呂 勁,朱禮云,陳妙謀,張 林

(1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057; 2. 深圳清華大學研究院,清華大學深圳國際研究生院,廣東 深圳 518071; 3. 中國海洋石油工程股份有限公司,廣東 深圳 518071; 4. 中海油(廣東)安全健康科技有限責任公司,廣東 湛江 524057)

0 引 言

基于風險檢測(RBI)技術(shù)是近些年快速發(fā)展的一種新的適用于大型裝備完整性管理的技術(shù),并且已經(jīng)在許多海上油氣田裝備運維中廣泛運用。RBI最終目標是實現(xiàn)大型海洋裝備在運營期間安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。風險評估是基于RBI完整性管理系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其方法一般包括定性風險評估、定量風險評估和半定性定量風險評估。通過風險評估可以確定劃分結(jié)構(gòu)區(qū)塊或單元風險的高低,并通過風險高低排序來制定一套前瞻性的檢測計劃和策略,對高風險區(qū)加強檢測維護,而對低風險區(qū)酌情減少檢測維護。RBI主要針對的是那些可以通過檢測對應的結(jié)構(gòu)或者設(shè)備就可以有效控制風險的一些結(jié)構(gòu)失效模式,比如材料的老化、疲勞裂紋的擴展以及鋼材的腐蝕等。根據(jù)被檢測大型裝備的結(jié)構(gòu)特征和作業(yè)模式,基于RBI檢測計劃,可以通過優(yōu)化檢測資源,采用合理的檢測方法和周期,將被檢測目標的風險控制在一個較低且能夠被接受的范圍內(nèi)。

RBI檢測計劃會明確規(guī)定針對不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域或設(shè)備,在什么時間段,基于什么方法策略,由誰去執(zhí)行哪些檢測。作為一種基于風險的檢測方法,RBI會提供如何評估結(jié)構(gòu)某種失效機理對應的失效后果和失效的可能性,根據(jù)結(jié)構(gòu)具體風險制定檢測計劃,從而有效降低檢測單位的失效風險。當檢測過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)已經(jīng)過度惡化或者老化,就需要對該結(jié)構(gòu)進行必要的維修或者更換,甚至是改變作業(yè)狀況以改善結(jié)構(gòu)所處的不利環(huán)境。

相比傳統(tǒng)的檢測方法,基于風險檢測的優(yōu)勢在于,它會首先對整個大型裝備進行合理風險區(qū)塊劃分,即風險單元的劃分;然后,分別對不同的風險單元進行失效機理和模式的分析。比如,海洋平臺船體的主梁或加強筋板一般會發(fā)生腐蝕引發(fā)的屈曲、疲勞引發(fā)的裂紋擴展甚至是斷裂;其次,會對劃分區(qū)塊的不同失效模式進行風險分析。風險分析主要是確定不同風險區(qū)塊失效模式的失效概率(PoF)和失效后果(CoF),一般可采用定性風險分析或定量風險分析。定性風險分析主要基于風險分析師的工程經(jīng)驗以及掌握的類似失效模式的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù),其目的主要是篩查出中高風險區(qū)塊,以便進一步做定量風險分析。定量風險分析則是采用一些數(shù)學模型、理論和算法,定量地確定失效概率和失效后果。定量失效概率主要通過建立不同失效模式的極限狀態(tài)函數(shù),對該函數(shù)里面涉及的基本變量進行概率統(tǒng)計分析,從而建立所有涉及基本變量的聯(lián)合概率密度函數(shù);再通過對失效域精確的多重積分或近似的數(shù)值積分(如常用的一階可靠性方法、蒙特卡洛方法等)得到失效概率。定量失效后果則需要對結(jié)構(gòu)或設(shè)備失效引發(fā)的傷亡、財產(chǎn)損失或環(huán)境污染進行較為保守的量化后果計算。

針對RBI在海洋工程結(jié)構(gòu)物上的應用,國內(nèi)已經(jīng)有不少學者進行了相關(guān)研究。如引用文獻[1～3]分別分析了RBI技術(shù)在海上壓力容器中的應用;何世亮[4]、趙剛[5]以及張欣、余建星等[6]分析了基于風險的檢測在海底管道完整性管理中的應用;陸秀群、陳煒等[7]分析了RBI在石化裝置中的應用;盧華、周雷等[8]研究了RBI技術(shù)在海上導管架平臺結(jié)構(gòu)延壽方面的應用,提出采用基于風險分析延長導管架平臺的使用壽命;聶炳林[9]分析了基于RBI技術(shù)在海洋平臺設(shè)備完整性分析中的應用;余建星、張中華[10]和許濤、趙軍凱等[11]分析了基于RBI檢測技術(shù)在浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)上的應用。文獻[12～18]主要總結(jié)了一些針對海洋結(jié)構(gòu)物RBI分析采用的規(guī)范。

1 RBI技術(shù)簡介

1.1 RBI分析需要的基線數(shù)據(jù)

采用基于風險的檢測技術(shù)對大型采油裝備(如油氣平臺、FPSO等)的結(jié)構(gòu)或設(shè)備進行完整性管理,必須建立在大量合理完整的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,用于風險分析的輸入數(shù)據(jù)越完整精確,得到的風險分析結(jié)果可信度越高,反之則越低。結(jié)構(gòu)完整可靠的基線數(shù)據(jù)是RBI完整性管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基線數(shù)據(jù)(Baseline Data)是指在確定某個裝備需要采用RBI技術(shù)進行完整性管理時,該裝備已知的和結(jié)構(gòu)完整性管理相關(guān)的所有當前狀態(tài)數(shù)據(jù)的總和?；€數(shù)據(jù)代表的是RBI分析開始階段的裝備初始狀態(tài)數(shù)據(jù),也是制定初始RBI檢測計劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),之后所有結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果或者異常狀態(tài)的界定,都可以參考對應基線數(shù)據(jù)的比對。

當風險分析需要的主要輸入?yún)?shù)出現(xiàn)缺失或者不確定時,風險就會增加。RBI風險分析要求基線數(shù)據(jù)不僅要全面,而且要盡量準確和真實反映出裝備的物理屬性和狀態(tài)。比如,海上采油平臺結(jié)構(gòu)基線數(shù)據(jù)一般包括:

① 結(jié)構(gòu)全套設(shè)計圖紙(包括設(shè)計圖、總布置圖等);

② 各類設(shè)計分析報告(強度、疲勞、整體分析或局部分析等);

③ 采油平臺船體艙室布置及功能說明報告;

④ 結(jié)構(gòu)或設(shè)備已有保護措施報告及相關(guān)圖紙(如防腐涂層和陽極塊布置等);

⑤ 已有的測試、測量和檢測數(shù)據(jù)報告;

⑥ 平臺作業(yè)期間的運營監(jiān)測數(shù)據(jù)、記錄或手冊;

⑦ 平臺建造、安裝、完工報告及規(guī)格書(包括過程中的異常狀況報告或記錄)。

基線數(shù)據(jù)需要清楚反映出結(jié)構(gòu)當前的狀況并確定可能的結(jié)構(gòu)惡化機理和異常問題,基線數(shù)據(jù)主要用于后續(xù)的風險分析。當某部分必須的狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失,則需要對對應結(jié)構(gòu)進行基線數(shù)據(jù)檢測,采集缺失的數(shù)據(jù)。

1.2 RBI定性風險分析方法

RBI定性風險評估主要是主觀地確定結(jié)構(gòu)破壞的潛在后果及發(fā)生的可能性。一般會以專家研討會的形式,對關(guān)心的結(jié)構(gòu)或者區(qū)域的風險進行系統(tǒng)性的評估和風險排序。定性風險評估還可以考慮一些在強度疲勞分析中沒有考慮但是卻對結(jié)構(gòu)的完整性有影響的因素,比如局部腐蝕產(chǎn)生的泄露、涂層的破損等。定性風險評估后果是定義結(jié)構(gòu)目標可靠性指標(target reliability index)的主要依據(jù),隨著海洋結(jié)構(gòu)腐蝕加深和疲勞損傷的累積,當定量計算的結(jié)構(gòu)可靠性指數(shù)低于目標可靠性指數(shù)時,就必須對相應結(jié)構(gòu)進行檢測,依此確定最佳檢測周期。

定性風險分析結(jié)果有助于確定關(guān)鍵檢測單元以及這些單元失效的潛在后果。定性風險分析的結(jié)果一般會以一種簡單易懂的形式展現(xiàn)出來,常用的方法是風險矩陣法。矩陣的橫行和縱列分別代表失效后果(consequence of failure,CoF)和失效概率(likelihood of failure,LoF)。風險矩陣的行列數(shù)依據(jù)具體項目而定,但是對應的每個行列的情形需要有清晰的范圍界定。定性風險分析的結(jié)果還可以采用等風險線圖的形式展示,如圖1所示。等風險線上的所有點的風險值相等,從圖的左下向右上風險依次升高。其中,臨界等風險線表示規(guī)范規(guī)定的可接受風險的臨界風險值,當風險分析結(jié)果落在該線的右上方時,表示該結(jié)構(gòu)或設(shè)備的風險超過了規(guī)范規(guī)定的可接受臨界值,需要采取必要的措施降低風險到可接受的范圍。

圖1 等風險線圖

根據(jù)API規(guī)范,海洋工程平臺風險評估項目經(jīng)常采用風險矩陣,如圖2所示,是一個5×5的矩陣,具體的失效概率和失效后果說明分別如表1和表2所示。

圖2 典型海洋工程項目風險矩陣

表1 風險矩陣的失效概率等級情況描述

表2 風險矩陣的失效后果等級情況描述

定性風險分析一般會根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析報告的結(jié)果,比如結(jié)構(gòu)強度的應力UC(utilization coefficient)值和連接處的疲勞壽命值,根據(jù)船級社規(guī)范相關(guān)規(guī)定,定性地確定風險單元失效可能性,以及在沒有考慮防范措施情況下的失效后果,最終風險的計算是失效概率和失效后果的乘積,即RISK=PoF×CoF。當?shù)玫窖b備風險單元的風險值以后,再將其風險排序,從而清楚區(qū)分開高、中、低風險單元。一般中高風險區(qū)域需要進一步進行定量風險分析,而低風險區(qū)可以不用進一步做量化風險分析。

1.3 RBI定量風險分析方法

油氣平臺結(jié)構(gòu)的定量風險分析需要建立結(jié)構(gòu)不同失效模式的退化模型,并進行結(jié)構(gòu)的可靠性分析。海上結(jié)構(gòu)物退化模型主要包括基于年平均腐蝕速率的腐蝕模型、基于SN曲線的疲勞損傷模型和基于斷裂力學理論的裂紋擴展模型。退化模型可以用來預測關(guān)心的參數(shù)隨著時間的變化情況,再利用結(jié)構(gòu)疲勞或強度可靠性方法確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)檢測周期和最佳檢測方法。

結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要步驟包括:

(1) 選擇適應于平臺結(jié)構(gòu)風險單元的合理的結(jié)構(gòu)可靠性分析方法。

(2) 進行結(jié)構(gòu)強度和疲勞可靠性分析,確定結(jié)構(gòu)的可靠性指數(shù)隨時間(單位通常為年)變化的曲線。

(3) 根據(jù)結(jié)構(gòu)失效后果確定結(jié)構(gòu)目標可靠性指數(shù)(βt,一般后果越嚴重,目標指數(shù)越高)。

(4) 將計算的時變結(jié)構(gòu)可靠性指數(shù)β(t)和目標可靠性指數(shù)βt對比,當可靠性指數(shù)低于目標指數(shù)時就需要進行結(jié)構(gòu)檢測。

定量風險分析最主要的是,定量計算出結(jié)構(gòu)失效模式的失效概率,一般采用結(jié)構(gòu)可靠性方法。比如,海洋平臺結(jié)構(gòu)物失效模式一般包括強度不夠引發(fā)的變形和屈曲、疲勞強度不夠?qū)е铝鸭y的產(chǎn)生和擴展等。結(jié)構(gòu)可靠性采用概率方法處理結(jié)構(gòu)失效中的不確定性因素,因此,所有包含不確定因素的變量都會描述為隨機變量,每個隨機變量的統(tǒng)計特征主要包括服從的分布、均值和標準差等。

結(jié)構(gòu)可靠性分析理論主要是建立機構(gòu)不同失效模式的極限狀態(tài)方程(Limit State Function),一般公式為

g=R-S=f(X)

(1)

式中,R為結(jié)構(gòu)的承載能力(如強度),是隨機變量;S為結(jié)構(gòu)的外部載荷,也是隨機變量;X為問題包含的所有隨機變量組成的向量。

極限狀態(tài)方程(1)的值小于零(g<0),則表明結(jié)構(gòu)承載能力小于外部載荷,結(jié)構(gòu)失效;反之,大于零則結(jié)構(gòu)安全(g>0)。定義g=0為極限狀態(tài)面(也稱為失效面),失效面將整個空間分為失效域(Df)和安全域(Ds),失效面是兩者之間的邊界面。

結(jié)構(gòu)的失效概率可以定義為

(2)

其中,fRS(r,s)為結(jié)構(gòu)承載能力和承受載荷的聯(lián)合概率密度函數(shù),如圖3所示。fX(x)為聯(lián)合概率密度函數(shù)的廣義表示方法,X為問題涉及的所有基本變量組成的向量,包含了R和S中的所有隨機變量。約定公式中黑體字符表示向量或矩陣。

圖3 結(jié)構(gòu)承載能力R和載荷S的聯(lián)合概率密度分布圖

一般方程(2)很少有理論解析解,通常需要數(shù)值方法進行數(shù)值積分求解。但在極特殊條件下,比如R和S都服從正態(tài)分布且線性獨立時,可以有如下解析解:

(3)

其中,μR為承載能力的均值,即E[R];μS為外部載荷的均值,即E[S];σR為承載能力的標準差,即D[R];σS為外部載荷的標準差,即D[S];β為結(jié)構(gòu)可靠性指數(shù),可定義為

(4)

方程(2)在絕大多數(shù)實際工程中,都依賴于數(shù)值解來計算,常用的數(shù)值求解方法有一階二次矩方法(FOSM)、一階可靠性方法(FORM)或二階可靠性方法(SORM)、蒙特卡洛方法(MCS)等。其中,最為常用的是一階可靠性方法和蒙特卡洛方法。

1. 一階可靠性方法的數(shù)值算法總結(jié)

S1:初始化m=1;選擇一個初始迭代點,比如x*=x(m)=μX。

更新得到新的迭代點。

S7:更新迭代步m=m+1,重復迭代步S2～S6直到可靠性指數(shù)β的值趨于穩(wěn)定為止。

2. 蒙特卡洛方法(MCS)的數(shù)值算法總結(jié)

S1:已知結(jié)構(gòu)可靠性問題的極限狀態(tài)方程的邊際安全(safety margin)Z=g(X),包含的基本隨機變量Xi的分布類型以及均值和標準差分別為μi和σi(i=1,2,3,…,n)。

S5:檢查Z(k)的值,如果Z(k)<0,則執(zhí)行操作n=n+1;如果k

S6:循環(huán)步驟S3～S5,直到k>N為止。

3. 疲勞退化模型理論

平臺結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析主要是計算結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性指數(shù),將其與可靠性指標水平對比,從而確定結(jié)構(gòu)檢測的最佳檢測周期。此外,疲勞可靠性分析還可以通過類似連接結(jié)構(gòu)的檢測狀況,通過概率論理論推斷未被檢測的連接結(jié)構(gòu)的裂紋情況。

結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析可以基于S-N曲線方法或者是斷裂力學理論,前者相對成熟和簡單,后者更有利于疲勞可靠性更新。

根據(jù)DNV疲勞計算規(guī)范,基于S-N曲線疲勞極限狀態(tài)函數(shù)可以定義為

g=Δ-D

(5)

其中,Δ是描述結(jié)構(gòu)疲勞承載能力的隨機變量;D為累積疲勞損傷,可采用下式計算:

D=T·ν0·Dcyc

(6)

式中,T為所計算的年限,ν0為年均應力循環(huán)次數(shù),Dcyc為每次應力循環(huán)作用下的疲勞損傷的期望值。當單斜率S-N曲線以及結(jié)構(gòu)物受到長期韋布爾分布波浪載荷作用時,結(jié)構(gòu)物疲勞極限狀態(tài)函數(shù)可以表示為:

(7)

其中,K為S-N曲線參數(shù),m為S-N曲線的反斜率,A和B分別為韋布爾分布的特征參數(shù),εs為波浪載荷模型不確定系數(shù),Γ(·)為gamma函數(shù)。

斷裂力學疲勞理論認為,裂紋擴展?jié)M足Paris法則[12],即

(8)

其中,a為裂紋的深度;N為應力循環(huán)的次數(shù);C和m為和材料相關(guān)的裂紋擴展參數(shù);ΔK為應力強度因子范圍,和應力范圍相關(guān),可用下面公式計算:

(9)

式中,Y(a)為裂紋的幾何函數(shù),一般和裂紋的位置有關(guān)。

聯(lián)立方程(8)和(9)可以得到:

(10)

對該微分方程積分可得:

(11)

式中,a0為初始裂紋深度,ac為擴展后的裂紋深度,等號右端加和項為m階應力范圍的總和,N為平臺運動誘導應力的總循環(huán)次數(shù),E[Sm]為m階平臺誘導應力的期望,可以通過長期波浪誘導應力范圍概率分布函數(shù)計算。

方程(11)左端可以認為是有裂紋結(jié)構(gòu)的承載能力,右端可認為是結(jié)構(gòu)遭受的載荷。因此,可以通過方程左端項減去右端項得到基于斷裂力學理論的裂紋極限狀態(tài)方程。

2 基于RBI技術(shù)的油氣平臺結(jié)構(gòu)完整性管理

2.1 基于RBI的平臺船體結(jié)構(gòu)完整性管理

海上采油平臺主要從事海上油氣生產(chǎn)和儲卸,從外形劃分主要包括張力腿式、立柱式、半潛式、導管架式、FPSO型等不同類型?；赗BI的平臺船體結(jié)構(gòu)完整性管理主要是針對平臺的主船體(Hull)結(jié)構(gòu)部分進行的。常見浮式平臺通常包括上層建筑、主船體、系泊或動力定位系統(tǒng)、立管系統(tǒng)等幾大模塊。平臺主體頂端需要連接上層建筑,同時支撐水下的立管和系泊系統(tǒng),因此,其結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。

基于RBI的平臺船體結(jié)構(gòu)完整性管理的主要目的是定性、定量分析主船體結(jié)構(gòu)的風險等級,以及退化、失效機制,基于主船體結(jié)構(gòu)的風險等級高低制定一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)檢測方案及策略。該方法主要內(nèi)容包括收集主體結(jié)構(gòu)基線數(shù)據(jù)、對主體結(jié)構(gòu)進行若干風險單元劃分、對主體結(jié)構(gòu)進行定性風險分析、對定性分析確定的中高風險區(qū)域進一步做定量風險分析。采用結(jié)構(gòu)退化模型和結(jié)構(gòu)可靠性方法,進一步確定合理的檢測周期和方法,制定初始的主檢計劃(initial in-service inspection plan,ISIP),根據(jù)每次檢測的數(shù)據(jù),評估及更新主檢計劃。因此,船體結(jié)構(gòu)完整性管理的目的是確保所有檢測單元的風險在設(shè)計年限內(nèi)都控制在可接受范圍內(nèi),從而有效減輕潛在風險帶來的生命、財產(chǎn)和環(huán)境方面的損失。

基于RBI船體結(jié)構(gòu)的檢測流程如圖4所示。

圖4 船體結(jié)構(gòu)基于RBI檢測流程圖

在平臺船體基于RBI檢測計劃制定過程中,需要根據(jù)平臺設(shè)計、建造、安裝和作業(yè)過程中生成的所有相關(guān)報告確定:

① 船體結(jié)構(gòu)的腐蝕情況及關(guān)鍵位置。

② 船體結(jié)構(gòu)的涂層類型、分布和損傷情況。

③ 船體結(jié)構(gòu)疲勞情況及關(guān)鍵位置。

④ 有潛在安全隱患的關(guān)鍵位置。

⑤ 船體結(jié)構(gòu)陽極塊的位置、分布及損耗情況。

⑥ 船體艙室的布置、主要功能及潛在風險。

⑦ 備品的種類、數(shù)量、分布以及保養(yǎng)狀態(tài)。

平臺船體基于RBI檢測計劃的主要內(nèi)容包括:

① 制定船體艙室的檢測清單、順序和實施方案。

② 確定關(guān)鍵檢測部位的執(zhí)行指南和檢測閾值。

③ 檢測單元的檢測記錄表,一般包括唯一編號、描述、需檢測數(shù)據(jù)等。

④ 圖紙或者照片顯示各個檢測單元的具體檢測部位。

⑤ 針對各檢測單元的檢測步驟、方法、工具、安全注意事項等。

⑥ 所有檢測數(shù)據(jù)的記錄、存儲和狀態(tài)更新。

⑦ 對數(shù)據(jù)異常的檢測單元進行風險評估及降低風險的措施。

⑧ 不同檢測單元的結(jié)果記錄模板。

平臺船體的RBI檢測一般分為內(nèi)部檢測和外部檢測。內(nèi)部檢測主要針對的結(jié)構(gòu)包括各個艙室的外板、甲板、艙壁、過道舷梯、電梯結(jié)構(gòu),以及各類加強的肋板、主梁和扶強材等。外部檢測又可以分為水上檢測和水下檢測,主要針對外板、動力定位系統(tǒng)、系泊和立管連接支撐結(jié)構(gòu)、陽極塊、標記和一些其他附屬結(jié)構(gòu)等。檢測重點包括涂層的破壞、陽極塊的電勢及損耗、鋼板的腐蝕、焊縫連接處是否有裂紋、是否發(fā)生了局部腐蝕和泄露、是否有結(jié)構(gòu)機械損傷和屈曲等。

2.2 基于RBI的系泊系統(tǒng)完整性管理

錨鏈是平臺位置保持的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)系統(tǒng),一般由錨鏈、鋼纜、合成聚酯纜、卸扣、固定錨和各種形式的連接構(gòu)件組成,其頂端與平臺相連,底端一般通過樁或者錨固定在海底。常見的錨鏈系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)有錨機、導纜器、止纜器、錨鏈、合成聚酯纜、錨固結(jié)構(gòu)(如拖曳錨、吸力筒、錨樁等)、各類連接器等。錨鏈系統(tǒng)的RBI完整性管理是通過分析錨鏈所有構(gòu)件的風險等級,根據(jù)風險分布制定合理的檢測計劃,確保錨鏈系統(tǒng)在設(shè)計年限不會斷裂,而造成平臺失穩(wěn)和大漂移。

基于RBI的系泊系統(tǒng)完整性管理和平臺船體結(jié)構(gòu)的完整性管理類似,也是基于錨鏈系統(tǒng)的基線數(shù)據(jù)進行定性風險分析。首先,區(qū)分高風險部位和低風險部位;然后,再根據(jù)退化模型和可靠性分析,進一步確定檢測部位的最佳檢測方法和周期,確保整個錨鏈系統(tǒng)在平臺服役期間不會斷裂并能持續(xù)提供設(shè)計拉力。

錨鏈系統(tǒng)的基線數(shù)據(jù)是錨鏈風險分析的基礎(chǔ),主要包括:

① 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、采用的規(guī)范和標準、水深、海底地形和地質(zhì)參數(shù)、海洋環(huán)境參數(shù)、平臺形態(tài)參數(shù)等。

② 錨鏈設(shè)計、安裝和作業(yè)過程中生成的各類報告數(shù)據(jù)。

③ 錨鏈的建造規(guī)格書、材料測試報告、焊接規(guī)格書、無損探傷報告、出廠合格測試、涂層信息、事故維修記錄數(shù)據(jù)等。

根據(jù)已有工程經(jīng)驗,錨鏈系統(tǒng)主要檢測單元可能包括鏈條、鋼纜、合成纜、連接器、導纜器、止纜器、錨機、絞盤、拖曳錨或固定樁等。錨鏈檢測一般也可以分為水面檢測和水下檢測。水面檢測主要檢測錨鏈頂端張力是否正常、錨鏈的傾斜角度是否正常、頂端連接段鏈條是否有磨損或裂紋、保護涂層是否有損壞、錨鏈是否有異常變形或者扭曲等。水下檢測主要檢測錨鏈近水面海生物附著情況、近水面的腐蝕情況;如果有鏈條和聚酯纜相連,連接器部位是否有裂紋或變形,是否有磨損或碰撞接觸發(fā)生;陽極保護電勢是否正常;錨鏈與海底接觸段是否有過度磨損和裂紋;錨鏈是否有局部嚴重腐蝕和凹坑;連接部位是否有構(gòu)件損壞或者脫落;纜繩部位是否扭曲或者纖維斷裂;錨鏈與海底海床接觸部位是否產(chǎn)生了溝槽;固定錨或者樁周圍土體是否松動等。

錨鏈系統(tǒng)RBI完整性管理過程主要內(nèi)容包括:

① 基于錨鏈系統(tǒng)基線狀態(tài),確定錨鏈系統(tǒng)可能的失效和退化機理。

② 定性風險分析,確定錨鏈系統(tǒng)有重大風險的構(gòu)件及位置。

③ 基于退化模型和可靠性分析,確定錨鏈系統(tǒng)所有確定檢測部位的檢測周期和檢測方案。

④ 對于數(shù)據(jù)異常的檢測部位要再次進行風險評估。如果當前狀態(tài)超出了初始設(shè)計允許接受的臨界范圍,則需要采取降低風險的措施或者維修和替換。

2.3 基于RBI的立管系統(tǒng)完整性管理

立管結(jié)構(gòu)的RBI完整性管理主要是基于RBI檢測技術(shù),通過分析立管各構(gòu)件的失效可能性和事故后果,建立一套合理優(yōu)化的檢測計劃,從而周期性地獲得立管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過分析立管結(jié)構(gòu)的惡化、損傷機理及風險分布,確保系統(tǒng)各構(gòu)件的風險值控制在允許范圍內(nèi),不會發(fā)生對安全、環(huán)境和財產(chǎn)造成重大損失的事故。

立管完整性管理的數(shù)據(jù)主要分為特征參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)。特征參數(shù)指在立管安裝完成時收集的所有設(shè)計、制造和安裝數(shù)據(jù),如設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、各類設(shè)計分析報告數(shù)據(jù)、建造安裝過程中的各類檢測和測試數(shù)據(jù)等。狀態(tài)參數(shù)指立管當前的狀態(tài),主要包括相對于特征參數(shù)發(fā)生了變化的數(shù)據(jù),如在線檢測監(jiān)測的數(shù)據(jù)、疲勞損傷數(shù)據(jù)、腐蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)主要用來評估立管由于疲勞損傷和功能退化引發(fā)的結(jié)構(gòu)失效的可能性。立管風險評估的結(jié)果,要么是立管結(jié)構(gòu)安全適合作業(yè),要么是需要采取相應降低風險的措施。

基于RBI風險檢測的工作范圍主要依賴于立管系統(tǒng)的潛在威脅、失效后果和立管當前所處的狀態(tài)。RBI檢測計劃主要包括檢測周期、檢測方法和檢測步驟。立管系統(tǒng)的主要檢測單元主要包括立管管節(jié)、連接接頭、柔性接頭、應力接頭、張緊器、浮箱及浮材(如有)、VIV抑制裝置(如有)、陰極保護塊等。主要檢測內(nèi)容包括立管的內(nèi)外腐蝕、連接處是否有裂紋、可能的碰撞和磨損、局部是否有機械損傷或者點蝕、是否有屈曲、柔性接頭是否泄露、陽極塊的損耗程度、VIV抑制裝置是否損傷或脫落(如有)、海生物生長狀況、浮力材是否損傷或脫落(如有)等。

立管系統(tǒng)RBI完整性管理主要內(nèi)容和步驟可概括為:

① 基于立管系統(tǒng)基線數(shù)據(jù),確定立管系統(tǒng)可能的威脅和退化機理。

② 定性風險分析,確定立管系統(tǒng)各構(gòu)件的風險等級和位置,并確定重點檢測構(gòu)件及分布。

③ 基于退化模型和可靠性分析,確定立管系統(tǒng)所有關(guān)鍵檢測部位的檢測周期和檢測方法。

④ 對檢測到的異常數(shù)據(jù)再次進行風險評估。如果參數(shù)超過了初始設(shè)計允許的臨界范圍,則需要采取降低風險的措施(如高風險增加檢測頻率、維修和替換已損傷構(gòu)件、增加防腐措施等)。

3 定量風險分析算例研究

針對海洋結(jié)構(gòu)物不同失效模式的定量風險分析,最關(guān)鍵的步驟在于如何采用結(jié)構(gòu)可靠性理論,計算出每種失效模式的失效概率。定量風險分析失效概率的計算主要流程如圖5所示。

圖5 定量失效概率計算流程圖

下面以基于S-N曲線疲勞的極限狀態(tài)函數(shù)公式(7)為例,分別采用一階可靠性方法和蒙特卡洛方法進行失效概率的計算。假定該問題涉及的隨機變量分布與統(tǒng)計特征如表3所示,實際項目中,這些參數(shù)需要基于海區(qū)實際測量數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計分析得到。

表3 涉及基本變量的隨機統(tǒng)計分布及特征

將公式(7)中所有隨機變量轉(zhuǎn)換到正態(tài)分布空間,并定義:

X1=Δ,X2=ln(Log10K),X3=ln(εs),X4=ln(A),X5=1/B

(12)

則極限狀態(tài)函數(shù)在正態(tài)分布空間可以表示為

G(X)=X1-ν0T·10-eX2emX3emX4Γ(1+mX5)

(13)

定義Yi=(Xi-μXi)/σXi,可進一步將方程(13)轉(zhuǎn)換到標準正態(tài)分布空間:

G(Y)=(μX1+σX1Y1)-ν0T·10-eμX2+σX2Y2
em(μX3+σX3Y3)em(μX4+σX4Y4)
Γ(1+m(μX5+σX5Y5))

(14)

對于一階可靠性方法(FORM),計算極限狀態(tài)函數(shù)針對每個隨機變量Xi的梯度,即一階偏導數(shù)是整個迭代計算的關(guān)鍵。該算例一階偏導函數(shù)計算如下:

上式中,gamma函數(shù)的一階導數(shù)計算很復雜,因此可以先用Sterling’s公式[19]對gamma函數(shù)先進行解析近似,再進行一階偏導的計算。因此,有如下近似關(guān)系成立:

(15)

標準正態(tài)分布空間極限狀態(tài)函數(shù)對隨機變量X5的偏導可近似為:

(16)

基于表3的假設(shè),輸入?yún)?shù)和1.3節(jié)的數(shù)值計算算法,當ν0=1.2E6次/年,m=3時,分別采用蒙特卡洛(MCS)和一階可靠性方法(FORM)數(shù)值近似方法,對年限T=5,10,15,20四種不同時間進行失效概率計算,可得到表4所示的計算結(jié)果。

表4 定量風險分析失效概率數(shù)值計算結(jié)果對比表

從表4可以看出,由于蒙特卡洛是基于樣本隨機抽樣反復多次實驗,實驗次數(shù)越高,其計算結(jié)果就越精確?；诠こ探?jīng)驗,蒙特卡洛方法的結(jié)果相比一階可靠性方法更為精確。該算例一階可靠性方法的結(jié)果與蒙特卡洛方法的相對誤差比較小,基本在工程應用允許的誤差范圍左右。說明該算例分析采用的兩種數(shù)值計算方法得到的失效概率都是較為準確的。

其他失效模式的定量失效概率計算可以采用類似的計算過程,即確定失效模式的極限狀態(tài)函數(shù),確定極限狀態(tài)函數(shù)中基本變量,確定所有基本變量的分布及概率統(tǒng)計參數(shù),將基本變量向標準正態(tài)分布空間轉(zhuǎn)換,最后依靠蒙特卡洛或一階可靠性算法進行可靠性指數(shù)β或失效概率Pf的計算。

4 基于RBI檢測計劃的制定、執(zhí)行和更新

針對平臺主船體、系泊和立管系統(tǒng)的RBI檢測計劃制定主要包括:

① 基于基線數(shù)據(jù),對劃分風險單元進行風險分析,確定風險單元的風險等級和檢測目標。

② 針對主船體制定艙室的檢測清單、順序和實施方案。

③ 確定關(guān)鍵檢測部位的執(zhí)行指南和檢測閾值。

④ 確定基于RBI方法和船級社規(guī)定方法的對比清單。

⑤ 針對每個檢測單元的檢測計劃一般包括編號、周期、檢測方法、描述、關(guān)聯(lián)的圖紙信息等。

⑥ 圖紙或者照片顯示檢測單元的具體檢測部位。

⑦ 針對各檢測單元的檢測步驟、方法、工具、安全注意事項等。

基于RBI的服役期總檢測方案主要包括以下信息:

① RBI檢測計劃的目的和范圍。

② 為了獲得需要的檢測結(jié)果,需要采取的檢測方法和工具。

③ 檢測方法能否有效探測到結(jié)構(gòu)可能的退化機制。

④ 為了確定檢測數(shù)據(jù)的有效性需要進行多少個測點檢測。

⑤ 對于每個檢測單元或者結(jié)構(gòu),需要的合理檢測周期是多少。

⑥ 檢測到的數(shù)據(jù)如何管理,如何進行RBI計劃的更新。

⑦ 觸發(fā)風險評估或者RBI計劃更新的臨界值是多少。

RBI檢測方案執(zhí)行主要包括檢測、數(shù)據(jù)記錄和解決檢測到的異常狀況。在檢測過程中,檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)會被有經(jīng)驗的RBI專家或者工程分析師進行數(shù)據(jù)評審,檢測的結(jié)果會和設(shè)計規(guī)范規(guī)定的允許接受閾值比較。結(jié)果超過規(guī)范允許范圍,會被認為是異常數(shù)據(jù),需要采取措施進行風險管控,確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限的完整性,即結(jié)構(gòu)的風險控制在規(guī)范規(guī)定或業(yè)主可接受的范圍內(nèi)。

一種常用的控制檢測方案執(zhí)行方法是,根據(jù)檢測的工作內(nèi)容編制檢測工作計劃書。這些工作計劃書會分發(fā)給檢測員,其格式和內(nèi)容應該簡明易懂并易于執(zhí)行。應該包含所檢測需要的全部信息,比如圖紙、流程、測試位置、檢測方法、檢測結(jié)果記錄表、校準日志、異常情況清單表等。

RBI檢測執(zhí)行的控制的方法主要有:

① 制定清楚簡明的檢測工作范圍并嚴格執(zhí)行。

② 標準化檢測報告的格式。

③ 檢測人員需具備較強專業(yè)素養(yǎng)并獲得資格認證。

④ 檢測設(shè)備質(zhì)量合格并且及時校準。

⑤ 明確異常狀況的評判標準和匯報機制。

⑥ 有清楚的安全準則和政策。

RBI計劃的更新一般由裝備或者資產(chǎn)的運營方或者占有方執(zhí)行。RBI計劃更新需要對檢測結(jié)果數(shù)據(jù)和觀測到的異常狀況進行評估。一般當檢測數(shù)據(jù)超過了某個允許臨界值時,該位置的RBI檢測計劃就很可能需要更新。一般當檢測計劃的檢測周期發(fā)生變化時,更改計劃會被提交到第三方認證機構(gòu)比如船級社審批。

整個RBI完整性管理可以總結(jié)為圖6所示的流程圖。

5 結(jié) 論

采用RBI檢測技術(shù),對大型海洋工程裝備進行運營期完整性管理。該技術(shù)首先根據(jù)收集的基線數(shù)據(jù)進行風險分析,得到裝備結(jié)構(gòu)的風險分布,從而制定出一套基于風險的初始檢測計劃;再根據(jù)對每一次檢測的新數(shù)據(jù)重新評定劃分的風險單元的風險等級,對原來的檢測計劃進行必要更新?？捎行崿F(xiàn)高風險結(jié)構(gòu)加強檢測,低風險結(jié)構(gòu)放寬檢測,在保證平臺各大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的同時,有效優(yōu)化利用檢測資源和節(jié)約檢測成本。