專利名稱：自升式海洋平臺的風險評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風險評估方法，尤其涉及一種自升式海洋平臺的風險評估方法。
背景技術(shù)：
作為海上作業(yè)中很重要的工具，自升式鉆井平臺近年來得到越來越多的應(yīng)用，在對自升式鉆井平臺進行設(shè)計及投入使用之前，如何對鉆井平臺的各方面風險進行評估，從而降低平臺使用時的風險、避免安全事故的產(chǎn)生是保證鉆井平臺的穩(wěn)定可靠使用的一個重要的方面。然而到目前為止，我國國內(nèi)在對自升式海洋平臺的風險評估方法上發(fā)展較為遲鈍，雖然有一定的技術(shù)研究，但還未形成完整的體系方法，所以目前國內(nèi)在自升式海洋平臺的風險評估方法方面仍是一片空白，因而不能從該方面很好地保證自升式海洋平臺的運行安全性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)在自升式海洋平臺的風險評估方法方面仍是一片空白，因而不能從該方面很好地保證自升式海洋平臺的運行安全性和可靠性的技術(shù)問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種自升式海洋平臺的風險評估方法，該方法包括:極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析、結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析、平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析、船舶碰撞的風險分析以及火災(zāi)爆炸的風險分析。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述風險評估方法還包括環(huán)境載荷的可靠性分析，所述環(huán)境載荷的可靠性分析通過現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬或風洞實驗的方法確定海洋平臺的風載荷。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析通過下列極限狀態(tài)方程來實現(xiàn):Z = Qrs.RS-Qss.SS式中，Qes為采用結(jié)構(gòu)極限分析得到相應(yīng)的極限傾覆彎矩代表結(jié)構(gòu)的體系抗力，Qss為采用海洋環(huán)境荷載分析得到相應(yīng)環(huán)境載荷產(chǎn)生的傾覆力矩代表荷載效應(yīng)，RS和SS為抗力和荷載效應(yīng)計算模型的偏差系數(shù)；所述RS的分布特性是通過將蒙特卡洛法與非線性倒塌分析相結(jié)合，對材料性能等變量進行抽樣，然后將樣本代入非線性倒塌分析程序，得到一系列平臺極限承載力，最后對其進行統(tǒng)計分析得到的。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析采用非線性時域計算方法，其首先采用譜分析方法對自升式平臺的疲勞強度進行計算，然后在此基礎(chǔ)上，對自升式平臺的脈動風載荷進行數(shù)值模擬，同時綜合考慮動力效應(yīng)和脈動風載荷的影響。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析通過對平臺插樁、拔樁、正常工作、風暴自存等工況時樁腿與海底巖土的相互作用機理進行分析得到海洋平臺在工作海域的樁腿承載能力、抗滑移能力、抗傾覆能力和拔樁阻力；所述對樁腿與海底巖土的相互作用機理進行分析所采用的方法為常規(guī)計算方法、有限元法或試驗法。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述火災(zāi)爆炸的風險分析是通過使用一些理論模型來預(yù)測事故的影響范圍，所述理論模型包括泄露源模型、擴散模型、爆炸模型和/或熱輻射模型。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述火災(zāi)爆炸的風險分析通過CFX軟件模擬火災(zāi)的產(chǎn)生以及煙霧的擴散，并通過STEPS軟件模擬人員的逃生路線和時間，以合理的規(guī)劃平臺的布置。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述船舶碰撞的風險分析的結(jié)果包括碰撞頻率以及碰撞后果，所述碰撞頻率通過對歷史資料或事件樹進行分析得到，所述碰撞后果通過由DNV船級社規(guī)范推薦的基于能量守恒的力學公式或者基于有限單元法的瞬態(tài)動力學商用軟件得到，最后基于船級社給定的平臺失效準則，得到最終的船舶碰撞風險分析結(jié)果。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述風險評估方法還包括高空墜物的風險分析，所述高空墜物的風險分析包括對整個起重機傾倒在船上造成的嚴重傷亡事故的分析以及對下落物體撞擊甲板引起的設(shè)備損傷的分析，還包括在總布置時對于甲板上的管線系統(tǒng)、艙室支持系統(tǒng)以及支撐結(jié)構(gòu)考慮高空墜物的風險。所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其中，所述風險評估方法還包括冰川海域的結(jié)構(gòu)可靠性分析和/或工藝泄露的風險分析。本發(fā)明具有以下有益效果，本發(fā)明的自升式海洋平臺的風險評估方法有效填補了現(xiàn)有技術(shù)在自升式海洋平臺的風險評估方法方面的空白，為海洋工程在設(shè)計和建造階段的方案確定和決策提供了技術(shù)支持，最大限度的保證了自升式平臺的安全性和可靠性。


圖1是本自升式海洋平臺的風險評估方法的流程框圖；圖2是本自升式海洋平臺的風險評估方法中的DOW火災(zāi)爆炸分析流程。
具體實施例方式為了進一步說明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明。請參閱圖1所示，本發(fā)明的自升式海洋平臺的風險評估方法包括:極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析、結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析、平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析、船舶碰撞的風險分析以及火災(zāi)爆炸的風險分析，還可以包括:環(huán)境載荷的可靠性分析、冰川海域的結(jié)構(gòu)可靠性分析、工藝泄露的風險分析和/或高空墜物的風險分析。上述的環(huán)境載荷的可靠性分析、極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析、冰)11海域的結(jié)構(gòu)可靠性分析、結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析以及平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析可歸納為海洋平臺的結(jié)構(gòu)可靠性分析，上述的工藝泄露的風險分析、船舶碰撞的風險分析、火災(zāi)爆炸的風險分析以及高空墜物的風險分析可歸納為海洋平臺的非結(jié)構(gòu)風險分析。以下對其中幾個方面的具體情況分別進行詳細的描述。
①環(huán)境載荷的可靠性分析對于自升式海洋平臺，其在海上作業(yè)時遭遇環(huán)境載荷作用時存在結(jié)構(gòu)破壞的可能性，又由于海洋平臺的風載荷對海洋平臺結(jié)構(gòu)造成的影響遠大于其它環(huán)境載荷，所以在規(guī)范計算的基礎(chǔ)上對其開展試驗研究是很有必要的。確定海洋平臺風載荷的方法主要有現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬和風洞實驗等幾種，由于現(xiàn)場觀測較為困難，數(shù)值模擬與風洞實驗便成為確定海洋平臺風載荷的主要方法。通過風洞實驗和CFD計算對自升式平臺的風載荷進行可靠性分析，對后續(xù)平臺開發(fā)，優(yōu)化平臺指標有著重要的意義。②極端載荷下的結(jié) 構(gòu)可靠性分析海洋平臺結(jié)構(gòu)體系可靠性分析可以歸納為下式:Ps = P {Ss ≤RsI(I)式(I)中，Rs是結(jié)構(gòu)體系的抗力，可以用結(jié)構(gòu)的基底剪力或基底傾覆力矩來表示，對于導管架平臺而言，一般以基底剪力作為衡量標準，對于自升式平臺而言，可以選取基底傾覆力矩作為衡量標準；Ss是與結(jié)構(gòu)體系抗力相應(yīng)的荷載效應(yīng)?！愣裕捎媒Y(jié)構(gòu)極限分析得到相應(yīng)的極限傾覆彎矩代表結(jié)構(gòu)的體系抗力QKS，采用海洋環(huán)境荷載分析得到相應(yīng)環(huán)境載荷產(chǎn)生的傾覆力矩代表荷載效應(yīng)Qss。這樣，對于海洋平臺結(jié)構(gòu)體系的可靠性分析歸結(jié)為下列極限狀態(tài)方程建立的問題:Z = Qes.RS-Qss.SS (2)式(2)中，RS和SS為抗力和荷載效應(yīng)計算模型的偏差系數(shù)。式(2)中的體系抗力RS與材料性能的隨機性以及結(jié)構(gòu)幾何尺寸的分布有關(guān)，如果在分析時考慮樁-土的相互作用，其分布還受到地基土壤參數(shù)離散性的影響。因此采用蒙特卡洛法與非線性倒塌分析相結(jié)合，對材料性能等變量進行抽樣，然后將樣本代入非線性倒塌分析程序，得到一系列平臺極限承載力，最后對其進行統(tǒng)計分析，得到RS的分布特性。海洋環(huán)境中，風、浪和流是相關(guān)的，其對應(yīng)的荷載要素是相關(guān)的隨機變量，多個相關(guān)隨機荷載作用下結(jié)構(gòu)可靠性分析需要極值隨機荷載的聯(lián)合概率分布，但是這種實測資料存在統(tǒng)計上的困難。因此用結(jié)構(gòu)傾覆力矩的概率分布來表達極端環(huán)境下荷載的聯(lián)合概率分布，從結(jié)構(gòu)可靠度分析的角度來看，OTM的統(tǒng)計概率分布就表達了各環(huán)境要素的聯(lián)合概率分布。一般而言，需要考慮以下三種工況:阻塞冰工況，阻塞冰+風+流+其他非環(huán)境荷載；風浪相關(guān)工況，波浪+風+流+其他非環(huán)境荷載，考慮風、浪相關(guān)；風浪獨立工況，波浪+風+流+其他非環(huán)境荷載，考慮風、浪相獨立。③結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析在自升式平臺設(shè)計初期進行疲勞強度計算是十分必要的，各種疲勞算法各有各的優(yōu)點，也有不足。簡化方法的簡化計算公式現(xiàn)有的規(guī)范還沒有給出明確規(guī)定，只能做一些近似處理；譜而分析要求線性系統(tǒng)，需進行線性化處理，忽略了動力效應(yīng)的影響。對于疲勞載荷的計算，現(xiàn)有的規(guī)范大多將風載荷作為平均載荷來計算，而實際作用于結(jié)構(gòu)上的風載荷是一隨機過程，脈動風載荷對自升式平臺動力效應(yīng)和疲勞的影響上述兩種方法都無法考慮。故而在本發(fā)明中，對結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析時，首先采用譜分析方法對自升式平臺的疲勞強度進行計算，然后在此基礎(chǔ)上，對自升式平臺的脈動風載荷進行數(shù)值模擬，同時綜合考慮動力效應(yīng)和脈動風載荷的影響，故而是一種先進的非線性時域計算方法。④平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析自升式平臺在壓載過程中，一個主要的潛在風險就是出現(xiàn)突發(fā)及較大失控的樁靴過多下陷如泥(此情況多發(fā)生于單個樁腿)，導致船體傾斜失衡，樁腿齒條受損，嚴重的甚至導致升降機構(gòu)乃至樁腿桁架受損，以至于無法作業(yè)的后果，也就是俗稱的“壓載穿刺”。為保證自升式平臺能夠安全工作，在設(shè)計自升式平臺時，首先對平臺插樁、拔樁、正常工作、風暴自存等工況時樁腿與海底巖土的相互作用機理進行分析，從而確定平臺在工作海域的樁腿承載能力、抗滑移能力、抗傾覆能力和拔樁阻力。國內(nèi)外在研究自升式平臺樁腿與巖土互作用時常采用常規(guī)計算方法、有限元法或試驗法，采用有限元法分析時充分考慮到了平臺主體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的多樁腿-巖土互作用，是研究平臺的插樁、拔樁、抗滑移和抗傾覆能力以及平臺動態(tài)特性的有效手段。⑤船舶碰撞的風險分析船舶與平臺之間的碰撞是近海工程結(jié)構(gòu)主要風險來源之一。根據(jù)DNV分析從1965年到1991年間平臺損傷的主要原因，約22%的損傷是由于船的碰撞引起的。根據(jù)HSE2003年的報告1975 2001年間船舶碰撞事故統(tǒng)計，共有557次碰撞事故，其中平臺的服務(wù)船有514起，占事故總量的96%。所述船舶碰撞的風險分析的結(jié)果包括碰撞頻率以及碰撞后果。對于碰撞頻率，一般由歷史資料獲得，根據(jù)北海海域的平臺碰撞的統(tǒng)計資料，對于固定式的導管架平臺，造成中等程度或嚴重碰撞的基本頻率為2.5X IO-4次/年，也可由事件樹進行分析得到。對于碰撞后果，則可以由DNV船級社規(guī)范推薦的基于能量守恒的力學公式或者基于有限單元法的瞬態(tài)動力學商用軟件得到，最后基于船級社給定的平臺失效準則，得到最終的分析結(jié)果。⑥火災(zāi)爆炸的風險分析海上石油平臺產(chǎn)生的油氣流物，大都是原油和天然氣等炭氫化合物，具有燃燒性、爆炸性和自燃性的特點，易于空氣形成爆炸性化合物，遇火源時引起燃燒或爆炸。在進行海洋平臺火災(zāi)爆炸風險分析時，后果分析主要是通過使用一些理論模型來預(yù)測事故的影響范圍。與后果相關(guān)的理論模型有:泄露源模型、擴散模型、爆炸模型、熱輻射模型等。這其實已經(jīng)屬于另一領(lǐng)域——火災(zāi)防護的研究范疇?，F(xiàn)在，多數(shù)后果模型已經(jīng)實現(xiàn)了計算機化，一般使用一些商品化的軟件來進行計算，以獲得較為精確地計算后果。如果沒有現(xiàn)成的商用軟件,如DNV的Safeti或者N印tune,那么可以采用美國道化學公司(DOW)火災(zāi)爆炸指數(shù)分析法或者英國ICI蒙德法進行分析，它以以往的事故統(tǒng)計資料及物質(zhì)的潛在能量和現(xiàn)行安全措施為依據(jù)，定量地對工藝裝置及所含物料的實際潛在火災(zāi)、爆炸和反應(yīng)危險性進行分析評價。DOW火災(zāi)爆炸分析流程如圖2中所示。一旦發(fā)生海洋平臺的火災(zāi)和爆炸，工作人員需要進行緊急疏散，而火災(zāi)和爆炸帶來的煙霧以及平臺上的復(fù)雜布置又往往對人群疏散造成阻礙。因此，在設(shè)計階段考慮海洋平臺上發(fā)生諸如火災(zāi)、爆炸等突發(fā)事件事，制定科學的應(yīng)急措施，防止疏散措施失當，引發(fā)人為的慌亂和踩踏事故出現(xiàn)是很有必要的。在設(shè)計階段，成熟的商用軟件可以幫助我們較為方便的解決這個問題，CFX軟件可以模擬火災(zāi)的產(chǎn)生以及煙霧的擴散；而STEPS軟件可以模擬人員的逃生路線和時間，以合理的規(guī)劃平臺的布置。⑦高空墜物的風險分析高空墜物的危險主要來源于起重機上下落的重物，還有各種類型的起重機吊臂下落或整個起重機倒塌。發(fā)生在北海的起重機事故的風險圖表明有以下情況:a.整個起重機傾倒在船上造成的嚴重傷亡事故。b.下落物體撞擊甲板引起的設(shè)備損傷。起重機所吊的載荷從小于2t的輕載荷到重量達30t的多個鉆井軸，而且通過起重機起吊的防爆設(shè)備可能達150 220t。下落物體的質(zhì)量和速度，決定了自由下落物體獲得的能量大小以及可能造成的損傷。高空墜物的發(fā)生頻率可由WOAD數(shù)據(jù)庫得到，可能會導致甲板上裝有炭氫化合物的設(shè)備失去密封性，從而引起火災(zāi)；或者會導致水中或水上的結(jié)構(gòu)單元失效從而引起結(jié)構(gòu)的整體失效。其后果取決于下落物體撞擊設(shè)備或結(jié)構(gòu)單元的方式，下落速度、撞擊點、撞擊角度、撞擊時間和接觸面積等等。因此，在總布置時，對于甲板上的管線系統(tǒng)以及艙室支持系統(tǒng)，支撐結(jié)構(gòu)等部分需要考慮高空墜物的風險。本自升式海洋平臺的風險評估方法可以對自升式平臺在海洋環(huán)境較為惡劣的海域和冰區(qū)海域(如北海海域)的結(jié)構(gòu)可靠性進行評估，又可以對自升式平臺在各種海況下的疲勞可靠性進行直接計算，再又可以對自升式平臺在插樁時由于土壤層地質(zhì)的不同引起穿刺現(xiàn)象進行分析，還又可以對海洋平臺在碰撞、管線泄露、火災(zāi)爆炸、高空墜物等意外事故的風險建立分析模型，并對意外發(fā)生時的人員逃生進行仿真和規(guī)劃，還進一步可以對事故中人的因素進行評價，通過人因可靠性分析減小人的失誤造成事故的概率，因而，有效填補了現(xiàn)有技術(shù)在自升式海洋平臺的風險評估方法方面的空白，為海洋工程在設(shè)計和建造階段的方案確定和決策提供了技術(shù)支持，最大限度的保證了自升式平臺的安全性和可靠性。然而，以上所述僅為本發(fā)明的較佳可行實施例，并非限制本發(fā)明的保護范圍，故凡運用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作出的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，該方法包括:極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析、結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析、平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析、船舶碰撞的風險分析以及火災(zāi)爆炸的風險分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述風險評估方法還包括環(huán)境載荷的可靠性分析，所述環(huán)境載荷的可靠性分析通過現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬或風洞實驗的方法確定海洋平臺的風載荷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析通過下列極限狀態(tài)方程來實現(xiàn): Z = Qes.RS-Qss.SS 式中，Qks為采用結(jié)構(gòu)極限分析得到相應(yīng)的極限傾覆彎矩代表結(jié)構(gòu)的體系抗力，Qss為采用海洋環(huán)境荷載分析得到相應(yīng)環(huán)境載荷產(chǎn)生的傾覆力矩代表荷載效應(yīng)，RS和SS為抗力和荷載效應(yīng)計算模型的偏差系數(shù)；所述RS的分布特性是通過將蒙特卡洛法與非線性倒塌分析相結(jié)合，對材料性能等變量進行抽樣，然后將樣本代入非線性倒塌分析程序，得到一系列平臺極限承載力，最后對其進行統(tǒng)計分析得到的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析采用非線性時域計算方法，其首先采用譜分析方法對自升式平臺的疲勞強度進行計算，然后在此基礎(chǔ)上，對自升式平臺的脈動風載荷進行數(shù)值模擬，同時綜合考慮動力效應(yīng)和脈動風載荷的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析通過對平臺插樁、拔樁、正常工作、風暴自存等工況時樁腿與海底巖土的相互作用機理進行分析得到海洋平臺在工作海域的樁腿承載能力、抗滑移能力、抗傾覆能力和拔樁阻力；所述對樁腿與海底巖土的相互作用機理進行分析所采用的方法為常規(guī)計算方法、有限元法 或試驗法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述火災(zāi)爆炸的風險分析是通過使用一些理論模型來預(yù)測事故的影響范圍，所述理論模型包括泄露源模型、擴散模型、爆炸模型和/或熱輻射模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述火災(zāi)爆炸的風險分析通過CFX軟件模擬火災(zāi)的產(chǎn)生以及煙霧的擴散，并通過STEPS軟件模擬人員的逃生路線和時間，以合理的規(guī)劃平臺的布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述船舶碰撞的風險分析的結(jié)果包括碰撞頻率以及碰撞后果，所述碰撞頻率通過對歷史資料或事件樹進行分析得到，所述碰撞后果通過由DNV船級社規(guī)范推薦的基于能量守恒的力學公式或者基于有限單元法的瞬態(tài)動力學商用軟件得到，最后基于船級社給定的平臺失效準則，得到最終的船舶碰撞風險分析結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述風險評估方法還包括高空墜物的風險分析，所述高空墜物的風險分析包括對整個起重機傾倒在船上造成的嚴重傷亡事故的分析以及對下落物體撞擊甲板引起的設(shè)備損傷的分析，還包括在總布置時對于甲板上的管線系統(tǒng)、艙室支持系統(tǒng)以及支撐結(jié)構(gòu)考慮高空墜物的風險。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自升式海洋平臺的風險評估方法，其特征在于，所述風險評估方法還包括冰川海域的結(jié)構(gòu)可靠性分析和/或工藝泄露的風險分析?！?br> 全文摘要
一種自升式海洋平臺的風險評估方法，該方法包括極端載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性分析、結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析、平臺插樁的結(jié)構(gòu)可靠性分析、船舶碰撞的風險分析以及火災(zāi)爆炸的風險分析。本發(fā)明的自升式海洋平臺的風險評估方法有效填補了現(xiàn)有技術(shù)在自升式海洋平臺的風險評估方法方面的空白，為海洋工程在設(shè)計和建造階段的方案確定和決策提供了技術(shù)支持，最大限度的保證了自升式平臺的安全性和可靠性。
文檔編號G06F19/00GK103093067SQ201110331209
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者胡安康, 周炳煥, 郭海強, 林一, 郭宇, 方華 申請人:中集船舶海洋工程設(shè)計研究院有限公司, 中國國際海運集裝箱(集團)股份有限公司