专利名称：自升式海洋平台的风险评估方法
技术领域：
本发明涉及一种风险评估方法，尤其涉及一种自升式海洋平台的风险评估方法。
背景技术：
作为海上作业中很重要的工具，自升式钻井平台近年来得到越来越多的应用，在对自升式钻井平台进行设计及投入使用之前，如何对钻井平台的各方面风险进行评估，从而降低平台使用时的风险、避免安全事故的产生是保证钻井平台的稳定可靠使用的一个重要的方面。然而到目前为止，我国国内在对自升式海洋平台的风险评估方法上发展较为迟钝，虽然有一定的技术研究，但还未形成完整的体系方法，所以目前国内在自升式海洋平台的风险评估方法方面仍是一片空白，因而不能从该方面很好地保证自升式海洋平台的运行安全性和可靠性。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决现有技术在自升式海洋平台的风险评估方法方面仍是一片空白，因而不能从该方面很好地保证自升式海洋平台的运行安全性和可靠性的技术问题。为了解决上述技术问题，本发明提供一种自升式海洋平台的风险评估方法，该方法包括:极端载荷下的结构可靠性分析、结构疲劳的可靠性分析、平台插桩的结构可靠性分析、船舶碰撞的风险分析以及火灾爆炸的风险分析。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述风险评估方法还包括环境载荷的可靠性分析，所述环境载荷的可靠性分析通过现场观测、数值模拟或风洞实验的方法确定海洋平台的风载荷。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述极端载荷下的结构可靠性分析通过下列极限状态方程来实现:Z = Qrs.RS-Qss.SS式中，Qes为采用结构极限分析得到相应的极限倾覆弯矩代表结构的体系抗力，Qss为采用海洋环境荷载分析得到相应环境载荷产生的倾覆力矩代表荷载效应，RS和SS为抗力和荷载效应计算模型的偏差系数；所述RS的分布特性是通过将蒙特卡洛法与非线性倒塌分析相结合，对材料性能等变量进行抽样，然后将样本代入非线性倒塌分析程序，得到一系列平台极限承载力，最后对其进行统计分析得到的。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述结构疲劳的可靠性分析采用非线性时域计算方法，其首先采用谱分析方法对自升式平台的疲劳强度进行计算，然后在此基础上，对自升式平台的脉动风载荷进行数值模拟，同时综合考虑动力效应和脉动风载荷的影响。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述平台插桩的结构可靠性分析通过对平台插桩、拔桩、正常工作、风暴自存等工况时桩腿与海底岩土的相互作用机理进行分析得到海洋平台在工作海域的桩腿承载能力、抗滑移能力、抗倾覆能力和拔桩阻力；所述对桩腿与海底岩土的相互作用机理进行分析所采用的方法为常规计算方法、有限元法或试验法。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述火灾爆炸的风险分析是通过使用一些理论模型来预测事故的影响范围，所述理论模型包括泄露源模型、扩散模型、爆炸模型和/或热辐射模型。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述火灾爆炸的风险分析通过CFX软件模拟火灾的产生以及烟雾的扩散，并通过STEPS软件模拟人员的逃生路线和时间，以合理的规划平台的布置。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述船舶碰撞的风险分析的结果包括碰撞频率以及碰撞后果，所述碰撞频率通过对历史资料或事件树进行分析得到，所述碰撞后果通过由DNV船级社规范推荐的基于能量守恒的力学公式或者基于有限单元法的瞬态动力学商用软件得到，最后基于船级社给定的平台失效准则，得到最终的船舶碰撞风险分析结果。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述风险评估方法还包括高空坠物的风险分析，所述高空坠物的风险分析包括对整个起重机倾倒在船上造成的严重伤亡事故的分析以及对下落物体撞击甲板引起的设备损伤的分析，还包括在总布置时对于甲板上的管线系统、舱室支持系统以及支撑结构考虑高空坠物的风险。所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其中，所述风险评估方法还包括冰川海域的结构可靠性分析和/或工艺泄露的风险分析。本发明具有以下有益效果，本发明的自升式海洋平台的风险评估方法有效填补了现有技术在自升式海洋平台的风险评估方法方面的空白，为海洋工程在设计和建造阶段的方案确定和决策提供了技术支持，最大限度的保证了自升式平台的安全性和可靠性。
图1是本自升式海洋平台的风险评估方法的流程框图；图2是本自升式海洋平台的风险评估方法中的DOW火灾爆炸分析流程。
具体实施例方式为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。请参阅图1所示，本发明的自升式海洋平台的风险评估方法包括:极端载荷下的结构可靠性分析、结构疲劳的可靠性分析、平台插桩的结构可靠性分析、船舶碰撞的风险分析以及火灾爆炸的风险分析，还可以包括:环境载荷的可靠性分析、冰川海域的结构可靠性分析、工艺泄露的风险分析和/或高空坠物的风险分析。上述的环境载荷的可靠性分析、极端载荷下的结构可靠性分析、冰)11海域的结构可靠性分析、结构疲劳的可靠性分析以及平台插桩的结构可靠性分析可归纳为海洋平台的结构可靠性分析，上述的工艺泄露的风险分析、船舶碰撞的风险分析、火灾爆炸的风险分析以及高空坠物的风险分析可归纳为海洋平台的非结构风险分析。以下对其中几个方面的具体情况分别进行详细的描述。
①环境载荷的可靠性分析对于自升式海洋平台，其在海上作业时遭遇环境载荷作用时存在结构破坏的可能性，又由于海洋平台的风载荷对海洋平台结构造成的影响远大于其它环境载荷，所以在规范计算的基础上对其开展试验研究是很有必要的。确定海洋平台风载荷的方法主要有现场观测、数值模拟和风洞实验等几种，由于现场观测较为困难，数值模拟与风洞实验便成为确定海洋平台风载荷的主要方法。通过风洞实验和CFD计算对自升式平台的风载荷进行可靠性分析，对后续平台开发，优化平台指标有着重要的意义。②极端载荷下的结 构可靠性分析海洋平台结构体系可靠性分析可以归纳为下式:Ps = P {Ss ≤RsI(I)式(I)中，Rs是结构体系的抗力，可以用结构的基底剪力或基底倾覆力矩来表示，对于导管架平台而言，一般以基底剪力作为衡量标准，对于自升式平台而言，可以选取基底倾覆力矩作为衡量标准；Ss是与结构体系抗力相应的荷载效应。—般而言，采用结构极限分析得到相应的极限倾覆弯矩代表结构的体系抗力QKS，采用海洋环境荷载分析得到相应环境载荷产生的倾覆力矩代表荷载效应Qss。这样，对于海洋平台结构体系的可靠性分析归结为下列极限状态方程建立的问题:Z = Qes.RS-Qss.SS (2)式(2)中，RS和SS为抗力和荷载效应计算模型的偏差系数。式(2)中的体系抗力RS与材料性能的随机性以及结构几何尺寸的分布有关，如果在分析时考虑桩-土的相互作用，其分布还受到地基土壤参数离散性的影响。因此采用蒙特卡洛法与非线性倒塌分析相结合，对材料性能等变量进行抽样，然后将样本代入非线性倒塌分析程序，得到一系列平台极限承载力，最后对其进行统计分析，得到RS的分布特性。海洋环境中，风、浪和流是相关的，其对应的荷载要素是相关的随机变量，多个相关随机荷载作用下结构可靠性分析需要极值随机荷载的联合概率分布，但是这种实测资料存在统计上的困难。因此用结构倾覆力矩的概率分布来表达极端环境下荷载的联合概率分布，从结构可靠度分析的角度来看，OTM的统计概率分布就表达了各环境要素的联合概率分布。一般而言，需要考虑以下三种工况:阻塞冰工况，阻塞冰+风+流+其他非环境荷载；风浪相关工况，波浪+风+流+其他非环境荷载，考虑风、浪相关；风浪独立工况，波浪+风+流+其他非环境荷载，考虑风、浪相独立。③结构疲劳的可靠性分析在自升式平台设计初期进行疲劳强度计算是十分必要的，各种疲劳算法各有各的优点，也有不足。简化方法的简化计算公式现有的规范还没有给出明确规定，只能做一些近似处理；谱而分析要求线性系统，需进行线性化处理，忽略了动力效应的影响。对于疲劳载荷的计算，现有的规范大多将风载荷作为平均载荷来计算，而实际作用于结构上的风载荷是一随机过程，脉动风载荷对自升式平台动力效应和疲劳的影响上述两种方法都无法考虑。故而在本发明中，对结构疲劳的可靠性分析时，首先采用谱分析方法对自升式平台的疲劳强度进行计算，然后在此基础上，对自升式平台的脉动风载荷进行数值模拟，同时综合考虑动力效应和脉动风载荷的影响，故而是一种先进的非线性时域计算方法。④平台插桩的结构可靠性分析自升式平台在压载过程中，一个主要的潜在风险就是出现突发及较大失控的桩靴过多下陷如泥(此情况多发生于单个桩腿)，导致船体倾斜失衡，桩腿齿条受损，严重的甚至导致升降机构乃至桩腿桁架受损，以至于无法作业的后果，也就是俗称的“压载穿刺”。为保证自升式平台能够安全工作，在设计自升式平台时，首先对平台插桩、拔桩、正常工作、风暴自存等工况时桩腿与海底岩土的相互作用机理进行分析，从而确定平台在工作海域的桩腿承载能力、抗滑移能力、抗倾覆能力和拔桩阻力。国内外在研究自升式平台桩腿与岩土互作用时常采用常规计算方法、有限元法或试验法，采用有限元法分析时充分考虑到了平台主体关键结构的多桩腿-岩土互作用，是研究平台的插桩、拔桩、抗滑移和抗倾覆能力以及平台动态特性的有效手段。⑤船舶碰撞的风险分析船舶与平台之间的碰撞是近海工程结构主要风险来源之一。根据DNV分析从1965年到1991年间平台损伤的主要原因，约22%的损伤是由于船的碰撞引起的。根据HSE2003年的报告1975 2001年间船舶碰撞事故统计，共有557次碰撞事故，其中平台的服务船有514起，占事故总量的96%。所述船舶碰撞的风险分析的结果包括碰撞频率以及碰撞后果。对于碰撞频率，一般由历史资料获得，根据北海海域的平台碰撞的统计资料，对于固定式的导管架平台，造成中等程度或严重碰撞的基本频率为2.5X IO-4次/年，也可由事件树进行分析得到。对于碰撞后果，则可以由DNV船级社规范推荐的基于能量守恒的力学公式或者基于有限单元法的瞬态动力学商用软件得到，最后基于船级社给定的平台失效准则，得到最终的分析结果。⑥火灾爆炸的风险分析海上石油平台产生的油气流物，大都是原油和天然气等炭氢化合物，具有燃烧性、爆炸性和自燃性的特点，易于空气形成爆炸性化合物，遇火源时引起燃烧或爆炸。在进行海洋平台火灾爆炸风险分析时，后果分析主要是通过使用一些理论模型来预测事故的影响范围。与后果相关的理论模型有:泄露源模型、扩散模型、爆炸模型、热辐射模型等。这其实已经属于另一领域——火灾防护的研究范畴。现在，多数后果模型已经实现了计算机化，一般使用一些商品化的软件来进行计算，以获得较为精确地计算后果。如果没有现成的商用软件,如DNV的Safeti或者N印tune,那么可以采用美国道化学公司(DOW)火灾爆炸指数分析法或者英国ICI蒙德法进行分析，它以以往的事故统计资料及物质的潜在能量和现行安全措施为依据，定量地对工艺装置及所含物料的实际潜在火灾、爆炸和反应危险性进行分析评价。DOW火灾爆炸分析流程如图2中所示。一旦发生海洋平台的火灾和爆炸，工作人员需要进行紧急疏散，而火灾和爆炸带来的烟雾以及平台上的复杂布置又往往对人群疏散造成阻碍。因此，在设计阶段考虑海洋平台上发生诸如火灾、爆炸等突发事件事，制定科学的应急措施，防止疏散措施失当，引发人为的慌乱和踩踏事故出现是很有必要的。在设计阶段，成熟的商用软件可以帮助我们较为方便的解决这个问题，CFX软件可以模拟火灾的产生以及烟雾的扩散；而STEPS软件可以模拟人员的逃生路线和时间，以合理的规划平台的布置。⑦高空坠物的风险分析高空坠物的危险主要来源于起重机上下落的重物，还有各种类型的起重机吊臂下落或整个起重机倒塌。发生在北海的起重机事故的风险图表明有以下情况:a.整个起重机倾倒在船上造成的严重伤亡事故。b.下落物体撞击甲板引起的设备损伤。起重机所吊的载荷从小于2t的轻载荷到重量达30t的多个钻井轴，而且通过起重机起吊的防爆设备可能达150 220t。下落物体的质量和速度，决定了自由下落物体获得的能量大小以及可能造成的损伤。高空坠物的发生频率可由WOAD数据库得到，可能会导致甲板上装有炭氢化合物的设备失去密封性，从而引起火灾；或者会导致水中或水上的结构单元失效从而引起结构的整体失效。其后果取决于下落物体撞击设备或结构单元的方式，下落速度、撞击点、撞击角度、撞击时间和接触面积等等。因此，在总布置时，对于甲板上的管线系统以及舱室支持系统，支撑结构等部分需要考虑高空坠物的风险。本自升式海洋平台的风险评估方法可以对自升式平台在海洋环境较为恶劣的海域和冰区海域(如北海海域)的结构可靠性进行评估，又可以对自升式平台在各种海况下的疲劳可靠性进行直接计算，再又可以对自升式平台在插桩时由于土壤层地质的不同引起穿刺现象进行分析，还又可以对海洋平台在碰撞、管线泄露、火灾爆炸、高空坠物等意外事故的风险建立分析模型，并对意外发生时的人员逃生进行仿真和规划，还进一步可以对事故中人的因素进行评价，通过人因可靠性分析减小人的失误造成事故的概率，因而，有效填补了现有技术在自升式海洋平台的风险评估方法方面的空白，为海洋工程在设计和建造阶段的方案确定和决策提供了技术支持，最大限度的保证了自升式平台的安全性和可靠性。然而，以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，该方法包括:极端载荷下的结构可靠性分析、结构疲劳的可靠性分析、平台插桩的结构可靠性分析、船舶碰撞的风险分析以及火灾爆炸的风险分析。
2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法还包括环境载荷的可靠性分析，所述环境载荷的可靠性分析通过现场观测、数值模拟或风洞实验的方法确定海洋平台的风载荷。
3.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述极端载荷下的结构可靠性分析通过下列极限状态方程来实现: Z = Qes.RS-Qss.SS 式中，Qks为采用结构极限分析得到相应的极限倾覆弯矩代表结构的体系抗力，Qss为采用海洋环境荷载分析得到相应环境载荷产生的倾覆力矩代表荷载效应，RS和SS为抗力和荷载效应计算模型的偏差系数；所述RS的分布特性是通过将蒙特卡洛法与非线性倒塌分析相结合，对材料性能等变量进行抽样，然后将样本代入非线性倒塌分析程序，得到一系列平台极限承载力，最后对其进行统计分析得到的。
4.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述结构疲劳的可靠性分析采用非线性时域计算方法，其首先采用谱分析方法对自升式平台的疲劳强度进行计算，然后在此基础上，对自升式平台的脉动风载荷进行数值模拟，同时综合考虑动力效应和脉动风载荷的影响。
5.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述平台插桩的结构可靠性分析通过对平台插桩、拔桩、正常工作、风暴自存等工况时桩腿与海底岩土的相互作用机理进行分析得到海洋平台在工作海域的桩腿承载能力、抗滑移能力、抗倾覆能力和拔桩阻力；所述对桩腿与海底岩土的相互作用机理进行分析所采用的方法为常规计算方法、有限元法 或试验法。
6.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述火灾爆炸的风险分析是通过使用一些理论模型来预测事故的影响范围，所述理论模型包括泄露源模型、扩散模型、爆炸模型和/或热辐射模型。
7.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述火灾爆炸的风险分析通过CFX软件模拟火灾的产生以及烟雾的扩散，并通过STEPS软件模拟人员的逃生路线和时间，以合理的规划平台的布置。
8.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述船舶碰撞的风险分析的结果包括碰撞频率以及碰撞后果，所述碰撞频率通过对历史资料或事件树进行分析得到，所述碰撞后果通过由DNV船级社规范推荐的基于能量守恒的力学公式或者基于有限单元法的瞬态动力学商用软件得到，最后基于船级社给定的平台失效准则，得到最终的船舶碰撞风险分析结果。
9.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法还包括高空坠物的风险分析，所述高空坠物的风险分析包括对整个起重机倾倒在船上造成的严重伤亡事故的分析以及对下落物体撞击甲板引起的设备损伤的分析，还包括在总布置时对于甲板上的管线系统、舱室支持系统以及支撑结构考虑高空坠物的风险。
10.根据权利要求1所述的自升式海洋平台的风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法还包括冰川海域的结构可靠性分析和/或工艺泄露的风险分析。·
全文摘要
一种自升式海洋平台的风险评估方法，该方法包括极端载荷下的结构可靠性分析、结构疲劳的可靠性分析、平台插桩的结构可靠性分析、船舶碰撞的风险分析以及火灾爆炸的风险分析。本发明的自升式海洋平台的风险评估方法有效填补了现有技术在自升式海洋平台的风险评估方法方面的空白，为海洋工程在设计和建造阶段的方案确定和决策提供了技术支持，最大限度的保证了自升式平台的安全性和可靠性。
文档编号G06F19/00GK103093067SQ201110331209
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者胡安康, 周炳焕, 郭海强, 林一, 郭宇, 方华 申请人:中集船舶海洋工程设计研究院有限公司, 中国国际海运集装箱(集团)股份有限公司