海洋平台结构构件

考虑环境损伤情况下海洋平台结构构件 的时变可靠性 于诗源 姚军 白新建 郭广智 (天津修船技术研究所 天津市塘沽区新港三号路4号 300456) 摘要：海洋平台结构在服役期间所处环境十分复杂且恶劣，它将受到各种各样的环境损伤，从而降低了结构构件的可靠度。本文将海洋平台结构构件的极限抵抗能力视为随时间衰减的函数，通过分析材料的极限强度衰减和抵抗模量的衰减得到了结构构件的极限抵抗能力的随机衰减模型，近而得到了任意时刻t时的结构构件可靠性指标。通过算例可知，海洋平台结构构件的时变可靠性分析的必要性。 关键词：时变可靠性，海洋平台，环境损伤，强度衰减 Time-depend reliability analysis of the offshore platform under environment damage Abstract：The working environment of offshore platform is very complex and poor during the service time. It will suffer all kinds of environment damage, thereby, the structural reliability is reduced. In this paper, the ultimate resistance ability of offshore platform structure is regarded as a decay function following the time. From the analysis of the decay of ultimate strength and resistance modulus of material, the random decay model of ultimate resistance ability of structure is obtained, and then the reliability index of structure at any time t is obtained. From the example, it can be drawn that the time-depend reliability analysis of the offshore platform structure is necessary. Keyword：time-depend reliability, offshore platform, environment damage, strength degradation 1 前言 海洋平台在服役期间，有众多因素会导致结构老化和破坏。其中，由于海水腐蚀和环境疲劳载荷共同作用引起的环境损伤就是一个主要因素。海水腐蚀可分为均匀腐蚀和点腐蚀，它们会引起构件净承载截面面积的减小，而环境疲劳载荷会引起材料内部微缺陷的萌生和发展，它们均会引起平台结构钢构件性能方面的广义损伤。为了分析海水腐蚀和环境疲劳载荷共同作用引起的构件性能损伤，进行如下假设： （1）均匀腐蚀只造成截面面积的减小，而不引起材料力学性能指标的劣化。 （2）构件基材的性能劣化只与服役过程中环境疲劳引起的累积损伤有关。 （3）点腐蚀造成构件面凹凸不平，在构件承载时存在应力集中现象，从而造成构件净承载截面面积的减少和变形能力的下降。 2 时变可靠性分析的必要性以及极限状态方程的建立 海洋平台结构在服役过程中受到海水腐蚀、环境疲劳载荷等由海洋环境引起的作用，造成材料强度和构件抗力发生衰减现象，因此，单纯的结构可靠性不能完全体现结构的建造、使用、维修、老化全过程的可靠性，故对结构在设计基准期内的某一时刻 时的可靠性进行分析是必要的。 设结构在设计基准期内的某一时刻 时，结构抗力为 ，载荷效应为 ，则对于结构抗力 和载荷效应 均服从正态分布的情况时结构的极限状态方程和可靠性指标为 （1） （2） 对于结构抗力 和载荷效应 均服从对数正态分布的情况结构的极限状态方程和可靠性指标为 （3） （4） 式中， 为结构可靠性分析时刻， ;T为结构设计基准期; 为结构抗力 的均值; 为结构抗力 变异系数; 为结构所受载荷效应 的均值; 为结构所受载荷效应 变异系数。 对于结构抗力 和结构所受载荷效应 服从其他分布的情况可以通过当量正态化转变为正态分布进行计算 。 3 海洋平台结构构件的环境损伤及有损构件的抗力衰减 3.1海洋平台结构构件的环境损伤 假设结构在服役过程中依次受到均匀腐蚀、点腐蚀、环境疲劳载荷作用，且各种作用之间彼此独立，构件的初始厚度为 。 3.1.1 均匀腐蚀损伤及任意时刻 时的数字特征 假设海洋平台服役 年后均匀腐蚀作用下构件损伤后有效厚度为 ，则均匀腐蚀造成的损伤表达式为 （5） 在海洋大气区、飞溅区、和潮差区，无铬钢的海水腐蚀深度可表示为 (6) 在全浸水区,无铬钢的海水腐蚀深度可表示为 (7) 式中, 为时刻t时海水的均匀腐蚀深度; 和n是常数; 是第一年的海水均匀腐蚀深度； 是第一年后的海水均匀腐蚀速率。通过检测可以确定常数 ,n和 , 。 由式（5）可知 的均值和方差分别为 = （8） （9） 式中， 表示偏导数在均值处取值。 3.1.2点腐蚀损伤及任意时刻 时的数字特征 假设在均匀腐蚀后，在点腐蚀作用下损伤后构件有效厚度为 ，则点腐蚀损伤表达式为 （10） 式中， 是服役T年后的点腐蚀损伤。 由式（10）可知 的均值和方差分别为 = （11） （12） 3.1.3环境疲劳载荷损伤及任意时刻 时的数字特征 假设在均匀腐蚀和点腐蚀作用后，在环境疲劳载荷作用下损伤后构件有效厚度为 ,环境疲劳荷载引起得损伤与服役时间成线性关系，故环境疲劳载荷损伤表达式为 （13） 式中， 是服役T年后环境疲劳损伤； 是环境疲劳损伤系数。 由式（13）可知 的均值和方差分别为 （14） （15） 3.1.4 总的环境损伤及任意时刻 时的数字特征 因为均匀腐蚀，点腐蚀，环境疲劳载荷依次作用在构件上，且在环境疲劳载荷损伤后构件有效厚度为 ，故总的环境损伤为 （16） 因此，构件损伤的均值和方差可以表示为 （17） （18） 3.2有损构件的抗力衰减及任意时刻 时的数字特征 海洋平台结构抗力取决于所用金属材料的材料性能、几何参数、计算模式。海洋平台在使用过程中由于受到环境损伤，材料截面的有效尺寸不断减小，材料的力学性能随时间的变化会不断衰减。故建立结构抗力随时间变化得衰减模型： （19） 式中， 是在 时刻构件的剩余强度; 是时刻 时构件截面的广义抵抗模量; 为时刻 时总的环境损伤; 为构件直径。 考虑计算模型的不确定性，设 为计算模型的不确定性，则结构构件抗力可表示为 （20） 式中, 为抗力随机过程, 是考虑计算模型的不确定性随机变量; 为计算抗力。 设构件材料的初始极限强度为 ，故可知 时刻构件的剩余强度为 （21） 式中， , , 为依赖温度的材料常数， 为材料常数。因此构件的抗力衰减模型为 （22） 在 时刻的数字特征： （23） （24） 在 时刻的数字特征： （25） （26） 在 时刻的数字特征： （27） （28） （29） 式中， 为结构抗力的变异系数， 和 分别为随机变量 的均值和变异系数， 和 分别为计算抗力 的均值和变异系数。 4 算例 以渤海八号平台（1996年报废）为例通过对该平台结构历年壁厚检测结果汇总可以得到海洋大气区；飞溅区；潮差区导管的 和 值见表1；飞溅区导管腿不同年份环境损伤值见表2。 表1 海洋大气区；飞溅区；潮差区监测分析结果 标高/m 导管 n 9.5m以上 0.3997 0.6583 9.5~5.0m 0.3922 0.6884 5~2.5m 0.1389 0.9954 表2 飞溅区导管腿不同年份环境损伤值 服役时间/年 极限强度损伤的均值和方差 5 0.037 0.0037 0.008 0.0005 0.012 0 0.056 0.0037 10 0.060 0.0060 0.013 0.0005 0.023 0 0.094 0.0058 15 0.079 0.0079 0.018 0.0003 0.035 0 0.127 0.0075 20 0.097 0.0097 0.022 0.0001 0.046 0 0.158 0.0952 位于飞溅区的某圆形钢管构件，其初始设计值：外径的均值 ,变异系数 ，壁厚的均值 ,变异系数 ，材料弹性模量 ,初始极限强度的均值 ,变异系数 =0.06，载荷效应为 ，假设服从对数正态分布，且均值 ，方差 ，经过计算得到时刻 的可靠性指标见图1和表3 。 表3 不同条件下的 值 服役时间/年 考虑强度衰减的 值 不考虑强度衰减的 值 0 5.17 5.17 5 4.56 4.87 10 4.23 4.65 15 3.74 4.45 20 3.51 4.22 通过图1和表3可以看到，位于飞溅区的圆形钢管构件在服役期间考虑强度衰减比不考虑强度衰减可靠性指标有明显降低，在服役后期降幅达到近17%，因此，对结构构件进行时变可靠性分析是必要的。 1－考虑强度极限衰减 2－不考虑强度极限衰减 图1 可靠性指标随时间变化规律 5结论 海洋平台结构在服役期间所处环境十分恶劣，由于环境损伤的影响，其结构构件承载能力会不断衰减，可靠度逐年下降。本文通过对比考虑强度极限衰减和不考虑强度极限衰减所得可靠性指标，说明了海洋平台结构在服役期间的极限强度衰减对构件可靠度的影响。从图1和表3中可以看出，极限强度衰减对结构可靠性的影响随着时间的增长会越来越明显，当结构服役二十年后，考虑强度极限衰减所得到的结构可靠性指标比不考虑强度极限衰减所得可靠性指标降低了17%。因此，对于海洋平台结构来说不考虑强度极限衰减是偏于危险的。从而可以看出海洋平台结构构件环境损伤时变可靠性分析是必要，符合工程实际的。 6参考文献 [1] 安伟光，蔡荫林，陈卫东. 随机结构系统可靠性分析与优化设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005 [2] 安伟光. 结构系统可靠性和基于可靠性的优化设计[M].北京:国防工业出版社,1997 [3] 赵国藩，金伟良，贡金鑫. 结构可靠度理论[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2000. 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