基于全生命周期的海底管道缺陷评估系统研究

摘要

2l世纪被誉为海洋的世纪，世界各海洋国家都致力于开发海洋石油和天然气。海底管道是海洋石油和天然气运输的主要方式之一，而海底管道在安装、使用过程中会产生多种缺陷，这些缺陷会导致海底管道失效，最终造成重大的经济损失、环境污染等。因此，对海底管道进行缺陷评估，保证海底管道的安全是有很大的现实意义的。在海底管道的诸多缺陷中，裂纹和腐蚀是海底管道的两种主要缺陷，因此，本文缺陷评估的主要对象是裂纹缺陷评估和腐蚀缺陷评估。在缺陷评估过程中，主要研究含有裂纹缺陷和腐蚀缺陷的海底管道的剩余强度评估方法和剩余寿命预测方法。从海底管道的设计直到海底管道最终报废的全生命过程中，对海底管道进行缺陷评估，可以在保证海底管道安全运行的前提下，最大可能的减少海底管道的成本，因此，对海底管道进行基于全生命周期的缺陷评估系统研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文建立了基于全生命周期的海底管道缺陷评估理论体系，对海底管道全生命周期的各个阶段的缺陷评估方法进行了研究，现将论文的主要研究内容和创新性成果叙述如下： 本文首次将全生命周期应用到海底管道的缺陷评估中，把海底管道的全生命周期分为设计阶段、安装阶段、运营阶段和回收阶段。并以此为基础，建立了基于全生命周期的海底管道缺陷评估理论体系，研究了海底管道全生命周期的各个生命阶段的缺陷评估的具体内容，创建了基于全生命周期的海底管道缺陷评估体系的总体框架。 对海底管道缺陷评估的一些基础理论进行了研究，包括断裂力学基础，剩余强度评估和剩余寿命预测的基本理论，缺陷标准化的准则以及缺陷等级的划分及评判准则。 在海底管道的设计阶段，以经济性和安全性相统一为出发点，预估海底管道可能产生的缺陷，研究缺陷评估的方法，从而利用缺陷评估方法改进海底管道的设计。确定海底管道的检测周期、腐蚀裕量和防腐措施。 在海底管道的安装阶段，基于CEGB的R6方法，论述了海底管道的安装阶段的焊接裂纹缺陷评估的具体方法和步骤。通过海底管道裂纹缺陷评估，确定海底管道焊剂裂纹缺陷的接受最小尺寸，从而减少不必要的返修，降低海底管道的建造成本。 在海底管道的运营阶段，研究了裂纹缺陷评估方法，分析比较了几种常用的管道裂纹缺陷评估方法。以BS7910的方法为基础，论述了海底管道裂纹缺陷的三级评估的具体步骤和内容。研究了一种裂纹缺陷剩余强度计算的工程估算方法，并就海底管道的特点，提出了剩余强度评估的许用载荷计算步骤和公式。探讨了裂纹缺陷扩展的一般规律，总结了裂纹缺陷扩展在管道剩余寿命预测中的应用，阐述了海底管道裂纹缺陷的剩余寿命预测的具体步骤和方法。 在海底管道的运营阶段，对海底管道的腐蚀缺陷，分析了腐蚀缺陷产生的原因。介绍了利用有限元对海底管道进行非线性分析的基本理论，建立了计算含有腐蚀缺陷的海底管道的极限载荷的参考应力准则。并以此准则为基础，对系列的海底管道缺陷进行了有限元计算，分析了腐蚀缺陷的几何尺寸对海底管道的极限载荷的影响，并提出了基于海底管道腐蚀缺陷的几何尺寸的极限载荷计算公式。在该公式中，考虑了腐蚀缺陷宽度对海底管道的极限载荷的影响。由于海底管道的腐蚀因素复杂，互相影响，因此，海底管道的腐蚀剩余寿命预测一直是海底管道缺陷评估的难点。本文利用灰色理论的特点，探讨了利用灰色理论预测腐蚀海底管道剩余寿命的可行性，进行了基于灰色理论的海底管道腐蚀缺陷剩余寿命预测方法研究，提出基于灰色理论的海底管道剩余寿命预测的具体方法和步骤。 在海底管道的回收阶段，由于海底管道各种缺陷的长期积累，海底管道的缺陷已经很多。单个缺陷虽然会影响海底管道的安全，但从管道系统来说，海底管道的所有缺陷对海底管道的系统影响更为重要。它们直接关系到海底管道是否应该予以报废。因此，本文从海底管道缺陷的系统评估出发，创建了海底管道缺陷的系统评估方法，建立了基于系统的海底管道缺陷的模糊综合评判模型，利用层次分析法的理论确定模糊综合评判模型中各因素的权重系数，以减少人为因素的影响。利用“致命损伤”的概念，明确综合评判的最终评语。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章 绪论

第二章基于全生命周期的海底管道缺陷评估系统理论体系

第三章海底管道缺陷评估基础研究

第四章设计阶段海底管道的缺陷评估

第五章安装阶段海底管道的缺陷评估

第六章运营期海底管道的裂纹缺陷评估

第七章运营期海底管道的腐蚀缺陷评估

第八章回收期海底管道的缺陷评估

第九章总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文