基于RBI的導管架平臺失效風險評估

李慧晶

（必維（天津）安全技術有限公司，天津 300051）

0 引言

我國渤海海域遍布上百座導管架平臺，眾多平臺已達到或接近其設計使用壽命。由于海域狀況復雜多變，受天文潮和百年難遇風暴的影響，平臺結構整體強度一直面臨著嚴峻的挑戰，對海洋平臺進行剩余強度評估是開展延壽工作的首要任務。目前，行業內形成了基于風險的檢驗（Risk-Based Inspection，RBI）技術指導性標準——《海上固定設施結構完整性管理》和《導管架平臺結構完整性解決方案》，兩者都采用RBI技術制定檢驗策略。通過此評估將風險量化，掌握平臺結構風險點，并據此提出有針對性的檢驗措施，對結構薄弱部位進行適當加強。

1 RB I方法

RBI方法為海上固定平臺結構和設備設施的檢驗維修提供了優質的策略，可通過對風險檢驗時間和范圍進行優化和控制來達到提前預防和管理風險的目的。

1.1 方法介紹

RBI方法以風險評估為手段，根據風險分析所得的結果對檢測計劃進行優化，并進行綜合管理。RBI方法的應用步驟主要分3步：風險識別、風險分析與評估和風險應對。RBI方法對檢測管理計劃的優化是一個持續改進的過程，可有效降低平臺結構失效的風險。此外，RBI方法還可發現當前階段檢測技術和應用方面的不足。

1.2 制定RBI評估計劃

RBI評估計劃的制定包括5部分：1）確定評估范圍和優先順序；2）明確評估目的；3）確定評估對象；4）選擇評估類型；5）估算評估所需資源和時間。

1.3 數據搜集、對比與分析

首先，需要收集導管架平臺的歷史資料。從平臺管理者、檢驗人員、維護人員和檢修人員處可獲得平臺的設計和完工資料、歷年的改造和維修記錄、歷年結構評估報告、檢測和監測記錄等重要資料。在此基礎上，風險評估人員完成數據的確認和修正，對風險進行分析，并編寫RBI分析報告。

1）設計和完工資料對比分析

根據平臺的設計和完工資料，分析平臺的完工結構與設計要求的偏差程度，建立符合平臺實際狀況的分析模型，并以此為依據為后續分析工作提供基礎。

2）歷次檢測報告分析

對歷次檢測的范圍、內容、深度和結果進行分析，全面掌握平臺退化狀態，為制定后面的檢維修策略提供依據。

3）結構監測記錄分析

結構監測記錄通常是連續的數據，可反映被監測參數長時間連續的變化過程。分析結構檢測記錄，并根據記錄反映的問題，對平臺計算模型進行修改，而后依據計算結果，給出檢維修策略。

4）改造、維修和保養記錄分析

平臺改造維修和保養歷史記錄提供了平臺結構改變、結構損壞和處理手段等重要信息。通過分析這些記錄，可以明確平臺結構狀態以及重點區域的維護方法，為平臺分析計算及后期檢維修策略的制定提供依據。

1.4 平臺失效模式研究

平臺的失效一般從結構的薄弱環節開始，確定潛在弱點的失效評判標準，如關鍵管節點的屈服強度和平臺甲板最大位移處的變形等。本文失效評判標準為平臺在整體倒塌前的極限強度。

1.5 失效概率與失效后果評估

失效概率與失效后果評估分為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，對結構失效進行有限元仿真，并根據仿真結果進行定量分析；2）對失效后果進行分級。導管架平臺失效會對生命安全、聲譽、環境、產量和經濟等造成損失，選擇合適的評價方法對失效后果進行分級。

1.6 風險定級與決策實施

采用合適的規則制定風險等級，對合理分配檢測資源和減少成本尤為重要。本文選取的風險等級評定規則為：1）根據平臺失效發生概率的大小確定失效概率等級（見表1）；2）根據平臺失效后果的嚴重性確定失效后果等級（見表2）；3）將失效后果等級與失效概率等級相乘得到風險等級（見表3）。

表1 平臺失效概率等級

表2 平臺失效后果等級

續表2 平臺失效后果等級

表3 平臺風險等級

根據風險等級，制定風險對策，并合理安排檢測計劃。

2 平臺倒塌失效概率分析

2.1 結構抗力和環境荷載

導管架平臺的結構抗力儲備強度比可近似認為符合正態分布，其概率密度函數()為

式中：為結構抗力儲備強度比，即結構倒塌時的最大基底剪力與 50年重現期的環境載荷引起的基底剪力之比；為的均值；為的標準差，=，為結構抗力的變異系數，=10%。

無量綱環境載荷的年超越概率()可以用指數分布函數進行擬合，其表達式為

式中：為無量綱環境載荷，=/，為年重現期的環境載荷產生的基底剪力，為50年重現期的環境載荷產生的基底剪力；和為環境載荷分布的特征參數，對于南海海域，=0.272，=0.158。

2.2 倒塌失效概率分析

當無量綱環境荷載超過結構抗力儲備強度比時，認為導管架結構失效。導管架結構的年失效概率可表示為

式中：為標準正態分布函數。

對于南海以外的其他海域，推薦采用式（4）對倒塌失效概率進行計算。

式中：剩余儲備強度比，通過仿真計算得到。

3 平臺倒塌RBI分析

3.1 平臺概況

平臺位于埕島海域，設計水深為12.0 m，現注水規模為25 000 m/d，注水水源為處理合格的油田污水。平臺無人居住，失效后果等級為 3（輕微后果）。圖1為導管架平臺的有限元模型，采用4腿導管架形式，導管架4個立面的斜度均為10∶1，平臺的功能性荷載包括結構自重、活載荷、設備載荷和棧橋載荷。平臺的環境條件見表4。

圖1 平臺有限元模型

表4 平臺環境條件（極端工況，50年一遇）

3.2 關鍵點信息篩選

需要找出平臺的薄弱環節，可以對平臺進行靜力分析或動力分析，UC值（Unity Ch eck）較大的節點或桿件則為薄弱環節（見表5）。在識別出關鍵節點或桿件后，需對特定桿件失效后剩余桿件的儲備強度進行計算。

表5 薄弱環節信息

3.3 平臺極限承載力分析

我國學者在導管架平臺倒塌分析方面進行了許多研究，這些研究工作對導管架平臺結構的整體安全評估意義重大。導管架平臺靜力分析的控制工況為極端冰工況，極限強度分析采用組合工況：將50年一遇的海流載荷、冰載荷和風載荷作為環境載荷，與結構和設備的自重進行組合，按照一定的加載順序和加載步數，逐步達到預設大小。環境載荷方向為45°情況下平臺倒塌仿真結果見圖2。不同環境載荷方向情況下和平臺倒塌基底剪力見表6。

圖2 環境載荷方向為45°情況下平臺倒塌仿真結果

表6 不同環境載荷方向情況下R和平臺倒塌基底剪力

由表6可知，各方向最小值為2.8，即平臺所能允許的極端承載力最多為設計極端環境載荷的2.8倍。下面假定節點所在弦桿和支桿失效，通過數值仿真對受損平臺的進行計算。經仿真計算，最小值為1.6，代入式（4），求得平臺倒塌失效概率=10，失效概率等級為2。

3.4 風險評估結果

綜合失效后果等級與失效概率等級，得到各節點對應的平臺結構RBI半定量分析風險等級（見表7）。

表7 平臺結構RBI半定量分析風險等級

4 平臺結構風險管控措施

4.1 結構RBI檢測方案

平臺在運行期間，需要適當安排結構檢測作業，同時編制檢驗計劃，包括結構檢驗分級、檢驗方法、檢驗范圍和檢驗周期。中國船級社（China Classification S ociety，CCS）將檢驗分為4級，Ⅰ級檢驗為水上常規檢驗，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級檢驗為水下常規檢驗。Ⅰ級檢驗采用的檢驗方法包括目視法、超聲波法和磁粉法；Ⅱ級檢驗采用的檢驗方法包括潛水法、電位法、超聲波法和交流電場法；Ⅲ級檢驗包含I級和Ⅱ級檢驗的所有方法，還需補充充水測試；Ⅳ級檢驗包含I級、Ⅱ級和Ⅲ級檢驗的所有方法，還需補充水下無損測試

檢測周期根據平臺生命安全和失效后果進行確定。執行RBI方案會導致檢驗的時間間隔延長或縮短。

下面以CCS指南為例，基于推薦的檢驗點位制定結構RBI檢測方案，見表8。

表8 平臺結構RBI檢驗計劃

4.2 結構維修和加強措施

依據RBI檢測方案和重控報告，及時調整活載，嚴格控制鉆修井設備的數量和重量（如需鉆修井作業）。導管架平臺需加強上部組塊涂層管理，飛濺區防腐管理和結構陽極塊管理。每年至少開展一次涂層整體評估或局部損傷程度評估，及時采取相應的補救措施。定期對陽極塊進行監測，應及時更換過度損耗的陽極塊。加強結構維修管理，對局部缺陷采取打磨裂紋和板殼補強等措施，改善結構疲勞性能，增強承載力。同時，應考慮平臺的后續發展，對結構進行必要的改造。服役期滿的平臺，需要對整體強度進行評估后，再制定整體結構加強計劃。

5 結論

本文構建導管架平臺的有限元模型，對平臺倒塌失效進行數值模擬。采用基于風險的檢驗（RBI）方法對平臺失效結果進行風險評估，根據失效后果等級和失效概率等級確認風險等級。結合目標平臺現狀，識別平臺關鍵節點和桿件，制定相應的RBI監測方案，并給出推薦的檢測周期、檢測范圍和結構維修、加強措施。不過本文尚未考慮疲勞失效模式的影響，為進一步提升平臺結構的可靠性，可對疲勞失效模式下剩余桿件的儲備強度進行研究。