)險(xiǎn)分析；

二是基于失效模式，如疲勞裂紋、結(jié)構(gòu)損傷、軸承磨損等，結(jié)合實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性或者半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

第一種方法通常需要專業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析軟件以及相應(yīng)的設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)，比較適用于科研研究；在實(shí)際工程中，為了工程應(yīng)用的方便，多采用第二種半經(jīng)驗(yàn)的評(píng)估方法。以下將以海洋油氣平臺(tái)中的關(guān)鍵裝備—海洋起重機(jī)為例，詳細(xì)探討資產(chǎn)完整性管理實(shí)施的方案。

3 資產(chǎn)完整性管理實(shí)施

海洋平臺(tái)起重機(jī)是海洋石油生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，其主要功能是裝卸貨物、轉(zhuǎn)移工具、吊運(yùn)人員、運(yùn)送補(bǔ)給等，在平臺(tái)的日常作業(yè)中屬于必不可少的裝備。一旦發(fā)生起重機(jī)故障，由于海上維修周期長(zhǎng)，通常會(huì)造成較長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)從而導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)某海域，曾發(fā)生過(guò)起重機(jī)之起重臂發(fā)生大范圍裂紋，需要停產(chǎn)檢修，較長(zhǎng)時(shí)間影響生產(chǎn)的案例。因此，油田平臺(tái)的作業(yè)者均將平臺(tái)起重機(jī)歸類為核心裝備[3]，并在實(shí)際中進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)，是實(shí)施完整性管理的重點(diǎn)對(duì)象。

以我國(guó)東海某平臺(tái)在役海洋平臺(tái)起重機(jī)為例，該起重機(jī)設(shè)計(jì)壽命20年，最大起升重量35t，最大作業(yè)半徑40m，已運(yùn)行10年，起重臂為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，由平臺(tái)的立柱支撐。在過(guò)去10年服役期中，一直采用常規(guī)方式維護(hù)，即每2年定期進(jìn)行焊縫無(wú)損檢測(cè)（NDT），檢測(cè)部位則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，歷年的檢驗(yàn)結(jié)果都顯示結(jié)構(gòu)正常。

為進(jìn)一步提升裝備風(fēng)險(xiǎn)控制水平，消除其故障隱患，計(jì)劃對(duì)該起重機(jī)實(shí)行資產(chǎn)完整性管理，基于風(fēng)險(xiǎn)管理來(lái)優(yōu)化檢驗(yàn)和維護(hù)策略[4]，其主要流程為：

(1)資料審查和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。主要包括設(shè)計(jì)圖紙和常規(guī)檢驗(yàn)記錄文件審查，辨識(shí)潛在的、未能有效管理的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。(2)結(jié)構(gòu)失效分析（強(qiáng)度、屈曲、疲勞）。利用結(jié)構(gòu)分析軟件（如ANSYS、SACS等）針對(duì)起重機(jī)的實(shí)際工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞、屈曲分析，辨識(shí)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。(3)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（如無(wú)損檢測(cè)NDT）。在上述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)潛在的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并制定有針對(duì)性的無(wú)損檢測(cè)。(4)缺陷評(píng)價(jià)和維護(hù)。基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

在本項(xiàng)目中采用半經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)起重機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，主要過(guò)程為：

(1)采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)起重機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵部件識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)矩陣是通過(guò)專家打分方法，綜合失效后果和失效可能性，識(shí)別起重機(jī)中的關(guān)鍵零部件。風(fēng)險(xiǎn)矩陣[1]形式如表1：

表1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣表

結(jié)合起重機(jī)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，綜合專家打分結(jié)果，初步可以辨識(shí)出起重機(jī)的關(guān)鍵零部件為：

表2 起重機(jī)關(guān)鍵零件

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)文件審查進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和資料審查發(fā)現(xiàn)，起重機(jī)實(shí)際作業(yè)均滿足其設(shè)計(jì)條件，未遭遇意外超載和極端氣象條件（如臺(tái)風(fēng)、地震）等。但是設(shè)計(jì)文件中未對(duì)平臺(tái)起重機(jī)立柱進(jìn)行疲勞校核，定期結(jié)構(gòu)維護(hù)過(guò)程中也未對(duì)疲勞高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)NDT，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，將起重機(jī)立柱的過(guò)渡錐（幾何不連續(xù)）處標(biāo)示為潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如圖2所示。

圖2 起重機(jī)立柱疲勞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

(3)通過(guò)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

采用專業(yè)分析軟件，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，并對(duì)全部的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了辨識(shí)。結(jié)果表明，起重機(jī)的高應(yīng)力區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)主要集中于起重臂的前端、后端以及支座。計(jì)算結(jié)果和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的標(biāo)示如表3。

表3 應(yīng)力分析風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果

圖4 結(jié)構(gòu)分析高應(yīng)力區(qū)域標(biāo)示

3.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域行了有針對(duì)性的無(wú)損檢測(cè)（NDT），主要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：

(1)起重機(jī)機(jī)械零件如主軸承、主鉤、鋼絲繩、滑輪等狀態(tài)良好。(2)起重臂前端部發(fā)現(xiàn)間斷型表面裂紋，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)打磨可以直接消除?？梢耘袛嘣摿鸭y為初始焊接表面缺陷，不影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。(3)在起重機(jī)支撐立柱的過(guò)渡錐處發(fā)現(xiàn)多段裂紋，深度2～3mm，無(wú)法通過(guò)焊縫打磨消除。通過(guò)詳細(xì)的有限元疲勞分析表明該處疲勞UC值為0.98，因此判斷該裂紋為疲勞所致，而且原始設(shè)計(jì)中并未進(jìn)行疲勞校核，屬于設(shè)計(jì)缺陷，在后續(xù)維護(hù)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 起重機(jī)支撐立柱過(guò)渡錐疲勞裂紋

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)結(jié)果和詳細(xì)的疲勞分析如圖5：

圖6 起重機(jī)支撐立柱過(guò)渡錐有限元疲勞分析

通過(guò)對(duì)比歷史檢驗(yàn)記錄文件發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去10年服役期間，由于缺乏風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)此高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)從未進(jìn)行檢驗(yàn)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞缺陷，起重機(jī)存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)和故障源。這說(shuō)明，傳統(tǒng)上基于經(jīng)驗(yàn)的起重機(jī)維護(hù)管理存在一定局限性；而資產(chǎn)完整性管理AIM則正好能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，確保起重機(jī)等平臺(tái)設(shè)備的全生命期安全，值得在海洋油氣平臺(tái)裝備管理中廣泛開(kāi)展。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)際工程案例，詳細(xì)剖析資產(chǎn)完整性管理實(shí)施方法，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備維護(hù)，由于缺乏科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)源、故障源往往產(chǎn)生遺漏，設(shè)備存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(2)完整性AIM方法在經(jīng)濟(jì)有效地提升海洋工程設(shè)施的安全性方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，特別基于風(fēng)險(xiǎn)分析和故障模式分析能夠從根本上識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源，從而進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)。

(3)基于失效模式，采用半經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估從而完整性管理，在工程上是可行且有效的，從而可以避免使用過(guò)于復(fù)雜的理論方法，便于在工程上推廣實(shí)施。

◆參考文獻(xiàn)

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[3] API SPECIFICATION 2C Offshore Pedestal-mounted Cranes.2013.

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