周 雷李志剛陳祥余周道成

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.大連理工大學深海工程研究中心）

基于時變可靠度理論的在役海洋平臺結構構件剩余壽命預測*

周 雷1李志剛1陳祥余1周道成2

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.大連理工大學深海工程研究中心）

以時變可靠度理論為基礎，給出了在役海洋平臺結構構件剩余壽命預測算法，結合算法給出基于目標可靠度指標的海洋平臺結構構件剩余壽命的預測判據(jù)。以抗力衰減模型和荷載模型為基礎，對渤海海域某平臺典型管節(jié)點的剩余壽命進行了預測，并將預測結果與基于Miner線性疲勞損傷累積方法的估算結果進行了對比分析，結果表明了本文方法的有效性和可靠性。

時變可靠度理論；海洋平臺；結構構件；抗力衰減；剩余壽命預測

海洋平臺體積龐大、結構復雜、施工困難、造價昂貴，設計壽命一般在15～20年。與陸地結構相比，海洋平臺既要受到潛在地震作用、臺風等威脅，又要在惡劣的海洋環(huán)境條件下受到地基土沖刷和基礎動力軟化、環(huán)境腐蝕、海生物附著、材料老化、構件缺陷與損傷、疲勞和裂紋擴展的損傷積累等不利因素的影響，造成平臺結構抗力衰減而影響結構的服役安全性和耐久性，導致海洋平臺結構安全運行的風險加大。由于海洋環(huán)境的復雜性和隨機性，歷史上人們對這些作用的認識不足，不清楚各種環(huán)境因素的聯(lián)合作用機理、結構損傷積累的過程及抗力衰減規(guī)律，以致于國內(nèi)外發(fā)生過多起海洋平臺事故，造成了不必要的人員傷亡、重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。由于海洋平臺結構構件的抗力隨時間變化而發(fā)生衰減，其可靠性也隨服役時間而發(fā)生變化，因此在預期的目標可靠度指標下推算結構的使用壽命，對結構構件剩余壽命進行預測，對于結構的維護和維修決策具有重要的意義。本文以時變可靠理論為基礎，給出了平臺構件極限承載力壽命預測算法，選擇平臺結構典型管節(jié)點進行剩余壽命預測分析，并將結果與Miner線性疲勞損傷累積方法進行了對比分析，結果表明本文方法更具有效性和可靠性。

1 基于時變可靠度的構件剩余壽命預測算法

基于結構時變可靠度理論，結合結構失效狀態(tài)的可靠指標限值，可確定該可靠指標對應的使用年限，從而實現(xiàn)對結構構件剩余壽命的預測。結構使用壽命、已服役時間和剩余壽命之間的關系如圖1所示，假定確定的構件目標可靠度指標為β0，可靠度安全限值為［β］，初始使用年限為t1＝T0，時變可靠度指標為β（t），基于時變可靠度理論的構件剩余壽命預測算法總體框架如圖2所示。

目標可靠度指標是結構設計的依據(jù)，是結構設計所要預期達到的指標。周道成［1］采用校準法確定了我國海域平臺的各類構件目標可靠度；JCSS規(guī)范中對于結構的失效后果等級和采取安全措施的相對成本的等級也具有明確的規(guī)定。海洋平臺結構為重要的工業(yè)生產(chǎn)設施，一旦破壞，可能造成嚴重的經(jīng)濟損失和巨大的環(huán)境污染，失效后果嚴重；加之海洋環(huán)境復雜，導致采取安全維護措施的相對成本較高。因此，本文對平臺管節(jié)點的目標可靠度指標取β0＝3.7，參考有關文獻［2-4］取可靠度指標安全限值［β］＝0.85β0作為結構壽命終止的標志。

圖1 壽命預測方法示意圖

圖2 基于時變可靠度理論的構件剩余壽命預測算法總體框架

2 構件抗力衰減計算

海洋平臺結構構件的抗力是隨時間變化而衰減的，因此其可靠性也隨服役時間而變化。本文將利用文獻［5］提出的方法，首先建立材料屈服應力隨損傷發(fā)展而衰減的模型，為結構在使用期間的可靠度分析提供基礎。建立材料屈服應力隨損傷發(fā)展而衰減的模型，定義材料經(jīng)歷疲勞損傷D后，屈服應力

式（1）中：σu0為材料完好無損時的屈服應力；Smax為循環(huán)最大應力；D為隨機荷載作用下的疲勞累積損傷率；c為常數(shù)，對于海洋平臺結構一般取c＝1.25。

依據(jù)API RP 2A-LRFD標準給出的管節(jié)點在不同受力條件下對應的抗力計算表達式，求得抗力標準值，并根據(jù)對抗力各影響因素隨機性的統(tǒng)計結果和材料屈服應力的衰減關系來確定管節(jié)點的抗力統(tǒng)計參數(shù)及衰減規(guī)律，海洋平臺管節(jié)點參數(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 海洋平臺管節(jié)點參數(shù)示意圖

斜撐沖剪校核時軸向拉壓抗力Pa和彎曲抗力Ma分別為

式（2）中：σs為結構材料的屈服強度；T為弦桿壁厚；d為斜撐直徑；θ為斜撐軸線與弦桿軸線的夾角；Qu為極限強度系數(shù)；Qf為考慮弦桿中存在軸向名義應力的修正系數(shù)；Qu和Qf的取值可參見文獻［6-7］。為計算管節(jié)點抗力的衰減規(guī)律，定義屈服應力衰減因子φ（t）為

根據(jù)管節(jié)點斜撐抗力計算公式（2），可知節(jié)點抗力與材料屈服強度為線性關系，則節(jié)點抗力在疲勞荷載作用下隨時間的衰減關系可以表示為

式（4）中：屈服應力衰減因子φ（t）為確定性的時間函數(shù)，抗力初始值R0為隨機變量，且分布特征參數(shù)已知，這樣結構服役一定時間t后構件的抗力R（t）的分布特征及其參數(shù)可以獲得。

3 設計荷載標準值及隨機荷載的統(tǒng)計特征

平臺結構可靠度計算需要設計荷載標準值及隨機荷載的統(tǒng)計特征。海洋平臺結構的荷載標準值可以參考其他結構（如建筑結構）的荷載（如地震和風）標準值確定，同時考慮到與API RP 2A-LRFD標準關于海洋結構荷載標準值的銜接性，荷載標準值取為100年一遇最大值。

各種荷載的統(tǒng)計特征是結構可靠度分析和設計的基礎。荷載的統(tǒng)計特征由荷載的均值系數(shù)κXi、變異系數(shù)δXi和概率分布類型來表達，均值系數(shù)和變異系數(shù)分別定義為

式（5）中：μXi、σXi分別為荷載Xi的均值和標準差；Xik為荷載Xi的標準值。

海洋平臺結構所受荷載主要分為非環(huán)境荷載與環(huán)境荷載。非環(huán)境荷載主要包括自重荷載和甲板動荷載。大量的統(tǒng)計假設檢驗表明，海洋環(huán)境中的風速、浪高、流速和冰厚年極值要素都很好的服從極值Ⅰ型分布。

4 數(shù)值算例

以渤海海域某油田導管架平臺作為算例。該平臺所處油田區(qū)域平均水深18.2 m，2003年投產(chǎn)，設計年限15年。圖4為該導管架平臺的立面及荷載作用示意圖。根據(jù)該平臺實測數(shù)據(jù)計算得到的管節(jié)點年累積疲勞損傷率，再由公式（1）計算求得管節(jié)點材料屈服應力隨時間的衰減關系（時間以年為單位，初始屈服強度取為315 MPa），計算結果列于表3。基于公式（2）及API規(guī)范中對于參數(shù)計算方法的規(guī)定，求得抗力公式中各個參數(shù)取值，并求得節(jié)點斜撐軸向拉壓抗力標準值，結果列于表4。

圖4 渤海某油田導管架立面及荷載作用示意圖

表3 渤海某油田導管架平臺管節(jié)點材料屈服應力衰減計算結果

表4 渤海某油田導管架平臺管節(jié)點斜撐沖剪軸向拉壓抗力標準值

文獻［8-10］對材料性能（強度、剛度等）的不確定性、構件幾何參數(shù)的不確定性和抗力計算模式的不確定性進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)API規(guī)范中不同抗力的計算方法和文獻［8-10］構件抗力各隨機因素的統(tǒng)計結果，并結合該平臺的典型構件和管節(jié)點計算公式得到了其構件抗力的統(tǒng)計參數(shù)，結果列于表5。根據(jù)公式（3）計算得到了節(jié)點的屈服應力衰減因子，結果列于表6。

該平臺的荷載作用方式如圖4所示，荷載標準值取值見表7，其中Fg1、Fg2、Fg3和Fg4分別表示作用于4根導管腿工作點的上部自重荷載；Fl表示作用于4根導管腿工作點的甲板動荷載；Fw、Fh、Fc和Fi分別表示作用于導管鋼架上的風荷載、波浪荷載、流荷載和冰荷載。

［11］，基于各種環(huán)境荷載的計算公式，并且將各極值環(huán)境荷載合理地假定為極值Ⅰ型分布，該平臺環(huán)境荷載的年極值分布統(tǒng)計特征見表8。

結合前面抗力衰減模型和荷載概率模型，以及確定的結構失效對應的可靠指標安全限值，采用本文方法可計算獲得該平臺管節(jié)點的使用壽命和剩余壽命，結果列入表9。由表9的計算結果可知，該平臺管節(jié)點的剩余壽命較長，管節(jié)點的安全儲備較高。需要說明的是，本文所計算的管節(jié)點構件抗力衰減只考慮疲勞荷載，并未考慮海水腐蝕等其他作用的影響。

表5 渤海某油田導管架平臺構件抗力的統(tǒng)計參數(shù)

表6 渤海某油田導管架平臺節(jié)點屈服應力衰減因子

表7 渤海某油田導管架平臺設計荷載標準值

表8 渤海某油田導管架平臺荷載的統(tǒng)計特征參數(shù)

表9 渤海某油田導管架平臺管節(jié)點構件壽命預測結果

基于Miner線性累積損傷理論［12］，由管節(jié)點年疲勞累積損傷指標亦可直接得到該平臺管節(jié)點疲勞壽命的估算值，結果見表10。

對比本文方法與基于Miner準則的構件壽命估算結果，可知2種方法的預測結果較為接近，說明了本文方法的有效性。另外，基于Miner準則得到的構件壽命值更大一些，這是由于Miner準則是通過構件材料損傷累積計算估算壽命，當累積損傷率達到1時構件破壞。但是，在構件實際服役期間，由于極值荷載的存在，構件材料的抗力還未衰減到0時（即累積損傷率為1），因不滿足極限承載能力要求而有可能發(fā)生破壞。而本文方法是將疲勞累積損傷考慮為極限承載力的影響因素，并考慮了荷載、結構重要性（結構失效安全可靠指標值）等因素。因此，基于本文方法計算所得的壽命值要相對更可靠一些。

表10 基于Miner準則得到的渤海某油田導管架平臺管節(jié)點壽命估算結果

5 結論

本文以時變可靠度理論為基礎，給出了基于時變可靠度理論的平臺構件極限承載力壽命預測算法，將疲勞荷載作為抗力衰減的因素，選擇渤海海域某油田導管架平臺結構上具有代表性管節(jié)點進行了剩余壽命預測，并將預測結果與基于Miner準則的估算結果進行了對比分析，可得到以下2點主要結論：

1）海洋平臺結構管節(jié)點極限承載力使用壽命主要取決于構件抗力衰減規(guī)律和目標可靠度指標，前者與管節(jié)點的疲勞累積損傷密切相關，后者與結構重要性、失效后果等有關。

2）管節(jié)點極限承載力使用壽命通常小于管節(jié)點疲勞壽命，這與定性分析結果一致。

參考文獻

［1］ 周道成．導管架平臺結構的可靠度設計與安全監(jiān)測評定［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006．

［2］ 四川省建設委員會．GB50290—1999民用建筑可靠性鑒定標準［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．

［3］ ALFERDO H S，ANG，WILSON H T．Probability concepts in engineering planning and design［M］．John Wiley＆Sons，1984．

［4］ 李運生，張彥玲．在役公路鋼筋混凝土梁剩余壽命估算方法研究［J］．鐵道標準設計，2003（1）：13-16．

［5］ 段忠東，歐進萍．基于概率疲勞累積損傷理論的構件抗力衰減分析［J］．哈爾濱建筑大學學報，1996，29（1）：1-8．

［6］ American Petroleum Institute．API RP 2A-LRFD［S］．Washington D C，2002．

［7］ 陸文發(fā)，李林普，高明道．近海導管架平臺［M］．北京：海洋出版社，1992．

［8］ HSE（Health Safety Executive）．Component-based Calibration of north west European annex Environmental load factors for the ISO fixed steel offshore structures code 19902［R］．Research Report 088，2003．

［9］ FRED M，BERNHRD S．Calibration issues in development of offshore mechanics and arctic engineering［J］．Journal of Offshore Mechanics and Arctic．Engineering，2000，122（1）：52-56．

［10］ MICHEAL FABER．JCSS probabilistic model code part3：material properties［S］．Joint Committee on Structural Safety，2001．

［11］ 歐進萍，段忠東．基于隨機裂紋擴展機制的構件抗力衰減分析［J］．機械強度，1994，16（3）：46-51．

［12］ MINER M A．Cumulative damage in fatigue［J］．Journal of Applied Mechanics，1945，12（3）：159-164．

The residual life prediction for in-service offshore platform structure members based on time-dependent reliability theory

zhou Lei1Li zhigang1Chen Xiangyu1zhou Daocheng2
（1.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.，Tianjin，300451；2.Deep Ocean Engineering Research Center，Dalian University of Technology，Liaoning，116024）

Based on time-dependent reliability theory，this paper presents a residual life prediction method for in-service offshore platform structure members．The residual life prediction criteria and its algorithm for offshore structure members have been proposed based on the target reliability index．The resisting force model and structural load models being two important aspects of this method have been applied in the numerical cases．The residual life prediction for typical offshore platform structure member joints in Bohai Sea has been done and the results has been given to compared with the Miner criterion method，The analysis results show the availability and reliability of the proposed method．

time-dependent reliability theory；offshore platform；structure members；resisting force；residual life prediction

2012-12-25改回日期：2013-03-10

（編輯：葉秋敏）

*國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（項目編號：2008AA092701）部分研究成果。

周雷，男，1978年生，博士，高級工程師，主要從事海洋工程設計和研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號（郵編：300451）。E-mail：zhoulei＠m(xù)ail．cooec．com．cn。