李慧晶

（必維（天津）安全技術(shù)有限公司，天津 300051）

0 引言

我國(guó)渤海海域遍布上百座導(dǎo)管架平臺(tái)，眾多平臺(tái)已達(dá)到或接近其設(shè)計(jì)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(tái)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度一直面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估是開(kāi)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(xiǎn)的檢驗(yàn)（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(tái)結(jié)構(gòu)完整性解決方案》，兩者都采用RBI技術(shù)制定檢驗(yàn)策略。通過(guò)此評(píng)估將風(fēng)險(xiǎn)量化，掌握平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并據(jù)此提出有針對(duì)性的檢驗(yàn)措施，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

1 RB I方法

RBI方法為海上固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)施的檢驗(yàn)維修提供了優(yōu)質(zhì)的策略，可通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)時(shí)間和范圍進(jìn)行優(yōu)化和控制來(lái)達(dá)到提前預(yù)防和管理風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1.1 方法介紹

RBI方法以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為手段，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析所得的結(jié)果對(duì)檢測(cè)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行綜合管理。RBI方法的應(yīng)用步驟主要分3步：風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)。RBI方法對(duì)檢測(cè)管理計(jì)劃的優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，可有效降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)。此外，RBI方法還可發(fā)現(xiàn)當(dāng)前階段檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用方面的不足。

1.2 制定RBI評(píng)估計(jì)劃

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

1.3 數(shù)據(jù)搜集、對(duì)比與分析

首先，需要收集導(dǎo)管架平臺(tái)的歷史資料。從平臺(tái)管理者、檢驗(yàn)人員、維護(hù)人員和檢修人員處可獲得平臺(tái)的設(shè)計(jì)和完工資料、歷年的改造和維修記錄、歷年結(jié)構(gòu)評(píng)估報(bào)告、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)記錄等重要資料。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員完成數(shù)據(jù)的確認(rèn)和修正，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并編寫RBI分析報(bào)告。

1）設(shè)計(jì)和完工資料對(duì)比分析

根據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和完工資料，分析平臺(tái)的完工結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求的偏差程度，建立符合平臺(tái)實(shí)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(cè)報(bào)告分析

對(duì)歷次檢測(cè)的范圍、內(nèi)容、深度和結(jié)果進(jìn)行分析，全面掌握平臺(tái)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(cè)記錄分析

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)記錄通常是連續(xù)的數(shù)據(jù)，可反映被監(jiān)測(cè)參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的變化過(guò)程。分析結(jié)構(gòu)檢測(cè)記錄，并根據(jù)記錄反映的問(wèn)題，對(duì)平臺(tái)計(jì)算模型進(jìn)行修改，而后依據(jù)計(jì)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(tái)改造維修和保養(yǎng)歷史記錄提供了平臺(tái)結(jié)構(gòu)改變、結(jié)構(gòu)損壞和處理手段等重要信息。通過(guò)分析這些記錄，可以明確平臺(tái)結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及重點(diǎn)區(qū)域的維護(hù)方法，為平臺(tái)分析計(jì)算及后期檢維修策略的制定提供依據(jù)。

1.4 平臺(tái)失效模式研究

平臺(tái)的失效一般從結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，確定潛在弱點(diǎn)的失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如關(guān)鍵管節(jié)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和平臺(tái)甲板最大位移處的變形等。本文失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為平臺(tái)在整體倒塌前的極限強(qiáng)度。

1.5 失效概率與失效后果評(píng)估

失效概率與失效后果評(píng)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(duì)結(jié)構(gòu)失效進(jìn)行有限元仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行定量分析；2）對(duì)失效后果進(jìn)行分級(jí)。導(dǎo)管架平臺(tái)失效會(huì)對(duì)生命安全、聲譽(yù)、環(huán)境、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)等造成損失，選擇合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)失效后果進(jìn)行分級(jí)。

1.6 風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)與決策實(shí)施

采用合適的規(guī)則制定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)合理分配檢測(cè)資源和減少成本尤為重要。本文選取的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定規(guī)則為：1）根據(jù)平臺(tái)失效發(fā)生概率的大小確定失效概率等級(jí)（見(jiàn)表1）；2）根據(jù)平臺(tái)失效后果的嚴(yán)重性確定失效后果等級(jí)（見(jiàn)表2）；3）將失效后果等級(jí)與失效概率等級(jí)相乘得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)表3）。

表1 平臺(tái)失效概率等級(jí)

表2 平臺(tái)失效后果等級(jí)

續(xù)表2 平臺(tái)失效后果等級(jí)

表3 平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策，并合理安排檢測(cè)計(jì)劃。

2 平臺(tái)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(tái)的結(jié)構(gòu)抗力儲(chǔ)備強(qiáng)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(chǔ)備強(qiáng)度比，即結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)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(wú)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(jìn)行擬合，其表達(dá)式為

式中：為無(wú)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(duì)于南海海域，=0.272，=0.158。

2.2 倒塌失效概率分析

當(dāng)無(wú)量綱環(huán)境荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力儲(chǔ)備強(qiáng)度比時(shí)，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(duì)于南海以外的其他海域，推薦采用式（4）對(duì)倒塌失效概率進(jìn)行計(jì)算。

式中：剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度比，通過(guò)仿真計(jì)算得到。

3 平臺(tái)倒塌RBI分析

3.1 平臺(tái)概況

平臺(tái)位于埕島海域，設(shè)計(jì)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(tái)無(wú)人居住，失效后果等級(jí)為 3（輕微后果）。圖1為導(dǎo)管架平臺(tái)的有限元模型，采用4腿導(dǎo)管架形式，導(dǎo)管架4個(gè)立面的斜度均為10∶1，平臺(tái)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(tái)的環(huán)境條件見(jiàn)表4。

圖1 平臺(tái)有限元模型

表4 平臺(tái)環(huán)境條件（極端工況，50年一遇）

3.2 關(guān)鍵點(diǎn)信息篩選

需要找出平臺(tái)的薄弱環(huán)節(jié)，可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜力分析或動(dòng)力分析，UC值（Unity Ch eck）較大的節(jié)點(diǎn)或桿件則為薄弱環(huán)節(jié)（見(jiàn)表5）。在識(shí)別出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或桿件后，需對(duì)特定桿件失效后剩余桿件的儲(chǔ)備強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

表5 薄弱環(huán)節(jié)信息

3.3 平臺(tái)極限承載力分析

我國(guó)學(xué)者在導(dǎo)管架平臺(tái)倒塌分析方面進(jìn)行了許多研究，這些研究工作對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體安全評(píng)估意義重大。導(dǎo)管架平臺(tái)靜力分析的控制工況為極端冰工況，極限強(qiáng)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(jìn)行組合，按照一定的加載順序和加載步數(shù)，逐步達(dá)到預(yù)設(shè)大小。環(huán)境載荷方向?yàn)?5°情況下平臺(tái)倒塌仿真結(jié)果見(jiàn)圖2。不同環(huán)境載荷方向情況下和平臺(tái)倒塌基底剪力見(jiàn)表6。

圖2 環(huán)境載荷方向?yàn)?5°情況下平臺(tái)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(tái)倒塌基底剪力

由表6可知，各方向最小值為2.8，即平臺(tái)所能允許的極端承載力最多為設(shè)計(jì)極端環(huán)境載荷的2.8倍。下面假定節(jié)點(diǎn)所在弦桿和支桿失效，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)受損平臺(tái)的進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)仿真計(jì)算，最小值為1.6，代入式（4），求得平臺(tái)倒塌失效概率=10，失效概率等級(jí)為2。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

綜合失效后果等級(jí)與失效概率等級(jí)，得到各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)RBI半定量分析風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)表7）。

表7 平臺(tái)結(jié)構(gòu)RBI半定量分析風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)管控措施

4.1 結(jié)構(gòu)RBI檢測(cè)方案

平臺(tái)在運(yùn)行期間，需要適當(dāng)安排結(jié)構(gòu)檢測(cè)作業(yè)，同時(shí)編制檢驗(yàn)計(jì)劃，包括結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)分級(jí)、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)范圍和檢驗(yàn)周期。中國(guó)船級(jí)社（China Classification S ociety，CCS）將檢驗(yàn)分為4級(jí)，Ⅰ級(jí)檢驗(yàn)為水上常規(guī)檢驗(yàn)，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級(jí)檢驗(yàn)為水下常規(guī)檢驗(yàn)。Ⅰ級(jí)檢驗(yàn)采用的檢驗(yàn)方法包括目視法、超聲波法和磁粉法；Ⅱ級(jí)檢驗(yàn)采用的檢驗(yàn)方法包括潛水法、電位法、超聲波法和交流電場(chǎng)法；Ⅲ級(jí)檢驗(yàn)包含I級(jí)和Ⅱ級(jí)檢驗(yàn)的所有方法，還需補(bǔ)充充水測(cè)試；Ⅳ級(jí)檢驗(yàn)包含I級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)檢驗(yàn)的所有方法，還需補(bǔ)充水下無(wú)損測(cè)試

檢測(cè)周期根據(jù)平臺(tái)生命安全和失效后果進(jìn)行確定。執(zhí)行RBI方案會(huì)導(dǎo)致檢驗(yàn)的時(shí)間間隔延長(zhǎng)或縮短。

下面以CCS指南為例，基于推薦的檢驗(yàn)點(diǎn)位制定結(jié)構(gòu)RBI檢測(cè)方案，見(jiàn)表8。

表8 平臺(tái)結(jié)構(gòu)RBI檢驗(yàn)計(jì)劃

4.2 結(jié)構(gòu)維修和加強(qiáng)措施

依據(jù)RBI檢測(cè)方案和重控報(bào)告，及時(shí)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(tái)需加強(qiáng)上部組塊涂層管理，飛濺區(qū)防腐管理和結(jié)構(gòu)陽(yáng)極塊管理。每年至少開(kāi)展一次涂層整體評(píng)估或局部損傷程度評(píng)估，及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。定期對(duì)陽(yáng)極塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)及時(shí)更換過(guò)度損耗的陽(yáng)極塊。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)維修管理，對(duì)局部缺陷采取打磨裂紋和板殼補(bǔ)強(qiáng)等措施，改善結(jié)構(gòu)疲勞性能，增強(qiáng)承載力。同時(shí)，應(yīng)考慮平臺(tái)的后續(xù)發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改造。服役期滿的平臺(tái)，需要對(duì)整體強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估后，再制定整體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)計(jì)劃。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建導(dǎo)管架平臺(tái)的有限元模型，對(duì)平臺(tái)倒塌失效進(jìn)行數(shù)值模擬。采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）方法對(duì)平臺(tái)失效結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)失效后果等級(jí)和失效概率等級(jí)確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。結(jié)合目標(biāo)平臺(tái)現(xiàn)狀，識(shí)別平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和桿件，制定相應(yīng)的RBI監(jiān)測(cè)方案，并給出推薦的檢測(cè)周期、檢測(cè)范圍和結(jié)構(gòu)維修、加強(qiáng)措施。不過(guò)本文尚未考慮疲勞失效模式的影響，為進(jìn)一步提升平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性，可對(duì)疲勞失效模式下剩余桿件的儲(chǔ)備強(qiáng)度進(jìn)行研究。