渤海海洋平臺管節(jié)點可靠度分析

渤海海洋平臺管節(jié)點可靠度分析

海洋石油工業(yè)是投資高、技術(shù)密集、風險大的行業(yè)。海洋平臺作為海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施,是海上生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)。自20世紀40年代后期第一座鋼質(zhì)海洋平臺在墨西哥灣建成投產(chǎn)以來,在世界不同海域已建成不同型式的海洋平臺6000余座,絕大多數(shù)是鋼質(zhì)平臺。海洋平臺結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、造價昂貴,所處的環(huán)境條件復雜而惡劣,承受著多種隨時間和空間變化的隨機荷載,包括波浪、海流、風、潮汐及海冰等引起的荷載的聯(lián)合作用。環(huán)境腐蝕、海洋生物附著、地基土沖刷與基礎(chǔ)動力軟化、材料老化、構(gòu)件缺陷和機械損傷以及疲勞和裂紋擴展的損傷積累等,都將導致平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減,影響結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久性。海洋平臺管節(jié)點,由于不可避免地存在著結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和加工、焊接的缺陷,因此在弦桿和撐桿交接附近有很高的應(yīng)力集中。此外,焊接殘余應(yīng)力又造成金屬的局部塑性變形,在交變荷載、低溫、海水腐蝕等作用下接頭高應(yīng)力區(qū)的危險點將會首先發(fā)生疲勞破壞,并逐漸擴大而使節(jié)點破壞。管節(jié)點除了發(fā)生疲勞斷裂破壞外,也易發(fā)生沖剪破壞、塑性破壞、脆性斷裂破壞。歷史上曾有多次海洋平臺事故是先從導管架焊接管節(jié)點脆性破壞或疲勞斷裂破壞引起的,造成了重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。例如,1965年英國北海的“海上鉆石”號平臺支柱拉桿脆斷,導致平臺沉沒;1969年我國“渤海2號”平臺被海水灌入翻倒,造成直接經(jīng)濟損失2000萬元;1980年北海Ekofisk油田的“亞歷山大·基而蘭”拉桿疲勞斷裂,導致平臺沉沒。這些教訓給海洋資源開發(fā)予以很大的警示,促進國內(nèi)外海洋石油部門加倍地投資和努力研究海洋平臺的關(guān)鍵科學問題,使海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計、維護和安全評定提高到一個新的水平,從而為海洋油氣資源的安全開采提供了可靠的保證。因此,管節(jié)點強度設(shè)計和可靠性分析是當前海洋結(jié)構(gòu)基本性能研究的主要方向,也是保證平臺結(jié)構(gòu)安全的重要問題。在我國渤海地區(qū),目前已有20多座導管架平臺,大部分已服役多年,對這些平臺進行科學的檢測、維護和修理,已是我國海洋石油產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展所急需解決的問題。為了正確評價現(xiàn)役平臺的強度,提高生產(chǎn)作業(yè)的安全保障,需要建立規(guī)范化、科學化的平臺檢測規(guī)程,建立對平臺狀態(tài)的科學描述與數(shù)據(jù)積累系統(tǒng),對平臺各類損傷的定量分析及損傷強度的評估系統(tǒng),以及對平臺壽命的科學預(yù)估方法。本文正是基于以上背景,進行海洋平臺管節(jié)點強度的可靠性分析,并編制了相應(yīng)的可靠度計算分析軟件。1海洋平臺結(jié)構(gòu)失效的原因海洋平臺結(jié)構(gòu)中桿件和節(jié)點是兩個基本構(gòu)件,而其中的節(jié)點是連接各個桿件的關(guān)鍵部位,也是最薄弱的環(huán)節(jié)。如果節(jié)點發(fā)生破壞可能會導致整個結(jié)構(gòu)的失效,所以應(yīng)該對海洋平臺結(jié)構(gòu)中的管節(jié)點給予足夠的重視。圖1是節(jié)點的基本形狀。根據(jù)各節(jié)點撐桿在每一個荷載工況下具體的荷載型式,節(jié)點分為K、T和Y,或交叉(X)型節(jié)點。對于K型節(jié)點,其中一個撐桿的沖剪荷載由位于節(jié)點同一平面內(nèi)同一側(cè)的其它撐桿平衡。在T和Y型節(jié)點中,沖剪荷載由弦桿的橫向剪切力所平衡。對于交叉型節(jié)點,沖剪荷載通過弦桿傳于對側(cè)的撐桿,可根據(jù)在總荷載中的份額用內(nèi)插法確定。2基于觀念轉(zhuǎn)變的管節(jié)點結(jié)構(gòu)可靠性分析方法結(jié)構(gòu)可靠度是研究結(jié)構(gòu)工程中不確定性問題的一門新興學科,是人們對客觀世界的新認識,是結(jié)構(gòu)理論中最重要的組成部分。而海洋平臺的結(jié)構(gòu)可靠度既具有結(jié)構(gòu)可靠度理論基礎(chǔ)的共性問題,又具有海洋工程的專業(yè)特殊性問題,是一個具有難度但同時富有挑戰(zhàn)性的重要研究領(lǐng)域。20世紀80年代以來,美國、挪威、英國和法國等圍繞國際標準化組織(ISO)制定的全球海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計標準所開展的一系列“海洋結(jié)構(gòu)可靠度”方面的研究,形成了與ISO相適應(yīng)的不同海域的設(shè)計標準,推動了結(jié)構(gòu)可靠度理論和應(yīng)用的發(fā)展。我國也十分重視海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠度方面的研究,在國家自然科學基金會和中國海洋石油總公司的資助下,開展了一系列的研究工作,取得了很大的進展。本文結(jié)合SACS軟件系統(tǒng),基于結(jié)構(gòu)可靠度理論,選用文獻中關(guān)于管節(jié)點沖剪強度的計算公式對海洋平臺結(jié)構(gòu)各種類型的管節(jié)點進行強度可靠性分析。結(jié)構(gòu)可靠度理論中的一個基本問題是結(jié)構(gòu)失效概率的計算:式中:f(X)是隨機變量向量X=(x1,x2,…,xn)T的聯(lián)合概率密度函數(shù),代表一些不確定性,例如荷載、材料特性等;g(X)是功能函數(shù),當g(X)≥0時,表示結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài),g(X)<0時,表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài),Pf是失效概率。由于影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素既多又復雜,有些因素的研究尚不夠深入,因此,很難用統(tǒng)一的方法準確地確定隨機變量的概率分布。在通常情況下,只有一階矩(均值)和二階矩(標準差)較容易得到。FORM法就是一種在隨機變量的概率分布尚不清楚時,采用只有均值和標準差的數(shù)學模型求解結(jié)構(gòu)可靠度的方法。由于該法將功能函數(shù)在某點(距坐標原點距離最小的點,稱為設(shè)計點或驗算點)用一階泰勒級數(shù)展開,使之線性化,然后求解結(jié)構(gòu)的可靠度,因此稱為一次二階矩法。傳統(tǒng)的一次二階矩方法有中心點法和驗算點法,但它們都存在一定的缺點。例如,中心點法假定隨機變量是正態(tài)分布且相互獨立,而不考慮它們的實際分布;對非線性極限狀態(tài)函數(shù),在平均值點處按泰勒級數(shù)展開取線性項,但實際上平均值點并不在極限狀態(tài)面上,計算誤差較大。所以當選擇不同的力學等效非線性極限狀態(tài)函數(shù)時,將得到不同的β值。驗算點法的主要缺點是計算冗長,若變量較多又存在非正態(tài)分布變量時,計算要花費大量時間。由于這兩種方法存在著上述不可避免的缺點,所以程序設(shè)計中采用了拉格朗日(Lagrange)乘子法。該法對非線性規(guī)劃具有很好的效果,它以優(yōu)化的算法,迅速的求解設(shè)計點,得到的可靠度指標β具有相當?shù)木取?節(jié)點的極限抗彎能力在計算海洋平臺結(jié)構(gòu)管節(jié)點強度可靠度時,有多種計算類型供選擇:(1)抗拉或抗壓;(2)平面內(nèi)彎曲;(3)平面外彎曲;(4)拉彎或壓彎。計算公式采用中國海洋石油天然氣行業(yè)標準《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法——荷載和抗力系數(shù)設(shè)計法》管節(jié)點強度校核。節(jié)點的承載能力應(yīng)滿足下式要求:式中:PD——撐桿的乘系數(shù)的軸向荷載,MPa;Puj——節(jié)點的極限軸向承載能力,MPa;MD——撐桿的乘系數(shù)的彎矩,MPa;Muj——節(jié)點的極限抗彎能力,MPa;φj——管節(jié)點的抗力系數(shù)(見表1)。對部分有K節(jié)點,部分有T或交叉節(jié)點承擔荷載的撐桿,可根據(jù)每項所占比例用內(nèi)插法求出φj。對于受軸向荷載和彎矩聯(lián)合作用的撐桿,應(yīng)滿足公式(2)、(3)和以下相互作用公式:極限承載能力按下式確定:Qf是考慮弦桿中存在縱向乘系數(shù)的荷載的設(shè)計系數(shù)。式中:λ——0.030對于撐桿軸向應(yīng)力;0.045對于撐桿平面內(nèi)彎曲應(yīng)力;0.021對于撐桿平面外彎曲應(yīng)力。fax、fipb和fopb分別為弦桿的乘系數(shù)的軸向應(yīng)力、平面內(nèi)彎曲應(yīng)力和平面外彎曲應(yīng)力。φq=0.95,為屈服應(yīng)力抗力系數(shù)。當弦桿最外纖維均受拉時,取Qf=1.0。Qu是隨節(jié)點和荷載種類變化的極限強度系數(shù),由表2給出。對于β>0.6=1.0對于β≤0.6Qg是間隙系數(shù),按下式確定:Qg=1.8-0.1g/T對于γ≤20=1.8-4g/D對于γ>20但在任何情況下,Qg不得小于1.0。對部分由K型節(jié)點,部分由T和Y或交叉節(jié)點分擔荷載的撐桿,可根據(jù)每項所占比例用內(nèi)插法求出Qu。4節(jié)點總體可靠性計算海洋平臺管節(jié)點強度可靠性計算采用課題所研究的JZ20-2凝析氣田在役生活動力平臺(即MUQ平臺)。JZ20-2凝析氣田是我國自營開發(fā)和建設(shè)的第一座海上氣田,位于渤海遼東灣北部海域,距遼寧省錦西市海岸約50km,氣田所處水深16～20m。該氣田于1992年6月30日完工,同年8月10日一次投產(chǎn)成功。其設(shè)施包括:JZ20-2-1即南井口平臺(SW)和JZ20-2-2即中北井口平臺(MNW)各一座,JZ20-2-3即生活動力平臺(MUQ)一座。MUQ平臺共有28種荷載基本工況,包括自重荷載、活荷載、風荷載、波浪荷載、海流荷載、冰荷載和地震等。采用SACS軟件計算平臺桿件內(nèi)力、應(yīng)力時采用了14種工況組合。在管節(jié)點可靠度計算時,需要用到節(jié)點的幾何信息,包括節(jié)點中撐桿和弦桿的節(jié)點號,撐桿的外徑和壁厚,弦桿的外徑和壁厚,節(jié)點類型和夾角,材料彈性模量,材料強度及其分布類型、參數(shù),節(jié)點中各桿件在各組合工況作用下的內(nèi)力、應(yīng)力,包括軸力(Fx)、彎矩(My、Mz)、軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力,還有相應(yīng)的應(yīng)力比。所有這些數(shù)據(jù)都從SACS輸出報告中得到。荷載統(tǒng)計參數(shù)取自文獻。在對MUQ平臺管節(jié)點強度可靠性計算結(jié)果進行分析時,在所進行的4種可靠度計算類型中,起決定作用的是第一種:抗拉或抗壓,即在同一荷載工況組合下,“抗拉或抗壓”計算所得的可靠度指標β較其它三種可靠度要小。在所有的節(jié)點中,可靠度較低的節(jié)點集中出現(xiàn)在某幾個節(jié)點,如圖2中116和117節(jié)點的可靠度,相比其它節(jié)點較低。具體計算結(jié)果見表3～表9。工況組合3:自重+活荷載(重)+1年風(0度)+1年波流(0度)工況組合6:自重+活荷載(重)+25年風(0度)+50年波流(0度)工況組合7:自重+活荷載(重)+25年風(45度)+50年波流(45度)工況組合8:自重+活荷載(重)+25年風(90度)+50年波流(90度)工況組合9:自重+活荷載(重)+低水位冰(0度)+1年流(0度)+50年風(0度)工況組合12:自重+活荷載(重)+高水位冰(0度)+1年流(0度)+50年風(0度)工況組合14:自重+活荷載(重)+高水位冰(90度)+1年流(90度)+50年風(90度)5結(jié)果分析和結(jié)論本文結(jié)合海洋工程分析軟件SACS和自行開發(fā)的海洋平臺管節(jié)點可靠度分析軟件STRAS對渤海JZ202的MUQ平臺(生活動力平臺)進行了實際的管節(jié)點強度可靠度計算分析,找到了最不利的節(jié)點和相應(yīng)的工況號。由本文的分析結(jié)果,可得出如下結(jié)論:1)在所有的14種荷載組合工況作用下,可靠度指標最低的節(jié)點為117節(jié)點,在荷載工況組合3(自重+活荷載(重)+1年風(0度)+1年波流(0