海洋平台结构风险鲁棒性的评估与控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种海洋平台结构风险鲁棒性的评估与控制方法。
【背景技术】
[0002] 海洋平台结构在长期服役过程中可能会遭受各种突发致损事件，造成结构局部破 坏，并引发一连串失效反应，甚至导致平台结构整体的连续破坏、倒塌。如1980年，英国北 海Alexander L. Kielland号平台由于水中支杆存在小孔而发生断裂，并最终导致平台整 体倾没于海洋之中；2010年，英国石油公司"深水地平线"号钻井平台发生爆炸，并在36小 时内多次施救无效后平台倾斜，随之沉入墨西哥湾；1969年，我国渤海海域的渤海老2号钢 质粧基固定平台的部分构件因强度不够而被冰挤破、开裂，最终导致整座平台被海冰推倒。
[0003] 上述平台结构的连续倒塌事故充分暴露了结构在抵抗初始局部破坏方面的薄弱 性，表现为事故的非比例破坏，具有极其巨大的潜在危险和隐患。所谓的"非比例破坏"，又 称为"非对称性破坏"，是指偶然事件所造成的整体结构破坏后果远远大于初始局部损伤所 造成的直接后果，即很小的损伤原因会引起灾难性的失效后果。
[0004] 鲁棒性分析与设计是防止结构发生非比例性连续倒塌的主要手段。"鲁棒性"作为 一种衡量结构体系抵御局部破坏干扰能力的概念，与传统的结构可靠性理论不同，侧重于 研究结构初始破坏和失效后果之间的非对称现象，但如何对结构鲁棒性做出恰当的定量评 价并不容易。自20世纪80年代以来，国内外研究者分别从结构确定性承载能力、结构脆弱 性评价理论（Structural Vulnerability Theory)、结构冗余度、广义结构刚度概念以及能 量方法等不同角度，开展了广泛的研究，并取得了一系列进展。
[0005] 然而，上述鲁棒性评价研究更多关注于土木工程及建筑结构领域，而在海洋平台 结构评估与设计中的应用还鲜有文献报道。2015年，发明人从系统动态失效概率的角度出 发，提出一种海洋石油平台全寿命周期动态鲁棒性评价方法，能够充分体现海洋平台结构 鲁棒性评价中"疲劳载荷"、"突发事件"及结构材料的不确定性和时变特征。但是，从上述一 系列海洋平台灾难事故引发的严重后果来看，结构鲁棒性评价不仅与结构损伤前后的失效 概率相关，还与结构突发局部损伤程度及整体失效后果有关，更需要反映突发致损事件"小 概率，高后果"的非比例后果特性。因此，从风险分析和后果分析的角度，进行结构鲁棒性评 价将是一种更加全面恰当的选择。
【发明内容】
[0006] 为此，本发明的目的在于提供一种基于常规疲劳退化与突发致损事件耦合作用的 海洋平台结构风险鲁棒性的评估与控制方法，从而可为海洋石油平台结构在"突发事件" 下的风险鲁棒性评价及鲁棒性控制决策提供一种指导性的依据，而具有更加重要的实际意 义。
[0007] 本发明采用以下技术方案： 一种海洋平台结构风险鲁棒性的评估与控制方法，将海洋平台结构风险分为整体失效 概率随时间不断增大的第一类风险和因突发事件产生的第二类风险； 假定第二类风险在海洋平台服役周期内各年等概率出现，建立第二类风险产生的概率 模型及随机过程； 基于Monte-Carlo随机模拟方法，启动所述随机过程，确定第二类风险发生时造成海 洋平台结构直接损坏的直接后果和第二类风险发生时对第一类风险发生概率影响的间接 后果，直接后果与间接后果之和为总后果； 以直接后果占总后果的比重作为风险鲁棒性； 通过所述随机过程，确定平台结构的风险鲁棒性，从而当直接后果产生时，通过维修行 为影响平台结构的第一类风险和第二类风险，以控制其风险鲁棒性。
[0008] 依据本发明，综合第一类风险和第二类风险设定风险鲁棒性指标，经过验证，基于 该指标能够更加准确的指导海洋平台的风险防控，例如疲劳退化在海洋平台服役后期对风 险鲁棒性的影响会加大，因此重点防控不仅仅是突发事件所代表的第二类风险，也需要考 虑疲劳退化所影响的第一类风险。而通过随机过程确定影响风险鲁棒性的结构损伤，通过 对其维修有效的保持风险鲁棒性指标。从而，风险鲁棒性指标能够为维修加固决策提供一 种指导性依据，因而更具有实际意义。
[0009] 可选地，第二类风险的模型的建立以选定的海洋平台结构的部位和风险类别，以 及在相应部位发生相应风险的概率建立第二类风险发生概率矩阵； 基于Monte-Carlo随机模拟方法，以概率矩阵中的概率权重随机在相应部位发生的相 应风险作为事件进行模拟。
[0010] 可选地，随机出的事件数随所选定部位数量以及所选择风险类别的增加而增加。
[0011] 可选地，随机出的事件数为概率矩阵元素数的400~600倍。
[0012] 可选地，海洋平台结构在服役ifl寸刻的直接风险怂⑴和间接风险尤⑴如下：
式中，/； (?)为"突发事件"在服役周期内均匀发生时间的概率密度函数；A (?)表示 海洋平台结构在甜寸刻之前未发生失效的概率;Λ，(?)表示损伤平台结构在ifl寸刻的失效 概率； 所述概率矩阵表示为
为第i类"突发事件"在部位7前发生概率； i=l，·····，越，i(代表代表"突发事件"类型数；户1，·····，#2，#2代表局部损伤部位数； 发生时间服从均匀分布：
^为突发事件的发生时间，7?平台服役 周期； Cu为第i类"突发事件"在部位J发生后，局部构件发生破坏失效的直接后果； 表示间接后果G在海洋平台服役期内的动态时变特性； 1?示银行资金的年利率； Λ，(?)为损伤平台结构在第洋的失效概率。
[0013] 可选地，损伤平台结构在第洋的失效概率Δ /^(?)通过随机模拟Monte-Carlo方 法获得： 对平台整体失效过程进行N次模拟，并记录平台服役周期内每一年的失效次数仄，则损 伤平台年倒塌失效概率：
[0014] 可选地，当第二类风险发生时通过维修并兼顾海洋平台运营所增加的成本和/或 后果影响风险鲁棒性的平台结构以控制风险的鲁棒性；从而，通过Monte-Carlo随机模拟 方法，找到控制风险鲁棒性的最佳响应维修行为。
[0015] 可选地，将维修行为区分为完好维修和非完好维修，其中完好维修是通过维修将 第二类风险发生所产生的后果完全消除，非完好维修则是后果消除占完好维修的比重；维 修前，通过Monte-Carlo随机模拟方法模拟，以设定的风险鲁棒性阈值为维修后果评定的 基准，确定采用完好维修或非完好维修，以及采用非完好维修时的选择海洋平台维修部位 和维修程度。
[0016] 可选地，满足风险鲁棒性阈值条件的所有维修行为，以维修时间最少者为维修方 案，其余为备选方案。
[0017] 可选地，综合第一类风险和第二类风险，在海洋平台服役的每一年，对平台结构施 加一次相应的年极值环境载荷，以进行年度评估。
【附图说明】
[0018] 图1为鲁棒性评估事件树。
[0019] 图2为基于风险分析的导管架鲁棒性评估流程图。
[0020] 图3为导管架平台有限元模型。
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