基于RBI完整性管理在深水油氣開發中的應用

呂 勁,朱禮云,陳妙謀,張 林

(1. 中海油安全技術服務有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057; 2. 深圳清華大學研究院,清華大學深圳國際研究生院,廣東 深圳 518071; 3. 中國海洋石油工程股份有限公司,廣東 深圳 518071; 4. 中海油(廣東)安全健康科技有限責任公司,廣東 湛江 524057)

0 引 言

基于風險檢測(RBI)技術是近些年快速發展的一種新的適用于大型裝備完整性管理的技術,并且已經在許多海上油氣田裝備運維中廣泛運用。RBI最終目標是實現大型海洋裝備在運營期間安全性和經濟性的統一。風險評估是基于RBI完整性管理系統的關鍵環節,其方法一般包括定性風險評估、定量風險評估和半定性定量風險評估。通過風險評估可以確定劃分結構區塊或單元風險的高低,并通過風險高低排序來制定一套前瞻性的檢測計劃和策略,對高風險區加強檢測維護,而對低風險區酌情減少檢測維護。RBI主要針對的是那些可以通過檢測對應的結構或者設備就可以有效控制風險的一些結構失效模式,比如材料的老化、疲勞裂紋的擴展以及鋼材的腐蝕等。根據被檢測大型裝備的結構特征和作業模式,基于RBI檢測計劃,可以通過優化檢測資源,采用合理的檢測方法和周期,將被檢測目標的風險控制在一個較低且能夠被接受的范圍內。

RBI檢測計劃會明確規定針對不同的結構區域或設備,在什么時間段,基于什么方法策略,由誰去執行哪些檢測。作為一種基于風險的檢測方法,RBI會提供如何評估結構某種失效機理對應的失效后果和失效的可能性,根據結構具體風險制定檢測計劃,從而有效降低檢測單位的失效風險。當檢測過程中發現結構已經過度惡化或者老化,就需要對該結構進行必要的維修或者更換,甚至是改變作業狀況以改善結構所處的不利環境。

相比傳統的檢測方法,基于風險檢測的優勢在于,它會首先對整個大型裝備進行合理風險區塊劃分,即風險單元的劃分;然后,分別對不同的風險單元進行失效機理和模式的分析。比如,海洋平臺船體的主梁或加強筋板一般會發生腐蝕引發的屈曲、疲勞引發的裂紋擴展甚至是斷裂;其次,會對劃分區塊的不同失效模式進行風險分析。風險分析主要是確定不同風險區塊失效模式的失效概率(PoF)和失效后果(CoF),一般可采用定性風險分析或定量風險分析。定性風險分析主要基于風險分析師的工程經驗以及掌握的類似失效模式的歷史統計數據,其目的主要是篩查出中高風險區塊,以便進一步做定量風險分析。定量風險分析則是采用一些數學模型、理論和算法,定量地確定失效概率和失效后果。定量失效概率主要通過建立不同失效模式的極限狀態函數,對該函數里面涉及的基本變量進行概率統計分析,從而建立所有涉及基本變量的聯合概率密度函數;再通過對失效域精確的多重積分或近似的數值積分(如常用的一階可靠性方法、蒙特卡洛方法等)得到失效概率。定量失效后果則需要對結構或設備失效引發的傷亡、財產損失或環境污染進行較為保守的量化后果計算。

針對RBI在海洋工程結構物上的應用,國內已經有不少學者進行了相關研究。如引用文獻[1～3]分別分析了RBI技術在海上壓力容器中的應用;何世亮[4]、趙剛[5]以及張欣、余建星等[6]分析了基于風險的檢測在海底管道完整性管理中的應用;陸秀群、陳煒等[7]分析了RBI在石化裝置中的應用;盧華、周雷等[8]研究了RBI技術在海上導管架平臺結構延壽方面的應用,提出采用基于風險分析延長導管架平臺的使用壽命;聶炳林[9]分析了基于RBI技術在海洋平臺設備完整性分析中的應用;余建星、張中華[10]和許濤、趙軍凱等[11]分析了基于RBI檢測技術在浮式液化天然氣生產儲卸裝置(FPSO)上的應用。文獻[12～18]主要總結了一些針對海洋結構物RBI分析采用的規范。

1 RBI技術簡介

1.1 RBI分析需要的基線數據

采用基于風險的檢測技術對大型采油裝備(如油氣平臺、FPSO等)的結構或設備進行完整性管理,必須建立在大量合理完整的數據基礎上,用于風險分析的輸入數據越完整精確,得到的風險分析結果可信度越高,反之則越低。結構完整可靠的基線數據是RBI完整性管理的數據基礎。

基線數據(Baseline Data)是指在確定某個裝備需要采用RBI技術進行完整性管理時,該裝備已知的和結構完整性管理相關的所有當前狀態數據的總和?；€數據代表的是RBI分析開始階段的裝備初始狀態數據,也是制定初始RBI檢測計劃的數據基礎,之后所有結構檢測結果或者異常狀態的界定,都可以參考對應基線數據的比對。

當風險分析需要的主要輸入參數出現缺失或者不確定時,風險就會增加。RBI風險分析要求基線數據不僅要全面,而且要盡量準確和真實反映出裝備的物理屬性和狀態。比如,海上采油平臺結構基線數據一般包括:

① 結構全套設計圖紙(包括設計圖、總布置圖等);

② 各類設計分析報告(強度、疲勞、整體分析或局部分析等);

③ 采油平臺船體艙室布置及功能說明報告;

④ 結構或設備已有保護措施報告及相關圖紙(如防腐涂層和陽極塊布置等);

⑤ 已有的測試、測量和檢測數據報告;

⑥ 平臺作業期間的運營監測數據、記錄或手冊;

⑦ 平臺建造、安裝、完工報告及規格書(包括過程中的異常狀況報告或記錄)。

基線數據需要清楚反映出結構當前的狀況并確定可能的結構惡化機理和異常問題,基線數據主要用于后續的風險分析。當某部分必須的狀態數據缺失,則需要對對應結構進行基線數據檢測,采集缺失的數據。

1.2 RBI定性風險分析方法

RBI定性風險評估主要是主觀地確定結構破壞的潛在后果及發生的可能性。一般會以專家研討會的形式,對關心的結構或者區域的風險進行系統性的評估和風險排序。定性風險評估還可以考慮一些在強度疲勞分析中沒有考慮但是卻對結構的完整性有影響的因素,比如局部腐蝕產生的泄露、涂層的破損等。定性風險評估后果是定義結構目標可靠性指標(target reliability index)的主要依據,隨著海洋結構腐蝕加深和疲勞損傷的累積,當定量計算的結構可靠性指數低于目標可靠性指數時,就必須對相應結構進行檢測,依此確定最佳檢測周期。

定性風險分析結果有助于確定關鍵檢測單元以及這些單元失效的潛在后果。定性風險分析的結果一般會以一種簡單易懂的形式展現出來,常用的方法是風險矩陣法。矩陣的橫行和縱列分別代表失效后果(consequence of failure,CoF)和失效概率(likelihood of failure,LoF)。風險矩陣的行列數依據具體項目而定,但是對應的每個行列的情形需要有清晰的范圍界定。定性風險分析的結果還可以采用等風險線圖的形式展示,如圖1所示。等風險線上的所有點的風險值相等,從圖的左下向右上風險依次升高。其中,臨界等風險線表示規范規定的可接受風險的臨界風險值,當風險分析結果落在該線的右上方時,表示該結構或設備的風險超過了規范規定的可接受臨界值,需要采取必要的措施降低風險到可接受的范圍。

圖1 等風險線圖

根據API規范,海洋工程平臺風險評估項目經常采用風險矩陣,如圖2所示,是一個5×5的矩陣,具體的失效概率和失效后果說明分別如表1和表2所示。

圖2 典型海洋工程項目風險矩陣

表1 風險矩陣的失效概率等級情況描述

表2 風險矩陣的失效后果等級情況描述

定性風險分析一般會根據結構設計和分析報告的結果,比如結構強度的應力UC(utilization coefficient)值和連接處的疲勞壽命值,根據船級社規范相關規定,定性地確定風險單元失效可能性,以及在沒有考慮防范措施情況下的失效后果,最終風險的計算是失效概率和失效后果的乘積,即RISK=PoF×CoF。當得到裝備風險單元的風險值以后,再將其風險排序,從而清楚區分開高、中、低風險單元。一般中高風險區域需要進一步進行定量風險分析,而低風險區可以不用進一步做量化風險分析。

1.3 RBI定量風險分析方法

油氣平臺結構的定量風險分析需要建立結構不同失效模式的退化模型,并進行結構的可靠性分析。海上結構物退化模型主要包括基于年平均腐蝕速率的腐蝕模型、基于SN曲線的疲勞損傷模型和基于斷裂力學理論的裂紋擴展模型。退化模型可以用來預測關心的參數隨著時間的變化情況,再利用結構疲勞或強度可靠性方法確定結構的最優檢測周期和最佳檢測方法。

結構可靠性分析的主要步驟包括:

(1) 選擇適應于平臺結構風險單元的合理的結構可靠性分析方法。

(2) 進行結構強度和疲勞可靠性分析,確定結構的可靠性指數隨時間(單位通常為年)變化的曲線。

(3) 根據結構失效后果確定結構目標可靠性指數(βt,一般后果越嚴重,目標指數越高)。

(4) 將計算的時變結構可靠性指數β(t)和目標可靠性指數βt對比,當可靠性指數低于目標指數時就需要進行結構檢測。

定量風險分析最主要的是,定量計算出結構失效模式的失效概率,一般采用結構可靠性方法。比如,海洋平臺結構物失效模式一般包括強度不夠引發的變形和屈曲、疲勞強度不夠導致裂紋的產生和擴展等。結構可靠性采用概率方法處理結構失效中的不確定性因素,因此,所有包含不確定因素的變量都會描述為隨機變量,每個隨機變量的統計特征主要包括服從的分布、均值和標準差等。

結構可靠性分析理論主要是建立機構不同失效模式的極限狀態方程(Limit State Function),一般公式為

g=R-S=f(X)

(1)

式中,R為結構的承載能力(如強度),是隨機變量;S為結構的外部載荷,也是隨機變量;X為問題包含的所有隨機變量組成的向量。

極限狀態方程(1)的值小于零(g<0),則表明結構承載能力小于外部載荷,結構失效;反之,大于零則結構安全(g>0)。定義g=0為極限狀態面(也稱為失效面),失效面將整個空間分為失效域(Df)和安全域(Ds),失效面是兩者之間的邊界面。

結構的失效概率可以定義為

(2)

其中,fRS(r,s)為結構承載能力和承受載荷的聯合概率密度函數,如圖3所示。fX(x)為聯合概率密度函數的廣義表示方法,X為問題涉及的所有基本變量組成的向量,包含了R和S中的所有隨機變量。約定公式中黑體字符表示向量或矩陣。

圖3 結構承載能力R和載荷S的聯合概率密度分布圖

一般方程(2)很少有理論解析解,通常需要數值方法進行數值積分求解。但在極特殊條件下,比如R和S都服從正態分布且線性獨立時,可以有如下解析解:

(3)

其中,μR為承載能力的均值,即E[R];μS為外部載荷的均值,即E[S];σR為承載能力的標準差,即D[R];σS為外部載荷的標準差,即D[S];β為結構可靠性指數,可定義為

(4)

方程(2)在絕大多數實際工程中,都依賴于數值解來計算,常用的數值求解方法有一階二次矩方法(FOSM)、一階可靠性方法(FORM)或二階可靠性方法(SORM)、蒙特卡洛方法(MCS)等。其中,最為常用的是一階可靠性方法和蒙特卡洛方法。

1. 一階可靠性方法的數值算法總結

S1:初始化m=1;選擇一個初始迭代點,比如x*=x(m)=μX。

更新得到新的迭代點。

S7:更新迭代步m=m+1,重復迭代步S2～S6直到可靠性指數β的值趨于穩定為止。

2. 蒙特卡洛方法(MCS)的數值算法總結

S1:已知結構可靠性問題的極限狀態方程的邊際安全(safety margin)Z=g(X),包含的基本隨機變量Xi的分布類型以及均值和標準差分別為μi和σi(i=1,2,3,…,n)。

S5:檢查Z(k)的值,如果Z(k)<0,則執行操作n=n+1;如果k

S6:循環步驟S3～S5,直到k>N為止。

3. 疲勞退化模型理論

平臺結構疲勞可靠性分析主要是計算結構的疲勞可靠性指數,將其與可靠性指標水平對比,從而確定結構檢測的最佳檢測周期。此外,疲勞可靠性分析還可以通過類似連接結構的檢測狀況,通過概率論理論推斷未被檢測的連接結構的裂紋情況。

結構疲勞可靠性分析可以基于S-N曲線方法或者是斷裂力學理論,前者相對成熟和簡單,后者更有利于疲勞可靠性更新。

根據DNV疲勞計算規范,基于S-N曲線疲勞極限狀態函數可以定義為

g=Δ-D

(5)

其中,Δ是描述結構疲勞承載能力的隨機變量;D為累積疲勞損傷,可采用下式計算:

D=T·ν0·Dcyc

(6)

式中,T為所計算的年限,ν0為年均應力循環次數,Dcyc為每次應力循環作用下的疲勞損傷的期望值。當單斜率S-N曲線以及結構物受到長期韋布爾分布波浪載荷作用時,結構物疲勞極限狀態函數可以表示為:

(7)

其中,K為S-N曲線參數,m為S-N曲線的反斜率,A和B分別為韋布爾分布的特征參數,εs為波浪載荷模型不確定系數,Γ(·)為gamma函數。

斷裂力學疲勞理論認為,裂紋擴展滿足Paris法則[12],即

(8)

其中,a為裂紋的深度;N為應力循環的次數;C和m為和材料相關的裂紋擴展參數;ΔK為應力強度因子范圍,和應力范圍相關,可用下面公式計算:

(9)

式中,Y(a)為裂紋的幾何函數,一般和裂紋的位置有關。

聯立方程(8)和(9)可以得到:

(10)

對該微分方程積分可得:

(11)

式中,a0為初始裂紋深度,ac為擴展后的裂紋深度,等號右端加和項為m階應力范圍的總和,N為平臺運動誘導應力的總循環次數,E[Sm]為m階平臺誘導應力的期望,可以通過長期波浪誘導應力范圍概率分布函數計算。

方程(11)左端可以認為是有裂紋結構的承載能力,右端可認為是結構遭受的載荷。因此,可以通過方程左端項減去右端項得到基于斷裂力學理論的裂紋極限狀態方程。

2 基于RBI技術的油氣平臺結構完整性管理

2.1 基于RBI的平臺船體結構完整性管理

海上采油平臺主要從事海上油氣生產和儲卸,從外形劃分主要包括張力腿式、立柱式、半潛式、導管架式、FPSO型等不同類型?；赗BI的平臺船體結構完整性管理主要是針對平臺的主船體(Hull)結構部分進行的。常見浮式平臺通常包括上層建筑、主船體、系泊或動力定位系統、立管系統等幾大模塊。平臺主體頂端需要連接上層建筑,同時支撐水下的立管和系泊系統,因此,其結構完整性至關重要。

基于RBI的平臺船體結構完整性管理的主要目的是定性、定量分析主船體結構的風險等級,以及退化、失效機制,基于主船體結構的風險等級高低制定一種優化的結構檢測方案及策略。該方法主要內容包括收集主體結構基線數據、對主體結構進行若干風險單元劃分、對主體結構進行定性風險分析、對定性分析確定的中高風險區域進一步做定量風險分析。采用結構退化模型和結構可靠性方法,進一步確定合理的檢測周期和方法,制定初始的主檢計劃(initial in-service inspection plan,ISIP),根據每次檢測的數據,評估及更新主檢計劃。因此,船體結構完整性管理的目的是確保所有檢測單元的風險在設計年限內都控制在可接受范圍內,從而有效減輕潛在風險帶來的生命、財產和環境方面的損失。

基于RBI船體結構的檢測流程如圖4所示。

圖4 船體結構基于RBI檢測流程圖

在平臺船體基于RBI檢測計劃制定過程中,需要根據平臺設計、建造、安裝和作業過程中生成的所有相關報告確定:

① 船體結構的腐蝕情況及關鍵位置。

② 船體結構的涂層類型、分布和損傷情況。

③ 船體結構疲勞情況及關鍵位置。

④ 有潛在安全隱患的關鍵位置。

⑤ 船體結構陽極塊的位置、分布及損耗情況。

⑥ 船體艙室的布置、主要功能及潛在風險。

⑦ 備品的種類、數量、分布以及保養狀態。

平臺船體基于RBI檢測計劃的主要內容包括:

① 制定船體艙室的檢測清單、順序和實施方案。

② 確定關鍵檢測部位的執行指南和檢測閾值。

③ 檢測單元的檢測記錄表,一般包括唯一編號、描述、需檢測數據等。

④ 圖紙或者照片顯示各個檢測單元的具體檢測部位。

⑤ 針對各檢測單元的檢測步驟、方法、工具、安全注意事項等。

⑥ 所有檢測數據的記錄、存儲和狀態更新。

⑦ 對數據異常的檢測單元進行風險評估及降低風險的措施。

⑧ 不同檢測單元的結果記錄模板。

平臺船體的RBI檢測一般分為內部檢測和外部檢測。內部檢測主要針對的結構包括各個艙室的外板、甲板、艙壁、過道舷梯、電梯結構,以及各類加強的肋板、主梁和扶強材等。外部檢測又可以分為水上檢測和水下檢測,主要針對外板、動力定位系統、系泊和立管連接支撐結構、陽極塊、標記和一些其他附屬結構等。檢測重點包括涂層的破壞、陽極塊的電勢及損耗、鋼板的腐蝕、焊縫連接處是否有裂紋、是否發生了局部腐蝕和泄露、是否有結構機械損傷和屈曲等。

2.2 基于RBI的系泊系統完整性管理

錨鏈是平臺位置保持的關鍵結構系統,一般由錨鏈、鋼纜、合成聚酯纜、卸扣、固定錨和各種形式的連接構件組成,其頂端與平臺相連,底端一般通過樁或者錨固定在海底。常見的錨鏈系統主要結構有錨機、導纜器、止纜器、錨鏈、合成聚酯纜、錨固結構(如拖曳錨、吸力筒、錨樁等)、各類連接器等。錨鏈系統的RBI完整性管理是通過分析錨鏈所有構件的風險等級,根據風險分布制定合理的檢測計劃,確保錨鏈系統在設計年限不會斷裂,而造成平臺失穩和大漂移。

基于RBI的系泊系統完整性管理和平臺船體結構的完整性管理類似,也是基于錨鏈系統的基線數據進行定性風險分析。首先,區分高風險部位和低風險部位;然后,再根據退化模型和可靠性分析,進一步確定檢測部位的最佳檢測方法和周期,確保整個錨鏈系統在平臺服役期間不會斷裂并能持續提供設計拉力。

錨鏈系統的基線數據是錨鏈風險分析的基礎,主要包括:

① 設計基礎數據、采用的規范和標準、水深、海底地形和地質參數、海洋環境參數、平臺形態參數等。

② 錨鏈設計、安裝和作業過程中生成的各類報告數據。

③ 錨鏈的建造規格書、材料測試報告、焊接規格書、無損探傷報告、出廠合格測試、涂層信息、事故維修記錄數據等。

根據已有工程經驗,錨鏈系統主要檢測單元可能包括鏈條、鋼纜、合成纜、連接器、導纜器、止纜器、錨機、絞盤、拖曳錨或固定樁等。錨鏈檢測一般也可以分為水面檢測和水下檢測。水面檢測主要檢測錨鏈頂端張力是否正常、錨鏈的傾斜角度是否正常、頂端連接段鏈條是否有磨損或裂紋、保護涂層是否有損壞、錨鏈是否有異常變形或者扭曲等。水下檢測主要檢測錨鏈近水面海生物附著情況、近水面的腐蝕情況;如果有鏈條和聚酯纜相連,連接器部位是否有裂紋或變形,是否有磨損或碰撞接觸發生;陽極保護電勢是否正常;錨鏈與海底接觸段是否有過度磨損和裂紋;錨鏈是否有局部嚴重腐蝕和凹坑;連接部位是否有構件損壞或者脫落;纜繩部位是否扭曲或者纖維斷裂;錨鏈與海底海床接觸部位是否產生了溝槽;固定錨或者樁周圍土體是否松動等。

錨鏈系統RBI完整性管理過程主要內容包括:

① 基于錨鏈系統基線狀態,確定錨鏈系統可能的失效和退化機理。

② 定性風險分析,確定錨鏈系統有重大風險的構件及位置。

③ 基于退化模型和可靠性分析,確定錨鏈系統所有確定檢測部位的檢測周期和檢測方案。

④ 對于數據異常的檢測部位要再次進行風險評估。如果當前狀態超出了初始設計允許接受的臨界范圍,則需要采取降低風險的措施或者維修和替換。

2.3 基于RBI的立管系統完整性管理

立管結構的RBI完整性管理主要是基于RBI檢測技術,通過分析立管各構件的失效可能性和事故后果,建立一套合理優化的檢測計劃,從而周期性地獲得立管系統結構的狀態數據。通過分析立管結構的惡化、損傷機理及風險分布,確保系統各構件的風險值控制在允許范圍內,不會發生對安全、環境和財產造成重大損失的事故。

立管完整性管理的數據主要分為特征參數和狀態參數。特征參數指在立管安裝完成時收集的所有設計、制造和安裝數據,如設計基礎數據、各類設計分析報告數據、建造安裝過程中的各類檢測和測試數據等。狀態參數指立管當前的狀態,主要包括相對于特征參數發生了變化的數據,如在線檢測監測的數據、疲勞損傷數據、腐蝕狀態數據、維修保養數據等。這些數據主要用來評估立管由于疲勞損傷和功能退化引發的結構失效的可能性。立管風險評估的結果,要么是立管結構安全適合作業,要么是需要采取相應降低風險的措施。

基于RBI風險檢測的工作范圍主要依賴于立管系統的潛在威脅、失效后果和立管當前所處的狀態。RBI檢測計劃主要包括檢測周期、檢測方法和檢測步驟。立管系統的主要檢測單元主要包括立管管節、連接接頭、柔性接頭、應力接頭、張緊器、浮箱及浮材(如有)、VIV抑制裝置(如有)、陰極保護塊等。主要檢測內容包括立管的內外腐蝕、連接處是否有裂紋、可能的碰撞和磨損、局部是否有機械損傷或者點蝕、是否有屈曲、柔性接頭是否泄露、陽極塊的損耗程度、VIV抑制裝置是否損傷或脫落(如有)、海生物生長狀況、浮力材是否損傷或脫落(如有)等。

立管系統RBI完整性管理主要內容和步驟可概括為:

① 基于立管系統基線數據,確定立管系統可能的威脅和退化機理。

② 定性風險分析,確定立管系統各構件的風險等級和位置,并確定重點檢測構件及分布。

③ 基于退化模型和可靠性分析,確定立管系統所有關鍵檢測部位的檢測周期和檢測方法。

④ 對檢測到的異常數據再次進行風險評估。如果參數超過了初始設計允許的臨界范圍,則需要采取降低風險的措施(如高風險增加檢測頻率、維修和替換已損傷構件、增加防腐措施等)。

3 定量風險分析算例研究

針對海洋結構物不同失效模式的定量風險分析,最關鍵的步驟在于如何采用結構可靠性理論,計算出每種失效模式的失效概率。定量風險分析失效概率的計算主要流程如圖5所示。

圖5 定量失效概率計算流程圖

下面以基于S-N曲線疲勞的極限狀態函數公式(7)為例,分別采用一階可靠性方法和蒙特卡洛方法進行失效概率的計算。假定該問題涉及的隨機變量分布與統計特征如表3所示,實際項目中,這些參數需要基于海區實際測量數據進行概率統計分析得到。

表3 涉及基本變量的隨機統計分布及特征

將公式(7)中所有隨機變量轉換到正態分布空間,并定義:

X1=Δ,X2=ln(Log10K),X3=ln(εs),X4=ln(A),X5=1/B

(12)

則極限狀態函數在正態分布空間可以表示為

G(X)=X1-ν0T·10-eX2emX3emX4Γ(1+mX5)

(13)

定義Yi=(Xi-μXi)/σXi,可進一步將方程(13)轉換到標準正態分布空間:

G(Y)=(μX1+σX1Y1)-ν0T·10-eμX2+σX2Y2
em(μX3+σX3Y3)em(μX4+σX4Y4)
Γ(1+m(μX5+σX5Y5))

(14)

對于一階可靠性方法(FORM),計算極限狀態函數針對每個隨機變量Xi的梯度,即一階偏導數是整個迭代計算的關鍵。該算例一階偏導函數計算如下:

上式中,gamma函數的一階導數計算很復雜,因此可以先用Sterling’s公式[19]對gamma函數先進行解析近似,再進行一階偏導的計算。因此,有如下近似關系成立:

(15)

標準正態分布空間極限狀態函數對隨機變量X5的偏導可近似為:

(16)

基于表3的假設,輸入參數和1.3節的數值計算算法,當ν0=1.2E6次/年,m=3時,分別采用蒙特卡洛(MCS)和一階可靠性方法(FORM)數值近似方法,對年限T=5,10,15,20四種不同時間進行失效概率計算,可得到表4所示的計算結果。

表4 定量風險分析失效概率數值計算結果對比表

從表4可以看出,由于蒙特卡洛是基于樣本隨機抽樣反復多次實驗,實驗次數越高,其計算結果就越精確?；诠こ探涷?蒙特卡洛方法的結果相比一階可靠性方法更為精確。該算例一階可靠性方法的結果與蒙特卡洛方法的相對誤差比較小,基本在工程應用允許的誤差范圍左右。說明該算例分析采用的兩種數值計算方法得到的失效概率都是較為準確的。

其他失效模式的定量失效概率計算可以采用類似的計算過程,即確定失效模式的極限狀態函數,確定極限狀態函數中基本變量,確定所有基本變量的分布及概率統計參數,將基本變量向標準正態分布空間轉換,最后依靠蒙特卡洛或一階可靠性算法進行可靠性指數β或失效概率Pf的計算。

4 基于RBI檢測計劃的制定、執行和更新

針對平臺主船體、系泊和立管系統的RBI檢測計劃制定主要包括:

① 基于基線數據,對劃分風險單元進行風險分析,確定風險單元的風險等級和檢測目標。

② 針對主船體制定艙室的檢測清單、順序和實施方案。

③ 確定關鍵檢測部位的執行指南和檢測閾值。

④ 確定基于RBI方法和船級社規定方法的對比清單。

⑤ 針對每個檢測單元的檢測計劃一般包括編號、周期、檢測方法、描述、關聯的圖紙信息等。

⑥ 圖紙或者照片顯示檢測單元的具體檢測部位。

⑦ 針對各檢測單元的檢測步驟、方法、工具、安全注意事項等。

基于RBI的服役期總檢測方案主要包括以下信息:

① RBI檢測計劃的目的和范圍。

② 為了獲得需要的檢測結果,需要采取的檢測方法和工具。

③ 檢測方法能否有效探測到結構可能的退化機制。

④ 為了確定檢測數據的有效性需要進行多少個測點檢測。

⑤ 對于每個檢測單元或者結構,需要的合理檢測周期是多少。

⑥ 檢測到的數據如何管理,如何進行RBI計劃的更新。

⑦ 觸發風險評估或者RBI計劃更新的臨界值是多少。

RBI檢測方案執行主要包括檢測、數據記錄和解決檢測到的異常狀況。在檢測過程中,檢測的結果數據會被有經驗的RBI專家或者工程分析師進行數據評審,檢測的結果會和設計規范規定的允許接受閾值比較。結果超過規范允許范圍,會被認為是異常數據,需要采取措施進行風險管控,確保結構在設計年限的完整性,即結構的風險控制在規范規定或業主可接受的范圍內。

一種常用的控制檢測方案執行方法是,根據檢測的工作內容編制檢測工作計劃書。這些工作計劃書會分發給檢測員,其格式和內容應該簡明易懂并易于執行。應該包含所檢測需要的全部信息,比如圖紙、流程、測試位置、檢測方法、檢測結果記錄表、校準日志、異常情況清單表等。

RBI檢測執行的控制的方法主要有:

① 制定清楚簡明的檢測工作范圍并嚴格執行。

② 標準化檢測報告的格式。

③ 檢測人員需具備較強專業素養并獲得資格認證。

④ 檢測設備質量合格并且及時校準。

⑤ 明確異常狀況的評判標準和匯報機制。

⑥ 有清楚的安全準則和政策。

RBI計劃的更新一般由裝備或者資產的運營方或者占有方執行。RBI計劃更新需要對檢測結果數據和觀測到的異常狀況進行評估。一般當檢測數據超過了某個允許臨界值時,該位置的RBI檢測計劃就很可能需要更新。一般當檢測計劃的檢測周期發生變化時,更改計劃會被提交到第三方認證機構比如船級社審批。

整個RBI完整性管理可以總結為圖6所示的流程圖。

5 結 論

采用RBI檢測技術,對大型海洋工程裝備進行運營期完整性管理。該技術首先根據收集的基線數據進行風險分析,得到裝備結構的風險分布,從而制定出一套基于風險的初始檢測計劃;再根據對每一次檢測的新數據重新評定劃分的風險單元的風險等級,對原來的檢測計劃進行必要更新?？捎行崿F高風險結構加強檢測,低風險結構放寬檢測,在保證平臺各大系統結構完整性的同時,有效優化利用檢測資源和節約檢測成本。