RBI技术在导管架平台结构延寿中的应用

卢　华， 周　雷， 王巍巍， 张传杰， 徐　皓

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)



RBI技术在导管架平台结构延寿中的应用

卢华， 周雷， 王巍巍， 张传杰， 徐皓

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

摘要：该文指出导管架平台结构延寿的迫切性和基于传统分析方法结果下检测规划的缺陷，并将RBI技术引入平台延寿的检测规划中。文中给出了导管架RBI(基于风险的检测)技术原理、疲劳失效概率分析方法、平台倒塌概率分析方法和导管架RBI分析流程，并通过具体工程算例，得出RBI技术有利于控制风险和减少检测成本的结论，为在役导管架平台结构的完整性管理提供了良好的借鉴。

关键词：导管架平台结构；延寿；检测规划；完整性管理

0 引言

我国20世纪80年代开始进行海上油气田的开发开采，平台的设计寿命一般为15年～30年。由于部分平台设计寿命年限日益临近，但一些老油田可采油气资源仍然可观，同时部分老平台也要作为新平台运行的依托，面临超期服役的情况。为保障这些平台的正常运行，急需发展平台结构检测与延寿评估技术。

平台结构延寿评估的关键环节为结构重要节点的疲劳分析与疲劳损伤检测。传统谱疲劳分析为基于S-N曲线的分析方法，由于疲劳裂纹尺寸和疲劳损伤积累与S-N曲线没有直接的关系，其结果跟实际检测有比较大的偏差，同时很难通过检测结果来修正或改进疲劳评估的可靠性。基于传统谱疲劳分析方法给出的疲劳裂纹检测规划往往是在达到设计寿命后采取比较频繁的检测间隔，而水下疲劳裂纹检测方法在国内通常为ACFM无损检测[1]，对于南海或东海等较深海域，常常需要借助饱和潜水，实施作业风险大、费用高。

RBI(基于风险的检测)是目前最为流行的检测计划方法，该方法为不确定性事件的决策提供了一致性的评估框架，其主要原理是基于不同的风险等级制定不同的检验策略。RBI可以用来制定生产运营阶段平台结构针对疲劳裂纹的检测计划，该方法充分考虑了疲劳裂纹和金属损失随着时间增长的可能性，根据各个部位的重要性及损伤机理来优化检测计划[2]。将RBI技术应用到在役海洋平台结构延寿评估与检测中，有利于有效控制平台延寿风险，同时降低完整性管理所投入的费用。

1RBI技术

RBI是指基于风险的检测(Risk Based Inspection)，最早由挪威船级社(DNV)在海洋平台上使用。该技术以追求结构安全性和经济性为理念，在对平台结构固有的或潜在的危险进行科学分析的基础上，给出风险排序，找出薄弱环节，以确保平台结构本质安全和减少使用费用为目标，建立一种优化检验的方法。该技术在国外石油、化工等生产企业得到推广应用。

1.1RBI原理

RBI技术包括两部分：失效的可能性和失效后果。RBI分析采用可靠性方法，确定节点疲劳失效概率和由疲劳失效引起的平台倒塌概率，风险定义为二者的乘积，当风险达到或超过可接受标准时，应进行检测。根据NORSOK N-004和DNV在北海在役平台结构完整性评估的经验做法，风险接受标准可表达如下[3]：

(1) 接受标准1-总体风险标准

(1)

此处结构倒塌的总体RT*争得客户的同意，RT的赋值取决于总体结构失效的后果，对于人员驻留的平台常常取RT=10-4～10-5之间。

(2) 接受标准2-累计疲劳概率上限

当由疲劳失效引起平台倒塌的概率(条件概率)小于10-2时，取累计疲劳概率上限为10-2。

(3) 接受标准3-累计疲劳概率下限

当由疲劳失效引起平台倒塌的概率(条件概率)大于10-1时，取累计疲劳概率下限为10-3。

图1为疲劳RBI分析的可接受风险准则。

图1　疲劳RBI分析的可接受风险准则

落在接受准则线下方的风险可不进行检测，落在接受准则线上方的风险则要求进行检测。

1.2疲劳失效概率

失效概率表达式如下：

(2)

式中：Z为由随机变量所组成的随机向量；fZ(z)为随机向量Z的联合概率密度。当G(z)>0时，表示结构处于安全域；当G(z)<0时，表示结构处在非安全域；当G(z)=0时，表示结构恰好处于极限状态。但是，在大多数情况下很难显示量化fZ(z)的表达式，为了解决实际工程问题，各国数学家提出了一系列数值近似方法来近似估算失效概率。在所有这些数值方法中，最早在工程界应用同时也是普遍被工程界所认可的方法是一次可靠性方法(First Order Reliability Method, FORM)。该算法要保证所探讨的随机变量均服从独立标准正态分布，其具体迭代形式如下：

(3)

(4)

式中：k为迭代次数；u(k)为第k次迭代时的随机向量的值；▽G(u(k))为失效函数在u(k)处的值；G(u(k))为失效函数在u(k)处的梯度值；d(k)为根据u(k)确定的搜索方向向量。迭代过程如图2所示。

图2　一次可靠性方法的迭代过程图

累计疲劳损伤概率应考虑节点疲劳分析方法、疲劳能力、疲劳荷载等参数的不确定因素，在计算中应将检验历史考虑在进行NDT检验的年份中，同时也应考虑检测方法精度对疲劳裂纹发现概率的影响，并将裂纹尺寸与发现裂纹的概率关系(POD曲线)考虑到条件概率中，失效概率可通过条件概率加以更正，条件概率表达式如下：

(5)

(6)

式中：ad为检测设备可探测到的退化水平；d(ti)为实际的退化水平。

通过计算确定检测周期的有效性还与POD曲线(裂纹尺寸与发现裂纹的概率关系)有关。通常POD曲线可定义为：

(7)

式中：a为裂纹尺寸；x0和b分别为不同检测方法对应的参数。

1.3基于断裂力学模型的疲劳失效概率

传统谱疲劳分析是基于S-N曲线的分析方法，由于疲劳裂纹尺寸和疲劳损伤积累与S-N曲线没有直接的关系，其结果往往跟实际检测有比较大的偏差，同时也很难通过检测结果来修正或改进疲劳评估的可靠性，因此RBI技术需要借助断裂力学模型来计算疲劳失效概率。

在每一次应力循环之后疲劳裂纹增长可以由Paris &Erdogan公式表示：

(8)

式中：Cr与m为常数；φ为位置角；ΔK为应力强度因子范围，沿裂纹前缘/前端的任意点处都要满足上述微分方程。为了简化分析，假定初始疲劳裂纹前缘/前端呈半椭圆形，并且随着裂纹的扩展，裂纹前缘/前端的形状保持不变，即裂纹长度为2c，裂纹深度为a，断裂力学模型如图3所示。

图3　断裂力学模型

1.4平台倒塌概率

平台倒塌概率计算模型如下：

(9)

式中：RSR为导管架抗力(一般定义为平台倒塌时与100年环境荷载引起的基底剪力之比)；E为环境荷载。导管架平台的结构抗力RSR可近似认为符合正态分布,其均值可通过USFO和SACS等专业软件分析得到。 环境载荷可以由如下简化模型来表示：

(10)

式中：n取决于环境状态以及结构设计，典型取值范围在1.6～2.0之间；H为年度极限最大波高，也是随机变量，该变量服从极值分布(Gumbel)，H～G(μH, CoVH)；参数A是随机变量，该变量说明了整个模型在波浪载荷计算中的不确定性，该参数服从正态分布，即A～N(μA, CoVA)。

1.5关键低疲劳寿命节点筛选

关键疲劳节点是指那些节点疲劳失效后会导致水下导管架结构极限承载能力明显降低的部位。一般情况下，根据不同的导管架结构形式，低疲劳寿命节点可分为关联失效节点和单一失效节点。其中：关联失效节点是指节点疲劳失效后，会导致多个水下杆件失去连接，丧失承载能力，这类节点一般分布在导管架水平撑杆的端部；单一失效节点是指节点疲劳失效后，只会导致单个杆件失去连接，丧失承载能力，这类节点一般分布在导管架立面的斜向撑杆端部。

关联节点疲劳失效会严重破坏水下导管架结构的完整性，所以这类节点为关键疲劳节点。单一失效节点是否是关键节点，则要根据该节点所影响的杆件在导管架结构中的重要性来确定。由于导管架结构属于高次超静定结构，个别杆件失效不会明显降低导管架整体结构的极限承载能力，判断的方法是将由于节点疲劳失效导致的失效杆件在模型中去掉，不考虑其对整体结构受力的贡献，然后进行平台结构的极限强度分析，当计算的储备强度比出现显著减小时，这个节点为关键节点，应进行水下NDT检测。水下检测关键疲劳节点时，应同时对非关键疲劳节点进行外观检测。

1.6在役导管架平台RBI分析流程

在役导管架平台RBI分析一般流程如下：

(1)详细谱疲劳分析；

(2)平台倒塌分析和关键低疲劳节点筛选；

(3)因关键低疲劳节点失效引起的平台倒塌概率分析；

(4)疲劳失效概率分析；

(5)确定风险并制定检测计划。

疲劳分析、倒塌分析可通过海洋结构专业设计分析软件进行，疲劳失效概率和检测计划可采用概率疲劳分析软件PROFAST进行。

2工程算例

南海某8腿平台于2003年投产，导管架设计寿命为15年，导管架将于2018年达到设计寿命。2011年结合改造对该平台导管架进行详细谱疲劳分析，发现节点A120疲劳寿命不满足寿命要求，但2011年末通过水下NDT检测，未发现该疲劳节点有裂纹，该节点相关信息见表1。

表1　低疲劳节点A120信息

由于A120节点不满足15年的疲劳设计寿命要求，且位于水平面有短杆连接，该节点一旦疲劳失效，将会引起相关连接杆件失效，进而危及平台的完整性，因此A120应为低疲劳关键节点，需要进行相应的NDT检测规划。首先对该节点失效后进行倒塌分析，得到损伤模型的RSR，并根据2.4节计算平台倒塌概率，得到平台倒塌概率小于10-3，因此采用接受准则2，即采用累计疲劳概率上限为10-2，以此目标来制定检测计划。检测计划分析采用概率疲劳分析软件PROFAST来进行，节点A120撑杆侧和弦侧NDT检测计划如图4、图5所示。

图4　节点A120撑杆侧NDT检测计划

图5　节点A120弦杆侧NDT检测计划

由图4可以看出：从平台投产年份2003年开始，节点A120撑杆侧焊缝随着时间的推移，其疲劳失效概率逐渐增大，在2011年之前达到目标风险值(10-2)，由于2011年在水下对其NDT检测未发现裂纹，其风险得以修正并降低，在此基础上，随着时间的往后推移，疲劳失效概率逐渐增大，并在设计寿命年份2018达到目标风险值，要求在2018年或之前对该节点进行检测。

由图5可看出：从平台投产年份2003年开始，节点A120撑杆侧焊缝随着时间的推移，其疲劳失效概率逐渐增大，尽管在2011年超出目标风险值(10-2)，由于2011年在水下对其NDT检测未发现裂纹，其风险在当年得以修正并降低。在此基础上，随着时间的往后推移，疲劳失效概率逐渐增大，并在设计寿命年份2014年达到目标风险值，实施检测后未发现疲劳裂纹，风险在2014年得以降低，并继续做出2018年的检测计划。

3结论

该文将RBI技术应用于海洋平台结构延寿中。首先指出了在役海洋平台结构延寿的迫切性，给出了导管架RBI技术原理、方法和具体工程算例，得到如下主要结论：

(1) 在工程算例中，尽管该文仅给出平台导管架一个节点的RBI分析，但如果有大量的节点处于低疲劳寿命状态而面临要求水下NDT检测要求，可以通过关键低疲劳寿命节点筛选环节筛选出危及导管架完整性关键节点做NDT检测，其它非关键节点做常规外观检测即可，这样可以缩小水下NDT检测的范围，减少检测成本并降低风险。

(2) 尽管有些疲劳节点由于改造等原因，其计算疲劳寿命提前于导管架本身的设计寿命，但通过RBI技术实现延长使用的要求，在控制风险的同时，也通过优化NDT检测间隔而降低检测成本。

(3) RBI技术考虑了历年检测的结果并对风险进行调整，具有比传统检测更符合实际的优势，将其运用于在役导管架结构完整性管理中往往起得很好的效果。

参考文献

[1]中国船级社.在役导管架平台结构检验指南[M]. 北京：中国船级社，2013.

[2]Norsok Standard. Assessment of structural integrity for existing offshore load-bearing structures(N-006)[S]. 2009.

[3]Norsok Standard. Design of steel structures( N-004)[S]. 2013.

收稿日期：2015-11-06

作者简介：卢华(1976-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0060-06

中图分类号:P75

文献标识码：A

RBI Technique Used in the Life-extention of In-service Jacket Platform Structure

LU Hua, ZHOU Lei, WANG Wei-wei, ZHANG Chuan-jie, XU Hao

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300452, China)

Abstract：This paper points out the urgency of jacket platform structure's life-extension and the faultiness of inspection plan based on the traditional analysis method’s results, introduces RBI(risk-based inspection) technique into the inspection plan for life-extension. The jacket RBI technical principle, fatigue probability analysis method, platform collapse probability analysis method, jacket RBI analysis process and engineering sample are given, and draw the conclusion that RBI technique is more beneficial to control the risk and reduce cost of inspection. It will provide a good reference for integrity management of in-service jacket platform structure.

Keywords：jacket platform structure； life-extension； inspection plan； integrity management