老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性動(dòng)態(tài)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制.pdf

1、目前世界范圍內(nèi)有大量老齡平臺(tái)需要延壽繼續(xù)服役,為保證平臺(tái)延壽服役期間的安全,必須對(duì)老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,研究相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。本課題結(jié)合國(guó)家863項(xiàng)目“近海老齡平臺(tái)延壽技術(shù)研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向老齡平臺(tái)延壽工程的壽命預(yù)測(cè)與管理理論及方法研究”和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“南海深水油氣開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究”中老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理的內(nèi)容展開(kāi)研究,在老齡平臺(tái)時(shí)變可靠性、動(dòng)態(tài)疲勞可靠性、風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

2、與控制技術(shù)、基于風(fēng)險(xiǎn)的老齡平臺(tái)檢修優(yōu)化等4個(gè)方面取得了較大進(jìn)展,并綜合所取得理論與技術(shù)成果,開(kāi)發(fā)老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理軟件系統(tǒng)APSIMS,為技術(shù)理論的實(shí)際工程應(yīng)用提供方便。本研究成果如下：
　　 ⑴老齡平臺(tái)整體時(shí)變可靠性分析。將老齡平臺(tái)延壽服役期間的結(jié)構(gòu)抗力與載荷效應(yīng)作為隨機(jī)過(guò)程,研究老齡平臺(tái)在極值海洋環(huán)境載荷作用下的時(shí)變可靠性。分析老齡平臺(tái)抗力衰減的因素,研究腐蝕和裂紋兩種主要因素對(duì)平臺(tái)抗力的影響規(guī)律,根據(jù)腐蝕與裂紋參量隨時(shí)

3、間的變化分析平臺(tái)抗力衰減規(guī)律,確定平臺(tái)抗力衰減的多項(xiàng)目函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)共3種函數(shù)模型;分析老齡平臺(tái)延壽服役期間可能出現(xiàn)的極值海冰、臺(tái)風(fēng)和地震3種極值載荷概率特征,研究平臺(tái)在不同極值載荷作用下的載荷效應(yīng),提出平臺(tái)載荷效應(yīng)概率模型分析方法;根據(jù)抗力一載荷干涉理論,分別采用時(shí)間離散法、等效載荷法和時(shí)間增量法3種方法建立基于極值載荷的老齡平臺(tái)時(shí)變可靠性分析模型;以此為基礎(chǔ)利用可靠性更新理論,研究?jī)煞N老齡平臺(tái)時(shí)變可靠性更新方法:基于檢測(cè)資料

4、的Bayes更新與基于驗(yàn)證載荷的更新。
　　 ⑵老齡平臺(tái)動(dòng)態(tài)疲勞可靠性分析。隨著老齡平臺(tái)服役時(shí)間的增長(zhǎng),平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞損傷不斷累計(jì)從而導(dǎo)致平臺(tái)疲勞抗力下降,基于S-N曲線法和斷裂力學(xué)法建立平臺(tái)疲勞損傷累計(jì)模型和裂紋擴(kuò)展模型,采用時(shí)域分析法和頻域分析法計(jì)算名義應(yīng)力;將管節(jié)點(diǎn)作為平臺(tái)疲勞分析的基本單元,提出基于路徑映射技術(shù)的管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算方法,并研究復(fù)合載荷下管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)沿管節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律;分別將平臺(tái)延壽服役期間疲勞損

5、傷和裂紋擴(kuò)展尺寸作為隨機(jī)過(guò)程,基于動(dòng)態(tài)疲勞損傷干涉理論和動(dòng)態(tài)裂紋尺寸干涉理論,建立動(dòng)態(tài)疲勞可靠性分析模型;考慮腐蝕對(duì)平臺(tái)疲勞損傷累計(jì)與裂紋擴(kuò)展的影響,研究腐蝕作用下疲勞應(yīng)力范圍隨時(shí)間的變化函數(shù),建立考慮疲勞與腐蝕交互作用的平臺(tái)動(dòng)態(tài)可靠性模型;基于檢測(cè)與維修情況對(duì)平臺(tái)動(dòng)態(tài)可靠性進(jìn)行更新,給出在2種不同檢測(cè)結(jié)果與維修情況下的動(dòng)態(tài)疲勞可靠性更新模型;將可靠性分析提高至系統(tǒng)層面,分析平臺(tái)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)疲勞可靠性,研究老齡平臺(tái)系統(tǒng)失效模式確定方法與系統(tǒng)

6、動(dòng)態(tài)可靠性計(jì)算方法。
　　 ⑶老齡平臺(tái)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制技術(shù)研究。將風(fēng)險(xiǎn)作為老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo),采用故障類型及影響分析法對(duì)老齡平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別,借助于有限元分析方法確定危險(xiǎn)因素對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響程度,采用故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析法對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行半定量評(píng)價(jià);研究老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)衡量方法和接受準(zhǔn)則,通過(guò)建立老齡平臺(tái)失效事故樹(shù)模型計(jì)算平臺(tái)失效概率,研究平臺(tái)失效后果分析方法,根據(jù)“最低合理可行(ALARP)”原則對(duì)老齡平臺(tái)進(jìn)

7、行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià):考慮到平臺(tái)延壽服役期間結(jié)構(gòu)失效概率與風(fēng)險(xiǎn)后果的動(dòng)態(tài)特征,研究老齡平臺(tái)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法;針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)臨界值的情況提出4種風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù),采用ANSYS軟件建立每種風(fēng)險(xiǎn)控制方法評(píng)價(jià)模型,并對(duì)采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施后的平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,利用數(shù)值方法驗(yàn)證這些風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)的有效性。
　　 ⑷基于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化的老齡平臺(tái)檢測(cè)與維修規(guī)劃。檢測(cè)與維修是保證老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性的主要方式,為確定老齡平臺(tái)合理的檢修方案,建立基于風(fēng)險(xiǎn)的老齡平

8、臺(tái)檢修規(guī)劃優(yōu)化模型,分析模型中檢測(cè)、維修和失效期望費(fèi)用的計(jì)算方法,制定采用MATLAB工具箱中遺傳算法進(jìn)行檢修優(yōu)化求解的步驟;鑒于各種期望費(fèi)用為檢測(cè)、維修和失效事件發(fā)生概率的函數(shù),建立這三個(gè)事件的安全裕度方程,根據(jù)事件樹(shù)模型分析各個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)平臺(tái)需要檢測(cè)、維修以及結(jié)構(gòu)失效的概率。首先根據(jù)建立的檢修優(yōu)化模型對(duì)檢修過(guò)程中的檢測(cè)次數(shù)和時(shí)間、檢測(cè)方法以及維修方法三種單項(xiàng)影響因素進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行敏感性分析;再根據(jù)實(shí)際情況,綜合考慮各種因

9、素的不確定性,對(duì)各種檢測(cè)與維修方法進(jìn)行組合,并對(duì)每種方案均進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的檢修優(yōu)化分析,通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果確定最佳檢修方案。
　　 ⑸老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理系統(tǒng)的研制。為方便結(jié)構(gòu)完整性管理理論的應(yīng)用,采用Visual Basic6.O語(yǔ)言開(kāi)發(fā)老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理軟件系統(tǒng)APSIMS。根據(jù)API規(guī)范中海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理流程建立詳細(xì)的老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理框架,據(jù)此對(duì)軟件APSIMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);采用MicrosoftOffi