海底管线安全可靠性及风险评价技术研究

论文摘要

海底管线的安全可靠性分析与风险评估是全面评价海底管线在服役过程的安全可靠性能和预期寿命,有效预防海底管线失效,提高海底管线可靠性,延长海底管线寿命的重要应用型理论研究。本文的主要研究成果有:（1）研究腐蚀海底管线的剩余强度和失效概率。总结分析了含缺陷海底管线剩余强度的计算方法和计算准则,获得多种因素对海底管线剩余强度的影响规律,并给出随服役时间变化的海底管道腐蚀缺陷剩余强度及失效压力的预测程序。通过对腐蚀缺陷海底管道剩余强度的三维非线性有限元分析,得到了缺陷方位、缺陷深度和缺陷长度的变化对缺陷最大应力的影响规律。建立腐蚀海底管线失效的极限状态方程,应用一次二阶矩法对含腐蚀缺陷海底管道的失效概率进行计算,分析海底管线强度和载荷的随机性对其可靠性的影响规律,确定海底管线失效概率的影响参数及其影响规律。（2）对海底管道缺陷评定技术及评定规范进行了深入的分析研究,为海底管道缺陷安全可靠性评定提供理论基础。根据16Mn海底管线钢的拉伸试验结果,考虑到海底管线强度、载荷、缺陷尺寸等参数具有一定的随机性,以概率断裂力学和可靠性理论为基础,采用随机数值模拟和理论计算等方法分析了海底管线强度的随机性及其影响因素。基于BS 7910评定标准,建立了含裂纹缺陷海底管线的安全可靠性评定模型,对埕岛油田某海底管线焊接接头处的表面裂纹进行了可靠性评定,给出海底管线缺陷安全评定的可靠度结果,得出了海底管线失效概率与评定参数的统计分布规律。（3）进行地质灾害作用下海底管道的安全评定分析。建立悬跨海底管道的振动方程,求解出悬跨段管道的固有频率及管道的允许悬空长度,得到水流速度、边界条件和轴向力对悬空管道的固有振动频率和极限允许跨长的影响规律。建立海底管道数值计算模型,对海底管道进行地震载荷作用下的动力响应分析,得到地震烈度、阻尼比及场地类型对海底管线抗震响应的影响规律。（4）通过理论分析及疲劳试验预测海底管线在波浪载荷作用下的疲劳寿命。设计完成了16Mn海底管线试件的拉-拉单轴成组多级疲劳试验。采用基于概率的疲劳寿命统计方法,对16Mn海底管线疲劳试验的数据进行分析处理,得出可供海底管线现场直接应用的疲劳寿命预测公式。并对海底管线焊接接头的疲劳曲线进行修正分析,得到服役海底管线焊接接头在不同存活率下的P-S-N曲线。同时,综合分析各种疲劳寿命预测公式,选择适合于海底管线实际服役过程且应用较为简单的寿命预测方法,应用海底管线的模拟疲劳试验得到的P-S-N曲线,进行海洋立管在波浪载荷作用下的疲劳寿命预测研究。（5）分析研究适合海底管线实际工况的定量风险评价模型。通过对埕岛油田海底管线系统的数据采集和资料分析,建立海底管线系统故障树分析模型,得出引起海底管线失效的主要因素。在此基础上,建立基于故障树分析的海底管线风险评估的模糊综合定量分析方法及其模型,综合分析海底管线各风险因素的影响程度和发生概率,同时考虑人为因素等难以量化或资料不完备的风险因素;对埕岛油田某段海底管线的风险情况进行实例计算和验证,计算结果表明风险评估模型具有较好的可信度。（6）开发“海底管线安全评定与风险评价系统”软件。根据上述研究成果,结合国内外相关权威规范,采用动态数据库技术、优化筛选技术和计算机图形学,完成了相关软件的开发,并将其成功应用于相关实例的计算中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出、研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 海底管道面临的问题
• 1.2.2 含缺陷海底管道剩余强度及剩余寿命评价
• 1.2.3 海底管线疲劳评估试验研究
• 1.2.4 海底管线可靠性安全评定研究
• 1.2.5 海底管线风险评价技术研究
• 1.3 研究目标及研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究思路
• 第二章 腐蚀海底管线剩余强度及可靠性研究
• 2.1 引言
• 2.2 腐蚀海底管道的剩余强度评价
• 2.2.1 腐蚀管道常用剩余强度计算方法
• 2.2.2 海底管道失效压力计算方法
• 2.2.3 腐蚀管道失效压力计算准则
• 2.2.4 管道剩余强度和最大输送压力变化趋势的预测
• 2.3 腐蚀海底管道三维非线性有限元分析
• 2.3.1 评估背景
• 2.3.2 实体模型
• 2.3.3 有限元计算结果分析
• 2.4 腐蚀海底管道失效概率的可靠性分析
• 2.4.1 海底管道缺陷的腐蚀速率
• 2.4.2 管道载荷与强度参数中的不确定性
• 2.4.3 管道可靠性计算方法
• 2.4.4 含腐蚀缺陷海底管道可靠性实例计算
• 2.5 小结
• 第三章 带损伤海底管道安全性评定方法分析
• 3.1 海底管线焊接缺陷安全评定方法分析
• 3.1.1 英国标准BS 7910 简介
• 3.1.2 评定参数确定
• 3.1.3 评定计算
• 3.1.4 工程应用
• 3.2 含焊接缺陷海底管道可靠性评定
• 3.2.1 含缺陷管道评定参数的随机性
• 3.2.2 海底管道缺陷的可靠性分析理论研究
• 3.2.3 海底管道可靠性的数值计算方法
• 3.2.4 含缺陷海底管线可靠性分析实例
• 3.3 海底管道随机局部减薄的可靠性分析
• 3.3.1 随机变量和随机模型
• 3.3.2 海底管道可靠性数值模拟
• 3.4 小结
• 第四章 地质灾害影响下海底管线安全分析
• 4.1 海底悬跨管道
• 4.1.1 悬跨管道涡激振动的基本参数
• 4.1.2 悬空管道的振动分析
• 4.1.3 轴向力对悬空管道的受力影响
• 4.1.4 管道悬空振动的基本固有频率
• 4.1.5 算例分析
• 4.2 海底管道抗震动力响应有限元分析
• 4.2.1 模型简化
• 4.2.2 海底管道有限元数值计算建模
• 4.2.3 地震波的选取
• 4.2.4 海底管道在不同烈度下的地震反应时程分析
• 4.2.5 海底管道在不同阻尼比下的地震反应时程分析
• 4.2.6 海底管道在不同场地下的地震反应时程分析
• 4.3 小结
• 第五章 海底管线模拟疲劳试验研究
• 5.1 疲劳试验方法研究
• 5.1.1 疲劳概述
• 5.1.2 疲劳试验方法
• 5.2 管线钢力学性能实验
• 5.3 单轴成组多级疲劳试验
• 5.3.1 试验目的
• 5.3.2 试验设备与试件
• 5.3.3 试验方案
• 5.3.4 试验结果记录
• 5.4 海底管线疲劳试验数据处理
• 5.4.1 疲劳应力与P-S-N 曲线
• 5.4.2 海底管线试件的P-N 图
• 5.4.3 绘制指定存活率下的P-S-N 曲线
• 5.5 海底管线焊接接头的疲劳强度
• 5.5.1 海底管线焊接接头的疲劳强度修正
• 5.5.2 海底管线焊接接头的实际P-S-N 曲线
• 5.6 海洋立管在波浪载荷作用下疲劳寿命预测
• 5.6.1 疲劳寿命预测方法
• 5.6.2 波浪载荷分析
• 5.6.3 立管疲劳寿命的数值模拟
• 5.7 小结
• 第六章 海底管线风险评价技术研究
• 6.1 风险评估方法的对比与选择
• 6.1.1 风险评估方法的分类
• 6.1.2 风险评估方法的对比与选择
• 6.2 海底管道风险分析与评价方法研究
• 6.2.1 故障类型、影响和致命度分析
• 6.2.2 专家评分法
• 6.2.3 风险矩阵法的基本原理
• 6.2.4 风险评估中人的作用与影响
• 6.3 海底管道系统的失效因素分析
• 6.3.1 国外海底管道失效因素统计
• 6.3.2 基于故障树的埕岛油田海底管道失效分析
• 6.4 基于模糊数学的海底管道风险评价方法
• 6.4.1 海底管道风险模糊综合评价程序及步骤
• 6.4.2 资料收集
• 6.4.3 风险因素识别与分析
• 6.4.4 海底管道模糊综合评判方法
• 6.5 埕岛油田海底管道风险评估实例分析
• 6.5.1 海底管道风险因素识别与分析
• 6.5.2 计算海底管道模糊综合评判矩阵
• 6.6 海底管道失效后果评价
• 6.7 小结
• 第七章 海底管线可靠性与安全评定软件开发
• 7.1 软件开发的主要技术概要
• 7.2 软件应用
• 7.2.1 软件使用特点
• 7.2.2 软件安装说明
• 7.2.3 软件的运行环境
• 7.3 软件的基本功能模块
• 7.3.1 海底管线基本数据库
• 7.3.2 海底管线剩余强度计算
• 7.3.3 海底管线裂纹缺陷断裂分析模块
• 7.3.4 海底管线寿命评估（扩展裂纹）模块
• 7.3.5 海底管线风险评估模块
• 7.3.6 案例数据库操作
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介