超深水水下分離器擺錘法下放風(fēng)險分析
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作者:趙夢一，葛玖浩，李 偉，陳國明，李秀美，張慎顏，阮彩添
(中國石油大學(xué)<華東>海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266555)
摘要：針對我國擺錘法下放安裝風(fēng)險分析研究空白的現(xiàn)狀，基于工作安全分析與作業(yè)條件危險性評估法對水下分離器下放過程進(jìn)行風(fēng)險分析，考慮重力、海流力、浮力、阻力等多種復(fù)雜載荷，依據(jù)擺錘法下放步驟，分析水下分離器擺錘法下放過程受力情況，建立水下分離器下放過程受力關(guān)系。分析擺動過程中纜繩動張力隨下放深度變化情況，為風(fēng)險分析提出的有關(guān)水下分離器所受浮力、安裝繩的動張力等參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。最終建立水下分離器擺錘法下放風(fēng)險評估體系，為我國擺錘安裝法的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持與安全保障。
關(guān)鍵詞：工作安全分析；作業(yè)條件危險性評價；擺錘式下放法；水下分離器
中圖分類號：X937 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi: 10. 11731/j. issn. 1673-193x. 2015. 09. 024
Risk assessment on pendulous installation of subsea separator in ultra deepwater
ZHAO Meng-yi, GE Jiu-hao, LI Wei, CHEN Guo-ming, LI Xiu-mei, ZHANG Shen-yan, RUAN Cai-tian
( Center for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266555, China)
Abstract: Aiming at the blank in research on risk analysis for pendulous installation, based on the working safetyanalysis and LEC, the risk on pendulous installation of subsea separator was analyzed. Considering a variety of complex load such as gravity, ocean current force, buoyancy, resistance etc, based on the procedure of pendulous installation method, the force condition of subsea separator in the process of pendulous installation was analyzed, and the corresponding force relationship was established. The change in dynamic tension of cable with the lowerdepth during the swing process was analyzed, which can provide a theoretical basis for determination of the parame-ters proposed in risk analysis, such as buoyancy suffered by subsea separator and dynamic tension of installation ca- ble etc. The risk assessment system on pendulous installation of subsea separator was established ultimately, and it provides technical support and safety guarantee for engineering application of pendulous installation method.
Key words: working safety analysis; LEC; pendulous installation method; subsea separator
0 引言
伴隨著人類對石油資源需求的日益增長，海洋油氣田開發(fā)逐漸向深水和超深水海域進(jìn)軍。水下分離器是深水、超深水油氣田水下生產(chǎn)設(shè)施中的重要裝備，其在海底完成油、氣、液三相分離、污水回注、除泥沙等原油處理工藝，可以有效降低井口背壓，減少段塞流等現(xiàn)象。由于水下分離器在海底工作，因此確保深水、超深水水下分離器的下放和安裝過程安全可靠有著重要意義。目前應(yīng)用比較廣泛的水下安裝方法有鉆桿下放安裝法和纜繩下放安裝法，但由于方法的局限性，最大水深只能達(dá)到lOOOm�；喗M下放安裝法和擺錘下放安裝法是為應(yīng)對深水、超深水水下設(shè)備安裝而發(fā)展的新方法，特別是擺錘下放法其最大下放水深可達(dá)3000m，同時擺錘下放安裝法對安裝和運(yùn)輸船資源要求很低，對安裝天氣要求也較低，具有較好的使用前景和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因此本文針對擺錘下放法開展水下分離器下放風(fēng)險分析。
擺錘式下放法首先由Petrobras公司研制成功，并于2006年12月和2007年1月首次在巴西Ron-cador油田，在水深分別為1900m和1845m處安裝重量為200t和280t的管匯，取得良好的效果。目前針對擺錘下放安裝方法研究，不僅有詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算也通過水池及海上試驗(yàn)進(jìn)行了周密的驗(yàn)證，但由于擺錘式下放的作業(yè)領(lǐng)域在超深水海域，對操作規(guī)程和自然環(huán)境的要求也相應(yīng)增加，而目前擺錘法下放超深水石油裝備風(fēng)險評估方面研究更是處于空白階段，國際上還不存在比較標(biāo)準(zhǔn)的安全規(guī)范，國內(nèi)研究仍處于初步階段，為確保水下分離器等超深水石油裝備下放安裝過程的安全，對擺錘法工作過程進(jìn)行風(fēng)險辨識和分析，并提出相應(yīng)的控制措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究價值。
針對以上問題，基于工作安全分析和作業(yè)條件危險性評價法針對超深水水下分離器下放過程開展風(fēng)險分析，提出相應(yīng)控制措施，填補(bǔ)擺錘法下放深水超深水石油裝備研究空白，以水下分離器擺錘法下放過程為研究對象，分析水下分離器下放過程受力狀態(tài)，最終為擺錘法下放超深水石油裝備作業(yè)提供技術(shù)支持。
1 結(jié)合LEC構(gòu)建作業(yè)安全分析表
工作安全分析是國內(nèi)外高危行業(yè)廣泛應(yīng)用的一種危險源辨識方法。近年來，我國也將JSA應(yīng)用在班組安全管理、西氣東輸、鉆井作業(yè)現(xiàn)場等各個領(lǐng)域。與此同時，作業(yè)條件危險性評價作為半定量風(fēng)險分析方法，具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)，在深水鉆完井、化學(xué)品生產(chǎn)等生產(chǎn)實(shí)踐中得以應(yīng)用。
與其他風(fēng)險分析方法相比，工作安全分析主要的關(guān)注對象是生產(chǎn)活動，不再是系統(tǒng)的人、機(jī)、環(huán)境三要素本身，更加注重人、機(jī)、環(huán)境和管理四者相互作用后的整體，即工作過程中的每一個工作步驟。但工作安全分析作為一種定性安全分析方法，無法將分析內(nèi)容進(jìn)行定量化，也不能將各步驟進(jìn)行危險等級的劃分，進(jìn)而無法識別存在高風(fēng)險的關(guān)鍵步驟，存在著一定的局限性。而作業(yè)條件危險性評價通過對影響作業(yè)條件潛在危險性的三個主要因素進(jìn)行打分，最后根據(jù)總的危險性分值對該作業(yè)過程進(jìn)行危險性評估。其應(yīng)用公式如下：
D= LEC (1)
式中：L為發(fā)生事故的可能性大��；E為暴露在危險環(huán)境中的頻繁程度；C為發(fā)生事故可能產(chǎn)生的后果；D為危險性分值。其中，各參數(shù)值的具體確定見表1、表2。
結(jié)合作業(yè)安全分析和作業(yè)條件危險性評價的主要特點(diǎn)，本文在對擺錘式下放水下分離器進(jìn)行風(fēng)險分析，制作基于LEC的作業(yè)安全分析表格，并對作業(yè)安全分析表格進(jìn)行改進(jìn)，豐富分析內(nèi)容。針對擺錘式下放水下分離器的特點(diǎn)，對每一下放步驟進(jìn)行子步驟的劃分，實(shí)現(xiàn)定性分析與定量分析的結(jié)合，對作業(yè)過程中的每一步驟進(jìn)行風(fēng)險識別與量化，進(jìn)而
更好的實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場的安全管理。
2作業(yè)安全分析在擺錘式下放水下分離器中的應(yīng)用
2.1 擺錘法下放基本步驟
擺錘法下放過程中使用運(yùn)輸船和安裝船協(xié)同完成作業(yè)現(xiàn)場作業(yè)圖如圖1所示，其具體操作規(guī)程可以劃分為4個階段。
1)提離過程：在安裝時，將水下分離器吊裝至運(yùn)輸船上，運(yùn)輸船和安裝船移動到安裝位置并保證兩船間距為下放深度。使用運(yùn)輸船吊機(jī)將水下分離器提離甲板準(zhǔn)備入水。
2)入水：使用吊機(jī)將水下分離器下放至距水平面約50m水深處。切斷吊機(jī)與水下分離器相連的鋼絲繩，即完成由運(yùn)輸船至安裝船的力的傳遞和轉(zhuǎn)換。
3)擺動通過水層：水下分離器在重力、安裝繩拉力、浮力和阻力作用下進(jìn)行擺動運(yùn)動，最終在阻力作用下水下分離器停留在安裝位置上方約50m位置。
4)安裝入座：通過水下ROV觀察水下分離器與泥線上基座相對位置．通過控制安裝船絞車和水下ROV將水下分離器安裝至基座上。
2.2 下放過程風(fēng)險分析
按照擺錘法下放水下分離器的步驟進(jìn)行風(fēng)險分析和風(fēng)險等級的劃分，同時，將每一步驟中涉及到的人、機(jī)、環(huán)境和管理等要素進(jìn)行詳細(xì)的分析，找出重大危險源，提出整改措施降低風(fēng)險。通過前后兩次作業(yè)條件危險性評價分析，以判斷控制措施的有效性具體分析如表3。
對于危險等級在3級以上（包括3級）被視為重大危險源，需要進(jìn)行整改。從表3中可以看出，序號4、6、7、8的潛在危險因素是重大危險源，入水和擺動通過水層為關(guān)鍵步驟，要重點(diǎn)進(jìn)行整改防范，同時將加強(qiáng)對工作人員的培訓(xùn)。與此同時，也提出了相應(yīng)的控制措施，通過剩余作業(yè)條件危險性評價，進(jìn)一步驗(yàn)證了控制措施的有效性。接下來，對擺錘下放過程進(jìn)行受力分析，為現(xiàn)場作業(yè)中的一些參數(shù)提供參考依據(jù)。
3 水下分離器下放過程受力分析
考慮重力、海流力、浮力、阻力等多種復(fù)雜環(huán)境載荷，對水下分離器下放各階段進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)水下分離器所受環(huán)境載荷、擺動速度，纜繩動張力等參數(shù)計(jì)算公式，獲得下放過程中運(yùn)動和力學(xué)參數(shù)，為擺錘法下放安裝的安全施工提供技術(shù)支持。
3.1 下放階段受力分析
水下分離器整個下放過程中主要受到重力G、浮力（F浮）、安裝繩力(FD)、牽引繩力(FL)、海流阻力（F阻）構(gòu)成，波浪力Fx、Fy作用。海流的變化相對來說比較緩慢，因而計(jì)算作用在水下設(shè)備的海流力時，常將海流是為穩(wěn)定的流動。穩(wěn)定流作用在水下設(shè)備的水流力為：
式中：Cd為水流阻力系數(shù)；v為水流速，m/s；A’為構(gòu)建在流向垂直平面上的投影面積，m2；p為海水密度，kg/m3。
浮力計(jì)算公式如下所示：
其受到的波浪力如式(3)和(4)所示：
式中：Fx、Fy分別為作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪力的水平分量和垂直分量，N;CH，Cv分別為水平和垂直方向的的波浪力系數(shù)；V為結(jié)構(gòu)物體積，m3；k為波數(shù)；l1、l3為矩形箱體與波面正交面的長和寬，m;uo、vo為箱體中心處水質(zhì)點(diǎn)水平加速度和垂向加速度。uo計(jì)算公式如下：
式中：S。為吊放設(shè)備中心距海床面的距離，m;H為波高，m；d為水深，m。
假設(shè)安裝船在海面位置固定不動，如圖2所示為水下分離器下放過程受力圖。
根據(jù)牛頓第二定律，各過程受力關(guān)系公式如下：
水下分離器在重力驅(qū)動下在水中做擺錘運(yùn)動，擺動過程中受到重力、浮力、向心力、阻力等復(fù)雜力作用，是整個下放過程中的關(guān)鍵階段，也是事故多發(fā)階段，因此，分析擺動階段水下分離器及安裝繩受力情況，進(jìn)而指導(dǎo)風(fēng)險分析情況十分重要。根據(jù)能量守恒定律，公式(13)、(14)、(15)所示為水下分離器擺動過程中切線加速度及角速度計(jì)算公式：
3.2 安裝繩動張力計(jì)算
水下分離器擺動過程中安裝船受到波浪作用導(dǎo)致安裝繩產(chǎn)生附加動張力，因此，分析波浪導(dǎo)致的安裝繩動張力變化對確定絞車承載能力和安裝繩最大張力十分必要。
將安裝纜假想成拉直狀態(tài)，不考慮其彎曲形變，通過靜力平衡得到纜繩的靜張力�？紤]纜的動張力進(jìn)行下放系統(tǒng)耦合運(yùn)動分析計(jì)算時，需對船一下放纜一水下分離器進(jìn)行耦合運(yùn)動分析計(jì)算即可：在船一纜一體系統(tǒng)的時域耦合計(jì)算中，將安裝繩簡化為一彈簧如圖3所示，上端點(diǎn)與船首相連，下端點(diǎn)與水下分離器相連，其彈性系數(shù)可用式(16)計(jì)算得到：
式中：E為彈性模數(shù)，A為纜的橫截面積，m2；L為纜的長度，m。
纜的動張力Fm可表示為：
式中：△x1為安裝纜繩靜拉伸長度，m；△X2為海面安裝船深沉運(yùn)動導(dǎo)致的纜繩動拉伸長度，m。
假設(shè)水下分離器撬裝結(jié)構(gòu)重量為lOOt，在2000m水深進(jìn)行下放，海面流速為1m/s，波浪最大波高1. 5m，平均過零時間為5.2s。得到水下分離器擺錘下放過程中安裝繩中的張力如圖4所示，由圖可知，隨著水下分離器擺錘運(yùn)動，安裝繩中張力逐漸增大并在最低點(diǎn)處達(dá)到峰值，波浪導(dǎo)致的安裝船升沉運(yùn)動導(dǎo)致安裝繩產(chǎn)生最大動張力為10t。
4結(jié)論
基于工作安全分析和作業(yè)條件危險性評價，對擺錘式下放水下分析器進(jìn)行風(fēng)險分析，尋找薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行力學(xué)分析，分析擺動過程中纜繩動張力隨下放深度變化情況，為風(fēng)險分析提出的有關(guān)水下分離器所受浮力、安裝繩的動張力等參數(shù)的確定提供理論依據(jù)分析得到以下成果：
1)融合作業(yè)條件危險性評價的JSA表格適用于擺錘式下放水下分離器的風(fēng)險分析，將作業(yè)過程中的每一步驟的危險等級進(jìn)行量化，為操作人員提供參考，以便于識別關(guān)鍵步驟。分析表明，確定序號為4、6、7、8為關(guān)鍵作業(yè)活動，入水和擺動通過水層為關(guān)鍵步驟，并提出相應(yīng)控制措施，為擺錘安裝作業(yè)提供參考。
2)對擺錘法下放過程進(jìn)行受力分析，得出水下分離器在重力驅(qū)動下在水中做擺錘運(yùn)動，是整個下放過程中的關(guān)鍵階段，也是事故多發(fā)階段，對安裝纜繩動張力進(jìn)行計(jì)算，得出波浪導(dǎo)致安裝繩動張力變化影響絞車承載能力和安裝繩最大張力確定。
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