导航：安全管理网>> 安全论文>> 化工安全论文>>正文

基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划

文档作者：马冬辉祖巍文档来源：中海油能源发展装备技术公司		点击数：	更新时间： 2025年02月21日
下载地址：点击这里	文件大小： 1.84 MB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：1.84 MB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

上一篇：极端风暴潮下近海导管架平台结构安全分析

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

8
船 舶 马冬辉，等：基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划
基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划
马冬辉 祖 巍
（中海油能源发展装备技术公司 天津300452）
［摘 要］建立基于风险的结构安全检测技术，应用于导管架海洋平台结构完整性管理（SIM）的检测规划中。综合考虑平
台失效后果与失效概率两方面因素，确定平台风险矩阵，提出基于风险评估等级的平台水下结构检测计划，完善了当前规
范中检测时间间隔确定的不足之处。该文以某海洋平台为例，阐明基于风险的水下结构检测技术的应用方法，可为我国海
洋平台结构检测计划的制定提供参考。
［关键词］导管架平台；风险分析；安全评估；结构检测；完整性管理
［中图分类号］TE951 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2017）06-0008-05
Safety inspection of underwear structure on jacket platform
based on risk assessment
MA Dong-hui ZU Wei
(CNOOC Tianjin Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300452, China)
Abstract: The structural safety inspection based on risk assessment has been applied in the inspection program
of the structural integrity management SIM for the jacket platform. Failure consequences and failure probability
are both considered for the determination of the risk matrix. It proposes the inspection program for the underwater
structure of the platform based on the risk assessment level, and improves the determination of the inspection time
interval in the current rules. For a jacket platform, it clarifies the application of the underwater structure inspection
technology based on the risk assessment, which can provide reference for the development of the inspection
program of the offshore platform structure in China.
Keywords: jacket platform; risk analysis; safety assessment; structure inspection; integrity management
收稿日期：2017-03-29 ；修回日期：2017-04-20
作者简介：马冬辉（1984-），男，工程师。研究方向：海洋石油工程设计。
祖 巍（1987-），男，工程师。研究方向：海洋工程钻修井机结构设计。
DOI ：10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.008
引 言
结构完整性管理（Structural Integrity Management，
SIM）是近几年提出的新概念［1］。SIM 过程包括
“数据- 评估- 策略- 规划”四个动态环节，其中
结构检测是获取数据、制定平台策略与规划的首
要条件，是保证导管架海洋平台服役过程中安全性
和适用性的最有效手段。针对导管架平台而言，依
据检测区域的不同可分为水上检测和水下检测两大
类。水上结构检测主要通过目视检测以及其他无损
检测技术进行，较易实施；而水下结构检测传统
的超声波透水杆件检测则需要由潜水员在水深超过
50 m 的海水中进行饱和潜水作业风险较大，施工
相对困难，且费用非常昂贵。目前，API RP 2A 规
万方数据
本期推荐
9
2017年第6期 总第170期
范仅通过根据平台结构的暴露等级［2］确定其结构
检测的级别和检测时间，这种做法显然没有考虑平
台失效概率因素的影响，相对较为保守；参考文献
［3］给出了海洋工程结构检测时间间隔准则，但需
要大量的原始数据和复杂的理论计算，工程实用性
较差。为此，本文将风险分析引入到结构检测计划
的制定过程中，提出一种简化的导管架平台结构水
下检测方案确定方法，从而完善了目前规范中的不
足之处。文中所建立的基于风险的导管架平台水下
结构检测技术，可为导管架平台SIM 的结构检测
策略与规划提供参考。
1 海洋平台结构风险分析
风险是指在一定的时间内，由于系统行为的不
确定性给人类或结构带来危害的可能性。危害不仅
仅取决于某种灾害性事故的发生概率，而且还与事
故所造成的后果有关，即风险R 为事件发生概率
P 和事件产生后果严重程度C 这两个参量的函数。
下面对海洋平台的失效概率P 和失效后果C 两个
方面分别进行阐述。
1.1 平台失效的概率分析
海洋平台失效概率评估主要运用的方法［4］有：
（1）历史数据分析法；
（2）当历史数据不能获取或者不充分时，可
以利用事故树分析（FTA）技术来判断分析的发生
频率；
（3）专家判断。借鉴其丰富的理论基础与工
程经验，由专家小组对平台失效的概率进行分析
与判断；
（4）采用理论模型来获得失效发生频率。
为定量确定平台结构失效的概率，建立平台结
构的极限状态函数为：
（1）
式中：X 为随机变量的向量；Fu 表示系统抗力；Sj
和Sw 分别为作用于平台上的波流载荷和风载载荷；
γf 为平台系统抗力的偏置系数，表征不确定因素造
成的抗力水平偏差；γs 为平台导管架载荷效应的偏
置系数。
其中，Fu 可由非线性静力推覆（Pushover）分
析获得［5］。Pushover 除能够计算平台结构的极限承
载能力之外，还能有效确定平台结构的薄弱位置，
从而为确定平台结构的检测重点提供参考。
若定义安全裕度，则平台失效的概
率为：
（2）
式中： 为平台抗力与载荷效应的联合概率密
度函数。
为衡量服役中平台失效概率的大小，参照ISO
标准［6］和HSE 标准［7］，将平台失效的概率划分
为A、B、C、D、E 共5 个等级，5 个等级失效概
率逐级降低（见表1）。
表1 失效概率等级划分
等级失效概率描 述
A >10-3 平台失效的频率高，处于危险状态
B 10-4~10-3 平台失效的频率较高，结构需要大修
C 10-5~10-4 平台失效的频率中等，服役状态一般
D 10-6~10-5 失效的频率较小，预计事件很小发生
E <10-6 平台失效的概率很小，
结构运行状态良好
表1 给出了平台失效概率等级划分的标准，平
台失效概率可通过式（2）确定，从而判定其失效
的等级。应用时应注重对平台服役状态的评估，通
过平台特征参数的实时监测与分析，明确平台结构
当前所处的状态。
1.2 平台失效后果等级划分
失效后果是指结构事故后给作业人员生命、海
洋生态环境带来的影响（包括短期危害和长期危
害）以及给运营公司带来的经济损失和舆论压力
等，因此，结构失效的后果等级的划分原则上应综
万方数据
10
船 舶 马冬辉，等：基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划
合制造商意见及其在生命安全、环境污染、经济
损失和社会影响后果等方面的定性分析来确定。为
确保划分的平台失效后果等级与API 规范相一致，
本文将海洋平台结构的失效后果等级划分为1、2、
3 共3 个级别（见表2）。
构上，而把适当的力量放在低风险部分；
（2）能够量化检测效果；
（3）能够确保工程结构的安全性与适用性；
（4）当缺少数据或存在很大不确定性时，亦能
够为平台完整性管理提供决策支持。
RBUI 技术的核心是风险，该技术通过风险分
析得到结构的风险分布，然后优化检测策略，达到
保证结构安全和节约成本的目的。
RBUI 实施过程包括：
（1）失效概率的计算；
（2）失效后果的评估；
（3）风险水平/ 级别的确定；
（4）检测计划的制定。
其中，风险的级别可以用风险矩阵图来表示。
如前所述，平台失效概率划分为A、B、C、D、E
共5 个等级，失效的后果划分为1、2、3 共3 个级
别，由此，可得到一个3×5 的风险矩阵，采用风
险矩阵将平台风险等级划分为高风险、中风险、低
风险3 个级别，即可根据相应风险等级采取对应的
风险控制措施（见表3）。
表2 失效后果等级划分
失效后果等级API暴露等级人员是否撤离后果
1 L-1 有人居住—不撤离严重
2 L-2 有人居住—撤离中等
3 L-3 无人居住轻微
表2 中的划分可进一步阐述为：严重失效后
果等级是指重要的生产平台和一旦失效可能出现
油气泄漏的平台，还包括设计事件发生前无法采
取风险控制措施或不可能中断油气生产的平台（例
如在地震活动频繁的地区）；此外，有重要输油管
线和间歇输油储油设施的平台也应归为严重后果
级别的范畴。
中等失效后果等级是指灾害事件发生期间停
产并进行人员撤离的平台。这类平台油井装有功能
齐全的水下安全阀，水下安全阀应按照适用的中华
人民共和国石油天然气行业标准制造和试验；平台
上的原油只限于在处理储罐和缓冲罐中储存。
轻微失效后果等级是指设计事件时停产的小
平台。所有在平台一旦失效时能自喷的油井必须装
有功能齐全的水下安全阀。这些平台上可装有生产
分离设施和小容量的内部管线，但原油只限于在处
理储罐中储存。
2 基于风险的平台水下结构检测策略
2.1 RBUI技术原理
基于风险的水下结构检测（Risk Based Underwater
Inspection， RBUI）采用依据风险来制定检验计划，
从而降低结构检测的成本［8］。该方法的主要特点是：
（1）将检测和维修的主要精力用于高风险的结
表3 风险等级及决策
等级风险区采取的策略
一级低风险区酌情减少检测次数
二级中风险区定期检测、维护
三级高风险区
加强管理，降低检测周期，
彻底消除事故隐患
2.2 基于风险的检测时间间隔
目前的结构检测时间间隔主要是依据API 规
范（参见API Section14），即L-1 级别，II 级检测
为3~5 年，III 级检测为6~10 年；L-2 暴露等级，
II 级检测为5~10 年，III 级检测为11~15 年；L-3
暴露等级，只进行II 级检测，时间间隔为5~10 年。
显然，采用上述推荐检测计划，在工程应用时，带
有一定的主观因素，缺乏科学性。实际上，检测时
间间隔不应固定不变，而应根据结构的实际状况来
万方数据
本期推荐
11
2017年第6期 总第170期
确定合理、经济的检测计划。
为此，本文综合API 推荐的检测时间间隔，
进一步考虑了平台风险对检测计划的影响，采用
RBUI 来确定平台检测时间间隔时，如图1 所示。
RBUI 即对高风险等级的海洋平台缩短其检测时间
间隔，而对低风险的海洋平台适当的减少检测的次
数，从而达到安全性与经济成本的平衡。
管架结构构成，空间结构为K 型与对角斜型构成
的复杂系统，该平台上部组块结构质量为1 192 t，
上部结构由3 层甲板构成。建立该平台结构的有限
元模型如图2 所示，其中导管架水下及飞溅区结
构采用PIPE288 单元建立，飞溅区以上结构采用
PIPE16 建立，上部结构采用MASS21 单元近似代替，
泥面以下桩腿采用PIPE20 单元建立，忽略桩- 土
非线性相互作用，采用在泥面以下6 倍桩径处进行
固支的约束方式。
图1 基于风险的海洋平台水下结构检测计划
RBUI
风险矩阵
L 3 L 2 L 1
失效后果
C B A
失效概率
E D
3
2
1
E D C
X
B A
中风险
II 6至10年
II 3至5年
III 6至8年
3
2
1
E
15
11
10（15）
D
11
10（15）
8（13）
10（15）
8（13）
6（11）
B
8（13）
6（11）
5（8）
A
6（11）
5（8）
3（6）
概率
后
果
低风险
III 11至15年
II 11 至15 年
C
高风险
图1 中给出了海洋平台不等风险水平的检测时
间间隔及相应的检测级别，其中：风险矩阵中的数
字代表检测时间的间隔（单位：年）；括号中的数
据代表III 级检测时间间隔，如6（11）表示平台
在2 级风险状态下，II 级检测时间间隔为6 年，III
检测时间为11 年。显然，与API 规范相比，考虑
风险后，平台检测计划相对更加完善，更能够体现
经济与安全性的要求。
3 工程算例
3.1 平台结构及有限元模型
某固定式钻井平台为4 桩腿结构，共由7 层导
图2 平台有限元模型
该平台所处海域设计水深为105.3 m，百年
一遇设计波高为22.1 m，周期为14.0 s，表面海
流流速为2.355 m/s，风速为44 m/s。由此，基于
Morison 方程，采用ANSYS 软件求得平台最大波浪
相位角为23°，最大设计环境载荷为16.70 MN。
3.2 平台风险评估及检测策略
首先采用Pushover 方法，计算得到该平台结
构的承载能力曲线（见下页图3）。由图3 可知，
平台极限承载能力为70.55 MN，平台储备强度系
数为4.19 ；然后提取平台极限状态时的等效应力分
布，如图4 所示。
万方数据
12
船 舶 马冬辉，等：基于风险的导管架平台水下结构安全检测规划
4 结 论
将基于风险的结构检测方法应用到导管架海
洋平台结构完整性管理中的检测规划中，为制定合
理的水下结构检测时间间隔提供技术参考。首先，
依据API 规范中的平台暴露等级，确定平台失效后
果的级别；其次，采用Pushover 方法，评估平台
系统的极限承载能力，在此基础上，考虑随机变量
的不确定性，应用蒙特卡洛法，求得平台结构的失
效概率，从而得到平台结构的风险等级；最后，根
据制定的RBUI 计划，确定平台水下结构的检测时
间间隔。以某海洋平台为例，计算得到其风险等级
为2 级，确定其II 级检测时间间隔为6 年，重点
检测构件为平台底层斜撑与桩腿。文中建立的方法
可为我国大量存在的服役海洋平台结构检测计划提
供技术参考。
［参考文献］
［1］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.
The development of a recommended practice for structural
integrity management（ SIM） of fixed offshore platforms［C］.
Offshore Technology Conference， 2006.
［2］ API RP 2A-WSD， Recommended practice for planning，
designing and constructing fixed offshore platforms-Working
stress design［S］. 2007.
［3］ 许朝辉， 陈国明， 许亮斌. 海洋结构检测时间间隔确定
准则［J］. 石油矿场机械， 2010（1）： 21-24.
［4］ 张圣坤， 白勇， 唐文勇. 船舶与海洋工程风险评估［M］.
北京： 国防工业出版社， 2003.
［5］ WESTLAKE H S， PUSKAR F J， O'CONNOR P E， et al.
The Role of Ultimate Strength Assessments in the Structural
Integrity Management（ SIM） of Offshore Structures［C］.
Offshore Technology Conference， 2006.
［6］ ISO. ISO 17776-2000 Guidelines on Tools and Techniques
for Hazard Identification and Risk Assessment［S］. 2000.
［7］ HSE. Structural Integrity Management Framework For Fixed
Jacket Structures［S］. 2009
［8］ SEMENSKI D， WOLF H. Risk Assessment of Structural
Elements of the Offshore Gas and Oil Platforms［C］. 22nd
Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in
Sold Mechanics， Parma， Italy， 2005.
［9］ 蒋晓波. 导管架平台的失效评估分析［D］. 哈尔滨：
哈尔滨工程大学， 2010.
由图4 可知，平台等效应力分布基本呈现至上
而下逐渐增大的规律，危险构件主要分布于下层结
构的斜撑与桩腿位置，相对而言水平撑等效应力则
较小。
取平台偏置系数γf 和γs 服从均值为1 的对数
正态分布，变异系数分别为0.15 和0.20［9］。采用
蒙特卡洛方法，抽样次数为500 000 次，由此，求
得平台年失效概率为5.05×10-5，即失效概率为C
级；再根据平台的类型及作业人员状况，确定其暴
露等级为L1，因此，可知平台的风险水平位于风
险矩阵的黄色区域，风险等级为二级。根据图2 可
知，该平台对应的II 级检测时间间隔为6，III 级
检测时间间隔为11 年。此外，由平台极限承载能
力分析可知，平台底部斜撑及桩腿应作为结构检测
的重点关注构件。
图4 平台极限状态时的等效应力分布
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
承载能力／MPa
顶点位移／m
图3 平台承载能力曲线
万方数据

网友评论 more

化工安全论文最新内容

02-21