FMD 技术在海上平台检测的应用及其可靠性

FMD技术在海上平台检测的应用及其可靠性
近年来国内油公司采用FMD检测技术作为平台导管架水下定期检测的手段之一。

本文将详细介绍FMD技术在导管架水下检测的应用、其优点和不足之处、以及检测可靠性和如何合理使用该技术，最后提出了一些有益的建议。

1.为什么要使用FMD技术
FMD是Flooded Member Detection的简称，中文可译为透水构件检测，也有称FMD 为FMI，即Flooded Member Inspection的简称，实质上为同一意思。

本文统一称为FMD 技术。

导管架透水构件的存在通常表明某些异常引起了海水进入两端封闭的具有浮力的构件内空。

异常通常有落物造成的孔洞、点蚀孔、构件两端的裂纹、以及其它强度或疲劳敏感区域。

因此，透水构件的存在表明平台存在潜在的结构安全问题，需要作进一步调查分析。

图１裂纹引起的透水构件
需要注意的是，在某些情况下，一些构件可能因为特殊原因需要事先透水，此时就不能把该透水构件当作异常处理。

对于这些因为某些原因需要进行预先透水的构件，我们可称它为预先透水构件。

预先透水构件通常包括在安装过程有意透水的构件，上部模块作业所需要的保留液体的构件，在建造期间因雨水渗透但在后续建造时密封处理了的全透水或部分透水构件。

适当的FMD检测计划包括如何确定是否存在预先透水杆件的各种程序，例如从不同位置检测同一个构件，校核用于存储构件的设计数据等。

FMD检测在平台导管架实施速度相对较快。

它可以通过一次测量从而有效地检测整个圆形构件。

例如，一座４桩腿水深50米的平台导管架所有主要构件潜水员完成FMD检测大约需半天至一天。

透水杆件的存在虽然可以表明平台结构可能存在安全问题，但是并不能指出引起透水的原因。

然而，考虑到这方面，对于平台导管架的总体或选择性检测，FMD检测是一种较为经济的检测方法，它可以很容易地识别存在问题的可疑区域。

具体构件和节点检测的其它方法，如详细目视检测（CVI）、磁粉检测（MPI）、交变电流裂纹检测（ACFM）等，可以进一步提供更好的了解和指出问题所在。

但是，对平台的每一个主要构件都采用这些更为彻底的方法检测，费用预算一般是不允许的。

相反作业者会对一些平台导管架最可能发生损伤或者最主要的强度杆件采用这些更为彻底的检测方法。

这些区域的选择通常由具有资质和一定经验的检测工程师确定。

因此，通过适当使用FMD检测，作业者可以选择平台导管架的许多构件来确认那些损伤（正在透水）的杆件。

但不幸的是，FMD检测并不是100%可靠足以识别平台导管架的所有潜在异常。

关于FMD检测可靠性的注意事项如下：
●错误读数可能表明杆件未透水而事实上已透水。

透水杆件通常在数处地方检测以确
保杆件真正透水和以及透水的程度。

●对于位于主框架（和桩腿连接）弦杆边的焊缝裂纹，主框架构件仍为浮力，实际上
在该节点处已存在裂纹。

事实上，大约60%的裂纹发生于弦杆的焊缝上。

●FMD检测并不能确定构件接近失效的程度（仅在构件失效时才能），对于一些强度
余量较小的平台，这可能是不可接受的。

●非关键的制造初始缺陷（如不完全焊缝）可能会引起构件的透水（见下图）。

●发现透水构件但并不能确定引起透水的原因。

如何解决这些异常？
●其它相关问题。

图：不完全焊缝引起的透水构件
该次努力目的是为了调查FMD的可靠性，将综合考虑上述问题和其它流程所识别的相关信息。

那么，基于这些数据，提出一些FMD使用上的建议，作为水下检测大纲的其中一个完整部分。

2.FMD技术介绍
FMD技术是最早发展于1980年，第一次使用于，经过数年的发展，该技术已在国外应用非常普遍。

目前，主要有三种基本类型的方法可用于FMD检测技术：
1)超声波－通过发射声波信号穿透构件以确定有无水存在。

2)伽马射线－通过发射放射性信号穿透构件以确定有无水存在。

3)热量－通过对构件加热以确定有无水存在（透水构件加热时间较长）。

4)中子线查看Tracerco技术
超声波和伽马射线是目前世界上最常用的两种方法，下面将详细描述超声波和伽马射线检测方法，而加热检测方法不常用，因此不在本文进行描述。

主要通过ROV（水下机器人）操作测量射线的入射强度和透射强度，来确定被测物或其内部媒质的密度，从而确定管内浸水的程度。

超声波检测方法
超声波FMD通过在构件的外部放置一个传感器发射声波信号穿透构件进行检测的。

如果构件未透水，那么声波信号在构件壁厚处反射，因为空气对于超声波信号来说是不良导体。

如果构件透水，那么声波信号同时穿过透水杆件中的水，并在相反的壁厚处反射。

对于穿梭距离较长的信号表明杆件已透水。

图8.4显示的典型的超声波设备示意图，包括潜水员或ROV握住探头置于杆件上，和水下单元操作者用于读取实际数据。

图8.5显示的放置于杆件上的潜水员超声波探头。

这种方法在墨西哥湾被广泛使用。

图8.4: 超声波FMD连接典型示意图
图8.5：超声波FMD探头
潜水员可快速检测一系列杆件，可在同一位置可围绕某个节点对与该节点连连接的所有或大部分上斜撑杆件和水平杆件进行FMD检测。

正因为如此，潜水员可从平台的一个节点移动另一个节点进行FMD快速有效检测，因为潜水员同时在进行一般目视检查。

超声波方法对于未透水杆件有一个失效保护解释。

如果设备未正常工作，那么杆件就会
被认为未透水。

这是此方法的不足之一，因为若潜水员得到一个未透水的数值，则他/她通常会移至下一个待检测的杆件，因此会漏报异常，除非此异常已被其它方法检测到。

比如，在杆件两端进行清理和详细的目视检测）。

超声波方法在墨西哥湾是最常用的FMD方法。

超声波方法在北海使用过，但目前却很少再使用。

伽马射线检测方法
伽马射线检测方法是通过在杆件的一边放置伽马放射源和在杆件的另一边放置放射源接收器，然后就可以测量穿过杆件后放射线数量。

穿过未透水杆件的放射线数比穿过透水杆件的要多，这是因为透水杆件中的水吸收放射线的原因。

图8.6显示的是典型的伽马射线连接示意图。

包括在杆件上用于安装放射源和接收器的设备，通常采用ROV实施，这是因为放射源对人体是有危害的。

一个潜水员仅能在水下操作放射源小于1小时（危险情况出现前）。

一名操作员在水面单元读取数据。

图8.6: FMD连接典型示意图
图8.7: ROV搭接伽马射线FMD设备
图8.7显示的是一台ROV搭载有伽马射线设备。

伽马射线FMD源和接收器分别固定在叉的两个平行端，分别放置于待测的杆件两面。

叉的宽度是可调节的，以适应一系列的直径管状。

在某些情况下，尺寸调节可由ROV在水下自动完成。

在某些情况下，ROV必须回收到甲板调节叉的直径。

如果是这样的话，通常应先检测完所有具有相同或相似组号尺寸（比方说16-24英寸）的杆件后再回收ROV和调大叉的宽度，然后ROV回到水中检测更大直径杆件。

一旦叉在杆件就位5-20秒后，就可以读取伽马线数。

伽马射线检测方法对于透水构件具有失效保护解释。

如果设备不能正常工作，那么杆件则会被认为透水。

这通常提示要作进一步检测，并且增加确定是否为错误和应当采取纠正措施的检测概率。

伽马射线方法是北海最常用的FMD检测技术，但这种方法在墨西哥湾却很少采用。

3.在平台导管架杆件进行FMD检测
在过去数年，不管是在采用超声波还是伽马射线，在平台导管架检测在世界不同的地方都得到了广泛的应用并取得了一定的经验，可以总结如下：
水平杆件
读数通常在杆件的一端或两端的6点至12点时钟位置取得。

为了能够识别水平杆件的较低部分的水，可从3点至9点时钟方向额外测量一次以进一步确认构件干燥状况。

竖直和竖直斜撑杆
一个读数在杆件的下端取得，尽可能靠近焊缝。

这是因为杆件可能仅仅部分透水，取决于的孔和裂纹所处位置。

如果裂纹位于竖直杆件的底部，那么这个杆件将会透水至裂纹之上的某一点（无逃逸通道），裂纹上方的空气将会压缩取决于不同深度的不同压力。

因此，这个杆件将会在底部透水但是最上部是空旷的。

因此，FMD检测要求应位于杆件底部。

如果杆件发现透水，则沿着杆件的长度进行额外的检测，从杆件端部开始一直往上，直到发现空旷区域或整个杆件为透水。

如果存在，空旷区域位置可以帮助确定孔或裂纹的位置。

如果整个杆件已透水，那么裂纹很可能位于杆件的上部节点处。

4.超声波方法和伽马射线方法比较
超声波和伽马射线这两种方法在主要方面的比较可归纳为下表：
5.透水杆件检测的可靠度
前面章节介绍了FMD检测的一些常见困难，如准备、设备操作，读数等。

本节将介绍设备能力的问题确保取得准确数据。

换句话说，如果FMD检测表明杆件未透水–真的完全可信吗？
数据来源
通过各种国际出版社以及一些私人数据源和一些参与方可用的，这些数据可用来提供FMD检测的背景信息和可靠数据。

本项目同时查阅了其它更广泛的文献，为了识别其它在出版领域可用的资料。

附录B列出了数据源的目录清单。

信息主要来源如下：
T he Reliability of the FMD Method in the Testing of Offshore Structures, Confidential Joint Industry Project, 1997.
ICON project – InterCalibration of Offshore NDT – An extensive and in-depth European Union / Industry project of all types of underwater inspection techniques via diver and ROV funded by numerous companies and completed in 1996.
Underwater Weld Inspection Philosophy – Sea Test Services, performed for Exxon, 1987.
在这些数据中，ICON提供的数据最详尽并作可靠性分析的依据。

ICON FMD检测数据总结如下：
潜水员超声波试验
表8.8显示ICON使用潜水员进行的超声波FMD测试果。

在左侧栏显示的是测试构件的充水程度。

在上面一行的数值为FMD检测得到的充水程度。

100%的成功率可would be represented by figures on the diagonal only.
和超声波潜水员测试类似，对于全透水杆件ROV测试结果同样非常好。

但是，对于部分透水杆件ROV超声波测试却不是很好。

表8.8和8.9显示的ICON使用ROV超声FMD检测关于垂直杆件和水平杆件的进一步分类。

处于45度线的数据显示的读数完美。

这些结果表明使用ROV FMD测试时，垂直杆件一般比水下杆件要准确得多。

伽马射线ROV试验结果：
下表显示的是ICON使用ROV伽马射线FMD试验的试验结果。

测试在垂直和水平杆件进行。

伽马射线仅仅应用于ROV，因为使用放射性源的原因潜水员几乎不使用。

试验结果表明伽马射线无论对全透水或半透水的杆件，ROV FMD检测都具有100%的准确度，并且能检测到准确的透水程度。

6.检测可靠度结论
采用潜水员或ROV超声波检测，对于接近完全透水的杆件时可获得良好的检测结果，但对于部分透水杆件时精度显著下降。

潜水员超声波检测可准确检测超过50%透水的杆件，而ROV超声波检测却没有那么准确，对50%以上透水的杆件可以全部发现到，但对于10%透水的杆件却只能检测到70%。

对于全透水杆件，伽马射线检测和超声波具有同样的可靠度。

对于部分透水杆件，伽马射线检测的可靠度却比超声波高很多。

伽马射线可准确地检测出19个试件中所有19个试件透水程度，准确度达到100%。

伽马射线FMD检测仅仅由ROV执行。

总之，
1)对于全透水杆件，潜水员或ROV超声波FMD检测可以认为是准确的。

但是对于部分
透水构件准确率却下降至70%。

2)伽马射线FMD检测对于不同程度的透水杆件可信度，可以认为是接近100%。

7.FMD和平台结构安全可靠度
透水杆件检测的可靠性研究表明不管采用超声波还是伽马射线方法，由潜水员还是ROV 操作，对于全透水杆件都可以得到很好的准确度。

而对于部分透水杆件，特别是对于透水程度小于50%的透水杆件，采用超声波FMD检测时精度会下降。

事实上在大多数情况下，如果杆件壁厚存在穿透性异常，经过一段时间后，杆件的透水程度很可能会超过50%。

正因为如此，可以得出结论：FMD检测技术具有良好的能力来检测出带有穿透性缺陷的杆件。

但是，FMD检测技术的可靠度，广义上来说，当对一个具有许多杆件组成的整个平台结构时进行测和评估时，还需要考虑一些其它因素。

事实上，当它影响FMD可靠度以及如何在检测计划有效使用FMD技术时，这些因素都成为真正的问题。

如果FMD检测技术100%准确，那可靠度会如何从这个起点改变？考虑到下面先前提到的问题以及它们是如何影响FMD发现或未发现带有损伤杆件的精度呢？
与桩腿连接的主要竖直斜撑的穿透性裂纹位于焊缝的弦杆边上，（见图8.10 所示的例子），但FMD检测结果所示杆件未发生透水。

由于该裂纹位于桩腿处，并且桩腿已透水而不能通过FMD检测发现，检测得出的结论为：杆件未透水。

因此FMD检测将得出该杆件未发生穿透性缺陷的错误结论，但事实上已存在穿透性缺陷。

因为大约有60%的焊缝裂纹会发生于焊缝的弦杆处，因此采用FMD检测将会漏掉50%以上与桩腿连接的含有穿透性裂纹的杆件，这些杆件都属于平台的关键构件。

在这种情况下，FMD设备事实上是准确地检测出与桩腿连接的杆件未透水，但是可能会存在问题，因为FMD 检测提供了杆件未受损的不正确判断。

图：在弦杆处的焊缝裂纹（杆件未透水）
一个杆件可能存在裂纹但在FMD检测期间还未发展成穿透性裂纹阶段，因此杆件将会发现为未透水，但事实上杆件已损伤。

取决于裂纹发展速率，环境条件及其它因素，在下次检测前，裂纹可能扩展为发展更充分和危险更大的阶段。

此外，在这种条件下，FMD会提供杆件未损伤的不正确判断。

图8.11显示裂纹扩展程度和不同类型的检测技术识别基于杆件剩余寿命问题的能力关系。

FMD很显然未能发现杆件透水前的裂纹，然而MPI或ACFM等技术却可以把还未发展成穿透裂纹的缺陷检测出来。

最近由英国EQE公司完成的FMD JIP项目更详细地研究了该问题，它提出了一种方法以帮助作业者理解对于基于导管架结构布置不同强度余量水平时如何使用FMD技术。

JIP得出结论：对于冗余结构布置，FMD很有效。

例如，X形支撑平台，因为尽管FMD未发现一个未穿透的裂纹（因为杆件还未透水），仍有足够的冗余/强度，以致平台在下一次检测周期内（当损伤已扩展至透水并可由FMD检测出）仍然是安全的。

相反，单斜撑杆平台则冗余度不足。

如果出现裂纹，它可能会显著降低平台安全。

在这种情况下，等待下一个周期发现该损伤杆件可能太迟了。

然而，甚至对于X形撑杆结构，上述方法也不能解决弦杆处出现裂纹的问题。

这些裂纹是最常发生，甚至杆件已全部断裂也未能引起杆件透水。

因此，不能完全依赖于FMD去发现和查找平台的所有潜在缺陷。

相反，FMD可基于平台对损伤的敏感性，结构布置/冗余水平（通常称为坚实/耐用性），以及结合其它检测技术，
得到最好利用。

FMD检测的一些常用指南归纳如下：
●FMD检测技术可在任何水下检测时使用。

由作业者决定设施检测所需要的努
力及所花的时间，可能基于平台的重要性（或非重要性）。

FMD可作为其它检测活动的一种补充。

对于某些情况（如下所述），FMD可能成为主要检测技术之一。

在所有情况下，FMD可作为规划良好和彻底的一般目视检查的一种补充。

事实上，FMD 可以通过要求潜水员或ROV在平台的节点处多花一些时间进行附带检测。

作业者可能事实上也会要求实施FMD检测，仅仅保证目视检测结果取得较好的质量结果。

●对于坚实结构，比如X形支撑布置，FMD提供了一种良好的工具用以检测其它技术可能
遗漏的缺陷。

如果其它检测活动，比如详细目视检查（CVI），由于过失选择的指定区域，或者CVI取样太少，那么FMD为其它发生于平台某处的未知损伤提供了一道安全网。

作业者可能会考虑平台杆件在每次FMD检测时进行轮换，这样就可以使平台所有主要杆件在一定时间内全部检测过（比如，它可能不必要每次检测时对每一个杆件都进行检测）。

在某些情况下，对于新平台，有资质的工程师可以指定FMD为主要的检测手段，但总是和一般外观检测同时进行。

对于一些欠坚实结构，如单斜撑和K形支撑布置，可使用FMD 但不能作为主要的检测手段。

它应当作业其它杆件具体的检测技术如在关键杆件上的CVI的补充。

如上所述，这些类型的结构不像坚实平台那样容忍损伤。

FMD可能会遗漏一些缺陷（如小裂纹），这些缺陷在下一次检测前，可能发展为重大的问题/关系。

●FMD检测应重点关注竖直斜撑杆，而对平台的总体强度起到较小的作用的水平杆件（和
隔水导管和隔水管导向连接的水下构件除外）作为次要关注点。

FMD检测存在的一个问题是，如果发现透水构件，则会对杆件的两端进行更详细，更彻底的目视检查或无损检测（如MPI或ACFM）。

但有时候却没有发现问题。

●因此，如果多个水平杆件发现有透水，那么可能为了进一步调查原因需要额外花费很多
时间和金钱，然而这些杆件可能对平台安全性能来说不是特别关键。

作业者最好把钱花在那些比较关键的平台构件。

●位于水面附近的隔水管导向架是任何平台作为FMD检测的很好对象。

在某些类型的导管
架（通常称为导管盘）上垂直波浪力产生上下运动作用，在隔水导管架上位于12点和6点时钟位置的节点位置可能产生裂纹。

因为框架通常为次要框架，撑杆和弦杆都是具有浮性的，因此一个或多个这样的杆件将会透水，而与节点裂纹的位置无关（撑杆或弦杆）。

●那些最敏感的隔水管盘往往具有大量的钢板，为垂直的提供重要的sail区域，增加了上
下运动。

注意到大多数最新的平台设计已经考虑了这个问题，通过设出更多的流水线型的盘，以减少sail area。

隔水管框架中这种类型的损伤已经在隔水管盘发现，从水面直至水面以上150米。

作业者应对隔水管盘进行FMD检测，至少要达到这个深度。

●FMD应当考虑用于易于受落物或工作艇碰撞的水下区域。

位于靠船件关键杆件或常用于
卸货的区域，例如钻井作业相关的（管和collars），都是FMD检测最佳对象。

●在所有这些情况，非常重要的是有资质的工程师编制检测计划。

主要保证能够正确确定
平台的robustness，为FMD检测选择一些具体的重要杆件，以及其它结构设计和性能
相关的问题。

检测计划也应当考虑这个项目的其它部分所识别的问题，比如平台的种类（钻井，生产，住人）以及这些作业是如何影响检测计划的。

●参考文献：
●
●The Reliability of the FMD Method in the Testing of Offshore Structures,
Confidential Joint Industry Project, 1997.
●吴志伟文献
●唐光盛。