馬冬輝 祖 巍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)公司 天津300452）

基于風(fēng)險(xiǎn)的導(dǎo)管架平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)規(guī)劃

馬冬輝 祖 巍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)公司 天津300452）

建立基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用于導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理（SIM）的檢測(cè)規(guī)劃中。綜合考慮平臺(tái)失效后果與失效概率兩方面因素，確定平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，提出基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)的平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)計(jì)劃，完善了當(dāng)前規(guī)范中檢測(cè)時(shí)間間隔確定的不足之處。該文以某海洋平臺(tái)為例，闡明基于風(fēng)險(xiǎn)的水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方法，可為我國(guó)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)計(jì)劃的制定提供參考。

導(dǎo)管架平臺(tái)；風(fēng)險(xiǎn)分析；安全評(píng)估；結(jié)構(gòu)檢測(cè)；完整性管理

引 言

結(jié)構(gòu)完整性管理（Structural Integrity Management，SIM）是近幾年提出的新概念［1］。SIM過(guò)程包括“數(shù)據(jù)-評(píng)估-策略-規(guī)劃”四個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，其中結(jié)構(gòu)檢測(cè)是獲取數(shù)據(jù)、制定平臺(tái)策略與規(guī)劃的首要條件，是保證導(dǎo)管架海洋平臺(tái)服役過(guò)程中安全性和適用性的最有效手段。針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)而言，依據(jù)檢測(cè)區(qū)域的不同可分為水上檢測(cè)和水下檢測(cè)兩大類(lèi)。水上結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要通過(guò)目視檢測(cè)以及其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行，較易實(shí)施；而水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)傳統(tǒng)的超聲波透水桿件檢測(cè)則需要由潛水員在水深超過(guò)50 m的海水中進(jìn)行飽和潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，施工相對(duì)困難，且費(fèi)用非常昂貴。目前，API RP 2A規(guī)范僅通過(guò)根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的暴露等級(jí)［2］確定其結(jié)構(gòu)檢測(cè)的級(jí)別和檢測(cè)時(shí)間，這種做法顯然沒(méi)有考慮平臺(tái)失效概率因素的影響，相對(duì)較為保守；參考文獻(xiàn)［3］給出了海洋工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間間隔準(zhǔn)則，但需要大量的原始數(shù)據(jù)和復(fù)雜的理論計(jì)算，工程實(shí)用性較差。為此，本文將風(fēng)險(xiǎn)分析引入到結(jié)構(gòu)檢測(cè)計(jì)劃的制定過(guò)程中，提出一種簡(jiǎn)化的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)水下檢測(cè)方案確定方法，從而完善了目前規(guī)范中的不足之處。文中所建立的基于風(fēng)險(xiǎn)的導(dǎo)管架平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)，可為導(dǎo)管架平臺(tái)SIM的結(jié)構(gòu)檢測(cè)策略與規(guī)劃提供參考。

1 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)是指在一定的時(shí)間內(nèi)，由于系統(tǒng)行為的不確定性給人類(lèi)或結(jié)構(gòu)帶來(lái)危害的可能性。危害不僅僅取決于某種災(zāi)害性事故的發(fā)生概率，而且還與事故所造成的后果有關(guān)，即風(fēng)險(xiǎn)R為事件發(fā)生概率P和事件產(chǎn)生后果嚴(yán)重程度C這兩個(gè)參量的函數(shù)。下面對(duì)海洋平臺(tái)的失效概率P和失效后果C兩個(gè)方面分別進(jìn)行闡述。

1.1 平臺(tái)失效的概率分析

海洋平臺(tái)失效概率評(píng)估主要運(yùn)用的方法［4］有：

（1）歷史數(shù)據(jù)分析法；

（2）當(dāng)歷史數(shù)據(jù)不能獲取或者不充分時(shí)，可以利用事故樹(shù)分析（FTA）技術(shù)來(lái)判斷分析的發(fā)生頻率；

（3）專(zhuān)家判斷。借鑒其豐富的理論基礎(chǔ)與工程經(jīng)驗(yàn)，由專(zhuān)家小組對(duì)平臺(tái)失效的概率進(jìn)行分析與判斷；

（4）采用理論模型來(lái)獲得失效發(fā)生頻率。

為定量確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效的概率，建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)函數(shù)為：

式中：X為隨機(jī)變量的向量；Fu表示系統(tǒng)抗力；Sj和Sw分別為作用于平臺(tái)上的波流載荷和風(fēng)載載荷；γf為平臺(tái)系統(tǒng)抗力的偏置系數(shù)，表征不確定因素造成的抗力水平偏差；γs為平臺(tái)導(dǎo)管架載荷效應(yīng)的偏置系數(shù)。

其中，F(xiàn)u可由非線(xiàn)性靜力推覆（Pushover）分析獲得［5］。Pushover除能夠計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限承載能力之外，還能有效確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，從而為確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)重點(diǎn)提供參考。

為衡量服役中平臺(tái)失效概率的大小，參照ISO標(biāo)準(zhǔn)［6］和HSE標(biāo)準(zhǔn)［7］，將平臺(tái)失效的概率劃分為A、B、C、D、E共5個(gè)等級(jí)，5個(gè)等級(jí)失效概率逐級(jí)降低（見(jiàn)表1）。

表1 失效概率等級(jí)劃分

表1給出了平臺(tái)失效概率等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)失效概率可通過(guò)式（2）確定，從而判定其失效的等級(jí)。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注重對(duì)平臺(tái)服役狀態(tài)的評(píng)估，通過(guò)平臺(tái)特征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，明確平臺(tái)結(jié)構(gòu)當(dāng)前所處的狀態(tài)。

1.2 平臺(tái)失效后果等級(jí)劃分

失效后果是指結(jié)構(gòu)事故后給作業(yè)人員生命、海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響（包括短期危害和長(zhǎng)期危害）以及給運(yùn)營(yíng)公司帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和輿論壓力等，因此，結(jié)構(gòu)失效的后果等級(jí)的劃分原則上應(yīng)綜合制造商意見(jiàn)及其在生命安全、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響后果等方面的定性分析來(lái)確定。為確保劃分的平臺(tái)失效后果等級(jí)與API規(guī)范相一致，本文將海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失效后果等級(jí)劃分為1、2、3共3個(gè)級(jí)別（見(jiàn)表2）。

表2 失效后果等級(jí)劃分

表2中的劃分可進(jìn)一步闡述為：嚴(yán)重失效后果等級(jí)是指重要的生產(chǎn)平臺(tái)和一旦失效可能出現(xiàn)油氣泄漏的平臺(tái)，還包括設(shè)計(jì)事件發(fā)生前無(wú)法采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施或不可能中斷油氣生產(chǎn)的平臺(tái)（例如在地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)）；此外，有重要輸油管線(xiàn)和間歇輸油儲(chǔ)油設(shè)施的平臺(tái)也應(yīng)歸為嚴(yán)重后果級(jí)別的范疇。

中等失效后果等級(jí)是指災(zāi)害事件發(fā)生期間停產(chǎn)并進(jìn)行人員撤離的平臺(tái)。這類(lèi)平臺(tái)油井裝有功能齊全的水下安全閥，水下安全閥應(yīng)按照適用的中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造和試驗(yàn)；平臺(tái)上的原油只限于在處理儲(chǔ)罐和緩沖罐中儲(chǔ)存。

輕微失效后果等級(jí)是指設(shè)計(jì)事件時(shí)停產(chǎn)的小平臺(tái)。所有在平臺(tái)一旦失效時(shí)能自噴的油井必須裝有功能齊全的水下安全閥。這些平臺(tái)上可裝有生產(chǎn)分離設(shè)施和小容量的內(nèi)部管線(xiàn)，但原油只限于在處理儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存。

2 基于風(fēng)險(xiǎn)的平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)策略

2.1 RBUI技術(shù)原理

基于風(fēng)險(xiǎn)的水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)（Risk Based Underwater Inspection， RBUI）采用依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)制定檢驗(yàn)計(jì)劃，從而降低結(jié)構(gòu)檢測(cè)的成本［8］。該方法的主要特點(diǎn)是：

（1）將檢測(cè)和維修的主要精力用于高風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)上，而把適當(dāng)?shù)牧α糠旁诘惋L(fēng)險(xiǎn)部分；

（2）能夠量化檢測(cè)效果；

（3）能夠確保工程結(jié)構(gòu)的安全性與適用性；

（4）當(dāng)缺少數(shù)據(jù)或存在很大不確定性時(shí)，亦能夠?yàn)槠脚_(tái)完整性管理提供決策支持。

RBUI技術(shù)的核心是風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)分布，然后優(yōu)化檢測(cè)策略，達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全和節(jié)約成本的目的。

RBUI實(shí)施過(guò)程包括：

（1）失效概率的計(jì)算；

（2）失效后果的評(píng)估；

（3）風(fēng)險(xiǎn)水平/級(jí)別的確定；

（4）檢測(cè)計(jì)劃的制定。

其中，風(fēng)險(xiǎn)的級(jí)別可以用風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖來(lái)表示。如前所述，平臺(tái)失效概率劃分為A、B、C、D、E共5個(gè)等級(jí)，失效的后果劃分為1、2、3共3個(gè)級(jí)別，由此，可得到一個(gè)3×5的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣將平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)級(jí)別，即可根據(jù)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施（見(jiàn)表3）。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及決策

2.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)時(shí)間間隔

目前的結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間間隔主要是依據(jù)API規(guī)范（參見(jiàn)API Section14），即L-1級(jí)別，II級(jí)檢測(cè)為3~5年，III級(jí)檢測(cè)為6~10年；L-2暴露等級(jí)，II級(jí)檢測(cè)為5~10年，III級(jí)檢測(cè)為11~15年；L-3暴露等級(jí)，只進(jìn)行II級(jí)檢測(cè)，時(shí)間間隔為5~10年。顯然，采用上述推薦檢測(cè)計(jì)劃，在工程應(yīng)用時(shí)，帶有一定的主觀因素，缺乏科學(xué)性。實(shí)際上，檢測(cè)時(shí)間間隔不應(yīng)固定不變，而應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況來(lái)確定合理、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)計(jì)劃。

為此，本文綜合API推薦的檢測(cè)時(shí)間間隔，進(jìn)一步考慮了平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)檢測(cè)計(jì)劃的影響，采用RBUI來(lái)確定平臺(tái)檢測(cè)時(shí)間間隔時(shí)，如圖1所示。RBUI即對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的海洋平臺(tái)縮短其檢測(cè)時(shí)間間隔，而對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)的海洋平臺(tái)適當(dāng)?shù)臏p少檢測(cè)的次數(shù)，從而達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)成本的平衡。

圖1 基于風(fēng)險(xiǎn)的海洋平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)計(jì)劃

圖1 中給出了海洋平臺(tái)不等風(fēng)險(xiǎn)水平的檢測(cè)時(shí)間間隔及相應(yīng)的檢測(cè)級(jí)別，其中：風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的數(shù)字代表檢測(cè)時(shí)間的間隔（單位：年）；括號(hào)中的數(shù)據(jù)代表III級(jí)檢測(cè)時(shí)間間隔，如6（11）表示平臺(tái)在2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下，II級(jí)檢測(cè)時(shí)間間隔為6年，III檢測(cè)時(shí)間為11年。顯然，與API規(guī)范相比，考慮風(fēng)險(xiǎn)后，平臺(tái)檢測(cè)計(jì)劃相對(duì)更加完善，更能夠體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與安全性的要求。

3 工程算例

3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)及有限元模型

某固定式鉆井平臺(tái)為4樁腿結(jié)構(gòu)，共由7層導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，空間結(jié)構(gòu)為K型與對(duì)角斜型構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，該平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1 192 t，上部結(jié)構(gòu)由3層甲板構(gòu)成。建立該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示，其中導(dǎo)管架水下及飛濺區(qū)結(jié)構(gòu)采用PIPE288單元建立，飛濺區(qū)以上結(jié)構(gòu)采用PIPE16建立，上部結(jié)構(gòu)采用MASS21單元近似代替，泥面以下樁腿采用PIPE20單元建立，忽略樁-土非線(xiàn)性相互作用，采用在泥面以下6倍樁徑處進(jìn)行固支的約束方式。

圖2 平臺(tái)有限元模型

該平臺(tái)所處海域設(shè)計(jì)水深為105.3 m，百年一遇設(shè)計(jì)波高為22.1 m，周期為14.0 s，表面海流流速為2.355 m/s，風(fēng)速為44 m/s。由此，基于Morison方程，采用ANSYS軟件求得平臺(tái)最大波浪相位角為23°，最大設(shè)計(jì)環(huán)境載荷為16.70 MN。

3.2 平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及檢測(cè)策略

首先采用Pushover方法，計(jì)算得到該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力曲線(xiàn)（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。由圖3可知，平臺(tái)極限承載能力為70.55 MN，平臺(tái)儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)為4.19；然后提取平臺(tái)極限狀態(tài)時(shí)的等效應(yīng)力分布，如圖4所示。

圖3 平臺(tái)承載能力曲線(xiàn)

圖4 平臺(tái)極限狀態(tài)時(shí)的等效應(yīng)力分布

由圖4可知，平臺(tái)等效應(yīng)力分布基本呈現(xiàn)至上而下逐漸增大的規(guī)律，危險(xiǎn)構(gòu)件主要分布于下層結(jié)構(gòu)的斜撐與樁腿位置，相對(duì)而言水平撐等效應(yīng)力則較小。

取平臺(tái)偏置系數(shù)γf和γs服從均值為1的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，變異系數(shù)分別為0.15和0.20［9］。采用蒙特卡洛方法，抽樣次數(shù)為500 000次，由此，求得平臺(tái)年失效概率為5.05×10-5，即失效概率為C級(jí)；再根據(jù)平臺(tái)的類(lèi)型及作業(yè)人員狀況，確定其暴露等級(jí)為L(zhǎng)1，因此，可知平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)水平位于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的黃色區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)。根據(jù)圖2可知，該平臺(tái)對(duì)應(yīng)的II級(jí)檢測(cè)時(shí)間間隔為6，III級(jí)檢測(cè)時(shí)間間隔為11年。此外，由平臺(tái)極限承載能力分析可知，平臺(tái)底部斜撐及樁腿應(yīng)作為結(jié)構(gòu)檢測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)件。

4 結(jié) 論

將基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法應(yīng)用到導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理中的檢測(cè)規(guī)劃中，為制定合理的水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間間隔提供技術(shù)參考。首先，依據(jù)API規(guī)范中的平臺(tái)暴露等級(jí)，確定平臺(tái)失效后果的級(jí)別；其次，采用Pushover方法，評(píng)估平臺(tái)系統(tǒng)的極限承載能力，在此基礎(chǔ)上，考慮隨機(jī)變量的不確定性，應(yīng)用蒙特卡洛法，求得平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失效概率，從而得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；最后，根據(jù)制定的RBUI計(jì)劃，確定平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)的檢測(cè)時(shí)間間隔。以某海洋平臺(tái)為例，計(jì)算得到其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)，確定其II級(jí)檢測(cè)時(shí)間間隔為6年，重點(diǎn)檢測(cè)構(gòu)件為平臺(tái)底層斜撐與樁腿。文中建立的方法可為我國(guó)大量存在的服役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)計(jì)劃提供技術(shù)參考。

［1］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.The development of a recommended practice for structural integrity management （SIM） of fixed offshore platforms［C］.Offshore Technology Conference， 2006.

［2］ API RP 2A-WSD， Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-Working stress design［S］. 2007.

［3］ 許朝輝， 陳國(guó)明， 許亮斌. 海洋結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間間隔確定準(zhǔn)則［J］. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2010（1）： 21-24.

［4］ 張圣坤， 白勇， 唐文勇. 船舶與海洋工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［M］.北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2003.

［5］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.The Role of Ultimate Strength Assessments in the Structural Integrity Management （SIM） of Offshore Structures［C］.Offshore Technology Conference， 2006.

［6］ ISO. ISO 17776-2000 Guidelines on Tools and Techniques for Hazard Identification and Risk Assessment［S］. 2000.

［7］ HSE. Structural Integrity Management Framework For Fixed Jacket Structures［S］. 2009

［8］ SEMENSKI D， WOLF H. Risk Assessment of Structural Elements of the Offshore Gas and Oil Platforms［C］. 22nd Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Sold Mechanics， Parma， Italy， 2005.

［9］ 蔣曉波. 導(dǎo)管架平臺(tái)的失效評(píng)估分析［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)， 2010.

Safety inspection of underwear structure on jacket platform based on risk assessment

MA Dong-hui ZU Wei
(CNOOC Tianjin Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

The structural safety inspection based on risk assessment has been applied in the inspection program of the structural integrity management SIM for the jacket platform. Failure consequences and failure probability are both considered for the determination of the risk matrix. It proposes the inspection program for the underwater structure of the platform based on the risk assessment level, and improves the determination of the inspection time interval in the current rules. For a jacket platform, it clarifies the application of the underwater structure inspection technology based on the risk assessment, which can provide reference for the development of the inspection program of the offshore platform structure in China.

jacket platform; risk analysis; safety assessment; structure inspection; integrity management

TE951

A

1001-9855（2017）06-0008-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.008

2017-03-29；

2017-04-20

馬冬輝（1984-），男，工程師。研究方向：海洋石油工程設(shè)計(jì)。

祖 巍（1987-），男，工程師。研究方向：海洋工程鉆修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。