钻井立管坠物作用下自升式平台甲板损伤及结构优化

穆璟宝，孙鸣远

（1. 大连职业技术学院，辽宁大连 116035；2. 大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116602）

0 引言

自升式平台作为一种在石油气资源开采中应用最广泛的钻井平台，作业时需要频繁进行诸如吊装钻井立管等设备的作业，坠物事故也是各类事故发生频率最高的。UK HSE和英国石油部门对钻井作业的意外事故做过统计，每台吊机每年平均需要起吊作业超过4 500次，每次起吊作业物体掉落的概率为2.2×10，超过一半的坠物会落在平台表面，其中有将近70%的概率会撞击到甲板区域。自升式钻井平台作业时需要起吊的货物主要有2个大类：方圆体和细长体。典型的代表例如钻井立管和集装箱。钻井立管由于截面积小，接触面较小且接触面刚性较大，击穿甲板从而撞击下层结构和设备的可能性更高，往往危害更大，因此研究钻井立管载荷对甲板结构的损伤，对减少因维修而影响平台生产作业，保证平台结构、设备及工作人员的安全，具有重要意义。

1 坠物损伤问题的研究方法

坠物撞击自升式平台甲板的问题实质上可包含在碰撞动力学相关研究的范畴内。撞击的过程往往伴随几何、物理、材料等多方面的变化，具有运动非线性的特征，是一个涉及材料学、刚体力学、塑性动力学、结构力学等多个学科的综合问题。对于钻井立管坠落于自升式平台甲板的撞击问题，国内外与之相关的研究相对比较少，但主流的研究方法可以参照平台与船、船与船、钻杆等坠物与海底管道的碰撞等相关问题进行研究，主要的研究方法有如下3种：

1）实验法

通过准静态或动态撞击试验，归纳总结大量重复性试验所得数据，并结合相关理论对试验所测得的数据进行分析和研究。ALSOS等按照1∶3的缩尺比例，模拟船舶在搁浅和碰撞时针对典型的船体板件结构的塑性变形和抗断裂能力进行准静态冲压试验。CHO等通过对33种板架结构的侧面进行动态撞击试验，分析研究其损伤情况，为结构设计优化提供参考。试验法虽然通常可以得到较为可靠的结果，但撞击问题由于要造成较大破坏，且具有较强的非线性特征，整个过程的不确定性因素较多，因此特别对于大尺度的结构，试验条件较为苛刻，有一定的局限性。

2）理论计算法

根据相关理论，对原有问题的模型由理论公式经过等式变换而得出精确解，从而得出撞击问题中相对简洁的几何、数据关系。但为了便于应用于实际工程，建模和算法通常需要进行简化或理想化处理，因此要在材料性质、过程机理、运动轨迹等方面添加约束限制条件，所得结果的计算精度相对而言可能比较低。

3）数值仿真法

在有限元分析软件的帮助下，模拟坠物撞击的真实物理过程，不仅能够获得撞击结束时的物理参数，而且能够随时监测、分析整个撞击过程中各个时刻的相关物理参数，相较而言，该方法具有节省费用和人力物力的优点。目前非线性的有限元开发程序较为丰富，如ANSYS/LS-DYNA、ABAQUS、MSC/DYTRAN等，在工程上都已被成功应用，且取得了较为理想的结果。ALSOS等在试验的基础上对试验模型进行数值模拟仿真，验证了LS-DYNA软件对处理船舶搁浅和碰撞问题的有效性，并给出了有限元网格单元尺寸的对于船体板件结构失效应变的经验计算公式。郝瀛借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件研究了箱型坠物对半潜式钻井平台甲板结构的损坏，对坠物撞击甲板的不同位置进行仿真模拟，修正完善了单元网格长度与失效应变的经验公式。

2 钻井立管坠落损伤分析

对于坠物事件，目前只有DNV规范和BV这2家船级社对该问题有较为详细的规定。DNV规范指出，坠落事件属偶然意外事件，只有在可能坠落的区域内才会发生坠物撞击事件，规定需要对被撞击的结构进行相应的结构评估。坠物事件的因素主要包括冲击速度、接触面、撞击位置、坠物质量、边界条件和坠物的刚度等。在通常情况下，坠物坠落产生的动能会转化成被撞甲板结构部分的变形能和坠物本身的变形能2个部分，但对于类似钻井立管一样的管状坠物轴向撞击时，一般将其等效为刚体，因此本文对钻井立管用刚体材料进行模拟。坠落事故只会发生在起重机可作业的区域。据统计，可能坠落的物体如表1所示几种类型。

表1 坠物分类

为了对自升式钻井平台的钻井立管坠落对平台甲板的损伤进行分析，本文采用有限元商业软件LS-DYNA，如表1所示，可将钻井立管视为扁长形坠物，坠落在平台甲板吊机工作区域下的一块甲板上。位置①表示落在甲板板架上，位置②表示落在甲板纵骨上，甲板板架结构及主要构件尺寸如图1所示。

图1 甲板板架结构及撞击示意图（单位：mm）

2.1 建立有限元模型

根据DNV规范，在通常情况下坠物撞击海平面时的速度约为24 m/s～26 m/s，相当于距离水面30 m处开始下落，而对于钻井立管撞击甲板的损伤分析需要减去钻井甲板平台距离水面的距离，可知钻井立管距离坠落点的距离约8 m。为让有限元模型更加清晰，设置立管位于甲板上方0.1 m处，立管的速度

v

=12.51 m/s。板架材料采用AH36高强度船体结构钢，密度为 7.85×10t/mm³，弹性模量为2.058×10MPa，泊松比为0.3，屈服强度为355 MPa，应变敏感系数

C

和

P

分别为40.4和5，塑性失效系数为0.15，钻井立管的材料与板架相同，但视为刚体。有限元模型如图2所示。

图2 立管撞击甲板的模型

为保证计算精度和正确反映整体结构受到撞击后的震动特征，模型的网格划分选用20 mm×20 mm。选用面面自动接触，根据实际经验，动态和静态摩擦因数均选为0.15。求解过程中，终止时间设为0.05 s，时间步长为0.001 s。

2.2 钻井立管冲击下平台甲板损伤分析

1）变形损伤情况

立管设置在距离平台 0.1 m处开始下落，

t

=0.004 s时立管开始与甲板接触，在位置1处，作业甲板首先以接触点为圆心产生凹陷状的塑性变形：

t

=0.016 s时，冲击超过其失效应变，甲板破裂，随后破裂面积迅速增大；

t

=0.019 8 s时，立管可顺利通过甲板，甲板不再破裂。损伤如图3所示。位置2处，在纵骨位置发生弯曲褶皱的现象：

t

=0.014 s时纵骨发生断裂，随后甲板失效破裂；

t

=0.032 s时，立管可顺利穿过甲板和纵骨直至碰撞结束。损伤如图4所示。

图3 位置1，板中央

图4 位置2，板中央

2）能量变化情况

在立管撞击甲板后，位置1处，其大部分损失的动能都转换为由于甲板及周围构架塑性变形产生的变形能及动能，即使局部构架产生振动，其中大部分的能量被甲板吸收保留，但由于构架被击穿，坠物仍保留50%以上的动能，如图5所示。位置2处，由于直接纵骨的阻碍有更多的动能转换为构架的内能，甲板所吸收的动能被纵骨分担，虽然最终构架还是被击穿，但上层甲板及构架吸收了更多动能，对下部结构的冲击明显降低，如图6所示。

图5 位置1，能量-时间历程曲线

图6 位置2，能量-时间历程曲线

3）碰撞的力的变化情况

如图7所示：在

t

=0.003 6 s时，开始有碰撞力产生，位置1处在

t

=0.014 8 s时达到峰值，甲板开始破裂，碰撞力也随之逐渐降低；在

t

=0.019 8 s时碰撞力降为 0，说明立管已经完全穿透甲板，继续向下坠落。位置2处同样也是在

t

=0.003 6 s时开始碰撞，但由于纵骨更直接地参与受力，碰撞力的峰值更大，且到达峰值的时间更晚，板架开始失效和完全失效的时间也更晚。

图7 位置1和位置2，碰撞力-时间历程曲线

通过计算可知，当钻井立管在距离甲板8 m处下落时，该目标平台甲板结构无法抵抗坠击所造成的损伤，立管会穿透上层甲板继续对下部结构或设备造成破坏，但立管坠落在位于纵骨之上的甲板会损失更多动能，对下部结构及设备的破坏程度会显著降低。

3 针对坠物载荷的结构优化

为了保证平台的安全性，提高结构的抗坠物冲击的性能，通过对原结构有限元模型的撞击分析可知，纵骨可以分担甲板受到撞击时产生的内能，在相同撞击区域内通过改变纵骨支撑数目和结构形式，提升其分担吸能的效果，可以在一定程度上减免撞击带来的结构上的损伤和失效。在尽可能小地改变原有结构的基础上，考虑2个改良方案：

1）将纵骨材料由角钢变为T型材。将原板架结构中的纵骨由尺寸为100 mm×75 mm×7 mm的角钢替换为尺寸为（501.3×11.1+209×15.9）mm 的 T型材。

2）增加纵骨的数量。在原板架结构的基础上增加纵骨的数量，在同等甲板构架的条件下纵骨数量增加1倍。

仍选取立管在甲板上方8 m处下落，重新建立非线性有限元模型进行模拟。根据之前的模型分析，立管撞击纵骨之间的甲板区域风险更高，因此优化后的结构选取纵骨之间的区域进行撞击模拟，并通过分析撞击过程，与原结构进行比较，研究针对坠物载荷而言更加合理的甲板构架结构。

通过撞击模拟，2种方案均可以有效防止立管被击穿，在甲板的撞击位置产生永久凹陷状塑性变形。

方案1：立管在

t

=0.013 s时开始停止下落并向上回弹，甲板撞击处产生的塑性变形更大，两侧T型材纵骨未产生较大塑性变形。方案2：立管在

t

=0.017 6 s时停止下落，开始向反方向反弹，撞击处相邻两侧的纵骨产生较大的塑性变形，变形情况如图8和图9所示。

图8 方案1结构撞击反弹后的变形

图9 方案2结构撞击反弹后的变形

原方案、方案1、方案2的结构总体内能-时间变化历程如图10所示。可以看出，由于立管未穿透甲板，相较于原方案，改良后的结构撞击内能明显增加。方案1和方案2总的内能增加接近，但二者内能增加的过程与构成是有明显区别的，如图11所示：方案1碰撞产生的动能主要由甲板吸收，T型材分担的效果不明显；方案2甲板上的内能明显降低，因为纵骨吸收了很大一部分冲击动能。

图10 不同结构总内能-时间变换历程

图11 不同结构甲板内能-时间变换历程

通过上述分析可知，改良后的板架结构都可以在原条件下有效防止甲板被立管击穿，但通过增加纵骨的数量可以使撞击时各构件受到的冲击能量分担更均匀，可以更有效地降低坠物破坏的风险。

4 结论

以某型号的自升式平台坠物风险较大的作业甲板为对象，根据实际工况建立有限元模型，结果显示立管坠落后不仅会穿透甲板，还依旧以较大的动能继续向下坠落，对下部结构和设备造成很大威胁。通过将纵骨由角钢替换为T型材和增加纵骨的数量都可以有效防止甲板被击穿，且增加纵骨数量的改良方案效果较为明显。本研究可以为工程设计实践提供一定的指导。