淺談海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

倪令芹

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)的石油事業(yè)獲得了快速的發(fā)展，并逐漸加大了海洋平臺(tái)的建設(shè)。在該項(xiàng)工作開(kāi)展中，因海洋平臺(tái)成本高以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜特征的存在，則使其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有了更高的要求。在本文中，將就海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的研究。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；結(jié)構(gòu)；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)；

引言

在現(xiàn)今海洋平臺(tái)建設(shè)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是非常重要的一項(xiàng)工作，在以往設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要進(jìn)行重復(fù)的驗(yàn)證，無(wú)論是時(shí)間還是資源都具有較大的耗費(fèi)量，且并不能夠保證方案設(shè)計(jì)的有效性。對(duì)此，即需要能夠積極做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以可靠性為基礎(chǔ)，保障設(shè)計(jì)效果。在本研究中，將就該方面行業(yè)當(dāng)中的研究情況進(jìn)行分析與介紹。

1海洋平臺(tái)的靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)

就目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外在海洋平臺(tái)靜力優(yōu)化方面具有較多的研究。工作應(yīng)力法是現(xiàn)今海上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中經(jīng)常應(yīng)用到的規(guī)范，其中，LRFD即是一種結(jié)合了可靠性理論以及工作應(yīng)力法的方式，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，其不僅對(duì)不同荷載以及抗力的隨機(jī)性進(jìn)行了考慮，且對(duì)工作應(yīng)力法進(jìn)行了集成。目前，有較多人員通過(guò)該方式開(kāi)展實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效的提升了材料使用率。該方式在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有實(shí)用以及簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，為了保障其應(yīng)用效果，即需要在充分聯(lián)系海域特點(diǎn)的基礎(chǔ)上標(biāo)定相關(guān)參數(shù)。

在實(shí)際海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，在約束方面不僅需要對(duì)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、穩(wěn)定性約束以及剛度等進(jìn)行考慮，且需要能夠?qū)痘休d力約束進(jìn)行考慮。對(duì)于地基以及樁來(lái)說(shuō)，其在此過(guò)程中也具有非常重要的應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)抗力的敏感性以及不確定性具有十分重要的主導(dǎo)作用。目前，有研究人員對(duì)約束處理方式、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比約束的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了研究，即通過(guò)對(duì)構(gòu)件截面最大Mises應(yīng)力的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對(duì)受壓構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比以及樁頂側(cè)位移進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)約束條件數(shù)目減少的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型求解效率的優(yōu)化。

2海洋平臺(tái)的動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

從本質(zhì)角度來(lái)說(shuō)，海洋平臺(tái)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中將受到來(lái)自環(huán)境的動(dòng)荷載影響，在動(dòng)荷載影像下，其所具有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況則將對(duì)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)以及性能發(fā)揮產(chǎn)生影響，也是實(shí)際開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中的關(guān)鍵指標(biāo)類型。同靜力優(yōu)化方式相比，動(dòng)力優(yōu)化方式在方法以及理論方面還存在著一定的不完善情況，在現(xiàn)今海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化當(dāng)中，其更多的局限在部分簡(jiǎn)單問(wèn)題的研究中，如將動(dòng)態(tài)特性如頻率等作為目標(biāo)進(jìn)行約束等等，而在實(shí)際將約束作為動(dòng)力響應(yīng)的動(dòng)力優(yōu)化還存在著一定的不足，也很少具有以可靠度為基礎(chǔ)所開(kāi)展的結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)。在具體動(dòng)力優(yōu)化當(dāng)中，設(shè)計(jì)變量同結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)兩者間具有著高度非線性的關(guān)系，在實(shí)際優(yōu)化工作開(kāi)展當(dāng)中，可行域性態(tài)不良情況的存在也將增加問(wèn)題優(yōu)化難度。對(duì)于這部分問(wèn)題，目前有研究人員對(duì)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)極限以及可行域調(diào)整等方式進(jìn)行了優(yōu)化求解處理，對(duì)于穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)，則對(duì)陣型空間直接求解敏度的方式進(jìn)行了使用，在瞬間動(dòng)力相應(yīng)方面，則對(duì)以Newmark方式進(jìn)行了使用，并將其有效的是現(xiàn)在JIFRX程序系統(tǒng)當(dāng)中。

3基于可靠性的海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，其中具有著較多的不確定因素，如分析方法、荷載環(huán)境以及結(jié)構(gòu)自身特定等等，對(duì)此，即需要在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中做好這部分不確定性的充分考慮。就目前來(lái)說(shuō)，具有較多對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性分析，但在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)方面卻存在著而一定的困難與不足，如求解體系可靠度、尋找失效模式以及確定失效費(fèi)用等等。

在實(shí)際設(shè)計(jì)工作開(kāi)展當(dāng)中，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是非常重要的一項(xiàng)因素，也是對(duì)平臺(tái)整體安全水平進(jìn)行反映的關(guān)鍵指標(biāo)，在實(shí)際對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行確定時(shí)，做好結(jié)構(gòu)失效模式的尋找可以說(shuō)是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。以導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，只有導(dǎo)管架、樁基以及上部夾板這幾個(gè)系統(tǒng)保持運(yùn)行在正常狀態(tài)時(shí)，才能夠保證平臺(tái)對(duì)鉆采等功能進(jìn)行良好的實(shí)現(xiàn)。如當(dāng)樁基以及導(dǎo)管架當(dāng)中主要構(gòu)件發(fā)生失效情況，則即將因此導(dǎo)致樁基以及導(dǎo)管架發(fā)生失效問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。對(duì)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，即可以將海洋平臺(tái)的樁、導(dǎo)管腿失效作為其中的主要失效模式進(jìn)行確定，也可以將相鄰層結(jié)構(gòu)層間變形作為主要失效模式進(jìn)行確定，目前，已經(jīng)有研究人員對(duì)損傷力學(xué)非線性損傷模型進(jìn)行了使用，并在此基礎(chǔ)上獲得了屈服可靠性以及疲勞可靠性相關(guān)設(shè)計(jì)。

在近年來(lái)可靠性技術(shù)以及高級(jí)分析結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)海洋平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了較大的影響，其主要具有多個(gè)水平分類，即單元水平、系統(tǒng)可靠度水平、系統(tǒng)水平、全壽命設(shè)計(jì)以及規(guī)范校核這幾方面內(nèi)容。其中，系統(tǒng)以及單元水平在具體平臺(tái)設(shè)計(jì)當(dāng)中具有十分重要的影響，但系統(tǒng)可靠度在全壽命設(shè)計(jì)以及規(guī)范校核當(dāng)中也存在一定的應(yīng)用局限。在具體單元優(yōu)化方面，在現(xiàn)今硬件設(shè)施以及計(jì)算方法不斷提升的情況下，非線性以及線性有限元方式在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中已經(jīng)具有了較多的應(yīng)用，在經(jīng)過(guò)極限強(qiáng)度以及線性應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，則能夠在有效減少單元制造費(fèi)用以及整體重量的基礎(chǔ)上大幅度實(shí)現(xiàn)平臺(tái)費(fèi)用的降低。而在系統(tǒng)優(yōu)化方面，通過(guò)可靠度技術(shù)以及高級(jí)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的應(yīng)用，也能夠在平臺(tái)極端環(huán)境以及意外事件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出重要的作用。

4全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

在現(xiàn)今海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)當(dāng)中，做好其全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)也是非常重要的一項(xiàng)工作。在該項(xiàng)工作具體開(kāi)展當(dāng)中，從開(kāi)始的設(shè)計(jì)階段、中期的應(yīng)用維修以及最終的失效階段，都需要能夠?qū)⑵湟暈橐粋€(gè)整體進(jìn)行考慮與設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不僅需要能夠做好技術(shù)方面因素的考慮，且需要做好政治、社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)等相關(guān)因素的考慮，其在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中所具有的目標(biāo)，即是在整個(gè)結(jié)構(gòu)壽命周期當(dāng)中最大程度降低其費(fèi)用，在結(jié)構(gòu)未來(lái)?yè)p失期望以及初始造價(jià)當(dāng)中對(duì)良好的優(yōu)化平衡目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)今的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)當(dāng)中，更多的只是對(duì)初始造價(jià)進(jìn)行考慮，而在結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)方面則缺少設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性分析工作當(dāng)中，即是盡可能對(duì)不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所具有的組合以及隨機(jī)特性進(jìn)行反映，而在結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，則將對(duì)造成結(jié)構(gòu)失效的原因以及導(dǎo)致的后果進(jìn)行綜合考慮，以綜合的方式對(duì)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、使用到最終報(bào)廢整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)隨機(jī)特性的反映。在現(xiàn)今設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)維修費(fèi)用、失效損失以及結(jié)構(gòu)初始投資的優(yōu)化設(shè)計(jì)受到了更多人們的重視，在國(guó)外，近年來(lái)也在該方面具有了較大的發(fā)展，在不同工作環(huán)境以及結(jié)構(gòu)型式中對(duì)科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了提出。目前，已經(jīng)有研究從結(jié)構(gòu)壽命周期角度出發(fā)，對(duì)效益準(zhǔn)則模式進(jìn)行了提出，即在將經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題進(jìn)行融合的基礎(chǔ)上詳細(xì)描述受傷、死亡以及維修費(fèi)用等，為相關(guān)工作的開(kāi)展提出了有力的理論基礎(chǔ)。

5結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)海洋石油事業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，較多的海洋平臺(tái)得到了建設(shè)。在上文中，我們對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的研究?？傮w來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)今海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了非常重要的一項(xiàng)工作，對(duì)此，即需要能夠在未來(lái)工作當(dāng)中加強(qiáng)可靠性優(yōu)化工作的開(kāi)展，通過(guò)優(yōu)化效果的提升保障工程建設(shè)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭小丹.大型煉化項(xiàng)目配套動(dòng)力站供熱可靠性探討[J].化工設(shè)計(jì)通訊.2017，43（09）：167-168.

[2]王麗春，李軍強(qiáng)，朱林，馬兵.抽油機(jī)安全可靠性的灰色模糊評(píng)價(jià)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2016，28（01）：14-16.

[3]劉昌達(dá).國(guó)際石油工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理中可靠性識(shí)別問(wèn)題及對(duì)策研究[J].科技資訊.2014（09）：142-143.

[4]孫貴生.提高鉆場(chǎng)主要設(shè)備可靠性的措施[J].西部探礦工程.2010，22（10）：148-149.