服役后期海洋平臺剩余壽命可靠度預測方法

劉 勇，陳爐云，侯國華

（1中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3總裝備部 陸軍裝備科訂購部，北京 100034）

服役后期海洋平臺剩余壽命可靠度預測方法

劉 勇1，陳爐云2，侯國華3

（1中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3總裝備部 陸軍裝備科訂購部，北京 100034）

為保證服役后期平臺在延壽服役期內的安全性，需要對其結構整體剩余壽命可靠度進行預測。因此，文章重點研究了在隨機波浪載荷作用下平臺部分構件動力失效和疲勞失效時，平臺整體時變可靠度預測方法。采用Miner線性累積損傷理論和首次超越失效準則，計算平臺構件的疲勞壽命可靠度和動力可靠度，搜索并刪除失效概率較大的構件，運用波浪增量動力分析法找出平臺結構所能承受的極限波浪載荷，再結合服役海域波浪統計資料，計算平臺結構系統整體時變可靠度以預測其剩余壽命。文中算例表明了該方法的實用性和簡便性。

海洋平臺；剩余壽命可靠度；隨機波浪；波浪增量動力分析

0 引 言

隨著海上油氣開發的不斷發展，一些接近或達到設計壽命的海洋平臺將繼續服役，以滿足油田開發的需要。因此迫切需要對現役平臺進行安全評估，以確保平臺的安全服役，最大限度地延長其使用壽命并對其剩余壽命可靠度進行預測。

Onoufriou等[1]總結了近些年固定式海洋平臺可靠性評估的進展。Golafshani等[2]提出了波浪增量動力可靠性分析方法用以計算在海洋平臺整體倒塌概率。在國內，歐進萍等[3]提出了導管架式海洋平臺結構極限承載力分析的整體推進法。王文明等[4]分別計算了四種不同工況下平臺在單個構件失效后的極限承載力以及單個構件失效后平臺結構的剩余強度系數，以分析單個構件失效對導管架平臺極限承載力的影響。劉海豐[5]對老齡平臺結構在復雜海洋環境下的剩余強度分析和安全可靠性評估方法進行了研究。

海洋平臺是由成千上百個構件組成的高次超靜定結構，其失效過程一般是少數構件失效，但不一定會導致平臺整體結構失效，當失效構件逐漸累計到一定程度時，平臺才會發生垮塌。本文從服役環境中平臺整體失效實際過程出發，從系統的角度對平臺結構整體時變可靠度預測方法進行研究。

1 平臺構件疲勞可靠性分析

海洋波浪的長期分布可以看成是由許多短期海況的序列組成的，在每一個短期海況中，假設構件的應力幅值服從Rayleigh分布：

根據Miner線性累積損傷理論和應力幅值與疲勞壽命關系曲線，構件的疲勞壽命為

式中：A為描述S-N曲線的隨機變量；B為描述疲勞分析中應力范圍計算過程中不確定因素的隨機變量；Ω為應力參數；m為描述S-N曲線的確定量；Δ為描述結構疲勞破壞累積損傷度的隨機變量。

2 平臺構件動力可靠性分析

本文在計算平臺構件動力可靠度時，采用首次超越失效機制。所謂首次超越失效機制，就是假設結構在結構動力響應值（如控制點的應力、位移和加速度等）首次超越臨界值或安全界限時，結構就會發生破壞或失效[7]。在服役后期平臺構件動力可靠度分析中，當構件應力峰值大于材料屈服極限時認為該構件失效。

在每一個短期海況中，假設構件的應力峰值y服從Rayleigh分布：

對于波浪載荷下構件的振動響應，構件的破壞界限取材料屈服極限，為單側界限。這時，構件在（0,t）時間內動力可靠度采用下式計算：

3 波浪增量動力分析

在確定平臺所能承受的極限波浪載荷時，主要運用了波浪增量動力分析法。波浪增量動力分析是在波浪作用下對平臺結構進行彈塑性動力時程分析，以波浪載荷為輸入量，在分析過程中不斷改變波浪載荷參數的大小，使導管架經歷從彈性、非彈性直至倒塌的全過程，通過分析結構性能參數與波浪載荷參數之間的關系曲線，從而找到結構所能承載的極限載荷。當曲線的斜率突然發生改變時，意味著在波浪載荷有微小增加的情況下，結構性能參數發生顯著變化，可以認為結構失去穩定性即將發生倒塌，此點的波浪載荷即為結構所能承載的極限載荷[2]。以波浪載荷參數和結構性能參數為坐標軸，可以繪制一條波浪增量動力分析曲線（見圖1），通過此曲線就可以找到結構能夠承受的極限波浪載荷。

圖1 波浪增量動力分析曲線Fig.1 Wave incremental dynamic analysis curve

4 服役后期平臺剩余壽命預測方法

4.1 基本思想

海洋平臺結構復雜、構件眾多，在進行整體剩余壽命可靠度預測時作以下假設：

（1）在1年中的失效構件可靠性模型為串聯系統，因為串聯系統的失效概率大于并聯系統以及混聯系統，這樣處理使得最后的計算結果偏于安全，符合工程需要。將1a中的失效構件作為一個等效失效單元，其失效概率為

式中：PEn為在第na等效單元的失效概率；Pjn表示在第n年失效構件的失效概率；j=1,2,…m為具有較大失效概率構件的個數。

（2）以年為時間單位，在1年中構件的失效概率和平臺的整體失效概率是不變的，以年末的計算值表示這一年的構件和平臺整體失效概率。

（3）在計算平臺整體結構的失效概率時，不考慮平臺結構的隨機性。

首先根據上述構件疲勞可靠性和動力可靠性分析方法，逐年預測構件的疲勞和動力失效概率，刪除失效概率大于規定閾值的構件，同時把這些構件作為一個等效失效單元，計算其失效概率。然后運用波浪增量動力分析法求得平臺在第n年所能承受的極限波高Hmax，平臺結構整體失效概率即為極限波高年超越概率。

式中：PSn為在第n年有構件失效的情況下平臺結構整體失效條件概率為平臺所能承載的極限波高的年超越概率。

根據（6）式和（7）式，第n年服役期間平臺結構整體失效概率為

平臺又連續服役了nl年，其整體時變可靠度為

式中：nl=n-n0，n0為平臺已經服役的時間，接近其設計壽命。

4.2 步驟

服役后期平臺剩余壽命預測方法步驟如下：

（1）按照前面介紹的構件疲勞可靠性分析方法，計算構件經過n0a服役后疲勞積累損傷Dn0和疲勞壽命的可靠度，如果某個構件疲勞壽命可靠度小于規定的閾值，則判定其失效，刪除該構件。

（2）按照前面介紹的構件疲勞可靠性分析方法，按照下式計算各構件在na服役期間內的疲勞壽命：

式中：Dn為在第na服役期間內波浪載荷造成的疲勞損傷。如果某個管節點疲勞壽命概率可靠性小于規定的閾值，則判定其失效，刪除該構件。

（3）按照前面介紹的構件動力可靠性分析方法，計算平臺各個構件在第na服役期間內的動力可靠度。如果某個構件的動力可靠度小于材料屈服極限，則判定其失效，刪除該構件。

（4）采用波浪增量動力分析法計算平臺在第na服役期間所能承載的極限浪高Hmax。

（5）按照（8）式計算在第n年服役期間平臺整體失效概率，按照（9）式計算平臺連續服役了nl年整體可靠度。

（6）重復步驟(2)～(5)，直至平臺剩余壽命可靠度R（nl）低于規定的閾值，停止計算，所得到時間nl即為平臺的剩余壽命。

5 算 例

以埕島油田某服役后期井組平臺的計量平臺為例，對其整體剩余壽命進行預測。該平臺導管架采用四腿型式，導管架頂標高5.0 m，底標高-10.5 m，工作點標高5.5 m。主導管采用Φ1 340 mm×25 mm鋼管，成矩形布置；在標高-2 m、4.0 m之間設豎向斜拉筋，采用Φ610 mm×20 mm鋼管。樁采用Φ1 200 mm×25 mm開口變壁厚鋼管樁，樁入泥深度25 m。

（1）根據計量平臺的現場勘測資科，建立有限元模型（圖2）。充分考慮平臺結構腐蝕、樁基沖刷、海生物附著等情況影響，并且通過地基反力法模擬樁—土交互作用，對真實的結構進行簡化處理，結構的簡化保證主體結構幾何形狀的真實性，結構振動頻率和振型的真實性[8]。

（2）根據Morrison公式將海浪譜轉化為波浪力譜，運用譜分析方法，計算各構件的疲勞壽命可靠度和動力可靠度。在計算構件疲勞可靠度時，管節點應力集中系數為2。由于平臺結構對稱，忽略海浪的方向性。構件失效概率閾值取0.003。構件疲勞壽命可靠度和動力可靠度計算結果如表1、2所示。表1中×表示失效概率大于閾值，構件已失效，將不再計算它們的失效概率；表2中只選取部分構件的動力可靠度計算結果。

圖2 平臺有限元模型Fig.2 Platform finite element model

（3）計算每年等效單元失效概率，計算結果對應n=1，2，3a的Pn=0.011 5，0.013 5，0.240 6。

（4）運用波浪增量動力分析法計算平臺所能承受的極限波高。選取導管架頂端轉角最大值θmax為結構性能參數，波高為波浪載荷參數。各種海況下的分析時間選取為1h。參照FEMA-35l[9]規范，取曲線斜率小于初始斜率的20%的點為結構不倒塌極限狀態點。根據埕島油田海域年波高統計資料，年最大波高概率分布函數取三參數威布爾函數，2.359 59，C=2.310 09。平臺每年所能承載的極限波高及極限波高超越概率如表4所示。

表1 管節點疲勞壽命可靠度Tab.1 Tubular joints fatigue life reliability

表2 構件動力可靠度Tab.2 Components dynamic reliability

表3 極限波高和極限波高超越概率Tab.3 Limiting wave height and probability of exceedance

（5）逐年計算平臺結構整體可靠度，預測剩余壽命。對應于n=1，2，3a的平臺整體可靠度為1.0，1.0，0.991 8。假設平臺整體可靠度的閾值為0.997，則服役后期平臺在第3年整體可靠度小于閾值，其剩余壽命為2年。

5 結 語

本文重點研究了在隨機波浪載荷的作用下當部分平臺構件動力失效和疲勞失效時，平臺整體時變可靠度預測方法。該方法較好地模擬了海洋平臺在服役環境中的實際失效過程，最后的算例證明該方法具有工程應用價值。

[1]Onoufriou T,Forbes V J．Developments in structural system reliability assessments of fixed steel offshore platforms[J]．Reliability Engineering and System Safety,2001,71:189-199．

[2]Golafshani Ali Akbar,Ebrahimian Hossein,Bagheri Vahid,Holmas Tore．Assessment of offshore platforms under extreme waves by probabilistic incremental wave analysis[J]．Journal of Constructional Steel Research,2011,67:759-769．

[3]歐進萍,肖儀清,劉學東,等．導管架式海洋平臺結構極限承載力分析的整體推進法及其軟件[J].海洋工程,1999,17 (3):1-10．Ou Jinping,Xiao Yiqing,Liu Xuedong,et al.Whole stepwise push method of ultimate strength analysis of jacket offshore platform structures and its computer program[J].Ocean Engineering,1999,17(3):1-10．

[4]王文明,張世聯．導管架平臺極限承載力的有限元解法[J]．中國海洋平臺,2006,21(5):27-33．Wang Wenming,Zhang Shilian.Analyses of ultimate strength of jacket platforms by finite element method[J].China offshore platform,2006,21(5):27-33．

[5]劉海豐．面向老齡平臺延壽工程的結構風險評估技術研究[D].北京:中國石油大學,2009．Liu Haifeng.Structural risk assessment of aged offshore platform for life extension engineering[D].Beijing:China University of Petroleum,2009．

[6]彭 攀．導管架海洋平臺疲勞可靠性分析[D]．南京:河海大學,2008．Peng Pan.Fatigue reliability analysis of a Jacket Platform[D].Nanjing:Hohai University,2008.

[7]李桂青,李秋勝．響應譜MC模擬的橋梁抖振首次超越研究[J]．工程力學,2006,23(1):123-129．Li Guiqing,Li Qiusheng.Monte Carlo simulation approach to first passage probability in bridge buffeting response[J].Engineering Mechanics,2006,23(1):123-129．

[8]張大勇,岳前進,劉 笛,等．自升式鉆井平臺的抗冰性能評價[J]．船舶力學,2015,19(7):850-858．Zhang Dayong,Yue Qianjin,Liu Di,at el.Structural ice-resistant performance evaluation of jack-up drilling platforms[J]. Journal of ship Mechanics,2015,19(7):850-858．

[9]Report No.FEMA-35l．Recommended seismic evaluation and upgrade criteria for existing welded steel moment-frame Buildings[S]．

Study on post-service Jacket platform residual life reliability prediction method

LIU Yong1,CHEN Lu-yun2,HOU Guo-hua3
(1 Shanghai Branch,China Ship Scientific Research Center,Shanghai 200011,China; 2 School of Naval Architecture,Ocean and Civil Eng.,Shanghai Jiao Tong Univ.,Shanghai 200240,China;3 Army Equipment Science Research Purchase Department,PLA General Equipment Department,Beijing 100034,China)

To ensure the post-service platform security in the late service period,it is necessary to predict platform structure residual life reliability.In this paper,platform global time-varying reliability resulting from component dynamic failure and fatigue failure under random wave loads are studied.Component fatigue reliability and dynamic reliability are calculated according to Miner linear cumulative damage theory and first crossing failure criteria,components with larger failure probability are searched and deleted.The wave incremental dynamic analysis is used to find the limiting wave height that the platform could bear.Finally, combining with the wave statistics,platform global structure time-varying reliability is calculated to predict the residual life.The example shows the practicality and simplicity of the proposed method.

offshore platform;residual life reliability;random wave;wave incremental dynamic analysis

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.010

1007-7294（2015）10-1255-06

2015-07-25

劉 勇（1980-），男，博士，工程師，E-mail:flydark@126.com；

陳爐云（1975-），男，博士，助理研究員，E-mail:cluyun@163.com。