基于塑性理論的海洋平臺落物分析

劉富鵬

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引 言

海洋平臺的工作環境較為復雜，可能會受到風、波浪、海流、海冰和地震等自然環境因素帶來的載荷及平臺運行過程中帶來的生產操作荷載的作用。此外，船舶及下落物體與海洋平臺碰撞、爆炸和火災等引起的事故荷載也有可能對海洋平臺產生嚴重的影響，使其局部結構（破壞，甚至整體結構）遭到破壞，并帶來人員傷亡和環境污染等問題。

結構動態屈曲是近年來固體力學領域研究較多的內容，研究結構在沖擊作用下的屈曲狀態，有助于對結構進行有效評估。

平臺落物分析多采用能量法，即將結構變形吸收的能量與下落物體的動能相比較，若結構破壞之前吸收的能量大于下落物體的動能，則認為結構在該落物工況下是安全的。簡化的平臺落物分析可采用公式法，單根梁或板單獨校核，該方法較為簡便，但因只考慮彈性部分，且無法有效考慮整體結構的作用，常使得分析結果較為保守。因此，有必要研究一種既考慮結構的整體性，又考慮結構的塑性能力的方法，以滿足平臺落物分析要求。

在海洋平臺鉆井和正常生產操作期，鉆機的大鉤作業使得平臺吊機吊裝有可能產生落物，落物區域一般均可確定。本文以鉆機大鉤吊裝作業防噴器（Blow Out Preventer, BOP）為例，對其在井口區墜落的情況進行分析研究。

物體墜落撞擊后果分析涉及到的因素有很多，如物體的剛度、撞擊動能、撞擊角度和撞擊位置等。這種撞擊對被撞擊結構造成的影響通常是較大的塑性變形和較嚴重的結構破壞。下落物體很少對結構整體造成破壞，大部分是造成局部損傷。對于浮式結構而言，當落物撞擊到浮箱時，對結構整體的主要威脅可能是擊穿浮箱，從而削弱漂浮結構在水中的穩定性。單個浮箱被擊穿的情況一般可通過分隔箱體和設置水密封來避免。

1 現狀分析

針對下落物體對結構造成的損傷，DNV GL RP C208 規范提出2 種方法：一種是考慮能量條件，結合簡化的彈塑性方法進行分析；另一種是利用非線性動力學的有限元分析方法進行仿真模擬。第一種方法是一種簡化的解析法，其計算簡潔方便，可用于評估撞擊的結構是否符合設計要求；第二種方法雖然能將撞擊涉及到的影響因素考慮在內，精確計算結構變形與受力之間的作用關系，但模擬參數評估難度大，耗時長，實用性差。

相應試驗和仿真已證明運用非線性有限元軟件進行極限強度計算的有效性。目前許多大型通用有限元軟件已應用到船舶及海洋結構的極限強度計算中，但對結構極限狀態進行的分析大多集中在結構單元和局部構件上。

本文基于彈塑性理論，采用能量法對平臺甲板上可能落物的區域進行落物分析，以判定設計的甲板區域是否滿足強度要求。為便于分析計算，經過調研，選取DNV GL 的USFOS 軟件作為分析軟件進行分析。USFOS 軟件是一款非線性結構計算軟件，可用來計算結構初始屈服、整個結構倒塌的機理和最終的倒塌狀態。采用簡化的梁單元進行分析，分析過程直觀快捷，且對使用者的非線性理論基礎知識的要求較低。

本文的計算流程見圖1。

圖1 計算流程

2 海洋平臺塑性理論與模型的建立

2.1 材料性能機理

構件拉伸斷裂是指部件因過度的抗張應變而解除連接，在實際應用中，拉伸斷裂會受到部件本身存在的裂紋缺陷、焊接時的殘余應力和應力或應變集中等因素的影響。在實際中，大多數海洋平臺使用的材料都是正火鋼，此類鋼在拉伸試驗中表現出了優良的延展性，其極限應變值超過15%～20%。海洋平臺的某些部件在焊接時常引進幾何凹槽，以便進行操作，因此常采用高匹配度焊接材料，以便保護缺陷區域。只要結構沒有出現裂縫，便可在此種情況下設置一個符合該應變值的塑性鉸結構。

本文在進行落物分析時允許井口蓋的部件發生拉伸應變，其臨界拉伸應變限制為0.15。同時，在落物過程中，井口區應具有足夠的耗能能力，以吸收沖擊能量，不會造成任何部件斷裂。

2.2 材料模型和失效準則

井口區材料采用的是線性強化彈塑性材料模型，即考慮材料進入塑性之后的應變強化。撞擊是一個動態響應過程，材料的動力性能不能忽略。平臺用鋼是低碳鋼，其塑性性能對應變率是高度敏感的。考慮應變敏感性的影響，采用與試驗數據符合較好的Cower-Symonds 本構方程，即

式(1)中：ε˙為塑性應變；ε 為塑性應變率；σ′為塑性應變率ε 對應的動屈服應力；σ 為相應的靜屈服應力；D 和p 為常數，對于本文所述平臺結構鋼，取D=40.4，p=5 。

材料的失效情況非常復雜，現通過最大塑性失效應變定義材料的失效情況，即當結構單元的等效塑性應變達到定義的單元最大塑性失效應變時單元失效，失效之后的單元不再參與后面的計算，且不再具有強度。本文采用的最大塑性應變取0.15。

2.3 落物基礎數據的確定

在海洋平臺中，落物分析遵循的原則為：作為永久性或臨時性卸貨區域的特定甲板區在設計時要滿足的條件是落物在下落時產生的沖擊能量與甲板結構吸收的結構變形能大小一致。

在海洋平臺中，需進行落物分析的基本結構部件主要包括甲板板（包括經過加筋板加強的和未加強的）和次要的鋼構件梁。對于一些大到足以捕獲到梁格的落物來說，分析的關鍵是梁格；對于較小的落物來說，其甲板在設計時便能承受足夠的沖擊，因此縱梁和板組合不需要校核。在某些特殊情況下，若落物足夠大且能撞擊到多個梁格，則在能量吸收計算中應將可能被撞擊的梁格的最小數量作為計算的依據。

在海上鉆井生產平臺中，上層甲板井口區通常考慮防噴器墜落，中層甲板和下層甲板通常主要考慮卸貨區吊機在吊裝貨物時可能出現的掉落。根據工程設計數據，一般用于結構落物分析的設計參數見表1。

表1 落物對象的設計

1) 在缺乏可用數據的情況下，防噴器的重量和下降高度等數據可進行假設模擬；

2) 物體的重量和下降高度是基于鉆井作業操作高度得到的。

2.4 落物撞擊位置的確定

如上文所述，在進行落物分析時，常見的區域有上層甲板的井口區和中層與下層的卸貨區域。本文以上層甲板的井口區作為研究對象進行落物分析。井口區在設計時能承受跌落物體的沖擊。由表1 可知，跌落物體滿足的條件為：該甲板區域應考慮能承受從0.6m 高度處墜落的30t 重的BOP，即177kJ 的沖擊能量。

井口區的撞擊部位較多，根據其結構特點，選取4 個典型位置進行分析（見圖2）。圖2 中：A 位置表示撞擊在甲板上；B 位置表示撞擊在梁上；C 位置表示撞擊在梁與梁的交叉處；D 位置表示撞擊在梁與梁的交叉處且其下方有立柱。就垂向碰撞剛度而言，從A 到D 越來越大。

2.5 有限元建模

本文選取海洋平臺上井口區結構作為分析對象，其平面圖和尺寸見圖3。利用GeniE 模塊建立井口區域梁格部分的有限元模型，梁格采用梁單元建模，對梁單元劃分網格，對撞擊區域的網格進行適當的細化，海洋平臺井口區有限元模型見圖4。

根據落物和井口區的尺寸，在井口區中部區域的4 個節點處加載虛擬荷載（見圖5）。

圖2 撞擊位置

圖3 海洋平臺井口區平面圖和尺寸

圖4 海洋平臺井口區有限元模型

圖5 井口區模型加載情況

3 USFOS 落物結果分析

3.1 USFOS 軟件簡介

USFOS 是挪威海洋工程研究中心聯合挪威科技大學開發的用于對空間框架結構進行非線性和動力學計算的軟件。該軟件基于簡化的工程理念，將經典解、解析解、精確數值解和傳統有限元解集成在一起，底層原理是通過建立簡化的有限元模型得到精確的分析結果，能節省設計者建模和寫文檔的時間。

本文前期的有限元模型采用SESAM 的GeniE 模塊建立，在SESAM 中可導出.FEM 文件，該文件可直接用USFOS 進行時間歷程分析。

3.2 USFOS 分析流程

本文利用USFOS 的時間歷程分析能力對井口區進行落物分析，主要分為3 個階段，以驗證其是否符合設計強度的要求和井口區在落物作用下的變化趨勢。

由上文確定的落物基礎數據可得：井口區設計的標準為能承受從0.6m 高度處墜落的30t 重的BOP，即177kJ 的沖擊能量。

由此，設計輸入條件：落物為30t 重的BOP；落物尺寸為1.9m×3.0m；落物高度為0.6m；沖擊能量為177kJ。

第一階段：在施加虛擬荷載和重力的條件下，采用迭代法逐步加載，當井口區能吸收的能量為178kJ時，井口區的梁格中最大塑性應變為0.1325，沒有達到臨界應變值，即沒有出現斷裂的情況，說明該井口區域在設計時符合強度要求。該階段塑性利用率圖和梁應變圖分別見圖6 和圖7。由此可知，第一階段的能量吸收值為178kJ；最大撞擊力為35.809kN；最大應變值為0.1325。

圖6 第一階段塑性利用率圖

圖7 第一階段梁應變圖

第二階段：在上述工況的基礎上繼續加載，當井口區域有1 根梁格斷裂時，井口區能吸收的能量為282kJ，大于落物墜落時產生的沖擊能量。此時井口區域的梁格的最大塑性應變為0.1504，已達到臨界應變值，有梁格剛發生塑性變形，但塑性變形的區域較小，井口區沒有被完全破壞，仍可繼續使用。該階段塑性利用率圖和梁應變圖分別見圖8 和圖9。由此可知，第二階段的能量吸收值為282kJ；最大撞擊力為38.627kN；最大應變值為0.1504。

圖8 第二階段塑性利用率圖

圖9 第二階段梁應變圖

第三階段：當井口區域有7 根梁格斷裂時，井口區能吸收的能量為1018kJ，遠大于落物墜落時產生的沖擊能量。井口區域的梁格的最大塑性應變為0.1504，梁格塑性變形的區域已很大，井口區域被完全破壞，無法繼續使用。該階段塑性利用率圖和梁應變圖分別見圖10 和圖11。由此可知，第三階段的能量吸收值為1018kJ；最大撞擊力為65.801kN；最大應變值為0.1504。

圖10 第三階段塑性利用率圖

圖11 第三階段梁應變圖

3 個階段的撞擊能量匯總見表2。

表2 撞擊能量匯總

3.3 落物分析結論

井口區落物分析結果匯總見表3，通過計算分析確定第一根梁格斷裂和井口區完全崩潰時的最大能量。

表3 井口區落物分析結果匯總

由表3 可知：

1) 在沖擊能量的作用下，井口區的梁格沒有斷裂，即井口區的可維護性和設計強度滿足使用要求；

2) 在第一根梁格斷裂之前，該井口區域能吸收約1.58 倍的沖擊能量；

3) 該井口區有吸納1018kJ 沖擊能量的極限承載力，是沖擊能量的7.75 倍，該階段的落物會造成井口區域完全崩潰，可能會造成落物和井口區墜落，影響到下層對應甲板區域的安全。

3.4 結論分析

通過以上分析可知，在考慮結構整體塑性的情況下，即允許結構中部分結構失效，保證結構能滿足強度要求，以抵抗物體下落產生的沖擊，可從結構優化方面提供有力保障。結構中，當首根梁發生破壞時，可吸收相對于本文需求的1.58 倍輸入的能量，有較大的能量儲備。當僅進行彈性階段的分析時，一旦某根梁的應力超出許用應力，需進行調整。針對本文所述結構形式，若調整某根梁的截面之后整個結構都需隨之調整，以保證結構的一致性，則在調整該結構時會導致其支撐的其他結構發生變化。

4 結 語

下落物體除了可能撞擊井口區結構以外，還有可能撞擊甲板上的設備、水中結構（如密封艙）、導管架和海底管線。此外，爆破鉆井時防爆設備下落可能導致海底井口遭到破壞。這些碰撞不僅可能導致設備和結構等遭到破壞，而且可能引發二次破壞（爆炸、火災），造成更嚴重的后果。本文提出的方法可用于各種已知初始能量的撞擊分析，由于無須過分考慮結構的初始狀態，能在一定程度上降低分析的難度，在類似的結構分析中具有借鑒和應用價值。