台风条件下深水系泊平台-立管耦合系统的韧性评估方法

《Ocean Engineering》：Resilience assessment method for deepwater moored platform-riser coupling system under typhoon conditions

　　

• 基于半潜式平台、系泊系统和脐带管系统之间的耦合关系与复杂约束，以断裂强度、临界拖曳力和临界弯矩作为失效准则，建立了动态灾难分析模型。• 提出了一种基于力学模型驱动的深水系泊平台-脐带管耦合系统韧性评估方法和流程。根据灾难过程的不同阶段，建立了韧性评估指标体系。• 南海某平台的案例研究表明，耦合系统的综合韧性随台风入射角的增大而降低，恢复韧性是制约整体韧性水平的主要瓶颈。引言尽管南海蕴藏着丰富的深水油气资源，但频繁遭受台风等严重环境事件的侵袭。作为海底油气开采活动中的关键组成部分，深水脐带管系统通常被称为钻井作业的"咽喉"（Hu等，2026a，2026b）。它与半潜式平台和系泊系统共同构成了深水系泊平台脐带管耦合系统。在台风冲击下，此类耦合系统极有可能发生灾难性事件，其中某些构件的失效会严重损害其余构件的完整性。历史上，系泊缆绳断裂、脐带管断裂、井口损坏甚至台风引发的平台失稳等重大事故频繁发生，造成了巨大的经济损失、生产中断和生态环境风险（Qiu等，2024a，2024b；Li等，2026；Chang等，2026）。因此，准确表征台风作用下耦合系统的灾难演化规律，并建立量化的安全评估方法，是保障深水油气开发安全的关键科学问题。在强台风力作用下，半潜式平台的系泊系统可能发生局部断裂，进而导致其无法正常运行。Chuang等（2020，2021）和He等（2025）通过数值模拟研究了系泊系统发生局部断裂后半潜式平台的动力运动行为以及完好系泊缆绳的张力分布规律。他们建议重点关注断裂缆绳邻近缆绳的张力，以避免逐步失效。根据Wang等（2021a）、Zhao等（2023）和Chandrasekaran等（2020，2021）的研究，半潜式平台的漂移轨迹和运动幅值受失效系泊缆绳数量和位置的强烈影响。此外，断裂发生后，taut型系泊系统的平台运动响应比悬链线型更为剧烈。Zhang等（2025）和Guo等（2026）的研究表明，环境载荷的方位对平台运动有重要影响，且在局部系泊系统失效后，海流速度对半潜式平台的运动有强烈影响。Que等（2025）提出了一种新型主次系泊系统概念，当迎风侧系泊缆绳断裂时，该系统表现出优异的守位能力，能够在复杂海况下快速适应系泊失效。综述研究表明，系泊缆绳断裂会加剧半潜式平台的动力运动。研究人员建立了平台-脐带管耦合动力学模型，研究了半潜式平台的漂移预警限值，确定了极限漂移距离，从而为系泊脐带管系统的安全预警提供了基础依据（Liu等，2016；Han等，2021；Zhen等，2023）。如果平台相对于井口的偏移量过大且未采取应急措施，脐带管系统可能发生断裂失效。因此，当平台持续漂移使脐带管处于危险状态时，通常会在脐带管底部进行应急脱离。Wang等（2019，2020，2021b，2022）建立了一个集张紧器、脐带管和钻井泥浆排放于一体的防回弹动力学模型。他们考察了脐带管与泥浆排放之间的相互作用，揭示了选择合适的脱离时机能显著减轻脱离后脐带管的回弹响应。Liu等（2021，2022）设计了两种防回弹策略：一种基于最优控制理论，另一种是基于模糊控制理论的智能策略。这些策略成功地缓解了系泊脐带管系统的回弹行为。一旦发生应急脱离，脐带管处于悬挂状态，必须承受严重的环境载荷。Li等（2025，2026）提出了一种新型脐带管悬挂系统，并进行了非线性耦合动力特性分析，显著改善了悬挂状态下脐带管系统的动力响应。此外，为新型脐带管悬挂系统构建了由力学和数据驱动的风险评估模型，为提升悬挂状态下脐带管的安全性提供了可靠基础。先前的研究仅集中在系泊平台和脐带管系统在局部失效后的动力行为上，未能捕捉耦合系统抵抗、吸收和适应极端台风条件的能力，也未能描绘从故障发生到功能恢复的全过程。韧性理论不仅关注系统抵抗和吸收极端灾害的能力，还关注其在故障后的自适应调节和快速恢复能力，这能更全面地表征复杂工程系统固有的安全裕度和持续运行能力。迄今为止，这一概念已在土木工程、交通和电力网络等多个领域得到广泛应用（Xiao等，2022；Kandaperumal等，2022；Sankovic等，2023；Modaberi等，2023；Artime等，2024）。近年来，韧性评估已成为评估海洋浮动结构综合安全性的有前景的范式。一些研究人员在应急响应背景下开发了动态韧性建模框架，为海洋平台的韧性分析提供了跨学科参考（Yan等，2026）。与传统可靠性或鲁棒性分析不同，韧性强调从扰动到恢复的完整动态过程，涵盖吸收、适应和恢复能力。Wu等（2022，2023a，2023b）为系泊失效情景下的张力腿平台开发了概率多层级鲁棒性评估框架。他们提出了适用于系泊失效情形下张力腿平台的马尔可夫韧性评估框架，并通过相关性规划不确定性分析和蒙特卡洛模拟，建立了系泊失效事故的概率恢复模型，明确纳入了恢复措施中固有的不确定性因素。此外，Wu等（2024）提出了多维韧性评估框架，包含三个关键指标：鲁棒韧性指数（ROI）、恢复韧性指数（REI）和功能表现指数（FPI），分别用于评估系统的技术、组织和经济能力。Yu等（2024a，2024b）提出了一种基于可靠性的系泊系统在失效条件下的韧性评估方法。他们通过系统性能曲线和可靠性分析推导韧性指标，并能够同时考虑气候变化和系泊链腐蚀的影响。他们提出了一种定量的FRAM（功能共振分析方法）来评估浮式生产储卸油平台泄漏事件的应急响应韧性，并构建了涵盖功能、能力和系统三个层级的韧性评估框架（Yu等，2026a）。此外，Yu等，2026b，Yu等，2026a进一步开发了适用于受系泊失效影响的浮动平台主动控制的韧性评估框架。通过集成由强化学习驱动的自适应优化方法，他们旨在提升失效后的恢复性能。除浮动平台外，韧性概念也已应用于其他海洋能源系统。Hu等（2021）基于基础设施韧性建模语言（IRML），提出了一种考虑天气相关风险的海上液化天然气卸货系统动态韧性评估框架。Wu和Soares（2026）构建了适用于正常运行和极端扰动下海上风电场的多维韧性建模框架，集成了技术、组织、功能和经济等多种因素。尽管取得了这些进展，现有大多数研究仍然仅关注平台单独的鲁棒性量化或韧性评估，未考虑系泊系统、脐带管系统与海底井口之间的耦合交互作用。此外，在韧性评估背景下，从初始系泊失效到后续井口破裂再到系统级退化的灾难演化过程尚未被系统描绘。因此，仍然缺乏一个能够明确考虑平台、系泊、脐带管和井口之间耦合关系，并全面捕捉台风条件下整个故障链条的综合韧性评估框架。本文从多体耦合动力学与系统韧性的交叉视角开展研究。首先，建立精细化的多场耦合动力学模型，定义多模态失效准则。在此基础上，为深水系泊平台-脐带管耦合系统构建动态灾难模型。其次，开发分层定量的韧性评估指标体系，并提出基于CRITIC法的客观赋权和综合韧性计算方法。最后，以南海某代表性平台为案例，考察不同台风入射角下系统的韧性演化，并识别主要限制因素。本研究旨在为受台风灾害影响的深水平台安全设计和应急响应决策提供理论基础。本文其余部分结构如下：第2节概述耦合系统韧性评估的整体方法框架，详细的技术开发分别在第3节"深水系泊平台-脐带管耦合系统的动态灾难模型"、第4节"深水系泊平台-脐带管耦合系统的韧性评估指标体系"和第5节"韧性评估方法"中阐述。第3节构建耦合系统的动态灾难模型。第4节建立耦合系统的韧性评估指标体系。第5节提出韧性指标的赋权和计算流程。最后得出结论。方法概述如图1所示，深水系泊平台-脐带管耦合系统主要由五个组成部分构成：半潜式平台、系泊系统、脐带管系统、海底井口和浅井筒系统。系泊系统通过导缆器在顶部与平台连接，底部通过锚固定在海底土体中，从而提供恢复力和运营稳定性约束。脐带管系统包括伸缩节、张紧器、上部……深水系泊平台-脐带管耦合系统的动态灾难模型本节依次进行半潜式平台、系泊系统和脐带管系统的动力学建模。讨论系统的各种可能失效模式和动态灾难场景。各构件的失效准则以系泊缆绳断裂强度、锚的临界拖曳力、海底井口临界弯矩以及脐带管和套管屈服强度来表征。对于深水系泊……深水系泊平台-脐带管耦合系统的韧性评估指标体系在极端台风载荷下，深水系泊平台-脐带管耦合系统的灾难过程呈现出明显的阶段性特征。为科学地表征系统性能从抗冲击到修复和恢复的演化过程，本节基于韧性工程理论，构建了适用于耦合系统的韧性评估指标体系。韧性评估指标赋权为确定不同指标的重要性，需要对其进行赋权。通常，赋权方法可分为三类：主观赋权法、客观赋权法和综合赋权法。与主观赋权法相比，客观赋权法更加科学准确，因为它们依赖数据和事实信息来评定各指标的重要性。CRITIC法是一种典型的……基本参数为验证所提出韧性评估指标体系的可行性和适用性，在台风条件下对南海某深水系泊平台-脐带管耦合系统进行韧性评估。

耦合系统的结构参数、海洋环境参数、失效准则和系泊布置分别列于表1、表2、表3和图7。验证为了确保所提出的动态模型的可靠性和准确性，……结论（1）通过考虑半潜式平台、系泊系统和立管系统之间的耦合关系及复杂约束，建立了台风工况下深水系泊平台-立管耦合系统的动态模型。以断裂强度、临界拖拽力和临界弯矩作为失效准则，构建了耦合系统的动态灾难模型，随后提出了动态灾难分析方法与流程。局限性与未来工作尽管本研究为深水系泊平台-立管耦合系统提供了系统的韧性评估框架，但仍需承认若干局限性。首先，本研究采用的韧性指标是基于代表性和适用性原则选取的，综合考虑了各种海洋环境载荷和台风作用角度。然而，当前指标体系可能无法穷尽所有可能的运营场景。贡献声明：胡晓宇：方法论。刘秀全：方法论。单恩光：论文撰写（初稿）。李艳伟：方法论。Sui Le：论文撰写（初稿）。邱娜：验证。刘祥智：验证。常远江：数据管理。陈国明：数据管理。资助声明：本工作得到中海油综合研究项目（KJGJ-2023-0002）、国家自然科学基金（批准号：52271300，52071337）、国家重大科技专项（批准号：2025ZD1403201–02）、泰山学者项目（编号：tsqn202408100）以及山东省自然科学基金（ZR2025QC616）的支持。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。胡晓宇 | 刘秀全 | 单恩光 | 李艳伟 | Sui Le | 邱娜 | 刘祥智 | 常远江 | 陈国明