基于風險的導管架平臺水下結(jié)構(gòu)安全檢測規(guī)劃

馬冬輝 祖 巍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)公司 天津300452）

基于風險的導管架平臺水下結(jié)構(gòu)安全檢測規(guī)劃

馬冬輝 祖 巍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)公司 天津300452）

建立基于風險的結(jié)構(gòu)安全檢測技術(shù)，應用于導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)完整性管理（SIM）的檢測規(guī)劃中。綜合考慮平臺失效后果與失效概率兩方面因素，確定平臺風險矩陣，提出基于風險評估等級的平臺水下結(jié)構(gòu)檢測計劃，完善了當前規(guī)范中檢測時間間隔確定的不足之處。該文以某海洋平臺為例，闡明基于風險的水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的應用方法，可為我國海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測計劃的制定提供參考。

導管架平臺；風險分析；安全評估；結(jié)構(gòu)檢測；完整性管理

引 言

結(jié)構(gòu)完整性管理（Structural Integrity Management，SIM）是近幾年提出的新概念［1］。SIM過程包括“數(shù)據(jù)-評估-策略-規(guī)劃”四個動態(tài)環(huán)節(jié)，其中結(jié)構(gòu)檢測是獲取數(shù)據(jù)、制定平臺策略與規(guī)劃的首要條件，是保證導管架海洋平臺服役過程中安全性和適用性的最有效手段。針對導管架平臺而言，依據(jù)檢測區(qū)域的不同可分為水上檢測和水下檢測兩大類。水上結(jié)構(gòu)檢測主要通過目視檢測以及其他無損檢測技術(shù)進行，較易實施；而水下結(jié)構(gòu)檢測傳統(tǒng)的超聲波透水桿件檢測則需要由潛水員在水深超過50 m的海水中進行飽和潛水作業(yè)風險較大，施工相對困難，且費用非常昂貴。目前，API RP 2A規(guī)范僅通過根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)的暴露等級［2］確定其結(jié)構(gòu)檢測的級別和檢測時間，這種做法顯然沒有考慮平臺失效概率因素的影響，相對較為保守；參考文獻［3］給出了海洋工程結(jié)構(gòu)檢測時間間隔準則，但需要大量的原始數(shù)據(jù)和復雜的理論計算，工程實用性較差。為此，本文將風險分析引入到結(jié)構(gòu)檢測計劃的制定過程中，提出一種簡化的導管架平臺結(jié)構(gòu)水下檢測方案確定方法，從而完善了目前規(guī)范中的不足之處。文中所建立的基于風險的導管架平臺水下結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)，可為導管架平臺SIM的結(jié)構(gòu)檢測策略與規(guī)劃提供參考。

1 海洋平臺結(jié)構(gòu)風險分析

風險是指在一定的時間內(nèi)，由于系統(tǒng)行為的不確定性給人類或結(jié)構(gòu)帶來危害的可能性。危害不僅僅取決于某種災害性事故的發(fā)生概率，而且還與事故所造成的后果有關，即風險R為事件發(fā)生概率P和事件產(chǎn)生后果嚴重程度C這兩個參量的函數(shù)。下面對海洋平臺的失效概率P和失效后果C兩個方面分別進行闡述。

1.1 平臺失效的概率分析

海洋平臺失效概率評估主要運用的方法［4］有：

（1）歷史數(shù)據(jù)分析法；

（2）當歷史數(shù)據(jù)不能獲取或者不充分時，可以利用事故樹分析（FTA）技術(shù)來判斷分析的發(fā)生頻率；

（3）專家判斷。借鑒其豐富的理論基礎與工程經(jīng)驗，由專家小組對平臺失效的概率進行分析與判斷；

（4）采用理論模型來獲得失效發(fā)生頻率。

為定量確定平臺結(jié)構(gòu)失效的概率，建立平臺結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)函數(shù)為：

式中：X為隨機變量的向量；Fu表示系統(tǒng)抗力；Sj和Sw分別為作用于平臺上的波流載荷和風載載荷；γf為平臺系統(tǒng)抗力的偏置系數(shù)，表征不確定因素造成的抗力水平偏差；γs為平臺導管架載荷效應的偏置系數(shù)。

其中，F(xiàn)u可由非線性靜力推覆（Pushover）分析獲得［5］。Pushover除能夠計算平臺結(jié)構(gòu)的極限承載能力之外，還能有效確定平臺結(jié)構(gòu)的薄弱位置，從而為確定平臺結(jié)構(gòu)的檢測重點提供參考。

為衡量服役中平臺失效概率的大小，參照ISO標準［6］和HSE標準［7］，將平臺失效的概率劃分為A、B、C、D、E共5個等級，5個等級失效概率逐級降低（見表1）。

表1 失效概率等級劃分

表1給出了平臺失效概率等級劃分的標準，平臺失效概率可通過式（2）確定，從而判定其失效的等級。應用時應注重對平臺服役狀態(tài)的評估，通過平臺特征參數(shù)的實時監(jiān)測與分析，明確平臺結(jié)構(gòu)當前所處的狀態(tài)。

1.2 平臺失效后果等級劃分

失效后果是指結(jié)構(gòu)事故后給作業(yè)人員生命、海洋生態(tài)環(huán)境帶來的影響（包括短期危害和長期危害）以及給運營公司帶來的經(jīng)濟損失和輿論壓力等，因此，結(jié)構(gòu)失效的后果等級的劃分原則上應綜合制造商意見及其在生命安全、環(huán)境污染、經(jīng)濟損失和社會影響后果等方面的定性分析來確定。為確保劃分的平臺失效后果等級與API規(guī)范相一致，本文將海洋平臺結(jié)構(gòu)的失效后果等級劃分為1、2、3共3個級別（見表2）。

表2 失效后果等級劃分

表2中的劃分可進一步闡述為：嚴重失效后果等級是指重要的生產(chǎn)平臺和一旦失效可能出現(xiàn)油氣泄漏的平臺，還包括設計事件發(fā)生前無法采取風險控制措施或不可能中斷油氣生產(chǎn)的平臺（例如在地震活動頻繁的地區(qū)）；此外，有重要輸油管線和間歇輸油儲油設施的平臺也應歸為嚴重后果級別的范疇。

中等失效后果等級是指災害事件發(fā)生期間停產(chǎn)并進行人員撤離的平臺。這類平臺油井裝有功能齊全的水下安全閥，水下安全閥應按照適用的中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準制造和試驗；平臺上的原油只限于在處理儲罐和緩沖罐中儲存。

輕微失效后果等級是指設計事件時停產(chǎn)的小平臺。所有在平臺一旦失效時能自噴的油井必須裝有功能齊全的水下安全閥。這些平臺上可裝有生產(chǎn)分離設施和小容量的內(nèi)部管線，但原油只限于在處理儲罐中儲存。

2 基于風險的平臺水下結(jié)構(gòu)檢測策略

2.1 RBUI技術(shù)原理

基于風險的水下結(jié)構(gòu)檢測（Risk Based Underwater Inspection， RBUI）采用依據(jù)風險來制定檢驗計劃，從而降低結(jié)構(gòu)檢測的成本［8］。該方法的主要特點是：

（1）將檢測和維修的主要精力用于高風險的結(jié)構(gòu)上，而把適當?shù)牧α糠旁诘惋L險部分；

（2）能夠量化檢測效果；

（3）能夠確保工程結(jié)構(gòu)的安全性與適用性；

（4）當缺少數(shù)據(jù)或存在很大不確定性時，亦能夠為平臺完整性管理提供決策支持。

RBUI技術(shù)的核心是風險，該技術(shù)通過風險分析得到結(jié)構(gòu)的風險分布，然后優(yōu)化檢測策略，達到保證結(jié)構(gòu)安全和節(jié)約成本的目的。

RBUI實施過程包括：

（1）失效概率的計算；

（2）失效后果的評估；

（3）風險水平/級別的確定；

（4）檢測計劃的制定。

其中，風險的級別可以用風險矩陣圖來表示。如前所述，平臺失效概率劃分為A、B、C、D、E共5個等級，失效的后果劃分為1、2、3共3個級別，由此，可得到一個3×5的風險矩陣，采用風險矩陣將平臺風險等級劃分為高風險、中風險、低風險3個級別，即可根據(jù)相應風險等級采取對應的風險控制措施（見表3）。

表3 風險等級及決策

2.2 基于風險的檢測時間間隔

目前的結(jié)構(gòu)檢測時間間隔主要是依據(jù)API規(guī)范（參見API Section14），即L-1級別，II級檢測為3~5年，III級檢測為6~10年；L-2暴露等級，II級檢測為5~10年，III級檢測為11~15年；L-3暴露等級，只進行II級檢測，時間間隔為5~10年。顯然，采用上述推薦檢測計劃，在工程應用時，帶有一定的主觀因素，缺乏科學性。實際上，檢測時間間隔不應固定不變，而應根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際狀況來確定合理、經(jīng)濟的檢測計劃。

為此，本文綜合API推薦的檢測時間間隔，進一步考慮了平臺風險對檢測計劃的影響，采用RBUI來確定平臺檢測時間間隔時，如圖1所示。RBUI即對高風險等級的海洋平臺縮短其檢測時間間隔，而對低風險的海洋平臺適當?shù)臏p少檢測的次數(shù)，從而達到安全性與經(jīng)濟成本的平衡。

圖1 基于風險的海洋平臺水下結(jié)構(gòu)檢測計劃

圖1 中給出了海洋平臺不等風險水平的檢測時間間隔及相應的檢測級別，其中：風險矩陣中的數(shù)字代表檢測時間的間隔（單位：年）；括號中的數(shù)據(jù)代表III級檢測時間間隔，如6（11）表示平臺在2級風險狀態(tài)下，II級檢測時間間隔為6年，III檢測時間為11年。顯然，與API規(guī)范相比，考慮風險后，平臺檢測計劃相對更加完善，更能夠體現(xiàn)經(jīng)濟與安全性的要求。

3 工程算例

3.1 平臺結(jié)構(gòu)及有限元模型

某固定式鉆井平臺為4樁腿結(jié)構(gòu)，共由7層導管架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，空間結(jié)構(gòu)為K型與對角斜型構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，該平臺上部組塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1 192 t，上部結(jié)構(gòu)由3層甲板構(gòu)成。建立該平臺結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示，其中導管架水下及飛濺區(qū)結(jié)構(gòu)采用PIPE288單元建立，飛濺區(qū)以上結(jié)構(gòu)采用PIPE16建立，上部結(jié)構(gòu)采用MASS21單元近似代替，泥面以下樁腿采用PIPE20單元建立，忽略樁-土非線性相互作用，采用在泥面以下6倍樁徑處進行固支的約束方式。

圖2 平臺有限元模型

該平臺所處海域設計水深為105.3 m，百年一遇設計波高為22.1 m，周期為14.0 s，表面海流流速為2.355 m/s，風速為44 m/s。由此，基于Morison方程，采用ANSYS軟件求得平臺最大波浪相位角為23°，最大設計環(huán)境載荷為16.70 MN。

3.2 平臺風險評估及檢測策略

首先采用Pushover方法，計算得到該平臺結(jié)構(gòu)的承載能力曲線（見下頁圖3）。由圖3可知，平臺極限承載能力為70.55 MN，平臺儲備強度系數(shù)為4.19；然后提取平臺極限狀態(tài)時的等效應力分布，如圖4所示。

圖3 平臺承載能力曲線

圖4 平臺極限狀態(tài)時的等效應力分布

由圖4可知，平臺等效應力分布基本呈現(xiàn)至上而下逐漸增大的規(guī)律，危險構(gòu)件主要分布于下層結(jié)構(gòu)的斜撐與樁腿位置，相對而言水平撐等效應力則較小。

取平臺偏置系數(shù)γf和γs服從均值為1的對數(shù)正態(tài)分布，變異系數(shù)分別為0.15和0.20［9］。采用蒙特卡洛方法，抽樣次數(shù)為500 000次，由此，求得平臺年失效概率為5.05×10-5，即失效概率為C級；再根據(jù)平臺的類型及作業(yè)人員狀況，確定其暴露等級為L1，因此，可知平臺的風險水平位于風險矩陣的黃色區(qū)域，風險等級為二級。根據(jù)圖2可知，該平臺對應的II級檢測時間間隔為6，III級檢測時間間隔為11年。此外，由平臺極限承載能力分析可知，平臺底部斜撐及樁腿應作為結(jié)構(gòu)檢測的重點關注構(gòu)件。

4 結(jié) 論

將基于風險的結(jié)構(gòu)檢測方法應用到導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)完整性管理中的檢測規(guī)劃中，為制定合理的水下結(jié)構(gòu)檢測時間間隔提供技術(shù)參考。首先，依據(jù)API規(guī)范中的平臺暴露等級，確定平臺失效后果的級別；其次，采用Pushover方法，評估平臺系統(tǒng)的極限承載能力，在此基礎上，考慮隨機變量的不確定性，應用蒙特卡洛法，求得平臺結(jié)構(gòu)的失效概率，從而得到平臺結(jié)構(gòu)的風險等級；最后，根據(jù)制定的RBUI計劃，確定平臺水下結(jié)構(gòu)的檢測時間間隔。以某海洋平臺為例，計算得到其風險等級為2級，確定其II級檢測時間間隔為6年，重點檢測構(gòu)件為平臺底層斜撐與樁腿。文中建立的方法可為我國大量存在的服役海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測計劃提供技術(shù)參考。

［1］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.The development of a recommended practice for structural integrity management （SIM） of fixed offshore platforms［C］.Offshore Technology Conference， 2006.

［2］ API RP 2A-WSD， Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-Working stress design［S］. 2007.

［3］ 許朝輝， 陳國明， 許亮斌. 海洋結(jié)構(gòu)檢測時間間隔確定準則［J］. 石油礦場機械， 2010（1）： 21-24.

［4］ 張圣坤， 白勇， 唐文勇. 船舶與海洋工程風險評估［M］.北京： 國防工業(yè)出版社， 2003.

［5］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.The Role of Ultimate Strength Assessments in the Structural Integrity Management （SIM） of Offshore Structures［C］.Offshore Technology Conference， 2006.

［6］ ISO. ISO 17776-2000 Guidelines on Tools and Techniques for Hazard Identification and Risk Assessment［S］. 2000.

［7］ HSE. Structural Integrity Management Framework For Fixed Jacket Structures［S］. 2009

［8］ SEMENSKI D， WOLF H. Risk Assessment of Structural Elements of the Offshore Gas and Oil Platforms［C］. 22nd Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Sold Mechanics， Parma， Italy， 2005.

［9］ 蔣曉波. 導管架平臺的失效評估分析［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2010.

Safety inspection of underwear structure on jacket platform based on risk assessment

MA Dong-hui ZU Wei
(CNOOC Tianjin Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

The structural safety inspection based on risk assessment has been applied in the inspection program of the structural integrity management SIM for the jacket platform. Failure consequences and failure probability are both considered for the determination of the risk matrix. It proposes the inspection program for the underwater structure of the platform based on the risk assessment level, and improves the determination of the inspection time interval in the current rules. For a jacket platform, it clarifies the application of the underwater structure inspection technology based on the risk assessment, which can provide reference for the development of the inspection program of the offshore platform structure in China.

jacket platform; risk analysis; safety assessment; structure inspection; integrity management

TE951

A

1001-9855（2017）06-0008-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.008

2017-03-29；

2017-04-20

馬冬輝（1984-），男，工程師。研究方向：海洋石油工程設計。

祖 ?。?987-），男，工程師。研究方向：海洋工程鉆修井機結(jié)構(gòu)設計。