深水柔性立管系统的安全评估和完整性管理是复杂的系统工程,是保障海洋油气安全开采的关键,但是在理论研究和工程实践中还存在以下问题:现有评估和管理方法过分依靠专家的经验判断,普遍采用简化的强度衰减模型,未考虑工程实际情况和复杂海洋荷载影响;现有规范仅适用于单层材质的管道评估且保守性较强,多层材料复杂结构的评估主要依靠试验或数值模拟,但是试验成本过高,数值模拟又很难考虑层间接触滑移的非线性问题;现有柔性立管的评估方法仅针对单一失效模式,而考虑多种失效模式的评估方法仅能实现简单结构的评估。本文针对深海立管系统在服役期间的所处环境恶劣、结构复杂、失效模式多且相互影响等问题,开展主要研究内容如下: (1)针对柔性立管所处环境荷载复杂的问题,本文开发海上集成监测系统,将荷载评估纳入完整性管理中,提出基于监测系统的复杂海洋荷载评估方法,首次引入InverseGaussian、Nakagami和Rician等概率分布模型,研究海洋风浪流随机荷载的时空分布特征和概率密度分布情况。研究发现,提出的新评估方法比传统评估方法更加符合海域的实际荷载情况,能够更准确地推算多年一遇的极端海况,为安全评估和完整性管理提供可靠的荷载边界条件。 (2)针对柔性立管多层材料复杂结构评估难的问题,本文开展从整体到局部再到细节的完整性管理,探究柔性立管在复杂环境荷载下的整体-局部-细节的累积损伤规律,评估细节腐蚀损伤的柔性立管剩余强度。研究发现,建立的点蚀深度分布成长模型能够较好考虑腐蚀速率的影响,利用椭圆投影面积改进的剩余强度评估方法,克服了规范过于保守的不足,提出的考虑多种非线性的力学性能评估方法创造性地解决了层间接触滑移的非线性问题,能够准确评估整体-局部-细节损伤情况,为将来安全生产和预防性维修提供指导。 (3)针对柔性立管失效模式多且相互影响的问题,本文开展从单一失效模式到多种失效模式的完整性管理,研究环境荷载、腐蚀、疲劳及无法量化或尚未监测/检测的故障风险等多种因素对立管系统结构安全的动态影响,建立考虑疲劳-腐蚀耦合的可靠性评估模型,建立基于故障树-贝叶斯网络的风险评估模型,实现了立管系统的动态失效诊断和故障排查。研究发现,该方法将可靠性和风险评估有机融合,创造性地解决了考虑多种失效模式的柔性立管的安全评估问题,克服了可靠性过分依赖数据资料和风险评估过分依赖专家打分的缺点,帮助决策者制定效益最大化的动态维修方案,提高了完整性管理的效率。 本研究紧密结合我国深海油气资源开发战略需求,将荷载评估纳入完整性管理,从整体到局部再到细节,从单一失效模式到多种失效模式,实现了立管系统的完整性管理。该研究成果已在我国LIHUA油田的实际开采项目进行检验,发现其不仅能为安全生产、预知性维修和风险防范提供数据支持,还能延长使用寿命,提高经济效益。