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海上结构的可靠性检验计划
摘要
本文介绍了一系列关于开发和应用基于可靠性的检验计划技术的研究，其中包括固定和浮动平台和自升式钻井平台。提出的一般方法论广泛适用于所有三种类型的海上结构，并且文中基于各种结构的特点之间的差异给出了详细的应对方法。将使用这些技术的需要以及应用它们的所获得的好处一起讨论。提出案例研究以证明这些技术的应用和益处，并通过参数敏感性研究的结果强调重要趋势。此外，还确定和讨论了需要更多工作以进一步推进这些应用的领域。
关键词：水下检查;可靠性;失败的概率;疲劳;海上结构;固定平台;浮子;自升式钻井
1.介绍
水下检查是用作监测护套结构的完整性和性能以确保其安全性和可操作性的手段。然而，这些对操作者来说是显著的成本。本文提出的可靠性技术为操作员提供了一个工具，用于合理选择检查的关节点，以最大化检查的效率。在可能的情况下，可以显着降低检查成本，同时在结构中保持更一致的安全水平。
在更传统的检查计划方法中，各种检查标准以定性方式的组合形式产生检查计划。这些标准包括疲劳寿命，构件临界性，应力水平，过去的检查数据，以前的经验和成本考虑[1]。本文中采用的基于可靠性的检查计划技术通过一种增强决策过程的程序，以定量的方式涵盖所有这些标准。通过使用用于疲劳的概率极限状态函数来实现考虑与确定疲劳寿命的参数相关联的不确定性。此外，从检查中获得的关于接头的过去性能的知识以系统和定量的方式结合在分析中，以更新接头的可靠性并相应地计划随后的检查。这些技术的应用是一个强大的附加工具，当与更传统的方法和工程判断一起使用时，增强了具有潜在安全性和成本效益的决策过程。
近年来，在基于可靠性的检查规划领域已经有显着的发展。这方面的研究工作主要集中在固定钢平台的应用，已开发了各种疲劳可靠性分析和检查更新的工具和方法[2-6]。这一领域的其他研究工作涉及到优化检测方法的开发浮动结构和油轮[7-9]。很多研究已经解决了这些技术应用于自升式钻井平台[10-12]。基于可靠性的检查优化的基于知识的系统的开发已经成为其他研究的主题[13]。最近的研究[14,15]集中在裂缝的观察方面，试图验证北海导管架结构疲劳的概率断裂力学分析。
本文介绍并讨论了这种技术在固定和浮动平台和自升式钻井平台上的开发和应用，通过案例研究强调了这些技术的优点。
本文所描述的一般方法适用于所有类型的海上结构，而详细的方法需要根据每种类型的结构的具体特征进行开发。将讨论一般程序，酌情强调各种类型结构之间的差异以及对这些技术的使用的影响。
本文所述的方法首先应用于固定海洋平台，并介绍和讨论相关示例。这些包括新的和旧的结构，在每种情况下突出显示出该应用程序实现的好处。新结构显然受益于这些工具的早期使用，而具有长检查历史的旧结构也可以通过对这些技术提供的过去检查性能的关键评估和未来检查的合理化而显著受益。
从固定结构获得的经验用于开发进一步应用于浮动结构的方法。需要在所使用的技术中反映的这些结构的具体特征会在本文中讨论。讨论本应用程序的潜在好处，并提出了案例研究和参数敏感性研究的结果。
这些方法在自升式钻机上的应用还没有达到同样的水平。考虑到对这些结构通常使用的检查计划采用更具规范性的方法，这并不奇怪。仍然有一些领域需要解决，以使这些技术成功实施自升式。本文总结了有关自升式结构的相关研究的结果，其目的是审查和评估当前的做法，以确定在何处以及如何基于可靠性的检查计划能改进当前的做法。
讨论了在不同类型的岸上结构上的应用的经验，并且强调了需要更多工作以进一步推进这些技术的应用和受益的使用领域。
2.优化的检验计划方法
最初开发和应用于固定平台的优化检查计划方法中涉及的主要步骤如图1所示。第一步是识别需要考虑进行检查的重要接头，然后再优化其检查。通常用于显着接头的标准是疲劳寿命小于平台使用寿命的10倍。这被认为是一个合理的标准，因为接头寿命为200年的概率比一个接头寿命为20年小三个数量级。
下一步是执行概率疲劳分析，以计算在平台的使用寿命期间接头的故障概率和可靠性。概率疲劳分析使用S-N和基于断裂力学的极限状态函数，使用程序PROBAN [16]和PROFAST [17]进行。然后根据S-N极限状态校准后者，并随后将其用于检查更新分析，最终明确地建立裂纹尺寸参数模型 。
执行第一组分析以获得在执行任何检查之前热点的故障概率和可靠性指数的变化。这由图1中的第一曲线示出。 2a为疲劳寿命为42年的热点。如所预期的，随着结构变老，接头的故障概率增加，因此可靠性指数降低。
用于检查的标准是保持目标可靠性的最小水平，该水平线在该示例中以3.7表示。当可靠性指数达到该值（第三年）时，建议进行检查。通过检查，获得关于过去的关节的性能的知识，这使得我们能够更新该关节的置信水平。在“没有找到”（即没有检测到裂纹）的情况下，可以更新可靠性曲线以反映基于检查观察（参见图2a中的第二曲线）的该关节的性能的增加的置信度。在新曲线满足目标可靠性（在第13年）时，建议进行第二次检查。检查更新被重复足够次数以覆盖整个使用寿命周期。推荐的优化检查间隔源自此过程。
在这种类型的分析中考虑的重要参数之一是与所使用的检查方法相关的不确定性。通过一系列研究，包括在海上结构上使用的检查方法来建立检测概率（PoD）曲线的实验[18,19]。在检查更新分析中建立适当的PoD曲线，并且发现它是重要的参数来确定优化的检查间隔。这通过本文后面讨论的一些灵敏度示例来证明。对于诸如MPI的高质量检查方法，针对“无法找到”情况的优化倾向于增加检查间隔，如在图2a所示的示例中所见。在这些分析中，检测的概率由平均裂缝长度为17.3mm的指数分布表示。
有趣的是将优化的检查计划的结果与当前实践中可能发生的情况进行比较，其中被认为关键的关节通常可以进行定期检查。图2a显示了用于优化检查的可靠性指数的变化，图2b显示了定期检查间隔的相应曲线。在后一种情况下，可靠性指数在每次检查后显示为连续增加。在优化的间隔的情况下，以较少数量的检查来维持目标可靠性的最小水平。这种比较突出了这些技术的潜力，这些技术使得检查能够以保持目标可靠性一致的最小水平的方式间隔开。通过在整个结构中应用这些标准，可以实现更一致的安全水平，同时可以显着减少检查和检查成本的数量。
这里必须注意，上述建议基于在检查期间的“无法找到”的假设，预期对于大多数关节是有效的。如果在将来的检查中发现裂缝，这些将被纳入检查更新分析，并随后计划相应的检查。在这种情况下，预期更新的可靠性曲线的斜率将非常陡峭地下降，反映从关于裂纹生长速率的检查所获得的知识。
这里描述的方法是使用从检查关节获得的信息以更新该特定关节的可靠性预测。这要求在疲劳寿命范围内的所有接头都要包括在优化的检查计划过程中。一种替代方法是从一组接头中识别最具代表性的接头用于检查。从检查这些关节获得的信息可用于更新组中其他关节的可靠性[6]。后者可能导致对处于良好状态的结构的检查要求降低。然而，结果对未检查的关节和检查样品之间的相关程度高度敏感，并且这需要在该方法中仔细考虑。
如预期的那样，目标可靠性值是这种类型的分析中非常重要的参数。这些是结构作为整体可接受的故障概率，结构系统中的冗余和相对构件关键性的函数。对于第一级分析，目标可靠性通常可以基于被认为对北海导管架结构保守的一组推荐值[20]。这些值是通过检查许多代表性导管架结构并进行一系列冗余分析而得到的。依次取出构件并进行冲击分析以获得受损结构的极限强度。通过将完整和受损的结构极限强度相关联，并通过简单的系统可靠性方法组合得到各种可能的失效模式，为不同临界点的构件组推导出目标可靠性。结构整体失效的可接受概率取为10 ^（ - 5）。根据这项研究，推荐一组被认为对北海导管架结构保守的目标可靠性（表1）。应用这些值的示例在图3中示出。其中构件首先被划分为临界度组A-C，其中“A”是最关键的组。基于上述建议的三个组的目标可靠性值被视为4.2,3.7和3.1。
上述目标可靠性值可以通过执行所讨论的特定结构的冗余分析来进一步细化。从两个固定平台的这个过程导出的目标可靠性值与原始假设的目标可靠性的保守集合进行比较。表2涉及图1所示的新结构。图3和表3涉及图4中所示的较旧结构。在这两种情况下，通过使用考虑到具体结构中的冗余的更高级程序，显著降低了不同关键性群体的目标可靠性。
目标可靠性计算可以通过增加构件关键性组的数量来进一步细化，这将使得对于不太关键的构件计算较低的目标可靠性值。
尽管本节中用于说明方法的程序和实例主要来自固定平台研究，但类似的程序适用于其他类型的岸上结构。然而，当得出本文后面部分讨论的详细方法时，需要考虑这些结构的一些具体特性。
3.固定平台
本节介绍了有关新旧固定平台的相关研究的结果，强调了每类结构的优点。
3.1 新平台
使用基于可靠性的检查计划技术进行三个新平台的检查计划。使用如上所述的两个级别的目标可靠性，分两个阶段进行检查计划。最初，应用了目标可靠性的保守集合，并基于这些推导出了检查建议。由此产生的建议显示，与相同操作者对类似结构（图5）通常进行的水下检查相比，关节的水下检查的数量减少。通过使用冗余分析作为导出该结构特有的目标可靠性的基础，可以进一步减少检查次数，这可以从图5的第三部分看出。目标可靠性的任何变化直接影响检查的数量，如图6所示的联合示例所清楚表明的。其中在该结构的使用寿命期间该关节所需的检查次数用新的一组基于冗余的目标可靠性减半。这种效应，结合这些技术在新平台上的早期应用，可以为操作者带来显着的成本优势。重要的是，在这里强调，虽然使用这些技术可以导致对于操作者的显着的成本节省，但是这些方法的基本原理是在整个结构和整个结构的寿命期间保持目标可靠性的一致水平。因此，通过应用这些技术，保持更一致的安全水平的更合理的系统具有显着的成本节省的潜力。在上面讨论的研究中考虑的检查方法是MPI。现在存在与其它检查方法结合的FMD检测方法的增加使用的趋势。这里讨论的技术可以扩展到并入FMD检测。这将需要开发与关节的极限强度相关的FMD的不同极限状态，而不是通过裂纹厚度。
3.2 旧平台
类似的好处可以在老平台上实现，如通过针对图4所示的老平台进行的研究所证明的。 这个平台已经运行了18年，有很长的检查历史。对于过去检查的关节，将从这些检查中获得的知识纳入分析中，以获得其可靠性的更新预测并相应地计划未来检查。以下讨论过去检查数据的系统使用和实现的好处。图7a示出了过去已经检查了多次的关节的代表性示例。这个特殊的关节被检查了三次，在第9，15和16年。在所有三种情况下未检测到裂纹。这些检查数据用于相应地更新接头的可靠性，以获得图7a所示的可靠性曲线。可以看出，作为这些检查的结果，该接头的可靠性现在足够高，以至于在剩余的使用寿命期间不需要进一步的检查。本示例演示了如何使用过去的检查数据来延迟或消除对将来检查的需要。
有趣的是，在这里还注意到，如果这些方法从第一天开始应用（图7b），则在第二十四年仅推荐一次检查，这表明这个特定的关节在过去被过度检查，而其他关节被忽视。早期使用这些技术将避免这种异常。在现有结构上应用基于可靠性的检查计划技术是非常有益的，因为它提供了批判性地检查过去的检查历史，并更有效地计划未来检查的机会。可以识别在过去被过度检查的关节，例如上面讨论的示例，并且可以将检查资源重定向到被发现被忽略的区域。在这里提出的平台的情况下，对于平台的剩余使用寿命实现了整体减少的检查程序。这种编程器的特征在于在整个结构中保持的最小可靠性水平的一致性，以及对于平台的剩余使用寿命的检查费用的整体降低。
4.浮动结构
基于先前从导管架结构应用中获得的经验，开发了基于可靠性的用于浮子的优化的检查计划技术[7]。检查浮子和导管架结构之间的差异，并反映在建议的方法中。虽然通过本文中的代表性结果来讨论方法的开发和应用，但由于保密性，所研究的浮子的具体类型的细节不能被讨论。需要特别注意的区域包括与浮动结构相关的较低冗余，其中通常多个构件将是非冗余的。另一个特征是在一些浮子中观察到的较低的疲劳寿命，以及将需要开发适当的断裂力学极限状态函数的不同类型的接头。此外，用于浮子的检查方法将不同于固定结构，其中例如MPI可广泛使用。在浮子的情况下，需要考虑构成检查策略的一部分的一系列其他技术。下面简要讨论这些方面。在浮动结构上，通常存在可被认为是非冗余的若干构件，其失效将导致结构的失效。在识别结构中的构件关键性分类时，需要考虑这一点，其中给定这样的构件失败的结构的失败概率将接近1.0。由于沿着非冗余构件的接头可能易于疲劳损坏/故障，与这些接头相关联的目标可靠性将相对较高。在高目标可靠性与低疲劳寿命（其在一些漂浮结构中可能是这种情况）的组合的情况下，这可能导致非常频繁的检查要求。预期在浮动结构上发现的接头的类型（例如各种加强接头存在）将不同于通常在固定结构上发现的接头的类型。因此，这需要反映在为可靠性分析开发的适当断裂力学极限状态函数中。对浮动结构的检查策略在某些方面也与固定结构有所不同。影响合适的检查方法的选择的因素包括通过升高检查结构可以在水上方抬高大量接头的事实，或者在许多情况下，可以使用多种不同的方法从内部检查接头。通常，可以使用一系列不同的方法来形成总体检查策略。在检查计划阶段，可以使用本文中描述的技术来考虑这种可能的组合，以得出使检查策略的有效性最大化的建议。
4.1 代表性的疲劳和优化的检验计划结果
基于上述讨论类型的用于浮动结构的方法被应用于示例浮子上。在分析的特定示例中，疲劳分析强调
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