Ein probabilistischer Ansatz für die Lebensdauerplanung von Offshore-Plattformen

Aug 15, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 7101 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Offshore-Plattformen gelten als kritische Infrastruktur, da jede Unterbrechung ihrer Lebensdauer schnell zu großen Verlusten führen kann. Während diese Bauwerke häufig auf ihre anfänglichen Baukosten ausgelegt sind, lohnt es sich, eine lebensdauerbasierte Planung in Betracht zu ziehen, sodass sowohl direkte als auch indirekte Kosten in den Entwurfsprozess einfließen. Hier wird ein probabilistischer Ansatz zur Lebenszykluskostenanalyse (LCC) von Offshore-Plattformen vorgeschlagen. Eine feste Offshore-Plattform wird zunächst auf der Grundlage der aktuellen Konstruktionsvorschriften und für eine 100-jährige Wiederkehrperiode konzipiert. Für die Auswirkung von LCC auf die Designoptimierung wird der gleichzeitige Effekt der Verschmelzung von Welle, Strömung und Wind probabilistisch berücksichtigt. Die Strukturelemente sind für fünf verschiedene Modelle ausgelegt; ein Modell basierend auf den aktuellen Designanforderungen und der Rest für mehr als die Anforderungen. Der LCC jedes Modells wird entsprechend bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass das codebasierte Modell im Vergleich mit einem Lebenszeitkostenzeitraum nicht optimal ist; Um einen optimalen Punkt zu erreichen, ist eine Vergrößerung der Strukturelemente um bis zu 10 % erforderlich. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Anstieg der Anschaffungskosten um 5 % ein Rückgang des LCC um bis zu etwa 46 % zu beobachten ist. Die hier vorgestellte Arbeit soll Interessenvertreter dazu anregen, den LCC-basierten Entwurf wichtiger Strukturen zu fördern, um die Lebenszeitkosten zu senken.

Zur Gewinnung von Öl- und Gasvorkommen aus den Tiefen der Meere werden Offshore-Plattformen errichtet. Aufgrund ihrer Bedeutung können ihre Stakeholder im Falle einer Unterbrechung ihrer Routinetätigkeiten enorme Verluste erleiden1,2. Während Offshore-Plattformen normalerweise auf der Grundlage verfügbarer Standards entworfen werden, haben jüngste Erfahrungen – wie die im Golf von Mexiko, die große Schäden verursachte – gezeigt, dass ein Design, das auf den aktuellen Vorschriften basiert, nicht unbedingt wirtschaftlich optimal ist3,4. Der allgemeine Glaube an die optimale Tragwerksplanung ist, dass dadurch die anfänglichen Baukosten gesenkt werden sollten; Allerdings können die Lebenszeitkosten viel höher sein als die Anschaffungskosten – in den aktuellen Vorschriften wird dieser wichtige Punkt nicht berücksichtigt. Die Lebenszykluskosten werden als Lebenszykluskosten (LCC) bezeichnet und in Primär- und Sekundärkosten unterteilt. Die Hauptkosten umfassen den Kauf von Materialien, Löhne, Konstruktion, Design, Implementierung, Transport, Einrichtung und den Plattformtest5; Die Sekundärkosten beziehen sich auf die Kosten für die Betriebszeit und die Risiken für die Lebensdauer der Struktur. Der Schaden kann in Form des Verlusts einer Plattform und von Investitionsmöglichkeiten, Verletzungen und Unfällen von Mitarbeitern, Kosten für die Einstellung der Öl- und Gasförderung, erneuten Tests und Inbetriebnahme der Plattform, Verlust von Ausrüstung sowie Reparatur und Nachrüstung definiert werden.

Der LCC-basierte Entwurf für konventionelle Strukturen mit einem probabilistischen Ansatz hat in den letzten Jahrzehnten einige Aufmerksamkeit erregt, z. B. Liu und Neghabat6, Asiedu und Gu7, Lagaros et al.8, Uddin und Mousa9, Marzouk et al.10, Behnam11, Hassani et al.12, Talaslioglu13,14,15 und Jebelli et al.16. Was Offshore-Plattformen betrifft, so wurde der oben genannte Ansatz bisher nur in wenigen Studien angewendet, es gibt jedoch Studien zur probabilistischen Modellierung der Lasteigenschaften oder zur Berücksichtigung indirekter Kosten, insbesondere Umweltkosten. Einige Studien haben Windgeschwindigkeit und Wellenhöhe mit Wahrscheinlichkeitsmodellen geschätzt. Heredia-Zavoni et al.17 ermittelten die Ausfallwahrscheinlichkeit von Stahlmantelplattformen unter Ermüdungsschäden und definierten Grenzzustandsfunktionen für die angewendeten Lasten. Lee et al.18 schätzten die extreme Windgeschwindigkeit mithilfe der Gumbel- und Weibull-Verteilungen. Um Wellen direkt zu untersuchen, verwendeten Kwon et al.19 eine statistische Methode zur Schätzung extremer Meeresspiegel. Bea et al.20 verallgemeinerten die Lebenszyklusrisikomerkmale von Offshore-Plattformen auf der Grundlage von Zuverlässigkeit und Risikobewertung unter Berücksichtigung interner und externer Faktoren. Pinna et al.21 ermittelten das optimale Design von Einbeinstativplattformen anhand kosteneffizienter Kriterien und berücksichtigten die wirtschaftlichen Folgen eines Ausfalls sowie den Anteil der Baukosten. Leon und Alfredo22 schlugen ein auf Zuverlässigkeit basierendes Kosten-Nutzen-Optimierungsentscheidungsmodell für das Risikomanagement von Ölplattformen unter Berücksichtigung der Integration sozialer und wirtschaftlicher Probleme in einen Managemententscheidungsrahmen vor und formulierten die Kostenfunktionen als Funktionen der Schadenshöhen. Ang und Leon23 analysierten die in der Bucht von Mexiko errichteten Offshore-Strukturen anhand der Kostenfunktionen als Schadensindex und wandten diese auf eine optimale Entwurfsmethode an. Hasofer24 modellierte die Definition der Zuverlässigkeit für Strukturelemente. Rockweiss und Flessler25 schlugen eine numerische Methode zur Berechnung der strukturellen Zuverlässigkeit vor. Die Methode der Wellenlängenanalyse, die auf der neuen Theorie gebundener Wellen basiert, wurde von Zeinoddini et al.26 als Zuverlässigkeitstheorie eingeführt. Ricky et al.27 untersuchten zwei feste Marinejacken auf mögliches Versagen; Sie schätzten die Ausfallwahrscheinlichkeit in verschiedene Richtungen. Der Grad des Versagens wurde basierend auf dem Zuverlässigkeitsindex in drei Kategorien eingeteilt: leicht, mittelschwer und schwer. Lee et al.28 entwarfen eine Meeresstruktur und berechneten die Ausfallwahrscheinlichkeit für verschiedene Wiederkehrperioden und die entsprechenden geschätzten indirekten Kosten. Anschließend ermittelten sie den minimalen LCC einer Zielfunktion und entwarfen die Struktur für optimale Belastungen. Guédé29 führte eine Methode zur risikobasierten Bewertung ein und entwickelte einen Inspektionsplan als Teil eines strukturellen Integritätsmanagementplans für feste Offshore-Plattformen. Ayotunde et al.30 bewerteten die Richtigkeit von Hochleistungs-Energiespeichertechnologien für Offshore-Plattformen aus LCC-Sicht. Vaezi et al.31 untersuchten zunächst die Auswirkungen eines bestimmten Struktursystems auf die dynamische Reaktion von Offshore-Plattformen und schlugen dann einen Optimierungsrahmen vor, der bei der Konstruktion von Meeresstrukturen unter aufgebrachten Lasten eingesetzt werden soll. Qi et al.32 entwickelten ein zeitabhängiges Korrosionsmodell für mobile Offshore-Plattformen. Li und Wang33 schlugen einen Ansatz zur Berechnung der Umweltvorteile optimierter Offshore-Plattformen vor. Katanyoowongchareon et al.34 führten eine Zuverlässigkeitsanalyse und eine quantitative Risikobewertung durch, um die direkten Kosten von Offshore-Plattformen zu optimieren. Colaleo et al.35 bewerteten die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen einer bestehenden Offshore-Plattform aus LCC-Sicht. Janjua und Khan36 entwickelten einen Ökoeffizienzrahmen für die Umwelt- und Wirtschaftsverträglichkeitsprüfung von Offshore-Plattformen. Heo et al.37 entwickelten einen Optimierungsrahmen für eine Offshore-Energiewende, um den Ermüdungsschaden zu bewerten.

Während weitere Studien zu Offshore-Plattformen eingesehen werden können, versteht es sich, dass die Weiterentwicklung eines geeigneten Ansatzes zum Verständnis des optimalen wirtschaftlichen Designs über die Lebensdauer von Strukturen immer noch von größter Bedeutung ist; Dies kann effektiv durch einen auf Zuverlässigkeit basierenden Ansatz angegangen werden, mit dem die LCCs von Offshore-Plattformen minimiert werden können. Hierbei wird geprüft, ob die Auslegung von Offshore-Plattformen nach den Anforderungen des American Petroleum Institute (API) als weit verbreiteter Regelung optimal ist, wenn ein probabilistischer Ansatz zur Lebensdauerauslegung berücksichtigt wird. Dabei werden die Ausfallwahrscheinlichkeit (PoF) und deren Folgen während der Lebensdauernutzung von Offshore-Plattformen ermittelt und ein LCC-basierter Entwurfsansatz vorgeschlagen. Informationen über Umweltbedingungen wie die maximale Wellenhöhe, die maximale Windgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der Meeresströmung werden mit Funktionen wie Gumbel- und Weibull-Verteilungen geschätzt. Dazu wird zunächst eine Offshore-Plattform gemäß API-RP2A38 mit einer 100-jährigen Rückgabefrist konzipiert; Anschließend werden völlig zufällige dynamische Belastungen des Zeitverlaufs analysiert und als Zufallsvariablen für jedes Strukturelement eingeführt. Geeignete Verteilungen werden mit der Easy-Fit-Software39 für die Werte von Zufallsvariablen ermittelt. Unter Verwendung von MATLAB und basierend auf der Zuverlässigkeitsmethode erster Ordnung (FORM) werden die programmierte Zuverlässigkeit und der Zuverlässigkeitsindex berechnet, gefolgt vom PoF jedes Elements24. Als nächstes wird der LCC der entworfenen Plattform berechnet; Durch Änderung der Abmessungen der Strukturelemente werden die Ergebnisse so lange verändert, bis der LCC minimiert wird. Die hier durchgeführte Arbeit nutzt die dynamische Zeitverlaufsanalyse, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Der Schadensindex wird auf der Grundlage der FORM und unter zwei Leistungsfunktionen Zug und Druck bestimmt, wobei deren Mindestwerte als kritischer Zuverlässigkeitsindex verwendet werden. Außerdem wird die kritische Richtung auf der Grundlage eines probabilistischen Ansatzes bestimmt.

Der in der aktuellen Studie vorgeschlagene Ansatz kann die minimalen Lebenszeitkosten von Offshore-Plattformen als Funktion der Ausfallwahrscheinlichkeit ermitteln. Die Minimierung dieser Kosten ermöglicht die Ableitung eines optimalen Designkriteriums. Da die möglichen Folgen von einer lokalen Knickung bis hin zu erheblichen Verformungen reichen können, gibt es noch keine empfohlenen Kriterien, die festlegen, wann eine Reparatur oder die Berücksichtigung jährlicher Schäden an einem Element erfolgen muss. In diesem Zusammenhang kann ein auf einem Zuverlässigkeitsindex basierendes Reparaturkriterium die oben genannten Bedenken in hohem Maße ausräumen. Es ist zu beachten, dass Struktursysteme häufig mit dem Ziel entworfen werden, dass die Strukturkomponenten unter ihren Grenzspannungs-/Dehnungswerten liegen, wenn sie Entwurfslasten ausgesetzt werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass, wenn beispielsweise der Spannungs-/Dehnungswert in einem Strukturbauteil den Schwellenwert überschreitet, ein völliges Strukturversagen, also ein fortschreitender Zusammenbruch, eintreten wird. Die Untersuchung der progressiven Einsturzfestigkeit von Tragwerkssystemen ist ein wichtiges Forschungsthema, das bisher große Aufmerksamkeit erregt hat, aber nicht Gegenstand der vorliegenden Untersuchung ist.

Um eine Offshore-Plattform zu entwerfen, werden zunächst die Umweltbelastungen und die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens vorgestellt und anschließend analytische Methoden zur Suche nach PoF- und LCC-Modellen vorgestellt. Der PoF und der Prozess eines LCC-basierten Designs sind in Abb. 1a,b dargestellt und werden in den folgenden Abschnitten erläutert.

Schritte zur Bestimmung des PoF und LCC von Offshore-Plattformen.

Offshore-Plattformen sind verschiedenen Kräften ausgesetzt, darunter Wind, Meeresströmungen und Wellen, die gleichmäßig oder zeitabhängig sein können. Auch die Seebedingungen bei stürmischem Wetter werden berücksichtigt. Die durch den Wind erzeugten Kräfte sind oft gleichmäßig und wirken von der Meeresoberfläche aus nur auf den oberen Teil der Plattform. Meeresströmungen erzwingen eine gleichmäßige Strömung der Unterwasserteile des Bauwerks40. Wellen sind oft die größten dynamischen und dominanten Umweltkräfte auf festen Offshore-Plattformen41. Aufgrund der oszillierenden Natur und Zufälligkeit der Wellenhöhe und ihrer Unsicherheit wird ein Kriterium namens Zuverlässigkeitsindex verwendet, um den PoF von Elementen zu erhalten42. Die Vorhersage der maximalen jährlichen Wellenhöhe ist einer der grundlegenden Parameter beim Entwurf für alle acht Haupt- und Untergeografierichtungen. Gleichung 1 gibt die allgemeine Form der Drei-Parameter-Verteilungsfunktion von Weibull zur Vorhersage der maximalen jährlichen Wellenhöhe auf der Offshore-Plattform an43:

Dabei ist fHs (ℎ) die langfristige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der angegebenen Höhe der Welle, αHs der Skalenparameter, βHS der Formparameter und γHS der Positionsparameter. Hier werden klimatologische Daten aus dem Glenn Report43 gewonnen. Die Daten werden dann mit der Methode der Maximum-Likelihood-Schätzung mithilfe einer Weibull-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion mit drei Parametern angepasst, um die Wellengefahrenkurve zu erhalten. Diese Verteilung für eine bestimmte Richtung erhält man unter der Annahme, dass die Welle während eines Jahres nur aus einer angenommenen Richtung kommt (siehe Tabelle 1).

Die Windgeschwindigkeit variiert je nach Höhe und Windzeit; Um die Windgeschwindigkeit zu bestimmen, sollten daher die Windzeit und die Höhe der Basis bestimmt werden40. Die Basisgeschwindigkeit wird in einer Höhe von + 10 m relativ zum Nullniveau des Meeres und der Durchschnittsgeschwindigkeit pro Minute aufgezeichnet. Wenn keine Wellen- oder Winddaten verfügbar sind, gilt Gl. (2) verwendet werden. Die Wechselwirkung zwischen signifikanter Wellenhöhe und Windgeschwindigkeit wird durch die Gumbel-Verteilungsfunktion für jede Wiederkehrperiode geschätzt44. Da ein Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Wellenhöhe besteht, können Änderungen der Windgeschwindigkeit die Wellenhöhe beeinflussen.

Strömungen werden in zwei Arten unterteilt: Windströmungen und Gezeitenströmungen. Es wird angenommen, dass die vom Wind beeinflusste Strömungsgeschwindigkeit auf Meereshöhe etwa 1 % der Windgeschwindigkeit beträgt45; Ihre Geschwindigkeit nimmt zum Meeresboden hin linear ab. Basierend auf den Informationen aus Messungen an Schiffen in der Nähe des Standorts werden die maximalen und minimalen Strömungsgeschwindigkeiten geschätzt.

Die Leistung eines Bauwerks gilt im Allgemeinen als abgelehnt, wenn die Tragfähigkeit des Bauwerks unter den Nennwerten der aufgebrachten Last liegt. Oft besteht eine Systemstruktur aus zahlreichen Komponenten; Die Zuverlässigkeitsmethode liefert daher den Zusammenhang zwischen der Zuverlässigkeit einer Komponente und eines Systems. Während des Designprozesses können viele Unsicherheiten auftreten. Unvorhersehbare Belastungen wie Wellen und Windlasten, Meeresströmungen, Elastizitätsmodul und Fließgrenze sind Beispiele für Unsicherheiten46. Daher werden Widerstands- und Belastungsparameter als Zufallsvariablen definiert42. Im Allgemeinen hat der Zustand des strukturellen Versagens unterschiedliche Bedeutungen; Die Grenze zwischen guten und schlechten Leistungen einer Struktur kann die Definition des Scheiterns sein. Diese Grenze wird durch die Grenzzustandsfunktionen41 ausgedrückt. Wenn R der Widerstand und Q die Belastung des Strukturelements ist, wird die Leistungsfunktion über Gleichung definiert. (3).

Wenn die Leistung einer Struktur nicht zufriedenstellend ist, wird die Möglichkeit eines Versagens erheblich und wird durch Gleichung ausgedrückt. (4).

Zur Bestimmung des Zuverlässigkeitsindex sollten die Zufallsvariablen in ein dimensionsloses Format umgewandelt werden. Für zwei Variablen und die lineare Leistungsfunktion kann der Zuverlässigkeitsindex β als der kürzeste Abstand vom Ursprung zur Ausfalllinie definiert werden. Wenn die Grenzgrenzfunktion N Zufallsvariablen im Standardraum hat und nichtlinear ist, sollte sie zunächst mit dem Taylor-Exponenten linearisiert werden; Der Zuverlässigkeitsindex wird dann über FORM berechnet. Bei der Hasofer-und-Lind-Zuverlässigkeitsindexmethode verwendet der Linearisierungspunkt der Grenzzustandsfunktion in der Taylor-Entwicklung den Entwurfspunkt anstelle des Mittelwertpunkts24. Dieser Entwurfspunkt ist zunächst nicht klar und wird durch einen Versuch-und-Irrtum-Prozess erreicht. Die Linearisierung der Grenzzustandsfunktion wird angenähert, wenn alle äquivalenten Funktionen denselben Punkt haben, d. h. den Punkt, der in Gleichung gilt. (5).

wobei \({z}_{i}\) die reduzierte Variable in einem Standard- oder dimensionslosen Format ist und die Notation \({z}_{\mathrm{i}}^{*}\) für den Entwurf verwendet wird Punkte in den reduzierten Koordinaten. Wir beginnen diesen Prozess mit dem Entwurfspunkt, der z* ist. Unter Verwendung von FORM wird zunächst eine partielle Ableitung der Grenzbedingungen für Zufallsvariablen um Designpunkte herum erhalten, wie in Gleichung (1) angegeben. (6) und dann wird eine partielle Ableitungsmatrix gebildet.

wobei G1 bis Gn partielle Ableitungsmatrizen sind, die sich auf N Zufallsvariablen beziehen. Die erste Schätzung des Zuverlässigkeitsindex wird mithilfe von Gl. erhalten. (7).

Zur Bestimmung des nächsten Auslegungspunkts wird die Sensitivitätsmatrix α nach Gl. berechnet. (8).

Anschließend werden die Werte der neuen Designpunkte mithilfe von Gl. ermittelt. (9).

Da diese Werte im Standardraum liegen, übertragen wir sie in den Hauptraum, wie in Gleichung (1) angegeben. (10).

Dabei ist \(\mu_{xi}\) der Wert der Basis-Zufallsvariablen und \(\sigma_{xi}\) die Standardabweichung der Basis-Zufallsvariablen. Für den Designpunkt in den regulären Koordinaten wird die Notation \(x_{i}^{*}\) verwendet. Um diesen Index zu berechnen und die Grundwerte zur Erzielung der gewünschten Konvergenz zu bestimmen, wird die Zuverlässigkeitsmethode wiederholt. In dieser Untersuchung wird die optimale Konvergenz in dem Maße berücksichtigt, in dem die Differenz zwischen den Zuverlässigkeitsindizes und den Grundwerten des Designs, die aus zwei Replikationen erhalten wurden, kleiner oder gleich 0,001 ist. Nach Erhalt der Konvergenzbedingungen wird der Zuverlässigkeitsindex β erreicht. Der dem β entsprechende PoF wird mit Gleichung berechnet. (11).

Bei der Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Plattformen ist es wichtig, eine zeitlich fortschreitende Verschlechterung aufgrund der Schadensakkumulation zu berücksichtigen. Hier sind die Schäden auf die mit der betrieblichen Wellenbelastung verbundenen Be- und Entladungen zurückzuführen. Die Anhäufung von Schäden erhöht das Risiko eines möglichen Ausfalls bei Extremereignissen. In Gl. (12) ist \(P_{{f_{a} }}\) die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit der Struktur; Dabei handelt es sich um die Wahrscheinlichkeit, dass die seitliche Wellenbelastung in einem bestimmten Jahr den Grenzwiderstand der Ummantelung übersteigt. Unter der Annahme, dass ein Jahr unabhängig von einem anderen Jahr ist, kann somit die kumulative Ausfallwahrscheinlichkeit für t Jahre berechnet werden17.

wobei \(P_{{f_{a} }} ({\varvec{k}})\user2{ }\) die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit im Jahr k ist. Obwohl die maximalen jährlichen Sturmereignisse als unabhängig betrachtet werden können, ist die Anhäufung von Schäden an der Struktur und deren Verschlechterung dies nicht. Daher ist die Schätzung von \(P_{f}\) in Gl. (12) ist irgendwie konservativ. Wenn also M die Anzahl der sich gegenseitig ausschließenden Schadenszustände ist, die in der Analyse berücksichtigt werden, kann jeder Schadenszustand durch ein Schadensniveau in einem bestimmten Element oder einer Gruppe von Elementen definiert werden. Dann kann \(P_{{f_{a} }}\) im Jahr t über Gleichung ausgedrückt werden. (13)17.

Dabei ist \(P_{{f_{a,0} }}\) die jährliche bedingte Ausfallwahrscheinlichkeit, sofern kein Schaden vorliegt, und \(P_{{f_{a,i} }}\) die jährliche bedingte Wahrscheinlichkeit des Ausfalls bei gegebenem Schadenszustand i, \(P_{di} ({\varvec{t}})\) ist die Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadenszustands i im Jahr t; und \(P_{md} ({\varvec{t}})\user2{ }\) ist die Wahrscheinlichkeit, dass im Jahr t kein Schaden in der Struktur auftritt, wie in Gleichung gezeigt. (14).

Schließlich wird der jährliche Zuverlässigkeitsindex (\(\beta_{a}\)) über die gesamte Lebensdauer des Entwurfs mithilfe von Gleichung berechnet. (15)17. In Gl. (11) und (15) ist \(\varphi\) die standardmäßige kumulative Verteilungsfunktion.

Wie bereits erwähnt, besteht LCC aus zwei Teilen; die Anfangskosten und Sekundärkosten. Die anfänglichen Kosten für Bau, Betrieb, Reparatur und Wartung werden alle geschätzt47. Diese Posten sollten in den tatsächlichen Kosten enthalten sein. Als Lebenszeit wird in dieser Untersuchung eine Betriebsdauer von 25 Jahren angenommen. Berücksichtigt werden die durch Umweltbelastungen verursachten Schadenskosten; Der LCC wird dann mithilfe von Gl. berechnet. (16).

Dabei sind CAPEX, OPEX und RISKEX die anfänglichen direkten Kosten, die sekundären Kosten über den Betriebszeitraum bzw. die sekundären Kosten aufgrund des Risikos der Offshore-Plattform. Gleichung 17 drückt den CAPEX aus, der aus den Herstellungskosten (\({C}_{m}\)) und dem als a bezeichneten Koeffizienten der Herstellungskosten besteht. CAPEX kann auf der Grundlage der Herstellungskosten geschätzt werden, die aus den Abmessungen der Komponenten der Plattform berechnet werden. Gleichung 15 drückt die direkten Kosten aus, die sich aus Kosten für technische Entwurfsüberarbeitungen und Aktualisierungen (\({C}_{ed}\)), allgemeinen Verwaltungs- und Projektkontrollkosten (\({C}_{ga}\)) und Auftragnehmer zusammensetzen Kosten für Artikel, Ausrüstung und Massenmaterial (\({C}_{cle}\)), Kosten für allgemeinen Service, Lieferantenunterstützung und Dienstleistungen Dritter (\({C}_{gs}),\) Herstellungskosten für den Hof (\({C}_{yf}),\) Mobilisierungs- und Demobilisierungskosten (\({C}_{md}),\) Standortarbeit und Installationsarbeitskosten (\({C}_{sw}) ,\) und Kosten für Vorinbetriebnahme und Leistungstests (\({C}_{pt}).\)

Gleichung 19 drückt die Betriebskosten (OPEX) aus, die sich aus den Kosten für den Ersatz von Verbrauchsmaterialien (\({C}_{re}\)), Korrosionsprüfungen und Lackierkosten (\({C}_{cp}),\) für Maschinenreparaturen zusammensetzen. Kosten für technische Inspektion der Ausrüstung (\({C}_{rti}\)), Kosten für Reparatur und Wartung von Erdölquellen (\({C}_{rpw}\)), Kosten für Hubschrauber (\({C}_{hl }),\) und die Kosten der Floating-Logistik (\({C}_{flo}\)). OPEX kann auf Basis des CAPEX abgeschätzt werden.

In Gl. (16) sollte der Barwertfaktor (Pw) berücksichtigt werden, da OPEX und RISKEX die erwarteten Kosten oder Verluste während der Lebensdauer der Struktur darstellen. LS ist die Lebensdauer der Plattform und b ist der CAPEX-Koeffizient für OPEX48. Beim Entwurf des Struktursystems wird die Wahrscheinlichkeit eines Strukturversagens auf der Grundlage des ausgewählten Wahrscheinlichkeitsmodells geschätzt. RISKEX, das den wirtschaftlichen Verlust der beschädigten Struktur während ihrer Lebensdauer umfasst, wird anhand des jährlichen PoF geschätzt. Der RISKEX wird durch die Multiplikation der Schadenskosten (\({C}_{d}\)), der jährlichen Ausfallwahrscheinlichkeit (\({P}_{{f}_{a}}\)) berechnet \(LS\), und das \({P}_{w}\) gemäß Gl. (20).

Die jährlichen Schadenskosten werden über Gl. geschätzt. (21). Der durch die Umweltbelastungen verursachte Schaden wird durch die Multiplikation (\({C}_{d}\)) und (\({P}_{{f}_{a}}\)) für die vier Schadenszustände11 ermittelt .

wobei \({C}_{{d}_{is}}\) die Schadenskosten für unbedeutende Folgen sind,\({C}_{{d}_{m}}\) die Schadenskosten für geringfügige Folgen sind, \({C}_{{d}_{s}}\) sind die Schadenskosten für erhebliche Folgen, \({C}_{{d}_{sv}}\) sind die Schadenskosten für schwerwiegende Folgen, \({{P}_{{f}_{a}}}_{is}\) ist die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit für unbedeutende Folgen, \({{P}_{{f}_{a}}} _{m}\) ist die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit für geringfügige Folgen,\({{P}_{{f}_{a}}}_{s}\) ist die jährliche Ausfallwahrscheinlichkeit für erhebliche Folgen und \({{P}_{{f}_{a}}}_{sv}\) ist die jährliche Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls mit schwerwiegenden Folgen. Die Beziehungen zwischen strukturellen Leistungen und Schadensniveaus unter dynamischen Belastungen während der 100-jährigen Wiederkehrperiode sind in Tabelle 249 dargestellt.

Hier umfassen die Schadenskosten die Reparaturkosten \({C}_{R}\), den Verlust von Ausrüstung \({C}_{E}\) und den verzögerten Produktionsverlust \({C}_{DP }\), die Kosten der Verletzungen \({C}_{IN}\), der mit Todesfällen verbundene Verlust \({C}_{L}\), die indirekten Verluste \({C}_{IL}\ ) im Zusammenhang mit dem Verlust, der dem Zusammenbruch der Plattform entspricht, einem wirtschaftlichen Verlust aufgrund von Funktionsstörungen sowie einem ökologischen und sozialen Verlust. Jede der folgenden Schadenskostenkomponenten ist eine Funktion in Bezug auf den Schadensindex15. Für verzögerte Produktionsverluste aus Gl. (22).

Dabei ist \({P}_{P}\) der aktuelle Preis des Produkts der Plattformen, \({T}_{R}\) die geschätzte Zeit bis zur Wiederherstellung der normalen Produktion und \({P}_{ R}\) ist die Produktionsrate der Plattform. Hierbei wird angenommen, dass der Gewinn 10 % von \({P}_{P}\) beträgt. Die Verletzungskosten werden anhand von Gl. ermittelt. (23).

Dabei ist \({C}_{1I}\) die Kosten einer Verletzung und \({N}_{I}\) die erwartete Anzahl verletzter Personen. Der mit dem Todesfall verbundene Verlust wird anhand von Gl. (24).

Dabei ist \({C}_{1L}\) der Preis eines verlorenen Lebens und \({N}_{D}\) die erwarteten Todesopfer. Die jährlichen Sekundärkosten werden in der Zukunft, jedoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten, ausgegeben, während die anfänglichen Kosten der Struktur derzeit nicht mit denen der Zukunft vergleichbar sind. Daher sollten die jährlichen Sekundärkosten unter Verwendung eines bestimmten Abzinsungssatzes in den Gegenwert des aktuellen Satzes umgerechnet werden. Der Zinssatz für die Diskontierung ist ein Zinssatz, der die Opportunitätskosten des Geldes eines Anlegers im Laufe der Zeit widerspiegelt; Das bedeutet, dass ein Investor eine Rendite erzielen möchte, die mindestens der Höhe seiner nächstbesten Investition entspricht. Daher stellt der Diskontsatz die für den Anleger akzeptable Mindestrendite dar. Die Kosten für den sekundären Service jedes Modells werden berechnet, indem die Schadenskosten für jedes Jahr der Lebensdauer der Plattform in ihren Nettowert (Pw) umgerechnet und die Gesamtkosten ermittelt werden. Umrechnung der Kosten für 25 Dienstjahre in den aktuellen Wert, ausgedrückt als Koeffizient in Gl. (25). Wenn wir diese Gleichung mit den gesamten Sekundärkosten in einem Jahr multiplizieren, erhalten wir die Sekundärkosten in 25 Jahren. Zur Berechnung des Pw wird der Abzinsungssatz (d) ermittelt. Somit wird durch die Berechnung des Gesamtbarwerts der Sekundärkosten und der Anfangskosten der LCC ermittelt. Schließlich wird die optimale Struktur erreicht, wenn der LCC minimiert wird.

Die Offshore-Plattform in dieser Studie ist eine feste Plattform mit Metallbasis, wie in Abb. 2 dargestellt; Es liegt in der 19. Phase der South-Pars-Gasregion im Persischen Golf. Die Struktur besteht aus zwei Teilen; eine Jacke und ein Deck. Das Jacket besteht aus 4 geneigten Sockeln mit Neigungen von 1:7 und 1:8 und sein Gewicht beträgt 2205,0 T. Hier sind nur die Pfahlelemente über dem Meeresboden enthalten, und es wird davon ausgegangen, dass die Struktur starr am Meeresboden befestigt ist50. Das Gewicht des Decks beträgt 1375,0 T, es handelt sich um ein fünfstöckiges Gebäude und die Höhe jeder Etage beträgt 4,0 m. Die Abmessungen der Decks sind gleich und betragen alle 35,5 × 27,5; der Abstand zwischen den Sockeln auf Basisebene bzw. Arbeitsebene beträgt 13,7 × 24 m23. Die Höhencodes der Mantel- und Deckböden im Vergleich zur niedrigsten astronomischen Flut (LAT) sind in Tabelle 3 angegeben. Abhängig von den Strukturtypen werden Stahlsorten mit unterschiedlichen Streckgrenzen verwendet, die anhand der Dicke des Elements ausgedrückt werden in Tabelle 4. Der Durchmesser und die Dicke der Mantelelemente variieren je nach Art der Basiselemente bzw. horizontalen und vertikalen Aussteifungselemente. Der Durchmesser und die Dicke der Elemente sind in den Tabellen 5 und 6 angegeben. Im Spritzwasserbereich, d. h. zwischen einer Höhe von − 3,20 m und + 4,80 m über LAT, wird ein Korrosionszuschlag von 6 mm für Mantelschenkel, vertikale Diagonalstreben usw. berücksichtigt. Für die Bootsanlegestelle wird jedoch kein Korrosionszuschlag berücksichtigt. Die gleiche Philosophie gilt auch für Binnenstoßstangen. Die dem Korrosionszuschlag entsprechende Dicke wird zur Berechnung der Steifigkeit sowie der Element- und Verbindungsspannungen von der Außenfläche des Rohrs abgezogen. Für die Gewichtsberechnung wird jedoch die Gesamtdicke verwendet, indem die Dichten oder die Querschnittsfläche überschrieben werden.

Das Offshore-Plattformmodell.

Hier werden die Wellenlasten auf der Offshore-Plattform mit dem SACS-Paket51 berechnet, einem FE-basierten Paket, das speziell für die Analyse von Offshore-Plattformen unter konventionellen Belastungen entwickelt wurde. Informationen zu Wellen- und Windeigenschaften sind in Tabelle 7 beschrieben und Meeresströmungseigenschaften sind in Tabelle 8 für eine 100-jährige Wiederkehrperiode aufgeführt. Die 100-jährige maximale Wassertiefe für die In-Place-Analyse wird als LAT-Niveau vom Meeresboden zuzüglich der Werte des mittleren höchsten Hochwassers und einer 100-jährigen Sturmflut angenommen, wie in Tabelle 9 dargestellt. Da Umweltbedingungen wie Gezeiten je nach variieren Abhängig vom Standort des Bauwerks sollten unterschiedliche geografische Richtungen eingeführt werden. Dabei gelten die Schwerkraftbelastungsbedingungen, also Nutz- und Totlasten, und die rauen Umweltbelastungsbedingungen wie Wind, Wellen und Strömung, einschließlich Meereswachstumseffekten, als einflussreiche Belastungen bei der Konstruktion der Offshore-Plattform.

Gemäß API-RP2A wird die Windlast in jede Richtung berechnet, indem die Formkoeffizienten und Änderungen der Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen bestimmt werden. Die Berechnung der Belastung durch die Welle hängt vom Verhältnis der Länge zum Durchmesser eines Teils der Plattform ab. Bei der betrachteten Mantelstruktur verändern die Elemente die einfallende Welle nicht, da das Verhältnis von Wellenlänge zu Durchmesser größer als fünf ist. Auf die Mantelstruktur wirkende Wellenkräfte werden durch die Morison-Gleichung52 berechnet. Die durch das Meereswachstum verursachte Oberflächenrauheit wird bei der Berechnung der Wellenkraft in der Morison-Gleichung berücksichtigt. Bei der Auslegung wird bei den Plattformelementen der Meereswachstumseffekt gemäß Tabelle 10 berücksichtigt. Die Vektorsumme der durch Gezeiten und Sturm verursachten Strömungen ergibt die Gesamtströmung. Die gesamten auf das Element einwirkenden Meereskräfte werden durch Integration des Geschwindigkeitsprofils berechnet. Die Eigenlast ergibt sich aus der Kombination des Eigengewichts des Decks, der Mantelstruktur, der permanenten Ausrüstung auf der Oberseite usw. Die Gewichte verschiedener Strukturkomponenten, die nicht Teil des Strukturmodells sind, werden für jedes Stockwerk separat eingegeben. Das Gesamtgewicht der nicht erzeugten Gegenstände für alle Stockwerke beträgt 300,0 t. Die Gewichte von Bohr- und Produktionsgeräten, das Gewicht chemischer Flüssigkeiten usw. sind Bestandteile der Verkehrslasten. Um den Modellierungsprozess zu vereinfachen, wird davon ausgegangen, dass das Deck im Boden ideal steif ist und die Lasten auf dem Deck konsistent auf der höchsten Ebene des Mantels eingegeben werden. Eine Zusammenfassung der Lasten finden Sie in den Tabellen 11 und 12. Die Entwurfsvariablen in den Modellen sind die Dicke und der Außendurchmesser der Sockel sowie der horizontalen und vertikalen Streben. Die endgültige Last wird aus der Kombination von 100 % Eigenlast, 50 % Nutzlast und den maximalen schweren Umweltbelastungen der Konstruktion mit einer 100-jährigen Wiederkehrperiode in jeder geografischen Richtung von 0° bis 315° separat berechnet.

Bei der Durchführung einer dynamischen Analyse wird zunächst die Gleichung, die die Vibration der Plattform steuert, unter Verwendung von Gleichung geschrieben. (26). In dieser Gleichung ist F(t) die Wellenkraft in Richtung der Wellenbewegung, die aus der Morrison-Gleichung berechnet wird. x ist die Verschiebung des Bauwerks in Richtung der Wellenbewegung und als Funktion der Zeit und der Wassertiefe in der Umgebung des Bauteils. C ist die Dämpfung der Struktur, K ist die Steifigkeit der gesamten Struktur und M ist die Gesamtmasse der Struktur; das Gewicht des Decks und das Gewicht der an der Plattform befestigten Pflanzenorganismen53,54.

Aufgrund der dynamischen und stochastischen Natur von Meereswellen wird die Zeitverlaufsmethode verwendet, um die Reaktion von Wellen vorherzusagen, wobei das dynamische Verhalten der Plattform, basierend auf der Anwendung einer Zufallswelle mit ihren verschiedenen Elementen, als Funktion der Zeit betrachtet wird55. Dabei wird der Zeitverlauf nach dem DNV-Standard56 für eine Aufzeichnung von mindestens 1200 s mit einem Zeitschritt von 0,25 s analysiert. Entsprechend den geografischen Bedingungen des Persischen Golfs und zur Simulation einer Zufallswelle werden Stokes Theorie fünfter Ordnung und das John-Swap-Spektrum verwendet. Abbildung 3 zeigt die Plattform im ersten Vibrationsmodus. Für den ersten und zweiten Vibrationsmodus betragen die Perioden 9,71 s bzw. 8,31 s und die Vibrationsfrequenzen betragen 0,101 (1/s) bzw. 0,119 (1/s).

Der erste Vibrationsmodus der Plattform.

Abbildung 4a,b zeigt die dynamischen Reaktionen der Struktur für die ersten beiden Schwingungsmodi. Wie zu sehen ist, ist der erste Modus der dominierende Modus und kann daher für nachfolgende Analysen verwendet werden.

Dynamische Reaktion der Strukturen im ersten und zweiten Modus.

Das Zuverlässigkeitsproblem umfasst zwei Komponenten. Die erste Komponente ist die Grenzzustandsfunktion, die den Fehlerbereich definiert57. Diese Funktion besteht aus einer oder mehreren Zufallsvariablen. Die zweite Komponente sind die Unsicherheitsvariablen, die durch eine Reihe probabilistischer Verteilungsfunktionen definiert werden und die mit jeder Verteilung verbundenen Parameter bestimmen. Um das Zuverlässigkeitsproblem zu lösen, besteht das Ziel darin, die PoF basierend auf dem Ausfallkriterium zu berechnen. Darüber hinaus wird das Plattformelement als Versagensindex unter der Wechselwirkung der Axialkraft, des Biegemoments in zwei Richtungen, des Elastizitätsmoduls und der Fließspannung berücksichtigt. Erwähnenswert ist, dass bereits der Ausfall einer einzelnen Komponente dazu führen kann, dass das gesamte System nach und nach ausfällt. Zur Ermittlung des Zuverlässigkeitsindex ist zunächst die Angabe der Leistungsfunktion bzw. der Grenzzustandsfunktion erforderlich. Was das gegenseitige Verhalten der Wellen um das Element betrifft, kann das gewünschte Element in einem Moment gedehnt und in einem anderen gestaucht werden. Daher müssen sowohl für Zug- als auch für Druckzustände zwei Leistungsfunktionen einbezogen werden. Es ist auch zu beachten, dass die hier geplante Studie kein Szenario eines fortschreitenden Zusammenbruchs berücksichtigt, bei dem der Verlust eines einzelnen Elements zu einer Reihe aufeinanderfolgender Ausfälle führen kann. Wenn die rohrförmigen Elemente einer kombinierten axialen Spannung und Biegung ausgesetzt sind, kann die Grenzgrenzfunktion für die Elemente über Gleichung berechnet werden. (27)58.

Dabei sind NtRd, MRd und NSd die Axialkraftkapazität im Zugzustand, die Biegekapazität bzw. der Betrag der konstruktiven Axialzugkraft des Bauteils. My,Sd und Mz,Sd sind die Bemessungsbiegemomente um die Y-Achse des Bauteils bzw. das Biegemoment um die Z-Achse des Bauteils. Wenn rohrförmige Elemente einer kombinierten axialen Kompression und Biegung ausgesetzt sind, kann die Grenzgrenzfunktion für die Elemente über Gleichung berechnet werden. (28).

wobei NcRd die Kapazität der Axialkraft im Kompressionszustand ist. Wenn das Plattformelement unter einer Druckaxiallast steht, werden die Auswirkungen der Verformung und der Knickung auf die Leistungsfunktion berücksichtigt. Außerdem ist \(\dot{Cm}\) der Koexistenzkoeffizient des maximalen Moments mit sekundären Momenten und NE die Eulerschen Belastungsmomente. Die beiden vorgestellten Leistungsfunktionen befinden sich im Zustand „sicher“, wenn der Wert g größer als Null ist, und im Zustand „versagen“, wenn dieser Wert kleiner als Null ist. Der Grenzzustand zwischen Ausfall und Sicherheit liegt vor, wenn diese Funktion Null ist. Anschließend werden die statistischen Parameter der Zufallsvariablen angegeben. Dabei werden drei Parameter Durchmesser, Dicke und Länge der Plattformelemente aufgrund der sorgfältigen Überwachung der Konstruktion der Elemente durch Beratungsunternehmen maßgeblich berücksichtigt. aber die Axialkraft, das Biegemoment um die Y- und Z-Achse, der Elastizitätsmodul und die Fließspannung werden als Zufallsvariablen betrachtet59. Um die statistischen Parameter im Zusammenhang mit der Axialkraft und den Biegeankern der Elemente zu bestimmen, wird die Struktur in zufälliger Weise dynamisch in Gegenwart von Wellenkräften analysiert. Zu diesem Zweck wird eine 0,3-stündige Sturmsimulation für die Wasseroberflächenhöhe erstellt, um die statistischen Eigenschaften extremer Meeresbedingungen zu erfassen. Nach der Simulation des unregelmäßigen Meeres und der Erstellung von Oberflächenhöhen werden Zeitverläufe der angewendeten hydrodynamischen Lasten für Elemente in jeder geografischen Richtung von 0° bis 315° separat erstellt. Zeitverläufe der Strukturreaktion werden durch die numerische Zeitbereichsintegration der Bewegungsgleichung durch Anwendung der Zeitverläufe der wirkenden Last erreicht. Zu diesem Zweck wird das Zufallswellenmodul des SACS-Programms verwendet und strukturelle dynamische Reaktionen in jedem 0,25-s-Intervall berechnet, was in den Grafiken dargestellt ist; die geforderten Ausgaben, einschließlich des Zeitverlaufs von \({M}_{y}\), \({M}_{z}\) und \({F}_{X}\), wo sie als zufällig eingeführt werden Variablen für jedes Strukturelement. Zum Beispiel der Zeitverlauf von \({M}_{y}\), \({M}_{z}\) und \({F}_{X}\) für die Elementnummer 6 in geografischer Richtung 180° sind in Abb. 5a–c dargestellt.

Der zeitliche Verlauf der Axialkraft und der Biegemomente über der y- und z-Achse.

Nach der Einführung der Zufallsvariablen sollte die Art der Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion angegeben werden. Um die beste Verteilung für die Zufallsvariablen auszuwählen, werden die Daten zu diesen Variablen mit der Easy-Fit-Software analysiert. Zu diesem Zweck wurden für jede Zufallsvariable drei verschiedene Verteilungsfunktionen ausgewählt: Normal, Log-Normal und Weibull. Nach dem Extrahieren der Datenverteilungsfunktion und des Histogramms wurde ein Chi-Quadrat-Testvergleich durchgeführt und die beste Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgewählt und für jede Zufallsvariable bewertet. Es wurde festgestellt, dass für die Axialkraft und den Biegeanker in Richtung der z-Achse die Weibull-Verteilungsfunktion und der Biegeanker um die y-Achse die Log-Normalverteilungsfunktionen sind. Studien zur Zuverlässigkeitsanalyse einer Struktur zufolge wird die logarithmische Normalverteilungsfunktion für die Streckgrenze von Stahl durch einen Variationskoeffizienten von 10 % mit einem Durchschnitt von 355 MPa bestimmt. Für den Elastizitätsmodul von Stahl wird eine Normalverteilungsfunktion mit einem Variationskoeffizienten von 25 % und einem Durchschnitt von 2 × 105 MPa60 berücksichtigt.

Schließlich werden unter Verwendung von MATLAB und basierend auf den FORM-Methoden die programmierte Zuverlässigkeit und β berechnet, gefolgt vom PoF jedes Elements; hier wird der PoF für jedes Element unter Zug- und Druckbelastung (siehe Gleichungen 27, 28) gemäß Gleichungen bestimmt. (5–11), wobei für jedes Element der Mindestwert als kritischer Zuverlässigkeitsindex gilt. Anschließend wird \({\beta }_{a} \mathrm{and}\) \({P}_{{f}_{a}},\) für jedes Element berechnet und daraus eine Entwurfslebensdauer berechnet Gl. (12–15)17. Hier wurde β zur Bewertung des LCC und damit des PoF verwendet.

Für die LCC-Berechnung werden Annahmen zu verschiedenen Phasen der Entwicklung, des Transports, der Installation, der Wartung, der Montage und der Stilllegungskosten für mehrere Konstruktionen getroffen, wie im Folgenden erläutert. CAPEX ist die Anfangsinvestition und wird für jedes Strukturdesign unter Verwendung von Gl. berechnet. (17) wobei a 1,064 ist. In dieser Studie wird davon ausgegangen, dass die Herstellungskosten 94 % der CAPEX45 betragen.

Die Stahlpreise variieren zufällig zwischen Ländern und geografischen Standorten und hängen von anderen externen Faktoren ab. Der Grundpreis für behandelten S335-Stahl in Marinequalität ist auf 1200 US-Dollar pro Tonne festgelegt. In dieser Studie basieren die Herstellungskosten auf einem Zuschlag von 400 % zu den Materialkosten61. Die Gesamtkosten für den Bau der Plattform setzen sich aus den Kosten für den Basisteil der Plattform (Mantel) plus den Kosten für den oberen Teil der Plattform (Deck) zusammen, wobei die Kosten für den oberen Teil die Kosten für Ausrüstung, Installation, Transport und Inbetriebnahme der Ausrüstung sowie Bau und Installation des Deckskeletts; und die Grundkosten umfassen die Kosten für den Bau und die Installation der Jacket-Struktur sowie die Kosten für den Seeabschnitt. Außerdem betragen die Kosten des Offshore-Bereichs (Versand und Installation) im Durchschnitt 40–45 % der Gesamtkosten für den Bau und die Installation von Jackets. Aufgrund der Unterschiede im Preis von Jacket- oder Deckkonstruktionen, der Qualität der Materialien, der Arbeitsqualität und der Ausführungszeit bei den Offshore-Plattformen verschiedener Unternehmen sind mehrere Unternehmen in der Branche der Herstellung fester Offshore-Plattformen in Gewässern mit einer durchschnittlichen Tiefe von 65 m tätig wurden befragt; Die durchschnittliche Zeit für Bau, Transport, Installation und Inbetriebnahme des Basisteils der Plattform betrug 1095 Tage und die angebotenen Preise lagen nahe beieinander. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 13, 14 und 15 aufgeführt. Um den Preis der Bohrlochkopfausrüstung im Verhältnis zur Produktionskapazität abzuschätzen, werden sie gemäß Tabelle 15 in zwei Kategorien unterteilt. In Tabelle 15 ist eine Million Standardkubikfuß pro Tag (MMSCFD) eine Maßeinheit für Erdgas. Ein MMSCFD entspricht 1180 m3/h.

Tabelle 13 zeigt, dass das durchschnittliche Gewicht des Decks 1375 Tonnen beträgt und die Kosten für Bau, Transport und Installation 20 $/kg betragen. Aus Tabelle 15 lässt sich schließen, dass die durchschnittlichen Kosten für die Ausrüstung unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es sich bei der Plattform um einen guten Produktionstyp mit MMSCFD-Mittelleistung (880–1000) handelt, auf 106 M$ geschätzt werden. Hier werden fünf Modelle von S1–S5 entworfen und benannt. Um die CAPEX-Berechnung für jede Alternative abzuschätzen, werden sie in 6 Kategorien unterteilt, wie in Tabelle 16 angegeben.

Betriebskosten entstehen durch die Durchführung des normalen Geschäftsbetriebs. Die Betriebskosten bestehen aus jährlichen Inspektionen, Reparaturkosten usw. Die Lebensdauerkosten für Reparatur- und Wartungsdienste während eines Plattformbetriebs werden durch Gleichung geschätzt. (19) wobei angenommen wird, dass b 10 % der CAPEX pro Jahr beträgt62. Tabelle 17 zeigt beispielsweise einige Parameter zur Bewertung der Betriebs- und Wartungskosten.

Der RISKEX ist der Ausfallrisikoaufwand aufgrund einer extremen Umweltbelastung. Hier werden die sekundären Risikokosten der Lebenszeit über Gleichung geschätzt. (20). Gemäß der Division der jährlichen Sekundärkosten basierend auf dem Zuverlässigkeitsindex wird der jährliche Verlust nach Gl. berechnet. (21). Da es keinen veröffentlichten Bericht über die Auswirkungen von Öl- oder Gaslecks auf das Ökosystem des Persischen Golfs gibt, werden hier zur Vereinfachung des Berechnungsprozesses die nach dem Ereignis am Golf von Mexiko veröffentlichten Daten herangezogen; siehe Tabelle 18. In Gl. verwendete Parameter. (22), PR = 300 Mio. ft3 Sauergas und 30 Mio. ft3 brennbares Gas pro Tag, TR = 27 Monate, PP = 60.000 USD pro 30 Mio. ft3 Sauergas und 508.889 USD pro ft3 brennbares Gas48. Hier sind die Parameter in den Gleichungen. (23 und 24), ND und N1, beziehen sich auf die Anzahl der Verletzten bzw. Opfer, die auf der Plattform anwesenden Personen sollen 10 Personen betragen15. Der Abzinsungssatz (d) wird in dieser Studie je nach Standort im Iran mit 0,10 angenommen.

Für jeden Tragwerksplan wird der LCC nach Gl. berechnet. (16–25). Daher ist bei der Tragwerksplanung ein Plan akzeptabel, wenn er ein Gleichgewicht zwischen den anfänglichen Kosten und den Kosten möglicher Schäden herstellt.

Mittlerweile sind fünf Modelle entworfen; ein Modell, das auf den Anforderungen der Codes basiert, und die restlichen vier Modelle für mehr als die Anforderungen bis zu einer Steigerung von 20 %. Die Modelle werden als Sx_Wy abgekürzt, wobei x der prozentuale Anstieg und y die maximale dominante Wellenhöhe im Zusammenhang mit der 100-jährigen Wiederkehrperiode ist. Beispielsweise ist das Modell S+10_w12.2 die maximal dominierende Wellenhöhe für den Nordwesten mit einer Höhe von 12,2 m und 10 % Verstärkung aller Mantelelemente über den Anforderungen. Im Folgenden definieren wir die Modelle S0_w12.2, S + 5_W12.2, S + 10_W12.2, S + 15_W12.2 und S + 20_W12.2 jeweils als S1–S5. Die Ergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt.

Die Menge an Stahl, die in jedem Modell verbraucht wird.

Die Strukturelemente sind in Abb. 7 dargestellt. Im Code-basierten Modell sind der Zuverlässigkeitsindex, die vertikalen, horizontalen und Basisaussteifungselemente in allen Richtungen in den Abb. 7 dargestellt. 8, 9 und 10; Es wurde festgestellt, dass der Zuverlässigkeitsindex in nordwestlicher Richtung den niedrigsten Wert aufweist. Daher ist es die kritische Richtung; Der Grund dafür ist, dass die Wellenhöhe in der 180-Grad-Richtung höher ist als in anderen Richtungen. Nun wird die Wahrscheinlichkeit eines Versagens unter den aufgebrachten Lasten und über der kritischen Richtung mithilfe von FORM für die Strukturelemente bestimmt. Wie bereits erwähnt, betrifft der Korrosionsanteil auch die Mantelbeine sowie die vertikalen und diagonalen Streben. Außerdem wird bei der Durchführung der dynamischen Analyse der Meereswachstumseffekt berücksichtigt, der die auf die Struktur ausgeübte Belastung erhöhen kann. Daher wird der untersuchte Fall für jede Phase der Nachrüstung in der kritischen Richtung erneut analysiert, um neue Axialkräfte und Biegemomente zu berücksichtigen. Dementsprechend werden neue statistische Parameter und die Art der Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion neu bewertet. Anschließend werden der Zuverlässigkeitsindex und der PoF für jedes Element berücksichtigt. Der Verstärkungseffekt bei der Reduzierung des PoF über die kritische Richtung ist in den Abbildungen dargestellt. 11, 12, 13, 14 und 15; Die Erhöhung der Verstärkung der Elemente in jedem Modell ist auf den Effekt gleichzeitiger Änderungen der Dicke und des Außendurchmessers des Rohrs zurückzuführen.

Dreidimensionale Ansicht der Jackenelemente.

Zuverlässigkeitsindex von Beinelementen in verschiedenen Richtungen.

Zuverlässigkeitsindex vertikaler Aussteifungselemente in verschiedenen Richtungen.

Zuverlässigkeitsindex horizontaler Aussteifungselemente in verschiedenen Richtungen.

Auswirkung der Verstärkung auf die Reduzierung des PoF der Elemente 1 bis 21.

Auswirkung der Verstärkung auf die Reduzierung des PoF der Elemente 22 bis 42.

Auswirkung der Verstärkung auf die Reduzierung des PoF der Elemente 43 bis 63.

Auswirkung der Verstärkung auf die Reduzierung des PoF der Elemente 64 bis 84.

Auswirkung der Verstärkung auf die Reduzierung des PoF der Elemente 85 bis 104.

Aus Abb. 11, 12, 13, 14 und 15 wird festgestellt, dass im normbasierten Modell die Möglichkeit einer Beschädigung der Horizontal- und Basisaussteifungselemente im Bereich von gering bis mittel liegt. Es ist zu beobachten, dass im Code-basierten Modell der PoF in vertikalen Aussteifungselementen in der Gezeitenzone und in der Nähe des Meeresbodens im Bereich schwerwiegender bis mäßiger Folgen liegt. Allmählich, mit einer Steigerung um bis zu 20 %, ist ein Anstieg des Vertrauensindex und ein Rückgang des PoF zu beobachten. Die obigen Zahlen zeigen, dass einige Elemente einen höheren PoF aufweisen als andere. Es kann argumentiert werden, dass die Elemente in der Nähe der Gelenke aufgrund der Auswirkungen von Stanzschneiden, Axialkraft und Biegemoment zunehmen und wir daher einen höheren PoF erwarten. Es ist auch zu beachten, dass die Verstärkung in Elementen erfolgt, die den Zielzuverlässigkeitsindex überschreiten; Andernfalls besteht keine Notwendigkeit, die Elemente zu verstärken. Um den jährlichen Schaden von S1–S5 zu bestimmen, sollten daher der PoF und der Zuverlässigkeitsindex für jedes Element bestimmt werden. Dazu wird ein Computerprogramm geschrieben, um \({P}_{{f}_{a}}\) und \({\beta }_{a}\) für die Dauer der Dienstzeit zu bestimmen; Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 16, 17, 18 und 19 dargestellt. Wie dargestellt, nimmt der Zuverlässigkeitsindex der Elemente mit zunehmender Betriebszeit ab. Inspektion, Reparatur und Wartung können während der Betriebszeit der Offshore-Plattform durchgeführt werden. Wenn sich der jährliche Zuverlässigkeitsindex für jedes Element dem minimalen jährlichen Zuverlässigkeitsindex (dh 2,32) nähert, können die Reparatur- und Wartungsmaßnahmen nun geplant werden. Die vollständigen Informationen finden Sie im „Anhang A“.

Variation des Zuverlässigkeitsindex von Designmodellen mit der Betriebszeit für Element 19.

Variation des Zuverlässigkeitsindex von Designmodellen mit der Betriebszeit für Element 23.

Variation des Zuverlässigkeitsindex von Designmodellen mit der Betriebszeit für Element 34.

Variation des Zuverlässigkeitsindex von Designmodellen mit der Betriebszeit für Element 50.

Aus Abb. 16, 17, 18 und 19 wird davon ausgegangen, dass der geplante Zeitpunkt für eine Reparatur je nach Element unterschiedlich ist. Es versteht sich auch, dass die Inspektionszeit beim codebasierten Modell kürzer ist als bei anderen Modellen; Doch mit der Zeit und wenn die Elemente bis zu 20 % nachgerüstet werden, steigt der Zuverlässigkeitsindex und der Bedarf an Nachrüstungen nimmt ab. Beispielsweise besteht für Element Nr. 23 Reparaturbedarf für das 1., 3., 7. und 11. Jahr.

Durch die Berechnung des jährlichen Schadens für S1–S5 können wir die Sekundärkosten dieses Modells für ein Jahr der Plattformlebensdauer ermitteln. Wir können sehen, dass die Sekundärkosten sinken, wenn die Verstärkung jedes Modells im Vergleich zum Originalmodell erhöht wird. Die Anzahl der Modelle auf der horizontalen Achse entspricht einem neuen Design, das die Verstärkung der Mantelelemente zeigt. Dieser Schadenswert für 25 Betriebsjahre für jedes Modell ist kumulativ in Abb. 20 dargestellt. Der LCC jedes Strukturmodells wird ermittelt, indem die Sekundär- und Primärkosten für jedes Modell berechnet und die Gesamtlebenskosten in diesen Wert umgerechnet werden. siehe Abb. 21.

Vergleich der aktuellen Kosten von Designmodellschäden über 25 Jahre.

LCC-Analyse der Modelle.

Gemäß Abb. 20 sind in den ersten Jahren die Kosten für Schäden an der Struktur bei allen Modellen deutlich höher als in den letzten Betriebsjahren; Dies kann mit den Kosten des jährlichen Schadens korreliert werden, wobei der Abzinsungssatz dem aktuellen entspricht. Wie in Abb. 21 dargestellt, wird der Bau einer Struktur, die für geringere Belastungen ausgelegt ist, weniger kosten, während die erwarteten Ausfallkosten höher sind; Bei einem leichten Anstieg der Anschaffungskosten sinken die Gesamtkosten im Laufe der Lebensdauer deutlich bis zum Schnittpunkt der beiden anderen Kurven. Daraus lässt sich schließen, dass das auf dem minimalen LCC basierende Design für das S3-Modell optimiert ist.

Es wird beobachtet, dass das S3-Modell mit einem minimierten LCC durch eine 10 %ige Erhöhung der Anfangslasten erhalten wird. Dieses Modell hat einen um 45,7 % geringeren LCC als das codebasierte Modell. Abbildung 22 zeigt das LCC-Verhältnis jedes Modells zum optimalen Modell (dh S3). Abbildung 23 vergleicht die Anfangs- und Sekundärkosten der Modelle S1 und S3 separat.

LCC-Verhältnis jedes Modells zum optimalen Modell.

Primäre und sekundäre Kosten über die gesamte Lebensdauer der S1- und S3-Modelle.

Nun werden die Rate der Kostensenkung und der Anstieg des verbrauchten Stahls für jedes Modell verglichen. Wie in Abb. 24 dargestellt, beträgt die prozentuale Reduzierung des LCC des S5-Modells etwa 44,7 %; Bei einer Erhöhung der Bewehrung der Elemente um mehr als den definierten Betrag von bis zu 10 % weist das optimale Modell jedoch eine geringere prozentuale Reduzierung auf, nämlich 45,7 %, im Vergleich zum Originalmodell.

Vergleich der prozentualen Reduzierung des LCC des optimalen Modells mit anderen Modellen.

Außerdem beträgt der prozentuale Anstieg des Stahlverbrauchs der Abschnitte in S3 im Vergleich zu S1 13,56 %, und der prozentuale Anstieg des Stahlverbrauchs von S2, S4 und S5 beträgt 6,49 %, 21,37 % bzw. 30,0 %. Der Grund für den zusätzlichen Stahlanteil in den Elementen liegt darin, dass gleichzeitig die Dicke und der Durchmesser zunehmen. Abbildung 25a zeigt den prozentualen Anstieg des Stahlverbrauchs und Abbildung 25b zeigt den prozentualen Anstieg der Kosten des Stahlverbrauchs; Dies zeigt, dass der prozentuale Anstieg der Stahlkosten in S3 5 % beträgt und die Steigerungsrate der Stahlkosten in S2, S4 und S5 1,51 %, 7,1 % bzw. 11,68 % beträgt.

Vergleich der Modelle hinsichtlich ihrer Kostensteigerung und ihres Stahlverbrauchs.

In diesem Abschnitt wird die Lösung der optimalen Entwurfsparameter vorgestellt, die in der definierten Fallstudie minimale LCCs ergeben. Modifizierte Abschnitte für die feste Offshore-Plattformstruktur für S1 und S3 basierend auf den Änderungen im Zuverlässigkeitsindex sind in Tabelle 19 aufgeführt.

Offshore-Plattformen sind wichtige Infrastrukturen, bei denen jede Störung während der gesamten Nutzungsdauer den Beteiligten erhebliche Kosten verursachen kann. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, ihr Lebensverhalten aus verschiedenen Perspektiven zu überwachen. Während sich bisher viele Studien mit den Lebenszeitkosten von Offshore-Plattformen oder deren Belastungszuverlässigkeit befassten, gibt es seltene Studien, die einen probabilistischen Ansatz zur Analyse der Lebenszykluskosten (LCC) dieser Strukturen verwendeten. Diesem Anliegen wurde in der aktuellen Studie Rechnung getragen.

Eine feste Offshore-Plattform wurde in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Standards API-RP2A-WSD, DNV und NORSOK entworfen. Es wurden Felduntersuchungen im Zusammenhang mit der Plattform im Persischen Golf in einer Tiefe von 65 m durchgeführt. Es wurden die Umweltbelastungen mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren verwendet und eine zeitliche dynamische Analyse durchgeführt. Als Versagensindex wurden Mantelelemente unter Axialkrafteinwirkung und Biegeanker in zwei Richtungen berücksichtigt. Insgesamt wurden fünf Modelle basierend auf den gleichen Wellenlasten und über eine kritische Richtung entworfen; Ein Modell wurde auf der Grundlage der Anforderungen des Codes entworfen, die übrigen wurden für eine Steigerung der Anforderungen um bis zu 20 % entworfen. Das optimale Modell basierend auf dem minimalen LCC wurde bestimmt, indem die Verstärkung der Elemente jedes Modells in der kritischen Richtung durch das Zuverlässigkeitsmodell erster Ordnung (FORM) geändert wurde. Das Kriterium für die Bestimmung des Schadens an den Elementen jedes Modells war seine Einstufung in jede Fehlerebene gemäß dem Bereich des Zuverlässigkeitsindex. Abschließend wurde eine Methode zur Bestimmung der optimalen Designparameter basierend auf dem minimalen LCC vorgeschlagen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt.

Das gemäß den Vorschriften der Vorschriften entworfene Modell war über die gesamte Lebensdauer nicht kosteneffektiv. Um das optimale Design zu erreichen, war es notwendig, die Verstärkung der Mantelelemente mithilfe eines Koeffizienten zu ändern. Die Ergebnisse zeigten, dass dieser Koeffizient größer als eins ist.

Das optimale Modell wurde durch eine Erhöhung der Bewehrung im Hinblick auf den Außendurchmesser und die Dicke der Elemente um bis zu 10 % über die normbasierten Beträge hinaus erzielt.

Die Rate der LCC-Reduktion im optimalen Modell im Vergleich zum codebasierten Modell betrug 45,7 %; während die Steigerungsrate der Anschaffungskosten für das optimale Modell 5 % betrug und die Steigerungsrate des Stahlverbrauchs etwa 13,56 % betrug.

Mit einer Erhöhung der Bewehrung der Elemente über das erforderliche hinaus nahm der LCC allmählich ab. Das LCC-Verhältnis im codebasierten Modell zum optimalen Modell wurde mit 1,84 % berechnet.

Der auf Wahrscheinlichkeiten basierende Ansatz für die aktuelle Studie zeigt, dass die erste Inspektion für jedes Element von einem zum anderen unterschiedlich ist. Man kann sagen, dass die Notwendigkeit einer Inspektion für Elemente, deren Zuverlässigkeitsindex näher am jährlichen Zuverlässigkeitsindex liegt, ab dem ersten Jahr beginnt; Je mehr Zeit vergeht und die Elemente nachgerüstet werden, desto geringer wird dieser Bedarf. Dabei ist auch zu beachten, dass es sich bei der hier vorgestellten Arbeit nicht um ein Szenario handelt, bei dem es zu einer Verschlechterung der Festigkeit der Verbindungen und zu Ermüdungserscheinungen aufgrund von Stoßbelastungen kommt. Das in dieser Studie vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung der optimalen Entwurfsparameter und Zuverlässigkeit wäre sinnvoll und auf die Entwicklung einer Offshore-Plattform bereits in der Konzeptionsphase anwendbar.

Die Daten sind auf begründete Anfrage und mit Genehmigung von http://library.aut.ac.ir bei den Autoren erhältlich. Bitte kontaktieren Sie [email protected].

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Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, Amirkabir University of Technology, 424 Hafez Street, Teheran, Iran

Mehdi Hajinezhadian & Behrouz Behnam

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Die hier eingereichte Arbeit basiert auf einem M.Sc. Die Arbeit wurde von Herrn MH unter meiner Aufsicht „Dr. BB“ verfasst. Der Haupttext wurde von MH verfasst und von mir selbst überprüft.

Korrespondenz mit Behrouz Behnam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hajinezhadian, M., Behnam, B. Ein probabilistischer Ansatz für die Lebensdauerplanung von Offshore-Plattformen. Sci Rep 13, 7101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34362-x

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Eingegangen: 20. Januar 2023

Angenommen: 28. April 2023

Veröffentlicht: 02. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34362-x

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