突发事件下海洋石油平台抗灾能力评价及风险演化研究

Sudden events (fire, explosion, collision, etc.) will cause damage to the offshore platform structures, and even cause serious risks to the offshore oil industry. The goal of this research is to evaluate the survivability of the platform caused by unexpected events, and to carry out dynamic risk evolution analysis and early warning strategies. The main contents of the research are as follows: (1) To study on the disaster mechanism of offshore platform. The numerical experiments of different disaster scenes are carried out, and the performance degradation mechanism of the platform structure under the high risk scene is to be determined; by using the dynamic finite element model updating and the advaced multiscale numerical simulation technique, the damage evolution process and the catastrophic disaster mechanism could be revealed; (2) To study on the evaluation technology of disaster resistance of offshore platform. To put forward specific quantitative indicators and evaluation methods for platform structure surviability; to establish dynamic probability performance evaluation process of offshore platform considering load and structure uncertainty, randomness and variability; (3) The risk evolution and risk warning mechanism of offshore platform is to be studied. To study the risk assessment method of offshore platform under unexpected events ; using structural performance inversion principle based on data driven, the dynamic bayesian networks-based risk state chain model of the platform is to be established so as to carry out risk evolution research. Closely related with offshore oil-gas exploitation, this research effort will promote the safety evaluation method and disaster control theory for the offshore platform under emergency, and have a good academic value and application prospect.

突发事件将导致海洋平台结构发生损伤甚至破坏，并引发严重风险。本课题系统开展平台抗灾生存能力评价及灾变风险演化研究，主要研究内容包括：（1）突发载荷下平台灾变机制研究，开展不同灾害场景的数值实验，确定高风险场景下平台整体的性能退化机理；研究突发事件后平台有限元模型的动态更新，实现基于多尺度数值模拟的灾变过程可视化，揭示平台损伤演化过程和灾变机制；（2）海洋平台抗灾能力评价方法研究，提出针对突发事件下结构存活能力的具体量化指标和评估方法，综合考虑突发事件和结构的不确定性、随机性和时变性，建立平台动态概率抗灾性能评价流程；（3）海洋平台灾变风险演化规律研究，提出突发事件下平台的风险定量评估方法；立足数据驱动的结构性能反演原理，建立基于动态贝叶斯网络的平台风险状态链模型，开展风险演化及预警研究。本课题与我国海上油田开发现状紧密结合，有助于海洋平台抗灾性能评价方法及灾变控制理论的发展。

海洋石油平台在复杂恶劣的环境中长期服役，将遭受到突发事件的威胁，如局部火灾、爆炸、船舶撞击，若事件发生后，能够对突发事件所引发的灾变过程与灾后生存能力和风险演化过程进行评估，则可大大降低事故所导致的经济损失和社会风险。本项目围绕固定式海洋平台遭受突发灾害的致灾机理与抗灾性能评价的关键难题展开研究。开展了高温下材料性能退化实验与缩尺导管架封闭舱室高温试验研究，分析了高温下钢制材料的性能参数与导管架结构的变形模式。开展了缩尺导管架的模态实验，根据模态置信准则(MAC)评价试验模态数据和有限元计算数据的相关性，采用优化算法对在役导管架的有限元模型进行动态更新和校正。针对平台在火灾下的灾变演化，提出了流-热-结构耦合响应的CFD-FEA数值模拟方法流程；分别考虑甲烷、氢气两种可燃气体，开展不同尺度的火灾场景的数值模拟，确定了高风险场景，并对火灾后平台结构的强度退化进行研究；综合采用隐式-显式有限元分析方法，建立受火平台的连续倒塌过程数值模拟流程，揭示了平台在局部火灾下的连续倒塌路径、失效模式与承载能力。开展了平台-船舶碰撞的高效多尺度数值模拟研究，揭示了不同碰撞场景下平台结构的失效模式，讨论了碰撞参数对碰撞后果的影响。提出了能量指标、损伤位移指标、撞深-面积指标，对灾后平台的生存能力进行定量化评价；并构建了蜂窝加固防撞管与蜂窝夹心层防爆墙的设计与优化方法，有效降低受碰与受爆平台的灾变风险。提出了数据驱动的平台-船舶碰撞响应预测与评估方法，将动态粒子群优化算法（DPSO-ANN）引入人工神经网络训练优化过程，支持碰撞事故下平台的安全设计与预警。提出了路径依赖等3种新的鲁棒性指标，对平台的鲁棒性进行动态评价，并提出基于鲁棒性的风险控制措施。依托本项目研究，初步建立起大型固定式海洋结构的灾变演化与抗灾评估体系，相关成果可有效地应用于在役海洋平台结构的安全评价中，为我国海洋油气设施防灾、减灾工程提供理论和技术支持。