RBI技術(shù)在導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)延壽中的應(yīng)用

盧　華， 周　雷， 王巍巍， 張傳杰， 徐　皓

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

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RBI技術(shù)在導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)延壽中的應(yīng)用

盧華， 周雷， 王巍巍， 張傳杰， 徐皓

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

摘要：該文指出導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)延壽的迫切性和基于傳統(tǒng)分析方法結(jié)果下檢測規(guī)劃的缺陷，并將RBI技術(shù)引入平臺延壽的檢測規(guī)劃中。文中給出了導(dǎo)管架RBI(基于風(fēng)險的檢測)技術(shù)原理、疲勞失效概率分析方法、平臺倒塌概率分析方法和導(dǎo)管架RBI分析流程，并通過具體工程算例，得出RBI技術(shù)有利于控制風(fēng)險和減少檢測成本的結(jié)論，為在役導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的完整性管理提供了良好的借鑒。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)；延壽；檢測規(guī)劃；完整性管理

0 引言

我國20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行海上油氣田的開發(fā)開采，平臺的設(shè)計壽命一般為15年～30年。由于部分平臺設(shè)計壽命年限日益臨近，但一些老油田可采油氣資源仍然可觀，同時部分老平臺也要作為新平臺運行的依托，面臨超期服役的情況。為保障這些平臺的正常運行，急需發(fā)展平臺結(jié)構(gòu)檢測與延壽評估技術(shù)。

平臺結(jié)構(gòu)延壽評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為結(jié)構(gòu)重要節(jié)點的疲勞分析與疲勞損傷檢測。傳統(tǒng)譜疲勞分析為基于S-N曲線的分析方法，由于疲勞裂紋尺寸和疲勞損傷積累與S-N曲線沒有直接的關(guān)系，其結(jié)果跟實際檢測有比較大的偏差，同時很難通過檢測結(jié)果來修正或改進(jìn)疲勞評估的可靠性?；趥鹘y(tǒng)譜疲勞分析方法給出的疲勞裂紋檢測規(guī)劃往往是在達(dá)到設(shè)計壽命后采取比較頻繁的檢測間隔，而水下疲勞裂紋檢測方法在國內(nèi)通常為ACFM無損檢測[1]，對于南?；驏|海等較深海域，常常需要借助飽和潛水，實施作業(yè)風(fēng)險大、費用高。

RBI(基于風(fēng)險的檢測)是目前最為流行的檢測計劃方法，該方法為不確定性事件的決策提供了一致性的評估框架，其主要原理是基于不同的風(fēng)險等級制定不同的檢驗策略。RBI可以用來制定生產(chǎn)運營階段平臺結(jié)構(gòu)針對疲勞裂紋的檢測計劃，該方法充分考慮了疲勞裂紋和金屬損失隨著時間增長的可能性，根據(jù)各個部位的重要性及損傷機理來優(yōu)化檢測計劃[2]。將RBI技術(shù)應(yīng)用到在役海洋平臺結(jié)構(gòu)延壽評估與檢測中，有利于有效控制平臺延壽風(fēng)險，同時降低完整性管理所投入的費用。

1RBI技術(shù)

RBI是指基于風(fēng)險的檢測(Risk Based Inspection)，最早由挪威船級社(DNV)在海洋平臺上使用。該技術(shù)以追求結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性為理念，在對平臺結(jié)構(gòu)固有的或潛在的危險進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保平臺結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全和減少使用費用為目標(biāo)，建立一種優(yōu)化檢驗的方法。該技術(shù)在國外石油、化工等生產(chǎn)企業(yè)得到推廣應(yīng)用。

1.1RBI原理

RBI技術(shù)包括兩部分：失效的可能性和失效后果。RBI分析采用可靠性方法，確定節(jié)點疲勞失效概率和由疲勞失效引起的平臺倒塌概率，風(fēng)險定義為二者的乘積，當(dāng)風(fēng)險達(dá)到或超過可接受標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)進(jìn)行檢測。根據(jù)NORSOK N-004和DNV在北海在役平臺結(jié)構(gòu)完整性評估的經(jīng)驗做法，風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)可表達(dá)如下[3]：

(1) 接受標(biāo)準(zhǔn)1-總體風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

(1)

此處結(jié)構(gòu)倒塌的總體RT*爭得客戶的同意，RT的賦值取決于總體結(jié)構(gòu)失效的后果，對于人員駐留的平臺常常取RT=10-4～10-5之間。

(2) 接受標(biāo)準(zhǔn)2-累計疲勞概率上限

當(dāng)由疲勞失效引起平臺倒塌的概率(條件概率)小于10-2時，取累計疲勞概率上限為10-2。

(3) 接受標(biāo)準(zhǔn)3-累計疲勞概率下限

當(dāng)由疲勞失效引起平臺倒塌的概率(條件概率)大于10-1時，取累計疲勞概率下限為10-3。

圖1為疲勞RBI分析的可接受風(fēng)險準(zhǔn)則。

圖1　疲勞RBI分析的可接受風(fēng)險準(zhǔn)則

落在接受準(zhǔn)則線下方的風(fēng)險可不進(jìn)行檢測，落在接受準(zhǔn)則線上方的風(fēng)險則要求進(jìn)行檢測。

1.2疲勞失效概率

失效概率表達(dá)式如下：

(2)

式中：Z為由隨機變量所組成的隨機向量；fZ(z)為隨機向量Z的聯(lián)合概率密度。當(dāng)G(z)>0時，表示結(jié)構(gòu)處于安全域；當(dāng)G(z)<0時，表示結(jié)構(gòu)處在非安全域；當(dāng)G(z)=0時，表示結(jié)構(gòu)恰好處于極限狀態(tài)。但是，在大多數(shù)情況下很難顯示量化fZ(z)的表達(dá)式，為了解決實際工程問題，各國數(shù)學(xué)家提出了一系列數(shù)值近似方法來近似估算失效概率。在所有這些數(shù)值方法中，最早在工程界應(yīng)用同時也是普遍被工程界所認(rèn)可的方法是一次可靠性方法(First Order Reliability Method, FORM)。該算法要保證所探討的隨機變量均服從獨立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其具體迭代形式如下：

(3)

(4)

式中：k為迭代次數(shù)；u(k)為第k次迭代時的隨機向量的值；▽G(u(k))為失效函數(shù)在u(k)處的值；G(u(k))為失效函數(shù)在u(k)處的梯度值；d(k)為根據(jù)u(k)確定的搜索方向向量。迭代過程如圖2所示。

圖2　一次可靠性方法的迭代過程圖

累計疲勞損傷概率應(yīng)考慮節(jié)點疲勞分析方法、疲勞能力、疲勞荷載等參數(shù)的不確定因素，在計算中應(yīng)將檢驗歷史考慮在進(jìn)行NDT檢驗的年份中，同時也應(yīng)考慮檢測方法精度對疲勞裂紋發(fā)現(xiàn)概率的影響，并將裂紋尺寸與發(fā)現(xiàn)裂紋的概率關(guān)系(POD曲線)考慮到條件概率中，失效概率可通過條件概率加以更正，條件概率表達(dá)式如下：

(5)

(6)

式中：ad為檢測設(shè)備可探測到的退化水平；d(ti)為實際的退化水平。

通過計算確定檢測周期的有效性還與POD曲線(裂紋尺寸與發(fā)現(xiàn)裂紋的概率關(guān)系)有關(guān)。通常POD曲線可定義為：

(7)

式中：a為裂紋尺寸；x0和b分別為不同檢測方法對應(yīng)的參數(shù)。

1.3基于斷裂力學(xué)模型的疲勞失效概率

傳統(tǒng)譜疲勞分析是基于S-N曲線的分析方法，由于疲勞裂紋尺寸和疲勞損傷積累與S-N曲線沒有直接的關(guān)系，其結(jié)果往往跟實際檢測有比較大的偏差，同時也很難通過檢測結(jié)果來修正或改進(jìn)疲勞評估的可靠性，因此RBI技術(shù)需要借助斷裂力學(xué)模型來計算疲勞失效概率。

在每一次應(yīng)力循環(huán)之后疲勞裂紋增長可以由Paris &Erdogan公式表示：

(8)

式中：Cr與m為常數(shù)；φ為位置角；ΔK為應(yīng)力強度因子范圍，沿裂紋前緣/前端的任意點處都要滿足上述微分方程。為了簡化分析，假定初始疲勞裂紋前緣/前端呈半橢圓形，并且隨著裂紋的擴展，裂紋前緣/前端的形狀保持不變，即裂紋長度為2c，裂紋深度為a，斷裂力學(xué)模型如圖3所示。

圖3　斷裂力學(xué)模型

1.4平臺倒塌概率

平臺倒塌概率計算模型如下：

(9)

式中：RSR為導(dǎo)管架抗力(一般定義為平臺倒塌時與100年環(huán)境荷載引起的基底剪力之比)；E為環(huán)境荷載。導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)抗力RSR可近似認(rèn)為符合正態(tài)分布,其均值可通過USFO和SACS等專業(yè)軟件分析得到。 環(huán)境載荷可以由如下簡化模型來表示：

(10)

式中：n取決于環(huán)境狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，典型取值范圍在1.6～2.0之間；H為年度極限最大波高，也是隨機變量，該變量服從極值分布(Gumbel)，H～G(μH, CoVH)；參數(shù)A是隨機變量，該變量說明了整個模型在波浪載荷計算中的不確定性，該參數(shù)服從正態(tài)分布，即A～N(μA, CoVA)。

1.5關(guān)鍵低疲勞壽命節(jié)點篩選

關(guān)鍵疲勞節(jié)點是指那些節(jié)點疲勞失效后會導(dǎo)致水下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)極限承載能力明顯降低的部位。一般情況下，根據(jù)不同的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，低疲勞壽命節(jié)點可分為關(guān)聯(lián)失效節(jié)點和單一失效節(jié)點。其中：關(guān)聯(lián)失效節(jié)點是指節(jié)點疲勞失效后，會導(dǎo)致多個水下桿件失去連接，喪失承載能力，這類節(jié)點一般分布在導(dǎo)管架水平撐桿的端部；單一失效節(jié)點是指節(jié)點疲勞失效后，只會導(dǎo)致單個桿件失去連接，喪失承載能力，這類節(jié)點一般分布在導(dǎo)管架立面的斜向撐桿端部。

關(guān)聯(lián)節(jié)點疲勞失效會嚴(yán)重破壞水下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的完整性，所以這類節(jié)點為關(guān)鍵疲勞節(jié)點。單一失效節(jié)點是否是關(guān)鍵節(jié)點，則要根據(jù)該節(jié)點所影響的桿件在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)中的重要性來確定。由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，個別桿件失效不會明顯降低導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)的極限承載能力，判斷的方法是將由于節(jié)點疲勞失效導(dǎo)致的失效桿件在模型中去掉，不考慮其對整體結(jié)構(gòu)受力的貢獻(xiàn)，然后進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)的極限強度分析，當(dāng)計算的儲備強度比出現(xiàn)顯著減小時，這個節(jié)點為關(guān)鍵節(jié)點，應(yīng)進(jìn)行水下NDT檢測。水下檢測關(guān)鍵疲勞節(jié)點時，應(yīng)同時對非關(guān)鍵疲勞節(jié)點進(jìn)行外觀檢測。

1.6在役導(dǎo)管架平臺RBI分析流程

在役導(dǎo)管架平臺RBI分析一般流程如下：

(1)詳細(xì)譜疲勞分析；

(2)平臺倒塌分析和關(guān)鍵低疲勞節(jié)點篩選；

(3)因關(guān)鍵低疲勞節(jié)點失效引起的平臺倒塌概率分析；

(4)疲勞失效概率分析；

(5)確定風(fēng)險并制定檢測計劃。

疲勞分析、倒塌分析可通過海洋結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計分析軟件進(jìn)行，疲勞失效概率和檢測計劃可采用概率疲勞分析軟件PROFAST進(jìn)行。

2工程算例

南海某8腿平臺于2003年投產(chǎn)，導(dǎo)管架設(shè)計壽命為15年，導(dǎo)管架將于2018年達(dá)到設(shè)計壽命。2011年結(jié)合改造對該平臺導(dǎo)管架進(jìn)行詳細(xì)譜疲勞分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點A120疲勞壽命不滿足壽命要求，但2011年末通過水下NDT檢測，未發(fā)現(xiàn)該疲勞節(jié)點有裂紋，該節(jié)點相關(guān)信息見表1。

表1　低疲勞節(jié)點A120信息

由于A120節(jié)點不滿足15年的疲勞設(shè)計壽命要求，且位于水平面有短桿連接，該節(jié)點一旦疲勞失效，將會引起相關(guān)連接桿件失效，進(jìn)而危及平臺的完整性，因此A120應(yīng)為低疲勞關(guān)鍵節(jié)點，需要進(jìn)行相應(yīng)的NDT檢測規(guī)劃。首先對該節(jié)點失效后進(jìn)行倒塌分析，得到損傷模型的RSR，并根據(jù)2.4節(jié)計算平臺倒塌概率，得到平臺倒塌概率小于10-3，因此采用接受準(zhǔn)則2，即采用累計疲勞概率上限為10-2，以此目標(biāo)來制定檢測計劃。檢測計劃分析采用概率疲勞分析軟件PROFAST來進(jìn)行，節(jié)點A120撐桿側(cè)和弦側(cè)NDT檢測計劃如圖4、圖5所示。

圖4　節(jié)點A120撐桿側(cè)NDT檢測計劃

圖5　節(jié)點A120弦桿側(cè)NDT檢測計劃

由圖4可以看出：從平臺投產(chǎn)年份2003年開始，節(jié)點A120撐桿側(cè)焊縫隨著時間的推移，其疲勞失效概率逐漸增大，在2011年之前達(dá)到目標(biāo)風(fēng)險值(10-2)，由于2011年在水下對其NDT檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，其風(fēng)險得以修正并降低，在此基礎(chǔ)上，隨著時間的往后推移，疲勞失效概率逐漸增大，并在設(shè)計壽命年份2018達(dá)到目標(biāo)風(fēng)險值，要求在2018年或之前對該節(jié)點進(jìn)行檢測。

由圖5可看出：從平臺投產(chǎn)年份2003年開始，節(jié)點A120撐桿側(cè)焊縫隨著時間的推移，其疲勞失效概率逐漸增大，盡管在2011年超出目標(biāo)風(fēng)險值(10-2)，由于2011年在水下對其NDT檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，其風(fēng)險在當(dāng)年得以修正并降低。在此基礎(chǔ)上，隨著時間的往后推移，疲勞失效概率逐漸增大，并在設(shè)計壽命年份2014年達(dá)到目標(biāo)風(fēng)險值，實施檢測后未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，風(fēng)險在2014年得以降低，并繼續(xù)做出2018年的檢測計劃。

3結(jié)論

該文將RBI技術(shù)應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)延壽中。首先指出了在役海洋平臺結(jié)構(gòu)延壽的迫切性，給出了導(dǎo)管架RBI技術(shù)原理、方法和具體工程算例，得到如下主要結(jié)論：

(1) 在工程算例中，盡管該文僅給出平臺導(dǎo)管架一個節(jié)點的RBI分析，但如果有大量的節(jié)點處于低疲勞壽命狀態(tài)而面臨要求水下NDT檢測要求，可以通過關(guān)鍵低疲勞壽命節(jié)點篩選環(huán)節(jié)篩選出危及導(dǎo)管架完整性關(guān)鍵節(jié)點做NDT檢測，其它非關(guān)鍵節(jié)點做常規(guī)外觀檢測即可，這樣可以縮小水下NDT檢測的范圍，減少檢測成本并降低風(fēng)險。

(2) 盡管有些疲勞節(jié)點由于改造等原因，其計算疲勞壽命提前于導(dǎo)管架本身的設(shè)計壽命，但通過RBI技術(shù)實現(xiàn)延長使用的要求，在控制風(fēng)險的同時，也通過優(yōu)化NDT檢測間隔而降低檢測成本。

(3) RBI技術(shù)考慮了歷年檢測的結(jié)果并對風(fēng)險進(jìn)行調(diào)整，具有比傳統(tǒng)檢測更符合實際的優(yōu)勢，將其運用于在役導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)完整性管理中往往起得很好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]中國船級社.在役導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)檢驗指南[M]. 北京：中國船級社，2013.

[2]Norsok Standard. Assessment of structural integrity for existing offshore load-bearing structures(N-006)[S]. 2009.

[3]Norsok Standard. Design of steel structures( N-004)[S]. 2013.

收稿日期：2015-11-06

作者簡介：盧華(1976-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0060-06

中圖分類號:P75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

RBI Technique Used in the Life-extention of In-service Jacket Platform Structure

LU Hua, ZHOU Lei, WANG Wei-wei, ZHANG Chuan-jie, XU Hao

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300452, China)

Abstract：This paper points out the urgency of jacket platform structure's life-extension and the faultiness of inspection plan based on the traditional analysis method’s results, introduces RBI(risk-based inspection) technique into the inspection plan for life-extension. The jacket RBI technical principle, fatigue probability analysis method, platform collapse probability analysis method, jacket RBI analysis process and engineering sample are given, and draw the conclusion that RBI technique is more beneficial to control the risk and reduce cost of inspection. It will provide a good reference for integrity management of in-service jacket platform structure.

Keywords：jacket platform structure； life-extension； inspection plan； integrity management