超深水水下分离器摆锤法下放风险分析

     作者:赵梦一，葛玖浩，李  伟，陈国明，李秀美，张慎颜，阮彩添

    (中国石油大学<华东>海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛266555)

    摘要：针对我国摆锤法下放安装风险分析研究空白的现状，基于工作安全分析与作业条件危险性评估法对水下分离器下放过程进行风险分析，考虑重力、海流力、浮力、阻力等多种复杂载荷，依据摆锤法下放步骤，分析水下分离器摆锤法下放过程受力情况，建立水下分离器下放过程受力关系。分析摆动过程中缆绳动张力随下放深度变化情况，为风险分析提出的有关水下分离器所受浮力、安装绳的动张力等参数的确定提供理论依据。最终建立水下分离器摆锤法下放风险评估体系，为我国摆锤安装法的工程应用提供技术支持与安全保障。

    关键词：工作安全分析；作业条件危险性评价；摆锤式下放法；水下分离器

    中图分类号：X937    文献标志码：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

    伴随着人类对石油资源需求的日益增长，海洋油气田开发逐渐向深水和超深水海域进军。水下分离器是深水、超深水油气田水下生产设施中的重要装备，其在海底完成油、气、液三相分离、污水回注、除泥沙等原油处理工艺，可以有效降低井口背压，减少段塞流等现象。由于水下分离器在海底工作，因此确保深水、超深水水下分离器的下放和安装过程安全可靠有着重要意义。目前应用比较广泛的水下安装方法有钻杆下放安装法和缆绳下放安装法，但由于方法的局限性，最大水深只能达到lOOOm。滑轮组下放安装法和摆锤下放安装法是为应对深水、超深水水下设备安装而发展的新方法，特别是摆锤下放法其最大下放水深可达3000m，同时摆锤下放安装法对安装和运输船资源要求很低，对安装天气要求也较低，具有较好的使用前景和经济优势，因此本文针对摆锤下放法开展水下分离器下放风险分析。

    摆锤式下放法首先由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，在水深分别为1900m和1845m处安装重量为200t和280t的管汇，取得良好的效果。目前针对摆锤下放安装方法研究，不仅有详细的数值计算也通过水池及海上试验进行了周密的验证，但由于摆锤式下放的作业领域在超深水海域，对操作规程和自然环境的要求也相应增加，而目前摆锤法下放超深水石油装备风险评估方面研究更是处于空白阶段，国际上还不存在比较标准的安全规范，国内研究仍处于初步阶段，为确保水下分离器等超深水石油装备下放安装过程的安全，对摆锤法工作过程进行风险辨识和分析，并提出相应的控制措施，具有重要的现实意义和研究价值。

    针对以上问题，基于工作安全分析和作业条件危险性评价法针对超深水水下分离器下放过程开展风险分析，提出相应控制措施，填补摆锤法下放深水超深水石油装备研究空白，以水下分离器摆锤法下放过程为研究对象，分析水下分离器下放过程受力状态，最终为摆锤法下放超深水石油装备作业提供技术支持。

    1  结合LEC构建作业安全分析表

    工作安全分析是国内外高危行业广泛应用的一种危险源辨识方法。近年来，我国也将JSA应用在班组安全管理、西气东输、钻井作业现场等各个领域。与此同时，作业条件危险性评价作为半定量风险分析方法，具有简单实用的特点，在深水钻完井、化学品生产等生产实践中得以应用。

    与其他风险分析方法相比，工作安全分析主要的关注对象是生产活动，不再是系统的人、机、环境三要素本身，更加注重人、机、环境和管理四者相互作用后的整体，即工作过程中的每一个工作步骤。但工作安全分析作为一种定性安全分析方法，无法将分析内容进行定量化，也不能将各步骤进行危险等级的划分，进而无法识别存在高风险的关键步骤，存在着一定的局限性。而作业条件危险性评价通过对影响作业条件潜在危险性的三个主要因素进行打分，最后根据总的危险性分值对该作业过程进行危险性评估。其应用公式如下：

    D= LEC    (1)

    式中：L为发生事故的可能性大小；E为暴露在危险环境中的频繁程度；C为发生事故可能产生的后果；D为危险性分值。其中，各参数值的具体确定见表1、表2。

    结合作业安全分析和作业条件危险性评价的主要特点，本文在对摆锤式下放水下分离器进行风险分析，制作基于LEC的作业安全分析表格，并对作业安全分析表格进行改进，丰富分析内容。针对摆锤式下放水下分离器的特点，对每一下放步骤进行子步骤的划分，实现定性分析与定量分析的结合，对作业过程中的每一步骤进行风险识别与量化，进而

更好的实现工程现场的安全管理。

    2作业安全分析在摆锤式下放水下分离器中的应用

    2.1  摆锤法下放基本步骤

    摆锤法下放过程中使用运输船和安装船协同完成作业现场作业图如图1所示，其具体操作规程可以划分为4个阶段。

    1)提离过程：在安装时，将水下分离器吊装至运输船上，运输船和安装船移动到安装位置并保证两船间距为下放深度。使用运输船吊机将水下分离器提离甲板准备入水。

    2)入水：使用吊机将水下分离器下放至距水平面约50m水深处。切断吊机与水下分离器相连的钢丝绳，即完成由运输船至安装船的力的传递和转换。

    3)摆动通过水层：水下分离器在重力、安装绳拉力、浮力和阻力作用下进行摆动运动，最终在阻力作用下水下分离器停留在安装位置上方约50m位置。

    4)安装入座：通过水下ROV观察水下分离器与泥线上基座相对位置．通过控制安装船绞车和水下ROV将水下分离器安装至基座上。

    2.2  下放过程风险分析

    按照摆锤法下放水下分离器的步骤进行风险分析和风险等级的划分，同时，将每一步骤中涉及到的人、机、环境和管理等要素进行详细的分析，找出重大危险源，提出整改措施降低风险。通过前后两次作业条件危险性评价分析，以判断控制措施的有效性具体分析如表3。

    对于危险等级在3级以上（包括3级）被视为重大危险源，需要进行整改。从表3中可以看出，序号4、6、7、8的潜在危险因素是重大危险源，入水和摆动通过水层为关键步骤，要重点进行整改防范，同时将加强对工作人员的培训。与此同时，也提出了相应的控制措施，通过剩余作业条件危险性评价，进一步验证了控制措施的有效性。接下来，对摆锤下放过程进行受力分析，为现场作业中的一些参数提供参考依据。

    3  水下分离器下放过程受力分析

    考虑重力、海流力、浮力、阻力等多种复杂环境载荷，对水下分离器下放各阶段进行受力分析，推导水下分离器所受环境载荷、摆动速度，缆绳动张力等参数计算公式，获得下放过程中运动和力学参数，为摆锤法下放安装的安全施工提供技术支持。

    3.1  下放阶段受力分析

    水下分离器整个下放过程中主要受到重力G、浮力（F浮）、安装绳力(FD)、牵引绳力(FL)、海流阻力（F阻）构成，波浪力Fx、Fy作用。海流的变化相对来说比较缓慢，因而计算作用在水下设备的海流力时，常将海流是为稳定的流动。稳定流作用在水下设备的水流力为：

    式中：Cd为水流阻力系数；v为水流速，m/s；A’为构建在流向垂直平面上的投影面积，m2；p为海水密度，kg/m3。

    浮力计算公式如下所示：

    其受到的波浪力如式(3)和(4)所示：

    式中：Fx、Fy分别为作用在结构物上的波浪力的水平分量和垂直分量，N;CH，Cv分别为水平和垂直方向的的波浪力系数；V为结构物体积，m3；k为波数；l1、l3为矩形箱体与波面正交面的长和宽，m;uo、vo为箱体中心处水质点水平加速度和垂向加速度。uo计算公式如下：

    式中：S。为吊放设备中心距海床面的距离，m;H为波高，m；d为水深，m。

    假设安装船在海面位置固定不动，如图2所示为水下分离器下放过程受力图。

根据牛顿第二定律，各过程受力关系公式如下：

    水下分离器在重力驱动下在水中做摆锤运动，摆动过程中受到重力、浮力、向心力、阻力等复杂力作用，是整个下放过程中的关键阶段，也是事故多发阶段，因此，分析摆动阶段水下分离器及安装绳受力情况，进而指导风险分析情况十分重要。根据能量守恒定律，公式(13)、(14)、(15)所示为水下分离器摆动过程中切线加速度及角速度计算公式：

    3.2  安装绳动张力计算

    水下分离器摆动过程中安装船受到波浪作用导致安装绳产生附加动张力，因此，分析波浪导致的安装绳动张力变化对确定绞车承载能力和安装绳最大张力十分必要。

    将安装缆假想成拉直状态，不考虑其弯曲形变，通过静力平衡得到缆绳的静张力。考虑缆的动张力进行下放系统耦合运动分析计算时，需对船一下放缆一水下分离器进行耦合运动分析计算即可：在船一缆一体系统的时域耦合计算中，将安装绳简化为一弹簧如图3所示，上端点与船首相连，下端点与水下分离器相连，其弹性系数可用式(16)计算得到：

    式中：E为弹性模数，A为缆的横截面积，m2；L为缆的长度，m。

    缆的动张力Fm可表示为：

    式中：△x1为安装缆绳静拉伸长度，m；△X2为海面安装船深沉运动导致的缆绳动拉伸长度，m。

    假设水下分离器撬装结构重量为lOOt，在2000m水深进行下放，海面流速为1m/s，波浪最大波高1. 5m，平均过零时间为5.2s。得到水下分离器摆锤下放过程中安装绳中的张力如图4所示，由图可知，随着水下分离器摆锤运动，安装绳中张力逐渐增大并在最低点处达到峰值，波浪导致的安装船升沉运动导致安装绳产生最大动张力为10t。

    4结论

    基于工作安全分析和作业条件危险性评价，对摆锤式下放水下分析器进行风险分析，寻找薄弱环节，并进行力学分析，分析摆动过程中缆绳动张力随下放深度变化情况，为风险分析提出的有关水下分离器所受浮力、安装绳的动张力等参数的确定提供理论依据分析得到以下成果：

    1)融合作业条件危险性评价的JSA表格适用于摆锤式下放水下分离器的风险分析，将作业过程中的每一步骤的危险等级进行量化，为操作人员提供参考，以便于识别关键步骤。分析表明，确定序号为4、6、7、8为关键作业活动，入水和摆动通过水层为关键步骤，并提出相应控制措施，为摆锤安装作业提供参考。

    2)对摆锤法下放过程进行受力分析，得出水下分离器在重力驱动下在水中做摆锤运动，是整个下放过程中的关键阶段，也是事故多发阶段，对安装缆绳动张力进行计算，得出波浪导致安装绳动张力变化影响绞车承载能力和安装绳最大张力确定。