撞擊載荷作用下水下沉箱防護(hù)設(shè)施損傷分析

朱春麗，李書兆，沈曉鵬，安維崢，王琦程，徐萬海

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027；2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其適用性強(qiáng)、效率高、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)勢已成為淺海邊際油氣田、深海油氣田開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。但是，位于通航區(qū)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)面臨船錨、平臺(tái)或船舶墜落物及漁網(wǎng)等第三方海上活動(dòng)造成的撞擊拖掛危險(xiǎn)，容易發(fā)生斷裂、局部撞擊凹痕或局部破損開裂等損傷失效事故[1]。

現(xiàn)階段，針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護(hù)設(shè)施的研究仍無法滿足工程實(shí)際需求，應(yīng)用較多的水下生產(chǎn)系統(tǒng)防護(hù)設(shè)施多為單體防護(hù)，即對水下管線、臍帶纜等采用獨(dú)立的保護(hù)裝置，沉箱一體式防護(hù)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中基本沒有應(yīng)用[2]。

在水下設(shè)施防護(hù)領(lǐng)域，F(xiàn)luor Technologies Corporation[3]針對水下鉆井孔提出了一種物理防護(hù)設(shè)施，該防護(hù)結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)籠罩著鉆井孔的沉箱，沉箱結(jié)構(gòu)由3部分拼接而成，分別為圓形頂、筒形壁和平底。Ottesen Hansen[4]對水下結(jié)構(gòu)發(fā)生的沖刷現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了一種水下井口的防護(hù)設(shè)施。Harris等[5]受此啟發(fā)，為水下管匯設(shè)計(jì)了防落物沉降撞擊和管道旋轉(zhuǎn)的安全設(shè)施。中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司和中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司[6]設(shè)計(jì)了一種防護(hù)型水下隧道，在水下隧道的頂部設(shè)置圓弧形或者拱形隧道防護(hù)罩，抵抗沉船和錨擊。中海油工程公司在南海某氣田項(xiàng)目對水下采油樹及控制設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)施開展防漁網(wǎng)等外力拖掛的保護(hù)措施，采用了水下Y型三通結(jié)構(gòu)防護(hù)罩對水下管道終端管匯和水下分配單元進(jìn)行了物理防護(hù)[7]。

現(xiàn)針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的落錨、落物、漁網(wǎng)拖掛等危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一種如圖1所示的帶有非對稱開孔頂蓋的沉箱結(jié)構(gòu)作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)施，該沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)帶有非對稱開孔的頂蓋，可以有效抵御落錨等對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的損害，保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全正常運(yùn)行。

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Caisson protection structure of subsea production system

目前的撞擊損傷分析主要為海底管道的損傷分析，沉箱分析主要為應(yīng)用于平臺(tái)、港口等作為基礎(chǔ)的沉箱結(jié)構(gòu)承載性分析。Pal等[8]使用有限元軟件對帶有損傷的海底管道進(jìn)行了數(shù)值分析，對管道應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。Wang等[9]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對水泥復(fù)合管道的橫向撞擊問題進(jìn)行了研究。婁敏等[10]利用有限元軟件模擬落錨撞擊水下管匯，分析了落錨接觸面形狀和海床土體對水下管匯損傷程度的影響。黃啟峰等[11]進(jìn)行了落錨撞擊水下管道數(shù)值模擬和試驗(yàn)，分析了不同下落高度、質(zhì)量、形狀的落錨對海底管道的損傷。Sukumaran等[12]通過數(shù)值模擬分析了吸力式沉箱的基礎(chǔ)承載力與極限承載力。Giovanni等[13]應(yīng)用有限元模擬的方法研究了直立式沉箱防波堤的動(dòng)力響應(yīng)情況。孫百順等[14]利用ABAQUS有限元軟件研究了沉箱防波堤的極限承載力和穩(wěn)定性。楊劍等[15]利用ABAQUS研究了吸力式沉箱組合基礎(chǔ)的承載特性。

水下防護(hù)設(shè)施在撞擊載荷作用下?lián)p傷分析方面的研究現(xiàn)階段無法滿足工程實(shí)際需求，對于如圖1所示的帶有非對稱開孔頂蓋的新型沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)研究尚處空白。利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了精確建模，模擬了沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，對沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了撞擊損傷的深入分析。

1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型參數(shù)

沉箱結(jié)構(gòu)分為兩部分：沉箱圓筒和沉箱頂蓋。其中沉箱圓筒為無蓋圓柱體，鋼制結(jié)構(gòu)，高8 m，直徑28 m，壁厚22 mm；沉箱頂蓋為鋼—混凝土—鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，高0.4 m，直徑28.5 m，鋼板厚度為25 mm，頂蓋有多個(gè)不對稱長方形開孔。沉箱結(jié)構(gòu)位于泥面下0.5 m處，周圍土體為粉質(zhì)黏土，材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab. 1 Material parameters

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行沉箱結(jié)構(gòu)撞擊數(shù)值模擬。在進(jìn)行ABAQUS有限元建模時(shí)，土體的選擇應(yīng)該足夠大，以避免邊界效應(yīng)。為此，文中土體的范圍設(shè)置為100 m×100 m×50 m，土體四周和底部設(shè)置為固支，可有效避免邊界效應(yīng)。土體本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb破壞模型，該模型所涉及到的參數(shù)擁有簡單和易確定的優(yōu)點(diǎn)，并且可以表述土體在不同加載條件下的屈服和破壞強(qiáng)度。

在劃分網(wǎng)格時(shí)，沉箱結(jié)構(gòu)的頂蓋和圓筒屬于薄壁結(jié)構(gòu)，使用C3D8和C3D8R網(wǎng)格類型進(jìn)行計(jì)算可能導(dǎo)致沙漏問題，故采用C3D8I網(wǎng)格類型，可以有效避免沙漏問題的產(chǎn)生，而土體結(jié)構(gòu)則采用常用的C3D8R網(wǎng)格類型進(jìn)行計(jì)算。落物為離散剛體，使用R3D4網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，如圖2(a)和2(b)所示。

圖2 沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊模擬模型Fig. 2 Schematic diagram of impact simulation model of caisson protection structure

1.2 落物形狀

位于通航區(qū)的水下防護(hù)設(shè)施可能受到多種不同類型的落物撞擊，例如落錨、沉船、貨物、集裝箱、機(jī)械設(shè)備等。在研究沉箱結(jié)構(gòu)撞擊問題時(shí)，考慮多種形狀的落物，落物可簡化為球體、長方體、三棱柱等簡單的幾何體，以代替原物體與防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撞擊的部分進(jìn)行撞擊損傷模擬，如防護(hù)設(shè)施受到沉船撞擊，球體落物可以表示球鼻艏與沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊，長方體可以表示船底與沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊，三棱柱可以表示側(cè)傾的船體與沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊。同時(shí)考慮落錨對沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊損傷，選取我國海域航區(qū)內(nèi)船只常用的霍爾錨進(jìn)行落錨的建模，根據(jù)我國制定的《霍爾錨標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 546—2016)[16]中的尺寸進(jìn)行霍爾錨建模，忽略掉錨桿、錨爪，只考慮錨冠部分。落物模型如圖3所示，為保證頂蓋結(jié)構(gòu)損傷差異是由落物形狀不同引起的，各個(gè)落物模型均設(shè)置為質(zhì)量、橫截面積相同的離散剛體。

圖3 落物模型示意Fig. 3 Schematic diagram of falling object model

1.3 落物速度、質(zhì)量

研究同一形狀落物在不同質(zhì)量、不同速度的情況下對沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊損傷。根據(jù)DNV-RP-F107規(guī)范[17]中的規(guī)定，靜水的物體在水中自由下落一段時(shí)間，速度會(huì)達(dá)到一個(gè)定值，落物在水中最大下落速度為：

(1)

其中，vm為落物最大下落速度；m為落物質(zhì)量；g為重力加速度；ρω為海水密度；ρa(bǔ)為落物密度；A為落物在墜落方向的橫截面積；Cd為拖曳系數(shù)，取值見表2。

表2 拖曳系數(shù)Tab. 2 Drag coefficient

選取霍爾錨作為落物模型，根據(jù)速度公式可計(jì)算出不同質(zhì)量的霍爾錨下落最大速度。據(jù)調(diào)研，沉箱防護(hù)設(shè)施所處海域通航船只配備最大錨重為18 t，設(shè)計(jì)如表3所示的工況進(jìn)行沉箱結(jié)構(gòu)撞擊損傷分析。

表3 落物質(zhì)量、速度工況Tab. 3 Cases of mass and speed

1.4 落物撞擊位置

沉箱結(jié)構(gòu)的頂蓋開有6個(gè)非對稱開孔，所以落物的撞擊位置會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同情況的損傷，現(xiàn)以質(zhì)量為18 t，速度為4 m/s的霍爾錨為例，研究同一落物在相同質(zhì)量、相同速度、不同撞擊位置的情況下對沉箱結(jié)構(gòu)的撞擊損傷。將帶有非對稱開孔的沉箱頂蓋分成如圖4所示的8個(gè)區(qū)域，落物撞擊位置工況如表4所示。

表4 落物撞擊位置工況Tab. 4 Cases of impact position

圖4 頂蓋分區(qū)及撞擊位置Fig. 4 Division and impact position of caisson roof

2 沉箱結(jié)構(gòu)撞擊損傷參數(shù)

2.1 不同落物形狀對頂蓋的撞擊損傷

為了研究不同形狀的落物對沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的撞擊損傷，分別選取了質(zhì)量為5 t，速度為4 m/s的霍爾錨、球體、長方體、三棱柱模型進(jìn)行沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋撞擊數(shù)值模擬。其中落物模型尺寸相仿，撞擊點(diǎn)相同。在撞擊點(diǎn)的選取上，選取了頂蓋較為中心，離開孔較遠(yuǎn)的點(diǎn)(2,0)，以研究不同形狀的落物對撞擊點(diǎn)的應(yīng)力大小，撞擊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻的應(yīng)力云圖如圖5所示。對4種不同形狀落物進(jìn)行頂蓋撞擊有限元數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。從有限元模擬結(jié)果可以看出，不同形狀的落物對沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的撞擊點(diǎn)處最大撞擊應(yīng)力影響較大，霍爾錨、長方體落物的應(yīng)力較大，球體和三棱柱應(yīng)力較小。數(shù)值模擬結(jié)果表明存在較為尖銳部分或突出部分的落物應(yīng)力反而較小，這是因?yàn)槌料浣Y(jié)構(gòu)上部存在土體，存在突出部分的落物與土體接觸面積較大，摩擦較大。因此在實(shí)際工程中，相比于其他形狀的落物，需要更加注意落錨對頂蓋結(jié)構(gòu)的撞擊損傷情況。

圖5 撞擊點(diǎn)應(yīng)力最大時(shí)刻應(yīng)力云圖Fig. 5 Stress nephogram at the moment of maximum stress at impact point

圖6 不同形狀落物撞擊點(diǎn)處最大應(yīng)力Fig. 6 Maximum stress at impact point of falling objects with different shapes

2.2 不同落物質(zhì)量對頂蓋的撞擊損傷

研究不同質(zhì)量的落物對沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的撞擊損傷，以霍爾錨作為落物，下落速度為4 m/s，撞擊位置為(2,0)，選取質(zhì)量為5 t、10 t、18 t的工況分別進(jìn)行撞擊損傷有限元模擬，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯诼湮镄螤?、速度、撞擊位置相同時(shí)，撞擊點(diǎn)處最大應(yīng)力隨著質(zhì)量增大不斷增大，這是因?yàn)樵谙嗤俣认?，落物質(zhì)量越大撞擊能量越大。從圖7中可以看出，18 t的錨造成的最大應(yīng)力為35.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂蓋鋼板的屈服應(yīng)力(270 MPa)，而落物撞擊能量與質(zhì)量基本呈線性關(guān)系，撞擊應(yīng)力與撞擊能量基本呈線性關(guān)系，故可以推斷出，在撞擊速度較小、撞擊位置較安全時(shí)，即使落物質(zhì)量較大，也不會(huì)對頂蓋造成較大損傷。

圖7 不同質(zhì)量落物撞擊點(diǎn)處最大應(yīng)力Fig. 7 Maximum stress at impact point of falling objects with different masses

2.3 不同落物速度對頂蓋的撞擊損傷

研究不同速度的落物對沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的撞擊損傷，以霍爾錨作為落物，質(zhì)量為18 t，撞擊位置為(2,0)，選取速度為2 m/s、4 m/s、6 m/s的工況分別進(jìn)行撞擊損傷有限元模擬，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，在落物形狀、質(zhì)量、撞擊位置相同時(shí)，撞擊點(diǎn)處最大應(yīng)力隨著撞擊速度增大不斷增大，這是因?yàn)樵谫|(zhì)量相同時(shí)，落物撞擊速度越大撞擊能量越大。從圖8中可以看出，撞擊速度為6 m/s時(shí)造成的最大應(yīng)力為51.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂蓋鋼板的屈服應(yīng)力(270 MPa)，而6 m/s是18 t的錨在水中可以達(dá)到的最大下落速度，故可以推斷出，在落物質(zhì)量較小、撞擊位置較安全時(shí)，撞擊不會(huì)對頂蓋造成較大損傷。

圖8 不同速度落物撞擊點(diǎn)處最大應(yīng)力Fig. 8 Maximum stress at impact point of falling objects with different velocities

2.4 不同撞擊位置對頂蓋的撞擊損傷

沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋存在非對稱開孔，所以不同的撞擊位置會(huì)導(dǎo)致不同的最大撞擊應(yīng)力，以霍爾錨作為落物，質(zhì)量為18 t，撞擊速度為4 m/s，選取如表4所示的9種工況分別進(jìn)行撞擊損傷有限元模擬，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，由于非對稱開孔的存在，不同撞擊位置對最大撞擊應(yīng)力影響較大。距離開孔越近，最大撞擊應(yīng)力越大，距離開孔越遠(yuǎn)，撞擊應(yīng)力越小。同時(shí)，處于兩個(gè)距離較近開孔的連接處撞擊應(yīng)力最大，在上述幾種工況中，撞擊位置(-2,9)的撞擊應(yīng)力最大。這是因?yàn)樽矒粑恢锰幱陂_孔附近時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致較大的撞擊應(yīng)力，開孔附近，尤其是兩個(gè)距離較近的開孔連接處為應(yīng)力敏感區(qū)域，容易產(chǎn)生較大撞擊應(yīng)力。從圖9中可以看出，在落物質(zhì)量為18 t，撞擊速度為4 m/s時(shí)，較危險(xiǎn)的撞擊位置最大應(yīng)力為104.3 MPa，超過頂蓋鋼板最大屈服應(yīng)力的35%，且18 t的落錨在水中可達(dá)到的最大下落速度大約為6 m/s，所以需要注意頂蓋較危險(xiǎn)位置在遭受落錨撞擊時(shí)可能產(chǎn)生的損傷?？梢詫﹂_孔附近以及距離較近的開孔連接處結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，如增加鋼板厚度、布置加筋肋、布置隔板等方法加強(qiáng)其抗沖擊性能，保證頂蓋應(yīng)力較敏感位置在遭受撞擊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。如圖10所示，為有限元模擬中頂蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的應(yīng)力較敏感區(qū)域，在實(shí)際工程中需要著重關(guān)注應(yīng)力較敏感區(qū)域的損傷情況。

圖9 落物不同撞擊位置最大應(yīng)力 Fig. 9 Maximum stress of falling objects at different impact positions

圖10 頂蓋應(yīng)力較敏感區(qū)域示意Fig. 10 Schematic diagram of stress sensitive area of caisson roof

3 結(jié) 語

對新型水下生產(chǎn)系統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)施進(jìn)行了撞擊數(shù)值模擬，對沉箱防護(hù)設(shè)施進(jìn)行了合理建模，能夠清晰地反映沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊損傷，主要研究了沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)帶有非對稱開孔的頂蓋應(yīng)力情況，探究了不同落物形狀、不同質(zhì)量、不同速度和不同撞擊位置對沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的撞擊損傷，取得了如下主要結(jié)論：

1) 不同形狀的落物對撞擊應(yīng)力影響較大，由于沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)上部存在土體，帶有突出部分或較尖銳部分落物撞擊應(yīng)力反而較小，而錨形狀、長方體的落物撞擊應(yīng)力較大。在實(shí)際應(yīng)用中需要著重考慮錨形狀、長方體落物對沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)造成的損傷。

2) 撞擊應(yīng)力與落物質(zhì)量、速度成正比。在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮不同質(zhì)量落物和下落水深對沉箱防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊損傷，一般來說質(zhì)量小于18 t的落物撞在較安全位置時(shí)不會(huì)對頂蓋造成嚴(yán)重的撞擊損傷。

3) 沉箱結(jié)構(gòu)頂蓋的非對稱開孔對最大撞擊應(yīng)力影響很大，距離開孔越近，最大撞擊應(yīng)力越大。其中，距離開孔較近處和處于兩個(gè)距離較近開孔的連接處為應(yīng)力較敏感區(qū)域，此區(qū)域的落物撞擊會(huì)導(dǎo)致很大的撞擊損傷，需要對該應(yīng)力較敏感區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)。

文中對帶有非對稱開孔的沉箱式水下防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，研究結(jié)果對沉箱式水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全預(yù)警等方面具有重要參考價(jià)值。