基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究

1、第29卷第2期海洋技術2010年6月OCEANTECHNOLOGYVol.29，No.2June，2010基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究曲海富1，劉昌興2（1天津大學建筑工程學院，港口與海洋工程教育部、天津市重點實驗室，天津300072；2中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）摘要：海底管道運輸是目前世界上最重要的運輸方式之一，但是海底管道檢查維護、日常管理很不方便，一旦出現(xiàn)事故，維修非常困難，因此對海底管道進行失穩(wěn)分析是完全有必要的。隨著結構可靠性理論的發(fā)展和在實際生產(chǎn)中運用的日益成熟，國外的海底管道規(guī)范已經(jīng)開始采用可靠性設計。文中采用混沌搜索可靠性理論對海底管

2、道靜態(tài)穩(wěn)定性進行了有效的分析，并結合串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度理論對管道進行整體可靠度分析，最后結合算例驗證了此方法的實用程度。分析結果表明，混沌搜索可靠性計算方法是可行有效的。關鍵詞：海底管道；穩(wěn)定性；混沌搜索；可靠性方法；串聯(lián)系統(tǒng)中圖分類號：P75，O1文獻標識碼：A文章編號：1003-2029（2010）02-0104-051引言海底管道運輸是目前世界上重要的運輸方式之一。天然氣石油工業(yè)中的油氣運輸很大部分采用海底管道，其中，海海底管道把洋油田油氣的運輸多是通過海底管道來完成的。海上油田的整個生產(chǎn)密切地聯(lián)系起來。海底管道運輸有其自身的優(yōu)點，首先是運輸?shù)倪B續(xù)性，一旦投入運轉后，運輸可連轉運過程的時間

3、耽擱，其運輸續(xù)不斷地進行，減少中間裝卸、能力遠遠大于陸運和水運。其次，管道運輸是密閉的，可以大大減少運輸過程產(chǎn)生的損失，一旦管道建成，它幾乎可以不受水深、地形、海況等條件限制，能高效、安全地完成油氣的輸送。但同時，對海底管道進行先期穩(wěn)定性設計及其可靠性計算，是十分重要的1。海底管道工程設計的最根本要求，就是在一定的設計條高效地完成海洋油氣輸運，在試用期件下，保證管道能安全、中保證管道在設計環(huán)境條件下安全運轉，在施工安裝中保證管道能經(jīng)受各種施工外載荷的考驗。由此可得：2.2可靠指標及其優(yōu)化模型完全處于混沌狀態(tài)；t在0,1范圍遍歷。設一類連續(xù)對象的優(yōu)化問題為：（1）tk表示混沌變量在k次迭代時代值

4、；=4時系統(tǒng)式中：（2）將混沌變量變換到優(yōu)化問題的允許解空間：利用式（3（3）假設只有兩個獨立隨機變量R和S的安全裕度方程Z=R-S=0，隨機變量的均值與標準差分別為R，S和R，S。將R和S作標準化交換，即映射到標準化坐標系中，標準化變量分別為：（4）（5）代入裕度方程中，可得：將（5（6）式（6）可用直角坐標系中直線的法線式表示：）（7法線與各坐標向量的方向余弦為：2混沌搜索可靠性算法2.1混沌搜索算法混沌是一種普通的非線性現(xiàn)象，其行為復雜且類似隨機，但存在精致的內(nèi)在規(guī)律性。混沌已經(jīng)成為一種新穎的優(yōu)化技術，比隨機搜索更具有優(yōu)越性2。首先選擇混沌變量。令：（8）收稿日期：2010-01-22基

5、金項目：國家高科技重大專項資助項目（2008ZX05026-005）；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金項目；國家高技術研究發(fā)展（863）計劃資助項目（2008AA09Z307）。將式（6）中各項均除以系，可得：，并考慮與式（8）的關第2期曲海富等：基于混沌可靠性理論的海底管道穩(wěn)定性研究105（9）將式（7）與式（9）比較，可知：（10）可見，對于獨立正態(tài)分布的變量，在極限狀態(tài)方程為線性時，可靠度指標在標準正態(tài)坐標系中等于原點到極限狀態(tài)平面（或直線）的最短距離3。為了避免相關變量的獨立變換以及JC方法求解的偏導計算，采用了直接在基本變量空間求解可靠指標的優(yōu)化方法4：（11）（12）式中

6、：；為基本變量的相關矩陣。此模型為一有約束的非線性優(yōu)劃模型，而混沌優(yōu)化方法一般對無約束的優(yōu)化模型比較方便。同時為了使演算點落在失效邊界上，可以令第i個變量用其它n-1個變量表示，一般選擇變異較大的那個變量，由極限狀態(tài)方程可以得到：（13）（14）2.3串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分析5-6真正的結構系統(tǒng)是非常復雜的，要想精確計算可靠度是不可能的。因此，目前在結構系統(tǒng)的可靠性分析中，采取了一系列理想化處理措施。這使結構系統(tǒng)可靠性分析成為可能。如果一個結構系統(tǒng)的所有構件（或于系統(tǒng)）都相互關聯(lián)，當其中某一構件（或子系統(tǒng)）失效時會導致整個結構系統(tǒng)失效，這種結構系統(tǒng)稱為串聯(lián)結構系統(tǒng)，也稱為最弱環(huán)結構系統(tǒng)。根據(jù)模型化后

7、的基本結構系統(tǒng)，就可對系統(tǒng)進行可靠性分析。由n個構件組成的串聯(lián)結構系統(tǒng)可用圖1給出的邏輯圖表示。設構件i上的荷載效應為Si，構件的抗力為Ri，則構件的安全裕度（15）于是構件i的失效概率（16）結構系統(tǒng)的失效概率可用下述方法定義：設構件i失效事件為Fi，即（17）圖1串聯(lián)系統(tǒng)對于串聯(lián)結構系統(tǒng)，由于不論那一個構件失效，都會引起整個結構系統(tǒng)失效，所以結構系統(tǒng)失效的事件F可用下式定義：nF=F1胰F2胰胰Fn=胰i=1Fi（18）而當所有構件都處于正常狀態(tài)時，結構系統(tǒng)不會失效。所以，結構系統(tǒng)不失效的事件可用下式定義：軈nF=F軈1疑F軈2疑疑F軈n=疑F軈i=1i（19）于是結構系統(tǒng)的失效概率Pf和

8、可靠度，可由下式給出：（20）=P（軈F）=P疑疑n軈Fi=1i疑（21）當每個構件的可靠度i已知時，則n=疑i=1i（22）3算例本文以混沌可靠性分析方法來分析某運行期間海底管道的穩(wěn)定性。海管總長約100km，外徑為600mm，壁厚12.7mm，外壁涂有一層防腐層，混凝土護套厚度為80mm，100mm和120mm。海底管道各層材料的物理力學指標見表1：表1海底管道各層材料物理力學參數(shù)材料密度（kg/m3）彈性模量（Pa）泊松比鋼管API5L78502.07×10110.3護套混凝土3050-防腐層煤瀝青瓷漆1200-海況條件因篇幅關系在此不再列出。通過對海底管道勘察資料、設計資料及

9、環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合分析，選擇16個危險段進行管道的穩(wěn)定性分析。首先應用譜分析法計算出相應管段的波流力，而后應用共振法和應力法對管道進行極限沖刷長度的計算，最后應用編制的計算機軟件進行混沌可靠性分析。計算結果見表2和表3，表中根據(jù)地質條件及海況的不同，分別計算出海底管道整體的橫向和豎向可靠指標。表2管道橫向可靠性分析1.88×10-61.91×10-115.06×10-7觀察計算結構可知，該管道的可靠指標較高，達到設計的管道穩(wěn)定性要求，從一年一遇到十年一遇到百年一遇的海106海洋技術第29卷況，可靠指標明顯減少，對應的失效概率增加。由表2的計算結構可知，無論在何種海況下

10、該管道的可靠指標均大于4.8，滿足橫向穩(wěn)定性要求。相應的失效概率小于10-6，表3管道屬相可靠性分析一年一遇十年一遇8.14這一方法可以推廣到其他的海底管道工程足要求。很明顯，加以應用。所提的現(xiàn)有海底管道結構可靠度分析方法對于延失效概率很小，在10-14數(shù)量級以下，說明在此種情況下管線參考文獻：1姜子林海底管道非線性失穩(wěn)及可靠性研究D天津：天津大學建筑工程學院，20022徐軍，鄭穎人工程結構可靠度指標計算的混沌搜索方法J工程力學，2002，19（3）：6-93余建星，郭振邦等船舶與海洋結構物可靠性原理M天津：天津大學出版社，20014徐軍，邵軍，鄭穎人遺傳算法在巖土工程可靠度分析中的應用J巖土

11、工程學報，2000，22（5）：586-589.5郭章林，胡云昌串聯(lián)可修工程系統(tǒng)可靠性的計算J石油機械，2000，28（1）：13-156任曉崧，許奇現(xiàn)有結構可靠度分析的一種實用方法J四川建筑，2007，28（2）：125-127ResearchonStabilityofSubmarinePipelineBasedonChaosReliabilityTheoryQUHai-fu1,LIUChang-xing2（1.KeyLaboratoryofHarborandOceanEngineeringofMinistryofEducationandTianjinCity,TianjinUniversi

12、ty,Tianjin300072,China;2.CNOOCEnergyTechnology&Services-PipelineEngineeringCo.,Tianjin300452,China）Abstract：Nowadayssubmarinepipelinetransportationisoneoftheimportantmodes.However,checkingandmaintainingpipelineisverydiscommodious.Oncetheyaredestroyed,itisdifficulttorepairthem.Thus,itisnecessaryt

13、oanalyzestabilityofpipelineontheseabed.Withthedevelopmentandtheapplicationoftheconstructionreliabilitytheory,foreigndesigncriterionsofsubmarinepipelineshavealreadyadoptedthereliabilitytheoryasdesigncriterion.Thechaos-searchreliabilitytheoryisusedtoanalyzethestaticstatestabilityofthesubseapipelineseffectivelyandtheintegralreliabilityofpipelinesisanalyzedbas