失效模式研究在单点系泊系统完整性管理体系中的应用

李鹏

（中海油能源发展采油服务公司技术中心，天津塘沽，邮编：300457）

1.0 概述

据不完全统计，转塔式系泊系统在全世界FPSO定位系泊系统中占的比例约为65%，可谓举足轻重【1】，它们遍布世界风浪条件最恶劣的海域，诸如挪威大陆架、北北海、墨西哥湾和南中国海。目前在南中国海域作业的FPSO均采用内转塔式系泊系统，其典型的布置设施见图1所示。

图1 南中国海典型系泊系统示意图

近年来，随着超强台风和土台风的不断侵袭，南海海域作业的FPSO系泊系统分别出现了不同程度的损坏和功能缺失，虽然幸运的是尚未出现系泊系统重大损毁失效事件，但如何提高整体系统运营的风险管理和维护检测的手段正在逐步得到整个中海油的重视。

2.0 系泊系统安全管理的意义

传统的油田作业者在安排生产维保中一般包含机械设备、生产工艺设备等显而易见的内容，而对于在水下的系泊系统，往往被忽视甚至被认为是永不失效的装置，而事实上由于设计冗余度不足、疲劳、安装损伤等原因，系泊系统往往有着天生的缺陷，应该得到充足的重视。

做好系泊系统安全管理工作，其意义在于：

1、油田安全生产最基本的保障：由于FPSO是一个作业区块的中心，担负着原油处理、储存、供电等重要职能，因此FPSO的系泊安全是整个作业区块的最基本要求。

2、国际声誉、环境保护的需要：系泊系统的作用在于通过质量——弹簧系统使FPSO的位移保持在生产管线可以承受的范围内，若风、浪、流的作用使其位移超出范围，则生产管线、电缆就会因拉力过大而失效，FPSO船体也可能因不平衡力的作用发生倾覆，因此在防止海上溢油等重大事故的发生，维护作业者良好的国际声誉、甚至国家声誉方面，系泊系统都发挥着重要作用。

3、国际保险市场重要的参保依据：从规模和投资比来看，系泊系统有相对简单的结构，却占到较大的资金投入，足可见其技术难度和重要性。在国际保险市场上亦是如此，国际保险人把单点系泊系统的安全作为整个油田设施保险的重要环节，因此会借助某些组织机构提出比船级社规范更详细的维护、监测要求。做好系泊系统安全管理工作，不仅可以降低维护成本，而且能够在国际保险谈判中占到更有利的位置。

3.0 国内国际管理方式和技术手段的对比

3.1 管理方式对比

3.1.1 国内现有管理方式

目前南海FPSO系泊系统的管理与FPSO船体的船级社入级管理是合并在一起的，基本采用船级社入级管理程序，实施水下检验。对系泊系统所属的甲板机械设备实行换证检验。海上一般由机械部门完成对单点系统水上部位的维护和检测，水下部位由于维保难度大，动员费用高，基本上每2.5年进行一次水下检验。此时间间隔内无法了解系泊系统（水下部分）的作业状态。

3.1.2 国外管理方式

国外作业者（以北海内转塔单点系统为例）除在正常生产状态采用上述船级社检验入级外，还采用完整性管理概念实现单点系泊系统在全生命周期内的管理。具体流程见图2。

如图2所示，其中“设计环境条件”一项，目前国外相关文献【2】中已经明确提出建议将单点系泊系统的设计海况重现期由与船体结构一致的百年一遇，调整到万年一遇海况，以增加系泊系统安全性。其中“确定/更新系统状态标准”的含义是：在完成系泊系统安装后，通常采用设计复核的方法对锚泊线（包括锚链、钢缆、连接结构等）进行检查，看是否存在因现场安装导致构件破损形象整体寿命的情况出现。设计复核后确定系泊系统基线（baseline）数据，后期的检测监测则以该基线为参照，当系泊系统状态特征数据低于基线数据时，则表明存在风险并应采取补救措施。

图2 单点系泊系统完整性管理流程

3.2 技术手段对比

3.2.1 国内技术手段

1、常规潜水：操作时间较短，应用于水面以下较浅位置的检测，如单点舱处的船底板，单点浮筒（见图1）等的检测

2、饱和潜水【4】：按照国际惯例，当潜水作业深度超过120米、时间超过1小时，一般采用饱和潜水。应用于钢缆检查，在南中国海FPSO中的应用与ROV类似。

3、ROV检测：应用于水下较深部位的检测，如系泊钢缆，海底锚链，配重块等的检测。

3.2.2 国外技术手段

除3.2.1中1、2、3外，国外比较常见的技术手段还有：

1、单点系泊在线检测系统：一般采用应变检测仪器或倾角仪对系泊线的张力进行实时监控，通过设定报警值的方法反馈给FPSO或陆地控制部门，给作业者提供参考。

2、系泊线三维成像技术：搭载在ROV上的一套系统，有多个水下摄像头，沿系泊线拍摄的图像返回处理计算机得到三维图像，可以精确到钢缆和锚链环的局部腐蚀，数据经过分析后可以进行剩余系泊力评估。

图3 某公司钢丝绳测量系统

图4 某公司锚链环分析——应力分布云图

3、系泊线疲劳寿命评估：三维成像技术的延伸，通过三维图像可以分析出系泊线的疲劳寿命。由于疲劳问题的研究在国际上还没有得到根本性的突破，目前世界范围内还在采用概率和统计方法，对疲劳寿命进行评估，而在检测精密程度上越来越高。

4.0 失效模式研究在完整性管理中的体现形式

在图2“单点系泊系统完整性管理流程”的介绍中，并不能直接看到失效模式研究的整个完整性管理体系中位置。但实际上，流程“设计一套受损运行理念和程序”和“按部件逐级进行风险评审”中就会涉及失效模式研究的内容：首先在受损运行状态下，应明确受损部位的失效模式，在已知不会影响整个系统全局的情况下，应对该部件受损导致的结果做充分的风险判断，并制定相应的应急管理程序；其次，按部件逐级进行风险评审的前提就是对各部件有充分的失效模式研究，做到对部件本身和其牵连的部件进行风险分析。因此失效模式研究是对系泊系统各组成部分可能发生的问题进行梳理和预判，从而在管理监控方面提高范围和精度，是系泊系统完整性管理中技术层面的重要一环。

5.0 内转塔系泊系统失效模式研究具体技术内容

失效模式研究不仅只是一种管理理念，针对具体系泊系统，有着具体的技术细节，是要通过科学的计算和经验积累得到的。

下文结合国外文献和中国南海FPSO实际情况，对典型的内转塔系统失效模式进行介绍。

5.1 系泊分析数据输入不足

系泊分析是系泊系统设计的第一步，并贯穿整个系泊系统生命周期，该项技术因水动力技术的发展得到迅速提高，但目前最大的问题在于输入数据的不准确甚至缺失，如事实风浪参数需要安装专用测量仪器，而不应采用预报值，又如海底泥沙，岩石条件没有得到监测等。具体参见表1。

5.2 设计分析方法不当

设计分析方法是指具体系泊分析时的水动力分析方法，其中多项内容涉及水动力专业参数，详见表2。

5.3 强度不足引起失效

在单点系泊系统设计时应充分考虑各构件的强度问题，并考虑充分的安全系数和余量。而处于海水中的各系泊组件因不能得到及时监控和修补，常常出现强度问题，具体形式见表3。

表1 系泊分析数据不足具体形式

表2 设计分析方法不当具体形式

5.4 磨损问题

系泊系统各组件内部，组件之间，组件与海底均存在磨损问题，应定期检测，及时更换。具体可能发生磨损的部位见表4。

5.5 疲劳问题

疲劳问题是指系泊线由于长期周期性运动，没有达到塑性变形阶段的作用力导致系泊线断裂失效的现象。详见表5。

5.6 腐蚀问题

系泊系统尤其是锚链、系泊缆部分长期浸泡于海水中，不可避免地会发生腐蚀。腐蚀是自然规律不可能做到百分之百防腐，但对宜腐蚀部位加强监控，可以有效降低此类风险，具体可能发生腐蚀的部位见表6。

5.7 其他四类问题

另外,引起系泊系统失效的原因还有触碰问题、运动问题、制造问题、安装问题等，作者将其汇总于表7。

本文总结的国外对失效模式的研究共可分为

10大类【2】，内容涉及设计、生产、安装等系泊系统全生命周期。应用失效模式研究于系泊系统，可以为作业者提供重要的参考，方便编制维保检修计划。

表3 强度问题

表4 磨损问题

表5 疲劳问题

表6 腐蚀问题

表7 其它失效模式汇总

6.0 结束语

随着近年来全球范围的恶劣海况不确定因素增加，世界各国（包括中国）在海洋工程系泊安全问题上都遇到了一些困难。面对国际问题，就需要国际合作来解决，中国正处于起步阶段，吸收国外的先进管理理念和技术手段是迈向国际化的第一步。因此本文建议逐步理解吸收国外经验，同步将其应用于南海FPSO的维护、检修与管理，实现事故发生概率的最小化。

目前在南中国海服役的单点系泊系统的设计，关键部位制造全部来自国外，并且国外在检测、维护技术、管理手段上也处于领先地位，我国的南海油藏量丰富，系泊系统的应用显然未达到饱和，因此有必要以现有的系泊系统为基础，逐步提高管理、技术两个方面水平，为未来水深更深、海况更复杂系泊系统的应用积累经验。

【1】《海洋石油工程设计指南》第九册：FPSO与单点系泊系统设计

【2】Oil&Gas UK Mooring Integrity Guidance

【2】中华人民共和国海洋石油天然气行业标准：单点系泊装置建造与入级规范

【4】刘贞飞等 《中国水运》2012-3 38-39饱和潜水在海洋工程中的应用

【5】刘振国 《中国海上油气（工程）》1994-10海上结构物在服役期的安全性检测