CN108710946A - 深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，将深海平台SCR分段作为风险维修决策单元；选取维修决策单元进行风险识别；进行单元瞬态失效概率分析，同时进行极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析、极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析和上段外腐蚀失效概率分析；单元失效后果评估进行风险分析；反算单元维修周期；基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化。本发明的有益效果是以三种人因失误概率的总和，与最大可接受人因失误概率的比较作为维修分组的判断准则，对按维修周期排序的单元进行维修分组，实现立管风险维修策略的优化。
Description
技术领域
本发明属于深海勘探技术领域，涉及深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法。
背景技术
深海平台钢悬链线立管(简称SCR——Steel Catenary Riser)作为连接海底油气资源和海面油气储运装置的重要部件，是深海平台装置服役环境最为恶劣的部分之一。深海内波、畸形波、台风和台风浪等具有很大程度时变性和不确定性的环境荷载都将成为威胁立管安全运行的重要因素。同时深海平台SCR内部高温高压的石油天然气等工作介质荷载也对立管有着极大的破坏作用。深海平台SCR在这些复杂荷载的作用下，往往会产生大尺度的强非线性运动响应，即使在立管设计过程中采用了增大安全系数或提高设计标准等措施，仍会发生屈曲破坏、疲劳断裂破坏和过载断裂破坏等失效事故。而一旦发生破坏，不仅会因为维修或更换成本高昂以及停产而造成巨大经济损失，而且还会造成巨大的人员伤亡和严重的环境污染。
因此，深海资源开发过程中必须采取措施确保深海平台SCR系统的安全可靠运行。然而，深海平台SCR运行过程中影响其破坏失效的风险因素众多，并且具有随机性和模糊性，导致难以采用模型试验或数值模拟等常规方法来准确进行深海平台SCR系统的安全性评估。以可靠度分析为代表的传统安全评估方法，由于忽视了深海平台SCR系统潜在的失效风险，以及对潜在风险转化为实际灾害事故后的影响无法衡量等不足，已经不能较好地适应深海平台SCR系统的安全性评估要求。于是，迫切需要一些新型的方法来取代或完善已有的安全性评估手段。而风险分析方法的出现则可以很好的解决深海平台SCR系统的安全性评估问题，可以较为准确的反映立管系统破坏失效的风险情况，从而可以避免不必要的因立管系统泄露破坏及维修和更换所造成的巨大人员、环境和经济损失。
发明内容
本发明的目的在于提供深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，本发明的有益效果是通过动态失效概率模型反算单元的维修周期；提出人因可靠性平衡法，即以三种人因失误概率(个人工作量的增加、维修过程中的易变性、不同维修任务之间的人因失误依赖性)的总和，与最大可接受人因失误概率的比较作为维修分组的判断准则，对按维修周期排序的单元进行维修分组，实现立管风险维修策略的优化。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
步骤1、将深海平台SCR分段作为风险维修决策单元；
步骤2、选取维修决策单元进行风险识别；
步骤3、进行单元瞬态失效概率分析，同时进行极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析、极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析和上段外腐蚀失效概率分析；
步骤4、根据步骤3的结果和单元失效后果评估进行风险分析；
步骤5、反算单元维修周期；
步骤6、需要分析下一深海平台SCR分段作为风险维修决策单元，跳转至步骤2，否则进行下一步；
步骤7、基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化。
进一步，深海平台SCR分段作为风险维修决策单元是指针对两种不同类型的SCR系统分别进行分段，每一段作为一个维修决策单元。
进一步，选取维修决策单元进行风险识别是指采用层次分析法，确定各单元基本风险事件，将同一层次的各元素按其对相邻上一层次各准则的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助遗传算法实现同一层次各元素的重要程度单排序及其一致性检验，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，实现各维修决策单元的主要风险识别。
进一步，单元瞬态失效概率分析是指基于风险识别，采用层次分析法，将立管的失效分为环境荷载、腐蚀和工作荷载导致的失效，将环境荷载导致的失效模式分为台风及台风浪导致的立管失效、内波导致的立管失效、畸形波导致的立管失效和过大海流导致的立管疲劳失效，将台风及台风浪导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和瞬时作用过大导致的应力断裂/内波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅漂移导致的应力断裂/畸形波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅振动导致的应力断裂，将工作荷载导致的失效模式分为管内介质的流速过大导致的触地点屈曲破坏、管内外温差过大导致的屈曲破坏、管内外压差过大导致的屈曲破坏，根据各单元对应的基本风险事件分别建立其失效模糊故障树模型，运用改进专家综合评估法和模糊数学理论求解故障树基本风险事件的发生概率，根据基本风险事件的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，得到基本风险事件的瞬态权重系数，分别计算维修决策单元瞬态失效概率。
进一步，极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析是指根据相关规范中立管的许用应力标准建立立管应力断裂失效的极限状态函数，参考现有我国南海海域极端海洋环境荷载研究成果，分析极端海洋环境荷载的联合概率分布，分析深海平台随机响应特性，利用SCR动力学模型计算波浪、海流、平台运动共同作用下立管的应力响应,采用代理模型技术优化应力分析的计算时间，针对应力断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的应力失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性；
所述极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析是指建立立管疲劳断裂失效的极限状态函数，参考我国南海海域极端海洋环境现有研究成果分析极端海洋环境的联合概率分布，基于极端海洋环境工程相关特性研究成果分析深海平台随机响应特性，利用建立的SCR三维动力学模型计算波浪、海流、平台共同作用下立管的疲劳寿命，利用SCR三维动力学模型计算极端环境过大海流作用下立管的涡激振动疲劳寿命，采用代理模型技术优化疲劳分析的计算时间，针对疲劳断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的疲劳断裂失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性；
所述上段外腐蚀失效概率分析是指针对SCR上段外部腐蚀的时变性，考虑极端海洋环境条件并参照相关规范计算腐蚀率，参照DNV规范推荐的破裂模型计算立管的极限压力，建立立管外部腐蚀失效的极限状态函数(随机因素包括腐蚀缺陷尺寸、立管尺寸、立管材料的力学性能以及内部操作压力等)，采用蒙特卡洛方法计算立管的失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性。
进一步，基于随机权重系数的动态失效概率分析是指根据维修决策单元失效概率与各基本风险事件发生概率的关系，引入Weibull可靠性分析模型，导出考虑各基本风险事件安全等级系数的权重系数表达式，对瞬态权重系数进行平均权重系数变换以考虑时间范围的影响，建立动态失效概率计算模型，假定各基本风险事件的权重系数服从随机分布，直接抽样计算维修决策单元动态失效概率，采用单元素Metropolis-Hastings采样法进行重复抽样，建立一个平稳的马尔可夫链来得到维修决策单元失效概率样本，通过计算马尔可夫链的后验期望对动态失效概率做出统计推断。
进一步，单元失效后果评估进行风险分析是指运用考虑专家权重的综合评分研究维修决策单元失效导致的人身、环境和经济三个方面损失的大小，运用层次分析法研究单元失效后果中人身、环境和经济三个方面损失的严重性权重，综合考虑损失大小和相应的严重性权重，实现维修决策单元失效后果的估计，分别确定维修决策单元失效概率等级和后果等级，运用风险矩阵实现单元的风险分析。
进一步，反算单元维修周期是指确定可接受风险水平，结合失效后果计算维修决策单元失效概率，根据动态失效概率模型反算初始状态到失效的时间间隔，确定维修决策单元的维修周期。
进一步，基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化是指总结分析工作量的增加导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析维修过程中的易变性导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析不同维修任务之间的人因失误依赖性导致人因失误概率的现有研究成果，将各单元按维修周期从小到大进行排序，运用静态成组技术对维修单元进行分组，将上述三种人因失误概率的和小于最大可接受人因失误概率作为分组的标准，优化维修分组策略，分析维修费用和维修人员暴露风险的降低程度。
附图说明
图1是本发明深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。具体技术路线如图1所示，深海平台SCR分段作为风险维修决策单元是指：针对两种不同类型的SCR系统分别进行分段，每一段作为一个维修决策单元。
选取维修决策单元进行风险识别是指：采用层次分析法，确定各单元基本风险事件，将同一层次的各元素按其对相邻上一层次各准则的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助遗传算法实现同一层次各元素的重要程度单排序及其一致性检验，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，实现各维修决策单元的主要风险识别。
单元瞬态失效概率分析是指：基于风险识别，采用层次分析法，将立管的失效分为环境荷载、腐蚀和工作荷载导致的失效，进一步将环境荷载导致的失效模式分为台风及台风浪导致的立管失效、内波导致的立管失效、畸形波导致的立管失效和过大海流导致的立管疲劳失效，将台风及台风浪导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和瞬时作用过大导致的应力断裂/内波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅漂移导致的应力断裂/畸形波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅振动导致的应力断裂，进一步将工作荷载导致的失效模式分为管内介质的流速过大导致的触地点屈曲破坏、管内外温差过大导致的屈曲破坏、管内外压差过大导致的屈曲破坏，根据各单元对应的基本风险事件分别建立其失效模糊故障树模型，运用改进专家综合评估法和模糊数学理论求解故障树基本风险事件的发生概率，根据基本风险事件的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，得到基本风险事件的瞬态权重系数，分别计算维修决策单元瞬态失效概率。
极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析是指：根据相关规范中立管的许用应力标准建立立管应力断裂失效的极限状态函数(随机因素包括外部环境荷载、水动力参数、立管尺寸以及立管材料的力学参数等)，参考现有我国南海海域极端海洋环境荷载研究成果(包括台风浪、内波、畸形波和海流)，分析极端海洋环境荷载的联合概率分布，基于极端海洋环境工程相关特性研究成果分析深海平台随机响应特性，利用申请者前期研究工作中建立的SCR动力学模型计算波浪、海流、平台运动共同作用下立管的应力响应(与前期已完成的钢悬链线立管实验研究结果进行对比分析，验证计算结果的正确性。)。采用代理模型技术优化应力分析的计算时间，针对应力断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的应力失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性。
极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析是指：建立立管疲劳断裂失效的极限状态函数(随机因素包括外部环境荷载、水动力参数、立管尺寸、立管材料的力学参数以及疲劳参数等)，参考我国南海海域极端海洋环境现有研究成果(包括台风浪、内波、畸形波和海流)，分析极端海洋环境的联合概率分布，基于极端海洋环境工程相关特性研究成果分析深海平台随机响应特性，利用申请者前期研究工作中建立的SCR三维动力学模型计算波浪、海流、平台共同作用下立管的疲劳寿命，利用SCR三维动力学模型计算极端环境过大海流作用下立管的涡激振动疲劳寿命，采用代理模型技术优化疲劳分析的计算时间，针对疲劳断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的疲劳断裂失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性。
上段外腐蚀失效概率分析是指：针对SCR上段外部腐蚀的时变性，考虑极端海洋环境条件并参照相关规范计算腐蚀率，参照DNV规范推荐的破裂模型计算立管的极限压力，建立立管外部腐蚀失效的极限状态函数(随机因素包括腐蚀缺陷尺寸、立管尺寸、立管材料的力学性能以及内部操作压力等)，采用蒙特卡洛方法计算立管的失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性。
基于随机权重系数的动态失效概率分析是指：根据维修决策单元失效概率与各基本风险事件发生概率的关系，引入Weibull可靠性分析模型，导出考虑各基本风险事件安全等级系数的权重系数表达式，对瞬态权重系数进行平均权重系数变换以考虑时间范围的影响，结合上述各基本风险事件发生概率，参考瞬态失效概率计算方法建立动态失效概率计算模型，假定各基本风险事件的权重系数服从随机分布，直接抽样计算维修决策单元动态失效概率，采用单元素Metropolis-Hastings采样法进行重复抽样，建立一个平稳的马尔可夫链来得到维修决策单元失效概率样本，通过计算马尔可夫链的后验期望对动态失效概率做出统计推断，使用MATLAB工具对动态失效概率模型进行仿真分析。
单元失效后果评估进行风险分析是指：运用考虑专家权重的综合评分研究维修决策单元失效导致的人身、环境和经济三个方面损失的大小，运用层次分析法研究单元失效后果中人身、环境和经济三个方面损失的严重性权重，综合考虑损失大小和相应的严重性权重，实现维修决策单元失效后果的估计，分别确定维修决策单元失效概率等级和后果等级，运用风险矩阵实现单元的风险分析。
反算单元维修周期是指：确定可接受风险水平，结合失效后果计算维修决策单元失效概率，根据动态失效概率模型反算初始状态到失效的时间间隔，确定维修决策单元的维修周期。
基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化是指：总结分析工作量的增加导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析维修过程中的易变性导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析不同维修任务之间的人因失误依赖性导致人因失误概率的现有研究成果，将各单元按维修周期从小到大进行排序，运用静态成组技术对维修单元进行分组，将上述三种人因失误概率的和小于最大可接受人因失误概率作为分组的标准，优化维修分组策略，分析维修费用和维修人员暴露风险的降低程度。
本发明建立一种能够进行特定海洋环境中新设计深海平台SCR系统(或者是缺乏监测资料的在役立管)风险分析的动态失效概率计算模型，作为风险维修决策的基础。该模型的主要优势体现在以下两个方面：立管单元失效概率计算时综合考虑我国南海极端环境荷载、腐蚀和工作荷载产生的多种风险影响因素(包括立管碰撞)，并采用基本风险事件发生概率的随机性分析验证和修正其模糊发生概率值；引入考虑各基本风险事件安全等级系数和时间范围的平均权重系数建立单元失效概率的动态分析模型，并使用随机抽样法优化权重系数取值，以减少对专家经验的依赖性。其次，依据可接受风险水平和失效后果评估计算单元失效概率，通过动态失效概率模型反算单元的维修周期；根据首次提出的“人因可靠性平衡法”，即以三种人因失误(个人工作量的增加、维修过程中的易变性、不同维修任务之间的人因失误依赖性)的量化指标——人因失误概率(Human ErrorProbability,HEP)的总和，与最大可接受HEP的比较作为判断准则对单元进行维修分组，进而实现立管风险维修策略的优化。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1、将深海平台SCR分段作为风险维修决策单元；
步骤2、选取维修决策单元进行风险识别；
步骤3、进行单元瞬态失效概率分析，同时进行极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析、极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析和上段外腐蚀失效概率分析；
步骤4、根据步骤3的结果和单元失效后果评估进行风险分析；
步骤5、反算单元维修周期；
步骤6、需要分析下一深海平台SCR分段作为风险维修决策单元，跳转至步骤2，否则进行下一步；
步骤7、基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化。
2.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述深海平台SCR分段作为风险维修决策单元是指针对两种不同类型的SCR系统分别进行分段，每一段作为一个维修决策单元。
3.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述选取维修决策单元进行风险识别是指采用层次分析法，确定各单元基本风险事件，将同一层次的各元素按其对相邻上一层次各准则的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助遗传算法实现同一层次各元素的重要程度单排序及其一致性检验，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，实现各维修决策单元的主要风险识别。
4.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述单元瞬态失效概率分析是指基于风险识别，采用层次分析法，将立管的失效分为环境荷载、腐蚀和工作荷载导致的失效，将环境荷载导致的失效模式分为台风及台风浪导致的立管失效、内波导致的立管失效、畸形波导致的立管失效和过大海流导致的立管疲劳失效，将台风及台风浪导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和瞬时作用过大导致的应力断裂/内波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅漂移导致的应力断裂/畸形波导致的立管失效分为过载疲劳破坏、立管碰撞损伤和深海平台大幅振动导致的应力断裂，将工作荷载导致的失效模式分为管内介质的流速过大导致的触地点屈曲破坏、管内外温差过大导致的屈曲破坏、管内外压差过大导致的屈曲破坏，根据各单元对应的基本风险事件分别建立其失效模糊故障树模型，运用改进专家综合评估法和模糊数学理论求解故障树基本风险事件的发生概率，根据基本风险事件的相对重要性进行两两比较，构造判断矩阵，借助协同学优化算法实现各层次元素总排序及其一致性检验，得到基本风险事件的瞬态权重系数，分别计算维修决策单元瞬态失效概率。
5.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述极端环境荷载作用下过载应力断裂失效概率分析是指根据相关规范中立管的许用应力标准建立立管应力断裂失效的极限状态函数，参考现有我国南海海域极端海洋环境荷载研究成果，分析极端海洋环境荷载的联合概率分布，分析深海平台随机响应特性，利用SCR动力学模型计算波浪、海流、平台运动共同作用下立管的应力响应,采用代理模型技术优化应力分析的计算时间，针对应力断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的应力失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性；
所述极端环境荷载作用下过载疲劳断裂失效概率分析是指建立立管疲劳断裂失效的极限状态函数，参考我国南海海域极端海洋环境现有研究成果分析极端海洋环境的联合概率分布，基于极端海洋环境工程相关特性研究成果分析深海平台随机响应特性，利用建立的SCR三维动力学模型计算波浪、海流、平台共同作用下立管的疲劳寿命，利用SCR三维动力学模型计算极端环境过大海流作用下立管的涡激振动疲劳寿命，采用代理模型技术优化疲劳分析的计算时间，针对疲劳断裂失效的极限状态函数采用蒙特卡洛方法进行随机性分析，计算立管的疲劳断裂失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性；
所述上段外腐蚀失效概率分析是指针对SCR上段外部腐蚀的时变性，考虑极端海洋环境条件并参照相关规范计算腐蚀率，参照DNV规范推荐的破裂模型计算立管的极限压力，建立立管外部腐蚀失效的极限状态函数(随机因素包括腐蚀缺陷尺寸、立管尺寸、立管材料的力学性能以及内部操作压力等)，采用蒙特卡洛方法计算立管的失效概率，与模糊失效概率计算结果进行对比，验证失效概率模型的正确性。
6.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述基于随机权重系数的动态失效概率分析是指根据维修决策单元失效概率与各基本风险事件发生概率的关系，引入Weibull可靠性分析模型，导出考虑各基本风险事件安全等级系数的权重系数表达式，对瞬态权重系数进行平均权重系数变换以考虑时间范围的影响，建立动态失效概率计算模型，假定各基本风险事件的权重系数服从随机分布，直接抽样计算维修决策单元动态失效概率，采用单元素Metropolis-Hastings采样法进行重复抽样，建立一个平稳的马尔可夫链来得到维修决策单元失效概率样本，通过计算马尔可夫链的后验期望对动态失效概率做出统计推断。
7.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述单元失效后果评估进行风险分析是指运用考虑专家权重的综合评分研究维修决策单元失效导致的人身、环境和经济三个方面损失的大小，运用层次分析法研究单元失效后果中人身、环境和经济三个方面损失的严重性权重，综合考虑损失大小和相应的严重性权重，实现维修决策单元失效后果的估计，分别确定维修决策单元失效概率等级和后果等级，运用风险矩阵实现单元的风险分析。
8.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述反算单元维修周期是指确定可接受风险水平，结合失效后果计算维修决策单元失效概率，根据动态失效概率模型反算初始状态到失效的时间间隔，确定维修决策单元的维修周期。
9.按照权利要求1所述深水立管系统风险维修决策优化的人因可靠性平衡法，其特征在于：所述基于人因可靠性平衡法的成组维修策略优化是指总结分析工作量的增加导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析维修过程中的易变性导致人因失误概率的现有研究成果，总结分析不同维修任务之间的人因失误依赖性导致人因失误概率的现有研究成果，将各单元按维修周期从小到大进行排序，运用静态成组技术对维修单元进行分组，将上述三种人因失误概率的和小于最大可接受人因失误概率作为分组的标准，优化维修分组策略，分析维修费用和维修人员暴露风险的降低程度。
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