老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性動態(tài)評估與風(fēng)險控制.pdf

1、目前世界范圍內(nèi)有大量老齡平臺需要延壽繼續(xù)服役,為保證平臺延壽服役期間的安全,必須對老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行動態(tài)評估,研究相關(guān)的風(fēng)險控制技術(shù)。本課題結(jié)合國家863項(xiàng)目“近海老齡平臺延壽技術(shù)研究”、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向老齡平臺延壽工程的壽命預(yù)測與管理理論及方法研究”和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“南海深水油氣開采風(fēng)險控制技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究”中老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性管理的內(nèi)容展開研究,在老齡平臺時變可靠性、動態(tài)疲勞可靠性、風(fēng)險動態(tài)評價

2、與控制技術(shù)、基于風(fēng)險的老齡平臺檢修優(yōu)化等4個方面取得了較大進(jìn)展,并綜合所取得理論與技術(shù)成果,開發(fā)老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性管理軟件系統(tǒng)APSIMS,為技術(shù)理論的實(shí)際工程應(yīng)用提供方便。本研究成果如下：
　　 ⑴老齡平臺整體時變可靠性分析。將老齡平臺延壽服役期間的結(jié)構(gòu)抗力與載荷效應(yīng)作為隨機(jī)過程,研究老齡平臺在極值海洋環(huán)境載荷作用下的時變可靠性。分析老齡平臺抗力衰減的因素,研究腐蝕和裂紋兩種主要因素對平臺抗力的影響規(guī)律,根據(jù)腐蝕與裂紋參量隨時

3、間的變化分析平臺抗力衰減規(guī)律,確定平臺抗力衰減的多項(xiàng)目函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)共3種函數(shù)模型;分析老齡平臺延壽服役期間可能出現(xiàn)的極值海冰、臺風(fēng)和地震3種極值載荷概率特征,研究平臺在不同極值載荷作用下的載荷效應(yīng),提出平臺載荷效應(yīng)概率模型分析方法;根據(jù)抗力一載荷干涉理論,分別采用時間離散法、等效載荷法和時間增量法3種方法建立基于極值載荷的老齡平臺時變可靠性分析模型;以此為基礎(chǔ)利用可靠性更新理論,研究兩種老齡平臺時變可靠性更新方法:基于檢測資料

4、的Bayes更新與基于驗(yàn)證載荷的更新。
　　 ⑵老齡平臺動態(tài)疲勞可靠性分析。隨著老齡平臺服役時間的增長,平臺結(jié)構(gòu)疲勞損傷不斷累計(jì)從而導(dǎo)致平臺疲勞抗力下降,基于S-N曲線法和斷裂力學(xué)法建立平臺疲勞損傷累計(jì)模型和裂紋擴(kuò)展模型,采用時域分析法和頻域分析法計(jì)算名義應(yīng)力;將管節(jié)點(diǎn)作為平臺疲勞分析的基本單元,提出基于路徑映射技術(shù)的管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算方法,并研究復(fù)合載荷下管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)沿管節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律;分別將平臺延壽服役期間疲勞損

5、傷和裂紋擴(kuò)展尺寸作為隨機(jī)過程,基于動態(tài)疲勞損傷干涉理論和動態(tài)裂紋尺寸干涉理論,建立動態(tài)疲勞可靠性分析模型;考慮腐蝕對平臺疲勞損傷累計(jì)與裂紋擴(kuò)展的影響,研究腐蝕作用下疲勞應(yīng)力范圍隨時間的變化函數(shù),建立考慮疲勞與腐蝕交互作用的平臺動態(tài)可靠性模型;基于檢測與維修情況對平臺動態(tài)可靠性進(jìn)行更新,給出在2種不同檢測結(jié)果與維修情況下的動態(tài)疲勞可靠性更新模型;將可靠性分析提高至系統(tǒng)層面,分析平臺系統(tǒng)動態(tài)疲勞可靠性,研究老齡平臺系統(tǒng)失效模式確定方法與系統(tǒng)

6、動態(tài)可靠性計(jì)算方法。
　　 ⑶老齡平臺動態(tài)風(fēng)險評價與控制技術(shù)研究。將風(fēng)險作為老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性評價指標(biāo),采用故障類型及影響分析法對老齡平臺風(fēng)險進(jìn)行識別,借助于有限元分析方法確定危險因素對平臺結(jié)構(gòu)的影響程度,采用故障類型和影響、危險度分析法對平臺結(jié)構(gòu)風(fēng)險進(jìn)行半定量評價;研究老齡平臺結(jié)構(gòu)風(fēng)險衡量方法和接受準(zhǔn)則,通過建立老齡平臺失效事故樹模型計(jì)算平臺失效概率,研究平臺失效后果分析方法,根據(jù)“最低合理可行(ALARP)”原則對老齡平臺進(jìn)

7、行定量風(fēng)險評價:考慮到平臺延壽服役期間結(jié)構(gòu)失效概率與風(fēng)險后果的動態(tài)特征,研究老齡平臺動態(tài)風(fēng)險評價方法;針對風(fēng)險超過臨界值的情況提出4種風(fēng)險控制技術(shù),采用ANSYS軟件建立每種風(fēng)險控制方法評價模型,并對采取風(fēng)險控制措施后的平臺結(jié)構(gòu)風(fēng)險進(jìn)行動態(tài)評估,利用數(shù)值方法驗(yàn)證這些風(fēng)險控制技術(shù)的有效性。
　　 ⑷基于風(fēng)險優(yōu)化的老齡平臺檢測與維修規(guī)劃。檢測與維修是保證老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性的主要方式,為確定老齡平臺合理的檢修方案,建立基于風(fēng)險的老齡平

8、臺檢修規(guī)劃優(yōu)化模型,分析模型中檢測、維修和失效期望費(fèi)用的計(jì)算方法,制定采用MATLAB工具箱中遺傳算法進(jìn)行檢修優(yōu)化求解的步驟;鑒于各種期望費(fèi)用為檢測、維修和失效事件發(fā)生概率的函數(shù),建立這三個事件的安全裕度方程,根據(jù)事件樹模型分析各個檢測時間點(diǎn)平臺需要檢測、維修以及結(jié)構(gòu)失效的概率。首先根據(jù)建立的檢修優(yōu)化模型對檢修過程中的檢測次數(shù)和時間、檢測方法以及維修方法三種單項(xiàng)影響因素進(jìn)行優(yōu)化,并對相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行敏感性分析;再根據(jù)實(shí)際情況,綜合考慮各種因

9、素的不確定性,對各種檢測與維修方法進(jìn)行組合,并對每種方案均進(jìn)行基于風(fēng)險的檢修優(yōu)化分析,通過對優(yōu)化結(jié)果確定最佳檢修方案。
　　 ⑸老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性管理系統(tǒng)的研制。為方便結(jié)構(gòu)完整性管理理論的應(yīng)用,采用Visual Basic6.O語言開發(fā)老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性管理軟件系統(tǒng)APSIMS。根據(jù)API規(guī)范中海洋平臺結(jié)構(gòu)完整性管理流程建立詳細(xì)的老齡平臺結(jié)構(gòu)完整性管理框架,據(jù)此對軟件APSIMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);采用MicrosoftOffi