水下玻璃纖維復(fù)合材料保護罩沖擊分析

陳曉東，張和生，王召，石錦坤，文子彥，屈衍,3

1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057

2.南方科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055

3.華南理工大學(xué)國際校區(qū) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 511436

據(jù)統(tǒng)計，我國在近10 年來由于落物沖擊、漁網(wǎng)拖掛等原因造成的水下油氣設(shè)施損壞達10 起以上，每起事故造成的經(jīng)濟損失達上億元[1]。英國健康與安全執(zhí)行委員會和美國天然氣協(xié)會關(guān)于海上管道災(zāi)難的報告數(shù)據(jù)指出，約47%的管道故障是由外部沖擊造成的[2]。漁船拋落地錨和漁網(wǎng)拖掛2 種作業(yè)方式是造成南海典型油氣開發(fā)區(qū)域水下管道破壞的重要原因[3-5]。目前，大部分新開發(fā)的海上油氣項目，均會安裝防護罩以保護水下生產(chǎn)結(jié)構(gòu)免受沖擊和拖掛的破壞，但在一些已開發(fā)的深水油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中并未采用任何保護類結(jié)構(gòu)，正在遭受漁業(yè)活動威脅，對于這類已投產(chǎn)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物設(shè)計針對性的后保護方案同樣迫在眉睫[6-8]。

玻璃纖維復(fù)合材料（glass fiber reinforced plastic,GFRP）具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點，在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9]，且多用于將石油或天然氣從近海鉆井站輸送到陸上工廠的復(fù)合管[10-11]，也能夠應(yīng)用于建造海上平臺上的各種一級和二級結(jié)構(gòu)，安裝在浮動設(shè)備上的主要或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括直升機橋架、管道系統(tǒng)、住宅、走道、樓梯、消防系統(tǒng)以及連接浮動平臺和水下結(jié)構(gòu)的柔性系統(tǒng)的立管和鋼筋束[12-14]。GFRP 對于修復(fù)水下結(jié)構(gòu)物也能起到很好的效果，迄今為止，已有幾種纖維增強復(fù)合材料可用于受損海洋結(jié)構(gòu)的修復(fù)，如纖維增強塑料護套、高密度聚乙烯管、沿橫向排列的玻璃和尼龍增強纖維等[15]。因此可以將玻璃纖維復(fù)合材料制成的水下防護罩用于保護水下生產(chǎn)設(shè)施免受墜落物的影響。

本文使用ABAQUS 顯式動力學(xué)計算玻璃纖維復(fù)合材料防護罩在NORSOK U-001 相關(guān)規(guī)范要求的沖擊能量下的沖擊力學(xué)性能，得出其力學(xué)響應(yīng)，如落物速度-時間曲線、碰撞點處Mises 應(yīng)力-時間曲線、變形-時間曲線、Tasi-WU 云圖，判別防護罩能否滿足強度和剛度要求、是否存在結(jié)構(gòu)損傷部分。

1 保護罩沖擊分析

以南海某項目玻璃纖維保護罩為例，模型如圖1 所示。

圖1 保護罩模型

按照NORSOK U-001[16]的要求，防護罩需承受的最大落物沖擊能量如表1 所示。

表1 NORSOK U-001 防護罩沖擊能量要求

計算所用玻璃纖維復(fù)合材料防護罩的材料參數(shù)如表2 所示，假設(shè)材料拉壓的彈性模量相同。表2 中，下標(biāo)1 表示纖維的方向，2 表示面內(nèi)垂直于纖維的方向，3 表示厚度方向垂直于纖維的方向。

表2 材料屬性

對于防護罩，其目的是保護水下生產(chǎn)設(shè)施，有限元分析時只考慮防護罩結(jié)構(gòu)的整體破壞，結(jié)構(gòu)中的單個纖維失效忽略不計，因為它不會導(dǎo)致防護罩整體坍塌。由于防護罩模型中的厚度遠小于長寬方向的尺寸，計算模型選擇殼模型，使用Tasi-WU 張量理論判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷部分，防護罩網(wǎng)格模型如圖2 所示，單元類型主要為S4R。

圖2 防護罩有限元模型

從表1 可以看出，防護結(jié)構(gòu)需考慮的沖擊能量為50、20 和5 kJ，相對應(yīng)的碰撞區(qū)域直徑分別為700、500 和100 mm。考慮到防護罩有加強筋結(jié)構(gòu)，因此有限元計算時每種荷載下設(shè)置A、B 共2個落點，落點位置如圖3 所示。其中A 位于防護罩中心位置，其底部為橫向、縱向加強筋交錯處；B 點位于橫向、縱向加強筋所圍成矩形位置中心處。

圖3 落點位置

綜上，沖擊分析計算工況如表3 所示。對于落物，在ABAQUS 中使用1 個正方體來表示，由于其碰撞區(qū)域已確定，為保證沖擊能量，通過控制材料密度使其達到一定質(zhì)量，加載時賦予其初速度從而達到相應(yīng)的沖擊能量。為減少計算分析時長與提高計算效率，落物賦予其初速度進行模擬，使其從距防護罩頂部10 cm 位置處開始掉落。分析步為顯式動力學(xué)分析，分析時長為0.2 s，并使用質(zhì)量放大系數(shù)。接觸是沖擊分析結(jié)果的關(guān)鍵因素，接觸切向的摩擦系數(shù)為0.2[17]；法線行為設(shè)置為硬接觸，并選擇允許接觸后分離；接觸關(guān)系使用面面接觸，主動面為落物底面，被動面為防護罩頂部。由于防護罩底部是固定于預(yù)裝的法蘭結(jié)構(gòu)上，所以可將防護罩視為四邊固支。落物的初速度設(shè)置為10 m/s，以得到相應(yīng)的沖擊能量。

表3 落物沖擊分析計算工況參數(shù)

2 防護罩沖擊響應(yīng)

分析計算表3 下的6 種沖擊工況，得出落物的速度-時間曲線，如圖4 所示。圖4 中，W1～W6分別表示工況1～6。

圖4 落物速度-時間曲線

從速度-時間曲線可得，落物以10 m/s 的速度撞擊到防護罩上，受到其阻礙作用，落物速度逐漸減小到0，之后速度由負變?yōu)檎?，即從向下運動變?yōu)橄蛏线\動。落物速度為0 時落物開始脫離防護罩，作用于防護罩的力隨之減小，防護罩的最大應(yīng)力發(fā)生于該時刻之前。工況1～6 落物速度為0 的時間分別為0.119、0.089、0.120、0.090、0.096、0.042 s，用以上時間內(nèi)的Tasi-WU 云圖來確定防護罩是否發(fā)生損傷與破壞。6 種工況下，落物都發(fā)生回彈（圖4 中落物速度大于零），即表明防護罩能保護水下生產(chǎn)設(shè)施，使落物不直接作用于待保護結(jié)構(gòu)，達到吸收沖擊能量的效果。

6 種工況下防護罩碰撞點處的Mises 應(yīng)力-時間曲線、變形-時間曲線分別如圖5 和圖6 所示，防護罩碰撞點處最大應(yīng)力和最大變形如表4 所示。

圖5 碰撞點處MISES 應(yīng)力-時間曲線

圖6 碰撞點處變形-時間曲線

表4 防護罩碰撞點處最大Mises 應(yīng)力和最大變形

通過對圖5、圖6 以及表4 分析可得：在工況1～4 下，其沖擊能量和碰撞區(qū)域大，防護罩碰撞處應(yīng)力水平較小，但最大變形較大，此時主要考慮結(jié)構(gòu)剛度問題；在工況5 和工況6 下，其沖擊能量和碰撞區(qū)域小，防護罩變形較小，但應(yīng)力水平大，此時主要考慮結(jié)構(gòu)強度要求。從強度來看，各工況下防護罩最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，即整體結(jié)構(gòu)能正常使用。從剛度來看，在工況1 下結(jié)構(gòu)的最大變形為0.512 m，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)由于變形對于待保護結(jié)構(gòu)的影響，即待保護結(jié)構(gòu)與防護罩頂部需預(yù)留一定的安全距離，以防止結(jié)構(gòu)由于變形過大給待保護結(jié)構(gòu)帶來二次破壞。

各工況下防護罩Tasi-WU 云圖如圖7 所示。其中，圖中白色部分表示Tasi-WU 系數(shù)小于1，即結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞的部分；白色以外部分則表示Tasi-WU 系數(shù)大于1，即結(jié)構(gòu)損傷部分。

圖7 Tasi-WU 云圖

從以上6 種工況下的Tasi-WU 云圖可以看出：防護罩在工況1～4 以及工況6 中均有不同面積大小的結(jié)構(gòu)破壞部分，在工況5 下則沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷部分。

對比工況1 與2、工況3 與4、工況5 與6 在相同沖擊能量、不同的沖擊位置下的防護罩損傷情況，得到結(jié)論如下：當(dāng)落物作用于加強筋上方處位置（圖3 中的A 點），則防護罩的損傷大部分出現(xiàn)于加強筋上，防護罩主體部分破壞部分較少或無破壞；若落物作用于橫向、縱向加強筋所圍成矩形位置中心處（圖3 中的B 點），則防護罩的損傷呈發(fā)散狀出現(xiàn)在落物落點位置處。從整體來看，各種工況下的落物沖擊對于防護罩造成的結(jié)構(gòu)損傷都發(fā)生在局部，只影響沖擊點附近，未對其他位置造成損傷，即防護罩整體結(jié)構(gòu)未受影響。

3 結(jié)論

玻璃纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等優(yōu)點代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)成為海底防護罩的主體材料，是保護水下生產(chǎn)結(jié)構(gòu)免受海上墜落物沖擊或漁網(wǎng)等物體拖掛破壞的重要措施。通過ABAQUS計算了3 種沖擊能量（50、20 和5 kJ）在2 種不同沖擊位置共6 種工況下防護罩的沖擊響應(yīng)，得出防護罩能夠有效吸收墜落物的沖擊能量的結(jié)論，并以此保護水下生產(chǎn)設(shè)施。在3 種沖擊能量下防護罩整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，局部位置存在損傷失效。但在沖擊能量較大時，防護罩變形較大，應(yīng)考慮防護罩由于變形給待保護結(jié)構(gòu)帶來的二次破壞。