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(huán)境較為復(fù)雜，可能會受到風(fēng)、波浪、海流、海冰和地震等自然環(huán)境因素帶來的載荷及平臺運(yùn)行過程中帶來的生產(chǎn)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(zāi)等引起的事故荷載也有可能對海洋平臺產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使其局部結(jié)構(gòu)（破壞，甚至整體結(jié)構(gòu)）遭到破壞，并帶來人員傷亡和環(huán)境污染等問題。

結(jié)構(gòu)動態(tài)屈曲是近年來固體力學(xué)領(lǐng)域研究較多的內(nèi)容，研究結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的屈曲狀態(tài)，有助于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效評估。

平臺落物分析多采用能量法，即將結(jié)構(gòu)變形吸收的能量與下落物體的動能相比較，若結(jié)構(gòu)破壞之前吸收的能量大于下落物體的動能，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)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(dú)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(jié)構(gòu)的作用，常使得分析結(jié)果較為保守。因此，有必要研究一種既考慮結(jié)構(gòu)的整體性，又考慮結(jié)構(gòu)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(chǎn)操作期，鉆機(jī)的大鉤作業(yè)使得平臺吊機(jī)吊裝有可能產(chǎn)生落物，落物區(qū)域一般均可確定。本文以鉆機(jī)大鉤吊裝作業(yè)防噴器（Blow Out Preventer, BOP）為例，對其在井口區(qū)墜落的情況進(jìn)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(jié)構(gòu)造成的影響通常是較大的塑性變形和較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。下落物體很少對結(jié)構(gòu)整體造成破壞，大部分是造成局部損傷。對于浮式結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)落物撞擊到浮箱時，對結(jié)構(gòu)整體的主要威脅可能是擊穿浮箱，從而削弱漂浮結(jié)構(gòu)在水中的穩(wěn)定性。單個浮箱被擊穿的情況一般可通過分隔箱體和設(shè)置水密封來避免。

1 現(xiàn)狀分析

針對下落物體對結(jié)構(gòu)造成的損傷，DNV GL RP C208 規(guī)范提出2 種方法：一種是考慮能量條件，結(jié)合簡化的彈塑性方法進(jìn)行分析；另一種是利用非線性動力學(xué)的有限元分析方法進(jìn)行仿真模擬。第一種方法是一種簡化的解析法，其計(jì)算簡潔方便，可用于評估撞擊的結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)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(nèi)，精確計(jì)算結(jié)構(gòu)變形與受力之間的作用關(guān)系，但模擬參數(shù)評估難度大，耗時長，實(shí)用性差。

相應(yīng)試驗(yàn)和仿真已證明運(yùn)用非線性有限元軟件進(jìn)行極限強(qiáng)度計(jì)算的有效性。目前許多大型通用有限元軟件已應(yīng)用到船舶及海洋結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度計(jì)算中，但對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)進(jìn)行的分析大多集中在結(jié)構(gòu)單元和局部構(gòu)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(qū)域進(jìn)行落物分析，以判定設(shè)計(jì)的甲板區(qū)域是否滿足強(qiáng)度要求。為便于分析計(jì)算，經(jīng)過調(diào)研，選取DNV GL 的USFOS 軟件作為分析軟件進(jìn)行分析。USFOS 軟件是一款非線性結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，可用來計(jì)算結(jié)構(gòu)初始屈服、整個結(jié)構(gòu)倒塌的機(jī)理和最終的倒塌狀態(tài)。采用簡化的梁單元進(jìn)行分析，分析過程直觀快捷，且對使用者的非線性理論基礎(chǔ)知識的要求較低。

本文的計(jì)算流程見圖1。

圖1 計(jì)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(jī)理

構(gòu)件拉伸斷裂是指部件因過度的抗張應(yīng)變而解除連接，在實(shí)際應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)力或應(yīng)變集中等因素的影響。在實(shí)際中，大多數(shù)海洋平臺使用的材料都是正火鋼，此類鋼在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出了優(yōu)良的延展性，其極限應(yīng)變值超過15%～20%。海洋平臺的某些部件在焊接時常引進(jìn)幾何凹槽，以便進(jìn)行操作，因此常采用高匹配度焊接材料，以便保護(hù)缺陷區(qū)域。只要結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)裂縫，便可在此種情況下設(shè)置一個符合該應(yīng)變值的塑性鉸結(jié)構(gòu)。

本文在進(jìn)行落物分析時允許井口蓋的部件發(fā)生拉伸應(yīng)變，其臨界拉伸應(yīng)變限制為0.15。同時，在落物過程中，井口區(qū)應(yīng)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(zhǔn)則

井口區(qū)材料采用的是線性強(qiáng)化彈塑性材料模型，即考慮材料進(jìn)入塑性之后的應(yīng)變強(qiáng)化。撞擊是一個動態(tài)響應(yīng)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(yīng)變率是高度敏感的?？紤]應(yīng)變敏感性的影響，采用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好的Cower-Symonds 本構(gòu)方程，即

式(1)中：ε˙為塑性應(yīng)變；ε 為塑性應(yīng)變率；σ′為塑性應(yīng)變率ε 對應(yīng)的動屈服應(yīng)力；σ 為相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力；D 和p 為常數(shù)，對于本文所述平臺結(jié)構(gòu)鋼，取D=40.4，p=5 。

材料的失效情況非常復(fù)雜，現(xiàn)通過最大塑性失效應(yīng)變定義材料的失效情況，即當(dāng)結(jié)構(gòu)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到定義的單元最大塑性失效應(yīng)變時單元失效，失效之后的單元不再參與后面的計(jì)算，且不再具有強(qiáng)度。本文采用的最大塑性應(yīng)變?nèi)?.15。

2.3 落物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(qū)域的特定甲板區(qū)在設(shè)計(jì)時要滿足的條件是落物在下落時產(chǎn)生的沖擊能量與甲板結(jié)構(gòu)吸收的結(jié)構(gòu)變形能大小一致。

在海洋平臺中，需進(jìn)行落物分析的基本結(jié)構(gòu)部件主要包括甲板板（包括經(jīng)過加筋板加強(qiáng)的和未加強(qiáng)的）和次要的鋼構(gòu)件梁。對于一些大到足以捕獲到梁格的落物來說，分析的關(guān)鍵是梁格；對于較小的落物來說，其甲板在設(shè)計(jì)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(jì)算中應(yīng)將可能被撞擊的梁格的最小數(shù)量作為計(jì)算的依據(jù)。

在海上鉆井生產(chǎn)平臺中，上層甲板井口區(qū)通?？紤]防噴器墜落，中層甲板和下層甲板通常主要考慮卸貨區(qū)吊機(jī)在吊裝貨物時可能出現(xiàn)的掉落。根據(jù)工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，一般用于結(jié)構(gòu)落物分析的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 落物對象的設(shè)計(jì)

1) 在缺乏可用數(shù)據(jù)的情況下，防噴器的重量和下降高度等數(shù)據(jù)可進(jìn)行假設(shè)模擬；

2) 物體的重量和下降高度是基于鉆井作業(yè)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(jìn)行落物分析時，常見的區(qū)域有上層甲板的井口區(qū)和中層與下層的卸貨區(qū)域。本文以上層甲板的井口區(qū)作為研究對象進(jìn)行落物分析。井口區(qū)在設(shè)計(jì)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(qū)域應(yīng)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(qū)的撞擊部位較多，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取4 個典型位置進(jìn)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(qū)結(jié)構(gòu)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(qū)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(wǎng)格，對撞擊區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?xì)化，海洋平臺井口區(qū)有限元模型見圖4。

根據(jù)落物和井口區(qū)的尺寸，在井口區(qū)中部區(qū)域的4 個節(jié)點(diǎn)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(qū)平面圖和尺寸

圖4 海洋平臺井口區(qū)有限元模型

圖5 井口區(qū)模型加載情況

3 USFOS 落物結(jié)果分析

3.1 USFOS 軟件簡介

USFOS 是挪威海洋工程研究中心聯(lián)合挪威科技大學(xué)開發(fā)的用于對空間框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性和動力學(xué)計(jì)算的軟件。該軟件基于簡化的工程理念，將經(jīng)典解、解析解、精確數(shù)值解和傳統(tǒng)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(jié)果，能節(jié)省設(shè)計(jì)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(dǎo)出.FEM 文件，該文件可直接用USFOS 進(jìn)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(qū)進(jìn)行落物分析，主要分為3 個階段，以驗(yàn)證其是否符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求和井口區(qū)在落物作用下的變化趨勢。

由上文確定的落物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得：井口區(qū)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(dāng)井口區(qū)能吸收的能量為178kJ時，井口區(qū)的梁格中最大塑性應(yīng)變?yōu)?.1325，沒有達(dá)到臨界應(yīng)變值，即沒有出現(xiàn)斷裂的情況，說明該井口區(qū)域在設(shè)計(jì)時符合強(qiáng)度要求。該階段塑性利用率圖和梁應(yīng)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(yīng)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(yīng)變圖

第二階段：在上述工況的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載，當(dāng)井口區(qū)域有1 根梁格斷裂時，井口區(qū)能吸收的能量為282kJ，大于落物墜落時產(chǎn)生的沖擊能量。此時井口區(qū)域的梁格的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.1504，已達(dá)到臨界應(yīng)變值，有梁格剛發(fā)生塑性變形，但塑性變形的區(qū)域較小，井口區(qū)沒有被完全破壞，仍可繼續(xù)使用。該階段塑性利用率圖和梁應(yīng)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(yīng)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(yīng)變圖

第三階段：當(dāng)井口區(qū)域有7 根梁格斷裂時，井口區(qū)能吸收的能量為1018kJ，遠(yuǎn)大于落物墜落時產(chǎn)生的沖擊能量。井口區(qū)域的梁格的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.1504，梁格塑性變形的區(qū)域已很大，井口區(qū)域被完全破壞，無法繼續(xù)使用。該階段塑性利用率圖和梁應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)論

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

表3 井口區(qū)落物分析結(jié)果匯總

由表3 可知：

1) 在沖擊能量的作用下，井口區(qū)的梁格沒有斷裂，即井口區(qū)的可維護(hù)性和設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求；

2) 在第一根梁格斷裂之前，該井口區(qū)域能吸收約1.58 倍的沖擊能量；

3) 該井口區(qū)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(qū)域完全崩潰，可能會造成落物和井口區(qū)墜落，影響到下層對應(yīng)甲板區(qū)域的安全。

3.4 結(jié)論分析

通過以上分析可知，在考慮結(jié)構(gòu)整體塑性的情況下，即允許結(jié)構(gòu)中部分結(jié)構(gòu)失效，保證結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度要求，以抵抗物體下落產(chǎn)生的沖擊，可從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面提供有力保障。結(jié)構(gòu)中，當(dāng)首根梁發(fā)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(dāng)僅進(jìn)行彈性階段的分析時，一旦某根梁的應(yīng)力超出許用應(yīng)力，需進(jìn)行調(diào)整。針對本文所述結(jié)構(gòu)形式，若調(diào)整某根梁的截面之后整個結(jié)構(gòu)都需隨之調(diào)整，以保證結(jié)構(gòu)的一致性，則在調(diào)整該結(jié)構(gòu)時會導(dǎo)致其支撐的其他結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

4 結(jié) 語

下落物體除了可能撞擊井口區(qū)結(jié)構(gòu)以外，還有可能撞擊甲板上的設(shè)備、水中結(jié)構(gòu)（如密封艙）、導(dǎo)管架和海底管線。此外，爆破鉆井時防爆設(shè)備下落可能導(dǎo)致海底井口遭到破壞。這些碰撞不僅可能導(dǎo)致設(shè)備和結(jié)構(gòu)等遭到破壞，而且可能引發(fā)二次破壞（爆炸、火災(zāi)），造成更嚴(yán)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(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，能在一定程度上降低分析的難度，在類似的結(jié)構(gòu)分析中具有借鑒和應(yīng)用價值。