Reliability-based methods in the inspection planning of fixed offshore steel structures

• M.J Baker^a, ,
• B Descamps^b

Abstract

For the continued safe operation of a fixed offshore steel structure, it is necessary for any damage resulting from fatigue, collision or impact to be prevented from leading to either progressive failure or sudden collapse. The detection of fatigue damage at an early stage in the life of the structure is, however, difficult and costly, especially sub-sea, but the financial and human consequences of structural failure resulting from inadequate inspection are likely to be much greater, and need to be prevented. The paper describes research that has been undertaken to enable sub-sea inspection strategies to be improved. The findings relate the inspection methods used, the locations inspected and the frequency of inspection to the probability of local fatigue damage leading to unacceptable structural consequences. This provides a practical way of targeting offshore inspection in order to reduce overall life-cycle costs whilst maintaining adequate levels of system reliability for the complete structure.

Keywords

• Fatigue;
• Fracture;
• Inspection planning;
• NDT;
• Offshore steel structures;
• Structural reliability;
• Risk

1. Introduction

The safe operation of offshore structures requires not only the provision of adequate margins of safety in the initial structural design, and high standards of fabrication, but also an appropriate amount of in-service inspection and, if necessary, repair.

Most of the early structures built in the North Sea were not expected to be required for more than about 25–30 years, because this was the anticipated field life. However, improved methods of oil recovery, including horizontal drilling, have led to much longer field lives with the consequent need for structures to be kept in operation for far longer than expected. Steel jacket structures are the commonest type of fixed offshore installation, and the continuing need to inspect these means that the cost, effectiveness and frequency of inspection remain important issues.

Offshore structures have traditionally been thought of as requiring more frequent inspection than land-based structures for a number of reasons: because the submerged parts cannot be easily seen; because sudden failure could lead to a large loss of life and the release of hydrocarbons into the marine environment; because of the relatively corrosive effects of sea water; and because, initially, there was little experience of operating large structures, especially in deep water. However, the high cost of underwater inspection has forced a reduction in the amount carried out and it is therefore important that future inspection work is correctly targeted to maximise its effectiveness.

As with bridges, the inspection of steel offshore structures is aimed at the early detection of fatigue, corrosion and other types of damage — for example, that arising from minor ship impacts, and from heavy objects dropped from the topsides or from supply vessels. However, with large jacket structures having many hundreds to thousands of welded joints, and with the inspection of one nodal assembly using divers costing in the order of pound;40 000, the inspection process is far from trivial.

This paper discusses practical approaches to offshore inspection planning and examines the way in which reliability-based methods can be used to optimise this process. The key concern is to prevent unexpected structural failure by fatigue or fracture in steel jacket structures, and the paper is restricted to these issues. Somewhat similar problems arise in jack-up structures and semi-submersibles, but these can be inspected more easily when they move off station and are not considered here. Floating production, storage and off-loading vessels (FPSOs), the new generation of ship-like deep-water production facilities, are also excluded because of their radically different nature and their different inspection requirements.

2. Methods of underwater inspection

The methods of non-destructive testing (NDT) used in the underwater inspection of jacket structures have been extensively described in the literature (e.g. [1]; [2] ; [3]) and are only summarised here. The most important is probably direct visual inspection, either using divers or remotely operated vehicles (ROVs). Methods for detecting the occurrence of surface-breaking defects of cracking include: magnetic particle inspection (MPI), eddy current inspection (ECI), alternating current field measurement (ACFM). Methods for measuring the depth of surface-breaking defects include: A-scan ultrasonic testing (UT), alternating current potential drop (ACPD) and ACFM. In addition, various radiographic techniques are available.

In the early days of offshore jacket inspection, divers carried out most of the inspection work, but the development of ROVs has provided the opportunity for the use of other techniques that are much less costly. One such technique is flooded member detection (FMD), which aims to detect the immediate effect of through-thickness cracking of tubular members, namely water ingress. Flooded member detection is normally carried out

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固定海上钢结构检验规划中的可靠性方法

• M.J Baker^a, ,
• B Descamps^b

摘要：

为了持续安全运行固定式海上钢结构，必须防止因疲劳，碰撞或冲击造成的任何损坏，导致结构逐渐破坏或突然崩溃。然而，在结构寿命的早期阶段，疲劳损伤的检测是困难和昂贵的，特别是海下，但由于检查不足导致的结构性故障的财力和人力后果影响可能会更大，需要被预防。本文介绍了为使海底检查策略得到改进而进行的研究。研究结果使用的检查方法，检查的位置和检查频率与能导致不可接受的结构性后果的局部疲劳损伤的可能性有联系。这提供了一种针对海上检查的实用方法，以便在整个生命周期成本降低的同时，为整个结构保持足够的系统可靠性水平。

关键词

bull;海上钢结构;bull;疲劳; bull;断裂; bull;检验计划;bull;无损检测; bull;结构可靠性;bull;风险

1. 简介

离岸结构的安全运行不仅需要在初始结构设计中提供足够的安全边距，而且要高标准的制造，还需要适当数量的应用期间的检查，并在必要时予以修理。

预计在北海建成的大部分早期建筑物不会超过约25-30年，因为这是预期寿命。 然而，采用改进的采油方法，包括水平钻井，已经促成了更长的现场寿命，随之结构可以保持运行的时间远远超过预期。 导管架结构是最常见的固定式海上设施，而持续的检查意味着检验的成本，有效性和频率仍然是重要的问题。

海上结构传统上被认为需要比陆基结构更频繁的检查，原因有很多：因为淹没的部件不容易看到; 因为突发故障可能导致大量的生命损失和烃释放到海洋环境; 由于海水的腐蚀性较强; 因为最初时期，经营大型结构的经验很少，特别是在深水中。 然而，水下检查的高成本迫使所进行的数量减少，因此未来检查工作的正确目标是最大限度地发挥其作用。

与桥梁一样，海上钢结构的检查旨在尽早发现疲劳，腐蚀和其他类型的损坏 - 例如，由轻微的船舶撞击引起的损坏以及从顶部或从供应船上掉落的重物。 然而，对于具有数百到数千个焊接接头的大型导管架结构，并且使用约4,000英镑的潜水员检查一个节点组件，检查过程远远不是微不足道的。

本文讨论了海上检验计划的实际方法，并考察了采用基于可靠性的方法来优化此过程的方式。 关键在于防止导管架结构疲劳或断裂造成意外的结构性破坏，本文仅限于这些问题。 自升式结构和半潜式混凝土中也出现类似的问题，但是当它们离开车站时，这些问题可以更容易地进行检查，这里不被考虑。 新一代船舶深水生产设施的浮式生产，储存和卸载船（FPSO）由于其性质截然不同，检验要求不同，也被排除在外。

2. 水下检查方法

在文献[1]; [2]; [3]）中已经广泛地描述了在夹层结构的水下检查中使用的无损检测方法（NDT），并且仅在此总结。 最重要的可能是使用潜水员或遥控车辆（ROV）进行直接目视检查。 检测破裂缺陷缺陷发生的方法包括：磁粉检测（MPI），涡流检测（ECI），交流电场测量（ACFM）。 用于测量表面破裂缺陷深度的方法包括：A扫描超声波测试（UT），交流电位降（ACPD）和ACFM。 此外，各种放射照相技术也是可行的。

在导管架检查的初期，潜水员进行了大部分的检查工作，但ROV的开发为使用成本要低得多的其他技术提供了机会。其中一种技术是淹水构件检测（FMD），其目的是检测管状构件的厚度开裂的即时效应，即水进入。被淹没部分的检测通常使用超声波设备或通过伽玛射线源和检测器进行。这两种方法都可以使用ROV以合理的低成本进行。然而，在先前未被淹没的构件中发生淹水意味着存在相当大的贯穿裂纹，以及该构件的大部分（以及可能的完整的结构）疲劳寿命的损失。在较早阶段检测裂缝通常需要使用具有MPI或ACFM设备的潜水员，并且成本高得多，但允许更长的维修时间。早期发现也将减少在进行维修之前发生更广泛的损坏的可能性，从而减少长期维修成本。

以上说明需要仔细的检查计划，调查采用一系列检验和修理策略的成本和可能的后果，从而制定每个结构的最佳检验计划。

3.检查计划：目标和宗旨

检查海上结构的主要目标是保护生命并降低预期的使用寿命成本。 在实践中，这些目标很可能通过检测任何疲劳和腐蚀损害的发生来实现，由于某种原因，在比计算或经验预期的早得多的时间发生，然后采取适当的行动 （例如修理）。 在疲劳的情况下，这可能是因为特定焊接接头的不利因素的组合 - 例如，高于预期的残余应力和SCF，由于特定海况的较大的结构响应而导致的较高的应力范围，未被检测到的初始 焊缝高应力部位缺陷等; 否则可能是由于未检测到的粗糙缺陷（如接头未对准）或焊接条件差。

疲劳寿命的安全系数通常足够大，以确保在焊接接头的设计寿命内引起疲劳破坏的不利极端条件的机会组合很小。 然而，试图使失败的理论概率如此之以至于完全不需要在维修期间进行检查通常是不经济的。 更经济的解决方案是在使用寿命期间对疲劳破坏小可能性进行设计，并通过计划进行周期性结构检查来最小化未检测到的过度裂纹增长的可能性。 这种方法的另外一个优点是，由于总体设计或制造误差以及在意想不到的位置而发生的任何疲劳，断裂或过度的腐蚀在严重后果发展之前都有可能被检测到的机会。

截至1998年，英国大陆架（UKCS）的所有固定海上建筑物均须遵守1974年法定文件第289 [4]条，每年需要最少数量的焊接接头进行无损检测，或每5年进行一次重大检验。然而，根据新的“海上安全（安全事例）条例”[5]和“海上设施和设施（设计和施工等）规定”[6]，操作人员有责任确保安装在任何时候都具有通过使用自己选择的方法，在合理可行的情况下的完整性。这项新的目标法规规定了更严格的检查规划方法，并更加重视评估对劳动者和环境造成的所有风险。事实上，它具体要求采用基于风险的方法来做出决策。这又为基于可靠性评估焊接接头对疲劳和断裂的敏感性的方法和基于类似方法的检查规划奠定了基础。

从法律的角度来看，UKCS海上建筑物检验规划的目的应该是以这种方式选择检验方法（NDT类型），检查次数和被检查结构部分的组合 结合采取的其他措施，对人员的风险“低至合理可行”[5]。 然而，在许多海上设施中，由于即将发生故障的早期警告，主体结构突然疲劳失效的人员的风险可能非常小。 在这些情况下，财务考虑将主导，如下所述。

4.故障模式，顺序和后果

海上导管架结构的主要故障模式可分为导致立即故障的模式，也可分为失效延迟或除非由维修中止的渐进式故障模式。 这在图1中示出。 在下文中，仅考虑延迟的结构劣化的故障。

图1：导管架损坏的可能情况

由于疲劳和较小程度的断裂是随时间变化的现象，并且由于局部失效的后果取决于其在结构中的位置和结构冗余程度，所以需要考虑导管架的渐进或延迟故障的各个阶段。 按照严格程度的增加，这些阶段可以理想化如下。

1. 在制造期间，或在建造或使用的后期阶段，部分焊接结构出现缺陷。
2. 通过疲劳开始和破裂将该缺陷生长到小于包含缺陷的板，管或焊缝的厚度的深度。
3. 通过疲劳和/或断裂进一步增加裂纹，以在所涉及的结构构件（腿部构件，支架，沉箱等）的壁中形成局部的厚度裂纹。
4. 通过疲劳和/或断裂导致构件周围的贯穿厚度裂纹的增长导致完整的构件中断。
5. 通过疲劳和/或断裂进一步损失其他结构构件，导致整体结构刚度和强度的部分损失。
6. 在暴风雨中足够导致该程度的破坏的结构失效。

在实践中，目的应该是通过检查，早期检测到损坏，然后修复来阻止这种进展。

随着结构损坏的增加，与上述相关的损失将是：

1.在极端风暴条件下进行钻井或生产作业;

2.生产停产和部分停运;

3. 在总人员配备后的安装损失。

与这些相应的损失相比，与结构性损害本身相关的财务损失可能相对微不足道。 因此，尽可能地设计结构，使得渐进式失败的各个阶段及时分开，以使失败的后果得到最小化，进行维修，以及所有其他生产停机和平台疏散都未能实现。如果在可能的情况下，可以避免在短时间内（如30分钟或更短时间）完全逐渐崩溃导管架结构的最坏情况，因为它可能导致重大的生命损失和环境污染。

因此，海上导管架结构检查方案的规划应考虑以下几点：可能发生的疲劳和断裂故障的性质和位置及其发生概率; 各种损伤状态之间的时间延迟的数学期望，有无干预; 可能与各种结构性损害状态有关的不良后果; NDE在检测和规模化缺陷和裂纹方面的各种方法的可靠性; 以及各种检验方法的成本和实用性。 因此，可以看出，概率方面在每个步骤进入检查计划，因为每个参数都与必须进行检查决策的每一个离散时间段的明显不确定性相关联。

因此，总体目标应是寻求一种使预期使用寿命最小化的检查方案，但由于风险人员是“合理切实可行”的。 这最后一个限制是对英国海军结构的法律要求[5]，具有法定先例[7]确定的明确含义。[8]。 本文的其余部分讨论通过使用基于可靠性的方法来实现这一目标的进展。

5.简化风险评估方法的充分性

认识到海上结构的检查计划 - 即要检查的关节的选择和检查之间的时间间隔 - 是一个非常实际的问题，许多作者提出了简化的风险排序方法来试图获得实际的解决方案。 检验计划可以被认为是非常实用的，因为最佳解决方案受到实际限制的高度影响。 例如，检查的总体成本在很大程度上取决于动员合适的潜水支援船只的费用，并将其与海上设施一起保留，而不是检查本身的直接费用。 因此，有必要计划在每个短的检查期内仅检查结构的少量连续区域，而不是分别选择每个关节最佳的检查间隔。

一种这样的风险排名方法是由海洋技术局（MTD）在1989年提出的[1]。 这种方法的评估基于其对现有的海上导管架结构的应用，其中包含大约1000个水下焊接接头。 然后将本研究的结论用于讨论更先进的概率技术。

典型的基本风险排序方法需要故障的可能性（使用任何归一化或非归一化概率标度），并且对每个焊接接头估计此故障事件的后果，可能性和后果给出相对风险的度量。 为了将这种方法应用于实际结构，所有相关的焊接接头都需要在标称疲劳寿命以及制造，安装和以前的检查历史上进行识别和数据组装。 还可以包括任何额外的在役数据，例如观察到的疲劳载荷，测量的应力范围等。

在MTD方法[1]中，估计故障可能性的程序是将数值分数（大小，中等或低等级）分配给影响疲劳或断裂概率的许多因素（如差制造质量，低标称疲劳寿命，已知的焊接缺陷的存在或观察到的轻微疲劳裂纹等），然后定义故障的可能性，Xj作为这些分数的总和。每个节点Yj的不良故障后果以类似的方式进行评估，并且被定义为分配给已知会使该联合失败的后果更多的多个因素的一组分数的总和严重（例如，结构冗余，生命周期和/或环境等等）。然后给出在任何具体时间的每个焊接接头的总体检查加权Zj如等式（1）：

其中Wj是附加值，其值取决于关节的检查历史和自上次检查以来的时间。对于贡献于Xj和Yj的17个参数中的每个参数，权重的建议值范围从1（极不重要）到100（极其重要），都是完全基于判断。

显然，上述方法的操作特性取决于表示在定义参数Xj和Yj的关系中的每个因素的高，中和低重要性的分数的相对值。 最初在[1]中提出的值是暂定的，但不清楚的是，即使对完全概率结构系统分析进行严格的校准，也可以定义适用于各种不同结构几何形状的更合适的重量。

MTD程序已经由作者对现有的北海导管架结构进行了测试，其中包含大约1000个焊接管接头，并且追溯到1985年至1995年期间确定检验重点。为了进行这些计算，原始的结构设计信息 使用所有节点的疲劳寿命数据，以及从结构投入使用的在役检查数据。 完整的描述可在[9]中找到。 已经进行了两种类型的测试：首先，将程序预测的检查优先级与实际检查的关节进行比较，其次是对n年后检查的不同节点累积数量的调查。

图2显示了从1985年至1992年实际结构中每年检查的节点数。高位节点是通过MTD方法评估的节点具有高度的破坏后果和相对较高的破坏可能性。 相反，低等级节点被评估为具有低的破坏后果和低的破坏可能性。 其余的被归类为“其他节点”。 在8年期间实际检查的节点从具有相对高风险评分的关节到一些最低的节点。 特别是发现一些低级节点已经被检查了几次，一些最高排名的节点从未被检查过。

图2：1985-1992年间从不同风险级别检查的节点数

从这个比较有限的研究中可以得出的结论是，虽然简化的风险分级方法可能针对高风险的关节比单独使用传统方法的比例较高，这是很难选择的加权系数，最大限度地提高检查的任何给定数量的有效性努力。 为此，需要一个更全面的概率方法，如下一节所述。

然而，还需要考虑一个更重要的问题。这是每个节点破坏概率预测的不确定性（即与完全可靠性分析中的变量参数中的统计不确定性相关联，以及影响疲劳和断裂行为的严重错误或遗漏的可能性） 。通常情况下，如果主观上或通过正式的可靠性计算来评估破坏的可能性，则相对较小，联合的风险排名不会很高，并且联合数量在经过数年后才被检查， 如果确实存在的话。如果具有非常高的破

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