渤海海洋平台管节点可靠度分析

渤海海洋平台管节点可靠度分析

海洋石油工业是投资高、技术密集、风险大的行业。海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施,是海上生产和生活的基础。自20世纪40年代后期第一座钢质海洋平台在墨西哥湾建成投产以来,在世界不同海域已建成不同型式的海洋平台6000余座,绝大多数是钢质平台。海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵,所处的环境条件复杂而恶劣,承受着多种随时间和空间变化的随机荷载,包括波浪、海流、风、潮汐及海冰等引起的荷载的联合作用。环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷与基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等,都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减,影响结构的服役安全度和耐久性。海洋平台管节点,由于不可避免地存在着结构的不连续性和加工、焊接的缺陷,因此在弦杆和撑杆交接附近有很高的应力集中。此外,焊接残余应力又造成金属的局部塑性变形,在交变荷载、低温、海水腐蚀等作用下接头高应力区的危险点将会首先发生疲劳破坏,并逐渐扩大而使节点破坏。管节点除了发生疲劳断裂破坏外,也易发生冲剪破坏、塑性破坏、脆性断裂破坏。历史上曾有多次海洋平台事故是先从导管架焊接管节点脆性破坏或疲劳断裂破坏引起的,造成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如,1965年英国北海的“海上钻石”号平台支柱拉杆脆断,导致平台沉没;1969年我国“渤海2号”平台被海水灌入翻倒,造成直接经济损失2000万元;1980年北海Ekofisk油田的“亚历山大·基而兰”拉杆疲劳断裂,导致平台沉没。这些教训给海洋资源开发予以很大的警示,促进国内外海洋石油部门加倍地投资和努力研究海洋平台的关键科学问题,使海洋平台结构的设计、维护和安全评定提高到一个新的水平,从而为海洋油气资源的安全开采提供了可靠的保证。因此,管节点强度设计和可靠性分析是当前海洋结构基本性能研究的主要方向,也是保证平台结构安全的重要问题。在我国渤海地区,目前已有20多座导管架平台,大部分已服役多年,对这些平台进行科学的检测、维护和修理,已是我国海洋石油产业继续发展所急需解决的问题。为了正确评价现役平台的强度,提高生产作业的安全保障,需要建立规范化、科学化的平台检测规程,建立对平台状态的科学描述与数据积累系统,对平台各类损伤的定量分析及损伤强度的评估系统,以及对平台寿命的科学预估方法。本文正是基于以上背景,进行海洋平台管节点强度的可靠性分析,并编制了相应的可靠度计算分析软件。1海洋平台结构失效的原因海洋平台结构中杆件和节点是两个基本构件,而其中的节点是连接各个杆件的关键部位,也是最薄弱的环节。如果节点发生破坏可能会导致整个结构的失效,所以应该对海洋平台结构中的管节点给予足够的重视。图1是节点的基本形状。根据各节点撑杆在每一个荷载工况下具体的荷载型式,节点分为K、T和Y,或交叉(X)型节点。对于K型节点,其中一个撑杆的冲剪荷载由位于节点同一平面内同一侧的其它撑杆平衡。在T和Y型节点中,冲剪荷载由弦杆的横向剪切力所平衡。对于交叉型节点,冲剪荷载通过弦杆传于对侧的撑杆,可根据在总荷载中的份额用内插法确定。2基于观念转变的管节点结构可靠性分析方法结构可靠度是研究结构工程中不确定性问题的一门新兴学科,是人们对客观世界的新认识,是结构理论中最重要的组成部分。而海洋平台的结构可靠度既具有结构可靠度理论基础的共性问题,又具有海洋工程的专业特殊性问题,是一个具有难度但同时富有挑战性的重要研究领域。20世纪80年代以来,美国、挪威、英国和法国等围绕国际标准化组织(ISO)制定的全球海洋结构设计标准所开展的一系列“海洋结构可靠度”方面的研究,形成了与ISO相适应的不同海域的设计标准,推动了结构可靠度理论和应用的发展。我国也十分重视海洋平台结构可靠度方面的研究,在国家自然科学基金会和中国海洋石油总公司的资助下,开展了一系列的研究工作,取得了很大的进展。本文结合SACS软件系统,基于结构可靠度理论,选用文献中关于管节点冲剪强度的计算公式对海洋平台结构各种类型的管节点进行强度可靠性分析。结构可靠度理论中的一个基本问题是结构失效概率的计算:式中:f(X)是随机变量向量X=(x1,x2,…,xn)T的联合概率密度函数,代表一些不确定性,例如荷载、材料特性等;g(X)是功能函数,当g(X)≥0时,表示结构处于安全状态,g(X)<0时,表示结构处于失效状态,Pf是失效概率。由于影响结构可靠度的因素既多又复杂,有些因素的研究尚不够深入,因此,很难用统一的方法准确地确定随机变量的概率分布。在通常情况下,只有一阶矩(均值)和二阶矩(标准差)较容易得到。FORM法就是一种在随机变量的概率分布尚不清楚时,采用只有均值和标准差的数学模型求解结构可靠度的方法。由于该法将功能函数在某点(距坐标原点距离最小的点,称为设计点或验算点)用一阶泰勒级数展开,使之线性化,然后求解结构的可靠度,因此称为一次二阶矩法。传统的一次二阶矩方法有中心点法和验算点法,但它们都存在一定的缺点。例如,中心点法假定随机变量是正态分布且相互独立,而不考虑它们的实际分布;对非线性极限状态函数,在平均值点处按泰勒级数展开取线性项,但实际上平均值点并不在极限状态面上,计算误差较大。所以当选择不同的力学等效非线性极限状态函数时,将得到不同的β值。验算点法的主要缺点是计算冗长,若变量较多又存在非正态分布变量时,计算要花费大量时间。由于这两种方法存在着上述不可避免的缺点,所以程序设计中采用了拉格朗日(Lagrange)乘子法。该法对非线性规划具有很好的效果,它以优化的算法,迅速的求解设计点,得到的可靠度指标β具有相当的精度。3节点的极限抗弯能力在计算海洋平台结构管节点强度可靠度时,有多种计算类型供选择:(1)抗拉或抗压;(2)平面内弯曲;(3)平面外弯曲;(4)拉弯或压弯。计算公式采用中国海洋石油天然气行业标准《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法——荷载和抗力系数设计法》管节点强度校核。节点的承载能力应满足下式要求:式中:PD——撑杆的乘系数的轴向荷载,MPa;Puj——节点的极限轴向承载能力,MPa;MD——撑杆的乘系数的弯矩,MPa;Muj——节点的极限抗弯能力,MPa;φj——管节点的抗力系数(见表1)。对部分有K节点,部分有T或交叉节点承担荷载的撑杆,可根据每项所占比例用内插法求出φj。对于受轴向荷载和弯矩联合作用的撑杆,应满足公式(2)、(3)和以下相互作用公式:极限承载能力按下式确定:Qf是考虑弦杆中存在纵向乘系数的荷载的设计系数。式中:λ——0.030对于撑杆轴向应力;0.045对于撑杆平面内弯曲应力;0.021对于撑杆平面外弯曲应力。fax、fipb和fopb分别为弦杆的乘系数的轴向应力、平面内弯曲应力和平面外弯曲应力。φq=0.95,为屈服应力抗力系数。当弦杆最外纤维均受拉时,取Qf=1.0。Qu是随节点和荷载种类变化的极限强度系数,由表2给出。对于β>0.6=1.0对于β≤0.6Qg是间隙系数,按下式确定:Qg=1.8-0.1g/T对于γ≤20=1.8-4g/D对于γ>20但在任何情况下,Qg不得小于1.0。对部分由K型节点,部分由T和Y或交叉节点分担荷载的撑杆,可根据每项所占比例用内插法求出Qu。4节点总体可靠性计算海洋平台管节点强度可靠性计算采用课题所研究的JZ20-2凝析气田在役生活动力平台(即MUQ平台)。JZ20-2凝析气田是我国自营开发和建设的第一座海上气田,位于渤海辽东湾北部海域,距辽宁省锦西市海岸约50km,气田所处水深16～20m。该气田于1992年6月30日完工,同年8月10日一次投产成功。其设施包括:JZ20-2-1即南井口平台(SW)和JZ20-2-2即中北井口平台(MNW)各一座,JZ20-2-3即生活动力平台(MUQ)一座。MUQ平台共有28种荷载基本工况,包括自重荷载、活荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰荷载和地震等。采用SACS软件计算平台杆件内力、应力时采用了14种工况组合。在管节点可靠度计算时,需要用到节点的几何信息,包括节点中撑杆和弦杆的节点号,撑杆的外径和壁厚,弦杆的外径和壁厚,节点类型和夹角,材料弹性模量,材料强度及其分布类型、参数,节点中各杆件在各组合工况作用下的内力、应力,包括轴力(Fx)、弯矩(My、Mz)、轴向应力、弯曲应力,还有相应的应力比。所有这些数据都从SACS输出报告中得到。荷载统计参数取自文献。在对MUQ平台管节点强度可靠性计算结果进行分析时,在所进行的4种可靠度计算类型中,起决定作用的是第一种:抗拉或抗压,即在同一荷载工况组合下,“抗拉或抗压”计算所得的可靠度指标β较其它三种可靠度要小。在所有的节点中,可靠度较低的节点集中出现在某几个节点,如图2中116和117节点的可靠度,相比其它节点较低。具体计算结果见表3～表9。工况组合3:自重+活荷载(重)+1年风(0度)+1年波流(0度)工况组合6:自重+活荷载(重)+25年风(0度)+50年波流(0度)工况组合7:自重+活荷载(重)+25年风(45度)+50年波流(45度)工况组合8:自重+活荷载(重)+25年风(90度)+50年波流(90度)工况组合9:自重+活荷载(重)+低水位冰(0度)+1年流(0度)+50年风(0度)工况组合12:自重+活荷载(重)+高水位冰(0度)+1年流(0度)+50年风(0度)工况组合14:自重+活荷载(重)+高水位冰(90度)+1年流(90度)+50年风(90度)5结果分析和结论本文结合海洋工程分析软件SACS和自行开发的海洋平台管节点可靠度分析软件STRAS对渤海JZ202的MUQ平台(生活动力平台)进行了实际的管节点强度可靠度计算分析,找到了最不利的节点和相应的工况号。由本文的分析结果,可得出如下结论:1)在所有的14种荷载组合工况作用下,可靠度指标最低的节点为117节点,在荷载工况组合3(自重+活荷载(重)+1年风(0度)+1年波流(0