滩海油气开发灾害评估软件系统的设计与实现
摘 要：
滩海石油开发灾害评估软件系统采用面向对象思想开发的32 位Windows 应用程序。该系统以近十余年来国内外海洋结构物灾害分析及其安全评价领域所取得的研究成果为基础，可对滩海石油装备在波流、海冰、冲刷、碰撞、地震、爆炸、火灾等灾害作用下进行安全评估。本文介绍了OPDAS 系统的开发背景，总体结构和功能。该系统的实际应用不仅提高了滩海油气开发灾害评估的效率，而且减少了因灾害发生的可能所带来的各种不必要损失，其工程应用前景广阔。
关键词：滩海油田油气开发 灾害 安全评估
1．引言
我国有着漫长的海岸线、广阔的大陆架，海洋石油资源丰富，已在渤海等海域发现了多个很有开发价值的大型油气田。滩海海域蕴藏着丰富的油气资源，目前已形成了一定的生产规模，发展前景十分良好。但随着滩海油气田开发力度的不断加大，灾害事故已成为困扰滩海油气开发的一个极为重要问题。由于滩海油气开发作业环境极端恶劣，作业空间狭小，作业设备非常集中，一旦发生灾害事故，会造成及其严重的后果，并易引起连锁事故的发生，且救援工作的开展非常艰难，常常会出现人员伤亡惨重，设备财产损失巨大的局面。因此，安全问题便成为滩海油气开发的突出问题。只有对滩海油气田开发可能遇到的各种灾害进行合理的评估，才能尽可能避免事故发生，从而确保滩海油气开发正常进行。但是，对于灾害进行评估的方法和评估原则也比较繁多，为了便于技术人员操作，有必要开发滩海石油开发灾害评估软件系统((Offshore Platform Disaster Assessment System, 简称为OPDAS)，本文就对OPDAS 的开发和功能做较为详细的介绍。
2 系统设计
2.1 系统结构
滩海石油开发灾害评估系统(OPDAS)是应用Borland公司的C++Builder 6.0可视化集成系统开发的32位Windows应用程序，可以应用于对滩海石油装备在波流、海冰、冲刷、碰撞、地震、爆炸、火灾灾害作用下的安全评估。系统以近十余年来国内外海洋结构物灾害分析及其安全可靠性评价这一领域所取得的研究成果为基础，系统功能齐全，用户界面友好，使用方便。滩海油气开发灾害评估系统运行图如图1所示：
2.2 功能设计
OPDAS系统建立在安全评估整体要求的开发的环境下，并方便用户操作易于进行，具体的功能包括：
(1) 以窗口界面技术为基础的人机交互式前处理系统；
(2) 平台 (含损伤构件) 结构文件智能生成；
(3) 以平台结构数据和灾害评估参数为基础生成平台结构有限元分析计算程序；
(4) 对平台结构遭受波流、海冰、地震、火灾等灾害作用进行安全性评估；
(5) 灾害评估结论报表辅助生成；
(6) 辅助制订平台灾害评估方案和灾害预防方案。
3 系统开发与实现
3.1 面向对象的系统开发策略
OPDAS系统设计采用面向对象的方法[1]，系统开发包括面向对象分析、面向对象设计、面向对象的实现三个阶段。首先抽取平台对象实体，分析、明确这些平台对象实体的静态数据属性和动态操作属性以及他们之间的相互关系，形成平台结构模型，设计类的属性和类间相互关系。
系统中定义了平台结构类，其中包含节点、单元、材料、实常数、约束等，还提供从数据库、数据文件导入平台结构数据，以及从类生成平台结构数据库、结构文件的方法。代码实现如下：
class Platform{private:
DynamicArray<Node> N; //平台节点
DynamicArray<Element> E; //平台单元
DynamicArray<RealConstant> R; //单元实常数
DynamicArray<ElementType> ET; // 材料类型
DynamicArray<MaterialProperty> MP; //材料属性
DynamicArray<ConstantMaterialProperty> UIMP; //材料实常数
DynamicArray<DOF> DOF; //
约束public:
GetDatefromDB(AnsiString DatabaseName); // 从数据库导入数据
GetDatefromFile(AnsiString FileName); //从数据文件导入数据
CreateDB(AnsiString DatabaseName); //生成平台结构数据库
CreateFile(AnsiString FileName); //生成平台结构数据文件
protected:};
其中包含Node、 Element、 RealConstant 、ElementType 、MaterialProperty类的动态数组，动态数组的大小根据对象的属性确定，例如其中结点类的定义如下：
class Node{private:
int ID; //结点编号
double x; //x坐标
double y; //y坐标
double z; //z坐标
public:
double xForce; //x方向作用力
double yForce; //y方向作用力
double zForce; //z方向作用力
double THXY ; // z方向作用力矩
double THYZ ; // x方向作用力矩.
double THZX ; // y方向作用力矩.
protected:
};
海洋平台在服役过程中，由于生产活动中意外事件(船只靠泊碰撞，重物坠落碰撞等)和环境腐蚀，其构件要受到各种影响，如腐蚀、裂纹、凹陷(失直)、海生物附着、桩基冲刷等。
本系统以平台构件的均匀腐蚀、局部腐蚀、凹痕及变形组合(碰弯)和裂纹损伤理论分析为依据，采用等效刚度矩阵法代替损伤单元，对平台结构类的基础修正。得到新的含损伤杆件平台结构类。
3.2 灾害评估方法的选取
OPDAS系统提供三种灾害评估方法：结构可靠度方法，确定性方法，风险评估方法，用户可根据评估的需要选择不同的方法。
(1) 结构可靠度方法已经发展起来的PNET法、分支界限法和各种数值模拟的方法还很难完全适用于海洋平台结构的体系可靠度分析和计算。Sigurdsson等[2]采用结构基底剪力或基底倾覆力矩表示将海洋平台结构体系的功能函数可表达为：
Z = QRS QSS (1)式中，QRS 由结构极限分析得到相应的极限基底剪力，即结构的体系抗力；QSS 由海洋环境载荷分析得到相应环境载荷产生的基底剪力，即载荷效应。
采用随机抽样法并结合QRS 和SSi Q的样本，统计其概率分布函数和概率密度函数，以及它们的载荷效应QS 。于是，体系的极限状态方程为：
式中， n 是随机环境载荷的个数。
采用JC法，可以计算海洋平台结构体系的可靠性指标β S 和相应的失效概率PfS 。
(2) 确定性方法OPDAS采用基于极限承载力分析的结构整体安全评定系统结构的安全性，Lalani和Shuttleworth采用储备强度和剩余强度原理研究了海洋平台结构服役的安全性[3]。储备强度给出了超过设计载荷时结构的承受能力，它最终取决于结构中各杆件和节点的性能以及它们的组合情况。剩余强度是结构承受损伤或缺陷能力的一种度量，主要由结构当前损伤或缺陷状况、结构冗余度、构件利用率和构件的重要性等决定。
海洋平台结构体系的储备强度系数可按下式计算：
式中， d F 和u F 分别是结构设计载荷下和极限载荷下的基底剪力或倾覆力矩。
剩余强度系数可按下式计算：
式中，下标r 和o 表示结构有损状态和完好状态的相应量。
作为当前结构安全水平参考的剩余储备强度系数可表示为：
sr s r ur d R = R R = F F (5)通常要求该系数大于1.5。
(3) 风险评估方法OPDAS对于系统总体的风险评估综合了事故的原因分析和后果分析的结果。一般来说应当建立起对系统风险损失的概率描述[ 4]。
Pate Cornell给出的系统风险：
其中：lossk 为系统第k阶水平的损失；ini 为第i个事件项； fistm 为第m个底事件；概率p(fistm| ini)是事件/故障树的分析结果，表示初始事件的发生、发展及发生失效对元件的影响；概率p(lossk| fistm)与系统中最终的人员和财产损失相关。
3.3 系统模块组成
滩海油气开发灾害评估软件系统(OPDAS)是采用Borland公司可视化应用程序开发环境C Builder开发的32位的Windows应用程序，系统以滩海油气开发结构数据库、灾害数据库为基础，以滩海油气开发灾害评估模型为依据，已初步形成集灾害分析、灾害评估、灾害预防为一体的综合系统，系统主要包括四个模块：OPDAS 数据管理模块、灾害分析评估文件自动生成模块、灾害安全评估模块、以及OPDAS辅助功能模块。
(1)OPDAS 数据管理模块模块。综合管理滩海石油开发灾害评估工作中的各类数据，包括结构参数、灾害参数、各种计算分析数据、安全评估结果以及平台、项目信息管理。并提供方便的数据维护功能：与Windows 其它各类软件数据传递方便、具有与国际通用海洋结构分析软件的数据接口、图形显示平台结构、文本与图形交互查询等实用功能。
(2)灾害评估文件自动生成模块。是系统的核心之一，由程序根据结构参数、灾害类别、评估方法自动生成分析评估文件，主要包括：平台结构文件、灾害作用下的整体性安全分析文件、灾害经济损失评估文件、灾害风险评估文件等。
(3)灾害安全评估模块。将调用系统生成自动生成的文件，调用第三方软件(ANSYS有限元分析系统、工程计算软件Matlab)进行分析计算，进行各种分析、计算、评估，得到评估结论。
(4)OPDAS的辅助工具功能模块。主要包括：评估报告生成、灾害评估案例浏览、灾害预防推荐方案等。
4 结束语
OPDAS的开发，以近十余年来国内外在滩海石油开发灾害评估这一领域的研究为基础，并充分反映课题组在滩海油气开发灾害评估方面所取得的研成究果。一方面，考虑了程序的先进性，引入OPDAS数据库、灾害风险评价这类新内容；另一方面，注重工程实用性，使程序能够满足各种类型平台的要求，从而有助于实现滩海油气开发灾害评估数字化、规范化。软件系统的总体水平力求达到国内先进水平。
OPDAS 系统为滩海油气开发灾害评估提供了一个强有力的计算机辅助工具，系统性能稳定、功能齐全、操作方便、用户界面友好，具有良好的工程应用前景。同时，这套软件的开发，对其他行业的灾害评估也有很好的借鉴意义。
