以数字化技术为依托的工程阶段结构完整性管理研究

董月洲，章昀昊，姜晓波，王子维，陈 涛

（1中国石油天然气股份有限公司大港油田第四采油厂<滩海开发公司> 天津 300280）

（2中国石油天然气股份有限公司大港油田石油工程研究院 天津 300280）

（3中海油安全技术服务有限公司 天津 300472）

0 引言

随着我国经济的高速发展，人们对能源的需求也日益增加，能源已经成为制约我国经济发展的重要因素之一，能源问题也成为了我国实现两个一百年发展目标的关键因素。而石油作为重要的化石能源，其供给安全对我国改革开发的飞速发展来说具有重要的社会和政治意义。海洋平台作为海上油气开发的重要依托和工具之一，为海洋石油的开采提供了设备设施和人员居住的空间，但海洋导管架平台由于长期处于大海之上，承受着海风、海浪以及海冰等环境因素的影响，工作环境比较恶劣，导管架及组块结构腐蚀、结构部件疲劳以及外部船只撞击等损伤的影响随着服役年限的增加日益加剧[1]。

本次研究以渤海某平台工程建设阶段的完整性建设工作为依托，开发了一套结构完整性管理数据库系统，实现了结构图纸、基础数据和可视化模型的关联，方便了现场及运维单位对数据的直接认知，可视化的数据界面极大地方便了数据的展示和录入，同时提升了数据的使用效率，消除了数据信息孤岛。同时预留后期接口，为后期除结构数据外的设备设施状态数据的录入和管理提供了开发的可能。

通过工程阶段数字化技术在平台结构完整性管理过程中的应用，能实现在工程阶段不断优化设计方案，验证前期基础研究阶段各项假设的正确性，从而优化前期设计方案，其次能为后期的设施运维阶段提供运维策略指导，实现设计阶段到工程阶段以及生产运维阶段的全流程无缝对接，确保平台处于安全可靠的服役状态。

1 结构完整性管理理论

结构完整性管理是在结构整个生命周期中表现其适用性过程，即管理平台退化、损伤、荷载改变和意外过载带来的影响。API-RP 2SIM中明确指出数据、评估、检验和维修是结构完整性管理的4个重要流程。

数据主要是指平台的基础数据，包括平台的设计数据，图纸资料数据，建造过程中的安装数据以及伴随着建造过程的不断进行而进行的检验、检测数据，这里面就包括本项目实施过程中的基线检测数据。同时还有设备设施的特征参数，比如平台泵的类型、扬程、转速、流速等基本信息。这些信息随着平台建设过程的不断推进，会越来越多，越来越复杂，这些复杂的信息构成了平台的基础数据信息。在后期的运行期间，又会产生一大批数据，比如设备运行过程中的温度、压力的大小，平台主要容器、管线的测厚数据，检验记录等。平台的数据管理是完整性管理的基础，只有数据完整性得到保证，后期的完整性管理才有据可循。平台的数据管理是完整性管理开始部分，制约着其他环节的精确性[2]。

评估是完整性管理过程中的重要组成部分，通过评估工作的实施，完成对导管架运行过程中现状的了解，明确导管架现在的健康水平。评估工作主要是通过专业的结构风险评估软件，如SACS等对导管架在一定服役年限后根据最新的检测数据对模型进行修正或者根据最新的改造信息建立新的模型，同时采用当前的设计环境条件，比如风、波、流及地质土壤调查数据等对导管架平台进行操作工况和极端工况条件下的静力、疲劳及地震等安全评估。根据评估结果给出高风险杆件位置，以指导后续检验工作的实施。

检验主要是根据完整性评估的结果及海洋石油平台安全管理的要求对相关部位进行年检或者局部检验，检验目的就是为了验证评估结果或者说为了充分了解平台各部分结构的现状，以确定平台的腐蚀、损伤等是否已经到了设计允许值或者了解结构重点部位的腐蚀速录，为后期的维修维护提供参考。通过检验的实施明确了需要进行下一步维修的部位，为后期的例行维修或者大修等维修计划的制定确定方向。

维修维护主要是根据评估确定的重点部位的风险等级，对高风险区域或者部件，特别是现场检测结果已经出现了异常或者腐蚀速率超过了允许的腐蚀速率的部位进行维修。通过维修的实施来缓解平台结构或者设备设施的损坏程度，使其恢复到满足正常运行的安全水平，确保平台处于安全运营状态。同时，相关的维修维护以及改造数据也要即时地进行存储，作为平台数据的重要组成部分，从而完成整个数据—评估—检测—维修的闭环管理，从本质上保证平台安全实现管理系统流程的循环更迭[3]。

2 工程建设阶段的数字化技术应用

在工程设计阶段，面临着大量的数据资料，如何管理这些资料成为重中之重，基础资料的有效性将直接决定后期完整性管理工作是否能有效实施，通过数字化技术，针对设计规范、设计文件、结构图纸、结构形式、检测壁厚等基础数据进行管理，将工程建设阶段的实测数据与设计数据进行对比分析，分析变更发生的原因及合理性，确保工程建设的质量满足要求。

数字化技术能极大地优化数据的记录流程和手段，同时能够提高数据的录入、查询等工作效率，本次工程阶段数字化技术主要应用可视化技术，将之前的枯燥的书面或者表格数据进行模型化，在前期模型处理的基础上对数据进行赋值，即将数据逐个对应到可视化的模型上面，使枯燥的数据有了载体和依托，便于后期的数据录入以及数据的查询，同时通过数字化技术的应用，预留后期生产数据和检测数据接口，具备直接从生产实时数据读取的功能，确保数据的及时性。

在工程建设阶段对数字化技术进行应用时，需要利用数字化技术有效衔接前期研究以及生产运营管理两个阶段。在对前期研究进行优化改进时，主要是利用数字化技术的前期研究工作与建设阶段的数据对比，对于数据变化的原因和数据变化是否合理进行深入分析，以分析结果为基础完成前期研究成果优化，提高前期研究成果的准确性与科学性。除此之外，对生产运维阶段的数进行数据化移交，主要是利用数字化技术对数据开展分类整理工作，对不同生产运维参数进行结构化处理，最终完成数字化移交，可以使用户方便在线查询各项数据信息。在工程建设阶段数字库架构构建时，主要包括采集层、处理层和应用层。采集层的主要作用是以相应的规范和标准构建采集平台，获取平台建设阶段以及运营阶段的数据，并将数据存储在相应的系统中。处理层的主要作用是为管理平台项目运行的整个过程提供相关材料，主要包括设计文件和邮件等。在这一系统层运行过程中需要保证数据的全面性与有效性。应用层的主要作用是显示各种数据信息，方便用户在线查询各类文件资料。

在工程建设阶段，数字化技术的应用关键点是数字化移交功能的有效实现。这一功能可以为工程设计平台建设和海上安装等不同工作提供完整的数据信息，为生产运维工作顺利进行奠定基础。数字化移交工作主要包括准备阶段、实施阶段和完成阶段。在准备阶段，需要确定数据采集模板，进行数据化初始化处理；在实施阶段需要完成数据采集并录入，在这一过程中必须对数据的真实性以及全面性进行严格控制；完成阶段主要是以各平台基线为基础开展检测作业，并开展数据交互与审查工作。

3 工程阶段结构完整性数据库系统架设

为了使数据具有较高的查询速度，同时具有三维视角，可以通过网页访问等功能，本次数据库系统设计前后端分离架构，采用SpringBoot 2.x、Ant Design&Vue、Mybatis-plus、Shiro、JWT稳定版本，模型采用WebGL技术进行渲染。

整个数据库系统具有三维模型展示，结构部件详细信息展示，包括结构类型、壁厚、材质、长度、设计数据、检验数据以及相关的图纸资料附件存档等功能，见图1。

同时为了保证数据库系统的安全性，设置了三级管理权限系统，保证了系统管理员、主管及用户3个层级的不同管理权限，避免数据的误删，确保了数据的安全。

模型建立完毕后，对所有模型进行编号处理，并根据设计图纸对模型的数据进行输入和展示，展示界面为前台展示，包括结构的主要关键信息以及检测信息等。

当前数据库系统将所有关键杆件、设备都进行了建模，构想是在第1阶段完成结构完整性相关数据的录入和建立工作，第2阶段完成设备设施数据的录入和建立工作。

通过数字化技术，从平台建立开始就进行良好的数据管理，极大地避免了后期数据的缺失[4]，对每次的检验检测、维修以及原始数据都有了较好的记录，能够实现平台结构数据的动态传递和更新，从而保证了三维模型、结构特征参数实时反映平台的现状，为平台后期的运维提供支持。

4 工程阶段基线检测的实施

明确了工程阶段结构完整性建立的重要性后，分别对相关的数据进行了整理，并利用数据库系统对结构数据进行记录，但在日常管理过程中常常发现，部分结构的实际检测数据与设计数据不符，比如壁厚不一致等问题普遍存在。

为了有效杜绝此类事件的发生，在本次工程完整性实施过程中，开展了结构数据的基线检测工作，目的就是通过基线检测工作的实施，完全独立于设计方、建造方以及检验机构。基线检测流程和方法见图2。

采用UT检测技术，利用超声波在金属构件传播和反射的原理，在工程建设阶段，对组块结构、管道、容器等设备设施的材料厚度进行监测，获取原始材料真实壁厚数据超声波测厚主要是用于检查构件的厚度。通常在检验中如发现平台油漆普遍脱落或有明显腐蚀情况，应要求进行测厚检查，以确认构件的腐蚀情况。平台在进行结构评估时，如需要获得构件厚度，也应进行测厚检查。抽检要优先检测受力集中、风险等级较高的位置，若甲方未提供风险分级参考依据，则依据检测人员经验进行判断，检验区域点位布置在离焊缝50 mm区域。容器检测点布置见图3。一方面确保母材壁厚满足标准及设计规格书要求；另一方面作为运营期风险评估基准数据。

通过基线检测工作的实施，发现与设计不符壁厚超标或者壁厚不足的杆件9处，现场及时与项目建设单位以及甲方进行了沟通核实，对部分区域的设计进行了重新的校核，确保了结构的数据准确以及强度满足要求，保证了后期平台主体的安全运行[5]。

5 结语

在本项目中，通过实施工程阶段完整性管理，建立了一套结构完整性管理信息系统，以数字化手段对数据进行规范化和有序化，为后期的结构以及设备设施数据的管理提供了良好的基础，同时利用基线检测数据对设计及检验数据进行了验证和把关，确保了海洋导管架平台的出生优秀性，为后期的完全运行保驾护航。利用数字化技术三维设计功能，可以对工程建设过程中的设计方案进行完善化管理，同时利用三维模型进行碰撞检测和干涉，可以降低在施工建设过程中的技术难度[6]。

当然目前数字化技术还可以继续进行升级和优化，比如加入风险自动比对和识别，风险自动计算，设备设施检验或者相关数据预警等功能。另一方面本系统目前考虑了数据的记录和存储，还未建立通用的统计分析功能，随着数据的不断累计以及生产数据的不断增加，可以对所有的数据进行分析统计，同时对相关数据的异常进行预警，并根据预警的结果向不同层级的管理人员进行信息或者邮件的推送，让相关人员能在最短时间内获取到预警信息并进行处理。最后系统后期还可以考虑与现有的生产管理系统进行融合，读取生产管理系统里面的检测数据，直接集成到系统中进行简易的剩余壁厚的计算、剩余强度的计算等，相关技术实现后，可以对平台的健康状况有较全面的了解和监控[7]。生产和运维人员可以通过电脑、手机以及手持终端等多种设备对平台的健康状态实时进行监控和查看，极大地扩充了完整性管理体系的功能，提升了系统管理的效率。