海底管道是海上油气资源开发的重要组成部分,同样也是海洋油气开发工程中的薄弱环节。由于恶劣的海洋服役环境,海底管道在长期运营过程中不可避免受到各种风险影响,导致其运行安全性逐渐下降,严重时甚至发生泄漏、断裂等失效事故。因此,运营期海底管道的安全管理问题一直是海底管道工程的关键问题之一。因此,本文针对运营期海底管道的安全管理问题,结合运营期海底管道自身结构及服役特点,围绕其安全管理过程的核心环节,对运营期海底管道的实时状态检测与识别、腐蚀状态识别与可靠性评估、动态风险评估以及检修维护策略优化三个方面进行了研究,以进一步完善海底管道安全管理技术体系,为实际工程的安全管理及应用提供科学依据。本文主要研究内容及成果归纳如下:(1)运营期海底管道在位状态检测方法。复杂多变的海洋服役环境导致海底管道在位状态频繁改变,使运营期海底管道的安全状态呈现极大的随机性和不确定性,给其安全管理带来诸多不利,而海底管道运行状态检测与识别是对其实施安全管理的关键和基础。针对传统检测与识别方法的不足,本文基于声学探测原理,采用侧扫声呐系统(SSS)、多波束系统(MBS)及浅层剖面仪(SBP)对运营期的海底管道运行状态进行检测,通过分析系统参数对检测结果的影响,对其进行优化分析,并提出改进方法,提高了检测效率及检测结果可靠度;进一步结合各检测方法的特点,采用SSS-MBS-SBP联合检测方法对海底管道状态进行全面检测,并通过现场试验验证了该方法的可行性和系统参数优化设计的有效性,得到了海底管道多源检测信息,构成海底管道完整的三维信息。(2)运营期海底管道在位状态识别及维护。基于SSS、MBS、SBP的海底管道检测结果以2D声图及测深数据的形式进行表达,该表达方式效率低下且不直观,不利于管道状态的识别及检测结果的综合管理。本文在获取海底管道多源检测数据的基础上,结合图像分析与3D模型重构技术,对管道多源检测信息进行融合处理,识别并提取管道特征及其空间坐标,构建海底管道3D模型,实现了检测结果的3D可视化精细表达;并进一步利用该3D模型,结合海底管道结构安全分析,以管道形态参数为控制参量对其安全状态进行量化评估,基于评估结果对管道进行风险识别及预警,提出了基于状态检测的运营期海底管道检测维护方法。(3)海底管道腐蚀损伤动态预测及安全评估。针对海底管道安全评估过程中管道腐蚀损伤的随机性、多态性以及既有腐蚀模型的不确定性问题,收集整理了多条老龄海底管道腐蚀损伤数据,基于该实测数据对海底管道腐蚀状态演化规律进行统计分析,确定出海底管道腐蚀损伤的最佳分布模型,建立海底管道多重分布腐蚀损伤随机过程模型,降低了腐蚀模型选择的不确定性;进一步提出结合ARIMA时序模型对该腐蚀模型参数进行持续修正的方法,降低了模型参数的不确定性,并利用该模型对海底管道腐蚀状态进行识别及预测,对结构可靠度及寿命进行了评估分析。(4)腐蚀海底管道的动态可靠性评估。实际工程中,海底管道腐蚀检测难度较大且费用较高,导致可用于结构安全评估的检测数据样本十分有限。针对这种非完整信息下结构可靠性评估问题,在多重分布腐蚀损伤模型基础上,采用Bayes信息更新方法,通过不断向该模型融入新的检测信息,构建了模型参数的动态更新方法,降低了模型选择及其参数估计的不确定性;并考虑腐蚀引起管道结构多失效模式特性,结合该模型及Bayes信息更新方法对海底管道剩余强度退化过程进行预测,进一步利用结构体系可靠度分析理论及Copula理论的相关性分析,建立了腐蚀管道多失效模式相关的可靠度评估模型,实现了非完备信息下的海底管道结构的动态可靠性评估与预测。(5)海底管道系统的动态风险评估。海底管道系统规模较为庞大,服役周期长且服役环境恶劣,其失效风险呈现出较强的动态性,失效模式呈现出复杂多样性,不利于海底管道的风险评估。本文通过海底管道风险识别、典型失效模式分析以及系统安全屏障分析,综合考虑了运营期海底管道多种典型失效模式特点及风险因素动态特征,包括管道静强度屈服失效、腐蚀穿孔、爆裂、应力腐蚀开裂及疲劳腐蚀失效,结合传统蝶形图(BT)模型建立了海底管道失效事故过程的贝叶斯网络(BN)模型,进行了管道事故后果概率分析,并利用该模型对风险因素进行敏感性分析,明确了影响海底管道失效事故的关键事件,进一步通过向BN模型引入不同类型证据信息,实现了海底管道的动态风险评估及预测,进而提高海底管道的安全管理效率及管理水平,为海底管道的安全管理策略提供科学依据。(6)海底管道长期检测维护决策优化。海底管道科学合理的检测维护决策是其安全评估的目标及安全管理过程的核心,是保证结构完整性和长期服役连续性的重要措施。本文在海底管道可靠性评估分析的基础上,考虑了管道结构的非完全维护特性,结合运营期内海底管道的运行成本分析,建立了海底管道长期检测维护优化模型,采用多目标遗传算法进行求解及成本费用敏感性分析,确定出长期检测维护优化方案,进而能够通过决策框架不断优化配置管理资源,持续实施并改进管道的检测维护策略,达到有效规避和减低风险以及预防事故发生的目的。