水下玻璃纤维复合材料保护罩冲击分析

陈晓东，张和生，王召，石锦坤，文子彦，屈衍,3

1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518057

2.南方科技大学 海洋科学与工程系，广东 深圳 518055

3.华南理工大学国际校区 海洋科学与工程学院，广东 广州 511436

据统计，我国在近10 年来由于落物冲击、渔网拖挂等原因造成的水下油气设施损坏达10 起以上，每起事故造成的经济损失达上亿元[1]。英国健康与安全执行委员会和美国天然气协会关于海上管道灾难的报告数据指出，约47%的管道故障是由外部冲击造成的[2]。渔船抛落地锚和渔网拖挂2 种作业方式是造成南海典型油气开发区域水下管道破坏的重要原因[3-5]。目前，大部分新开发的海上油气项目，均会安装防护罩以保护水下生产结构免受冲击和拖挂的破坏，但在一些已开发的深水油气田的水下生产系统中并未采用任何保护类结构，正在遭受渔业活动威胁，对于这类已投产的水下生产系统结构物设计针对性的后保护方案同样迫在眉睫[6-8]。

玻璃纤维复合材料（glass fiber reinforced plastic,GFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，在海洋工程领域应用广泛[9]，且多用于将石油或天然气从近海钻井站输送到陆上工厂的复合管[10-11]，也能够应用于建造海上平台上的各种一级和二级结构，安装在浮动设备上的主要或关键结构包括直升机桥架、管道系统、住宅、走道、楼梯、消防系统以及连接浮动平台和水下结构的柔性系统的立管和钢筋束[12-14]。GFRP 对于修复水下结构物也能起到很好的效果，迄今为止，已有几种纤维增强复合材料可用于受损海洋结构的修复，如纤维增强塑料护套、高密度聚乙烯管、沿横向排列的玻璃和尼龙增强纤维等[15]。因此可以将玻璃纤维复合材料制成的水下防护罩用于保护水下生产设施免受坠落物的影响。

本文使用ABAQUS 显式动力学计算玻璃纤维复合材料防护罩在NORSOK U-001 相关规范要求的冲击能量下的冲击力学性能，得出其力学响应，如落物速度-时间曲线、碰撞点处Mises 应力-时间曲线、变形-时间曲线、Tasi-WU 云图，判别防护罩能否满足强度和刚度要求、是否存在结构损伤部分。

1 保护罩冲击分析

以南海某项目玻璃纤维保护罩为例，模型如图1 所示。

图1 保护罩模型

按照NORSOK U-001[16]的要求，防护罩需承受的最大落物冲击能量如表1 所示。

表1 NORSOK U-001 防护罩冲击能量要求

计算所用玻璃纤维复合材料防护罩的材料参数如表2 所示，假设材料拉压的弹性模量相同。表2 中，下标1 表示纤维的方向，2 表示面内垂直于纤维的方向，3 表示厚度方向垂直于纤维的方向。

表2 材料属性

对于防护罩，其目的是保护水下生产设施，有限元分析时只考虑防护罩结构的整体破坏，结构中的单个纤维失效忽略不计，因为它不会导致防护罩整体坍塌。由于防护罩模型中的厚度远小于长宽方向的尺寸，计算模型选择壳模型，使用Tasi-WU 张量理论判断结构是否存在损伤部分，防护罩网格模型如图2 所示，单元类型主要为S4R。

图2 防护罩有限元模型

从表1 可以看出，防护结构需考虑的冲击能量为50、20 和5 kJ，相对应的碰撞区域直径分别为700、500 和100 mm。考虑到防护罩有加强筋结构，因此有限元计算时每种荷载下设置A、B 共2个落点，落点位置如图3 所示。其中A 位于防护罩中心位置，其底部为横向、纵向加强筋交错处；B 点位于横向、纵向加强筋所围成矩形位置中心处。

图3 落点位置

综上，冲击分析计算工况如表3 所示。对于落物，在ABAQUS 中使用1 个正方体来表示，由于其碰撞区域已确定，为保证冲击能量，通过控制材料密度使其达到一定质量，加载时赋予其初速度从而达到相应的冲击能量。为减少计算分析时长与提高计算效率，落物赋予其初速度进行模拟，使其从距防护罩顶部10 cm 位置处开始掉落。分析步为显式动力学分析，分析时长为0.2 s，并使用质量放大系数。接触是冲击分析结果的关键因素，接触切向的摩擦系数为0.2[17]；法线行为设置为硬接触，并选择允许接触后分离；接触关系使用面面接触，主动面为落物底面，被动面为防护罩顶部。由于防护罩底部是固定于预装的法兰结构上，所以可将防护罩视为四边固支。落物的初速度设置为10 m/s，以得到相应的冲击能量。

表3 落物冲击分析计算工况参数

2 防护罩冲击响应

分析计算表3 下的6 种冲击工况，得出落物的速度-时间曲线，如图4 所示。图4 中，W1～W6分别表示工况1～6。

图4 落物速度-时间曲线

从速度-时间曲线可得，落物以10 m/s 的速度撞击到防护罩上，受到其阻碍作用，落物速度逐渐减小到0，之后速度由负变为正，即从向下运动变为向上运动。落物速度为0 时落物开始脱离防护罩，作用于防护罩的力随之减小，防护罩的最大应力发生于该时刻之前。工况1～6 落物速度为0 的时间分别为0.119、0.089、0.120、0.090、0.096、0.042 s，用以上时间内的Tasi-WU 云图来确定防护罩是否发生损伤与破坏。6 种工况下，落物都发生回弹（图4 中落物速度大于零），即表明防护罩能保护水下生产设施，使落物不直接作用于待保护结构，达到吸收冲击能量的效果。

6 种工况下防护罩碰撞点处的Mises 应力-时间曲线、变形-时间曲线分别如图5 和图6 所示，防护罩碰撞点处最大应力和最大变形如表4 所示。

图5 碰撞点处MISES 应力-时间曲线

图6 碰撞点处变形-时间曲线

表4 防护罩碰撞点处最大Mises 应力和最大变形

通过对图5、图6 以及表4 分析可得：在工况1～4 下，其冲击能量和碰撞区域大，防护罩碰撞处应力水平较小，但最大变形较大，此时主要考虑结构刚度问题；在工况5 和工况6 下，其冲击能量和碰撞区域小，防护罩变形较小，但应力水平大，此时主要考虑结构强度要求。从强度来看，各工况下防护罩最大应力小于材料许用应力，即整体结构能正常使用。从刚度来看，在工况1 下结构的最大变形为0.512 m，应考虑结构由于变形对于待保护结构的影响，即待保护结构与防护罩顶部需预留一定的安全距离，以防止结构由于变形过大给待保护结构带来二次破坏。

各工况下防护罩Tasi-WU 云图如图7 所示。其中，图中白色部分表示Tasi-WU 系数小于1，即结构未发生破坏的部分；白色以外部分则表示Tasi-WU 系数大于1，即结构损伤部分。

图7 Tasi-WU 云图

从以上6 种工况下的Tasi-WU 云图可以看出：防护罩在工况1～4 以及工况6 中均有不同面积大小的结构破坏部分，在工况5 下则没有出现结构损伤部分。

对比工况1 与2、工况3 与4、工况5 与6 在相同冲击能量、不同的冲击位置下的防护罩损伤情况，得到结论如下：当落物作用于加强筋上方处位置（图3 中的A 点），则防护罩的损伤大部分出现于加强筋上，防护罩主体部分破坏部分较少或无破坏；若落物作用于横向、纵向加强筋所围成矩形位置中心处（图3 中的B 点），则防护罩的损伤呈发散状出现在落物落点位置处。从整体来看，各种工况下的落物冲击对于防护罩造成的结构损伤都发生在局部，只影响冲击点附近，未对其他位置造成损伤，即防护罩整体结构未受影响。

3 结论

玻璃纤维复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优点代替传统钢结构成为海底防护罩的主体材料，是保护水下生产结构免受海上坠落物冲击或渔网等物体拖挂破坏的重要措施。通过ABAQUS计算了3 种冲击能量（50、20 和5 kJ）在2 种不同冲击位置共6 种工况下防护罩的冲击响应，得出防护罩能够有效吸收坠落物的冲击能量的结论，并以此保护水下生产设施。在3 种冲击能量下防护罩整体结构未发生破坏，局部位置存在损伤失效。但在冲击能量较大时，防护罩变形较大，应考虑防护罩由于变形给待保护结构带来的二次破坏。