劉英芳，王海軍，石強(qiáng)，王欣，楊岳山

海洋平臺物體墜落安全分析

劉英芳，王海軍，石強(qiáng)，王欣，楊岳山

為保證海洋平臺鉆桿墜落對鉆臺撞擊后的結(jié)構(gòu)安全性能，對鉆桿墜落撞擊鉆臺過程分別進(jìn)行經(jīng)驗公式計算、非線性靜力分析和非線性動力分析，對比3種評估方法的特點，制定適用于實際工程的平臺物體墜落安全分析流程，滿足從快速評估到精細(xì)化計算的設(shè)計需求。對平臺物體墜落進(jìn)行非線性數(shù)值仿真計算，得到與外載荷對應(yīng)的最大變形，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變集中分布，材料破斷位置，能量轉(zhuǎn)換及速度隨時間的變化規(guī)律。

海洋平臺；鉆臺；墜落物；非線性；動力分析

在海洋油氣勘探開發(fā)中，海洋平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境中作業(yè)，除了受到正常工作載荷以及風(fēng)浪流和海冰等環(huán)境載荷作用外，一些意外突發(fā)事件，如船與平臺碰撞、火災(zāi)爆炸及平臺鉆桿墜落等時有發(fā)生。其中平臺物體墜落作為一項主要的意外突發(fā)事件，被越來越多的船東業(yè)主所關(guān)注，并提出物體墜落的安全分析需求[1-2]。

平臺物體墜落安全評估方法主要基于能量守恒原理的公式計算和數(shù)值分析2種方法。公式計算法通過經(jīng)驗公式計算結(jié)構(gòu)的吸收能，能夠提供保守、有效的快速評估，缺點是墜落物沖擊區(qū)域的選取決定著吸收能的大小、經(jīng)驗公式的設(shè)計參數(shù)具有一定適用范圍；并且公式計算僅能從宏觀的吸收能與墜落物的沖擊動能大小比較來判斷結(jié)構(gòu)抗沖擊能力，而無法對局部應(yīng)變集中位置、材料破斷區(qū)域等結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)做出準(zhǔn)確預(yù)測。數(shù)值分析方法則能夠通過準(zhǔn)確的幾何、材料模型構(gòu)建，對物體墜落沖擊過程進(jìn)行非線性靜力和非線性動力的數(shù)值仿真，得到更為準(zhǔn)確、優(yōu)化的安全評估結(jié)果。

為此，考慮制定一種工程化的平臺物體墜落安全分析流程，滿足從快速評估到精細(xì)化計算的不同設(shè)計階段需求，見圖1。

以某海洋平臺鉆臺甲板為研究對象開展鉆桿墜落的安全評估，分別應(yīng)用公式計算、非線性靜力分析以及非線性動力分析3種方法進(jìn)行計算分析。

1 工程研究對象

某海洋鉆臺甲板模型尺寸見圖2。

鉆臺材料為AH36鋼，屈服應(yīng)力355 MPa，極限拉伸強(qiáng)度620 MPa，斷裂應(yīng)變0.20，甲板板厚20 mm。鉆桿重量9.3 t，墜落高度1.5 m，重力加速度9.81 m/s2。根據(jù)動能計算公式可知鉆臺結(jié)構(gòu)所需承受的沖擊動能Ekin=136.8 kJ。

2 公式計算

選取具有代表性的DNV規(guī)范公式進(jìn)行鉆桿墜落的安全評估計算，計算表明鉆臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求。分析發(fā)現(xiàn)規(guī)范公式不適用于本例，計算結(jié)果不能作為評估依據(jù)。同時計算公式具有理想假定，認(rèn)為沖擊能完全由局部區(qū)域吸收，能量吸收區(qū)域的選取極大影響校核結(jié)果準(zhǔn)確性。當(dāng)加強(qiáng)筋間距較小時，選取加強(qiáng)筋界定區(qū)域進(jìn)行計算，預(yù)測結(jié)果偏于保守；加強(qiáng)筋間距較大時，則預(yù)測結(jié)果偏危險。因此如何合理選取沖擊區(qū)域是公式應(yīng)用的難點。

3 非線性分析

非線性靜力分析的基本原理是通過對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增載荷將結(jié)構(gòu)推至某給定位移或應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)而分析該過程結(jié)構(gòu)薄弱位置及其他非線性狀態(tài)的反應(yīng)[3-4]。

根據(jù)圖2所示鉆臺尺寸，使用Ansys軟件建立沖擊區(qū)域有限元模型，見圖3。

為準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，使用shell181、solid185單元建模進(jìn)行對比計算，材料模型采用多線性等效強(qiáng)化模型，網(wǎng)格密度10 mm×10 mm。四邊簡支，載荷以面載荷形式施加在鉆桿與鉆臺沖擊接觸區(qū)域，以4.95 kN間隔單調(diào)遞增，保守假定甲板單元達(dá)到斷裂應(yīng)變時即停止加載。

對比殼單元模型和體單元模型的有限元(見圖4、5)分析結(jié)果，材料在發(fā)生破壞時最大等效應(yīng)變均達(dá)到設(shè)定值0.2，表明有限元模型的材料屬性及網(wǎng)格尺寸滿足計算要求，能夠捕捉到材料達(dá)到塑性極限的載荷步及此時的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

與外載荷對應(yīng)的最大變形見圖6，分析圖6，在材料單元達(dá)到斷裂應(yīng)變時，殼單元模型計算得到的吸收能為50.6 kJ，體單元模型計算得到的吸收能為73.6 kJ，均小于沖擊動能，鉆臺結(jié)構(gòu)不滿足防沖擊要求；同時結(jié)果還表明殼單元模型計算結(jié)果更為保守，在進(jìn)行初步快速評估時可采用殼單元建模，對于精細(xì)化計算則應(yīng)盡量在沖擊區(qū)域以體單元建模，保證計算精度。

4 非線性動力分析

靜力分析僅能保證結(jié)構(gòu)所能承受的靜載荷極限，而當(dāng)載荷隨時間變化時，單純靜力分析并不能完全真實反應(yīng)鉆桿撞擊鉆臺的力學(xué)時歷過程。對于物體墜落安全評估問題，整體模型的吸收能并不能作為結(jié)構(gòu)安全的唯一評判標(biāo)準(zhǔn)，對于最大應(yīng)變集中位置、破斷位置以及隨時間變化的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等則需要非線性動力分析技術(shù)才能解決[5-7]。另外非線性動力分析可以模擬墜落防護(hù)物如甲板墊木、橡膠墊等各因素，同樣是公式計算及非線性靜力分析難以考慮的。

4.1 計算原理

非線性動力分析的數(shù)值算法目前主要有顯式方法和隱式方法。顯式方法適于處理瞬態(tài)、大變形問題，隱式方法適于處理穩(wěn)態(tài)、非線性靜動力問題。對于鉆桿墜落碰撞的動態(tài)求解問題，采用顯式時間積分法能夠得到準(zhǔn)確求解。碰撞過程的動力平衡方程如下。

(1)

由式(2)計算可得，節(jié)點加速度矢量為

(2)

采用中心差分法計算節(jié)點速度矢量與位移矢量為

(4)

對于動力分析問題，顯式算法非常適用于大矩陣方程的求解，由于顯式算法不需要進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置與迭代，其所有非線性均包含在內(nèi)力矢量中，因此在同一時間步內(nèi)，顯式算法比隱式算法的計算效率更高。

4.2 平臺物體墜落數(shù)值仿真

使用Ansys/Ls-dyna顯式動力求解器進(jìn)行非線性動力分析，鉆臺及鉆桿有限元模型見圖7。

結(jié)構(gòu)模型采用solid164單元建立，網(wǎng)格密度10mm×10mm，鉆臺材料模型采用分段線性塑性模型，鉆桿材料模型采用剛體模型。計算得到鉆桿初始速度v=5.425 m/s。動摩擦及靜摩擦系數(shù)均取恒定值0.2，考慮到鉆桿端部先細(xì)后粗的變截面形狀，其對鉆臺甲板的撞擊將發(fā)生初始碰撞及二次碰撞，設(shè)定計算時間為0.12 s。

計算結(jié)果表明，鉆桿與鉆臺甲板的碰撞過程主要有2個階段：鉆桿端部較細(xì)截面與甲板初次碰撞產(chǎn)生的初始材料失效，以及鉆桿端部較粗截面與甲板二次碰撞產(chǎn)生的部分材料失效，見圖8、9。

材料的初始失效發(fā)生于14.398 ms，可知碰撞是一個瞬態(tài)過程，作用時間往往是毫秒級。在71.4 ms時刻，二次碰撞發(fā)生，粗截面穿過甲板面，造成部分材料單元的二次失效。觀察能量曲線(見圖10)，滑移能與沙漏能控制在總能量的5%以內(nèi)，證明動態(tài)分析結(jié)果可信。0～14 ms為鉆桿與甲板面初始接觸至甲板達(dá)到斷裂失效時的動能與內(nèi)能轉(zhuǎn)換過程；14～70 ms為鉆桿細(xì)截面穿過甲板過程，該過程鉆桿與甲板之間無相互作用，內(nèi)能與動能保持恒定；70～85 ms為鉆桿粗截面與甲板面相互作用過程，至85 ms左右動能完全轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，鉆桿下墜至最低點，速度為0(見圖11)；85 ms之后，甲板部分彈性勢能轉(zhuǎn)換為鉆桿動能，鉆桿反彈，永久塑性應(yīng)變能為126.65 J。

非線性動力分析結(jié)果表明，鉆臺結(jié)構(gòu)能夠承受給定工況的鉆桿沖擊，阻止鉆桿繼續(xù)下落所造成的下方設(shè)備、人員損傷。另外，考慮到鉆臺甲板上布置有墊木以及橡膠墊，均能在一定程度緩沖鉆桿墜落沖擊；分析中假定鉆桿為剛體模型，鉆臺邊界簡支，動能完全由鉆臺局部結(jié)構(gòu)吸收，而在實際碰撞過程中，鉆桿會吸收一定動能，且整個鉆臺結(jié)構(gòu)及與之相連結(jié)構(gòu)均會因鉆桿沖擊而吸收一定動能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)勢能。因此鉆臺結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足給定條件下的防墜落要求。

6 結(jié)論

1)公式計算法能夠?qū)ξ矬w墜落安全問題給

出簡單、快速的計算結(jié)果，然而經(jīng)驗公式具有參數(shù)適用性問題，對于本文所選取研究對象則并不適用；另外，還存在著合理選取沖擊區(qū)域的難點。

2)非線性靜力分析，兼顧計算簡便，又避開了非線性動力分析的繁瑣，能夠提供相對快速、安全的強(qiáng)度評估，其最大優(yōu)點在于可以準(zhǔn)確得到每一加載階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、非線性狀態(tài)、材料破斷位置、應(yīng)變集中分布狀況等。對本文研究對象的評估結(jié)果表明，殼單元模型的計算精度要低于體單元模型，然而殼單元模型計算結(jié)果更加保守，因此對于經(jīng)驗公式不適用的情況，建議采用殼單元建模進(jìn)行快速評估，或在沖擊區(qū)域建立體單元模型以提高計算精度。

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(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

Risk Assessment of Dropped Object for Offshore Platform

LIU Ying-fang, WANG Hai-jun, SHI Qiang, WANG Xin, YANG Yue-shan

(Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co., Ltd., Dalian Liaoning 116005, China)

Aiming at the assessment methods of dropped object for offshore platform, the analytical method, non-linear static analysis method and non-linear dynamic method were researched respectively. An engineering assessment process of dropped object for offshore platform was set forth, which can fulfill the design requirements varying from quickly assessment to detailed assessment. A finite element model was established to carry out non-linear static/ dynamic analysis of the drill floor and drill collar. External load versus maximum deformation curve, stress/strain contours, rapture location, energy curves and velocity curves were obtained.

offshore platform; drill floor; dropped object; non-linear; dynamic analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.033

2016-06-22

劉英芳(1988—)，男，碩士，助理工程師研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析

P751

A

1671-7953(2017)01-0134-04

修回日期：2016-07-19