半潜式平台遭遇碰撞的结构响应分析

2012-07-23胡永利

船舶与海洋工程 2012年1期

胡永利，林一，谭美

（1. 哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001；2. 上海中集海洋工程研发中心，上海 201206）

0 引言

半潜式平台又称立柱稳定式平台（Stable Column Platform），是浮式海洋平台的一种常见类型，主要由平台主体、立柱、下体或浮箱组成，并通常在结构之间布置一些支撑连接。由于半潜式平台具有工作水深大的特点（305～3050m），在深海石油开发逐渐成为主流趋势的今天，已成为最受关注的海洋平台类型之一。

半潜式平台在海上开展钻井或采油作业时，在复杂的海洋环境下，除了时刻要承受环境载荷的作用外[1]，过往的船只由于航行过失或停靠平台时风、浪、流等环境载荷的作用，与平台碰撞的事故时有发生，并造成结构损坏、人员伤亡、环境污染等灾难性后果。HSE（世界健康、安全与环境管理组织）对移动式平台给出的严重灾害事故发生频率进行统计发现，半潜式平台每年的平均事故率远超其他类型的海洋平台[2]。因此，在设计阶段考虑半潜式平台遭遇碰撞载荷下的结构安全性显得很有必要。

与其他海洋结构物相比，半潜式平台遭遇船舶碰撞的结构响应更类似于导管架平台，这是由于半潜式平台与撞击船的质量比往往很大，碰撞过程中主要由平台变形吸能，撞击后的共同速度很小。而自升式平台柔性更大，碰撞过程中弹性变形占主导地位，塑性变形相对较小，这与半潜式平台的吸能机理有所差别。

目前对于半潜式平台的碰撞问题研究的重点主要集中在结构损伤机理、动力响应和强度评估方法上，HSE在这方面做了一些工作[3]，国内现在的研究主要着眼于结构损伤机理和动力响应分析上。本文基于非线性有限元方法，以某半潜式平台为例，考虑规范破舱稳性的要求，对其碰撞损伤过程和结构强度进行了分析，并进一步考量了多种撞击参数对动力响应的影响。

1 规范规定

目前平台遭遇船舶碰撞冲击主要是作为一种意外载荷在设计阶段进行考虑，DNV-RP-C204[4]和NORSOK N-004中均对碰撞载荷对结构设计的要求有所规定。但是规范认为简化分析法已具有足够用来考察碰撞造成的局部损伤，并认为有限元工具具有更高的分析精度，推荐在实际工程中应用。

1.1 碰撞机理

目前规范中推荐的碰撞机理的研究主要建立在动量守恒（式 1）和动能守恒（式 2）的基础上，这是考虑到碰撞过程极为短暂，因此将其简化成一个准静态的过程。在考察碰撞时的冲击能量时，平台和船舶之间的相对运动不可忽视，通常考虑其在水平面内的横荡和纵荡运动。

式中，ms——撞击船及其附连水质量；

mp——平台及其附连水质量；

vs——撞击前船的速度；

vc——撞击后船与平台的共同速度；

vp——平台在碰撞前的瞬时波浪诱导速度；

Es——撞击船的塑性变形能；

Ep——平台的塑性变形能。

这种简化的分析方法目前使用较为广泛，但却较为保守，并且假定碰撞点作用于平台重心处，即不考虑平台的转动效果，这与实际情况有所出入。此外，这种方法主要着眼于碰撞后果，对碰撞过程中结构损伤和运动状态的瞬态结果也无法得到。因此，需要更为精确的数值分析方法。

1.2 评估准则

半潜式平台工作状态处于漂浮状态，其遭遇碰撞的结构破损须从稳性和结构两个角度来评估。

1.2.1 稳性要求

半潜式平台要求任一水密舱室浸水均能保证其稳性要求，稳性的衡准可以参照相关船级社规范。

半潜式平台破损范围是与碰撞后果相关联的指标，因此进行碰撞计算时须特别关注，规范要求如下：

1)仅假定在平台外围的立柱、水下船体和撑杆破损，破损位置限制在暴露部分；

2)立柱和撑杆的破坏进水范围假定为垂向3m 范围，位置在稳性手册规定的任何吃水以上5m、以下3m。如果有水密平板位于此区域，那么破损应假定发生在水密平板上下两个舱室。考虑到实际的作业状态，吃水以上或以下可以使用较小的破坏距离，但是破损区域至少延伸至操作手册规定吃水以上或以下的1.5m；

3)破损的水平范围为1.5m。

1.2.2 结构要求

1)碰撞结束后，考虑自重、工作载荷以及结构的碰撞损伤，平台要求能够抵御所处工作海域至少一年一遇的环境载荷；

2)撑杆和结构连接点的结构强度必须较强，在碰撞中撑杆不会从连接点处脱开导致可能的泄露，从而对稳性产生影响；

3)对于立柱等较强的结构，其破损状态下的结构完整性需要校核，以防止出现可能的渐进倒塌现象。

2 平台碰撞数值分析

对半潜式平台遭遇船舶碰撞进行数值分析时，需要首先对其破舱稳性进行校核，再对结构损伤进行数值分析和评估，其基本步骤如下：

1)破舱稳性分析：按照规范规定对可能出现的破舱情况进行稳性计算；

2)碰撞过程结构分析：主要考察碰撞过程中的结构变形损伤、能量吸收、整体位移等关心的问题；

3)剩余强度分析：如果平台未在碰撞过程中直接损毁或倒塌，则对撞击区域进行分析：若出现破口，则对破损舱室按步骤1进行核对，看是否失稳；若未出现破口，则按照当地海域一年一遇的环境条件对其结构进行剩余强度的校核。

2.1 计算模型

计算选用的目标平台是某八立柱双浮体式的半潜式钻井平台，在工作状态和风暴自存状态下主要受环境载荷和工作载荷，环境载荷包括风、浪、流载荷，工作载荷包括锚链力，钻井作用力、起重机吊钩力等。目标平台的主尺度和结构参数如下：

总长/m 102.413

型宽/m 76.505

主甲板高/m 39.624

工作吃水/m 22.860

潜体高/m 6.401

潜体宽/m 15.240

[4]指出，若撞击船的结构刚度远大于平台，可以认为平台吸收了所有的冲击能量。因此本文将撞击船简化处理成刚性体，在碰撞过程中不发生结构变形，这样的处理方式可以大大减少计算时间，同时不会对平台结构损伤计算造成精度影响。此外，平台碰撞具有典型的局部性特征，碰撞区域外的结构往往不发生塑性变形，因此为了合理地表征碰撞区域结构的塑性大变形，碰撞区域的结构单元应适当细化。碰撞过程中周围流场的耦合作用不可忽略，目前比较成熟的方法是将流体考虑成附连水质量，共同参与整个碰撞过程。撞击船纵荡的附连水质量目前比较统一，常认为是撞击船质量的10%，平台的附连水质量一般取其排开水的质量。

图1 碰撞有限元模型

2.2 碰撞工况

2.2.1 船型尺寸

根据以往的事故统计，补给船的排水量集中在1200-11500t，平均排水量约为3300t，95%的船舶排水量在5000t以下。挪威船级社也推荐典型的碰撞船舶排水量为5000t。因此本文选取一艘排水量为5000t的补给船作为碰撞研究中的撞击船。

2.2.2 撞击方向

船舶撞击平台存在艏碰、艉碰、侧碰3种情况，参考文献[4]指出，对于补给船，艉碰的可能性占到70%，侧碰占到20%。因此，选择艉碰作为主要的碰撞形式。

2.2.3 撞击速度

根据对北海平台事故的统计资料和HSE的指导文件，74%的平台碰撞事故发生时海浪有义波高在1～4m之间，其中有义波高为4m的情况发生最多。因此，典型的船舶失去动力在波浪诱导下撞击平台的速度可以按式（4）计算得到[5]：

式中，Hs——有义波高；

vs——船舶撞击速度。

由历史统计资料和式（4）可知，典型的船舶碰撞速度为2m/s，这也与挪威船级社和HSE推荐的碰撞速度相一致。

2.3 算例分析

2.3.1 破舱稳性分析

稳性分析主要采用MOSES软件进行（图2），考虑平台的结构和分舱，破损舱室（图 3）假定为：PB10A，PB10B，PB9，PB8，PDW2，A4V4、A4V6，A4S3+A4S5，A4S4+A4S6，A4V4+A4V6，B4V3。MOSES的计算结果表明，该平台完整稳性和破舱稳性均满足规范需求。

图2 分析模型

图3 舱室布置示意图

2.3.2 碰撞过程分析

碰撞过程的分析是平台碰撞研究的重点，本文采用MSC/DYTRAN软件参照上文假定的碰撞工况进行平台碰撞过程的数值分析。

1)结构损伤变形

图4是平台碰撞的结构损伤图，其局部性特点十分明显。平台在遭遇假定的船舶碰撞工况后，立柱外壳板出现了一定的变形，撞击区域凹坑的最大深度为 0.6m，并未出现破口。因此碰撞过程中未发生破舱浸水的情况，不需考核其稳性，其结构仍具有完整性。撞击区域远离撑杆，因此撑杆未发生损伤撕裂的情况。

图4 平台局部损伤

图5 撞深-时间曲线

2)能量转换

对半潜式平台而言，其遭遇碰撞后的能量吸收主要依靠于局部凹坑、管状结构变形、管节点撕裂、板壳弯曲和褶皱以及整体变形。对于本文的算例来说，船舶假定为刚体，在碰撞中不发生变形。整个碰撞体系的能量转换见图 6。由于两者的质量比相差较大，撞击船的动能主要转化为平台的动能和变形能，其中变形能大约是动能的3倍。

图6 碰撞能量转换

由于本次假定的工况并非为对心碰撞，因此在平台遭遇碰撞时发生了较大的转动现象，图7显示平台的线动能仅比转动能大约50%，说明在半潜式平台碰撞问题的研究中，转动现象不可忽视。

图7 平台动能

3)碰撞力

碰撞力大小是反映撞击船与半潜式平台碰撞剧烈程度的重要指标，本文结构最大碰撞力约为23MN。碰撞力—撞深曲线能反映出平台结构的抗撞刚度，即在单位撞深下抵抗变形的能力。与参考文献[4]推荐的曲线相比，该平台在遭遇船舶艉碰时表现出了较强的抗撞能力。

图8 碰撞力-撞深曲线

2.3.3 剩余强度分析

在对立柱撞击区域的考察中发现，碰撞过程中并未出现破舱浸水的现象，受损舱室为A4V4，撞击区域的范围为：横向 4.382m、垂向 3.81m，水平方向0.6m，并未出现破舱浸水的现象。

船舶碰撞造成了立柱的局部损伤，但后续倒塌和倾覆的可能性仍然存在，尤其是碰撞结束后由于环境载荷的作用，受损的立柱可能无法继续承载导致整体结构破坏。因此，以本文目标平台工作海域一年一遇的环境载荷为标准，考虑其自重和相应的工作载荷，对其剩余承载能力进行准静态分析。

参考文献[3]中认为，碰撞后立柱的承载能力将减少20%～30%，因此本文将立柱的局部损伤作为计算的初始条件进行剩余强度计算。

由于平台工作海域一年一遇的环境载荷与工作和风暴工况相比较小，因此平台整体应力水平仍在可接受的范围之内，具有相当的剩余承载能力。

图9 一年一遇环境载荷下应力云图

3 撞击参数分析

半潜式平台在实际工作中由于风、浪、流等环境条件及其他意外因素的影响，其碰撞存在多种可能性，仅仅考虑典型的碰撞工况无法全面考量其碰撞响应与结构损伤。本文选取的撞击参数[6]主要有撞击质量、撞击速度比、撞击形式、撞击位置等，但实际碰撞中这些参数存在多种组合，具有不确定性，综合考察较为困难。本文主要考察单个撞击参数变化时对平台结构碰撞性能的影响。

3.1 撞击质量

由上文可知，95%的撞击船排水量在5000t以下。但是根据北海的位置趋势，北海南部95%的船舶排水量小于3500t；北海中部95%的船舶排水量小于6000t可知，仅采用一艘5000t排水量作为典型船舶有时显得较为保守。参照参考文献[2]，选取1艘9000t排水量的船舶作为撞击船，探讨其对于半潜式平台抗撞性能的影响。

撞击质量的增加意味着撞击能量的增加，更多的平台结构将参与变形。但尽管撞击质量增加了80%，平台变形能却增加50%，能量吸收的非线性特征较为明显。撞击质量的增加延长了碰撞过程，破口横向和垂向范围增加不大，撞深从0.6m增加到了0.87m，仍满足规范稳性的要求。

图10 撞击质量对能量吸收的影响

3.2 撞击速度比

与导管架平台和自升式平台有所不同，半潜式平台工作状态时由于波浪诱导力的作用具有一定的漂移速度（可能与撞击船方向相同或相反），这种漂移速度的存在将影响到平台的碰撞损伤结果。因此，本文选取6个典型的速度比（平台漂移速度/撞击船速度）来考察它们之间的影响（正号表示平台漂移方向与撞击船同向），见图11。

随着速度比的增加，平台吸能随之减小，即相对速度的增加带来了撞击能量的提升，对平台的结构损伤也随之增加。总体而言，速度对碰撞结果的影响与撞击质量一致，撞击工况一致的前提下撞击能量的增加只会带来碰撞时间的延长和撞深的增加，对能量曲线和碰撞力曲线的趋势影响不大。

图11 撞击速度比对能量吸收的影响

3.3 撞击形式

历史统计数据显示，船舶与半潜式平台相碰时存在艏碰、艉碰、侧碰3种情况。根据经验，侧碰会导致最大的整体变形，但艏碰和艉碰会造成最大的局部变形，对于补给船艉碰具有最大的可能性；对于过路船，则几乎都是艏碰。因此，本文通过计算考虑这3种撞击形式的不同对结构损伤的影响。

图 12显示，侧碰对结构造成了最大的损伤，艉碰次之，艏碰最小。船舶在侧碰时带动了较多的附连水参与碰撞，导致了最大的碰撞能量（侧碰时附连水质量系数为0.4，艏艉碰为0.1）；艉碰相对于艏碰而言，由于其结构形式的不同，将会导致更大的碰撞区域和结构损伤。

图12 撞击形式对能量吸收的影响

3.4 撞击位置

由于平台的工作特点，碰撞大多发生在水线面立柱或撑杆结构处。根据半潜式平台结构的特点，给出了4种典型的碰撞位置，见图13，对其能量吸收进行仿真分析，从而考察平台可能碰撞区域的抗撞刚度。

能量-撞深曲线可以反映出结构抵抗外界冲击能力的强弱，相同的撞深下结构吸收能量越多，表示其结构刚度越大，见图14。计算结果表明，结构抗撞刚度顺序如下：位置D＞位置B＞位置A ＞位置C。这也暗示若必须有补给船停靠平台进行作业时，停靠位置尽量选择在强结构处，以避免由于风浪造成的漂移碰撞给平台结构造成过大的损伤。