深海悬链线立管分段安全评估方法与应用

2013-09-07吴天龙

石油矿场机械 2013年10期

姜峰，吴天龙，曹鑫

（兰州理工大学石油化工学院，兰州730050）①

深海悬链线立管长达千米，由于立管在深海中受到复杂的载荷、腐蚀、第三方破坏等作用，立管不同部位的安全状态不同。立管的破坏是一个“水桶原理”，不论立管哪个管段发生破坏，都会造成严重的事故。深海立管不同于其他设备的安全评价，立管的每个管段不是具有相同的潜在危险和破坏因素。近年来对立管的安全评估主要是将立管作为整体考虑，然而专家在评估立管失效故障树的基本事件发生的可能性时，通常取该基本事件在整个立管中导致立管破坏失效可能性的中间值，这样能快速得到立管失效的大致安全状态，但使得最后的评估不够准确，也不能突出立管失效的高风险管段。

本文从立管的分段方法研究出发，首先分析了立管事故的统计资料，得到了导致立管破坏的主要因素；然后结合近年来国内外对悬链线立管试验研究和数值研究成果，得到了载荷和腐蚀沿立管的变化规律，从而提出悬链线立管的分段方法；最后运用专家评分法和模糊数学对立管的各管段分段安全评估，得到不同管段立管的破坏主要形式和失效概率不同，提出针对立管的不同部位采取相应的监测维护措施和维护周期，既能节约维护经费，也能延长立管的使用寿命。

1 深海悬链线立管的分段方法

1.1 海洋立管事故资料的统计分析

要对海洋立管进行准确有实际意义的分段安全评估，就要对国内外海洋立管的破坏事故统计分析。由美国矿产管理局（Minerals Management Service）统计的关于美国1994—2006年海洋立管事故资料如图1［1］，由英国健康与安全执行署（Health and Safety Executive）统计的关于英国1991—2004年大陆架海洋立管事故资料如图2［2］。

图1 美国立管事故的统计资料

图2 英国立管事故的统计资料

美国的统计资料中：第三方破坏的11起事故中有7起事故是由于船只的碰撞；其余4起事故是由于渔业、落物导致的破坏；载荷直接导致破坏的事故有7起；由腐蚀引起的破坏有5起，且沿着立管在海洋中所处位置不同腐蚀程度不同。英国的统计资料中：第三方破坏的6起事故中有5起事故是由于船只的碰撞；载荷破坏导致立管失效的有4起；腐蚀破坏的有2起。由统计资料可以将立管破坏主要原因归结到第三方破坏、腐蚀破坏、载荷破坏、管理不善4个方面。

1.2 海洋立管试验研究与数值分析

国内外对悬链线立管进行了大量的数值和试验研究，例如：Mohammad Iranpour等对涡激振动下立管结构寿命的研究［3］，高云对钢悬链式立管进行了疲劳损伤分析［4］，美国的 Ali Nakhaee对钢悬链线立管与海床接触疲劳进行了研究［5］，挪威船级社关于腐蚀管线的研究等［6］。在这些研究中可以得到以下观点：

1）悬链线立管的最大涡激振动疲劳损伤通常出现在上端与平台相连接区域，或者下端与海床相连接的区域。

2）由于平台的强迫运动，立管在水平线附近标准接头处的区域截面所受弯矩较大；底端接头顶部接地处，同样由于承受较大弯矩，而在立管的主体部分的弯矩基本呈近似线性变化。

3）悬链线立管在顶端附近和触地点附近的合成应力极值最大，中间区域分2段成近似线性。

4）深海悬链线立管沿立管在海洋中所处位置不同，其外部腐蚀程度也不同，在飞溅区与潮差区最为严重，其次是与海床相接的上部［7－8］。如图3。

1.3 深海悬链线立管分段

由于立管不同部位的破坏形式和安全要求不同，应将整条管道划分为许多小管段，这将增加每条小段管道的安全评价的准确性，却提高了数据搜集、处理与维持的相关费用，安全评价人员必须根据重大状况的变化情况来考虑评价精度与其相关费用的平衡［9］。

立管分段安全评估中，应关注立管系统中最为易变的条件，根据其变化程度与频率关系将那些参数分类，并根据实际工程中海洋立管的运行状况，对立管的风险大的管段识别，分析引起立管各管段失效的主要因素，确定立管的分段方法。从统计资料和立管试验及数值研究中分析，发现立管在海洋中所处的位置不同，变化明显且严重影响立管安全运行的是腐蚀破坏和载荷破坏，并且在导致立管破坏因素中占有很大比例。在统计资料中还发现第三方破坏也占有很大比例，其中包括船舶对立管上部分的撞击，抛锚、渔业、落物等对立管触地段以下的破坏。DNV－RP－F107也提出将立管分为垂直段和水平段进行落物撞击立管的安全评估［10］。基于以上分析，本文提出一个简单的将立管分段的方法，即考虑以下4种情况，然后对立管进行分段：

1）腐蚀情况。

2）第三方破坏。

3）合成应力强度。

4）落物撞击。

参照以上4种情况综合考虑后对立管进行分段，这种分类方式是主观的，也可能不完整，但是可以作为立管分段安全评估的开端。文章综合考虑以上4点出发，提出将立管分为立管上段、悬垂段、触地段、流线段4个管段。当然，这对于处于海洋中超过1 000m的立管来说仍然显得粗略，在这4个大的管段中还可以进行更小的划分。如图4。

图4 立管分段示意

这样划分过后的优点是：在作评估时可以根据立管的不同部位进行评估，不必考虑整个立管采取中间值来评估立管，能够突出各段立管破坏的主要原因，以及立管各段的失效概率。

2 应用实例

2.1 目标立管参数及海洋状况

本文以2 000m半潜平台注水立管为例，以海床为x轴，水深方向为y轴，将立管分为立管上段、悬垂段、触地段、流线段4个管段，如图4所示。由于篇幅的限制，截取立管上段为列，阐述立管的分段研究。悬链线立管参数如表1。选定我国南海某海域为目标海域，其海洋状况如表2。

表1 悬链线立管参数

表2 某海域的海况参数

2.2 立管破坏定性与定量分析

2.2.1 立管故障树与定性分析

由于是做立管分段评估的实例分析，本文故障树的建立引用宋青武的硕士论文《海洋立管风险评价与安全措施研究》中关于立管破坏的故障树，不再单独建立立管破坏失效故障树。该论文得到海洋立管破坏故障树有61个底事件，105个最小割集，其中有21个一阶最小割集，是系统的独立故障点，它们能直接导致立管破坏失效［11］。可对基本事件采取概率重要度分析，它反映各基本事件对顶事件的影响程度［12］。本文根据该故障树，选取立管上段“外涂层过薄”说明专家评分法结合模糊数学求基本事件概率的方法。

2.2.2 立管上段基本事件的定量计算

专家评分法是确定事故概率的常用方法。在判断事件失效概率时，通常是采用“较小”“很大”等模糊自然语言值来描述事件发生的概率。然后把模糊自然语言根据隶属函数转化为模糊数［13］。将表1中立管参数和表2中海况参数发给来自管线设计、施工、安装、维修和管理等不同领域的N位专家，获取专家对立管破坏的基本事件（xi）评判资料，并可采用层次分析法（AHP）估计专家意见的权重值［14］，N位专家的权重值总和应该为1。本文以立管上段的“外涂层过薄”说明用模糊数学求解基本事件的概率，邀请的10位专家评判结果为很小（VS）0票、小（S）0票、较小（RS）0票、中等（M）1票、较大（RL）1票、大（L）3票、很大（VL）5票。并假设各专家的权重值相等。

根据隶属函数的知识，可以得出专家判断的隶属度函数表达式为

对式（1）～（4）采用模糊集合的α截集处理，令其α截集为Wα＝［z1，z2］，其中z1、z2为α截集的上、下限。对式（1）而言，令其α截集为Mα＝［m1，m2］，令α＝（m1－0.4）／0.1，α＝（0.6－m2）／0.1，则可以得到m1＝0.1α＋0.4，m2＝0.6－0.1α。同理可得：“较大”评判的模糊集为rl1＝0.1α＋0.5，rl2＝0.8－0.1α；“大”评判的模糊集为l1＝0.1α＋0.7，l2＝0.9－0.1α；“很大”评判的模糊集为vl1＝0.1α＋0.8，vl2＝1。因此可以得到在α截集下10位不同领域专家模糊集为

令Wα＝｜（x1，x2）｜＝｜0.1α＋0.7），（0.91－0.05α）｜，则可得到

所以可以得到平均模糊数W 的函数关系为

为了能在故障树分析最终结果中进行故障概率的比较，就必须把模糊数转化为一个清晰值，即模糊可能性值FPS，FPS代表了10位专家对立管上段“外涂层过薄”这一事件发生可能性值。由Chen和Hwang提出的左右模糊排序法可以把模糊数转化为FPS［15］，这种方法定义的最大模糊集和最小模糊集为

该模糊数的右模糊可能性值为

左模糊可能性值为

因此平均模糊数W 的模糊可能性值为

经计算 FPSR（W）＝0.8667，FPSL（W ）＝0.2727，FPS（W ）＝0.797

为了确保确定的失效概率和模糊失效概率的一致性，须将模糊可能性值FPS转换为模糊失效概率FFR［16］，转换公式为

将由式（8）计算得到模糊可能性值FPS（W）＝0.797代入式（9）就可得模糊失效概率FFR＝3.48×10－2，这就是结合专家判断法和模糊数学求得的悬链线立管上段的“外涂层过薄”这一基本事件发生的概率。

采用同样的方法可求得悬链线立管破坏失效故障树的其他基本事件发生概率。在分析立管上段时，发现立管上段失效概率大的依次是船舶碰撞、外涂层过薄、疲劳破坏，其概率分别为5.52×10－2、3.48×10－2、3.26×10－2。通过计算分析发现，在悬链线立管分段中，导致立管各段破坏失效的主要原因不同，在立管上段，主要是由于飞溅区的腐蚀和合成应力过大。

2.2.3 立管上段顶事件的定量计算

悬链线立管破坏故障树顶事件是全体最小割集的并事件，发生的概率可以用式（10）来计算，即

式中，Ki为故障树的第i个最小割集；n为故障树最小割集总数。

将最小割集发生的概率代入式（10），可得悬链线立管上段发生破坏的概率为Ps（T）＝0.105。同理，采用计算机编程计算，可得悬垂段破坏概率Px（T）＝5.03×10－2，触地段破坏概率Pc（T）＝8.11×10－2，流线段破坏概率Pl（T）＝4.15×10－2，整体分析P（T）＝7.68×10－2。

由计算可得Ps（T）＞Pc（T）＞P（T）＞Px（T）＞Pl（T），因此可以适当提高对立管上段的维护周期频率，适当减小流线段的维护频率。所以将立管分段安全评估，可以为立管各管段不同的维护周期提供理论依据。

3 结论

1）深海立管长达千米，不同部位立管的工况不一样，导致了立管各管段的安全状态不相同。根据国内外对立管的试验研究和数值研究的结果，提出按立管腐蚀情况、第三方破坏、合成应力强度、落物撞击4个方面综合考虑，将立管分为上段、悬垂段、触地段、流线段进行安全评估。

2）采用专家判断法和模糊数学相结合的方法对立管各管段失效概率定量分析，得到了导致立管各管段破坏的主要因素不同。立管上段故障树基本事件中发生概率大的是船舶碰撞、外涂层过薄、疲劳破坏，应加强相应的防护措施。

3）采用计算机编程计算得到悬垂段、触地段、流线段的失效概率，并与整体分析的破坏失效概率相比较，得到各段破坏失效概率由大到小的排序，并提出适当增加立管上段的维护周期。

4）对不同的管段要建立专门的故障树进行风险识别，这样才能找到管道失效的真正原因。故障树结合专家判断与模糊数学的定量分析的计算比较复杂，实际工程中可开发相应的计算机软件来提高这种方法的可操作性。

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