基于RBI的導(dǎo)管架平臺失效風(fēng)險評估

李慧晶

（必維（天津）安全技術(shù)有限公司，天津 300051）

0 引言

我國渤海海域遍布上百座導(dǎo)管架平臺，眾多平臺已達到或接近其設(shè)計使用壽命。由于海域狀況復(fù)雜多變，受天文潮和百年難遇風(fēng)暴的影響，平臺結(jié)構(gòu)整體強度一直面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對海洋平臺進行剩余強度評估是開展延壽工作的首要任務(wù)。目前，行業(yè)內(nèi)形成了基于風(fēng)險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）技術(shù)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)——《海上固定設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性管理》和《導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)完整性解決方案》，兩者都采用RBI技術(shù)制定檢驗策略。通過此評估將風(fēng)險量化，掌握平臺結(jié)構(gòu)風(fēng)險點，并據(jù)此提出有針對性的檢驗措施，對結(jié)構(gòu)薄弱部位進行適當(dāng)加強。

1 RB I方法

RBI方法為海上固定平臺結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)施的檢驗維修提供了優(yōu)質(zhì)的策略，可通過對風(fēng)險檢驗時間和范圍進行優(yōu)化和控制來達到提前預(yù)防和管理風(fēng)險的目的。

1.1 方法介紹

RBI方法以風(fēng)險評估為手段，根據(jù)風(fēng)險分析所得的結(jié)果對檢測計劃進行優(yōu)化，并進行綜合管理。RBI方法的應(yīng)用步驟主要分3步：風(fēng)險識別、風(fēng)險分析與評估和風(fēng)險應(yīng)對。RBI方法對檢測管理計劃的優(yōu)化是一個持續(xù)改進的過程，可有效降低平臺結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險。此外，RBI方法還可發(fā)現(xiàn)當(dāng)前階段檢測技術(shù)和應(yīng)用方面的不足。

1.2 制定RBI評估計劃

RBI評估計劃的制定包括5部分：1）確定評估范圍和優(yōu)先順序；2）明確評估目的；3）確定評估對象；4）選擇評估類型；5）估算評估所需資源和時間。

1.3 數(shù)據(jù)搜集、對比與分析

首先，需要收集導(dǎo)管架平臺的歷史資料。從平臺管理者、檢驗人員、維護人員和檢修人員處可獲得平臺的設(shè)計和完工資料、歷年的改造和維修記錄、歷年結(jié)構(gòu)評估報告、檢測和監(jiān)測記錄等重要資料。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)險評估人員完成數(shù)據(jù)的確認(rèn)和修正，對風(fēng)險進行分析，并編寫RBI分析報告。

1）設(shè)計和完工資料對比分析

根據(jù)平臺的設(shè)計和完工資料，分析平臺的完工結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求的偏差程度，建立符合平臺實際狀況的分析模型，并以此為依據(jù)為后續(xù)分析工作提供基礎(chǔ)。

2）歷次檢測報告分析

對歷次檢測的范圍、內(nèi)容、深度和結(jié)果進行分析，全面掌握平臺退化狀態(tài)，為制定后面的檢維修策略提供依據(jù)。

3）結(jié)構(gòu)監(jiān)測記錄分析

結(jié)構(gòu)監(jiān)測記錄通常是連續(xù)的數(shù)據(jù)，可反映被監(jiān)測參數(shù)長時間連續(xù)的變化過程。分析結(jié)構(gòu)檢測記錄，并根據(jù)記錄反映的問題，對平臺計算模型進行修改，而后依據(jù)計算結(jié)果，給出檢維修策略。

4）改造、維修和保養(yǎng)記錄分析

平臺改造維修和保養(yǎng)歷史記錄提供了平臺結(jié)構(gòu)改變、結(jié)構(gòu)損壞和處理手段等重要信息。通過分析這些記錄，可以明確平臺結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及重點區(qū)域的維護方法，為平臺分析計算及后期檢維修策略的制定提供依據(jù)。

1.4 平臺失效模式研究

平臺的失效一般從結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)開始，確定潛在弱點的失效評判標(biāo)準(zhǔn)，如關(guān)鍵管節(jié)點的屈服強度和平臺甲板最大位移處的變形等。本文失效評判標(biāo)準(zhǔn)為平臺在整體倒塌前的極限強度。

1.5 失效概率與失效后果評估

失效概率與失效后果評估分為2步：1）選擇概率分析的類型，確定失效概率。本文選取半定量分析，對結(jié)構(gòu)失效進行有限元仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進行定量分析；2）對失效后果進行分級。導(dǎo)管架平臺失效會對生命安全、聲譽、環(huán)境、產(chǎn)量和經(jīng)濟等造成損失，選擇合適的評價方法對失效后果進行分級。

1.6 風(fēng)險定級與決策實施

采用合適的規(guī)則制定風(fēng)險等級，對合理分配檢測資源和減少成本尤為重要。本文選取的風(fēng)險等級評定規(guī)則為：1）根據(jù)平臺失效發(fā)生概率的大小確定失效概率等級（見表1）；2）根據(jù)平臺失效后果的嚴(yán)重性確定失效后果等級（見表2）；3）將失效后果等級與失效概率等級相乘得到風(fēng)險等級（見表3）。

表1 平臺失效概率等級

表2 平臺失效后果等級

續(xù)表2 平臺失效后果等級

表3 平臺風(fēng)險等級

根據(jù)風(fēng)險等級，制定風(fēng)險對策，并合理安排檢測計劃。

2 平臺倒塌失效概率分析

2.1 結(jié)構(gòu)抗力和環(huán)境荷載

導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)抗力儲備強度比可近似認(rèn)為符合正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)()為

式中：為結(jié)構(gòu)抗力儲備強度比，即結(jié)構(gòu)倒塌時的最大基底剪力與 50年重現(xiàn)期的環(huán)境載荷引起的基底剪力之比；為的均值；為的標(biāo)準(zhǔn)差，=，為結(jié)構(gòu)抗力的變異系數(shù)，=10%。

無量綱環(huán)境載荷的年超越概率()可以用指數(shù)分布函數(shù)進行擬合，其表達式為

式中：為無量綱環(huán)境載荷，=/，為年重現(xiàn)期的環(huán)境載荷產(chǎn)生的基底剪力，為50年重現(xiàn)期的環(huán)境載荷產(chǎn)生的基底剪力；和為環(huán)境載荷分布的特征參數(shù)，對于南海海域，=0.272，=0.158。

2.2 倒塌失效概率分析

當(dāng)無量綱環(huán)境荷載超過結(jié)構(gòu)抗力儲備強度比時，認(rèn)為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)失效。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的年失效概率可表示為

式中：為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

對于南海以外的其他海域，推薦采用式（4）對倒塌失效概率進行計算。

式中：剩余儲備強度比，通過仿真計算得到。

3 平臺倒塌RBI分析

3.1 平臺概況

平臺位于埕島海域，設(shè)計水深為12.0 m，現(xiàn)注水規(guī)模為25 000 m/d，注水水源為處理合格的油田污水。平臺無人居住，失效后果等級為 3（輕微后果）。圖1為導(dǎo)管架平臺的有限元模型，采用4腿導(dǎo)管架形式，導(dǎo)管架4個立面的斜度均為10∶1，平臺的功能性荷載包括結(jié)構(gòu)自重、活載荷、設(shè)備載荷和棧橋載荷。平臺的環(huán)境條件見表4。

圖1 平臺有限元模型

表4 平臺環(huán)境條件（極端工況，50年一遇）

3.2 關(guān)鍵點信息篩選

需要找出平臺的薄弱環(huán)節(jié)，可以對平臺進行靜力分析或動力分析，UC值（Unity Ch eck）較大的節(jié)點或桿件則為薄弱環(huán)節(jié)（見表5）。在識別出關(guān)鍵節(jié)點或桿件后，需對特定桿件失效后剩余桿件的儲備強度進行計算。

表5 薄弱環(huán)節(jié)信息

3.3 平臺極限承載力分析

我國學(xué)者在導(dǎo)管架平臺倒塌分析方面進行了許多研究，這些研究工作對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的整體安全評估意義重大。導(dǎo)管架平臺靜力分析的控制工況為極端冰工況，極限強度分析采用組合工況：將50年一遇的海流載荷、冰載荷和風(fēng)載荷作為環(huán)境載荷，與結(jié)構(gòu)和設(shè)備的自重進行組合，按照一定的加載順序和加載步數(shù)，逐步達到預(yù)設(shè)大小。環(huán)境載荷方向為45°情況下平臺倒塌仿真結(jié)果見圖2。不同環(huán)境載荷方向情況下和平臺倒塌基底剪力見表6。

圖2 環(huán)境載荷方向為45°情況下平臺倒塌仿真結(jié)果

表6 不同環(huán)境載荷方向情況下R和平臺倒塌基底剪力

由表6可知，各方向最小值為2.8，即平臺所能允許的極端承載力最多為設(shè)計極端環(huán)境載荷的2.8倍。下面假定節(jié)點所在弦桿和支桿失效，通過數(shù)值仿真對受損平臺的進行計算。經(jīng)仿真計算，最小值為1.6，代入式（4），求得平臺倒塌失效概率=10，失效概率等級為2。

3.4 風(fēng)險評估結(jié)果

綜合失效后果等級與失效概率等級，得到各節(jié)點對應(yīng)的平臺結(jié)構(gòu)RBI半定量分析風(fēng)險等級（見表7）。

表7 平臺結(jié)構(gòu)RBI半定量分析風(fēng)險等級

4 平臺結(jié)構(gòu)風(fēng)險管控措施

4.1 結(jié)構(gòu)RBI檢測方案

平臺在運行期間，需要適當(dāng)安排結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)，同時編制檢驗計劃，包括結(jié)構(gòu)檢驗分級、檢驗方法、檢驗范圍和檢驗周期。中國船級社（China Classification S ociety，CCS）將檢驗分為4級，Ⅰ級檢驗為水上常規(guī)檢驗，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級檢驗為水下常規(guī)檢驗。Ⅰ級檢驗采用的檢驗方法包括目視法、超聲波法和磁粉法；Ⅱ級檢驗采用的檢驗方法包括潛水法、電位法、超聲波法和交流電場法；Ⅲ級檢驗包含I級和Ⅱ級檢驗的所有方法，還需補充充水測試；Ⅳ級檢驗包含I級、Ⅱ級和Ⅲ級檢驗的所有方法，還需補充水下無損測試

檢測周期根據(jù)平臺生命安全和失效后果進行確定。執(zhí)行RBI方案會導(dǎo)致檢驗的時間間隔延長或縮短。

下面以CCS指南為例，基于推薦的檢驗點位制定結(jié)構(gòu)RBI檢測方案，見表8。

表8 平臺結(jié)構(gòu)RBI檢驗計劃

4.2 結(jié)構(gòu)維修和加強措施

依據(jù)RBI檢測方案和重控報告，及時調(diào)整活載，嚴(yán)格控制鉆修井設(shè)備的數(shù)量和重量（如需鉆修井作業(yè)）。導(dǎo)管架平臺需加強上部組塊涂層管理，飛濺區(qū)防腐管理和結(jié)構(gòu)陽極塊管理。每年至少開展一次涂層整體評估或局部損傷程度評估，及時采取相應(yīng)的補救措施。定期對陽極塊進行監(jiān)測，應(yīng)及時更換過度損耗的陽極塊。加強結(jié)構(gòu)維修管理，對局部缺陷采取打磨裂紋和板殼補強等措施，改善結(jié)構(gòu)疲勞性能，增強承載力。同時，應(yīng)考慮平臺的后續(xù)發(fā)展，對結(jié)構(gòu)進行必要的改造。服役期滿的平臺，需要對整體強度進行評估后，再制定整體結(jié)構(gòu)加強計劃。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建導(dǎo)管架平臺的有限元模型，對平臺倒塌失效進行數(shù)值模擬。采用基于風(fēng)險的檢驗（RBI）方法對平臺失效結(jié)果進行風(fēng)險評估，根據(jù)失效后果等級和失效概率等級確認(rèn)風(fēng)險等級。結(jié)合目標(biāo)平臺現(xiàn)狀，識別平臺關(guān)鍵節(jié)點和桿件，制定相應(yīng)的RBI監(jiān)測方案，并給出推薦的檢測周期、檢測范圍和結(jié)構(gòu)維修、加強措施。不過本文尚未考慮疲勞失效模式的影響，為進一步提升平臺結(jié)構(gòu)的可靠性，可對疲勞失效模式下剩余桿件的儲備強度進行研究。