海洋平臺物體墜落安全分析

劉英芳，王海軍，石強，王欣，楊岳山

海洋平臺物體墜落安全分析

劉英芳，王海軍，石強，王欣，楊岳山

為保證海洋平臺鉆桿墜落對鉆臺撞擊后的結構安全性能，對鉆桿墜落撞擊鉆臺過程分別進行經驗公式計算、非線性靜力分析和非線性動力分析，對比3種評估方法的特點，制定適用于實際工程的平臺物體墜落安全分析流程，滿足從快速評估到精細化計算的設計需求。對平臺物體墜落進行非線性數值仿真計算，得到與外載荷對應的最大變形，結構應力、應變集中分布，材料破斷位置，能量轉換及速度隨時間的變化規律。

海洋平臺；鉆臺；墜落物；非線性；動力分析

在海洋油氣勘探開發中，海洋平臺在復雜海洋環境中作業，除了受到正常工作載荷以及風浪流和海冰等環境載荷作用外，一些意外突發事件，如船與平臺碰撞、火災爆炸及平臺鉆桿墜落等時有發生。其中平臺物體墜落作為一項主要的意外突發事件，被越來越多的船東業主所關注，并提出物體墜落的安全分析需求[1-2]。

平臺物體墜落安全評估方法主要基于能量守恒原理的公式計算和數值分析2種方法。公式計算法通過經驗公式計算結構的吸收能，能夠提供保守、有效的快速評估，缺點是墜落物沖擊區域的選取決定著吸收能的大小、經驗公式的設計參數具有一定適用范圍；并且公式計算僅能從宏觀的吸收能與墜落物的沖擊動能大小比較來判斷結構抗沖擊能力，而無法對局部應變集中位置、材料破斷區域等結構動態響應做出準確預測。數值分析方法則能夠通過準確的幾何、材料模型構建，對物體墜落沖擊過程進行非線性靜力和非線性動力的數值仿真，得到更為準確、優化的安全評估結果。

為此，考慮制定一種工程化的平臺物體墜落安全分析流程，滿足從快速評估到精細化計算的不同設計階段需求，見圖1。

以某海洋平臺鉆臺甲板為研究對象開展鉆桿墜落的安全評估，分別應用公式計算、非線性靜力分析以及非線性動力分析3種方法進行計算分析。

1 工程研究對象

某海洋鉆臺甲板模型尺寸見圖2。

鉆臺材料為AH36鋼，屈服應力355 MPa，極限拉伸強度620 MPa，斷裂應變0.20，甲板板厚20 mm。鉆桿重量9.3 t，墜落高度1.5 m，重力加速度9.81 m/s2。根據動能計算公式可知鉆臺結構所需承受的沖擊動能Ekin=136.8 kJ。

2 公式計算

選取具有代表性的DNV規范公式進行鉆桿墜落的安全評估計算，計算表明鉆臺結構強度不滿足要求。分析發現規范公式不適用于本例，計算結果不能作為評估依據。同時計算公式具有理想假定，認為沖擊能完全由局部區域吸收，能量吸收區域的選取極大影響校核結果準確性。當加強筋間距較小時，選取加強筋界定區域進行計算，預測結果偏于保守；加強筋間距較大時，則預測結果偏危險。因此如何合理選取沖擊區域是公式應用的難點。

3 非線性分析

非線性靜力分析的基本原理是通過對結構施加單調遞增載荷將結構推至某給定位移或應變狀態，進而分析該過程結構薄弱位置及其他非線性狀態的反應[3-4]。

根據圖2所示鉆臺尺寸，使用Ansys軟件建立沖擊區域有限元模型，見圖3。

為準確模擬結構的彈塑性性能，使用shell181、solid185單元建模進行對比計算，材料模型采用多線性等效強化模型，網格密度10 mm×10 mm。四邊簡支，載荷以面載荷形式施加在鉆桿與鉆臺沖擊接觸區域，以4.95 kN間隔單調遞增，保守假定甲板單元達到斷裂應變時即停止加載。

對比殼單元模型和體單元模型的有限元(見圖4、5)分析結果，材料在發生破壞時最大等效應變均達到設定值0.2，表明有限元模型的材料屬性及網格尺寸滿足計算要求，能夠捕捉到材料達到塑性極限的載荷步及此時的應力應變分布情況。

與外載荷對應的最大變形見圖6，分析圖6，在材料單元達到斷裂應變時，殼單元模型計算得到的吸收能為50.6 kJ，體單元模型計算得到的吸收能為73.6 kJ，均小于沖擊動能，鉆臺結構不滿足防沖擊要求；同時結果還表明殼單元模型計算結果更為保守，在進行初步快速評估時可采用殼單元建模，對于精細化計算則應盡量在沖擊區域以體單元建模，保證計算精度。

4 非線性動力分析

靜力分析僅能保證結構所能承受的靜載荷極限，而當載荷隨時間變化時，單純靜力分析并不能完全真實反應鉆桿撞擊鉆臺的力學時歷過程。對于物體墜落安全評估問題，整體模型的吸收能并不能作為結構安全的唯一評判標準，對于最大應變集中位置、破斷位置以及隨時間變化的結構響應等則需要非線性動力分析技術才能解決[5-7]。另外非線性動力分析可以模擬墜落防護物如甲板墊木、橡膠墊等各因素，同樣是公式計算及非線性靜力分析難以考慮的。

4.1 計算原理

非線性動力分析的數值算法目前主要有顯式方法和隱式方法。顯式方法適于處理瞬態、大變形問題，隱式方法適于處理穩態、非線性靜動力問題。對于鉆桿墜落碰撞的動態求解問題，采用顯式時間積分法能夠得到準確求解。碰撞過程的動力平衡方程如下。

(1)

由式(2)計算可得，節點加速度矢量為

(2)

采用中心差分法計算節點速度矢量與位移矢量為

(4)

對于動力分析問題，顯式算法非常適用于大矩陣方程的求解，由于顯式算法不需要進行矩陣轉置與迭代，其所有非線性均包含在內力矢量中，因此在同一時間步內，顯式算法比隱式算法的計算效率更高。

4.2 平臺物體墜落數值仿真

使用Ansys/Ls-dyna顯式動力求解器進行非線性動力分析，鉆臺及鉆桿有限元模型見圖7。

結構模型采用solid164單元建立，網格密度10mm×10mm，鉆臺材料模型采用分段線性塑性模型，鉆桿材料模型采用剛體模型。計算得到鉆桿初始速度v=5.425 m/s。動摩擦及靜摩擦系數均取恒定值0.2，考慮到鉆桿端部先細后粗的變截面形狀，其對鉆臺甲板的撞擊將發生初始碰撞及二次碰撞，設定計算時間為0.12 s。

計算結果表明，鉆桿與鉆臺甲板的碰撞過程主要有2個階段：鉆桿端部較細截面與甲板初次碰撞產生的初始材料失效，以及鉆桿端部較粗截面與甲板二次碰撞產生的部分材料失效，見圖8、9。

材料的初始失效發生于14.398 ms，可知碰撞是一個瞬態過程，作用時間往往是毫秒級。在71.4 ms時刻，二次碰撞發生，粗截面穿過甲板面，造成部分材料單元的二次失效。觀察能量曲線(見圖10)，滑移能與沙漏能控制在總能量的5%以內，證明動態分析結果可信。0～14 ms為鉆桿與甲板面初始接觸至甲板達到斷裂失效時的動能與內能轉換過程；14～70 ms為鉆桿細截面穿過甲板過程，該過程鉆桿與甲板之間無相互作用，內能與動能保持恒定；70～85 ms為鉆桿粗截面與甲板面相互作用過程，至85 ms左右動能完全轉換為內能，鉆桿下墜至最低點，速度為0(見圖11)；85 ms之后，甲板部分彈性勢能轉換為鉆桿動能，鉆桿反彈，永久塑性應變能為126.65 J。

非線性動力分析結果表明，鉆臺結構能夠承受給定工況的鉆桿沖擊，阻止鉆桿繼續下落所造成的下方設備、人員損傷。另外，考慮到鉆臺甲板上布置有墊木以及橡膠墊，均能在一定程度緩沖鉆桿墜落沖擊；分析中假定鉆桿為剛體模型，鉆臺邊界簡支，動能完全由鉆臺局部結構吸收，而在實際碰撞過程中，鉆桿會吸收一定動能，且整個鉆臺結構及與之相連結構均會因鉆桿沖擊而吸收一定動能轉換為相應勢能。因此鉆臺結構設計滿足給定條件下的防墜落要求。

6 結論

1)公式計算法能夠對物體墜落安全問題給

出簡單、快速的計算結果，然而經驗公式具有參數適用性問題，對于本文所選取研究對象則并不適用；另外，還存在著合理選取沖擊區域的難點。

2)非線性靜力分析，兼顧計算簡便，又避開了非線性動力分析的繁瑣，能夠提供相對快速、安全的強度評估，其最大優點在于可以準確得到每一加載階段的結構響應、非線性狀態、材料破斷位置、應變集中分布狀況等。對本文研究對象的評估結果表明，殼單元模型的計算精度要低于體單元模型，然而殼單元模型計算結果更加保守，因此對于經驗公式不適用的情況，建議采用殼單元建模進行快速評估，或在沖擊區域建立體單元模型以提高計算精度。

[1] DNV. Design against accidental loads[S].DNV,2010.

[2] ABS. Guide notes on accidental load analysis and design for offshore structures[S].ABS,2013.

[3] KILAR V, FAJFAR P. Simple push-over analysis of asymmetric buildings[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1997,26:233-249.

[4] 扶長生,張小勇.推覆分析的原理和實施[J].建筑結構,2012,42(11):1-10.

[5] 林一.自升式鉆井平臺風險評估研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2013.

[6] AHN Kwanghyun, CHUN Minsung.Dropped object analysis using non-linear dynamic FE analysis[C]. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2014.

[7] 王林,周國寶,米旭峰.基于整體海洋平臺模型的下落物體撞擊數值仿真[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2008,9(6):687-692.

(大連船舶重工集團設計研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

Risk Assessment of Dropped Object for Offshore Platform

LIU Ying-fang, WANG Hai-jun, SHI Qiang, WANG Xin, YANG Yue-shan

(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd., Dalian Liaoning 116005, China)

Aiming at the assessment methods of dropped object for offshore platform, the analytical method, non-linear static analysis method and non-linear dynamic method were researched respectively. An engineering assessment process of dropped object for offshore platform was set forth, which can fulfill the design requirements varying from quickly assessment to detailed assessment. A finite element model was established to carry out non-linear static/ dynamic analysis of the drill floor and drill collar. External load versus maximum deformation curve, stress/strain contours, rapture location, energy curves and velocity curves were obtained.

offshore platform; drill floor; dropped object; non-linear; dynamic analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.033

2016-06-22

劉英芳(1988—)，男，碩士，助理工程師研究方向:海洋工程結構設計與強度分析

P751

A

1671-7953(2017)01-0134-04

修回日期：2016-07-19