董 鵬，張 峰

（1.合瀛工程咨詢(xún)（上海）有限公司，上海 200041；2.威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264200）

引 言

海上油氣田的開(kāi)采受到水深的限制，通常會(huì)采取不同的生產(chǎn)方式，其中固定平臺(tái)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)是我們常見(jiàn)的兩種方式。通常情況下，在水深較淺的地區(qū)（一般小于150 m）多以固定式導(dǎo)管架平臺(tái)的生產(chǎn)方式，而在深水地區(qū)，由于受到導(dǎo)管架造價(jià)的影響和技術(shù)條件的限制，多采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)的方式。

作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，水下管匯是水下工藝處理設(shè)施的集成中心和平臺(tái)，除了具有水面管匯生產(chǎn)匯集、分配和切換的功能外，根據(jù)需要還集成計(jì)量、增壓、分離、除沙、清管、加藥和控制等功能設(shè)施。因此，保護(hù)這些不同的設(shè)備，正常工作和日常維護(hù)就顯得很重要。

1 水下管匯結(jié)構(gòu)介紹

在管匯的正常運(yùn)行中，為防止水面跌落物和水下管匯相碰撞、甚至破壞其結(jié)構(gòu)，從而影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)運(yùn)行，通常會(huì)采用如下兩種措施：

1）要求作業(yè)者按規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)和漁業(yè)活動(dòng)；

2）在管匯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加保護(hù)結(jié)構(gòu)。

措施1僅限于近海漁業(yè)，對(duì)保護(hù)深水海域的水下管匯作用有限。因此增加保護(hù)結(jié)構(gòu)可以從本質(zhì)上解決此類(lèi)問(wèn)題。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通常采用框架結(jié)構(gòu)和擋板來(lái)防止來(lái)自水上跌落物的碰撞。圖1為某水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下管匯的結(jié)構(gòu)示意，為典型的框架式結(jié)構(gòu)。

圖1 水下管匯結(jié)構(gòu)示意

頂層結(jié)構(gòu)由型鋼和鋼板組成，防止落物沖擊，為管匯接結(jié)構(gòu)、設(shè)備提供保護(hù)；中層結(jié)構(gòu)主要承受和傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載；下層結(jié)構(gòu)也由型鋼組成，為管線(xiàn)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等提供支撐。樁基系統(tǒng)圖中未標(biāo)示。

2 計(jì)算分析

2.1 工況選取

Ansys的LS-DYNA模塊與ABAQUS都可以用來(lái)做碰撞計(jì)算，參照規(guī)范ISO 13628-1[1]，對(duì)落物的尺寸及能量作了詳細(xì)的規(guī)定。如表1所示。

表1 防落物分析設(shè)計(jì)規(guī)范

本文參照工程實(shí)際情況，同時(shí)考慮不同形狀的物體對(duì)落物碰撞分析的影響；落物質(zhì)量分別取200 kg、500 kg、1 000 kg，基本可以囊括漁船錨具的質(zhì)量范圍；物體形狀分寫(xiě)選取球形與流線(xiàn)型；水深取1 500 m。分別選取如下工況：

case11：球形+250 kg

case12：球形+500 kg

case13：球形+1 000 kg

case21：流線(xiàn)形+250 kg

case22：流線(xiàn)形+500 kg

case23：流線(xiàn)形+1 000 kg

2.2 模型介紹

對(duì)于碰撞分析，基于整個(gè)作用過(guò)程，提取管匯的框架結(jié)構(gòu)和頂面擋板建立模型，刪除微小特征和其他不影響分析結(jié)果的閥孔。

采用 ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，假設(shè)鋼球在很短時(shí)間內(nèi)和擋板發(fā)生碰撞，故將球狀跌落物、框架結(jié)構(gòu)和頂部擋板分別建立有限元模型，裝配后形成的網(wǎng)格如圖2、圖3所示。

圖2 管匯模型示意

圖3 鋼球和擋板碰撞局部網(wǎng)格

三個(gè)部件的單元特性如下：

1）鋼球：C3D4，共2 383節(jié)點(diǎn)，11 734單元；

2）頂擋板：S4R，共1 702節(jié)點(diǎn)，1 616單元，板厚25.4 mm；

3）框架：B31，共725節(jié)點(diǎn)，753單元。

考慮各梁之間的焊接連接和碰撞對(duì)框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，將各梁的焊點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)重合處理。

框架和擋板之間采用面面全約束連接；鋼球和擋板之間采用面面接觸；在很短時(shí)間內(nèi)鋼球以水中自由落體的速度和擋板發(fā)生碰撞。

2.3 材料特性

1）框架：材料選用ASTM A572，Grade50；

2）鋼球：密度7 852 kg/m3，彈性模量2.07；

3）擋板：密度7 800 kg/m3，彈性模量2.06。塑性應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2。

表2 塑性應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)

2.4 邊界條件

對(duì)于落物碰撞分析，核心在于能量的吸收，能量通過(guò)板傳遞給上層框架，然后通過(guò)斜撐傳遞給下層框架，最終傳遞給海床。根據(jù)實(shí)際工程情況，當(dāng)發(fā)生落物時(shí)，最先發(fā)生破壞的是防護(hù)板，大部分能量被防護(hù)板吸收，框架結(jié)構(gòu)破壞有限。因此，約束條件需要合理模擬能力的傳遞，不需要模擬出完整的樁基模型。為真實(shí)而有效的模擬約束條件，對(duì)整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)，進(jìn)行如下邊界約束：

1）框架結(jié)構(gòu)方型鋼根部8個(gè)點(diǎn)全約束；

2）鋼球關(guān)于框架結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)面的對(duì)稱(chēng)約束。

圖4 邊界條件示意

3 鋼球在水中自由跌落速度

鋼球從水面自由跌落，到達(dá)1 500 m水深的擋板前，由于受到水阻力和浮力影響，跌落速度從開(kāi)始到達(dá)到平衡狀態(tài)一直處于變化狀態(tài)。故取平衡狀態(tài)下的速度為鋼球碰撞擋板的速度。

平衡狀態(tài)下，鋼球在水中滿(mǎn)足下式：

式中：

W為鋼球重量；

Fb為鋼球受到的浮力；

D為作用在鋼球上的水動(dòng)阻力；

d為鋼球直徑；

g為重力加速度；

ρ為水和鋼球的密度；

A為鋼球的迎流面積；

Cd為阻力系數(shù)；跌落物的形狀不同，因球狀和流線(xiàn)形受到水阻力不同。球狀跌落物Cd=0.45；流線(xiàn)狀跌落物Cd=0.05。

V為鋼球跌落平衡時(shí)的最終速度。

通過(guò)上式求得鋼球到達(dá)擋板的速度。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)6種不同工況的計(jì)算，匯總數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果

從表3中可以得到如下結(jié)論與建議：

1）對(duì)于250 kg、500 kg、1 000 kg的錨具從自由水面跌落到水下管匯頂擋板，擋板都會(huì)產(chǎn)生塑性變形，并隨質(zhì)量的變大而增大。

2）錨具的形狀不同，受到水阻力不同，跌落的終速度也不同，對(duì)擋板的碰撞影響也不同；流線(xiàn)形比球狀的錨具對(duì)擋板的破壞要強(qiáng)。

3）錨具的形狀不同，墜落的速度不同，對(duì)擋板的碰撞破壞（應(yīng)力）就不同；且隨著質(zhì)量的增大而迅速增大。

4）對(duì)于碰撞中擋板位移較大的工況，考慮到擋板上孔和其他設(shè)備的配合，建議增強(qiáng)相應(yīng)部位的剛度，確保管匯裝置的正常工作。

5）對(duì)應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)和相應(yīng)工況，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料或增大擋板厚度，以加強(qiáng)擋板的強(qiáng)度。