水下管汇保护装置落物碰撞分析

2020-03-19董鹏，张峰

港工技术 2020年1期

董鹏，张峰

（1.合瀛工程咨询（上海）有限公司，上海 200041；2.威海职业学院，山东威海 264200）

引言

海上油气田的开采受到水深的限制，通常会采取不同的生产方式，其中固定平台和水下生产系统是我们常见的两种方式。通常情况下，在水深较浅的地区（一般小于150 m）多以固定式导管架平台的生产方式，而在深水地区，由于受到导管架造价的影响和技术条件的限制，多采用水下生产系统的方式。

作为水下生产系统的关键设施，水下管汇是水下工艺处理设施的集成中心和平台，除了具有水面管汇生产汇集、分配和切换的功能外，根据需要还集成计量、增压、分离、除沙、清管、加药和控制等功能设施。因此，保护这些不同的设备，正常工作和日常维护就显得很重要。

1 水下管汇结构介绍

在管汇的正常运行中，为防止水面跌落物和水下管汇相碰撞、甚至破坏其结构，从而影响水下生产系统的安全生产运行，通常会采用如下两种措施：

1）要求作业者按规定进行生产和渔业活动；

2）在管汇结构设计上增加保护结构。

措施1仅限于近海渔业，对保护深水海域的水下管汇作用有限。因此增加保护结构可以从本质上解决此类问题。因此，在结构设计上通常采用框架结构和挡板来防止来自水上跌落物的碰撞。图1为某水下生产系统水下管汇的结构示意，为典型的框架式结构。

图1 水下管汇结构示意

顶层结构由型钢和钢板组成，防止落物冲击，为管汇接结构、设备提供保护；中层结构主要承受和传递上部结构荷载；下层结构也由型钢组成，为管线系统，控制系统等提供支撑。桩基系统图中未标示。

2 计算分析

2.1 工况选取

Ansys的LS-DYNA模块与ABAQUS都可以用来做碰撞计算，参照规范ISO 13628-1[1]，对落物的尺寸及能量作了详细的规定。如表1所示。

表1 防落物分析设计规范

本文参照工程实际情况，同时考虑不同形状的物体对落物碰撞分析的影响；落物质量分别取200 kg、500 kg、1 000 kg，基本可以囊括渔船锚具的质量范围；物体形状分写选取球形与流线型；水深取1 500 m。分别选取如下工况：

case11：球形+250 kg

case12：球形+500 kg

case13：球形+1 000 kg

case21：流线形+250 kg

case22：流线形+500 kg

case23：流线形+1 000 kg

2.2 模型介绍

对于碰撞分析，基于整个作用过程，提取管汇的框架结构和顶面挡板建立模型，删除微小特征和其他不影响分析结果的阀孔。

采用 ABAQUS进行结构瞬态动力学分析，假设钢球在很短时间内和挡板发生碰撞，故将球状跌落物、框架结构和顶部挡板分别建立有限元模型，装配后形成的网格如图2、图3所示。

图2 管汇模型示意

图3 钢球和挡板碰撞局部网格

三个部件的单元特性如下：

1）钢球：C3D4，共2 383节点，11 734单元；

2）顶挡板：S4R，共1 702节点，1 616单元，板厚25.4 mm；

3）框架：B31，共725节点，753单元。

考虑各梁之间的焊接连接和碰撞对框架的结构强度影响，将各梁的焊点通过节点重合处理。

框架和挡板之间采用面面全约束连接；钢球和挡板之间采用面面接触；在很短时间内钢球以水中自由落体的速度和挡板发生碰撞。

2.3 材料特性

1）框架：材料选用ASTM A572，Grade50；

2）钢球：密度7 852 kg/m3，弹性模量2.07；

3）挡板：密度7 800 kg/m3，弹性模量2.06。塑性应力-应变数据如表2。

表2 塑性应力-应变数据

2.4 边界条件

对于落物碰撞分析，核心在于能量的吸收，能量通过板传递给上层框架，然后通过斜撑传递给下层框架，最终传递给海床。根据实际工程情况，当发生落物时，最先发生破坏的是防护板，大部分能量被防护板吸收，框架结构破坏有限。因此，约束条件需要合理模拟能力的传递，不需要模拟出完整的桩基模型。为真实而有效的模拟约束条件，对整个装配结构，进行如下边界约束：

1）框架结构方型钢根部8个点全约束；

2）钢球关于框架结构对称面的对称约束。