深海懸鏈線立管分段安全評估方法與應用

姜 峰，吳天龍，曹 鑫

（蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州730050）①

深海懸鏈線立管長達千米，由于立管在深海中受到復雜的載荷、腐蝕、第三方破壞等作用，立管不同部位的安全狀態不同。立管的破壞是一個“水桶原理”，不論立管哪個管段發生破壞，都會造成嚴重的事故。深海立管不同于其他設備的安全評價，立管的每個管段不是具有相同的潛在危險和破壞因素。近年來對立管的安全評估主要是將立管作為整體考慮，然而專家在評估立管失效故障樹的基本事件發生的可能性時，通常取該基本事件在整個立管中導致立管破壞失效可能性的中間值，這樣能快速得到立管失效的大致安全狀態，但使得最后的評估不夠準確，也不能突出立管失效的高風險管段。

本文從立管的分段方法研究出發，首先分析了立管事故的統計資料，得到了導致立管破壞的主要因素；然后結合近年來國內外對懸鏈線立管試驗研究和數值研究成果，得到了載荷和腐蝕沿立管的變化規律，從而提出懸鏈線立管的分段方法；最后運用專家評分法和模糊數學對立管的各管段分段安全評估，得到不同管段立管的破壞主要形式和失效概率不同，提出針對立管的不同部位采取相應的監測維護措施和維護周期，既能節約維護經費，也能延長立管的使用壽命。

1 深海懸鏈線立管的分段方法

1.1 海洋立管事故資料的統計分析

要對海洋立管進行準確有實際意義的分段安全評估，就要對國內外海洋立管的破壞事故統計分析。由美國礦產管理局（Minerals Management Service）統計的關于美國1994—2006年海洋立管事故資料如圖1［1］，由英國健康與安全執行署（Health and Safety Executive）統計的關于英國1991—2004年大陸架海洋立管事故資料如圖2［2］。

圖1 美國立管事故的統計資料

圖2 英國立管事故的統計資料

美國的統計資料中：第三方破壞的11起事故中有7起事故是由于船只的碰撞；其余4起事故是由于漁業、落物導致的破壞；載荷直接導致破壞的事故有7起；由腐蝕引起的破壞有5起，且沿著立管在海洋中所處位置不同腐蝕程度不同。英國的統計資料中：第三方破壞的6起事故中有5起事故是由于船只的碰撞；載荷破壞導致立管失效的有4起；腐蝕破壞的有2起。由統計資料可以將立管破壞主要原因歸結到第三方破壞、腐蝕破壞、載荷破壞、管理不善4個方面。

1.2 海洋立管試驗研究與數值分析

國內外對懸鏈線立管進行了大量的數值和試驗研究，例如：Mohammad Iranpour等對渦激振動下立管結構壽命的研究［3］，高云對鋼懸鏈式立管進行了疲勞損傷分析［4］，美國的 Ali Nakhaee對鋼懸鏈線立管與海床接觸疲勞進行了研究［5］，挪威船級社關于腐蝕管線的研究等［6］。在這些研究中可以得到以下觀點：

1） 懸鏈線立管的最大渦激振動疲勞損傷通常出現在上端與平臺相連接區域，或者下端與海床相連接的區域。

2） 由于平臺的強迫運動，立管在水平線附近標準接頭處的區域截面所受彎矩較大；底端接頭頂部接地處，同樣由于承受較大彎矩，而在立管的主體部分的彎矩基本呈近似線性變化。

3） 懸鏈線立管在頂端附近和觸地點附近的合成應力極值最大，中間區域分2段成近似線性。

4） 深海懸鏈線立管沿立管在海洋中所處位置不同，其外部腐蝕程度也不同，在飛濺區與潮差區最為嚴重，其次是與海床相接的上部［7－8］。如圖3。

1.3 深海懸鏈線立管分段

由于立管不同部位的破壞形式和安全要求不同，應將整條管道劃分為許多小管段，這將增加每條小段管道的安全評價的準確性，卻提高了數據搜集、處理與維持的相關費用，安全評價人員必須根據重大狀況的變化情況來考慮評價精度與其相關費用的平衡［9］。

立管分段安全評估中，應關注立管系統中最為易變的條件，根據其變化程度與頻率關系將那些參數分類，并根據實際工程中海洋立管的運行狀況，對立管的風險大的管段識別，分析引起立管各管段失效的主要因素，確定立管的分段方法。從統計資料和立管試驗及數值研究中分析，發現立管在海洋中所處的位置不同，變化明顯且嚴重影響立管安全運行的是腐蝕破壞和載荷破壞，并且在導致立管破壞因素中占有很大比例。在統計資料中還發現第三方破壞也占有很大比例，其中包括船舶對立管上部分的撞擊，拋錨、漁業、落物等對立管觸地段以下的破壞。DNV－RP－F107也提出將立管分為垂直段和水平段進行落物撞擊立管的安全評估［10］。基于以上分析，本文提出一個簡單的將立管分段的方法，即考慮以下4種情況，然后對立管進行分段：

1） 腐蝕情況。

2） 第三方破壞。

3） 合成應力強度。

4） 落物撞擊。

參照以上4種情況綜合考慮后對立管進行分段，這種分類方式是主觀的，也可能不完整，但是可以作為立管分段安全評估的開端。文章綜合考慮以上4點出發，提出將立管分為立管上段、懸垂段、觸地段、流線段4個管段。當然，這對于處于海洋中超過1 000m的立管來說仍然顯得粗略，在這4個大的管段中還可以進行更小的劃分。如圖4。

圖4 立管分段示意

這樣劃分過后的優點是：在作評估時可以根據立管的不同部位進行評估，不必考慮整個立管采取中間值來評估立管，能夠突出各段立管破壞的主要原因，以及立管各段的失效概率。

2 應用實例

2.1 目標立管參數及海洋狀況

本文以2 000m半潛平臺注水立管為例，以海床為x軸，水深方向為y軸，將立管分為立管上段、懸垂段、觸地段、流線段4個管段，如圖4所示。由于篇幅的限制，截取立管上段為列，闡述立管的分段研究。懸鏈線立管參數如表1。選定我國南海某海域為目標海域，其海洋狀況如表2。

表1 懸鏈線立管參數

表2 某海域的海況參數

2.2 立管破壞定性與定量分析

2.2.1 立管故障樹與定性分析

由于是做立管分段評估的實例分析，本文故障樹的建立引用宋青武的碩士論文《海洋立管風險評價與安全措施研究》中關于立管破壞的故障樹，不再單獨建立立管破壞失效故障樹。該論文得到海洋立管破壞故障樹有61個底事件，105個最小割集，其中有21個一階最小割集，是系統的獨立故障點，它們能直接導致立管破壞失效［11］。可對基本事件采取概率重要度分析，它反映各基本事件對頂事件的影響程度［12］。本文根據該故障樹，選取立管上段“外涂層過薄”說明專家評分法結合模糊數學求基本事件概率的方法。

2.2.2 立管上段基本事件的定量計算

專家評分法是確定事故概率的常用方法。在判斷事件失效概率時，通常是采用“較小”“很大”等模糊自然語言值來描述事件發生的概率。然后把模糊自然語言根據隸屬函數轉化為模糊數［13］。將表1中立管參數和表2中海況參數發給來自管線設計、施工、安裝、維修和管理等不同領域的N位專家，獲取專家對立管破壞的基本事件（xi）評判資料，并可采用層次分析法（AHP）估計專家意見的權重值［14］，N位專家的權重值總和應該為1。本文以立管上段的“外涂層過薄”說明用模糊數學求解基本事件的概率，邀請的10位專家評判結果為很小（VS）0票、小（S）0票、較小（RS）0票、中等（M）1票、較大（RL）1票、大（L）3票、很大（VL）5票。并假設各專家的權重值相等。

根據隸屬函數的知識，可以得出專家判斷的隸屬度函數表達式為

對式（1）～（4）采用模糊集合的α截集處理，令其α截集為Wα＝［z1，z2］，其中z1、z2為α截集的上、下限。對式（1）而言，令其α截集為Mα＝［m1，m2］，令α＝（m1－0.4）／0.1，α＝（0.6－m2）／0.1，則可以得到m1＝0.1α＋0.4，m2＝0.6－0.1α。同理可得：“較大”評判的模糊集為rl1＝0.1α＋0.5，rl2＝0.8－0.1α；“大”評判的模糊集為l1＝0.1α＋0.7，l2＝0.9－0.1α；“很大”評判的模糊集為vl1＝0.1α＋0.8，vl2＝1。因此可以得到在α截集下10位不同領域專家模糊集為

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

所以可以得到平均模糊數W 的函數關系為

為了能在故障樹分析最終結果中進行故障概率的比較，就必須把模糊數轉化為一個清晰值，即模糊可能性值FPS，FPS代表了10位專家對立管上段“外涂層過薄”這一事件發生可能性值。由Chen和Hwang提出的左右模糊排序法可以把模糊數轉化為FPS［15］，這種方法定義的最大模糊集和最小模糊集為

該模糊數的右模糊可能性值為

左模糊可能性值為

因此平均模糊數W 的模糊可能性值為

經計算 FPSR（W）＝0.8667，FPSL（W ）＝0.2727，FPS（W ）＝0.797

為了確保確定的失效概率和模糊失效概率的一致性，須將模糊可能性值FPS轉換為模糊失效概率FFR［16］，轉換公式為

將由式（8）計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，這就是結合專家判斷法和模糊數學求得的懸鏈線立管上段的“外涂層過薄”這一基本事件發生的概率。

采用同樣的方法可求得懸鏈線立管破壞失效故障樹的其他基本事件發生概率。在分析立管上段時，發現立管上段失效概率大的依次是船舶碰撞、外涂層過薄、疲勞破壞，其概率分別為5.52×10－2、3.48×10－2、3.26×10－2。通過計算分析發現，在懸鏈線立管分段中，導致立管各段破壞失效的主要原因不同，在立管上段，主要是由于飛濺區的腐蝕和合成應力過大。

2.2.3 立管上段頂事件的定量計算

懸鏈線立管破壞故障樹頂事件是全體最小割集的并事件，發生的概率可以用式（10）來計算，即

式中，Ki為故障樹的第i個最小割集；n為故障樹最小割集總數。

將最小割集發生的概率代入式（10），可得懸鏈線立管上段發生破壞的概率為Ps（T）＝0.105。同理，采用計算機編程計算，可得懸垂段破壞概率Px（T）＝5.03×10－2，觸 地 段 破 壞 概 率Pc（T）＝8.11×10－2，流線段破壞概率Pl（T）＝4.15×10－2，整體分析P（T）＝7.68×10－2。

由計算可得Ps（T）＞Pc（T）＞P（T）＞Px（T）＞Pl（T），因此可以適當提高對立管上段的維護周期頻率，適當減小流線段的維護頻率。所以將立管分段安全評估，可以為立管各管段不同的維護周期提供理論依據。

3 結論

1） 深海立管長達千米，不同部位立管的工況不一樣，導致了立管各管段的安全狀態不相同。根據國內外對立管的試驗研究和數值研究的結果，提出按立管腐蝕情況、第三方破壞、合成應力強度、落物撞擊4個方面綜合考慮，將立管分為上段、懸垂段、觸地段、流線段進行安全評估。

2） 采用專家判斷法和模糊數學相結合的方法對立管各管段失效概率定量分析，得到了導致立管各管段破壞的主要因素不同。立管上段故障樹基本事件中發生概率大的是船舶碰撞、外涂層過薄、疲勞破壞，應加強相應的防護措施。

3） 采用計算機編程計算得到懸垂段、觸地段、流線段的失效概率，并與整體分析的破壞失效概率相比較，得到各段破壞失效概率由大到小的排序，并提出適當增加立管上段的維護周期。

4） 對不同的管段要建立專門的故障樹進行風險識別，這樣才能找到管道失效的真正原因。故障樹結合專家判斷與模糊數學的定量分析的計算比較復雜，實際工程中可開發相應的計算機軟件來提高這種方法的可操作性。

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