導(dǎo)管架海洋平臺可靠性分析辦法

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隨著社會的進(jìn)步，科技和經(jīng)濟(jì)的迅猛進(jìn)展，世界各國對石油、天然氣等能源的需求越來越大，由于陸上油氣資源的逐漸減少，已滿腳別了人類的需求。如此，人類就把目光投向占地球面積百分之七十一的蘊(yùn)藏著豐富的生貨物源和礦貨物源的海洋。面對極其豐富、這樣誘人的巨量海洋資源，各國加緊了海洋技術(shù)的開辟，使海洋環(huán)境探測、海洋資源調(diào)查、海洋油氣開辟、海洋深潛和海洋生物技術(shù)等成為世界高技術(shù)競爭的熱點。我國有18000多公里的海岸線，6500多個海島。在近300萬平方公里的海域內(nèi)，大陸架海區(qū)含油氣盆地面積近70萬平方公里，蘊(yùn)藏的石油資源量在150億噸以上，天然氣約14萬億立方米。各種形式的海洋能源總量超過4億千瓦。所以，海洋資源的開辟成為我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)展中有較大進(jìn)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。

海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價昂貴，所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐時時作用于結(jié)構(gòu)，并且還受到地震作用的威脅。在此環(huán)境條件下，環(huán)境腐蝕、海生物附著、地基土沖刷和基礎(chǔ)動力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)械損傷以及疲勞和損傷累積等因素，都將導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，妨礙結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久性。另外，操作別當(dāng)、治理別當(dāng)?shù)热藶橐蛩匾仓苯亓水?dāng)妨礙海洋石油平臺的安全性。隨著對海洋平臺復(fù)雜性的深入了解，越來越認(rèn)識到海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性的風(fēng)險分析的必要性。歷史上曾有多次海洋平臺的事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和別良的社會妨礙。

海洋平臺事故發(fā)生的直截了當(dāng)緣故要緊是:(l)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度儲備別腳;(2)浮力儲備和穩(wěn)定性別腳;(3)平臺治理和生產(chǎn)操作水平的別完善。而結(jié)構(gòu)破壞模式要緊有:(1)屈服失效;(2)屈曲失效(彈性或塑性);(3)疲勞失效;(4)脆性斷裂失效。

所以，尋求結(jié)構(gòu)的安全適用性和最佳經(jīng)濟(jì)效益，差不多成為海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計、使用、檢測和維護(hù)中特殊關(guān)注的咨詢題，而結(jié)構(gòu)可靠度則是解決這一咨詢題的最佳結(jié)合點。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠性和疲勞壽命評估研究方面國內(nèi)外差不多有許多文獻(xiàn)和研究成果出版，PeterW.Marshall(1969)和Bea(1973)最先將結(jié)構(gòu)的可靠性理論運用于海洋平臺結(jié)構(gòu)的風(fēng)險分析和環(huán)境荷載標(biāo)準(zhǔn)的選取，為海洋平臺結(jié)構(gòu)的可靠性研究奠定了基礎(chǔ)。BenG.Burke和JameST.Tighe(1971)對4個別同水深(12Om一300m)的導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)在波紋和地震荷載作用下分不作了動力響應(yīng)的解析數(shù)值計算分析，模型思考了結(jié)構(gòu)與水之間的相互作用，波紋水質(zhì)點運動特性由Pierson一Moskowitz譜導(dǎo)出，基底地震激勵由地震加速度時程曲線來摸擬計

算分析，分不得到了平臺甲板的變形、基底剪力和傾覆彎矩功率譜。BentBerge和JephPenZien(1974)對7個別同水深的導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)舉行了波紋動力響應(yīng)分析，采納均值為零，平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)的高斯隨機(jī)過程方向波紋譜，用模態(tài)疊加法在頻域內(nèi)舉行譜分析，得到結(jié)構(gòu)的位移、轉(zhuǎn)角、基底剪力非常小，轉(zhuǎn)動響應(yīng)對平臺結(jié)構(gòu)的整體動力響應(yīng)的妨礙也非常小。

N.RogerMaddox(1974)對深水導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)舉行了時刻歷程和譜疲勞分析，思考了結(jié)構(gòu)動力特性對疲勞壽命計算的妨礙，疲勞苦計損傷采納Palmgren一Miner準(zhǔn)則，環(huán)境荷載看成是由許多短期海況序列組成，每一短期海況假定為平穩(wěn)、各態(tài)歷經(jīng)、狹帶的高斯隨機(jī)過程，用波高和周期來表示，波高和應(yīng)力服從Rayleigh分布。

J.H.vughts和R.K.Kinra(1976)采納譜分析辦法和波紋分布散步圖，對固定式導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)舉行基于概率統(tǒng)計的疲勞壽命評估，研究成果表明:(1)應(yīng)用譜分析辦法對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)舉行詳細(xì)的疲勞分析是可行的，比較有用;(2)波紋和應(yīng)力在各方向的概率分布比用確定性辦法描述更符合實際事情，應(yīng)力傳遞函數(shù)的系統(tǒng)誤差也許妨礙應(yīng)力長期分布的精確性;(3)應(yīng)力傳遞函數(shù)的別確定要緊是由作用在結(jié)構(gòu)上的波紋荷載計算引起，如波紋力計算的線性化，管節(jié)點局部應(yīng)力集中系數(shù)的選取等。

上海交通大學(xué)胡毓仁教授、陳伯真教授等對船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析理論舉行了系統(tǒng)的研究，并出版了學(xué)術(shù)專著，書中要緊對疲勞載荷的概率統(tǒng)計、疲勞強(qiáng)度的概率模型、疲勞苦計損傷理論和疲勞壽命的估算、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞可靠性分析和含糊疲勞可靠性分析等方面作了詳細(xì)的論述。

石油大學(xué)方華燦教授、陳國明教授八十年代中期開展了海洋石油鋼結(jié)構(gòu)的含糊疲勞可靠性研究;九十年代運用斷裂力學(xué)理論對海上結(jié)構(gòu)物裂紋缺陷評估與壽命預(yù)測舉行了研

究;2000年完成了冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物的可靠性分析研究，也出版了學(xué)術(shù)專著，書中包含了低溫下材料的疲勞與斷裂強(qiáng)度試驗及其概率特性、海冰荷載的計算及其概率分析、冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物的疲勞可靠性分析、冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物的斷裂可靠性分析、冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)物裂紋的安全可靠性評估等研究內(nèi)容。

中國船舶科學(xué)研究中心石理國研究員等在研究D500系列管節(jié)點疲勞特性的基礎(chǔ)上，探討了妨礙疲勞壽命的因素，舉行了局部應(yīng)力一應(yīng)變法及斷裂力學(xué)法計算分析，建立了適用可靠的海洋平臺管節(jié)點疲勞壽命計算辦法。

浙江大學(xué)金偉良教授在結(jié)構(gòu)可靠度數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)體系可靠度及海洋平臺結(jié)構(gòu)的超載可靠性、動力可靠性、時變可靠性等方面均舉行了研究。(l)在結(jié)構(gòu)可靠度分析方面，提出了復(fù)合重要抽樣辦法、V空間重要抽樣辦法、結(jié)構(gòu)體系可靠度的有用分析辦法、改進(jìn)的一次二階

矩分析辦法以及非高斯分布變量的高精度結(jié)構(gòu)可靠度概率積分萬法;(2)開辟編制了基于或獨立SACS軟件的結(jié)構(gòu)可靠度分析系統(tǒng)STRAS和結(jié)構(gòu)非線性極限承載力分析程序NASAUBC;(3)舉行了海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠度參數(shù)別確定性研究，提出了海洋平臺設(shè)計的別確定性參數(shù)和結(jié)構(gòu)體.系模型與荷載別確定性分析辦法;(4)研究成果在5236一1、JzZO一2、WE工11一4C、WEN13一1、BZ28曰等平臺的可靠性評估中得到了廣泛的應(yīng)用。

大連理工大學(xué)歐進(jìn)萍院士在海洋平臺結(jié)構(gòu)的重分析、基于檢測和維修結(jié)果的平臺結(jié)構(gòu)結(jié)算模型修正、構(gòu)件應(yīng)力比和強(qiáng)度儲備比匯總評定結(jié)構(gòu)整體安全度的辦法、極限承載能力分析以及維修與報廢決策等方面取得了系統(tǒng)的研究成果。

1．導(dǎo)管架平臺管節(jié)點的疲勞可靠性分析辦法

結(jié)構(gòu)可靠度的計算辦法是可靠性理論中的一具重要的研究內(nèi)容，它涉及到結(jié)構(gòu)可靠度理論在工程中的應(yīng)用。然而，由于實際咨詢題中，結(jié)構(gòu)可靠性的求解較復(fù)雜:結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)也許是非線性函數(shù)，大多數(shù)基本變量別服從正態(tài)分布。在這種事情下，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)普通也別服從正態(tài)分布，因而別能直截了當(dāng)計算結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)。這時需要舉行結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的近似計算。計算可靠度的辦法均值一次二階矩法;JC法;有蒙特卡洛法;響應(yīng)面法。本論文使用的是均值一次二階矩法。

均值一次二階法是把線性化點x0，取在基本隨機(jī)變量Xi的均值點μxi=μx1,μx2…μxn上，于是安全裕度

Z=g(μxi=μx1,μx2…μxn)+(Xi?μxi)(?g

?Xi)ni=1μxi(1-1)對上式分不取均值與方差得

μz=g(μxi=μx1,μx2…μxn)(1-2)

σz2=σXi2ni=1(?g?Xi)2μxi+cov(Xi,Xj)(?g

?Xi)2μxinj=1ni=1(1-3)式中cov(Xi,Xj)為Xi與Xj的協(xié)方差。假如Xi與Xj對所有i和j基本上互別相關(guān)的，則方差可化簡為

σz2=σXi2ni=1(?g

?Xi)2μxi(1-4)可靠性指標(biāo)

β=μzσz(?g

?Xi)2μxi(1-5)2.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞可靠性

PNET法是把概率網(wǎng)絡(luò)估算技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析。該辦法以為，結(jié)構(gòu)失效模

式可分為主失效模式和次失效模式，再從主失效模式中選出G個代表失效模式。選代表失效模式的原則是:把主失效模式分組，在同一組里各主失效模式與一具代表失效模式高級相關(guān)，那個代表失效模式是該組所有失效模式中失效概率最高的。從相關(guān)條件可知，它可近似代表該組所有失效模式的失效概率。在計算中假定別同組間的代表失效模式是相互獨立的。如此設(shè)G個代表失效模式中，第j個要緊失效模式的失效概率為Pfj，則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為

Pfs=1-(1?Pfj)Gj=1(2-1)PNET法計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率的基本步驟如下:

第一步:列出主失效模式Ek及相應(yīng)的功能函數(shù)Zk(k=l，2..·I)，I為要緊失效模式數(shù)，求出相應(yīng)Zk的可靠指標(biāo)βk。把各Zk按其βk值由小到大舉行排序，并將所得序號作為失效模式羅列次序的依據(jù)。如此重新得到主失效模式序列為Ek(k=1，2，…，I)。

第二步:取可靠指標(biāo)最小的主失效模式E1作為一具代表失效模式。其他各主失效模式與此代表模式E1的相關(guān)系數(shù)Pi1(i=1，2，…I)。選定一具P0值(P0稱為分區(qū)相關(guān)系數(shù))，以此作為判不各主失效模式與此代表失效模式E1的相關(guān)程度的依據(jù)。當(dāng)Pil>P0時，以為代表失效模式E1與主失效模式Ek徹底相關(guān)，主失效模式Ek可用代表失效模式E1來代替，即主失效模式Ek可別思考。否則當(dāng)Pi1≤P0時，以為主失效模式Ek和代表失效模式E1，相互統(tǒng)計獨立。如此把所有Pi1>P0的主失效模式歸為一組，以E1為其代表。以為這組主失效模式與E1高度相關(guān)，并假設(shè)它們徹底相關(guān)(即相關(guān)系數(shù)為1)，以E1的失效概率Pf1作為這組主失效模式的失效概率。

第三步:從剩下的失效模式中找出可靠指標(biāo)最小者作為第2個代表失效模式，按照第二步的辦法，找出它所代表的主失效模式，并把它們作為新的一組主失效模式，假設(shè)它們徹底相關(guān)，以第2個代表失效模式的失效概率作為這組失效模式的失效概率。重復(fù)以上步驟，直到主失效模式全部分組完畢。

第四步:將這些代表模式，按式(2-1)計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率。

PNET法采納分區(qū)相關(guān)系數(shù)作為主失效模式的相關(guān)程度的標(biāo)準(zhǔn)，顯然P0的選取將直截了當(dāng)妨礙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率(或可靠指標(biāo))。如取P0=0，則得到過分偏驚險的結(jié)果;如取P0=1則結(jié)果偏保守。依照結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率的水平來取P0值，當(dāng)失效概率為10?3量級，取P0=0.7；當(dāng)失效概率為10?4量級，取P0=0.8；當(dāng)工程非常重要，失效模式數(shù)較少時，P0可適當(dāng)增大。本文中取P0=0.85。PNET法以很簡單的方式思考了失效模式間的相關(guān)性，而且精度較高。因此在對大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)舉行可靠性分析時，優(yōu)先思考采納PNET法。

3.構(gòu)件水平可靠性分析理論

構(gòu)件水平可靠性分析理論的辦法非常多，有中心點法、驗算點法、JC法等。這個地方重點介紹一下JC法：

實際工程中非常多變量別服從正態(tài)分布，在這種事情下，普通要把非正態(tài)隨機(jī)分布變量當(dāng)量化為正態(tài)隨機(jī)變量。將非正態(tài)隨機(jī)變量當(dāng)量化為正態(tài)隨機(jī)變量可采納三種辦法:當(dāng)量正態(tài)化法，映射變換法，有用分析法。其中當(dāng)量正態(tài)化法是國際結(jié)構(gòu)安全聯(lián)合委員會(JCSS)推舉的辦法，故稱為JC法。它的基本概念是在引用前面所述的辦法時，將非正態(tài)的隨機(jī)變量先

行“當(dāng)量正態(tài)化”。在設(shè)計驗算點*

xi處，把非正態(tài)變量

X轉(zhuǎn)化成正態(tài)變量'X，應(yīng)符合下列條件:

(1)在設(shè)計驗算點*xi處，當(dāng)量正態(tài)隨機(jī)變量'iX(其平均值為'iXμ，標(biāo)準(zhǔn)差為'i

Xσ)的分布函數(shù)'*()iiXFX與非正態(tài)變量iX(其均值為iXμ，標(biāo)準(zhǔn)差為iXσ)的分布函數(shù)

*()iXiFX相等即:'*()i

iXFX=*()iXiFX(2)在設(shè)計驗算點:

*xi處，當(dāng)量正態(tài)隨機(jī)變量的密度函數(shù)'*()iiXfX與非正態(tài)變量iX的密度函數(shù)*()iXifX相等，即：'*()iiXfX=*()iXifX。

由條件(l)'*()iiXFX=*()iXiFX

即''**x-()=()iii

iXXiXFXμφσ于是，可得當(dāng)量正態(tài)分布的平均值

'iXμ為''*-1*=x-[()]iiiiXiXXFXμφσ

由條件(2)'*()i

iXfX=*()iXifX或

'''**-()/()iiii

iXXiXXxfXμ?σσ=于是，當(dāng)量正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差為

'iXσ=-1**{[()]}()iiXiXiFXfX?φ

在極限狀態(tài)方程中，在求得非正態(tài)隨機(jī)變量的正態(tài)當(dāng)量的

'iXμ、'i

Xσ后，即可用改進(jìn)的一次二階矩法求可靠性指標(biāo)β和失效概率fP。結(jié)語：

海洋平臺是一具復(fù)雜的系統(tǒng),結(jié)構(gòu)體系的整體特性關(guān)于整個平臺的安全至關(guān)重要.目前,通常的做法是采納普通的結(jié)構(gòu)體系可靠度理論,經(jīng)過截止枚舉法或分支-約界法等辦法尋覓結(jié)構(gòu)的要緊失效模式;再利用FORM或SORM計算各要緊失效模式的失效概率;最終采納結(jié)構(gòu)體系可靠度的近似計算辦法,如界限恐怕法和點恐怕法舉行計算。這類辦法存在以下局限性:(1)只能思考結(jié)構(gòu)的塑性鉸失效模式,而且在結(jié)構(gòu)模型中普通假定塑性鉸位置已知,材料性質(zhì)假定為理想彈塑性;(2)需要人為給定一些截取參數(shù)和臨界參數(shù),這些參數(shù)的取值會對要緊失效模式的搜尋產(chǎn)生非常大的妨礙,有時會漏掉一些要緊的失效模式;(3)計算量較大,特殊關(guān)于海洋平臺這類復(fù)雜結(jié)構(gòu);(4)需要處理各失效模式的相關(guān)性咨詢題。

近年來,基于Pushover分析的結(jié)構(gòu)整體體系可靠度分析引起了關(guān)注,這種辦法是把海洋平臺結(jié)構(gòu)作為一具可以反抗水平及豎向作用的整體來思考,計算其整體承載能力的可靠度.現(xiàn)有的文獻(xiàn)中,對每一具具體結(jié)構(gòu)都需要舉行大量的Pushover分析,關(guān)于實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來講,每次分析的時刻都非常長,耗費大量的計算時刻,大大限制了這種辦法的應(yīng)用。

本文不過就這些咨詢題的某些辦法舉行了初步的了解和認(rèn)識，在往后的學(xué)習(xí)日子中還期待進(jìn)一步的了解和掌握。

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