基于RBI的导管架平台失效风险评估

李慧晶

（必维（天津）安全技术有限公司，天津 300051）

0 引言

我国渤海海域遍布上百座导管架平台，众多平台已达到或接近其设计使用寿命。由于海域状况复杂多变，受天文潮和百年难遇风暴的影响，平台结构整体强度一直面临着严峻的挑战，对海洋平台进行剩余强度评估是开展延寿工作的首要任务。目前，行业内形成了基于风险的检验（Risk-Based Inspection，RBI）技术指导性标准——《海上固定设施结构完整性管理》和《导管架平台结构完整性解决方案》，两者都采用RBI技术制定检验策略。通过此评估将风险量化，掌握平台结构风险点，并据此提出有针对性的检验措施，对结构薄弱部位进行适当加强。

1 RB I方法

RBI方法为海上固定平台结构和设备设施的检验维修提供了优质的策略，可通过对风险检验时间和范围进行优化和控制来达到提前预防和管理风险的目的。

1.1 方法介绍

RBI方法以风险评估为手段，根据风险分析所得的结果对检测计划进行优化，并进行综合管理。RBI方法的应用步骤主要分3步：风险识别、风险分析与评估和风险应对。RBI方法对检测管理计划的优化是一个持续改进的过程，可有效降低平台结构失效的风险。此外，RBI方法还可发现当前阶段检测技术和应用方面的不足。

1.2 制定RBI评估计划

RBI评估计划的制定包括5部分：1）确定评估范围和优先顺序；2）明确评估目的；3）确定评估对象；4）选择评估类型；5）估算评估所需资源和时间。

1.3 数据搜集、对比与分析

首先，需要收集导管架平台的历史资料。从平台管理者、检验人员、维护人员和检修人员处可获得平台的设计和完工资料、历年的改造和维修记录、历年结构评估报告、检测和监测记录等重要资料。在此基础上，风险评估人员完成数据的确认和修正，对风险进行分析，并编写RBI分析报告。

1）设计和完工资料对比分析

根据平台的设计和完工资料，分析平台的完工结构与设计要求的偏差程度，建立符合平台实际状况的分析模型，并以此为依据为后续分析工作提供基础。

2）历次检测报告分析

对历次检测的范围、内容、深度和结果进行分析，全面掌握平台退化状态，为制定后面的检维修策略提供依据。

3）结构监测记录分析

结构监测记录通常是连续的数据，可反映被监测参数长时间连续的变化过程。分析结构检测记录，并根据记录反映的问题，对平台计算模型进行修改，而后依据计算结果，给出检维修策略。

4）改造、维修和保养记录分析

平台改造维修和保养历史记录提供了平台结构改变、结构损坏和处理手段等重要信息。通过分析这些记录，可以明确平台结构状态以及重点区域的维护方法，为平台分析计算及后期检维修策略的制定提供依据。

1.4 平台失效模式研究

平台的失效一般从结构的薄弱环节开始，确定潜在弱点的失效评判标准，如关键管节点的屈服强度和平台甲板最大位移处的变形等。本文失效评判标准为平台在整体倒塌前的极限强度。

1.5 失效概率与失效后果评估

失效概率与失效后果评估分为2步：1）选择概率分析的类型，确定失效概率。本文选取半定量分析，对结构失效进行有限元仿真，并根据仿真结果进行定量分析；2）对失效后果进行分级。导管架平台失效会对生命安全、声誉、环境、产量和经济等造成损失，选择合适的评价方法对失效后果进行分级。

1.6 风险定级与决策实施

采用合适的规则制定风险等级，对合理分配检测资源和减少成本尤为重要。本文选取的风险等级评定规则为：1）根据平台失效发生概率的大小确定失效概率等级（见表1）；2）根据平台失效后果的严重性确定失效后果等级（见表2）；3）将失效后果等级与失效概率等级相乘得到风险等级（见表3）。

表1 平台失效概率等级

表2 平台失效后果等级

续表2 平台失效后果等级

表3 平台风险等级

根据风险等级，制定风险对策，并合理安排检测计划。

2 平台倒塌失效概率分析

2.1 结构抗力和环境荷载

导管架平台的结构抗力储备强度比可近似认为符合正态分布，其概率密度函数()为

式中：为结构抗力储备强度比，即结构倒塌时的最大基底剪力与 50年重现期的环境载荷引起的基底剪力之比；为的均值；为的标准差，=，为结构抗力的变异系数，=10%。

无量纲环境载荷的年超越概率()可以用指数分布函数进行拟合，其表达式为

式中：为无量纲环境载荷，=/，为年重现期的环境载荷产生的基底剪力，为50年重现期的环境载荷产生的基底剪力；和为环境载荷分布的特征参数，对于南海海域，=0.272，=0.158。

2.2 倒塌失效概率分析

当无量纲环境荷载超过结构抗力储备强度比时，认为导管架结构失效。导管架结构的年失效概率可表示为

式中：为标准正态分布函数。

对于南海以外的其他海域，推荐采用式（4）对倒塌失效概率进行计算。

式中：剩余储备强度比，通过仿真计算得到。

3 平台倒塌RBI分析

3.1 平台概况

平台位于埕岛海域，设计水深为12.0 m，现注水规模为25 000 m/d，注水水源为处理合格的油田污水。平台无人居住，失效后果等级为 3（轻微后果）。图1为导管架平台的有限元模型，采用4腿导管架形式，导管架4个立面的斜度均为10∶1，平台的功能性荷载包括结构自重、活载荷、设备载荷和栈桥载荷。平台的环境条件见表4。

图1 平台有限元模型

表4 平台环境条件（极端工况，50年一遇）

3.2 关键点信息筛选

需要找出平台的薄弱环节，可以对平台进行静力分析或动力分析，UC值（Unity Ch eck）较大的节点或杆件则为薄弱环节（见表5）。在识别出关键节点或杆件后，需对特定杆件失效后剩余杆件的储备强度进行计算。

表5 薄弱环节信息

3.3 平台极限承载力分析

我国学者在导管架平台倒塌分析方面进行了许多研究，这些研究工作对导管架平台结构的整体安全评估意义重大。导管架平台静力分析的控制工况为极端冰工况，极限强度分析采用组合工况：将50年一遇的海流载荷、冰载荷和风载荷作为环境载荷，与结构和设备的自重进行组合，按照一定的加载顺序和加载步数，逐步达到预设大小。环境载荷方向为45°情况下平台倒塌仿真结果见图2。不同环境载荷方向情况下和平台倒塌基底剪力见表6。

图2 环境载荷方向为45°情况下平台倒塌仿真结果

表6 不同环境载荷方向情况下R和平台倒塌基底剪力

由表6可知，各方向最小值为2.8，即平台所能允许的极端承载力最多为设计极端环境载荷的2.8倍。下面假定节点所在弦杆和支杆失效，通过数值仿真对受损平台的进行计算。经仿真计算，最小值为1.6，代入式（4），求得平台倒塌失效概率=10，失效概率等级为2。

3.4 风险评估结果

综合失效后果等级与失效概率等级，得到各节点对应的平台结构RBI半定量分析风险等级（见表7）。

表7 平台结构RBI半定量分析风险等级

4 平台结构风险管控措施

4.1 结构RBI检测方案

平台在运行期间，需要适当安排结构检测作业，同时编制检验计划，包括结构检验分级、检验方法、检验范围和检验周期。中国船级社（China Classification S ociety，CCS）将检验分为4级，Ⅰ级检验为水上常规检验，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级检验为水下常规检验。Ⅰ级检验采用的检验方法包括目视法、超声波法和磁粉法；Ⅱ级检验采用的检验方法包括潜水法、电位法、超声波法和交流电场法；Ⅲ级检验包含I级和Ⅱ级检验的所有方法，还需补充充水测试；Ⅳ级检验包含I级、Ⅱ级和Ⅲ级检验的所有方法，还需补充水下无损测试

检测周期根据平台生命安全和失效后果进行确定。执行RBI方案会导致检验的时间间隔延长或缩短。

下面以CCS指南为例，基于推荐的检验点位制定结构RBI检测方案，见表8。

表8 平台结构RBI检验计划

4.2 结构维修和加强措施

依据RBI检测方案和重控报告，及时调整活载，严格控制钻修井设备的数量和重量（如需钻修井作业）。导管架平台需加强上部组块涂层管理，飞溅区防腐管理和结构阳极块管理。每年至少开展一次涂层整体评估或局部损伤程度评估，及时采取相应的补救措施。定期对阳极块进行监测，应及时更换过度损耗的阳极块。加强结构维修管理，对局部缺陷采取打磨裂纹和板壳补强等措施，改善结构疲劳性能，增强承载力。同时，应考虑平台的后续发展，对结构进行必要的改造。服役期满的平台，需要对整体强度进行评估后，再制定整体结构加强计划。

5 结论

本文构建导管架平台的有限元模型，对平台倒塌失效进行数值模拟。采用基于风险的检验（RBI）方法对平台失效结果进行风险评估，根据失效后果等级和失效概率等级确认风险等级。结合目标平台现状，识别平台关键节点和杆件，制定相应的RBI监测方案，并给出推荐的检测周期、检测范围和结构维修、加强措施。不过本文尚未考虑疲劳失效模式的影响，为进一步提升平台结构的可靠性，可对疲劳失效模式下剩余杆件的储备强度进行研究。