服役后期海洋平臺剩余壽命可靠度預測方法

劉 勇，陳爐云，侯國華

（1中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3總裝備部 陸軍裝備科訂購部，北京 100034）

服役后期海洋平臺剩余壽命可靠度預測方法

劉 勇1，陳爐云2，侯國華3

（1中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3總裝備部 陸軍裝備科訂購部，北京 100034）

為保證服役后期平臺在延壽服役期內(nèi)的安全性，需要對其結(jié)構(gòu)整體剩余壽命可靠度進行預測。因此，文章重點研究了在隨機波浪載荷作用下平臺部分構(gòu)件動力失效和疲勞失效時，平臺整體時變可靠度預測方法。采用Miner線性累積損傷理論和首次超越失效準則，計算平臺構(gòu)件的疲勞壽命可靠度和動力可靠度，搜索并刪除失效概率較大的構(gòu)件，運用波浪增量動力分析法找出平臺結(jié)構(gòu)所能承受的極限波浪載荷，再結(jié)合服役海域波浪統(tǒng)計資料，計算平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體時變可靠度以預測其剩余壽命。文中算例表明了該方法的實用性和簡便性。

海洋平臺；剩余壽命可靠度；隨機波浪；波浪增量動力分析

0 引 言

隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，一些接近或達到設(shè)計壽命的海洋平臺將繼續(xù)服役，以滿足油田開發(fā)的需要。因此迫切需要對現(xiàn)役平臺進行安全評估，以確保平臺的安全服役，最大限度地延長其使用壽命并對其剩余壽命可靠度進行預測。

Onoufriou等[1]總結(jié)了近些年固定式海洋平臺可靠性評估的進展。Golafshani等[2]提出了波浪增量動力可靠性分析方法用以計算在海洋平臺整體倒塌概率。在國內(nèi)，歐進萍等[3]提出了導管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)極限承載力分析的整體推進法。王文明等[4]分別計算了四種不同工況下平臺在單個構(gòu)件失效后的極限承載力以及單個構(gòu)件失效后平臺結(jié)構(gòu)的剩余強度系數(shù)，以分析單個構(gòu)件失效對導管架平臺極限承載力的影響。劉海豐[5]對老齡平臺結(jié)構(gòu)在復雜海洋環(huán)境下的剩余強度分析和安全可靠性評估方法進行了研究。

海洋平臺是由成千上百個構(gòu)件組成的高次超靜定結(jié)構(gòu)，其失效過程一般是少數(shù)構(gòu)件失效，但不一定會導致平臺整體結(jié)構(gòu)失效，當失效構(gòu)件逐漸累計到一定程度時，平臺才會發(fā)生垮塌。本文從服役環(huán)境中平臺整體失效實際過程出發(fā)，從系統(tǒng)的角度對平臺結(jié)構(gòu)整體時變可靠度預測方法進行研究。

1 平臺構(gòu)件疲勞可靠性分析

海洋波浪的長期分布可以看成是由許多短期海況的序列組成的，在每一個短期海況中，假設(shè)構(gòu)件的應(yīng)力幅值服從Rayleigh分布：

根據(jù)Miner線性累積損傷理論和應(yīng)力幅值與疲勞壽命關(guān)系曲線，構(gòu)件的疲勞壽命為

式中：A為描述S-N曲線的隨機變量；B為描述疲勞分析中應(yīng)力范圍計算過程中不確定因素的隨機變量；Ω為應(yīng)力參數(shù)；m為描述S-N曲線的確定量；Δ為描述結(jié)構(gòu)疲勞破壞累積損傷度的隨機變量。

2 平臺構(gòu)件動力可靠性分析

本文在計算平臺構(gòu)件動力可靠度時，采用首次超越失效機制。所謂首次超越失效機制，就是假設(shè)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)值（如控制點的應(yīng)力、位移和加速度等）首次超越臨界值或安全界限時，結(jié)構(gòu)就會發(fā)生破壞或失效[7]。在服役后期平臺構(gòu)件動力可靠度分析中，當構(gòu)件應(yīng)力峰值大于材料屈服極限時認為該構(gòu)件失效。

在每一個短期海況中，假設(shè)構(gòu)件的應(yīng)力峰值y服從Rayleigh分布：

對于波浪載荷下構(gòu)件的振動響應(yīng)，構(gòu)件的破壞界限取材料屈服極限，為單側(cè)界限。這時，構(gòu)件在（0,t）時間內(nèi)動力可靠度采用下式計算：

3 波浪增量動力分析

在確定平臺所能承受的極限波浪載荷時，主要運用了波浪增量動力分析法。波浪增量動力分析是在波浪作用下對平臺結(jié)構(gòu)進行彈塑性動力時程分析，以波浪載荷為輸入量，在分析過程中不斷改變波浪載荷參數(shù)的大小，使導管架經(jīng)歷從彈性、非彈性直至倒塌的全過程，通過分析結(jié)構(gòu)性能參數(shù)與波浪載荷參數(shù)之間的關(guān)系曲線，從而找到結(jié)構(gòu)所能承載的極限載荷。當曲線的斜率突然發(fā)生改變時，意味著在波浪載荷有微小增加的情況下，結(jié)構(gòu)性能參數(shù)發(fā)生顯著變化，可以認為結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性即將發(fā)生倒塌，此點的波浪載荷即為結(jié)構(gòu)所能承載的極限載荷[2]。以波浪載荷參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)為坐標軸，可以繪制一條波浪增量動力分析曲線（見圖1），通過此曲線就可以找到結(jié)構(gòu)能夠承受的極限波浪載荷。

圖1 波浪增量動力分析曲線Fig.1 Wave incremental dynamic analysis curve

4 服役后期平臺剩余壽命預測方法

4.1 基本思想

海洋平臺結(jié)構(gòu)復雜、構(gòu)件眾多，在進行整體剩余壽命可靠度預測時作以下假設(shè)：

（1）在1年中的失效構(gòu)件可靠性模型為串聯(lián)系統(tǒng)，因為串聯(lián)系統(tǒng)的失效概率大于并聯(lián)系統(tǒng)以及混聯(lián)系統(tǒng)，這樣處理使得最后的計算結(jié)果偏于安全，符合工程需要。將1a中的失效構(gòu)件作為一個等效失效單元，其失效概率為

式中：PEn為在第na等效單元的失效概率；Pjn表示在第n年失效構(gòu)件的失效概率；j=1,2,…m為具有較大失效概率構(gòu)件的個數(shù)。

（2）以年為時間單位，在1年中構(gòu)件的失效概率和平臺的整體失效概率是不變的，以年末的計算值表示這一年的構(gòu)件和平臺整體失效概率。

（3）在計算平臺整體結(jié)構(gòu)的失效概率時，不考慮平臺結(jié)構(gòu)的隨機性。

首先根據(jù)上述構(gòu)件疲勞可靠性和動力可靠性分析方法，逐年預測構(gòu)件的疲勞和動力失效概率，刪除失效概率大于規(guī)定閾值的構(gòu)件，同時把這些構(gòu)件作為一個等效失效單元，計算其失效概率。然后運用波浪增量動力分析法求得平臺在第n年所能承受的極限波高Hmax，平臺結(jié)構(gòu)整體失效概率即為極限波高年超越概率。

式中：PSn為在第n年有構(gòu)件失效的情況下平臺結(jié)構(gòu)整體失效條件概率為平臺所能承載的極限波高的年超越概率。

根據(jù)（6）式和（7）式，第n年服役期間平臺結(jié)構(gòu)整體失效概率為

平臺又連續(xù)服役了nl年，其整體時變可靠度為

式中：nl=n-n0，n0為平臺已經(jīng)服役的時間，接近其設(shè)計壽命。

4.2 步驟

服役后期平臺剩余壽命預測方法步驟如下：

（1）按照前面介紹的構(gòu)件疲勞可靠性分析方法，計算構(gòu)件經(jīng)過n0a服役后疲勞積累損傷Dn0和疲勞壽命的可靠度，如果某個構(gòu)件疲勞壽命可靠度小于規(guī)定的閾值，則判定其失效，刪除該構(gòu)件。

（2）按照前面介紹的構(gòu)件疲勞可靠性分析方法，按照下式計算各構(gòu)件在na服役期間內(nèi)的疲勞壽命：

式中：Dn為在第na服役期間內(nèi)波浪載荷造成的疲勞損傷。如果某個管節(jié)點疲勞壽命概率可靠性小于規(guī)定的閾值，則判定其失效，刪除該構(gòu)件。

（3）按照前面介紹的構(gòu)件動力可靠性分析方法，計算平臺各個構(gòu)件在第na服役期間內(nèi)的動力可靠度。如果某個構(gòu)件的動力可靠度小于材料屈服極限，則判定其失效，刪除該構(gòu)件。

（4）采用波浪增量動力分析法計算平臺在第na服役期間所能承載的極限浪高Hmax。

（5）按照（8）式計算在第n年服役期間平臺整體失效概率，按照（9）式計算平臺連續(xù)服役了nl年整體可靠度。

（6）重復步驟(2)～(5)，直至平臺剩余壽命可靠度R（nl）低于規(guī)定的閾值，停止計算，所得到時間nl即為平臺的剩余壽命。

5 算 例

以埕島油田某服役后期井組平臺的計量平臺為例，對其整體剩余壽命進行預測。該平臺導管架采用四腿型式，導管架頂標高5.0 m，底標高-10.5 m，工作點標高5.5 m。主導管采用Φ1 340 mm×25 mm鋼管，成矩形布置；在標高-2 m、4.0 m之間設(shè)豎向斜拉筋，采用Φ610 mm×20 mm鋼管。樁采用Φ1 200 mm×25 mm開口變壁厚鋼管樁，樁入泥深度25 m。

（1）根據(jù)計量平臺的現(xiàn)場勘測資科，建立有限元模型（圖2）。充分考慮平臺結(jié)構(gòu)腐蝕、樁基沖刷、海生物附著等情況影響，并且通過地基反力法模擬樁—土交互作用，對真實的結(jié)構(gòu)進行簡化處理，結(jié)構(gòu)的簡化保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀的真實性，結(jié)構(gòu)振動頻率和振型的真實性[8]。

（2）根據(jù)Morrison公式將海浪譜轉(zhuǎn)化為波浪力譜，運用譜分析方法，計算各構(gòu)件的疲勞壽命可靠度和動力可靠度。在計算構(gòu)件疲勞可靠度時，管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)為2。由于平臺結(jié)構(gòu)對稱，忽略海浪的方向性。構(gòu)件失效概率閾值取0.003。構(gòu)件疲勞壽命可靠度和動力可靠度計算結(jié)果如表1、2所示。表1中×表示失效概率大于閾值，構(gòu)件已失效，將不再計算它們的失效概率；表2中只選取部分構(gòu)件的動力可靠度計算結(jié)果。

圖2 平臺有限元模型Fig.2 Platform finite element model

（3）計算每年等效單元失效概率，計算結(jié)果對應(yīng)n=1，2，3a的Pn=0.011 5，0.013 5，0.240 6。

（4）運用波浪增量動力分析法計算平臺所能承受的極限波高。選取導管架頂端轉(zhuǎn)角最大值θmax為結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，波高為波浪載荷參數(shù)。各種海況下的分析時間選取為1h。參照FEMA-35l[9]規(guī)范，取曲線斜率小于初始斜率的20%的點為結(jié)構(gòu)不倒塌極限狀態(tài)點。根據(jù)埕島油田海域年波高統(tǒng)計資料，年最大波高概率分布函數(shù)取三參數(shù)威布爾函數(shù)，2.359 59，C=2.310 09。平臺每年所能承載的極限波高及極限波高超越概率如表4所示。

表1 管節(jié)點疲勞壽命可靠度Tab.1 Tubular joints fatigue life reliability

表2 構(gòu)件動力可靠度Tab.2 Components dynamic reliability

表3 極限波高和極限波高超越概率Tab.3 Limiting wave height and probability of exceedance

（5）逐年計算平臺結(jié)構(gòu)整體可靠度，預測剩余壽命。對應(yīng)于n=1，2，3a的平臺整體可靠度為1.0，1.0，0.991 8。假設(shè)平臺整體可靠度的閾值為0.997，則服役后期平臺在第3年整體可靠度小于閾值，其剩余壽命為2年。

5 結(jié) 語

本文重點研究了在隨機波浪載荷的作用下當部分平臺構(gòu)件動力失效和疲勞失效時，平臺整體時變可靠度預測方法。該方法較好地模擬了海洋平臺在服役環(huán)境中的實際失效過程，最后的算例證明該方法具有工程應(yīng)用價值。

[1]Onoufriou T,Forbes V J．Developments in structural system reliability assessments of fixed steel offshore platforms[J]．Reliability Engineering and System Safety,2001,71:189-199．

[2]Golafshani Ali Akbar,Ebrahimian Hossein,Bagheri Vahid,Holmas Tore．Assessment of offshore platforms under extreme waves by probabilistic incremental wave analysis[J]．Journal of Constructional Steel Research,2011,67:759-769．

[3]歐進萍,肖儀清,劉學東,等．導管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)極限承載力分析的整體推進法及其軟件[J].海洋工程,1999,17 (3):1-10．Ou Jinping,Xiao Yiqing,Liu Xuedong,et al.Whole stepwise push method of ultimate strength analysis of jacket offshore platform structures and its computer program[J].Ocean Engineering,1999,17(3):1-10．

[4]王文明,張世聯(lián)．導管架平臺極限承載力的有限元解法[J]．中國海洋平臺,2006,21(5):27-33．Wang Wenming,Zhang Shilian.Analyses of ultimate strength of jacket platforms by finite element method[J].China offshore platform,2006,21(5):27-33．

[5]劉海豐．面向老齡平臺延壽工程的結(jié)構(gòu)風險評估技術(shù)研究[D].北京:中國石油大學,2009．Liu Haifeng.Structural risk assessment of aged offshore platform for life extension engineering[D].Beijing:China University of Petroleum,2009．

[6]彭 攀．導管架海洋平臺疲勞可靠性分析[D]．南京:河海大學,2008．Peng Pan.Fatigue reliability analysis of a Jacket Platform[D].Nanjing:Hohai University,2008.

[7]李桂青,李秋勝．響應(yīng)譜MC模擬的橋梁抖振首次超越研究[J]．工程力學,2006,23(1):123-129．Li Guiqing,Li Qiusheng.Monte Carlo simulation approach to first passage probability in bridge buffeting response[J].Engineering Mechanics,2006,23(1):123-129．

[8]張大勇,岳前進,劉 笛,等．自升式鉆井平臺的抗冰性能評價[J]．船舶力學,2015,19(7):850-858．Zhang Dayong,Yue Qianjin,Liu Di,at el.Structural ice-resistant performance evaluation of jack-up drilling platforms[J]. Journal of ship Mechanics,2015,19(7):850-858．

[9]Report No.FEMA-35l．Recommended seismic evaluation and upgrade criteria for existing welded steel moment-frame Buildings[S]．

Study on post-service Jacket platform residual life reliability prediction method

LIU Yong1,CHEN Lu-yun2,HOU Guo-hua3
(1 Shanghai Branch,China Ship Scientific Research Center,Shanghai 200011,China; 2 School of Naval Architecture,Ocean and Civil Eng.,Shanghai Jiao Tong Univ.,Shanghai 200240,China;3 Army Equipment Science Research Purchase Department,PLA General Equipment Department,Beijing 100034,China)

To ensure the post-service platform security in the late service period,it is necessary to predict platform structure residual life reliability.In this paper,platform global time-varying reliability resulting from component dynamic failure and fatigue failure under random wave loads are studied.Component fatigue reliability and dynamic reliability are calculated according to Miner linear cumulative damage theory and first crossing failure criteria,components with larger failure probability are searched and deleted.The wave incremental dynamic analysis is used to find the limiting wave height that the platform could bear.Finally, combining with the wave statistics,platform global structure time-varying reliability is calculated to predict the residual life.The example shows the practicality and simplicity of the proposed method.

offshore platform;residual life reliability;random wave;wave incremental dynamic analysis

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.010

1007-7294（2015）10-1255-06

2015-07-25

劉 勇（1980-），男，博士，工程師，E-mail:flydark@126.com；

陳爐云（1975-），男，博士，助理研究員，E-mail:cluyun@163.com。