考慮墜物載荷的鉆臺結構設計研究

夏侯命勝 郭興乾 蔣鎮濤 楊東亞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

1992年，渤海6號平臺由于壓載箱被墜物擊穿而引發了較嚴重的事故，由于平臺在運營期所產生的維修成本巨大，因此在結構設計之初，能否有效評估墜物載荷對結構強度及系統安全的影響意義重大。

墜物撞擊是典型的接觸和摩擦問題，過程往往伴隨著材料、幾何、物理和運動非線性。相關研究涉及材料學、固體力學、塑性動力學、結構動力學、接觸力學和損傷力學等多種學科。鉆臺結構可能遭受意外墜物載荷，尤其在吊裝頻繁的工作區域［1］。對于一般撞擊只會民致結構局部區域破壞影響有限，然而當系統重要構件或管路等重要設備保護結構受到撞擊破壞時，則會影響到整個系統和結構的安全及功能。

為便于鉆臺結構在設計時能有效快速地評估墜物撞擊對結構的影響，本文通過對板架結構的能量吸收機理進行深入研究，得到鉆臺結構安全設計的簡化公式評估方法；然后借助非線性有限元軟件，通過建立有限元模型、合理設置相關計算參數，考慮不同墜物載荷下，對鉆臺甲板板、加強筋及強橫梁結構的塑性失效模式進行了對比分析，充分驗證了簡化公式評估方法的有效性，同時也深入了解此類結構在墜物載荷下的失效機理。

1 墜物工況下的結構響應

板架結構的能量吸收機理主要取決于抗拉屈服極限和大塑性應變的發展情況；由于這些后屈服，加上彈性和動力的影響，往往很難取得足夠較精確的結果。因此，國內外學者往往利用試驗來研究板架的能量吸收機理和驗證相關理論。本文針對板架結構的墜物分析（忽略了不確定和無關緊要的影響），應用簡化公式來評估沖擊能量和結構能量吸收的能力。

1.1 墜物載荷

鉆臺結構墜物及設計載荷的選取應根據設備及其在鉆臺區域吊裝流程和頻率的統計結果。對于少數重型設備，若其吊裝頻率很低則沒必要作為鉆臺設計的墜物載荷，可在其吊裝時給予臨時性的保護措施。鉆臺可能受墜物載荷作用區域應該分析與之匹配的起吊設備（如吊機，井架等）的吊臂半徑，甲板幾何形狀及通常的吊裝程序包括限制區域。尤其需要注意的是在井口、運行管路、生活和辦公區域及其他可能因為墜物穿刺民致嚴重后果甚至災難的區域上方往往須采取相應保護措施。

不同的墜物對于甲板不同的結構單元的設計有著決定性的作用，小接觸面墜物如鉆桿將決定鉆臺甲板板格厚度的設計；更重且接觸面也足夠大的墜物則決定鉆臺甲板縱骨的設計；當該墜物無論重量還是接觸面積都達最大時，將決定鉆臺甲板強梁系統的設計。鉆臺典型墜物相關參數如表1所示。

表1 鉆臺典型墜物相關參數

墜物撞擊能量Eo計算公式如下：

式中：V為撞擊速度，m/s；W為墜物重量，kN；m為墜物質量，kg；H為墜物重心位移，m。

1.2 墜物分析關鍵要素

由于結構單元、墜物或撞擊點等相關參數較小的變化都可能民致結構響應較大的差異，因此每一個墜物工況都存在差異。墜物分析關鍵要數如下：

（1）撞擊速度

撞擊速度不僅對持續時間（duration）和載荷脈沖（load-pulse）形狀有影響，而且與不同變形模式下的動力放大系數也有關系。當載荷脈沖時間與結構整體變形固有周期發生吻合時，將產生較大的動力放大因子，同時也伴隨整體能量吸收的增加。雖然材料的屬性將受高應變率的影響，高應變率會民致屈服和極限應力的顯著增加，但是高速沖擊依然會民致結構發生脆性破裂危險的增加。為模擬最嚴重的撞擊工況，速度方向一般通過墜物的重心垂直于板的表面。

（2）接觸面

是決定能量吸收模式的重要因素之一，每個計算工況都必須定義接觸面積的大小。

（3）撞擊位置

由于實際工程中撞擊區域及墜物重量和墜落高度均是隨機的，因此設計時需要選取最嚴重的載荷工況，并與之匹配非彈性能量吸收能力最弱的區域進行計算分析，尤其對關鍵撞擊區域的位置和幾何形狀應事先進行評估。一般而言，在剛性區域的撞擊會產生小變形并伴隨少量能量的吸收能力。

（4）質量

沖擊能量一般與撞擊物的重量成正比，而受撞結構與墜物間的質量比將影響結構動力響應和變形模式。

（5）邊界條件

受撞擊結構的剛度取決于邊界條件，同時它還影響著變形模式及其相應的能量吸收機制，對結構膜力的產生尤其重要。

（6）墜物的剛度

大多情況下，主要沖擊能量將由墜物和受撞擊結構產生的塑性變形吸收。然而，這取決于兩者的相對剛度和相對吸收能量的能力，比如相對柔軟的墜物（如集裝箱和直升機），受撞擊結構的損傷一般是有限的，這已經通過試驗驗證。當一個集裝箱掉落撞擊到甲板時，被撞擊的甲板僅出現一個小凹坑，而集裝箱則發生了很大的塑性變形。對于剛度大的墜物如鉆桿和泥漿泵，由于其高剛度和強度，墜物本身僅吸收能量（彈性）的一小部分，此時相對柔軟的鉆臺甲板結構則在吸收大部分能量下產生較大塑性變形。

（7）材料厚度

材料的厚度將同時影響局部應力的分布和材料在受撞擊下的屬性。對于厚板將產生阻止穿孔的三向應力，而薄板將主要遭受撞擊過程中的沖剪應力。

1.3 墜物載荷沖擊下結構能量吸收簡化評估方法

總吸收能量的能力為Et=Ee+Ep。其中Ee、Ep分別為板單元、支撐結構及墜物的彈性應變能（出于保守考慮，所占比例較小的彈性應變能的貢獻一般忽略不計）和塑性應變能。鉆臺結構主要由板、扶強材（縱骨/橫梁）及大型工字鋼組成，縱骨間距一般約600 mm，工字鋼作為鉆臺主要承載結構往往關系到鉆臺的整體強度安全。由于墜物大小各異，鉆臺甲板受碰撞結構有所不同，民致其簡化計算公式也不盡相同。

1.3.1 連續加筋板板格

當較小墜物如鉆桿墜落到甲板板格區域時，則甲板板格塑性能量吸收能力可由下式進行計算：

本公式基于9-1/2″鉆桿墜落實驗所得［2-4］。式中：Le為墜物周長（如墜物沖剪區域的周長），m；Dp為9-1/2″鉆桿的直徑，m；πDp為9-1/2″鉆桿的周長，m；Cv為材料撞擊韌性；σy為材料屈服應力，MPa；Δ為板格塑性變形值，mm。對于其他規格鉆桿可以通過修正系數C1和C2來確定。

接觸面積修正系數：

延展性修正系數：

1.3.2 鉆臺縱骨

當墜物足夠大時（其最小尺寸不小于鉆臺縱骨間距），即墜物載荷直接作用在支撐板格的縱骨上?；诒Ｊ卦O計，一般認為撞擊點位于縱骨的中點。根據材料及彈塑性力學原理，甲板縱骨塑性能量吸收能力可由式（5）進行計算［5］，力學簡化模型如圖1所示。

圖1 鉆臺縱骨簡化力學模型

假設 ，則 ，因此

式中：δp、δe分別為塑性和彈性拉伸變形，mm；ξ為應變；Ae為筋的截面面積（考慮帶板），mm2；L為縱骨跨距，mm。

1.3.3 縱桁或強橫梁

當墜物撞擊能量過大時，將決定鉆臺強梁（主要指工字梁）的設計。由于沖剪引起的工字鋼面板或腹板的失效模式是分析的關鍵，因此此時撞擊時的接觸面積將不那么重要。雖然強梁與筋都是彈性彎曲構件，沖擊載荷作用下失效模式類似，但是縱桁或強橫梁受墜物撞擊時的計算方法卻不能應用筋的相關簡化公式及方法，主要是因為：

（1）邊界條件

由于鉆臺大梁可提供甲板筋及板格的彈性軸向拉應力邊界，但對其本身而言卻無類似邊界支撐。

（2）垂向變形

對于柔性梁，只有當其產生很大變形時才能出現較明顯的軸向力。而此變形與梁的跨距成正比，因此對于大跨距的縱桁或強橫梁的垂向變形一般是小跨距筋的數倍。

因此，對于縱桁及強橫梁的撞擊能量吸收能力計算不能采用筋的相關公式。強梁塑性能量吸收能力可由式（6）進行計算，力學簡化模型如圖2所示。撞擊點位于強梁的中點，簡化公式具體推民見式（6）：

式中:My、Mp分別為屈服彎矩和塑性彎矩，kN·m；L為跨長，mm；h為強梁高，mm。ξmax為最大許用應變，對于一般高強度鋼最大應變為0.15（15%）。

圖2 鉆臺強梁簡化力學模型

2 墜物工況數值計算分析

為驗證墜物載荷沖擊下鉆臺結構強度簡化評估方法的合理性，本文采用有限元商業軟件ABAQUS，針對鉆臺板格、縱骨及強梁三種典型構件分別在表1中的典型墜物沖擊作用下進行非線性有限元數值計算分析。

2.1 計算有限元模型

鉆臺主要吊裝工作區域位于井架下方，鉆臺為典型的板架式結構，由甲板板、縱骨和強梁構成（如下頁圖3 所示）。結構材料為AH36高強度鋼，其屈服應力為355 MPa，抗拉強度為490～630 MPa。有限元結構模型如圖4所示，三種墜物沖擊分析有限元模型如圖5所示。

圖3 鉆井船鉆臺結構示意圖

圖4 鉆井工作區域鉆臺結構模型

圖5 墜物計算有限元模型

2.2 碰撞數值分析關鍵參數的選取

碰撞是兩物體相互接觸和摩擦的過程，本文將接觸定義為主-從面接觸，墜物碰撞面為主面，被撞結構接觸面為從面，且主面的網格尺寸須不小于從面的尺寸；對于摩擦本文取靜摩擦系數0.2，動摩擦系數0.1；計算時間步長Δt則通過式（7）和（8）進行確定。

臨界時間步長：

式中：L為網格中最小單元尺寸，m；c為材料的聲速，m/s。為保證計算的穩定性，需乘以一個安全系數S。

初始速度4.43 m/s，初始高度為墜物頭部的2～3個網格尺寸的距離（如本文鉆桿初始高度為0.07 m），以防止過盈接觸。材料模型采用Cowper-Symonds（C-S）模型來考慮，屈服應力與應變率的關系如式（9）所示［6］：

式中：σ0為初始屈服應力，MPa；dε/ dt為應變率；D和q為C-S應變率系數；為有效塑性應變；Ep是由 給出的塑性硬化模量。該模型與溫度無關，但包含了材料的失效特性，該特性是通過定義失效應變εf來實現的（該參數與網格劃分的單元尺寸及板厚有關）。C-S模型中的兩個參數D和q可通過實驗得到的應力應變曲線擬合得到。對于一般鋼材：D= 40.4，q= 5。

2.3 墜物沖擊下鉆臺結構動態響應分析

墜物沖擊是結構瞬間在沖擊載荷作用下的一種復雜的非線性動態響應過程，碰撞區構件常常會迅速超越彈性階段而進入塑性流動狀態，并伴隨出現屈曲、撕裂等各種形式的破壞或失效，撞擊動能主要由碰撞區域構件的塑性變形能所耗散。本文通過對鉆桿墜落在平板上，套管墜落在縱骨上以及泥漿泵墜落在強梁上計算分析，各工況最大應力及變形云圖分別如圖6和圖7所示，能量變化時歷曲線如圖8所示。

圖6 墜物沖擊下結構應力分布云圖

圖7 墜物沖擊下結構垂向變形分布云圖

圖8 各工況下能量時歷曲線圖

通過以上計算結果不難看出:

另外，本文通過不斷增加墜物載荷，直到相關構件強度處于極限狀態而發生局部塑性失效（如圖9所示）。

圖9 極限墜物載荷下結構變形分布云圖

圖10 極限墜物載荷下各工況下能量時歷曲線圖

各工況能量變化時歷曲線如圖10所示。綜合以上計算結果分析，各工況下相關構件極 限能量吸收能力及強度分析如表2所示。

表2 簡化計算公式與非線性有限元計算結果誤差對比

通過表2 簡化計算公式與非線性有限元計算結果誤差對比發現，除在泥漿泵重載沖擊下，強梁由于腹板局部屈曲失效降低了整梁能量轉換，民致數值計算與公式計算間誤差達15%，對于不同墜物質量和高度，兩者誤差能滿足實際工程要求。因此，簡化公式在應用于實際工程時，具有較高的可靠性。針對強梁的誤差問題，可以通過腹板設置相應防屈曲加強筋來增強其屈曲強度，以提高整梁的極限承載能力。

3 考慮墜物工況下的鉆臺設計

考慮墜物工況下的鉆臺設計涉及到鉆臺整體布置、吊裝設備的位置及材料的選取等。因此，在設計之初考慮到墜物的影響，在保證整個鉆井系統的正常使用功能基礎上，將大大降低鉆臺安全設計的成本。本文主要從墜物類型及其發生概率和結構系統強度設計兩方面進行分析。

3.1 墜物風險控制

墜物風險控制主要包括墜物概率Po和損壞概率Ps兩方面內容。前者指主要吊裝設備的墜落概率，后者是在設備墜落后，通過比較墜物撞擊能量Eo和構件承受能力Et，來判斷是否會造成結構安全事故。墜物風險分析需針對目標公司抗風險能力，并根據不同設備類型，利用表3中相關公式進行評估。

表3 墜物發生概率計算方法

其中設備數量、吊裝次數及概率可根據相應設備操作手冊或機械吊裝報告進行選取，設備墜落概率則明顯具有地域性及概率統計特點，需根據具體實際工程項目綜合考慮進行謹慎選取。另外，在質量允許的情況下，設計之初通過適當的結構加強則能較好地控制墜物引起的相關風險。

3.2 結構形式及加強設計

通過表3相關計算方法發現，在船體質量及成本可控的基礎上，可以通過對結構進行合理的加強設計增加結構能量吸收能力，使Eo＜Et時，損壞概率Ps= 0，同樣很好地控制了墜物風險。通過大量計算分析，相關區域主要結構設計要點如下：

（1）結構連接及過渡區域的設計處盡量避免突變，保證該區域的剛度及強度的連續性；

（2）對于墜物概率較高及吊機放置頻繁區域（如鉆桿堆場），一般需設置墜物的防護系統。該系統可以由不同的材料或材料組合而成，比如：鋼、水泥、木材、鋁和塑料纖維。對于本身為鋼結構的鉆臺而言，從功能需求、重量、防火及經濟角度出發，一般采用高強鋼作為保護系統。對于需要特殊保護的結構，可采取木材加鋼材的保護形式，以充分降低由于撞擊接觸面積過小民致非加筋板格被穿刺的風險。當然，在重量允許的情況下，也可采取僅增加板厚方式作為更好的保護措施；

（3）對于墜物尺寸較大且較重的設備，除了計算局部強度外，還需要評估在該墜物載荷下，對鉆臺結構總強度的影響。尤其對于高復板強梁，在墜物重荷下腹板極易發生的屈曲破壞，參見圖8（c）。因此，在進行該類結構設計時，應在腹板上設置相應的防屈曲加強筋［8］。

4 結 論

鉆井系統作為鉆井船的重要模塊之一，對其核心支撐結構鉆臺的設計和強度計算意義重大。本文根據鉆井船的操作工況及流程，深入研究了墜物載荷分析關鍵要素及針對鉆臺不同層次結構進行了強度簡化評估方法研究。并通過非線性有限元法模擬了相關結構失效過程及相關參數的變化情況，驗證了各工況強度簡化評估方法的可靠性，同時得到了以下結論：

（1）墜物撞擊動能主要由鉆臺相關構件產生塑性變形的形式進行吸收，而相對剛度較大的墜物能量吸收較小。

（2）在墜物載荷沖擊下，鉆臺不同構件失效方式及區域有著較大區別。比如甲板板格隨著撞擊的深入，應力及變形不斷增大，最終產生塑性失效并破裂；甲板縱骨最大應力則首先出現在角鋼的面板上，隨著撞擊的深入角鋼腹板開始出現側向屈曲失效；甲板強梁最大應力最先出現在處于碰撞點正下方的強梁腹板上，之后腹板局部區域會出現隆起塑性屈曲失效。

（3）考慮墜物工況下的鉆臺設計應綜合整個鉆井系統功能及布置要求，從墜物概率和損壞概率兩方面出發，進行墜物事件有效控制和結構加強及防護設計。

（4）由于本文墜物載荷沖擊下結構能量吸收簡化公式是基于9-1/2″鉆桿等墜落實驗所得，評估方法適用于與鉆臺板架相似的結構，其他結構僅供參考。對于墜物數值計算方法，關鍵應根據墜物類型及結構材料屬性選取合適的材料模型。