谷家揚,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,海上油氣平臺等設(shè)施的退役成為海洋工程的新興市場[1]．拆解海洋平臺過程中跌落事故經(jīng)常出現(xiàn),已經(jīng)對平臺結(jié)構(gòu)及人員安全帶來很大威脅[2]．在海洋平臺拆解作業(yè)過程中,重物跌落這一意外事故應(yīng)當受到重視．

國內(nèi)外眾多學(xué)者對跌落沖擊問題進行了研究．文獻[3]對膜式LNG CCS結(jié)構(gòu)進行沖擊試驗,研究了其意外極限載荷承載能力并對結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化．文獻[4]對直升機甲板支撐結(jié)構(gòu)進行準靜態(tài)下沖擊特性研究,發(fā)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的跨度在強度設(shè)計中是重要的參數(shù),該結(jié)果對于具有沖擊裂紋損壞的結(jié)構(gòu)強度、可靠性和狀態(tài)評估具有一定借鑒．文獻[5]通過海底管道損傷試驗分析了墜物跌落沖擊載荷作用下不同參數(shù)對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50 cm范圍內(nèi),對于海底管道的修補和替換具有一定參考．文獻[6-7]將考慮洋流的三維動態(tài)運動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)和滾動頻率是決定運動軌跡的三大關(guān)鍵因素．文獻[8]針對鉆井船吊物脫鉤墜落與甲板碰撞問題進行分析,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甲板的結(jié)構(gòu)損傷．文獻[9]研究甲板板架在鉆鋌撞擊下的動態(tài)損傷行為,總結(jié)了計算板架被穿透時的臨界變形能公式,可用于指導(dǎo)吊裝安全作業(yè)操作．文獻[10]研究細長桿件墜物的接觸角度對甲板結(jié)構(gòu)損傷的影響,對比發(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[11]對水下管受錨機跌落的影響進行研究,得到不同防護板厚下的吸能比率和變形抗性,認為5～8 mm的防護板厚較為合理．

BV[12]、DNV[13]和ABS[14]船級社對跌落事故有較為詳細的說明和規(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)計上需考慮可能發(fā)生的意外載荷及其概率并且進行風險分析,以評估其風險．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景,分別應(yīng)對不同的評估標準,對于加筋板板架結(jié)構(gòu)受到鉆鋌一類圓管狀墜物撞擊的情況,規(guī)范還給出了詳細的能量損耗計算方法．ABS將跌落事故評估的重點放在物體對上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備等位置的影響上．文中以半潛式起重平臺為例,選取某導(dǎo)管架平臺主體導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)為跌落模塊,利用Ls-dyna對平臺結(jié)構(gòu)的沖擊損傷和能量轉(zhuǎn)化進行了研究分析,并對吊運安全作業(yè)及結(jié)構(gòu)防護給出了建議．

1 半潛式起重平臺及目標導(dǎo)管架

文中半潛式平臺為荷蘭OOS-International和招商局工業(yè)集團共同投資建造．圖1為主甲板布置,圖中區(qū)域1、2為起重機底座,起重機最大的運行負載為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距離起重機基座距離較近,起重機工作角度小,適合堆放較重的大型拆解模塊;區(qū)域4距離起重機基座相對較遠,起重機工作角度較大,起重能力相對弱一些,且面積更大,適合放置小型的拆解模塊．半潛式起重平臺主尺度如表1.圖2為導(dǎo)管架平臺的導(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1 297.64 t．結(jié)構(gòu)尺寸如表2.

圖1 平臺主甲板總布置

表1 半潛式起重平臺主尺度

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,起重機在吊運時處于聯(lián)合作業(yè)模式,故吊運中心在兩起重機平臺中線附近,根據(jù)起重機載荷曲線可知最大吊運半徑為38.22 m．當起重機處于極限作業(yè)狀態(tài)時最有可能發(fā)生鋼絲繩斷裂、脫鉤等意外事故,文中選取最大吊運半徑下方的甲板結(jié)構(gòu)為跌落損傷區(qū)域進行研究．

2.2 跌落高度

拆解模塊跌落沖擊主甲板時速度大小主要與發(fā)生跌落事故時的吊運高度有關(guān),同時海況等環(huán)境作用也不可忽略．該吊運工況下主起重機高度為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,文中將吊運高度分為1、3、5、7 m 4個高度進行模擬．

2.3 跌落角度和速度

當起重機鋼絲繩發(fā)生單側(cè)斷裂時,假定另一側(cè)起重機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發(fā)生斷裂,此時模塊失穩(wěn)產(chǎn)生大幅度傾斜,將發(fā)生最為危險的跌落事故,對作業(yè)人員安全和結(jié)構(gòu)強度造成威脅．文中選取鋼絲繩發(fā)生單側(cè)斷裂時的場景進行跌落角度和速度參數(shù)選取,同時與此狀態(tài)下平臺及導(dǎo)管架六自由度運動值相疊加,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的整體模型,文中平臺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．在保證計算精度的前提下進行了相應(yīng)的簡化：① 次要結(jié)構(gòu)的簡化,即跌落區(qū)域內(nèi)的小構(gòu)件(小肘板等)和遠離跌落區(qū)域的構(gòu)件；② 基于文獻[16]提出的計算等效板厚的方法,對一些小的加強筋、高腹板桁材的面板及板架上的縱橫骨材等進行了剛度等效即等效板厚處理．

圖3 平臺及導(dǎo)管架有限元模型

在半潛式起重平臺甲板和導(dǎo)管架有限元建模分析中對甲板結(jié)構(gòu)跌落區(qū)域做了相應(yīng)的細化．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)變單元將會失效,不再參與到計算中．不同構(gòu)件的接觸在跌落數(shù)值模擬中是一大重點,文中將導(dǎo)管架和主甲板的接觸定義為主從接觸,平臺結(jié)構(gòu)自身定義為自接觸,摩擦系數(shù)為0.3．

3 計算結(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)管架與起重平臺甲板運動響應(yīng)的劇烈程度．圖4為沖擊深度-時間曲線,其中位置1、2、3、4分別為導(dǎo)管架4個樁腿的沖擊深度．

第一個樁腿接觸甲板后,隨著初始高度的增加,其余樁腿接觸甲板的時間也越來越短．跌落高度h為1 m時,起重平臺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,起重平臺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?shù)涓叨葹?、5、7 m時導(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受沖擊結(jié)構(gòu)有一定影響．

在整個過程的前半段,樁腿和甲板板接觸后甲板板會立即出現(xiàn)巨大的凹陷,隨后便會產(chǎn)生一定的回彈,因為主要抵抗沖擊的結(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)致甲板板的形變在同一水平上不斷波動．跌落高度為7、5 m時的最大深度相當是因為高度達到7 m時甲板結(jié)構(gòu)的強度已不夠抵御導(dǎo)管架的沖擊,即已被撞穿．

圖4 深度-時間曲線

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能決定．跌落沖擊力時歷曲線如圖5,導(dǎo)管架跌落是一個在極短時間內(nèi)發(fā)生的非線性動力沖擊問題,整個跌落過程中,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時達到最大值，如表4．

表4 各個高度下最大沖擊力

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,此時只有一側(cè)的樁腿發(fā)生接觸．隨著跌落過程的進行,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)管架大部分動能被主甲板結(jié)構(gòu)構(gòu)件以嚴重的變形或失效形式所吸收,剩余動能無法繼續(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個峰值,這跟導(dǎo)管架的跌落接觸形式有關(guān),各個樁腿的參與跌落的時刻與其沖擊力的加載時刻一致;不同的場景下結(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．當重物沒有足夠的動能使甲板結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生形變時,即導(dǎo)管架垂向速度為零時,甲板到達其最大形變;當?shù)錄_擊力減小為零時,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,在各個高度時都有出現(xiàn)破裂,并隨高度增加而更加嚴重,這主要是由線面接觸形式的沖擊作用效果導(dǎo)致．

圖6 平臺甲板結(jié)構(gòu)變形云圖

隨著跌落的進行,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,甲板面破潰以后,導(dǎo)管架樁腿對阻礙其運動的下部結(jié)構(gòu)繼續(xù)進行沖擊碾壓．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為中心開始產(chǎn)生圓形的凹陷狀變形,當其超出失效應(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)重點監(jiān)測主甲板上吊運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,以此對吊運/吊升安全作業(yè)提出具有針對性的管控措施．

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?shù)浒l(fā)生時,接觸中心及周圍一些單元超過了船用高強度鋼的屈服應(yīng)力355 MPa．各高度下甲板板均進入了塑性狀態(tài),整個碰撞過程中,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)計算．由于應(yīng)變率對屈服極限比較敏感,在高應(yīng)變率條件下,動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 各個高度下最大應(yīng)力

在跌落過程中,導(dǎo)管架跌落的動能損失主要轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能、結(jié)構(gòu)動能、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)管架動能時間歷程曲線．當導(dǎo)管架以一定的初速度墜落時,動能迅速減少,轉(zhuǎn)化為板架的變形能．在高度為1 m時,動能基本一直呈下降趨勢,最后回落到零,此時導(dǎo)管架動能完全轉(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,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;當高度達到7 m時,導(dǎo)管架動能在短暫的下降后突然迅速增大,因為此時導(dǎo)管架的一側(cè)樁腿已經(jīng)穿透甲板及縱骨,而結(jié)構(gòu)的抵抗作用遠遠不能夠阻止其繼續(xù)向下運動．

圖7 導(dǎo)管架動能時間歷程曲線

圖8為平臺吸能時間歷程曲線．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時吸能最少,7 m時吸能最多．從上述分析可知,墜物撞擊甲板時極為危險．通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),若該導(dǎo)管架從7 m高處跌落,平臺無法抵御此沖擊帶來的結(jié)構(gòu)損傷．

圖8 平臺吸能時間歷程曲線

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,沖擊力隨時間變化趨勢基本一致,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是加強容易發(fā)生跌落事故的關(guān)鍵區(qū)域,遠離跌落區(qū)域的結(jié)構(gòu)在分析中沒有必要詳細描述．甲板損傷區(qū)域的形狀與導(dǎo)管架樁腿相似,在進行結(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)盡可能的降低吊運高度,避免拆解模塊在跌落發(fā)生時可能造成倒塌事故,在對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化加強的同時,還應(yīng)考慮對甲板上關(guān)鍵設(shè)備的防護措施．