海洋平台物体坠落安全分析

刘英芳，王海军，石强，王欣，杨岳山

海洋平台物体坠落安全分析

刘英芳，王海军，石强，王欣，杨岳山

为保证海洋平台钻杆坠落对钻台撞击后的结构安全性能，对钻杆坠落撞击钻台过程分别进行经验公式计算、非线性静力分析和非线性动力分析，对比3种评估方法的特点，制定适用于实际工程的平台物体坠落安全分析流程，满足从快速评估到精细化计算的设计需求。对平台物体坠落进行非线性数值仿真计算，得到与外载荷对应的最大变形，结构应力、应变集中分布，材料破断位置，能量转换及速度随时间的变化规律。

海洋平台；钻台；坠落物；非线性；动力分析

在海洋油气勘探开发中，海洋平台在复杂海洋环境中作业，除了受到正常工作载荷以及风浪流和海冰等环境载荷作用外，一些意外突发事件，如船与平台碰撞、火灾爆炸及平台钻杆坠落等时有发生。其中平台物体坠落作为一项主要的意外突发事件，被越来越多的船东业主所关注，并提出物体坠落的安全分析需求[1-2]。

平台物体坠落安全评估方法主要基于能量守恒原理的公式计算和数值分析2种方法。公式计算法通过经验公式计算结构的吸收能，能够提供保守、有效的快速评估，缺点是坠落物冲击区域的选取决定着吸收能的大小、经验公式的设计参数具有一定适用范围；并且公式计算仅能从宏观的吸收能与坠落物的冲击动能大小比较来判断结构抗冲击能力，而无法对局部应变集中位置、材料破断区域等结构动态响应做出准确预测。数值分析方法则能够通过准确的几何、材料模型构建，对物体坠落冲击过程进行非线性静力和非线性动力的数值仿真，得到更为准确、优化的安全评估结果。

为此，考虑制定一种工程化的平台物体坠落安全分析流程，满足从快速评估到精细化计算的不同设计阶段需求，见图1。

以某海洋平台钻台甲板为研究对象开展钻杆坠落的安全评估，分别应用公式计算、非线性静力分析以及非线性动力分析3种方法进行计算分析。

1 工程研究对象

某海洋钻台甲板模型尺寸见图2。

钻台材料为AH36钢，屈服应力355 MPa，极限拉伸强度620 MPa，断裂应变0.20，甲板板厚20 mm。钻杆重量9.3 t，坠落高度1.5 m，重力加速度9.81 m/s2。根据动能计算公式可知钻台结构所需承受的冲击动能Ekin=136.8 kJ。

2 公式计算

选取具有代表性的DNV规范公式进行钻杆坠落的安全评估计算，计算表明钻台结构强度不满足要求。分析发现规范公式不适用于本例，计算结果不能作为评估依据。同时计算公式具有理想假定，认为冲击能完全由局部区域吸收，能量吸收区域的选取极大影响校核结果准确性。当加强筋间距较小时，选取加强筋界定区域进行计算，预测结果偏于保守；加强筋间距较大时，则预测结果偏危险。因此如何合理选取冲击区域是公式应用的难点。

3 非线性分析

非线性静力分析的基本原理是通过对结构施加单调递增载荷将结构推至某给定位移或应变状态，进而分析该过程结构薄弱位置及其他非线性状态的反应[3-4]。

根据图2所示钻台尺寸，使用Ansys软件建立冲击区域有限元模型，见图3。

为准确模拟结构的弹塑性性能，使用shell181、solid185单元建模进行对比计算，材料模型采用多线性等效强化模型，网格密度10 mm×10 mm。四边简支，载荷以面载荷形式施加在钻杆与钻台冲击接触区域，以4.95 kN间隔单调递增，保守假定甲板单元达到断裂应变时即停止加载。

对比壳单元模型和体单元模型的有限元(见图4、5)分析结果，材料在发生破坏时最大等效应变均达到设定值0.2，表明有限元模型的材料属性及网格尺寸满足计算要求，能够捕捉到材料达到塑性极限的载荷步及此时的应力应变分布情况。

与外载荷对应的最大变形见图6，分析图6，在材料单元达到断裂应变时，壳单元模型计算得到的吸收能为50.6 kJ，体单元模型计算得到的吸收能为73.6 kJ，均小于冲击动能，钻台结构不满足防冲击要求；同时结果还表明壳单元模型计算结果更为保守，在进行初步快速评估时可采用壳单元建模，对于精细化计算则应尽量在冲击区域以体单元建模，保证计算精度。

4 非线性动力分析

静力分析仅能保证结构所能承受的静载荷极限，而当载荷随时间变化时，单纯静力分析并不能完全真实反应钻杆撞击钻台的力学时历过程。对于物体坠落安全评估问题，整体模型的吸收能并不能作为结构安全的唯一评判标准，对于最大应变集中位置、破断位置以及随时间变化的结构响应等则需要非线性动力分析技术才能解决[5-7]。另外非线性动力分析可以模拟坠落防护物如甲板垫木、橡胶垫等各因素，同样是公式计算及非线性静力分析难以考虑的。

4.1 计算原理

非线性动力分析的数值算法目前主要有显式方法和隐式方法。显式方法适于处理瞬态、大变形问题，隐式方法适于处理稳态、非线性静动力问题。对于钻杆坠落碰撞的动态求解问题，采用显式时间积分法能够得到准确求解。碰撞过程的动力平衡方程如下。

(1)

由式(2)计算可得，节点加速度矢量为

(2)

采用中心差分法计算节点速度矢量与位移矢量为

(4)

对于动力分析问题，显式算法非常适用于大矩阵方程的求解，由于显式算法不需要进行矩阵转置与迭代，其所有非线性均包含在内力矢量中，因此在同一时间步内，显式算法比隐式算法的计算效率更高。

4.2 平台物体坠落数值仿真

使用Ansys/Ls-dyna显式动力求解器进行非线性动力分析，钻台及钻杆有限元模型见图7。

结构模型采用solid164单元建立，网格密度10mm×10mm，钻台材料模型采用分段线性塑性模型，钻杆材料模型采用刚体模型。计算得到钻杆初始速度v=5.425 m/s。动摩擦及静摩擦系数均取恒定值0.2，考虑到钻杆端部先细后粗的变截面形状，其对钻台甲板的撞击将发生初始碰撞及二次碰撞，设定计算时间为0.12 s。

计算结果表明，钻杆与钻台甲板的碰撞过程主要有2个阶段：钻杆端部较细截面与甲板初次碰撞产生的初始材料失效，以及钻杆端部较粗截面与甲板二次碰撞产生的部分材料失效，见图8、9。

材料的初始失效发生于14.398 ms，可知碰撞是一个瞬态过程，作用时间往往是毫秒级。在71.4 ms时刻，二次碰撞发生，粗截面穿过甲板面，造成部分材料单元的二次失效。观察能量曲线(见图10)，滑移能与沙漏能控制在总能量的5%以内，证明动态分析结果可信。0～14 ms为钻杆与甲板面初始接触至甲板达到断裂失效时的动能与内能转换过程；14～70 ms为钻杆细截面穿过甲板过程，该过程钻杆与甲板之间无相互作用，内能与动能保持恒定；70～85 ms为钻杆粗截面与甲板面相互作用过程，至85 ms左右动能完全转换为内能，钻杆下坠至最低点，速度为0(见图11)；85 ms之后，甲板部分弹性势能转换为钻杆动能，钻杆反弹，永久塑性应变能为126.65 J。

非线性动力分析结果表明，钻台结构能够承受给定工况的钻杆冲击，阻止钻杆继续下落所造成的下方设备、人员损伤。另外，考虑到钻台甲板上布置有垫木以及橡胶垫，均能在一定程度缓冲钻杆坠落冲击；分析中假定钻杆为刚体模型，钻台边界简支，动能完全由钻台局部结构吸收，而在实际碰撞过程中，钻杆会吸收一定动能，且整个钻台结构及与之相连结构均会因钻杆冲击而吸收一定动能转换为相应势能。因此钻台结构设计满足给定条件下的防坠落要求。

6 结论

1)公式计算法能够对物体坠落安全问题给

出简单、快速的计算结果，然而经验公式具有参数适用性问题，对于本文所选取研究对象则并不适用；另外，还存在着合理选取冲击区域的难点。

2)非线性静力分析，兼顾计算简便，又避开了非线性动力分析的繁琐，能够提供相对快速、安全的强度评估，其最大优点在于可以准确得到每一加载阶段的结构响应、非线性状态、材料破断位置、应变集中分布状况等。对本文研究对象的评估结果表明，壳单元模型的计算精度要低于体单元模型，然而壳单元模型计算结果更加保守，因此对于经验公式不适用的情况，建议采用壳单元建模进行快速评估，或在冲击区域建立体单元模型以提高计算精度。

[1] DNV. Design against accidental loads[S].DNV,2010.

[2] ABS. Guide notes on accidental load analysis and design for offshore structures[S].ABS,2013.

[3] KILAR V, FAJFAR P. Simple push-over analysis of asymmetric buildings[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1997,26:233-249.

[4] 扶长生,张小勇.推覆分析的原理和实施[J].建筑结构,2012,42(11):1-10.

[5] 林一.自升式钻井平台风险评估研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2013.

[6] AHN Kwanghyun, CHUN Minsung.Dropped object analysis using non-linear dynamic FE analysis[C]. Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2014.

[7] 王林,周国宝,米旭峰.基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2008,9(6):687-692.

(大连船舶重工集团设计研究所有限公司，辽宁 大连 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

刘英芳(1988—)，男，硕士，助理工程师研究方向:海洋工程结构设计与强度分析

P751

A

1671-7953(2017)01-0134-04

修回日期：2016-07-19