唐文勇，張道坤，劉 昆，張圣坤

（1上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2中國船級社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京 100007）

考慮腐蝕影響的FPSO風(fēng)險接受準(zhǔn)則研究

唐文勇1，張道坤2，劉 昆，張圣坤

（1上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2中國船級社技術(shù)研究開發(fā)中心，北京 100007）

風(fēng)險接受準(zhǔn)則是進行風(fēng)險評估時一項重要的組成部分。風(fēng)險接受準(zhǔn)則的選取將直接影響到對風(fēng)險水平的判斷。文章通過對一艘FPSO受腐蝕影響造成的構(gòu)件厚度失效的概率及船體梁極限強度時變可靠性進行計算，根據(jù)不同腐蝕條件下的結(jié)果和工程實際需要從總體與構(gòu)件兩方面考慮合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則以全面反映FPSO的風(fēng)險水平。最后以所選擇的風(fēng)險接受準(zhǔn)則對檢測維護規(guī)劃行動展開初步的討論。

風(fēng)險接受準(zhǔn)則；腐蝕；FPSO；船體梁；構(gòu)件

1 引 言

風(fēng)險接受準(zhǔn)則（risk acceptance criterion）表示在規(guī)定的時間內(nèi)或系統(tǒng)的某一行為階段內(nèi)可接受的風(fēng)險等級[1]。在對海洋結(jié)構(gòu)物進行風(fēng)險評估的過程中，確定合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則是一個關(guān)鍵性問題。風(fēng)險接受準(zhǔn)則的選取將影響到對海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)險水平的判斷以及后續(xù)檢測和維護決策的制定，與海洋結(jié)構(gòu)物的安全水平和相關(guān)費用有著直接關(guān)系。

鑒于風(fēng)險接受準(zhǔn)則在風(fēng)險評估過程中的重要性，很多學(xué)者均對其展開過研究，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界作為決策的支撐。挪威石油管理部門制定的NORSOK規(guī)范中就對各種事故可接受的發(fā)生概率作出了明確的限制規(guī)定[2]。Bernhard Stahl等人[3]通過對一座位于北海的海洋平臺遭遇極限載荷回歸周期時的漸進失效模式進行分析，得出了目標(biāo)失效概率以及考慮致命率對應(yīng)的年可接受失效概率。Melchers[4]對由HSE率先提出的ALARP風(fēng)險水平評估準(zhǔn)則進行了分析研究，指出了評估中需要注意的難點問題。Toula的研究成果中給出了服役于北海的新建及老齡平臺不同部位的目標(biāo)可靠度[5]。Inge等人[6]在對FPSO結(jié)構(gòu)疲勞問題進行分析時構(gòu)造了總體費用與目標(biāo)失效概率之間的函數(shù)關(guān)系式，確定了目標(biāo)失效概率并將其應(yīng)用在后續(xù)的檢測維護中。Jan和Kjell則對系泊系統(tǒng)中錨鏈的疲勞裂紋進行基于風(fēng)險的檢測分析，通過優(yōu)化得到不同費用比條件下的目標(biāo)失效概率[7]。Faber和Heredia-Zavoni等人[8-9]對FPSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則進行風(fēng)險評估，分析確定了以人的生活質(zhì)量指數(shù)（LQI）作為風(fēng)險接受準(zhǔn)則的評估模型，通過優(yōu)化生命周期成本和根據(jù)生活質(zhì)量指數(shù)驗證風(fēng)險接受準(zhǔn)則來獲得目標(biāo)的可靠度。

近年來對風(fēng)險接受準(zhǔn)則的研究很多是圍繞著海洋結(jié)構(gòu)物的疲勞問題展開的，此類研究多關(guān)注于海洋結(jié)構(gòu)物的局部具體部位，以結(jié)構(gòu)裂紋擴展造成破壞為研究對象。而腐蝕問題則由于其發(fā)生位置相對面積較大而與疲勞問題有所不同。以FPSO為例，F(xiàn)PSO遭受腐蝕不僅削弱了構(gòu)件厚度，進一步地又對船體梁的極限承載能力產(chǎn)生了影響。因此考慮FPSO腐蝕問題時不但需要考慮構(gòu)件自身的厚度損耗及更換，還要考慮腐蝕對總體強度方面的影響，兩者結(jié)合考慮制定風(fēng)險接受準(zhǔn)則才是合理的。

Wang等人[10]以及Sun和Guedes Soares[11]計算過受腐蝕影響的加筋板單元和非加筋板單元對船體梁失效概率的影響，但是并沒有考慮在分析中加入腐蝕容限的作用。李典慶[12-13]在制定船舶結(jié)構(gòu)檢測維護規(guī)劃時考慮了腐蝕容限安全余量，但是所用結(jié)構(gòu)屬理想化模型，后續(xù)研究中建立了基于風(fēng)險的船體結(jié)構(gòu)腐蝕優(yōu)化檢測及維修規(guī)劃的成本—效益分析模型，以受點腐蝕損傷的船體構(gòu)件為例，分析了基于風(fēng)險的最優(yōu)檢測及維修策略的制定過程。船型FPSO在服役期間不斷遭受中拱與中垂的重復(fù)交替作用，船體梁極限強度與腐蝕造成的構(gòu)件厚度損耗以及剖面模數(shù)的降低存在關(guān)聯(lián)。選取船底板和甲板板作為需要研究的典型構(gòu)件，中垂的時候甲板受壓，中拱的時候船底受壓?？紤]到板厚減弱對結(jié)構(gòu)強度的削弱作用，研究中將采用船體梁極限強度中垂可靠性與甲板板腐蝕可靠性做比較；中拱可靠性與船底板腐蝕可靠性做比較，以此來選擇合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則。

2 腐蝕對FPSO的影響

2.1 腐蝕模型的選取

海洋結(jié)構(gòu)物長時期工作于外海，受到海洋環(huán)境中的鹽分、濕度、海浪沖刷等因素影響的腐蝕情況值得關(guān)注。對于具有類似于油輪外形的FPSO來說，容積巨大的儲油艙和壓載艙構(gòu)件的腐蝕情況屬于研究重點關(guān)心的區(qū)域。對于腐蝕進程的模擬，很多學(xué)者根據(jù)積累的大量檢測數(shù)據(jù)提出了不同的簡化計算公式。

多年來隨著研究的不斷深入，采用非線性模型模擬腐蝕作用下的構(gòu)件厚度損耗被眾多學(xué)者認為是比較合理的。其中一個被廣泛接受的模型為Guedes Soares和Garbatov提出的模型[14]，其微分形式如下：

式中：d∞為長期腐蝕損耗厚度，d(t)為隨時間變化的腐蝕厚度，(t)為腐蝕率。方程（1）的解為：

其特解形式為：

式中：τc為防腐涂層的壽命，在此期間內(nèi)不發(fā)生腐蝕；τt為過渡時間。

Qin和Cui[15]認為隨著腐蝕過程的進行，所生成的氧化物將未發(fā)生腐蝕的金屬與外界環(huán)境分隔開，阻斷了腐蝕進程，因此腐蝕率是一個先增長后減小直至漸變?yōu)榱愕倪^程。而腐蝕厚度將逐漸增加直至趨近于某個長期腐蝕損耗厚度值。

上述模型的提出均基于對運營船舶腐蝕情況的研究，而FPSO的腐蝕過程有其特殊性：頻繁的裝卸載過程以及系泊于工作海域受波浪長期作用影響決定了FPSO船體梁在中拱與中垂?fàn)顟B(tài)間交替變化的頻率要大于普通運營船只，已形成的氧化層將被反復(fù)交替的船體梁彎曲過程破壞而使得內(nèi)層尚未發(fā)生腐蝕的金屬繼續(xù)與外界環(huán)境接觸，形成新的腐蝕過程。同時，作業(yè)人員的日常操作行為也可能造成腐蝕氧化層的破壞。因此從長期角度來看，這一反復(fù)的腐蝕中斷與再次開始的過程使得腐蝕厚度近似于線性化衰減。Sun和Bai考慮了這一過程的特點，在Guedes Soares和Garbatov的公式基礎(chǔ)上做出改進，提出了新的腐蝕模型[16]，其腐蝕率表達式如下：

其中：τc為防腐涂層的壽命；τt為過渡時間；rs為固定的腐蝕率。

對公式（4）進行積分可以得到隨服役時間變化的腐蝕損耗厚度計算公式，如下所示：

公式中的τc，τt和rs來自于對檢測數(shù)據(jù)的回歸分析。接下來的研究將采用這一腐蝕模型對一艘FPSO的腐蝕情況進行研究。

2.2 板厚安全余量方程

腐蝕造成的厚度損耗是結(jié)構(gòu)損傷的一個重要方面，對于海洋結(jié)構(gòu)物有著不可忽視的影響，各船級社均有相應(yīng)的規(guī)范對腐蝕余量給出明確的要求，其中規(guī)定了不同部位構(gòu)件的名義設(shè)計腐蝕值，在設(shè)計建造時便采取措施對腐蝕加以控制。而對于長期處于系泊工作狀態(tài)的FPSO而言，還需要按照相關(guān)規(guī)范增加額外的腐蝕余量。如果以可接受的腐蝕損耗為衡量標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)件腐蝕情況進行判斷，以保證構(gòu)件厚度處于可接受的范圍為目的，可以構(gòu)造安全余量方程如下：

其中dcrit為設(shè)定的腐蝕容限。隨著腐蝕損耗的不斷增加，當(dāng)出現(xiàn)Z＜0的情況意味著構(gòu)件厚度可靠性超出了可接受的范圍，需要對結(jié)構(gòu)采取不同等級的維護措施。Z＜0相對應(yīng)的時間為進行第一次維護行動的極限，也就是說第一次維護行動需要在該時間點或之前開展。不僅如此，以往的研究指出當(dāng)腐蝕損耗厚度達到構(gòu)件原厚度的20%-25%時便需要對相關(guān)構(gòu)件進行更換以保證結(jié)構(gòu)安全。

2.3 極限強度安全余量方程

對于FPSO這種結(jié)構(gòu)布置形式類似于大型油輪的海洋結(jié)構(gòu)物來說，長期工作于開放外海并承受不斷變化的波浪載荷與靜水載荷的共同作用，其船體梁縱向極限承載能力引人關(guān)注。隨著FPSO服役時間的不斷推移，腐蝕作用于FPSO結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件，削弱了構(gòu)件的有效厚度，繼而影響到了船體梁的極限承載能力。選用適當(dāng)?shù)母g模型，結(jié)合檢測獲得的回歸數(shù)據(jù)可以預(yù)測FPSO船體梁橫剖面所包括的各構(gòu)件厚度變化情況。

獲得不同服役年度的FPSO典型橫剖面各構(gòu)件腐蝕情況后，船體梁極限強度可以通過ISUM（Idealized Structural Unit Method）法進行求解。船體梁極限強度安全余量方程可以表示為[16]：

其中：Mu、Ms和Mw分別表示極限強度、靜水彎矩和垂向波浪彎矩，χu、χs和χw各自對應(yīng)上述三個變量的不確定性，φw為靜水與波浪載荷疊加時的折減系數(shù)。在對服從特定長期分布的靜水彎矩與垂向波浪彎矩進行研究后，考慮腐蝕作用的船體梁極限強度安全余量方程可以很好地反映出不同服役年限、不同腐蝕條件下對應(yīng)的總體安全程度。將其與板厚安全余量方程所得到的結(jié)果進行比較，可以綜合評判相同條件下總體與構(gòu)件安全水平的差異，有利于制定恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)險準(zhǔn)則，實現(xiàn)整體與局部風(fēng)險接受準(zhǔn)則的統(tǒng)一。

3 算例

3.1 研究對象

以服役于南?！拔牟?3-1/2”油田的FPSO“南海奮進”號為例，對其船體梁極限強度以及典型構(gòu)件厚度構(gòu)造安全余量方程，按照不同腐蝕程度以及不同失效準(zhǔn)則劃定失效時間。通過比較總體與構(gòu)件不同目標(biāo)失效概率下對應(yīng)的失效時間與結(jié)構(gòu)所處情況，分析造成嚴(yán)重后果的結(jié)構(gòu)失效模式下合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則的選取方式。其典型橫剖面示意圖如圖1所示。

3.2 板厚失效概率分析

3.2.1 腐蝕數(shù)據(jù)的選用

最初的FPSO是在有一定船齡的大型油輪基礎(chǔ)上改建而成的，而新建FPSO的腐蝕數(shù)據(jù)尚未得到很好的分析整理，因此當(dāng)前研究FPSO腐蝕情況多采用老齡大型油輪的厚度檢測數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)。以往海事界針對大型油輪的幾個主要腐蝕厚度數(shù)據(jù)庫分別為：TSCF（Tanker Structure Co-operative Forum）油輪數(shù)據(jù)庫；IACS（International Association of Classification Societies）油輪數(shù)據(jù)庫；Paik等人構(gòu)建的油輪數(shù)據(jù)庫等。

近年來ABS（美國船級社）開展的SafeHull狀態(tài)評估項目中包含了最新的油輪腐蝕情況數(shù)據(jù)庫。這一數(shù)據(jù)庫根據(jù)140艘大中型油輪的157份測厚報告形成，共包含超過11萬的腐蝕厚度測量數(shù)據(jù)，目前是僅次于IACS數(shù)據(jù)庫的第二大數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫提供了最新的油輪腐蝕數(shù)據(jù)，并且涉及的一些油輪已經(jīng)或?qū)⒁桓慕镕PSO，因此采用這一數(shù)據(jù)庫作為FPSO船體梁腐蝕情況的研究依據(jù)是可信的。

Sun和Guedes Soares針對該數(shù)據(jù)庫展開了分析，回歸了表示τc，τt與rs關(guān)系的簡化計算公式[16]。通過多組數(shù)據(jù)的分析比較，Sun和Guedes Soares發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層壽命τc取4年，過渡時間τt為5年時，服役20年時期望的腐蝕損耗厚度與ABS規(guī)范要求的設(shè)計名義腐蝕值相等。根據(jù)構(gòu)件的腐蝕程度可以劃分三個等級，分別為輕微腐蝕、中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕，其腐蝕損耗厚度數(shù)值與累計分布概率的50%、75%和95%相對應(yīng)。則由公式（5）可知，在獲得τc和τt的取值后，將目標(biāo)FPSO各部位構(gòu)件第20年時腐蝕厚度以數(shù)據(jù)庫中不同腐蝕程度的測厚數(shù)據(jù)代入，可得相應(yīng)情況下的年均勻腐蝕速度rs，如表1所示。進而可以獲得服役期間每一年度相應(yīng)的腐蝕損耗。認為均勻腐蝕速度服從正態(tài)分布，變異系數(shù)取0.1[16]。

圖1 FPSO典型橫剖面Fig.1 Mid section of FPSO

表1 均勻腐蝕速度表Tab.1 Steady corrosion rate

3.2.2 腐蝕容限

在板厚安全余量方程中，腐蝕容限dcrit作為方程內(nèi)控制可接受腐蝕損耗厚度上限的變量至關(guān)重要，其數(shù)值的選取可以參照ABS制定的2006年鋼制海船規(guī)范[17]和FPSO規(guī)范[18]對名義設(shè)計腐蝕值的規(guī)定來確定。ABS的2006鋼規(guī)中按照不同部位對油輪設(shè)計名義腐蝕值進行了規(guī)定，分別為船底板1.5 mm，貨艙甲板1.0 mm，邊艙（壓載艙）甲板2.0 mm等等。而FPSO的腐蝕環(huán)境較運營油輪惡劣的現(xiàn)實使得FPSO設(shè)計過程中需要增大腐蝕余量以保證結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)FPSO規(guī)范中對于腐蝕控制的特殊要求，在ABS2006鋼規(guī)提供的數(shù)值基礎(chǔ)上各自增加0.5 mm，構(gòu)成本研究中所應(yīng)用的腐蝕容限均值，即船底板2.0 mm，貨艙甲板1.5 mm，邊艙（壓載艙）甲板2.5 mm。上述數(shù)值將作為公式（6）中腐蝕容限的均值，認為腐蝕容限服從正態(tài)分布，變異系數(shù)設(shè)為0.1[12]。

3.2.3 涂層壽命和過渡時間

對于涂層有效壽命服從何種分布，以往的研究給出了三種不同形式的分布，分別是正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和韋布爾分布，本研究中認為涂層壽命服從正態(tài)分布[15]，涂層有效壽命的均值按照數(shù)據(jù)統(tǒng)計取4年[11]，變異系數(shù)取為0.4[19]。過渡時間設(shè)為固定常數(shù)，取值為5年。研究對象FPSO的設(shè)計壽命為20年，考慮到新建海洋結(jié)構(gòu)物投資巨大，延壽服役的情況同樣存在于海洋工程領(lǐng)域，計算時將考察范圍擴大至目標(biāo)FPSO服役25年時的情況。

3.2.4 板厚失效概率計算

FPSO在系泊狀態(tài)下不斷進行裝卸載作業(yè)，船體梁在中拱與中垂?fàn)顟B(tài)下交替變換，甲板與船底構(gòu)件承受著交替變化的拉壓應(yīng)力。FPSO甲板與船底部位與油輪類似，是結(jié)構(gòu)評估時重點關(guān)注的部位。以建立合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則為目標(biāo)，圍繞腐蝕造成的厚度損耗對甲板板和船底板進行評估。

區(qū)分輕微腐蝕、中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕三種不同的情況，對甲板板和船底板的腐蝕情況進行分析，應(yīng)用公式（6）通過蒙特卡洛（Monte Carlo）法計算獲得不同條件下的失效概率，抽樣次數(shù)為107次。計算所得不同情況下的失效概率及可靠度如圖2-10所示。

圖2 輕微腐蝕失效概率Fig.2 Probability of failure under slight corrosion

圖3 輕微腐蝕失效概率局部放大圖Fig.3 Local amplified plot of Pfunder slight corrosion

圖4 輕微腐蝕可靠度 Fig.4 Reliability under slight corrosion

圖5 中度腐蝕失效概率Fig.5 Probability of failure under normal corrosion

圖6 中度腐蝕失效概率局部放大圖Fig.6 Local amplified plot of Pfunder normal corrosion

圖7 中度腐蝕可靠度Fig.7 Reliability under normal corrosion

圖8 嚴(yán)重腐蝕失效概率Fig.8 Probability of failure under severe corrosion

圖9 嚴(yán)重腐蝕失效概率局部放大圖Fig.9 Local amplified plot of Pfunder severe corrosion

觀察圖2至圖10所顯示的結(jié)果，設(shè)定不同的失效概率準(zhǔn)則?？紤]到構(gòu)件腐蝕是一個逐漸積累的過程，制定準(zhǔn)則時按累計失效概率處理。設(shè)定不同等級的失效準(zhǔn)則，其20年服役期對應(yīng)的累計失效概率分別設(shè)為10-4，5×10-4以及10-3。分別運用上述失效概率準(zhǔn)則對甲板板和船底板的“失效”時間做出評估，具體結(jié)果見表2至表4。從中可見，不同的失效概率準(zhǔn)則對于確定局部構(gòu)件檢測維護策略制定有著不同程度的影響。隨著接受準(zhǔn)則的放寬和腐蝕情況的加重，所造成的失效時間差異性逐漸縮小。

但是需要注意這里所說的“失效”并不意味著所給出時刻對應(yīng)的板厚必將造成結(jié)構(gòu)的失效，而是其可靠度不滿足準(zhǔn)則要求。計算表明在輕微腐蝕條件下20年內(nèi)腐蝕造成的板厚損耗均在腐蝕容限范圍內(nèi)；中度腐蝕的情況下部分腐蝕損耗超過了公式（6）中規(guī)定的腐蝕容限，但是與20%厚度比的構(gòu)件更換原則比較相距甚遠；嚴(yán)重腐蝕的情況則顯得嚴(yán)重些，服役20年時某些部位的板厚損失超過了更換原則的限定，必須采取維護行動。

圖10 嚴(yán)重腐蝕可靠度Fig.10 Reliability under severe corrosion

表2 累積失效概率10-4的失效年限Tab.2 Invalidation time with cumulated probability of failure 10-4

表3 累積失效概率5×10-4的失效年限Tab.3 Invalidation time with cumulated probability of failure 5×10-4

表4 累積失效概率10-3的失效年限Tab.4 Invalidation time with cumulated probability of failure 10-3

3.3 極限強度失效概率分析

根據(jù)公式（7）對FPSO船體梁極限強度失效概率展開分析，分別對FPSO系泊狀態(tài)下中拱與中垂兩種工況進行研究。極限強度安全余度方程中需要確定極限強度Mu、靜水彎矩Ms、垂向波浪彎矩Mw及各自的不確定性系數(shù)χu、χs和χw，以及載荷疊加折減系數(shù)φw。針對目標(biāo)FPSO，在以往的研究中已經(jīng)對其上述變量的取值與概率分布特性做出了研究[20]，在此不再贅述。

圖11 中拱可靠度指數(shù)Fig.11 Reliability indices under hogging condition

圖12 中垂可靠度指數(shù)Fig.12 Reliability indices under sagging condition

圖13 中拱年可靠度指數(shù)Fig.13 Annual reliability indices under hogging condition

圖14 中垂年可靠度指數(shù)Fig.14 Annual reliability indices under sagging condition

采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法針對極限狀態(tài)方程進行計算，為了方便與以往其他學(xué)者的工作進行比照，將服役期內(nèi)不同年度的失效概率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的可靠度指數(shù)及年可靠度指數(shù)，如圖11-14所示。受沿時間呈非線性變化的腐蝕程度及載荷分布情況的影響，可靠度指數(shù)曲線并非一階導(dǎo)數(shù)單調(diào)，因此對應(yīng)的年可靠度指數(shù)曲線出現(xiàn)了部分數(shù)據(jù)的鋸齒狀分布，確定失效年限時以曲線第一次等于或低于接受準(zhǔn)則時為準(zhǔn)。

確定目標(biāo)可靠度是海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)險分析中的重要組成部分，多年以來很多學(xué)者提出了自己的見解，定義方式也各有差異。這些差異導(dǎo)致了對同一組可靠性數(shù)據(jù)進行評判時劃定風(fēng)險水平的多樣性，進而對檢測與維護的時間制定產(chǎn)生影響。Lotsberg[21]根據(jù)不同失效形式推薦了相應(yīng)的年目標(biāo)失效概率，如果研究對象服役期為20年計則整個服役期累計目標(biāo)失效概率對應(yīng)為2×10-3（可靠度指數(shù)為2.88）。Guedes Soares等人[22]在制定船舶可靠度接受準(zhǔn)則時考慮了腐蝕的影響，規(guī)定完整狀態(tài)下的可靠度指數(shù)應(yīng)在3.7以上，腐蝕狀態(tài)下的可靠度指數(shù)需在3.0以上。而Sun與Guedes Soares[23]在對一艘FPSO進行可靠性分析時提出其極限強度失效形式下的目標(biāo)年可靠度指數(shù)分別為完整狀態(tài)3.7，腐蝕狀態(tài)3.0。以上述三種目標(biāo)可靠度的選取方式為例，對圖10至圖13中FPSO船體梁極限強度時變可靠度進行劃分，確定不同接受準(zhǔn)則下對應(yīng)的失效時間，如表5至表7所示。

表5 Lotsberg準(zhǔn)則對應(yīng)的失效年限 Tab.5 Invalidation time to rule of Lotsberg

從表5至表7的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對于同樣的時變可靠度數(shù)據(jù)采用不同的接受準(zhǔn)則進行衡量所得到的失效時間差異顯著，而所得失效時間將直接影響進行第一次檢測維護的時限，由此可見選取合理接受準(zhǔn)則的重要性。

3.4 風(fēng)險接受準(zhǔn)則的選擇

上述計算得出了以甲板板和船底板為典型代表的構(gòu)件腐蝕厚度失效概率以及FPSO船體梁極限強度可靠度。為了盡可能準(zhǔn)確地掌握FPSO結(jié)構(gòu)安全狀況，以便開展下一步檢測維護規(guī)劃工作，需要對這兩類分別代表構(gòu)件與總體可靠度水平的計算結(jié)果聯(lián)合比較以期得到合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則。

表6 Guedes Soares準(zhǔn)則對應(yīng)的失效年限Tab.6 Invalidation time to rule of Guedes Soares

表7 Sun與Guedes Soares準(zhǔn)則對應(yīng)的失效年限Tab.7 Invalidation time to rule of Sun&Guedes Soares

船體梁極限強度對應(yīng)的接受準(zhǔn)則可以確定FPSO服役過程中總體安全水平如何，構(gòu)件腐蝕厚度對應(yīng)的接受準(zhǔn)則用來判斷具體部位的構(gòu)件厚度是否滿足安全要求，是否需要進行檢測維護。采用這兩種接受準(zhǔn)則構(gòu)成評估體系，有利于更加詳細地掌握FPSO真實的安全水平，制定檢測和維護規(guī)劃時也更為合理。

以文中FPSO為例，要求保證在設(shè)計服役期的20年內(nèi)的安全性，即20年內(nèi)FPSO的結(jié)構(gòu)必須保持完整性，船體梁極限強度應(yīng)有足夠的保證，不允許發(fā)生如斷裂、蝕穿這樣的嚴(yán)重事故。這種要求在可靠度方面體現(xiàn)為所得數(shù)據(jù)應(yīng)在接受準(zhǔn)則之上。表5至表7所示結(jié)果中Lotsberg與Guedes Soares所采用的準(zhǔn)則基于累積可靠度；而Sun和Guedes Soares則是基于年目標(biāo)可靠度提出準(zhǔn)則。對于海洋結(jié)構(gòu)物來說采用表征以往未發(fā)生而在特定某一年發(fā)生失效情況的年可靠度更符合工程實際的需要，可以對FPSO船體梁結(jié)構(gòu)在服役期間每一年的具體風(fēng)險水平做出判斷，更有利于今后檢測與維護工作的開展。同時，Sun與Guedes Soares在進行評估時考慮了腐蝕因素的影響，對新建狀態(tài)與腐蝕狀態(tài)下的接受水平區(qū)別對待。因此，采納Sun和Guedes Soares提出的年目標(biāo)可靠度準(zhǔn)則作為評判船體梁極限強度安全水平的手段是合理的選擇。

由表7可見，輕微腐蝕與中度腐蝕條件下船體梁極限強度可靠度符合20年的設(shè)計服役期要求；而嚴(yán)重腐蝕情況下極限強度無法保證20年的設(shè)計使用要求。此時需要對結(jié)構(gòu)進行檢測維護以保證FPSO結(jié)構(gòu)完整性與安全性。檢測與維護的最終對象是具體的構(gòu)件，為了合理地制定檢測維護策略，接下來需要確定具體部位構(gòu)件的目標(biāo)可靠度。

由表2至表4結(jié)果可見，采用不同累積失效概率作為判斷準(zhǔn)則劃定出的失效時間差異并不顯著，這反映了根據(jù)不同接受準(zhǔn)則劃定出的板厚變化對應(yīng)的失效時間對接受準(zhǔn)則的變化并不敏感。同時計算過程中發(fā)現(xiàn)，盡管多數(shù)數(shù)據(jù)反映出不到20年時就需要對不同部位的板進行維護甚至其失效年限早于船體梁極限強度對應(yīng)的失效時間，但實際上除嚴(yán)重腐蝕情況下某些板厚腐蝕超過了20%原始厚度的更換要求，輕微腐蝕和中度腐蝕的腐蝕損耗在達到設(shè)計服役期時均未嚴(yán)重到必須更換構(gòu)件的程度。之所以出現(xiàn)如此之多失效時間小于20年甚至小于10年的現(xiàn)象是由于構(gòu)造極限狀態(tài)方程時按相關(guān)規(guī)范所選取的腐蝕容限dcrit小于構(gòu)件更換原則要求的數(shù)值使得計算所得失效概率數(shù)值偏大。此時越嚴(yán)格的風(fēng)險接受準(zhǔn)則意味著越大的安全儲備，而這種過多的安全儲備將對經(jīng)濟帶來負面影響。考察嚴(yán)重腐蝕情況下年腐蝕率最大的貨艙部位船底板腐蝕情況，可以發(fā)現(xiàn)按Sun和Guedes Soares準(zhǔn)則劃定的船體梁極限強度失效年限對應(yīng)的第13至14年間腐蝕情況嚴(yán)重但仍未達到換板要求。而表2至表4的數(shù)據(jù)反映按照構(gòu)件厚度變化提出的風(fēng)險接受準(zhǔn)則備選方案對第一次檢測規(guī)劃年限的限制過于苛刻。因此認為直接采用評價船體梁極限強度的風(fēng)險接受準(zhǔn)則來同時描述總體和構(gòu)件風(fēng)險水平是可以接受的，二者可以合二為一。

4 結(jié) 論

研究中以一艘新建FPSO為對象，通過建立考慮腐蝕影響的板厚安全余量方程，對構(gòu)件因厚度不斷變化而不滿足設(shè)定要求的失效概率進行了計算。同時建立了船體梁極限狀態(tài)方程，獲得了FPSO系泊狀態(tài)下船體梁受腐蝕作用的時變可靠性數(shù)據(jù)。海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)失效概率與風(fēng)險分析中的安全要求直接相關(guān)，對上述目標(biāo)可靠度與失效概率的討論為確定合理的風(fēng)險接受準(zhǔn)則提供了依據(jù)。研究中風(fēng)險接受準(zhǔn)則的確定分為兩部分，比較不同學(xué)者提出的船體梁目標(biāo)可靠度可以發(fā)現(xiàn)采用年目標(biāo)可靠度更為合理。對構(gòu)件厚度安全余量方程計算結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn)，相同腐蝕條件下不同失效概率準(zhǔn)則劃定出的失效時間差異不顯著，即構(gòu)件受腐蝕影響的厚度失效時間對失效概率準(zhǔn)則的選擇不敏感，加之構(gòu)件厚度失效準(zhǔn)則對于失效時間即第一次檢測時限的約束過于苛刻，因此可以將構(gòu)件與總體的風(fēng)險接受準(zhǔn)則合并，最終按船體梁極限強度風(fēng)險準(zhǔn)則確定對總體和具體構(gòu)件的檢測維護規(guī)劃。

確立風(fēng)險接受準(zhǔn)則后，可以對初次檢測維護行動展開討論。按照腐蝕情況不同進行考慮，當(dāng)腐蝕程度為輕微時，對照表4與表7可知在設(shè)計服役期內(nèi)FPSO極限強度和構(gòu)件厚度均滿足要求，一般不需要對其進行特別的維護，可以根據(jù)年檢、中期檢驗及特檢的結(jié)果作適當(dāng)處理；當(dāng)腐蝕程度為中度時，極限強度滿足要求，而構(gòu)件厚度需要加以重視，尤其是貨油艙船底板部分作為單層底結(jié)構(gòu)更需要采取適當(dāng)?shù)男袆?，在其可靠度降低至接受?zhǔn)則前延緩腐蝕進程，保證局部構(gòu)件滿足安全要求，防止由于腐蝕而引起的結(jié)構(gòu)破壞及泄漏事故；當(dāng)遭遇嚴(yán)重腐蝕時，結(jié)構(gòu)各部位構(gòu)件將產(chǎn)生很嚴(yán)重的腐蝕損耗，相對應(yīng)地此時極限強度可靠性無法滿足要求，一旦發(fā)生這種情況必須對結(jié)構(gòu)采用高等級的維護手段，更換腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)件以保證FPSO結(jié)構(gòu)、人員及周圍海洋環(huán)境的安全性。

研究中分別分析考慮腐蝕影響的總體與構(gòu)件風(fēng)險接受準(zhǔn)則，通過算例統(tǒng)一構(gòu)建了FPSO腐蝕條件下總體與構(gòu)件的風(fēng)險接受準(zhǔn)則，有利于將后續(xù)的檢測和維護決策的制定過程細化，將以往對船體梁安全水平的掌握推進到相關(guān)的具體構(gòu)件，實現(xiàn)了FPSO風(fēng)險接受準(zhǔn)則的研究過程。

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Study on risk acceptance criterion of FPSO considering influence of corrosion

TANG Wen-yong1,ZHANG Dao-kun2,LIU Kun,ZHANG Sheng-kun
(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2 Technology Research&Development Center,China Classification Society,Beijing 100007,China)

Risk acceptance criterion is an important component of risk evaluation.The selection of risk acceptance criteria will influence the estimation of risk level directly.In this paper,a FPSO is illustrated to calculate the probability of failure of component thickness and time-variant reliability of ultimate strength of hull girder.Based on obtained results under different corrosion conditions,reasonable risk acceptance criteria are chosen regarding performance of overall structure and component in order to reflect risk level of FPSO roundly.Finally,initial layout of inspection and maintenance is discussed based on chosen risk acceptance criteria.

risk acceptance criteria;corrosion;FPSO;hull girder;component

U661.5

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2013.05.007

1007-7294（2013）05-0502-11

2012-08-12 修改日期：2012-12-12

唐文勇（1970-），男，教授，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物安全性評估方法研究，E-mail：wytang@sjtu.edu.cn；張道坤（1978-），男，高級工程師。