基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究

1、第29卷第2期海洋技術(shù)2010年6月OCEANTECHNOLOGYVol.29，No.2June，2010基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究曲海富1，劉昌興2（1天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）摘要：海底管道運(yùn)輸是目前世界上最重要的運(yùn)輸方式之一，但是海底管道檢查維護(hù)、日常管理很不方便，一旦出現(xiàn)事故，維修非常困難，因此對海底管道進(jìn)行失穩(wěn)分析是完全有必要的。隨著結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展和在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用的日益成熟，國外的海底管道規(guī)范已經(jīng)開始采用可靠性設(shè)計(jì)。文中采用混沌搜索可靠性理論對海底管

2、道靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了有效的分析，并結(jié)合串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度理論對管道進(jìn)行整體可靠度分析，最后結(jié)合算例驗(yàn)證了此方法的實(shí)用程度。分析結(jié)果表明，混沌搜索可靠性計(jì)算方法是可行有效的。關(guān)鍵詞：海底管道；穩(wěn)定性；混沌搜索；可靠性方法；串聯(lián)系統(tǒng)中圖分類號：P75，O1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-2029（2010）02-0104-051引言海底管道運(yùn)輸是目前世界上重要的運(yùn)輸方式之一。天然氣石油工業(yè)中的油氣運(yùn)輸很大部分采用海底管道，其中，海海底管道把洋油田油氣的運(yùn)輸多是通過海底管道來完成的。海上油田的整個生產(chǎn)密切地聯(lián)系起來。海底管道運(yùn)輸有其自身的優(yōu)點(diǎn)，首先是運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，一旦投入運(yùn)轉(zhuǎn)后，運(yùn)輸可連轉(zhuǎn)運(yùn)過程的時間

3、耽擱，其運(yùn)輸續(xù)不斷地進(jìn)行，減少中間裝卸、能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸運(yùn)和水運(yùn)。其次，管道運(yùn)輸是密閉的，可以大大減少運(yùn)輸過程產(chǎn)生的損失，一旦管道建成，它幾乎可以不受水深、地形、海況等條件限制，能高效、安全地完成油氣的輸送。但同時，對海底管道進(jìn)行先期穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及其可靠性計(jì)算，是十分重要的1。海底管道工程設(shè)計(jì)的最根本要求，就是在一定的設(shè)計(jì)條高效地完成海洋油氣輸運(yùn)，在試用期件下，保證管道能安全、中保證管道在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下安全運(yùn)轉(zhuǎn)，在施工安裝中保證管道能經(jīng)受各種施工外載荷的考驗(yàn)。由此可得：2.2可靠指標(biāo)及其優(yōu)化模型完全處于混沌狀態(tài)；t在0,1范圍遍歷。設(shè)一類連續(xù)對象的優(yōu)化問題為：（1）tk表示混沌變量在k次迭代時代值

4、；=4時系統(tǒng)式中：（2）將混沌變量變換到優(yōu)化問題的允許解空間：利用式（3（3）假設(shè)只有兩個獨(dú)立隨機(jī)變量R和S的安全裕度方程Z=R-S=0，隨機(jī)變量的均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為R，S和R，S。將R和S作標(biāo)準(zhǔn)化交換，即映射到標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)系中，標(biāo)準(zhǔn)化變量分別為：（4）（5）代入裕度方程中，可得：將（5（6）式（6）可用直角坐標(biāo)系中直線的法線式表示：）（7法線與各坐標(biāo)向量的方向余弦為：2混沌搜索可靠性算法2.1混沌搜索算法混沌是一種普通的非線性現(xiàn)象，其行為復(fù)雜且類似隨機(jī)，但存在精致的內(nèi)在規(guī)律性?；煦缫呀?jīng)成為一種新穎的優(yōu)化技術(shù)，比隨機(jī)搜索更具有優(yōu)越性2。首先選擇混沌變量。令：（8）收稿日期：2010-01-22基

5、金項(xiàng)目：國家高科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2008ZX05026-005）；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金項(xiàng)目；國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AA09Z307）。將式（6）中各項(xiàng)均除以系，可得：，并考慮與式（8）的關(guān)第2期曲海富等：基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究105（9）將式（7）與式（9）比較，可知：（10）可見，對于獨(dú)立正態(tài)分布的變量，在極限狀態(tài)方程為線性時，可靠度指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)坐標(biāo)系中等于原點(diǎn)到極限狀態(tài)平面（或直線）的最短距離3。為了避免相關(guān)變量的獨(dú)立變換以及JC方法求解的偏導(dǎo)計(jì)算，采用了直接在基本變量空間求解可靠指標(biāo)的優(yōu)化方法4：（11）（12）式中

6、：；為基本變量的相關(guān)矩陣。此模型為一有約束的非線性優(yōu)劃模型，而混沌優(yōu)化方法一般對無約束的優(yōu)化模型比較方便。同時為了使演算點(diǎn)落在失效邊界上，可以令第i個變量用其它n-1個變量表示，一般選擇變異較大的那個變量，由極限狀態(tài)方程可以得到：（13）（14）2.3串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分析5-6真正的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，要想精確計(jì)算可靠度是不可能的。因此，目前在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析中，采取了一系列理想化處理措施。這使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析成為可能。如果一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的所有構(gòu)件（或于系統(tǒng)）都相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中某一構(gòu)件（或子系統(tǒng)）失效時會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效，這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)稱為串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，也稱為最弱環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。根據(jù)模型化后

7、的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，就可對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。由n個構(gòu)件組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可用圖1給出的邏輯圖表示。設(shè)構(gòu)件i上的荷載效應(yīng)為Si，構(gòu)件的抗力為Ri，則構(gòu)件的安全裕度（15）于是構(gòu)件i的失效概率（16）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率可用下述方法定義：設(shè)構(gòu)件i失效事件為Fi，即（17）圖1串聯(lián)系統(tǒng)對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于不論那一個構(gòu)件失效，都會引起整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效，所以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的事件F可用下式定義：nF=F1胰F2胰胰Fn=胰i=1Fi（18）而當(dāng)所有構(gòu)件都處于正常狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不會失效。所以，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不失效的事件可用下式定義：軈nF=F軈1疑F軈2疑疑F軈n=疑F軈i=1i（19）于是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率Pf和

8、可靠度，可由下式給出：（20）=P（軈F）=P疑疑n軈Fi=1i疑（21）當(dāng)每個構(gòu)件的可靠度i已知時，則n=疑i=1i（22）3算例本文以混沌可靠性分析方法來分析某運(yùn)行期間海底管道的穩(wěn)定性。海管總長約100km，外徑為600mm，壁厚12.7mm，外壁涂有一層防腐層，混凝土護(hù)套厚度為80mm，100mm和120mm。海底管道各層材料的物理力學(xué)指標(biāo)見表1：表1海底管道各層材料物理力學(xué)參數(shù)材料密度（kg/m3）彈性模量（Pa）泊松比鋼管API5L78502.07×10110.3護(hù)套混凝土3050-防腐層煤瀝青瓷漆1200-海況條件因篇幅關(guān)系在此不再列出。通過對海底管道勘察資料、設(shè)計(jì)資料及

9、環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合分析，選擇16個危險(xiǎn)段進(jìn)行管道的穩(wěn)定性分析。首先應(yīng)用譜分析法計(jì)算出相應(yīng)管段的波流力，而后應(yīng)用共振法和應(yīng)力法對管道進(jìn)行極限沖刷長度的計(jì)算，最后應(yīng)用編制的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行混沌可靠性分析。計(jì)算結(jié)果見表2和表3，表中根據(jù)地質(zhì)條件及海況的不同，分別計(jì)算出海底管道整體的橫向和豎向可靠指標(biāo)。表2管道橫向可靠性分析1.88×10-61.91×10-115.06×10-7觀察計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，該管道的可靠指標(biāo)較高，達(dá)到設(shè)計(jì)的管道穩(wěn)定性要求，從一年一遇到十年一遇到百年一遇的海106海洋技術(shù)第29卷況，可靠指標(biāo)明顯減少，對應(yīng)的失效概率增加。由表2的計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，無論在何種海況下

10、該管道的可靠指標(biāo)均大于4.8，滿足橫向穩(wěn)定性要求。相應(yīng)的失效概率小于10-6，表3管道屬相可靠性分析一年一遇十年一遇8.14這一方法可以推廣到其他的海底管道工程足要求。很明顯，加以應(yīng)用。所提的現(xiàn)有海底管道結(jié)構(gòu)可靠度分析方法對于延失效概率很小，在10-14數(shù)量級以下，說明在此種情況下管線參考文獻(xiàn)：1姜子林海底管道非線性失穩(wěn)及可靠性研究D天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，20022徐軍，鄭穎人工程結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)計(jì)算的混沌搜索方法J工程力學(xué)，2002，19（3）：6-93余建星，郭振邦等船舶與海洋結(jié)構(gòu)物可靠性原理M天津：天津大學(xué)出版社，20014徐軍，邵軍，鄭穎人遺傳算法在巖土工程可靠度分析中的應(yīng)用J巖土

11、工程學(xué)報(bào)，2000，22（5）：586-589.5郭章林，胡云昌串聯(lián)可修工程系統(tǒng)可靠性的計(jì)算J石油機(jī)械，2000，28（1）：13-156任曉崧，許奇現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可靠度分析的一種實(shí)用方法J四川建筑，2007，28（2）：125-127ResearchonStabilityofSubmarinePipelineBasedonChaosReliabilityTheoryQUHai-fu1,LIUChang-xing2（1.KeyLaboratoryofHarborandOceanEngineeringofMinistryofEducationandTianjinCity,TianjinUniversi

12、ty,Tianjin300072,China;2.CNOOCEnergyTechnology&Services-PipelineEngineeringCo.,Tianjin300452,China）Abstract：Nowadayssubmarinepipelinetransportationisoneoftheimportantmodes.However,checkingandmaintainingpipelineisverydiscommodious.Oncetheyaredestroyed,itisdifficulttorepairthem.Thus,itisnecessaryt

13、oanalyzestabilityofpipelineontheseabed.Withthedevelopmentandtheapplicationoftheconstructionreliabilitytheory,foreigndesigncriterionsofsubmarinepipelineshavealreadyadoptedthereliabilitytheoryasdesigncriterion.Thechaos-searchreliabilitytheoryisusedtoanalyzethestaticstatestabilityofthesubseapipelineseffectivelyandtheintegralreliabilityofpipelinesisanalyzedbas