鉆井立管墜物作用下自升式平臺(tái)甲板損傷及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

穆璟寶，孫鳴遠(yuǎn)

（1. 大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116035；2. 大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116602）

0 引言

自升式平臺(tái)作為一種在石油氣資源開采中應(yīng)用最廣泛的鉆井平臺(tái)，作業(yè)時(shí)需要頻繁進(jìn)行諸如吊裝鉆井立管等設(shè)備的作業(yè)，墜物事故也是各類事故發(fā)生頻率最高的。UK HSE和英國(guó)石油部門對(duì)鉆井作業(yè)的意外事故做過(guò)統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)吊機(jī)每年平均需要起吊作業(yè)超過(guò)4 500次，每次起吊作業(yè)物體掉落的概率為2.2×10，超過(guò)一半的墜物會(huì)落在平臺(tái)表面，其中有將近70%的概率會(huì)撞擊到甲板區(qū)域。自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)時(shí)需要起吊的貨物主要有2個(gè)大類：方圓體和細(xì)長(zhǎng)體。典型的代表例如鉆井立管和集裝箱。鉆井立管由于截面積小，接觸面較小且接觸面剛性較大，擊穿甲板從而撞擊下層結(jié)構(gòu)和設(shè)備的可能性更高，往往危害更大，因此研究鉆井立管載荷對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的損傷，對(duì)減少因維修而影響平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)、設(shè)備及工作人員的安全，具有重要意義。

1 墜物損傷問題的研究方法

墜物撞擊自升式平臺(tái)甲板的問題實(shí)質(zhì)上可包含在碰撞動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究的范疇內(nèi)。撞擊的過(guò)程往往伴隨幾何、物理、材料等多方面的變化，具有運(yùn)動(dòng)非線性的特征，是一個(gè)涉及材料學(xué)、剛體力學(xué)、塑性動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合問題。對(duì)于鉆井立管墜落于自升式平臺(tái)甲板的撞擊問題，國(guó)內(nèi)外與之相關(guān)的研究相對(duì)比較少，但主流的研究方法可以參照平臺(tái)與船、船與船、鉆桿等墜物與海底管道的碰撞等相關(guān)問題進(jìn)行研究，主要的研究方法有如下3種：

1）實(shí)驗(yàn)法

通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)，歸納總結(jié)大量重復(fù)性試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)理論對(duì)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。ALSOS等按照1∶3的縮尺比例，模擬船舶在擱淺和碰撞時(shí)針對(duì)典型的船體板件結(jié)構(gòu)的塑性變形和抗斷裂能力進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗(yàn)。CHO等通過(guò)對(duì)33種板架結(jié)構(gòu)的側(cè)面進(jìn)行動(dòng)態(tài)撞擊試驗(yàn)，分析研究其損傷情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。試驗(yàn)法雖然通常可以得到較為可靠的結(jié)果，但撞擊問題由于要造成較大破壞，且具有較強(qiáng)的非線性特征，整個(gè)過(guò)程的不確定性因素較多，因此特別對(duì)于大尺度的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)條件較為苛刻，有一定的局限性。

2）理論計(jì)算法

根據(jù)相關(guān)理論，對(duì)原有問題的模型由理論公式經(jīng)過(guò)等式變換而得出精確解，從而得出撞擊問題中相對(duì)簡(jiǎn)潔的幾何、數(shù)據(jù)關(guān)系。但為了便于應(yīng)用于實(shí)際工程，建模和算法通常需要進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想化處理，因此要在材料性質(zhì)、過(guò)程機(jī)理、運(yùn)動(dòng)軌跡等方面添加約束限制條件，所得結(jié)果的計(jì)算精度相對(duì)而言可能比較低。

3）數(shù)值仿真法

在有限元分析軟件的幫助下，模擬墜物撞擊的真實(shí)物理過(guò)程，不僅能夠獲得撞擊結(jié)束時(shí)的物理參數(shù)，而且能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)、分析整個(gè)撞擊過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的相關(guān)物理參數(shù)，相較而言，該方法具有節(jié)省費(fèi)用和人力物力的優(yōu)點(diǎn)。目前非線性的有限元開發(fā)程序較為豐富，如ANSYS/LS-DYNA、ABAQUS、MSC/DYTRAN等，在工程上都已被成功應(yīng)用，且取得了較為理想的結(jié)果。ALSOS等在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬仿真，驗(yàn)證了LS-DYNA軟件對(duì)處理船舶擱淺和碰撞問題的有效性，并給出了有限元網(wǎng)格單元尺寸的對(duì)于船體板件結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。郝瀛借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件研究了箱型墜物對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)的損壞，對(duì)墜物撞擊甲板的不同位置進(jìn)行仿真模擬，修正完善了單元網(wǎng)格長(zhǎng)度與失效應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 鉆井立管墜落損傷分析

對(duì)于墜物事件，目前只有DNV規(guī)范和BV這2家船級(jí)社對(duì)該問題有較為詳細(xì)的規(guī)定。DNV規(guī)范指出，墜落事件屬偶然意外事件，只有在可能墜落的區(qū)域內(nèi)才會(huì)發(fā)生墜物撞擊事件，規(guī)定需要對(duì)被撞擊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)評(píng)估。墜物事件的因素主要包括沖擊速度、接觸面、撞擊位置、墜物質(zhì)量、邊界條件和墜物的剛度等。在通常情況下，墜物墜落產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化成被撞甲板結(jié)構(gòu)部分的變形能和墜物本身的變形能2個(gè)部分，但對(duì)于類似鉆井立管一樣的管狀墜物軸向撞擊時(shí)，一般將其等效為剛體，因此本文對(duì)鉆井立管用剛體材料進(jìn)行模擬。墜落事故只會(huì)發(fā)生在起重機(jī)可作業(yè)的區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可能墜落的物體如表1所示幾種類型。

表1 墜物分類

為了對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的鉆井立管墜落對(duì)平臺(tái)甲板的損傷進(jìn)行分析，本文采用有限元商業(yè)軟件LS-DYNA，如表1所示，可將鉆井立管視為扁長(zhǎng)形墜物，墜落在平臺(tái)甲板吊機(jī)工作區(qū)域下的一塊甲板上。位置①表示落在甲板板架上，位置②表示落在甲板縱骨上，甲板板架結(jié)構(gòu)及主要構(gòu)件尺寸如圖1所示。

圖1 甲板板架結(jié)構(gòu)及撞擊示意圖（單位：mm）

2.1 建立有限元模型

根據(jù)DNV規(guī)范，在通常情況下墜物撞擊海平面時(shí)的速度約為24 m/s～26 m/s，相當(dāng)于距離水面30 m處開始下落，而對(duì)于鉆井立管撞擊甲板的損傷分析需要減去鉆井甲板平臺(tái)距離水面的距離，可知鉆井立管距離墜落點(diǎn)的距離約8 m。為讓有限元模型更加清晰，設(shè)置立管位于甲板上方0.1 m處，立管的速度

v

=12.51 m/s。板架材料采用AH36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼，密度為 7.85×10t/mm3，彈性模量為2.058×10MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為355 MPa，應(yīng)變敏感系數(shù)

C

和

P

分別為40.4和5，塑性失效系數(shù)為0.15，鉆井立管的材料與板架相同，但視為剛體。有限元模型如圖2所示。

圖2 立管撞擊甲板的模型

為保證計(jì)算精度和正確反映整體結(jié)構(gòu)受到撞擊后的震動(dòng)特征，模型的網(wǎng)格劃分選用20 mm×20 mm。選用面面自動(dòng)接觸，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)均選為0.15。求解過(guò)程中，終止時(shí)間設(shè)為0.05 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。

2.2 鉆井立管沖擊下平臺(tái)甲板損傷分析

1）變形損傷情況

立管設(shè)置在距離平臺(tái) 0.1 m處開始下落，

t

=0.004 s時(shí)立管開始與甲板接觸，在位置1處，作業(yè)甲板首先以接觸點(diǎn)為圓心產(chǎn)生凹陷狀的塑性變形：

t

=0.016 s時(shí)，沖擊超過(guò)其失效應(yīng)變，甲板破裂，隨后破裂面積迅速增大；

t

=0.019 8 s時(shí)，立管可順利通過(guò)甲板，甲板不再破裂。損傷如圖3所示。位置2處，在縱骨位置發(fā)生彎曲褶皺的現(xiàn)象：

t

=0.014 s時(shí)縱骨發(fā)生斷裂，隨后甲板失效破裂；

t

=0.032 s時(shí)，立管可順利穿過(guò)甲板和縱骨直至碰撞結(jié)束。損傷如圖4所示。

圖3 位置1，板中央

圖4 位置2，板中央

2）能量變化情況

在立管撞擊甲板后，位置1處，其大部分損失的動(dòng)能都轉(zhuǎn)換為由于甲板及周圍構(gòu)架塑性變形產(chǎn)生的變形能及動(dòng)能，即使局部構(gòu)架產(chǎn)生振動(dòng)，其中大部分的能量被甲板吸收保留，但由于構(gòu)架被擊穿，墜物仍保留50%以上的動(dòng)能，如圖5所示。位置2處，由于直接縱骨的阻礙有更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為構(gòu)架的內(nèi)能，甲板所吸收的動(dòng)能被縱骨分擔(dān)，雖然最終構(gòu)架還是被擊穿，但上層甲板及構(gòu)架吸收了更多動(dòng)能，對(duì)下部結(jié)構(gòu)的沖擊明顯降低，如圖6所示。

圖5 位置1，能量-時(shí)間歷程曲線

圖6 位置2，能量-時(shí)間歷程曲線

3）碰撞的力的變化情況

如圖7所示：在

t

=0.003 6 s時(shí)，開始有碰撞力產(chǎn)生，位置1處在

t

=0.014 8 s時(shí)達(dá)到峰值，甲板開始破裂，碰撞力也隨之逐漸降低；在

t

=0.019 8 s時(shí)碰撞力降為 0，說(shuō)明立管已經(jīng)完全穿透甲板，繼續(xù)向下墜落。位置2處同樣也是在

t

=0.003 6 s時(shí)開始碰撞，但由于縱骨更直接地參與受力，碰撞力的峰值更大，且到達(dá)峰值的時(shí)間更晚，板架開始失效和完全失效的時(shí)間也更晚。

圖7 位置1和位置2，碰撞力-時(shí)間歷程曲線

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)鉆井立管在距離甲板8 m處下落時(shí)，該目標(biāo)平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)無(wú)法抵抗墜擊所造成的損傷，立管會(huì)穿透上層甲板繼續(xù)對(duì)下部結(jié)構(gòu)或設(shè)備造成破壞，但立管墜落在位于縱骨之上的甲板會(huì)損失更多動(dòng)能，對(duì)下部結(jié)構(gòu)及設(shè)備的破壞程度會(huì)顯著降低。

3 針對(duì)墜物載荷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了保證平臺(tái)的安全性，提高結(jié)構(gòu)的抗墜物沖擊的性能，通過(guò)對(duì)原結(jié)構(gòu)有限元模型的撞擊分析可知，縱骨可以分擔(dān)甲板受到撞擊時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)能，在相同撞擊區(qū)域內(nèi)通過(guò)改變縱骨支撐數(shù)目和結(jié)構(gòu)形式，提升其分擔(dān)吸能的效果，可以在一定程度上減免撞擊帶來(lái)的結(jié)構(gòu)上的損傷和失效。在盡可能小地改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，考慮2個(gè)改良方案：

1）將縱骨材料由角鋼變?yōu)門型材。將原板架結(jié)構(gòu)中的縱骨由尺寸為100 mm×75 mm×7 mm的角鋼替換為尺寸為（501.3×11.1+209×15.9）mm 的 T型材。

2）增加縱骨的數(shù)量。在原板架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加縱骨的數(shù)量，在同等甲板構(gòu)架的條件下縱骨數(shù)量增加1倍。

仍選取立管在甲板上方8 m處下落，重新建立非線性有限元模型進(jìn)行模擬。根據(jù)之前的模型分析，立管撞擊縱骨之間的甲板區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)更高，因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)選取縱骨之間的區(qū)域進(jìn)行撞擊模擬，并通過(guò)分析撞擊過(guò)程，與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，研究針對(duì)墜物載荷而言更加合理的甲板構(gòu)架結(jié)構(gòu)。

通過(guò)撞擊模擬，2種方案均可以有效防止立管被擊穿，在甲板的撞擊位置產(chǎn)生永久凹陷狀塑性變形。

方案1：立管在

t

=0.013 s時(shí)開始停止下落并向上回彈，甲板撞擊處產(chǎn)生的塑性變形更大，兩側(cè)T型材縱骨未產(chǎn)生較大塑性變形。方案2：立管在

t

=0.017 6 s時(shí)停止下落，開始向反方向反彈，撞擊處相鄰兩側(cè)的縱骨產(chǎn)生較大的塑性變形，變形情況如圖8和圖9所示。

圖8 方案1結(jié)構(gòu)撞擊反彈后的變形

圖9 方案2結(jié)構(gòu)撞擊反彈后的變形

原方案、方案1、方案2的結(jié)構(gòu)總體內(nèi)能-時(shí)間變化歷程如圖10所示。可以看出，由于立管未穿透甲板，相較于原方案，改良后的結(jié)構(gòu)撞擊內(nèi)能明顯增加。方案1和方案2總的內(nèi)能增加接近，但二者內(nèi)能增加的過(guò)程與構(gòu)成是有明顯區(qū)別的，如圖11所示：方案1碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能主要由甲板吸收，T型材分擔(dān)的效果不明顯；方案2甲板上的內(nèi)能明顯降低，因?yàn)榭v骨吸收了很大一部分沖擊動(dòng)能。

圖10 不同結(jié)構(gòu)總內(nèi)能-時(shí)間變換歷程

圖11 不同結(jié)構(gòu)甲板內(nèi)能-時(shí)間變換歷程

通過(guò)上述分析可知，改良后的板架結(jié)構(gòu)都可以在原條件下有效防止甲板被立管擊穿，但通過(guò)增加縱骨的數(shù)量可以使撞擊時(shí)各構(gòu)件受到的沖擊能量分擔(dān)更均勻，可以更有效地降低墜物破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

以某型號(hào)的自升式平臺(tái)墜物風(fēng)險(xiǎn)較大的作業(yè)甲板為對(duì)象，根據(jù)實(shí)際工況建立有限元模型，結(jié)果顯示立管墜落后不僅會(huì)穿透甲板，還依舊以較大的動(dòng)能繼續(xù)向下墜落，對(duì)下部結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成很大威脅。通過(guò)將縱骨由角鋼替換為T型材和增加縱骨的數(shù)量都可以有效防止甲板被擊穿，且增加縱骨數(shù)量的改良方案效果較為明顯。本研究可以為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)。