谷家揚(yáng),羅貴星,劉為民,劉建成,徐立新

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,鎮(zhèn)江 212003) (2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212100) (3.招商局重工(江蘇)有限公司,南通 226121)

隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,英國(guó)北海、墨西哥灣等海域的部分油田開發(fā)壽命周期臨近,早期投入的海上油井設(shè)施面臨著過度老化的問題,海上油氣平臺(tái)等設(shè)施的退役成為海洋工程的新興市場(chǎng)[1]．拆解海洋平臺(tái)過程中跌落事故經(jīng)常出現(xiàn),已經(jīng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及人員安全帶來很大威脅[2]．在海洋平臺(tái)拆解作業(yè)過程中,重物跌落這一意外事故應(yīng)當(dāng)受到重視．

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)跌落沖擊問題進(jìn)行了研究．文獻(xiàn)[3]對(duì)膜式LNG CCS結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),研究了其意外極限載荷承載能力并對(duì)結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化．文獻(xiàn)[4]對(duì)直升機(jī)甲板支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)下沖擊特性研究,發(fā)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的跨度在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中是重要的參數(shù),該結(jié)果對(duì)于具有沖擊裂紋損壞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性和狀態(tài)評(píng)估具有一定借鑒．文獻(xiàn)[5]通過海底管道損傷試驗(yàn)分析了墜物跌落沖擊載荷作用下不同參數(shù)對(duì)海底管道的損傷影響,結(jié)果表明海底管道的塑性形變發(fā)生在據(jù)撞擊點(diǎn)50 cm范圍內(nèi),對(duì)于海底管道的修補(bǔ)和替換具有一定參考．文獻(xiàn)[6-7]將考慮洋流的三維動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)理論集成到自主開發(fā)的模擬器中,研究發(fā)現(xiàn)跌落角度、法向阻力系數(shù)和滾動(dòng)頻率是決定運(yùn)動(dòng)軌跡的三大關(guān)鍵因素．文獻(xiàn)[8]針對(duì)鉆井船吊物脫鉤墜落與甲板碰撞問題進(jìn)行分析,找到船體不同位置甲板破壞的臨界值,得出了不同接觸面對(duì)甲板的結(jié)構(gòu)損傷．文獻(xiàn)[9]研究甲板板架在鉆鋌撞擊下的動(dòng)態(tài)損傷行為,總結(jié)了計(jì)算板架被穿透時(shí)的臨界變形能公式,可用于指導(dǎo)吊裝安全作業(yè)操作．文獻(xiàn)[10]研究細(xì)長(zhǎng)桿件墜物的接觸角度對(duì)甲板結(jié)構(gòu)損傷的影響,對(duì)比發(fā)現(xiàn)接觸面積越大,甲板結(jié)構(gòu)吸能也越大,最大塑性變形反而越?。墨I(xiàn)[11]對(duì)水下管受錨機(jī)跌落的影響進(jìn)行研究,得到不同防護(hù)板厚下的吸能比率和變形抗性,認(rèn)為5～8 mm的防護(hù)板厚較為合理．

BV[12]、DNV[13]和ABS[14]船級(jí)社對(duì)跌落事故有較為詳細(xì)的說明和規(guī)定．BV規(guī)定跌落事故和爆炸、碰撞事故同等屬于離岸意外載荷,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需考慮可能發(fā)生的意外載荷及其概率并且進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,以評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)．DNV規(guī)范中指出在大多數(shù)情況下,能量主要在構(gòu)件上轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能,跌落分為水下和水上兩種場(chǎng)景,分別應(yīng)對(duì)不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于加筋板板架結(jié)構(gòu)受到鉆鋌一類圓管狀墜物撞擊的情況,規(guī)范還給出了詳細(xì)的能量損耗計(jì)算方法．ABS將跌落事故評(píng)估的重點(diǎn)放在物體對(duì)上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備等位置的影響上．文中以半潛式起重平臺(tái)為例,選取某導(dǎo)管架平臺(tái)主體導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)為跌落模塊,利用Ls-dyna對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的沖擊損傷和能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究分析,并對(duì)吊運(yùn)安全作業(yè)及結(jié)構(gòu)防護(hù)給出了建議．

1 半潛式起重平臺(tái)及目標(biāo)導(dǎo)管架

文中半潛式平臺(tái)為荷蘭OOS-International和招商局工業(yè)集團(tuán)共同投資建造．圖1為主甲板布置,圖中區(qū)域1、2為起重機(jī)底座,起重機(jī)最大的運(yùn)行負(fù)載為2×2 200 t．甲板中部的區(qū)域3、4為堆放拆解模塊的區(qū)域．區(qū)域3距離起重機(jī)基座距離較近,起重機(jī)工作角度小,適合堆放較重的大型拆解模塊;區(qū)域4距離起重機(jī)基座相對(duì)較遠(yuǎn),起重機(jī)工作角度較大,起重能力相對(duì)弱一些,且面積更大,適合放置小型的拆解模塊．半潛式起重平臺(tái)主尺度如表1.圖2為導(dǎo)管架平臺(tái)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主體,質(zhì)量為1 200 t,吊鉤、吊具等質(zhì)量為97.64 t,總計(jì)1 297.64 t．結(jié)構(gòu)尺寸如表2.

圖1 平臺(tái)主甲板總布置

表1 半潛式起重平臺(tái)主尺度

圖2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

表2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)尺寸

2 跌落場(chǎng)景的選取及有限元模型建立

2.1 跌落位置

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在拆解作業(yè)中屬大型模塊,起重機(jī)在吊運(yùn)時(shí)處于聯(lián)合作業(yè)模式,故吊運(yùn)中心在兩起重機(jī)平臺(tái)中線附近,根據(jù)起重機(jī)載荷曲線可知最大吊運(yùn)半徑為38.22 m．當(dāng)起重機(jī)處于極限作業(yè)狀態(tài)時(shí)最有可能發(fā)生鋼絲繩斷裂、脫鉤等意外事故,文中選取最大吊運(yùn)半徑下方的甲板結(jié)構(gòu)為跌落損傷區(qū)域進(jìn)行研究．

2.2 跌落高度

拆解模塊跌落沖擊主甲板時(shí)速度大小主要與發(fā)生跌落事故時(shí)的吊運(yùn)高度有關(guān),同時(shí)海況等環(huán)境作用也不可忽略．該吊運(yùn)工況下主起重機(jī)高度為103.00 m(距主甲板),吊梁整體高度為2.00 m,吊具整體高度為1.80 m,吊梁、吊具和吊機(jī)間連接件的高度為2.2 m．除去以上高度和導(dǎo)管架高度,剩余的最大提升高度為7 m,文中將吊運(yùn)高度分為1、3、5、7 m 4個(gè)高度進(jìn)行模擬．

2.3 跌落角度和速度

當(dāng)起重機(jī)鋼絲繩發(fā)生單側(cè)斷裂時(shí),假定另一側(cè)起重機(jī)的鋼絲繩不能承受產(chǎn)生的額外重力,且在模塊最低位置時(shí)發(fā)生斷裂,此時(shí)模塊失穩(wěn)產(chǎn)生大幅度傾斜,將發(fā)生最為危險(xiǎn)的跌落事故,對(duì)作業(yè)人員安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成威脅．文中選取鋼絲繩發(fā)生單側(cè)斷裂時(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行跌落角度和速度參數(shù)選取,同時(shí)與此狀態(tài)下平臺(tái)及導(dǎo)管架六自由度運(yùn)動(dòng)值相疊加,得出不同吊升高度下發(fā)生跌落后的接觸速度及角度,具體見表3．

表3 不同高度的接觸速度和角度

2.4 有限元模型及相關(guān)參數(shù)

ABS船級(jí)社指出受跌落事故影響的只是跌落沖擊的局部區(qū)域結(jié)構(gòu)[15],有限元分析沒有必要建立平臺(tái)的整體模型,文中平臺(tái)模型范圍為主甲板向下4層甲板內(nèi)的構(gòu)件,尺寸為81 m×81 m×11.3 m．在保證計(jì)算精度的前提下進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化：① 次要結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,即跌落區(qū)域內(nèi)的小構(gòu)件(小肘板等)和遠(yuǎn)離跌落區(qū)域的構(gòu)件；② 基于文獻(xiàn)[16]提出的計(jì)算等效板厚的方法,對(duì)一些小的加強(qiáng)筋、高腹板桁材的面板及板架上的縱橫骨材等進(jìn)行了剛度等效即等效板厚處理．

圖3 平臺(tái)及導(dǎo)管架有限元模型

在半潛式起重平臺(tái)甲板和導(dǎo)管架有限元建模分析中對(duì)甲板結(jié)構(gòu)跌落區(qū)域做了相應(yīng)的細(xì)化．其中甲板結(jié)構(gòu)非跌落區(qū)域平均網(wǎng)格尺寸為375 mm,跌落細(xì)化區(qū)域平均網(wǎng)格尺寸為75 mm,導(dǎo)管架平均網(wǎng)格尺寸為200 mm．平臺(tái)和導(dǎo)管架均用低碳鋼,考慮其塑性敏感性模型采用雙線性彈塑性動(dòng)態(tài)模型即Cowper-Symonds(MAT24)彈塑性材料模型,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為2.1×1011N/m2,泊松比為0.3,屈服應(yīng)力為3.55×107Pa,硬化模量為1.46×109N/m2．失效應(yīng)變分別為0.265和0.168,超過定義的最大失效應(yīng)變單元將會(huì)失效,不再參與到計(jì)算中．不同構(gòu)件的接觸在跌落數(shù)值模擬中是一大重點(diǎn),文中將導(dǎo)管架和主甲板的接觸定義為主從接觸,平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身定義為自接觸,摩擦系數(shù)為0.3．

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 沖擊深度分析

跌落仿真中,跌落的沖擊深度為起重平臺(tái)主甲板豎直方向最大形變量,可以直接反映跌落的導(dǎo)管架與起重平臺(tái)甲板運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的劇烈程度．圖4為沖擊深度-時(shí)間曲線,其中位置1、2、3、4分別為導(dǎo)管架4個(gè)樁腿的沖擊深度．

第一個(gè)樁腿接觸甲板后,隨著初始高度的增加,其余樁腿接觸甲板的時(shí)間也越來越短．跌落高度h為1 m時(shí),起重平臺(tái)主甲板最大變形量為0.635 m,并出現(xiàn)在位置4處;跌落高度為3、5、7 m時(shí),起重平臺(tái)主甲板最大變形量分別為0.822、1.075、1.101 m,均出現(xiàn)在位置1處．當(dāng)?shù)涓叨葹?、5、7 m時(shí)導(dǎo)管架接觸主甲板的姿態(tài)一致,僅在垂向速度上有所差異,可以看出不同接觸角度對(duì)受沖擊結(jié)構(gòu)有一定影響．

在整個(gè)過程的前半段,樁腿和甲板板接觸后甲板板會(huì)立即出現(xiàn)巨大的凹陷,隨后便會(huì)產(chǎn)生一定的回彈,因?yàn)橹饕挚箾_擊的結(jié)構(gòu)由主甲板板變?yōu)橹骷装灏寮跋虏恐谓Y(jié)構(gòu),下部支撐結(jié)構(gòu)的參與一定程度上分擔(dān)了甲板板的塑性變性能;在后面階段,甲板板及其支撐結(jié)構(gòu)的形變速度減小,甲板結(jié)構(gòu)形變結(jié)構(gòu)仍有部分處于材料的彈性階段,此時(shí)不同支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的回彈效果以及導(dǎo)管架底板的不同變形的回彈效果聯(lián)合作用導(dǎo)致甲板板的形變?cè)谕凰缴喜粩嗖▌?dòng)．跌落高度為7、5 m時(shí)的最大深度相當(dāng)是因?yàn)楦叨冗_(dá)到7 m時(shí)甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已不夠抵御導(dǎo)管架的沖擊,即已被撞穿．

圖4 深度-時(shí)間曲線

3.2 沖擊力分析

沖擊力是跌落事故劇烈程度的直接體現(xiàn),跌落沖擊力的變化趨勢(shì)與相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)形式有關(guān),沖擊力峰值主要由初始動(dòng)能決定．跌落沖擊力時(shí)歷曲線如圖5,導(dǎo)管架跌落是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的非線性動(dòng)力沖擊問題,整個(gè)跌落過程中,沖擊力出現(xiàn)明顯的振蕩變化．沖擊力最值隨初始高度增加而增加,高度為7 m時(shí)達(dá)到最大值，如表4．

表4 各個(gè)高度下最大沖擊力

在跌落初始階段,跌落沖擊力迅速增至首個(gè)峰值,隨著主甲板板構(gòu)件參與抵抗的范圍不斷增加,沖擊力開始下降,此時(shí)只有一側(cè)的樁腿發(fā)生接觸．隨著跌落過程的進(jìn)行,導(dǎo)管架另一側(cè)的樁腿也開始接觸到甲板板,跌落沖擊力再次達(dá)到峰值,參與抵抗的構(gòu)件越來越多,導(dǎo)致導(dǎo)管架底部所遭受的抵抗力也不斷增加,導(dǎo)管架動(dòng)能也隨之減小,跌落沖擊力出現(xiàn)多次卸載．導(dǎo)管架大部分動(dòng)能被主甲板結(jié)構(gòu)構(gòu)件以嚴(yán)重的變形或失效形式所吸收,剩余動(dòng)能無法繼續(xù)使構(gòu)件出現(xiàn)明顯變形,沖擊力開始快速下降．

從整體過程來看,導(dǎo)管架的沖擊力均出現(xiàn)了3個(gè)峰值,這跟導(dǎo)管架的跌落接觸形式有關(guān),各個(gè)樁腿的參與跌落的時(shí)刻與其沖擊力的加載時(shí)刻一致;不同的場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)的抵抗效果的差異體現(xiàn)在沖擊力的卸載上,局部結(jié)構(gòu)的彈性變形達(dá)到極限開始塑性變形,隨著沖擊力的作用開始出現(xiàn)失效．當(dāng)重物沒有足夠的動(dòng)能使甲板結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生形變時(shí),即導(dǎo)管架垂向速度為零時(shí),甲板到達(dá)其最大形變;當(dāng)?shù)錄_擊力減小為零時(shí),甲板結(jié)構(gòu)處于彈性的部分已基本與樁腿分離,導(dǎo)管架開始穩(wěn)定回彈．

圖5 沖擊力-時(shí)間曲線

3.3 結(jié)構(gòu)損傷分析

圖6為跌落過程中結(jié)束后起重平臺(tái)和主甲板板及下部支撐結(jié)構(gòu)的損傷變形云圖．不同高度下導(dǎo)管架跌落導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形均集中在跌落接觸區(qū)域,遠(yuǎn)離跌落接觸區(qū)的結(jié)構(gòu)只發(fā)生彈性變形,幾乎不受影響,體現(xiàn)了跌落損傷的局部性特征．通過觀察甲板板,可以發(fā)現(xiàn)跌落區(qū)域變形的形狀和范圍與導(dǎo)管架底部形狀尺寸相似,甲板板發(fā)生膜拉伸而向內(nèi)呈現(xiàn)出半圓柱形狀的凹陷,在各個(gè)高度時(shí)都有出現(xiàn)破裂,并隨高度增加而更加嚴(yán)重,這主要是由線面接觸形式的沖擊作用效果導(dǎo)致．

圖6 平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)變形云圖

隨著跌落的進(jìn)行,甲板板下部的水平框架和艙壁逐漸成為抵抗跌落的主要結(jié)構(gòu),甲板板此時(shí)更多起到傳遞力的作用．導(dǎo)管架受到重力作用,在接觸甲板后仍以一定的速度沖擊平臺(tái),甲板面破潰以后,導(dǎo)管架樁腿對(duì)阻礙其運(yùn)動(dòng)的下部結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行沖擊碾壓．跌落過程結(jié)束后,甲板板下部分水平框架和橫艙壁發(fā)生嚴(yán)重的褶皺彎曲以及破潰失效．

綜上所述,甲板首先在導(dǎo)管架沖擊下以接觸點(diǎn)為中心開始產(chǎn)生圓形的凹陷狀變形,當(dāng)其超出失效應(yīng)變后,甲板開始破裂．甲板的損傷變形以撕裂和拉伸為主,下部結(jié)構(gòu)損傷變形以壓潰為主,區(qū)域集中在跌落過程的接觸區(qū)域,應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主甲板上吊運(yùn)拆解模塊過程中易遭受跌落沖擊的關(guān)鍵區(qū)域,并充分考慮跌落模塊的結(jié)構(gòu)形式,以此對(duì)吊運(yùn)/吊升安全作業(yè)提出具有針對(duì)性的管控措施．

3.4 應(yīng)力應(yīng)變及能量轉(zhuǎn)化分析

表5為不同高度下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值．當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí),接觸中心及周圍一些單元超過了船用高強(qiáng)度鋼的屈服應(yīng)力355 MPa．各高度下甲板板均進(jìn)入了塑性狀態(tài),整個(gè)碰撞過程中,最大應(yīng)力是靜力屈服極限的2.73倍．隨著碰撞的繼續(xù)進(jìn)行,超過最大失效應(yīng)變0.265的單元也逐步失效,失效單元應(yīng)力歸零,不再參與后續(xù)計(jì)算．由于應(yīng)變率對(duì)屈服極限比較敏感,在高應(yīng)變率條件下,動(dòng)力屈服極限較靜力屈服極限相比,一般情況下可以提高2～3倍,因此某些單元在應(yīng)力超過355 MPa的情況下也并未失效．

表5 各個(gè)高度下最大應(yīng)力

在跌落過程中,導(dǎo)管架跌落的動(dòng)能損失主要轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能、結(jié)構(gòu)動(dòng)能、構(gòu)件之間的摩擦能及沙漏現(xiàn)象損失的能量．其中,摩擦能和沙漏能只占了很小一部分,幾乎可以不考慮．

圖7為導(dǎo)管架動(dòng)能時(shí)間歷程曲線．當(dāng)導(dǎo)管架以一定的初速度墜落時(shí),動(dòng)能迅速減少,轉(zhuǎn)化為板架的變形能．在高度為1 m時(shí),動(dòng)能基本一直呈下降趨勢(shì),最后回落到零,此時(shí)導(dǎo)管架動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為船體結(jié)構(gòu)的變形能,導(dǎo)管架停留在甲板上;在高度為3、5 m時(shí),導(dǎo)管架在甲板結(jié)構(gòu)的彈性作用下產(chǎn)生了一定的回彈;當(dāng)高度達(dá)到7 m時(shí),導(dǎo)管架動(dòng)能在短暫的下降后突然迅速增大,因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)管架的一側(cè)樁腿已經(jīng)穿透甲板及縱骨,而結(jié)構(gòu)的抵抗作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠阻止其繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)．

圖7 導(dǎo)管架動(dòng)能時(shí)間歷程曲線

圖8為平臺(tái)吸能時(shí)間歷程曲線．船體構(gòu)件的吸能情況隨著跌落高度的增加而增加,高度為1 m時(shí)吸能最少,7 m時(shí)吸能最多．從上述分析可知,墜物撞擊甲板時(shí)極為危險(xiǎn)．通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),若該導(dǎo)管架從7 m高處跌落,平臺(tái)無法抵御此沖擊帶來的結(jié)構(gòu)損傷．

圖8 平臺(tái)吸能時(shí)間歷程曲線

4 結(jié)論

(1) 結(jié)構(gòu)的損傷變形表現(xiàn)出明顯的局部性,損傷范圍呈圓形,主要集中在跌落接觸區(qū)域,甲板最大沖擊深度為1.101 m．

(2) 不同跌落高度下,沖擊力隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致,高度越大,甲板所受沖擊越大,結(jié)構(gòu)損傷也更明顯,高度7 m時(shí)沖擊力峰值為5.70×107N．

(3) 跌落沖擊力表現(xiàn)出明顯的非線性特征,沖擊力的加載表明有新的構(gòu)件參與到抵抗沖擊載荷中,卸載表明有構(gòu)件已經(jīng)失效．

(4) 提高甲板抗沖擊能力的重點(diǎn)是加強(qiáng)容易發(fā)生跌落事故的關(guān)鍵區(qū)域,遠(yuǎn)離跌落區(qū)域的結(jié)構(gòu)在分析中沒有必要詳細(xì)描述．甲板損傷區(qū)域的形狀與導(dǎo)管架樁腿相似,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊研究中應(yīng)考慮跌落重物的接觸形式．在保證作業(yè)順暢的前提下應(yīng)盡可能的降低吊運(yùn)高度,避免拆解模塊在跌落發(fā)生時(shí)可能造成倒塌事故,在對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)的同時(shí),還應(yīng)考慮對(duì)甲板上關(guān)鍵設(shè)備的防護(hù)措施．