半潛式平臺(tái)遭遇碰撞的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

胡永利，林 一，譚 美

（1. 哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001；2. 上海中集海洋工程研發(fā)中心，上海 201206）

0 引 言

半潛式平臺(tái)又稱立柱穩(wěn)定式平臺(tái)（Stable Column Platform），是浮式海洋平臺(tái)的一種常見類型，主要由平臺(tái)主體、立柱、下體或浮箱組成，并通常在結(jié)構(gòu)之間布置一些支撐連接。由于半潛式平臺(tái)具有工作水深大的特點(diǎn)（305～3050m），在深海石油開發(fā)逐漸成為主流趨勢的今天，已成為最受關(guān)注的海洋平臺(tái)類型之一。

半潛式平臺(tái)在海上開展鉆井或采油作業(yè)時(shí)，在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，除了時(shí)刻要承受環(huán)境載荷的作用外[1]，過往的船只由于航行過失或停靠平臺(tái)時(shí)風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，與平臺(tái)碰撞的事故時(shí)有發(fā)生，并造成結(jié)構(gòu)損壞、人員傷亡、環(huán)境污染等災(zāi)難性后果。HSE（世界健康、安全與環(huán)境管理組織）對(duì)移動(dòng)式平臺(tái)給出的嚴(yán)重災(zāi)害事故發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，半潛式平臺(tái)每年的平均事故率遠(yuǎn)超其他類型的海洋平臺(tái)[2]。因此，在設(shè)計(jì)階段考慮半潛式平臺(tái)遭遇碰撞載荷下的結(jié)構(gòu)安全性顯得很有必要。

與其他海洋結(jié)構(gòu)物相比，半潛式平臺(tái)遭遇船舶碰撞的結(jié)構(gòu)響應(yīng)更類似于導(dǎo)管架平臺(tái)，這是由于半潛式平臺(tái)與撞擊船的質(zhì)量比往往很大，碰撞過程中主要由平臺(tái)變形吸能，撞擊后的共同速度很小。而自升式平臺(tái)柔性更大，碰撞過程中彈性變形占主導(dǎo)地位，塑性變形相對(duì)較小，這與半潛式平臺(tái)的吸能機(jī)理有所差別。

目前對(duì)于半潛式平臺(tái)的碰撞問題研究的重點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理、動(dòng)力響應(yīng)和強(qiáng)度評(píng)估方法上，HSE在這方面做了一些工作[3]，國內(nèi)現(xiàn)在的研究主要著眼于結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理和動(dòng)力響應(yīng)分析上。本文基于非線性有限元方法，以某半潛式平臺(tái)為例，考慮規(guī)范破艙穩(wěn)性的要求，對(duì)其碰撞損傷過程和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步考量了多種撞擊參數(shù)對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

1 規(guī)范規(guī)定

目前平臺(tái)遭遇船舶碰撞沖擊主要是作為一種意外載荷在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行考慮，DNV-RP-C204[4]和NORSOK N-004中均對(duì)碰撞載荷對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求有所規(guī)定。但是規(guī)范認(rèn)為簡化分析法已具有足夠用來考察碰撞造成的局部損傷，并認(rèn)為有限元工具具有更高的分析精度，推薦在實(shí)際工程中應(yīng)用。

1.1 碰撞機(jī)理

目前規(guī)范中推薦的碰撞機(jī)理的研究主要建立在動(dòng)量守恒（式 1）和動(dòng)能守恒（式 2）的基礎(chǔ)上，這是考慮到碰撞過程極為短暫，因此將其簡化成一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的過程。在考察碰撞時(shí)的沖擊能量時(shí)，平臺(tái)和船舶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不可忽視，通常考慮其在水平面內(nèi)的橫蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)。

式中，ms——撞擊船及其附連水質(zhì)量；

mp——平臺(tái)及其附連水質(zhì)量；

vs——撞擊前船的速度；

vc——撞擊后船與平臺(tái)的共同速度；

vp——平臺(tái)在碰撞前的瞬時(shí)波浪誘導(dǎo)速度；

Es——撞擊船的塑性變形能；

Ep——平臺(tái)的塑性變形能。

這種簡化的分析方法目前使用較為廣泛，但卻較為保守，并且假定碰撞點(diǎn)作用于平臺(tái)重心處，即不考慮平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)效果，這與實(shí)際情況有所出入。此外，這種方法主要著眼于碰撞后果，對(duì)碰撞過程中結(jié)構(gòu)損傷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的瞬態(tài)結(jié)果也無法得到。因此，需要更為精確的數(shù)值分析方法。

1.2 評(píng)估準(zhǔn)則

半潛式平臺(tái)工作狀態(tài)處于漂浮狀態(tài)，其遭遇碰撞的結(jié)構(gòu)破損須從穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度來評(píng)估。

1.2.1 穩(wěn)性要求

半潛式平臺(tái)要求任一水密艙室浸水均能保證其穩(wěn)性要求，穩(wěn)性的衡準(zhǔn)可以參照相關(guān)船級(jí)社規(guī)范。

半潛式平臺(tái)破損范圍是與碰撞后果相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，因此進(jìn)行碰撞計(jì)算時(shí)須特別關(guān)注，規(guī)范要求如下：

1)僅假定在平臺(tái)外圍的立柱、水下船體和撐桿破損，破損位置限制在暴露部分；

2)立柱和撐桿的破壞進(jìn)水范圍假定為垂向3m 范圍，位置在穩(wěn)性手冊規(guī)定的任何吃水以上5m、以下3m。 如果有水密平板位于此區(qū)域，那么破損應(yīng)假定發(fā)生在水密平板上下兩個(gè)艙室。考慮到實(shí)際的作業(yè)狀態(tài)，吃水以上或以下可以使用較小的破壞距離，但是破損區(qū)域至少延伸至操作手冊規(guī)定吃水以上或以下的1.5m；

3)破損的水平范圍為1.5m。

1.2.2 結(jié)構(gòu)要求

1)碰撞結(jié)束后，考慮自重、工作載荷以及結(jié)構(gòu)的碰撞損傷，平臺(tái)要求能夠抵御所處工作海域至少一年一遇的環(huán)境載荷；

2)撐桿和結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須較強(qiáng)，在碰撞中撐桿不會(huì)從連接點(diǎn)處脫開導(dǎo)致可能的泄露，從而對(duì)穩(wěn)性產(chǎn)生影響；

3)對(duì)于立柱等較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，其破損狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)完整性需要校核，以防止出現(xiàn)可能的漸進(jìn)倒塌現(xiàn)象。

2 平臺(tái)碰撞數(shù)值分析

對(duì)半潛式平臺(tái)遭遇船舶碰撞進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，需要首先對(duì)其破艙穩(wěn)性進(jìn)行校核，再對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行數(shù)值分析和評(píng)估，其基本步驟如下：

1)破艙穩(wěn)性分析：按照規(guī)范規(guī)定對(duì)可能出現(xiàn)的破艙情況進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算；

2)碰撞過程結(jié)構(gòu)分析：主要考察碰撞過程中的結(jié)構(gòu)變形損傷、能量吸收、整體位移等關(guān)心的問題；

3)剩余強(qiáng)度分析：如果平臺(tái)未在碰撞過程中直接損毀或倒塌，則對(duì)撞擊區(qū)域進(jìn)行分析：若出現(xiàn)破口，則對(duì)破損艙室按步驟1進(jìn)行核對(duì)，看是否失穩(wěn)；若未出現(xiàn)破口，則按照當(dāng)?shù)睾Ｓ蛞荒暌挥龅沫h(huán)境條件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余強(qiáng)度的校核。

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算選用的目標(biāo)平臺(tái)是某八立柱雙浮體式的半潛式鉆井平臺(tái)，在工作狀態(tài)和風(fēng)暴自存狀態(tài)下主要受環(huán)境載荷和工作載荷，環(huán)境載荷包括風(fēng)、浪、流載荷，工作載荷包括錨鏈力，鉆井作用力、起重機(jī)吊鉤力等。目標(biāo)平臺(tái)的主尺度和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

總長/m 102.413

型寬/m 76.505

主甲板高/m 39.624

工作吃水/m 22.860

潛體高/m 6.401

潛體寬/m 15.240

[4]指出，若撞擊船的結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于平臺(tái)，可以認(rèn)為平臺(tái)吸收了所有的沖擊能量。因此本文將撞擊船簡化處理成剛性體，在碰撞過程中不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，這樣的處理方式可以大大減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)不會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算造成精度影響。此外，平臺(tái)碰撞具有典型的局部性特征，碰撞區(qū)域外的結(jié)構(gòu)往往不發(fā)生塑性變形，因此為了合理地表征碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)的塑性大變形，碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)單元應(yīng)適當(dāng)細(xì)化。碰撞過程中周圍流場的耦合作用不可忽略，目前比較成熟的方法是將流體考慮成附連水質(zhì)量，共同參與整個(gè)碰撞過程。撞擊船縱蕩的附連水質(zhì)量目前比較統(tǒng)一，常認(rèn)為是撞擊船質(zhì)量的10%，平臺(tái)的附連水質(zhì)量一般取其排開水的質(zhì)量。

圖1 碰撞有限元模型

2.2 碰撞工況

2.2.1 船型尺寸

根據(jù)以往的事故統(tǒng)計(jì)，補(bǔ)給船的排水量集中在1200-11500t，平均排水量約為3300t，95%的船舶排水量在5000t以下。挪威船級(jí)社也推薦典型的碰撞船舶排水量為5000t。因此本文選取一艘排水量為5000t的補(bǔ)給船作為碰撞研究中的撞擊船。

2.2.2 撞擊方向

船舶撞擊平臺(tái)存在艏碰、艉碰、側(cè)碰3種情況，參考文獻(xiàn)[4]指出，對(duì)于補(bǔ)給船，艉碰的可能性占到70%，側(cè)碰占到20%。因此，選擇艉碰作為主要的碰撞形式。

2.2.3 撞擊速度

根據(jù)對(duì)北海平臺(tái)事故的統(tǒng)計(jì)資料和HSE的指導(dǎo)文件，74%的平臺(tái)碰撞事故發(fā)生時(shí)海浪有義波高在1～4m之間，其中有義波高為4m的情況發(fā)生最多。因此，典型的船舶失去動(dòng)力在波浪誘導(dǎo)下撞擊平臺(tái)的速度可以按式（4）計(jì)算得到[5]：

式中，Hs——有義波高；

vs——船舶撞擊速度。

由歷史統(tǒng)計(jì)資料和式（4）可知，典型的船舶碰撞速度為2m/s，這也與挪威船級(jí)社和HSE推薦的碰撞速度相一致。

2.3 算例分析

2.3.1 破艙穩(wěn)性分析

穩(wěn)性分析主要采用MOSES軟件進(jìn)行（圖2），考慮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和分艙，破損艙室（圖 3）假定為：PB10A，PB10B，PB9，PB8，PDW2，A4V4、A4V6，A4S3+A4S5，A4S4+A4S6，A4V4+A4V6，B4V3。MOSES的計(jì)算結(jié)果表明，該平臺(tái)完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性均滿足規(guī)范需求。

圖2 分析模型

圖3 艙室布置示意圖

2.3.2 碰撞過程分析

碰撞過程的分析是平臺(tái)碰撞研究的重點(diǎn)，本文采用MSC/DYTRAN軟件參照上文假定的碰撞工況進(jìn)行平臺(tái)碰撞過程的數(shù)值分析。

1)結(jié)構(gòu)損傷變形

圖4是平臺(tái)碰撞的結(jié)構(gòu)損傷圖，其局部性特點(diǎn)十分明顯。平臺(tái)在遭遇假定的船舶碰撞工況后，立柱外殼板出現(xiàn)了一定的變形，撞擊區(qū)域凹坑的最大深度為 0.6m，并未出現(xiàn)破口。因此碰撞過程中未發(fā)生破艙浸水的情況，不需考核其穩(wěn)性，其結(jié)構(gòu)仍具有完整性。撞擊區(qū)域遠(yuǎn)離撐桿，因此撐桿未發(fā)生損傷撕裂的情況。

圖4 平臺(tái)局部損傷

圖5 撞深-時(shí)間曲線

2)能量轉(zhuǎn)換

對(duì)半潛式平臺(tái)而言，其遭遇碰撞后的能量吸收主要依靠于局部凹坑、管狀結(jié)構(gòu)變形、管節(jié)點(diǎn)撕裂、板殼彎曲和褶皺以及整體變形。對(duì)于本文的算例來說，船舶假定為剛體，在碰撞中不發(fā)生變形。整個(gè)碰撞體系的能量轉(zhuǎn)換見圖 6。由于兩者的質(zhì)量比相差較大，撞擊船的動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的動(dòng)能和變形能，其中變形能大約是動(dòng)能的3倍。

圖6 碰撞能量轉(zhuǎn)換

由于本次假定的工況并非為對(duì)心碰撞，因此在平臺(tái)遭遇碰撞時(shí)發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，圖7顯示平臺(tái)的線動(dòng)能僅比轉(zhuǎn)動(dòng)能大約50%，說明在半潛式平臺(tái)碰撞問題的研究中，轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象不可忽視。

圖7 平臺(tái)動(dòng)能

3)碰撞力

碰撞力大小是反映撞擊船與半潛式平臺(tái)碰撞劇烈程度的重要指標(biāo)，本文結(jié)構(gòu)最大碰撞力約為23MN。碰撞力—撞深曲線能反映出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗撞剛度，即在單位撞深下抵抗變形的能力。與參考文獻(xiàn)[4]推薦的曲線相比，該平臺(tái)在遭遇船舶艉碰時(shí)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗撞能力。

圖8 碰撞力-撞深曲線

2.3.3 剩余強(qiáng)度分析

在對(duì)立柱撞擊區(qū)域的考察中發(fā)現(xiàn)，碰撞過程中并未出現(xiàn)破艙浸水的現(xiàn)象，受損艙室為A4V4，撞擊區(qū)域的范圍為：橫向 4.382m、垂向 3.81m，水平方向0.6m，并未出現(xiàn)破艙浸水的現(xiàn)象。

船舶碰撞造成了立柱的局部損傷，但后續(xù)倒塌和傾覆的可能性仍然存在，尤其是碰撞結(jié)束后由于環(huán)境載荷的作用，受損的立柱可能無法繼續(xù)承載導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞。因此，以本文目標(biāo)平臺(tái)工作海域一年一遇的環(huán)境載荷為標(biāo)準(zhǔn)，考慮其自重和相應(yīng)的工作載荷，對(duì)其剩余承載能力進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析。

參考文獻(xiàn)[3]中認(rèn)為，碰撞后立柱的承載能力將減少20%～30%，因此本文將立柱的局部損傷作為計(jì)算的初始條件進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算。

由于平臺(tái)工作海域一年一遇的環(huán)境載荷與工作和風(fēng)暴工況相比較小，因此平臺(tái)整體應(yīng)力水平仍在可接受的范圍之內(nèi)，具有相當(dāng)?shù)氖Ｓ喑休d能力。

圖9 一年一遇環(huán)境載荷下應(yīng)力云圖

3 撞擊參數(shù)分析

半潛式平臺(tái)在實(shí)際工作中由于風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件及其他意外因素的影響，其碰撞存在多種可能性，僅僅考慮典型的碰撞工況無法全面考量其碰撞響應(yīng)與結(jié)構(gòu)損傷。本文選取的撞擊參數(shù)[6]主要有撞擊質(zhì)量、撞擊速度比、撞擊形式、撞擊位置等，但實(shí)際碰撞中這些參數(shù)存在多種組合，具有不確定性，綜合考察較為困難。本文主要考察單個(gè)撞擊參數(shù)變化時(shí)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響。

3.1 撞擊質(zhì)量

由上文可知，95%的撞擊船排水量在5000t以下。但是根據(jù)北海的位置趨勢，北海南部95%的船舶排水量小于3500t；北海中部95%的船舶排水量小于6000t可知，僅采用一艘5000t排水量作為典型船舶有時(shí)顯得較為保守。參照參考文獻(xiàn)[2]，選取1艘9000t排水量的船舶作為撞擊船，探討其對(duì)于半潛式平臺(tái)抗撞性能的影響。

撞擊質(zhì)量的增加意味著撞擊能量的增加，更多的平臺(tái)結(jié)構(gòu)將參與變形。但盡管撞擊質(zhì)量增加了80%，平臺(tái)變形能卻增加50%，能量吸收的非線性特征較為明顯。撞擊質(zhì)量的增加延長了碰撞過程，破口橫向和垂向范圍增加不大，撞深從0.6m增加到了0.87m，仍滿足規(guī)范穩(wěn)性的要求。

圖10 撞擊質(zhì)量對(duì)能量吸收的影響

3.2 撞擊速度比

與導(dǎo)管架平臺(tái)和自升式平臺(tái)有所不同，半潛式平臺(tái)工作狀態(tài)時(shí)由于波浪誘導(dǎo)力的作用具有一定的漂移速度（可能與撞擊船方向相同或相反），這種漂移速度的存在將影響到平臺(tái)的碰撞損傷結(jié)果。因此，本文選取6個(gè)典型的速度比（平臺(tái)漂移速度/撞擊船速度）來考察它們之間的影響（正號(hào)表示平臺(tái)漂移方向與撞擊船同向），見圖11。

隨著速度比的增加，平臺(tái)吸能隨之減小，即相對(duì)速度的增加帶來了撞擊能量的提升，對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷也隨之增加。總體而言，速度對(duì)碰撞結(jié)果的影響與撞擊質(zhì)量一致，撞擊工況一致的前提下撞擊能量的增加只會(huì)帶來碰撞時(shí)間的延長和撞深的增加，對(duì)能量曲線和碰撞力曲線的趨勢影響不大。

圖11 撞擊速度比對(duì)能量吸收的影響

3.3 撞擊形式

歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船舶與半潛式平臺(tái)相碰時(shí)存在艏碰、艉碰、側(cè)碰3種情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)碰會(huì)導(dǎo)致最大的整體變形，但艏碰和艉碰會(huì)造成最大的局部變形，對(duì)于補(bǔ)給船艉碰具有最大的可能性；對(duì)于過路船，則幾乎都是艏碰。因此，本文通過計(jì)算考慮這3種撞擊形式的不同對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響。

圖 12顯示，側(cè)碰對(duì)結(jié)構(gòu)造成了最大的損傷，艉碰次之，艏碰最小。船舶在側(cè)碰時(shí)帶動(dòng)了較多的附連水參與碰撞，導(dǎo)致了最大的碰撞能量（側(cè)碰時(shí)附連水質(zhì)量系數(shù)為0.4，艏艉碰為0.1）；艉碰相對(duì)于艏碰而言，由于其結(jié)構(gòu)形式的不同，將會(huì)導(dǎo)致更大的碰撞區(qū)域和結(jié)構(gòu)損傷。

圖12 撞擊形式對(duì)能量吸收的影響

3.4 撞擊位置

由于平臺(tái)的工作特點(diǎn)，碰撞大多發(fā)生在水線面立柱或撐桿結(jié)構(gòu)處。根據(jù)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給出了4種典型的碰撞位置，見圖13，對(duì)其能量吸收進(jìn)行仿真分析，從而考察平臺(tái)可能碰撞區(qū)域的抗撞剛度。

能量-撞深曲線可以反映出結(jié)構(gòu)抵抗外界沖擊能力的強(qiáng)弱，相同的撞深下結(jié)構(gòu)吸收能量越多，表示其結(jié)構(gòu)剛度越大，見圖14。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)抗撞剛度順序如下：位置D＞位置B＞位置A ＞位置C。這也暗示若必須有補(bǔ)給船停靠平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，停靠位置盡量選擇在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，以避免由于風(fēng)浪造成的漂移碰撞給平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成過大的損傷。

圖13 典型的撞擊位置

圖14 撞擊位置對(duì)能量吸收的影響

4 結(jié) 語

本文以某半潛式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其遭遇補(bǔ)給船碰撞進(jìn)行數(shù)值模擬，從穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的角度對(duì)結(jié)構(gòu)損傷和碰撞后果進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了主要撞擊參數(shù)的影響，主要結(jié)論如下：

1)半潛式平臺(tái)碰撞是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)響應(yīng)過程，非線性有限元技術(shù)可以較為精確進(jìn)行模擬仿真。本文選用的平臺(tái)遭遇碰撞后并未出現(xiàn)破艙浸水，結(jié)構(gòu)在一年一遇的環(huán)境載荷下存在較大的剩余承載能力。

2)撞擊參數(shù)對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞特性的影響是多方面的：撞擊船質(zhì)量和速度的增加帶來了更大的沖擊能量和結(jié)構(gòu)損傷；船舶側(cè)碰會(huì)造成最大的結(jié)構(gòu)變形，是最危險(xiǎn)的撞擊形式；撞擊位置的剛度決定了結(jié)構(gòu)抵抗船舶碰撞的能力。若有補(bǔ)給船停靠平臺(tái)作業(yè)時(shí)，必須控制其速度和作業(yè)姿態(tài)，停靠位置盡量選擇在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處。

3)實(shí)際碰撞中撞擊參數(shù)存在多種組合，具有不確定性。因此在今后的研究中將進(jìn)一步結(jié)合可靠性分析手段，對(duì)平臺(tái)碰撞的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

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