半潛式拆解平臺(tái)碰撞極限強(qiáng)度分析

劉鋼東

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

海洋油氣產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展使固定式海上平臺(tái)的更新周期快速縮短，海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)壽命一般為20～25年。20世紀(jì)80年代左右服役的油氣鉆探采集平臺(tái)近年將陸續(xù)接近其服役年限，根據(jù)《2015年墨西哥灣拆卸報(bào)告》，2010—2014年間墨西哥灣地區(qū)共拆卸海上固定式平臺(tái)及海洋工程結(jié)構(gòu)物共計(jì)90億美元，平均每年超過15億美元。目前，亞太地區(qū)的海洋工程結(jié)構(gòu)物拆卸市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，如何高效、快速地進(jìn)行退役平臺(tái)的拆除和轉(zhuǎn)運(yùn)工作成為海洋工程領(lǐng)域新的挑戰(zhàn)。近年來，固定式及浮式海上油氣開發(fā)項(xiàng)目、風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展勢(shì)頭愈發(fā)強(qiáng)勁，這對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的安裝工作提出更高要求，傳統(tǒng)單體排水型起重駁船、起重鋪管船及半潛式起重平臺(tái)的作業(yè)能力與作業(yè)效率開始面臨巨大挑戰(zhàn)。為滿足固定式海洋工程結(jié)構(gòu)物安裝及拆除市場快速增長的需求，對(duì)新型非對(duì)稱式主浮體結(jié)構(gòu)布置、快速壓載水管理系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)等新技術(shù)進(jìn)行高效集成與綜合應(yīng)用，開發(fā)出新型半潛式起重拆解平臺(tái)。該型平臺(tái)具有起重能力大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、海工作業(yè)能力多樣化等特點(diǎn)，自開發(fā)以來受到越來越多平臺(tái)租賃商的關(guān)注。

雖然半潛式起重拆解平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了其在復(fù)雜海洋環(huán)境條件下長期從事起重、安裝及拆解作業(yè)的需要，但真實(shí)作業(yè)環(huán)境下各類偶發(fā)性非常規(guī)載荷同樣影響到半潛式起重拆解平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全與有效服役壽命。目前，海上交通帶來的碰撞風(fēng)險(xiǎn)對(duì)海上半潛平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全性構(gòu)成了新的威脅。近年來，全球海上碰撞事故頻發(fā)，由碰撞事故導(dǎo)致的平臺(tái)損失及人員傷亡案例屢見報(bào)道。檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)方越來越重視船舶及平臺(tái)因意外碰撞帶來的安全問題，各大船級(jí)社也相繼出臺(tái)了船舶避碰規(guī)則和碰撞載荷下的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估方法[1]。目前對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船等海工結(jié)構(gòu)物的碰撞過程與結(jié)構(gòu)受損后的極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度等問題研究較多，龔順風(fēng)[2]采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)WEN13-1深水導(dǎo)管架平臺(tái)在遭到大噸位起重鋪管船撞擊時(shí)的撞擊載荷及結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行分析。祁恩榮等[3]采用非線性有限元方法對(duì)破損后的雙殼油船的極限強(qiáng)度進(jìn)行分析，為海洋工程結(jié)構(gòu)物在遭受撞擊損傷后的極限強(qiáng)度評(píng)估工作提供了有益指引。已有研究大都集中在導(dǎo)管架平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船等海工結(jié)構(gòu)物，但針對(duì)半潛式起重拆解平臺(tái)這類新型海工產(chǎn)品的極限強(qiáng)度評(píng)價(jià)的方法卻鮮有研究。

1 碰撞分析與結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度

船舶與半潛平臺(tái)等海洋工程結(jié)構(gòu)物的碰撞是一個(gè)高度非線性的動(dòng)力過程，除材料的力學(xué)性能在彈性、塑性變形的各個(gè)階段呈現(xiàn)高度非線性特征外，船舶與被撞平臺(tái)之間的能量交換和擴(kuò)散過程，能量交換帶來的激勵(lì)振蕩對(duì)碰撞過程的影響等都需要采用非靜態(tài)分析方法進(jìn)行描述與求解。通常情況下，將碰撞過程的動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)問題進(jìn)行求解，并對(duì)碰撞事件過程進(jìn)行線性簡化與假設(shè)?；趧?dòng)量守恒或能量守恒，求解碰撞作用下的載荷，以此檢驗(yàn)被撞結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度并判斷結(jié)構(gòu)損傷情況。

本文以某型在建半潛式起重拆解平臺(tái)為研究對(duì)象（見圖1），模擬平臺(tái)與海上供應(yīng)船發(fā)生碰撞的過程，分析半潛平臺(tái)與供應(yīng)船以不同的碰撞角度、在不同位置發(fā)生撞擊的情況下，撞擊動(dòng)能在半潛平臺(tái)立柱區(qū)域構(gòu)件中的擴(kuò)散時(shí)間歷程與結(jié)構(gòu)失效形式，并驗(yàn)證該型半潛平臺(tái)立柱區(qū)域結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。隨后，將結(jié)果數(shù)據(jù)作為平臺(tái)破損后的浮態(tài)分析與穩(wěn)性評(píng)估工作的輸入條件。半潛平臺(tái)主尺度參數(shù)見表1。

圖1 半潛式起重拆解平臺(tái)

表1 半潛重吊起重平臺(tái)主尺度

2 非線性材料的屬性

本文采用的非線性有限元分析方法充分考慮了半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，分析過程完整闡釋了碰撞能量對(duì)構(gòu)件的作用，準(zhǔn)確展示了結(jié)構(gòu)的變形、斷裂和失效過程，對(duì)該類型平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考和指導(dǎo)意義。此外，也為第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提供了可靠的理論分析數(shù)值基礎(chǔ)，分析得到的結(jié)論與數(shù)據(jù)可作為圖紙審查的有力依據(jù)。

船舶與半潛平臺(tái)的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)，對(duì)于船舶在完整及破損狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度，目前已形成了較為完善的分析方法。通過應(yīng)用逐步破壞法或非線性有限元分析方法[4]，能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算得到完整或破損狀態(tài)下船體的總縱極限彎矩、主要構(gòu)件剩余強(qiáng)度、主船體結(jié)構(gòu)潰縮屈曲模態(tài)等，高效的計(jì)算效率與良好的分析精度對(duì)于提升船舶類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性起到極大的促進(jìn)作用。然而，對(duì)于半潛平臺(tái)類的海洋工程結(jié)構(gòu)物，在平臺(tái)受到碰撞后，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大的塑性變形。根據(jù)規(guī)范要求，碰撞載荷下的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估應(yīng)采用塑性動(dòng)態(tài)模型。一旦計(jì)算單元達(dá)到最大的塑性失效應(yīng)變，則認(rèn)為該單元失效，所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件已發(fā)生破壞，不再具有承載能力[5-6]。

在船舶碰撞過程中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)，其動(dòng)力特性不能忽略。平臺(tái)的塑性對(duì)應(yīng)變率高度敏感，故應(yīng)考慮材料的應(yīng)變率對(duì)材料模型的影響[7]。本文采用Cowper-Symonds應(yīng)變率強(qiáng)化模型方程對(duì)應(yīng)變率進(jìn)行描述。

在ABAQUS中，基于Cowper-Symonds應(yīng)變率本構(gòu)方程的彈塑性材料屈服應(yīng)力表達(dá)式為

式中：σy為動(dòng)屈服應(yīng)力；σ0為初始屈服應(yīng)力；ε為等效應(yīng)變率；C和P為Cowper-Symonds模型的應(yīng)變率參數(shù)，此處C=4 000，P=5。

半潛式海洋平臺(tái)材料參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 半潛式海洋平臺(tái)材料參數(shù)設(shè)置情況

3 有限元模型建立

本文以半潛平臺(tái)右后立柱為研究對(duì)象，對(duì)側(cè)面正撞和立柱拐角斜撞2種情況進(jìn)行評(píng)估，供應(yīng)船碰撞平臺(tái)的方向和位置示意圖見圖2。

圖2 供應(yīng)船碰撞平臺(tái)的方向和位置示意圖

3.1 碰撞船型選擇

本文選取某型海上供應(yīng)船作為碰撞船型，假定其艏部與半潛平臺(tái)發(fā)生碰撞，分析半潛平臺(tái)的損傷程度。主尺度見表3，供應(yīng)船外形見圖3。

表3 供應(yīng)船主尺度

圖3 供應(yīng)船側(cè)視圖

根據(jù)挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）的相關(guān)規(guī)定，碰撞總動(dòng)能表達(dá)式為

式中：E為碰撞總動(dòng)能；M為排水量，M=5 000 t；v為航速，v=2 m/s；a為碰撞船的附加質(zhì)量，a=0.1M。

3.2 碰撞區(qū)域的界定

根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）和美國船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）對(duì)柱穩(wěn)式平臺(tái)破損區(qū)域的相關(guān)規(guī)定[8]，高度方向上的碰撞破損應(yīng)當(dāng)位于水線以上5 m和水線以下3 m之內(nèi)的任意高度范圍內(nèi)；水平方向上的碰撞破損應(yīng)達(dá)到1.5 m的破損深度。

綜合考慮目標(biāo)供應(yīng)船的吃水和半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)水線位置，考慮兩船在設(shè)計(jì)海況下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，本文選取距基線14 300 mm～21 000 mm高度范圍作為碰撞考察破損區(qū)，碰撞區(qū)域有限元模型見圖4。

圖4 碰撞區(qū)域有限元模型

假設(shè)船體剛性足夠大，在碰撞工程中不會(huì)產(chǎn)生變形。根據(jù)規(guī)范要求，采用自適應(yīng)接觸對(duì)平臺(tái)與船體之間的耦合進(jìn)行表征。在撞擊后，平臺(tái)將能量全部吸收，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，計(jì)算結(jié)果趨于保守。平臺(tái)整體采用板梁混建，材料為彈塑性結(jié)構(gòu)鋼。板單元主要用于模擬艙壁、骨材腹板和T梁，梁單元主要模擬骨材面板和尺寸較小的扶強(qiáng)材。碰撞位置示意圖見圖5。

圖5 碰撞位置示意圖

3.3 模型邊界條件

有限元模型邊界條件見圖6。

圖6 有限元模型邊界條件

4 分析結(jié)果

4.1 碰撞后結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

立柱為雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼之間沿高度方向每隔2.25 m設(shè)置一道平臺(tái)甲板，強(qiáng)框架豎向布置。供應(yīng)船以2 m/s的速度撞擊平臺(tái)立柱。

1）在位置1處，0.42 s時(shí)平臺(tái)撞擊深度達(dá)到最大值，約0.498 m。供應(yīng)船的撞擊速度由初始的2 m/s降為 0，此時(shí)供應(yīng)船的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的內(nèi)能（假定船體為剛體，不吸收能量）。隨后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反彈，供應(yīng)船出現(xiàn)了反向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)體系在1.5 s時(shí)達(dá)到靜平衡，平臺(tái)最終撞擊深度約0.28 m。平臺(tái)立柱外殼板、內(nèi)部平臺(tái)甲板、豎向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)均進(jìn)入塑性階段，外殼板局部破損，內(nèi)部平臺(tái)甲板局部潰縮失效，2根強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)斷裂失效。0.42 s和1.5 s時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)情況見圖7和圖8。

圖7 0.42 s時(shí)位置1處的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

圖8 1.5 s時(shí)位置1處的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

續(xù)圖8 1.5 s時(shí)位置1處的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

2）在位置2處，0.58 s時(shí)出現(xiàn)最大撞擊深度，約0.665 m，供應(yīng)船撞擊速度由初始的2 m/s降為0。隨后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)開始振蕩，直至達(dá)到靜平衡，最終，平臺(tái)在撞擊方向留下了深度為0.58 m的破洞。平臺(tái)立柱外殼板、內(nèi)部平臺(tái)甲板、豎向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)均進(jìn)入到塑性階段，外殼板局部破損，內(nèi)部平臺(tái)甲板局部潰縮失效，2根強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)斷裂失效。0.58 s和1.5 s時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)情況見圖9和圖10。

圖9 0.58 s時(shí)位置2處的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

圖10 1.5 s時(shí)位置2處的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

4.2 碰撞后能量耗散分析

從圖9和圖10可知，碰撞后2處位置均發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，外板出現(xiàn)破洞，內(nèi)部骨材和板架發(fā)生坍塌斷裂。兩位置處的最大侵入深度分別為0.498 m和0.665 m。盡管碰撞后平臺(tái)出現(xiàn)破損，但2個(gè)位置的破損深度均小于規(guī)范要求的許可值，破損后平臺(tái)的穩(wěn)性仍在可控范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)傾覆。

位置1和位置2處能量吸收曲線見圖11和圖12，位置1和位置2處供應(yīng)船速度曲線見圖13和圖14，位置1和位置2處供應(yīng)船侵入深度曲線見圖15和圖16。碰撞從0 s開始接觸，至1.5 s結(jié)束，動(dòng)能完全被平臺(tái)結(jié)構(gòu)吸收，能量的總量沒有發(fā)生變化。位置1撞擊過程中出現(xiàn)了一次反彈，而位置2出現(xiàn)了多次振蕩性反彈，這是因?yàn)槠脚_(tái)結(jié)構(gòu)是彈塑性可變現(xiàn)體，整體剛度與結(jié)構(gòu)的連續(xù)性有關(guān)。在碰撞瞬間供應(yīng)船的侵入深度達(dá)到極值，隨后平臺(tái)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的回彈，最終趨于穩(wěn)定。

圖11 能量吸收曲線（位置1）

圖12 能量吸收曲線（位置2）

圖13 供應(yīng)船速度曲線（位置1）

圖14 供應(yīng)船速度曲線（位置2）

圖15 供應(yīng)船侵入深度曲線（位置1）

圖16 供應(yīng)船侵入深度曲線（位置2）

5 結(jié)論

本文以某型在建半潛式起重拆解平臺(tái)為研究對(duì)象，模擬平臺(tái)與海上供應(yīng)船發(fā)生碰撞的過程，分析半潛平臺(tái)與供應(yīng)船以不同的碰撞角度、在不同位置發(fā)生撞擊的情況下，撞擊動(dòng)能在半潛平臺(tái)立柱區(qū)域構(gòu)件中的擴(kuò)散時(shí)間歷程與結(jié)構(gòu)失效形式，并驗(yàn)證該型半潛平臺(tái)立柱區(qū)域結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，可得到如下結(jié)論：

1）碰撞過程具有明顯的非線性特征，平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)破壞形式主要為擠壓變形、屈曲失穩(wěn)和壓潰等。

2）該型在建項(xiàng)目的撞船意外載荷結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。盡管出現(xiàn)了不同程度的損傷，但破損范圍仍然滿足規(guī)范要求。

3）接觸區(qū)域的模型單元的尺寸不得小于為1/4的骨材間距，細(xì)化的區(qū)域要足夠大，以滿足變形的精度要求。

4）破損口的大小與進(jìn)水量相關(guān)，碰撞后破損情況可為穩(wěn)性計(jì)算提供理論依據(jù)。