基于混沌可靠性理论的海底管道稳定性研究

1、第29卷第2期海洋技术2010年6月OCEANTECHNOLOGYVol.29，No.2June，2010基于混沌可靠性理论的海底管道稳定性研究曲海富1，刘昌兴2（1天津大学建筑工程学院，港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，天津300072；2中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）摘要：海底管道运输是目前世界上最重要的运输方式之一，但是海底管道检查维护、日常管理很不方便，一旦出现事故，维修非常困难，因此对海底管道进行失稳分析是完全有必要的。随着结构可靠性理论的发展和在实际生产中运用的日益成熟，国外的海底管道规范已经开始采用可靠性设计。文中采用混沌搜索可靠性理论对海底管

2、道静态稳定性进行了有效的分析，并结合串联系统的可靠度理论对管道进行整体可靠度分析，最后结合算例验证了此方法的实用程度。分析结果表明，混沌搜索可靠性计算方法是可行有效的。关键词：海底管道；稳定性；混沌搜索；可靠性方法；串联系统中图分类号：P75，O1文献标识码：A文章编号：1003-2029（2010）02-0104-051引言海底管道运输是目前世界上重要的运输方式之一。天然气石油工业中的油气运输很大部分采用海底管道，其中，海海底管道把洋油田油气的运输多是通过海底管道来完成的。海上油田的整个生产密切地联系起来。海底管道运输有其自身的优点，首先是运输的连续性，一旦投入运转后，运输可连转运过程的时间

3、耽搁，其运输续不断地进行，减少中间装卸、能力远远大于陆运和水运。其次，管道运输是密闭的，可以大大减少运输过程产生的损失，一旦管道建成，它几乎可以不受水深、地形、海况等条件限制，能高效、安全地完成油气的输送。但同时，对海底管道进行先期稳定性设计及其可靠性计算，是十分重要的1。海底管道工程设计的最根本要求，就是在一定的设计条高效地完成海洋油气输运，在试用期件下，保证管道能安全、中保证管道在设计环境条件下安全运转，在施工安装中保证管道能经受各种施工外载荷的考验。由此可得：2.2可靠指标及其优化模型完全处于混沌状态；t在0,1范围遍历。设一类连续对象的优化问题为：（1）tk表示混沌变量在k次迭代时代值

4、；=4时系统式中：（2）将混沌变量变换到优化问题的允许解空间：利用式（3（3）假设只有两个独立随机变量R和S的安全裕度方程Z=R-S=0，随机变量的均值与标准差分别为R，S和R，S。将R和S作标准化交换，即映射到标准化坐标系中，标准化变量分别为：（4）（5）代入裕度方程中，可得：将（5（6）式（6）可用直角坐标系中直线的法线式表示：）（7法线与各坐标向量的方向余弦为：2混沌搜索可靠性算法2.1混沌搜索算法混沌是一种普通的非线性现象，其行为复杂且类似随机，但存在精致的内在规律性。混沌已经成为一种新颖的优化技术，比随机搜索更具有优越性2。首先选择混沌变量。令：（8）收稿日期：2010-01-22基

5、金项目：国家高科技重大专项资助项目（2008ZX05026-005）；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金项目；国家高技术研究发展（863）计划资助项目（2008AA09Z307）。将式（6）中各项均除以系，可得：，并考虑与式（8）的关第2期曲海富等：基于混沌可靠性理论的海底管道稳定性研究105（9）将式（7）与式（9）比较，可知：（10）可见，对于独立正态分布的变量，在极限状态方程为线性时，可靠度指标在标准正态坐标系中等于原点到极限状态平面（或直线）的最短距离3。为了避免相关变量的独立变换以及JC方法求解的偏导计算，采用了直接在基本变量空间求解可靠指标的优化方法4：（11）（12）式中

6、：；为基本变量的相关矩阵。此模型为一有约束的非线性优划模型，而混沌优化方法一般对无约束的优化模型比较方便。同时为了使演算点落在失效边界上，可以令第i个变量用其它n-1个变量表示，一般选择变异较大的那个变量，由极限状态方程可以得到：（13）（14）2.3串联系统可靠度分析5-6真正的结构系统是非常复杂的，要想精确计算可靠度是不可能的。因此，目前在结构系统的可靠性分析中，采取了一系列理想化处理措施。这使结构系统可靠性分析成为可能。如果一个结构系统的所有构件（或于系统）都相互关联，当其中某一构件（或子系统）失效时会导致整个结构系统失效，这种结构系统称为串联结构系统，也称为最弱环结构系统。根据模型化后

7、的基本结构系统，就可对系统进行可靠性分析。由n个构件组成的串联结构系统可用图1给出的逻辑图表示。设构件i上的荷载效应为Si，构件的抗力为Ri，则构件的安全裕度（15）于是构件i的失效概率（16）结构系统的失效概率可用下述方法定义：设构件i失效事件为Fi，即（17）图1串联系统对于串联结构系统，由于不论那一个构件失效，都会引起整个结构系统失效，所以结构系统失效的事件F可用下式定义：nF=F1胰F2胰胰Fn=胰i=1Fi（18）而当所有构件都处于正常状态时，结构系统不会失效。所以，结构系统不失效的事件可用下式定义：軈nF=F軈1疑F軈2疑疑F軈n=疑F軈i=1i（19）于是结构系统的失效概率Pf和

8、可靠度，可由下式给出：（20）=P（軈F）=P疑疑n軈Fi=1i疑（21）当每个构件的可靠度i已知时，则n=疑i=1i（22）3算例本文以混沌可靠性分析方法来分析某运行期间海底管道的稳定性。海管总长约100km，外径为600mm，壁厚12.7mm，外壁涂有一层防腐层，混凝土护套厚度为80mm，100mm和120mm。海底管道各层材料的物理力学指标见表1：表1海底管道各层材料物理力学参数材料密度（kg/m3）弹性模量（Pa）泊松比钢管API5L78502.07×10110.3护套混凝土3050-防腐层煤沥青瓷漆1200-海况条件因篇幅关系在此不再列出。通过对海底管道勘察资料、设计资料及

9、环境数据的综合分析，选择16个危险段进行管道的稳定性分析。首先应用谱分析法计算出相应管段的波流力，而后应用共振法和应力法对管道进行极限冲刷长度的计算，最后应用编制的计算机软件进行混沌可靠性分析。计算结果见表2和表3，表中根据地质条件及海况的不同，分别计算出海底管道整体的横向和竖向可靠指标。表2管道横向可靠性分析1.88×10-61.91×10-115.06×10-7观察计算结构可知，该管道的可靠指标较高，达到设计的管道稳定性要求，从一年一遇到十年一遇到百年一遇的海106海洋技术第29卷况，可靠指标明显减少，对应的失效概率增加。由表2的计算结构可知，无论在何种海况下

10、该管道的可靠指标均大于4.8，满足横向稳定性要求。相应的失效概率小于10-6，表3管道属相可靠性分析一年一遇十年一遇8.14这一方法可以推广到其他的海底管道工程足要求。很明显，加以应用。所提的现有海底管道结构可靠度分析方法对于延失效概率很小，在10-14数量级以下，说明在此种情况下管线参考文献：1姜子林海底管道非线性失稳及可靠性研究D天津：天津大学建筑工程学院，20022徐军，郑颖人工程结构可靠度指标计算的混沌搜索方法J工程力学，2002，19（3）：6-93余建星，郭振邦等船舶与海洋结构物可靠性原理M天津：天津大学出版社，20014徐军，邵军，郑颖人遗传算法在岩土工程可靠度分析中的应用J岩土

11、工程学报，2000，22（5）：586-589.5郭章林，胡云昌串联可修工程系统可靠性的计算J石油机械，2000，28（1）：13-156任晓崧，许奇现有结构可靠度分析的一种实用方法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