基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划

马冬辉 祖 巍

（中海油能源发展装备技术公司 天津300452）

基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划

马冬辉 祖 巍

（中海油能源发展装备技术公司 天津300452）

建立基于风险的结构安全检测技术，应用于导管架海洋平台结构完整性管理（SIM）的检测规划中。综合考虑平台失效后果与失效概率两方面因素，确定平台风险矩阵，提出基于风险评估等级的平台水下结构检测计划，完善了当前规范中检测时间间隔确定的不足之处。该文以某海洋平台为例，阐明基于风险的水下结构检测技术的应用方法，可为我国海洋平台结构检测计划的制定提供参考。

导管架平台；风险分析；安全评估；结构检测；完整性管理

引 言

结构完整性管理（Structural Integrity Management，SIM）是近几年提出的新概念［1］。SIM过程包括“数据-评估-策略-规划”四个动态环节，其中结构检测是获取数据、制定平台策略与规划的首要条件，是保证导管架海洋平台服役过程中安全性和适用性的最有效手段。针对导管架平台而言，依据检测区域的不同可分为水上检测和水下检测两大类。水上结构检测主要通过目视检测以及其他无损检测技术进行，较易实施；而水下结构检测传统的超声波透水杆件检测则需要由潜水员在水深超过50 m的海水中进行饱和潜水作业风险较大，施工相对困难，且费用非常昂贵。目前，API RP 2A规范仅通过根据平台结构的暴露等级［2］确定其结构检测的级别和检测时间，这种做法显然没有考虑平台失效概率因素的影响，相对较为保守；参考文献［3］给出了海洋工程结构检测时间间隔准则，但需要大量的原始数据和复杂的理论计算，工程实用性较差。为此，本文将风险分析引入到结构检测计划的制定过程中，提出一种简化的导管架平台结构水下检测方案确定方法，从而完善了目前规范中的不足之处。文中所建立的基于风险的导管架平台水下结构检测技术，可为导管架平台SIM的结构检测策略与规划提供参考。

1 海洋平台结构风险分析

风险是指在一定的时间内，由于系统行为的不确定性给人类或结构带来危害的可能性。危害不仅仅取决于某种灾害性事故的发生概率，而且还与事故所造成的后果有关，即风险R为事件发生概率P和事件产生后果严重程度C这两个参量的函数。下面对海洋平台的失效概率P和失效后果C两个方面分别进行阐述。

1.1 平台失效的概率分析

海洋平台失效概率评估主要运用的方法［4］有：

（1）历史数据分析法；

（2）当历史数据不能获取或者不充分时，可以利用事故树分析（FTA）技术来判断分析的发生频率；

（3）专家判断。借鉴其丰富的理论基础与工程经验，由专家小组对平台失效的概率进行分析与判断；

（4）采用理论模型来获得失效发生频率。

为定量确定平台结构失效的概率，建立平台结构的极限状态函数为：

式中：X为随机变量的向量；Fu表示系统抗力；Sj和Sw分别为作用于平台上的波流载荷和风载载荷；γf为平台系统抗力的偏置系数，表征不确定因素造成的抗力水平偏差；γs为平台导管架载荷效应的偏置系数。

其中，Fu可由非线性静力推覆（Pushover）分析获得［5］。Pushover除能够计算平台结构的极限承载能力之外，还能有效确定平台结构的薄弱位置，从而为确定平台结构的检测重点提供参考。

为衡量服役中平台失效概率的大小，参照ISO标准［6］和HSE标准［7］，将平台失效的概率划分为A、B、C、D、E共5个等级，5个等级失效概率逐级降低（见表1）。

表1 失效概率等级划分

表1给出了平台失效概率等级划分的标准，平台失效概率可通过式（2）确定，从而判定其失效的等级。应用时应注重对平台服役状态的评估，通过平台特征参数的实时监测与分析，明确平台结构当前所处的状态。

1.2 平台失效后果等级划分

失效后果是指结构事故后给作业人员生命、海洋生态环境带来的影响（包括短期危害和长期危害）以及给运营公司带来的经济损失和舆论压力等，因此，结构失效的后果等级的划分原则上应综合制造商意见及其在生命安全、环境污染、经济损失和社会影响后果等方面的定性分析来确定。为确保划分的平台失效后果等级与API规范相一致，本文将海洋平台结构的失效后果等级划分为1、2、3共3个级别（见表2）。

表2 失效后果等级划分

表2中的划分可进一步阐述为：严重失效后果等级是指重要的生产平台和一旦失效可能出现油气泄漏的平台，还包括设计事件发生前无法采取风险控制措施或不可能中断油气生产的平台（例如在地震活动频繁的地区）；此外，有重要输油管线和间歇输油储油设施的平台也应归为严重后果级别的范畴。

中等失效后果等级是指灾害事件发生期间停产并进行人员撤离的平台。这类平台油井装有功能齐全的水下安全阀，水下安全阀应按照适用的中华人民共和国石油天然气行业标准制造和试验；平台上的原油只限于在处理储罐和缓冲罐中储存。

轻微失效后果等级是指设计事件时停产的小平台。所有在平台一旦失效时能自喷的油井必须装有功能齐全的水下安全阀。这些平台上可装有生产分离设施和小容量的内部管线，但原油只限于在处理储罐中储存。

2 基于风险的平台水下结构检测策略

2.1 RBUI技术原理

基于风险的水下结构检测（Risk Based Underwater Inspection， RBUI）采用依据风险来制定检验计划，从而降低结构检测的成本［8］。该方法的主要特点是：

（1）将检测和维修的主要精力用于高风险的结构上，而把适当的力量放在低风险部分；

（2）能够量化检测效果；

（3）能够确保工程结构的安全性与适用性；

（4）当缺少数据或存在很大不确定性时，亦能够为平台完整性管理提供决策支持。

RBUI技术的核心是风险，该技术通过风险分析得到结构的风险分布，然后优化检测策略，达到保证结构安全和节约成本的目的。

RBUI实施过程包括：

（1）失效概率的计算；

（2）失效后果的评估；

（3）风险水平/级别的确定；

（4）检测计划的制定。

其中，风险的级别可以用风险矩阵图来表示。如前所述，平台失效概率划分为A、B、C、D、E共5个等级，失效的后果划分为1、2、3共3个级别，由此，可得到一个3×5的风险矩阵，采用风险矩阵将平台风险等级划分为高风险、中风险、低风险3个级别，即可根据相应风险等级采取对应的风险控制措施（见表3）。

表3 风险等级及决策

2.2 基于风险的检测时间间隔

目前的结构检测时间间隔主要是依据API规范（参见API Section14），即L-1级别，II级检测为3~5年，III级检测为6~10年；L-2暴露等级，II级检测为5~10年，III级检测为11~15年；L-3暴露等级，只进行II级检测，时间间隔为5~10年。显然，采用上述推荐检测计划，在工程应用时，带有一定的主观因素，缺乏科学性。实际上，检测时间间隔不应固定不变，而应根据结构的实际状况来确定合理、经济的检测计划。

为此，本文综合API推荐的检测时间间隔，进一步考虑了平台风险对检测计划的影响，采用RBUI来确定平台检测时间间隔时，如图1所示。RBUI即对高风险等级的海洋平台缩短其检测时间间隔，而对低风险的海洋平台适当的减少检测的次数，从而达到安全性与经济成本的平衡。

图1 基于风险的海洋平台水下结构检测计划

图1 中给出了海洋平台不等风险水平的检测时间间隔及相应的检测级别，其中：风险矩阵中的数字代表检测时间的间隔（单位：年）；括号中的数据代表III级检测时间间隔，如6（11）表示平台在2级风险状态下，II级检测时间间隔为6年，III检测时间为11年。显然，与API规范相比，考虑风险后，平台检测计划相对更加完善，更能够体现经济与安全性的要求。

3 工程算例

3.1 平台结构及有限元模型

某固定式钻井平台为4桩腿结构，共由7层导管架结构构成，空间结构为K型与对角斜型构成的复杂系统，该平台上部组块结构质量为1 192 t，上部结构由3层甲板构成。建立该平台结构的有限元模型如图2所示，其中导管架水下及飞溅区结构采用PIPE288单元建立，飞溅区以上结构采用PIPE16建立，上部结构采用MASS21单元近似代替，泥面以下桩腿采用PIPE20单元建立，忽略桩-土非线性相互作用，采用在泥面以下6倍桩径处进行固支的约束方式。

图2 平台有限元模型

该平台所处海域设计水深为105.3 m，百年一遇设计波高为22.1 m，周期为14.0 s，表面海流流速为2.355 m/s，风速为44 m/s。由此，基于Morison方程，采用ANSYS软件求得平台最大波浪相位角为23°，最大设计环境载荷为16.70 MN。

3.2 平台风险评估及检测策略

首先采用Pushover方法，计算得到该平台结构的承载能力曲线（见下页图3）。由图3可知，平台极限承载能力为70.55 MN，平台储备强度系数为4.19；然后提取平台极限状态时的等效应力分布，如图4所示。

图3 平台承载能力曲线

图4 平台极限状态时的等效应力分布

由图4可知，平台等效应力分布基本呈现至上而下逐渐增大的规律，危险构件主要分布于下层结构的斜撑与桩腿位置，相对而言水平撑等效应力则较小。

取平台偏置系数γf和γs服从均值为1的对数正态分布，变异系数分别为0.15和0.20［9］。采用蒙特卡洛方法，抽样次数为500 000次，由此，求得平台年失效概率为5.05×10-5，即失效概率为C级；再根据平台的类型及作业人员状况，确定其暴露等级为L1，因此，可知平台的风险水平位于风险矩阵的黄色区域，风险等级为二级。根据图2可知，该平台对应的II级检测时间间隔为6，III级检测时间间隔为11年。此外，由平台极限承载能力分析可知，平台底部斜撑及桩腿应作为结构检测的重点关注构件。

4 结 论

将基于风险的结构检测方法应用到导管架海洋平台结构完整性管理中的检测规划中，为制定合理的水下结构检测时间间隔提供技术参考。首先，依据API规范中的平台暴露等级，确定平台失效后果的级别；其次，采用Pushover方法，评估平台系统的极限承载能力，在此基础上，考虑随机变量的不确定性，应用蒙特卡洛法，求得平台结构的失效概率，从而得到平台结构的风险等级；最后，根据制定的RBUI计划，确定平台水下结构的检测时间间隔。以某海洋平台为例，计算得到其风险等级为2级，确定其II级检测时间间隔为6年，重点检测构件为平台底层斜撑与桩腿。文中建立的方法可为我国大量存在的服役海洋平台结构检测计划提供技术参考。

［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］ 许朝辉， 陈国明， 许亮斌. 海洋结构检测时间间隔确定准则［J］. 石油矿场机械， 2010（1）： 21-24.

［4］ 张圣坤， 白勇， 唐文勇. 船舶与海洋工程风险评估［M］.北京： 国防工业出版社， 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］ 蒋晓波. 导管架平台的失效评估分析［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 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

马冬辉（1984-），男，工程师。研究方向：海洋石油工程设计。

祖 巍（1987-），男，工程师。研究方向：海洋工程钻修井机结构设计。