一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法

一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法
【专利摘要】本发明提供一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，属于海洋石油工程领域，首先进行危险源识别，对所有可能危及海底管道生产安全的落物进行分类；计算各类落物撞击到海底管道的条件概率，作为后续失效概率计算的基础；根据需求确定落物和海底管道的具体参数，计算出海底管道撞击失效频率；建立风险接受准则，得到相应的风险等级。基于本发明提出的风险评估方法，可以对高风险环节采取有效措施，或对低风险环节在保证足够安全的前提下适当减少防护设施以降低成本，为海洋石油工程的开发成本及安全保障提供了有力依据。
【专利说明】
一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风险评估方法，特别地但是不排他地涉及一种落物撞击作用下海 底管道风险评估方法，属于海洋石油工程领域。
【背景技术】
[0002] 海洋中蕴含着丰富的化石能源，随着科技和经济共同的发展进步，全球对于海洋 油气的开发规模不断扩大。海底管道作为一个海上油气田的重要组成部分，一旦发生落物 撞击事故，极有可能产生停产甚至油气泄露的危险，属于典型的小概率严重后果的事件，维 持其安全稳定生产的重要性可想而知。因此，非常有必要对海底管道被落物撞击的概率进 行准确的计算。
[0003] 海底管道的布置取决于井口位置，并不能随意改变，所以安全措施有深埋以及加 装防护罩等，而在水下作业成本非常高。基于本发明提出的风险评估方法，可以准确的计算 风险值，根据计算结果，可以对高风险环节采取有效措施，或在保证足够安全的前提下适当 减少防护设施以减少成本。
[0004] 经检索发现，中国专利CN104778375A公布了一种海底电缆被落物击中的概率计算 方法，通过对每一段电缆的内外两个距离积分出一个环形区域，得到正态分布在该环形上 的概率，然后用该段电缆的面积除以环形面积得到该段电缆被击中的概率。但是此种方法 忽视了正态分布沿方向的概率密度是逐渐变化的，所以用电缆四边形面积代替扇形进行计 算是有相当误差的，且管段距离入水点越近误差越大。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是为了解决上述风险评估中的计算不准确问题而提供一种原理可 靠、计算准确的落物撞击作用下海底管道风险评估方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，包括 如下步骤：
[0007] 第一步:危险源识别，找出所有可能对海底管道产生危害的落物来源；
[0008] 第二步：以已知的失效数据库统计结果为基础，计算落物撞击海底管道的概率、海 底管道的失效概率；
[0009] 第三步:建立风险接受准则，为风险评估以及制定减小风险的措施提供参考依据， 风险接受准则是按海底管道的失效概率划分为五个等级:第一等级:可以忽略，概率值小于 10一 5;第二等级:事故发生的可能性非常低，概率值在10-4~10-5范围内；第三等级:预期不会 发生事故，但也有可能发生1次事故，概率值在10- 3~10-4范围内；第四等级:预期事故在管 道的使用期限可能发生，概率值在10-2~10- 3范围内；第五等级:预期事故在管道使用期限 内发生不止1次，概率值大于10-2;
[0010] 第四步:风险决策，根据风险接受准则来决定是否需要采取控制措施，对第三等级 至第五等级的风险需进行相应风险减缓措施，第一等级和第二等级的风险为可接受等级。
[0011] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0012] 1.所述落物来源包括钻井轴瓦、套管、脚手架、钻井立管、起重机、吊杆、食品集装 箱、吊篮、起重机滑轮、零件集装箱、吊篮、起重机试验滑轮、设备集装箱、吊篮、井口防喷器、 管子卷轴。
[0013] 2.落物撞击海底管道概率的计算方法是：
[0014] 以落物入水点为原点0,在海平面上建立二维直角坐标系，落物水平偏移距离σ为：
[0015] o = h tana
[0016] 其中:h为水深，a为偏移角；
[0 017 ]则落物满足的以均值为0、标准差为σ落物在海底偏移的水平距离t的正态分布函 数P(t)为：
[0018]
^ζπσ
[0019] 通过软件MATLAB中的normrnd命令随机给出一个满足步骤上式的正态分布函数的 Piebcx^+cx^)，以入水点为圆心，|Pl|为半径做圆，得到圆的方程是:χ2+γ 2 = Ρι2,圆的周长 是:Li = 2Ji |pi | ;
[0020] 海底管道的垂向投影在坐标系上形成了一个封闭区域A，计算该圆落在A中的m段 弧长lij(j = 1，2，3，…，m)，则第i次模拟得到海底管道被落物击中的条件概率Pi为：
[0021]
[0022] 重复计算η次得出海底管道被落物击中的条件概率Pa*:
[0023]
[0024] 再由P#以每年的起吊次数及吊机失效概率，得到落物的撞击频率P猶5。
[0025] 3.撞击后海底管道的失效概率的计算方法是：
[0026] (1)碰撞能量的计算：
[0027]落物入水前速度vq为：vu = ;
[0028]式中:h为坠落点到海平面的高度;g为重力加速度。
[0029]入水后速度根据牛顿第二定律：
[0030]
[0031]
[0032] 式中：W为落物重力，F为浮力，R为阻力，m为落物质量，V为落物体积，Cd为阻力系 数，且是关于雷诺数的函数，PW为水密度，B为落物在水流方向上的投影面积；
[0033] 落物在水中下落阻力越来越大，最终达到匀速，得出撞击时的速度Vt为：
[0034]
[0035] 则碰撞能量E为：
[0036]
[0037] 式中:ma为附加水动力质量，ma = pwCaV;CaS附加水系数。
[0038] (2)海底管道抵抗撞击能量&计算：
[0039]
-7」 LX」
[0040] 式中:MP为海底管道管壁的塑性弯矩，MP = fyt2/4，t为海底管道壁厚，fy为海底管道 屈服应力;δ为凹痕深度;D为海底管道外径；
[0041] (3)撞击后海底管道失效概率的计算：
[0042] 忽略落物的变形，则海底管道的极限状态方程为：
[0043] Z = ES-E
[0044]对功能函数2 = 8(义102，"411)定义一个指标函数：
[0045]
[_
i y .α·> ^ η /
[0046] 则撞击后海底管道的失效频率为Pf:
[0047]
[0048]式中:Nf为N次模拟中指标函数Z<0的次数；
[0049] 当模拟次数N大于105时，撞击后海底管道的失效概率等于撞击后海底管道的失效 频率Pf;
[0050] (4)海底管道的失效概率P的计算：
[0051] p = p_5*pfo
[0052] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:可以根据给出的落物种类、管道布置参数 计算得到管道被撞击失效概率，为海洋石油工程的开发成本及安全保障提供了依据。本发 明克服了现有技术计算不准确问题。特别是，当给出工程需要的精度时，就有相应的计算次 数使计算结果满足精度，所以本发明的风险计算结果是精度可控的。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明的流程图；
[0054]图2是洛物在海中横向偏移不意图（图中1表不海面、2表不海底）；
[0055] 图3是正态分布函数图；
[0056] 图4是以| Pi |为半径的圆的不意图；
[0057]图5是落物撞击海底管道的示意图；
[0058]图6是本发明的实施例的物体入水后的偏移角表。
【具体实施方式】
[0059 ]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0060] 结合图1至图5,本发明提供的一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，包括 以下步骤：
[0061] S1、危险源识别，找出所有可能对海底管道产生危害的坠物来源。
[0062] S2、失效概率的确定，以失效数据库统计结果为基础，计算落物撞击海底管道概 率、撞击后海底管道失效概率。
[0063] S3、建立风险接受准则，为风险评估以及制定减小风险的措施提供参考依据。
[0064] S4、风险决策，根据风险计算结果大小结合风险接受准则来决定是否需要采取控 制措施。
[0065]为了实现上述计算，所述步骤S2中撞击概率的具体计算过程为：
[0066]以物体入水点为原点0,在海平面上建立二维直角坐标系。计算落物水平偏移距离 〇：
[0067] o = h tana
[0068] 其中h为水深;a为偏移角；
[0069] 则该类落物满足的以均值为0,标准差为〇,落物在海底偏移的水平距离t的正态分 布函数P(t)为：
[0070]
[0071 ] 通过软件MATLAB中的normrnd命令随机给出一个满足上式正态分布函数的Pie (- ①，+①），以入水点为圆心，Ip」为半径做圆，得到圆的方程：
[0072] x2+y2 = Pi2
[0073] 圆的周长为：
[0074] Li = 2JT | Pi
[0075] 海底管道的垂向投影在坐标系上形成了一个封闭区域A，计算该圆落在A中的m段 弧长lij(j = 1，2，3，…，m)，则第i次模拟得到海底管道被落物击中的条件概率Pi为：
[0076]
[0077] 而后重复计算n e (1，+ m)次得到n个Pl;则海底管道被落物击中的条件概率为：
[0078] ·?：=·1
[0079] 再由Pa乘以物体每年起吊次数及吊机失效概率，得到落物的撞击频率Ρ?。
[0080] 为了实现上述计算，所述步骤S2中失效概率的具体计算过程为：
[0081] 落物入水前速度：
[0082]
[0083]式中:h为坠落点到海平面的高度;g为重力加速度。
[0084] 入7k后谏度枏据牛顿第二定律：
[0085]
[0086]
[0087]式中:W为落物重力;F为浮力;R为阻力;m为物体质量;V为落物体积;Cd为阻力系数 是关于雷诺数的函数;PW为水密度;B为物体在水流方向上的投影面积。
[0088]物体在水中下落阻力越来越大，最终达到匀速，得出：
[0089]
[0090] 碰撞能量：
[0091]
[0092] 式中:ma为附加水动力质量，ma = pwCaV;vt为撞击时的速度;CA附加水系数。
[0093]海底管道抵抗撞击能量计算：
[0094]
[0095]式中:MP为管壁的塑性弯矩，MP = fyt2/4，t为钢管壁厚，fy为钢管屈服应力;δ为凹痕 深度;D为钢管外径。
[0096] 忽略落物的变形，则海底管道的极限状态方程为：
[0097] Z = ES-E
[0098] 由于极限状态方程非线性、随机变量非正态性，采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)法 比较方便。首先产生在开区间(〇，1)上的均勾分布随机数，对功能函数Z = g(Xl，X2，··· ,Χη)定 义一个指标函数：
[0099] _ ·
ν 1 ' 厶 ι · η ^
[0100] 则撞击后海底管道的失效频率为Pf:
[0101]
[0102] 式中:Nf为N次模拟中指标函数Z<0的次数；
[0103] 当模拟次数N大于105时，撞击后海底管道的失效概率等于撞击后海底管道的失效 频率Pf;则海底管道的失效概率P为：
[0104] p = p步·*pf
[0105] 所述步骤S3中风险接受准则为：
[0106] 按失效概率划分为5个等级：1、可以忽略，概率为< 10-5; 2、事故发生的可能性非常 低，概率为ΚΓ4~10-5;3、预期不会发生事故，但也有可能发生1次事故，概率为ΚΓ 3~10'4、 预期事故在管道的使用期限可能发生，概率为1〇_2~1〇_3;5、预期事故在本管道使用期限内 发生不止1次，概率为>10'
[0107] 所述步骤S4中的风险决策具体为：
[0108] 按照失效概率划分的风险接受准则，对3~5级风险需进行相应风险减缓措施，1~ 2级风险为可接受等级。
[0109] 所述步骤S2中的落物种类包括钻井轴瓦、套管、脚手架、钻井立管、起重机、吊杆、 食品集装箱、吊篮、起重机滑轮、零件集装箱、吊篮、起重机试验滑轮、设备集装箱、吊篮、井 口防喷器、管子卷轴。
[0110] 本发明属于海洋石油工程领域，具体涉及一种落物撞击作用下海底管道风险评估 方法。一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法:首先进行危险源识别，对所有可能危及 海底管道生产安全的落物进行分类;计算各类落物撞击到海底管道的条件概率，作为后续 失效概率计算的基础;根据需求确定落物和海底管道的具体参数，计算出海底管道撞击失 效频率;建立风险接受准则，得到相应的风险等级。基于本发明提出的风险评估方法，可以 对高风险环节采取有效措施，或对低风险环节在保证足够安全的前提下适当减少防护设施 以降低成本，为海洋石油工程的开发成本及安全保障提供了有力依据。
[0111] 下面具体给出本发明的一实施例来说明一种落物撞击作用下海底管道风险评估 方法，在给定海底管道及各类危险源的基本参数后，则可以对管道系统进行风险评估计算。 其中，基本参数包括:水深h、海底管道的位置、尺寸，危险源落物的重量、偏移角和尺寸。
[0112] -种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，包括以下步骤：
[0113] 第一步:危险源识别。本例列出海洋平台上所有可能对管道产生危害的坠物种类， 并给出它们的偏移角，如图6所示，其中，序号1~7物体年起吊次数分别为700、50、5、500、 2500、200、250次。
[0114] 第二步:海底管道的撞击概率计算。以物体入水点为原点0,在海平面上建立二维 直角坐标系。对于某一种类的落物，其入水后的偏移角α如图6所示。
[0115] 取水深为200m，序号1中的钻井轴瓦为例，计算标准水平偏移〇:
[0116] o = htana = 200tanl5 = 53.59m [0117]其中h为水深;α为偏移角;如图2所示。
[0118] 得到钻井轴瓦运动满足的正态分布如下式：
[0119]
[0120] p(t)的函数图像如图3所示。
[0121] 通过MATLAB中的normrnd命令随机给出一个满足上式正态分布的Pi = 15.5210m， 以入水点为圆心，I Pi I为半径做圆，得到圆的方程：
[0122] x2+y2 = 15.52102
[0123] 圆的周长为：
[0124] Li = 23i|pi| =97.4719m
[0125] 二维直角坐标系中，海底管道的水平投影在坐标系上形成了一个封闭区域A，计算 上式中得到的圆落在A中的m段弧长l^(j = l，2,3,…，m)，算得i^ = I.3256"7,如图4所示， _/=1 则第i次樽拟得到水下牛产系统被落物击中的条件概率Pi为：
[0126]
[0127] 通过MATLAB中的normrnd命令随机给出10000个满足（1)式正态分布的Pi e (-①，+ m)，重复上述计算得到10000个Pi;则水下生产系统被落物击中的条件概率为：
[0128]
[0129]则海底管道被钻井轴瓦击中的条件概率为0.00026。对于一个典型的海洋平台吊 机，每次起吊小于20吨物体时发生坠物的概率为2.2 X 10-5。本算例中的水下生产系统被钻 井轴瓦击中的频率?_1 为:Ρ_ι = 0.00026 X 700 X 2.2 X 10-5 = 4.059 X 10-6，其中 700 为钻井 轴瓦的年起吊次数。
[0130]第三步：撞击后管道失效概率计算。海底管道的参数为:壁厚t = 0.01m，外径D = 0.324m，屈服应力fy = 448MPa。以每种类型落物的重量按均布分布，接触面积按0.5-3m2正态 分布，变异系数取〇. 1，下落高度按5_20m均布分布。采用蒙特卡洛法(Monte-Carlo)计算 100000次，得到极限状态方程Z = ES-E中，Z小于0的次数为13200次。海底管道的条件失效频 率 Ρη = 13200/100000 = 0·132。
[0131] 则每年中由钻井轴瓦坠落造成的海底管道失效概率为⑶》· Pfl = 5.358Xl(T7。
[0132] 重复第二部第三部计算，得到序号1~7各类物体坠落造成的海底管道失效概率。 所以，落物撞击造成的海底管道的失效概率
[0133] 第四步:风险决策。根据前两步的计算得到的结果，失效概率为7.91E-05。根据风 险接受准则，满足第二级风险(事故发生的可能性非常低，概率为1〇_ 4~1〇_5)，属于可接受 风险等级。对于3~5级风险，应尽量少布置一些管道设备，或是在管道上安装保护装置(如 防护网或深埋入土），用于抵抗吸收冲击能量，减少事故危害。
【主权项】
1. 一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，其特征在于:包括如下步骤： 第一步:危险源识别，找出所有可能对海底管道产生危害的落物来源； 第二步已知的失效数据库统计结果为基础，计算落物撞击海底管道的概率、海底管 道的失效概率； 第Ξ步:建立风险接受准则，为风险评估W及制定减小风险的措施提供参考依据，风险 接受准则是按海底管道的失效概率划分为五个等级:第一等级:可W忽略，概率值小于10-5; 第二等级:事故发生的可能性非常低，概率值在10-4~10-5范围内；第Ξ等级:预期不会发生 事故，但也有可能发生1次事故，概率值在10-3~10-4范围内；第四等级:预期事故在管道的 使用期限可能发生，概率值在10-2~10-3范围内；第五等级:预期事故在管道使用期限内发 生不止1次，概率值大于1〇Λ 第四步:风险决策，根据风险接受准则来决定是否需要采取控制措施，对第Ξ等级至第 五等级的风险需进行相应风险减缓措施，第一等级和第二等级的风险为可接受等级。2. 根据权利要求1所述的一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，其特征在于:所 述落物来源包括钻井轴瓦、套管、脚手架、钻井立管、起重机、吊杆、食品集装箱、吊篮、起重 机滑轮、零件集装箱、吊篮、起重机试验滑轮、设备集装箱、吊篮、井口防喷器、管子卷轴。3. 根据权利要求1或2所述的一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，其特征在 于:落物撞击海底管道概率的计算方法是： W落物入水点为原点0,在海平面上建立二维直角坐标系，落物水平偏移距离σ为： 曰= htana 其中:h为水深，α为偏移角； 则落物满足的W均值为0、标准差为σ落物在海底偏移的水平距离t的正态分布函数Ρ (t)为：通过软件MATLAB中的normrnd命令随机给出一个满足步骤上式的正态分布函数的Pie (-，+-)，W入水点为圆屯、，I化巧半径做圆，得到圆的方程是:x2+y2=化2圆的周长是山 =化I化I; 海底管道的垂向投影在坐标系上形成了一个封闭区域A，计算该圆落在A中的m段弧长 lij(j = 1，2，3，…，m)，则第i次模拟得到海底管道被落物击中的条件概率Pi为：重复计算η次得出海底管道被落物击中的条件概率Pa为：再由Pa乘W每年的起吊次数及吊机失效概率，得到落物的撞击频率巧藤。4. 根据权利要求1或2所述的一种落物撞击作用下海底管道风险评估方法，其特征在 于:撞击后海底管道的失效概率的计算方法是： (1) 碰撞能量的计算： 落物入水前速度V0为：i.，,i = ; 式中:h为坠落点到海平面的高度;g为重力加速度。 入水后速度根据牛顿第二定律：式中:W为落物重力，F为浮力，R为阻力，m为落物质量，V为落物体积，Cd为阻力系数，且是 关于雷诺数的函数，Pw为水密度，B为落物在水流方向上的投影面积； 落物在水中下落阻力越来越大，最终达到匀速，得出撞击时的速度vt为：式中:ma为附加水动力质量，ma = PwCaV ; Ca为附加水系数。 (2) 海底管道抵抗撞击能量Es计算：式中:Mp为海底管道管壁的塑性弯矩，Mp = fyt2/4，t为海底管道壁厚，fy为海底管道屈服 应力;S为凹痕深度;D为海底管道外径； (3) 撞击后海底管道失效概率的计算： 忽略落物的变形，则海底管道的极限状态方程为： Z = Es-E 对功能函数Z = g(Xl，X2,…，Xn)定义一个指标函数：式中:化为N次模拟中指标函数Z < 0的次数； 当模拟次数N大于105时，撞击后海底管道的失效概率等于撞击后海底管道的失效频率 Pf; (4) 海底管道的失效概率P的计算： P=P$s$5*Pf。
【文档编号】G06F19/00GK105975775SQ201610293168
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】孙丽萍, 李思齐, 马刚, 艾尚茂, 王宏伟, 钱佳煜
【申请人】哈尔滨工程大学