考慮墜物載荷的鉆臺結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

夏侯命勝 郭興乾 蔣鎮(zhèn)濤 楊東亞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

1992年，渤海6號平臺由于壓載箱被墜物擊穿而引發(fā)了較嚴重的事故，由于平臺在運營期所產(chǎn)生的維修成本巨大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，能否有效評估墜物載荷對結(jié)構(gòu)強度及系統(tǒng)安全的影響意義重大。

墜物撞擊是典型的接觸和摩擦問題，過程往往伴隨著材料、幾何、物理和運動非線性。相關(guān)研究涉及材料學、固體力學、塑性動力學、結(jié)構(gòu)動力學、接觸力學和損傷力學等多種學科。鉆臺結(jié)構(gòu)可能遭受意外墜物載荷，尤其在吊裝頻繁的工作區(qū)域［1］。對于一般撞擊只會民致結(jié)構(gòu)局部區(qū)域破壞影響有限，然而當系統(tǒng)重要構(gòu)件或管路等重要設(shè)備保護結(jié)構(gòu)受到撞擊破壞時，則會影響到整個系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的安全及功能。

為便于鉆臺結(jié)構(gòu)在設(shè)計時能有效快速地評估墜物撞擊對結(jié)構(gòu)的影響，本文通過對板架結(jié)構(gòu)的能量吸收機理進行深入研究，得到鉆臺結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的簡化公式評估方法；然后借助非線性有限元軟件，通過建立有限元模型、合理設(shè)置相關(guān)計算參數(shù)，考慮不同墜物載荷下，對鉆臺甲板板、加強筋及強橫梁結(jié)構(gòu)的塑性失效模式進行了對比分析，充分驗證了簡化公式評估方法的有效性，同時也深入了解此類結(jié)構(gòu)在墜物載荷下的失效機理。

1 墜物工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

板架結(jié)構(gòu)的能量吸收機理主要取決于抗拉屈服極限和大塑性應(yīng)變的發(fā)展情況；由于這些后屈服，加上彈性和動力的影響，往往很難取得足夠較精確的結(jié)果。因此，國內(nèi)外學者往往利用試驗來研究板架的能量吸收機理和驗證相關(guān)理論。本文針對板架結(jié)構(gòu)的墜物分析（忽略了不確定和無關(guān)緊要的影響），應(yīng)用簡化公式來評估沖擊能量和結(jié)構(gòu)能量吸收的能力。

1.1 墜物載荷

鉆臺結(jié)構(gòu)墜物及設(shè)計載荷的選取應(yīng)根據(jù)設(shè)備及其在鉆臺區(qū)域吊裝流程和頻率的統(tǒng)計結(jié)果。對于少數(shù)重型設(shè)備，若其吊裝頻率很低則沒必要作為鉆臺設(shè)計的墜物載荷，可在其吊裝時給予臨時性的保護措施。鉆臺可能受墜物載荷作用區(qū)域應(yīng)該分析與之匹配的起吊設(shè)備（如吊機，井架等）的吊臂半徑，甲板幾何形狀及通常的吊裝程序包括限制區(qū)域。尤其需要注意的是在井口、運行管路、生活和辦公區(qū)域及其他可能因為墜物穿刺民致嚴重后果甚至災(zāi)難的區(qū)域上方往往須采取相應(yīng)保護措施。

不同的墜物對于甲板不同的結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計有著決定性的作用，小接觸面墜物如鉆桿將決定鉆臺甲板板格厚度的設(shè)計；更重且接觸面也足夠大的墜物則決定鉆臺甲板縱骨的設(shè)計；當該墜物無論重量還是接觸面積都達最大時，將決定鉆臺甲板強梁系統(tǒng)的設(shè)計。鉆臺典型墜物相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆臺典型墜物相關(guān)參數(shù)

墜物撞擊能量Eo計算公式如下：

式中：V為撞擊速度，m/s；W為墜物重量，kN；m為墜物質(zhì)量，kg；H為墜物重心位移，m。

1.2 墜物分析關(guān)鍵要素

由于結(jié)構(gòu)單元、墜物或撞擊點等相關(guān)參數(shù)較小的變化都可能民致結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大的差異，因此每一個墜物工況都存在差異。墜物分析關(guān)鍵要數(shù)如下：

（1）撞擊速度

撞擊速度不僅對持續(xù)時間（duration）和載荷脈沖（load-pulse）形狀有影響，而且與不同變形模式下的動力放大系數(shù)也有關(guān)系。當載荷脈沖時間與結(jié)構(gòu)整體變形固有周期發(fā)生吻合時，將產(chǎn)生較大的動力放大因子，同時也伴隨整體能量吸收的增加。雖然材料的屬性將受高應(yīng)變率的影響，高應(yīng)變率會民致屈服和極限應(yīng)力的顯著增加，但是高速沖擊依然會民致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破裂危險的增加。為模擬最嚴重的撞擊工況，速度方向一般通過墜物的重心垂直于板的表面。

（2）接觸面

是決定能量吸收模式的重要因素之一，每個計算工況都必須定義接觸面積的大小。

（3）撞擊位置

由于實際工程中撞擊區(qū)域及墜物重量和墜落高度均是隨機的，因此設(shè)計時需要選取最嚴重的載荷工況，并與之匹配非彈性能量吸收能力最弱的區(qū)域進行計算分析，尤其對關(guān)鍵撞擊區(qū)域的位置和幾何形狀應(yīng)事先進行評估。一般而言，在剛性區(qū)域的撞擊會產(chǎn)生小變形并伴隨少量能量的吸收能力。

（4）質(zhì)量

沖擊能量一般與撞擊物的重量成正比，而受撞結(jié)構(gòu)與墜物間的質(zhì)量比將影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和變形模式。

（5）邊界條件

受撞擊結(jié)構(gòu)的剛度取決于邊界條件，同時它還影響著變形模式及其相應(yīng)的能量吸收機制，對結(jié)構(gòu)膜力的產(chǎn)生尤其重要。

（6）墜物的剛度

大多情況下，主要沖擊能量將由墜物和受撞擊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性變形吸收。然而，這取決于兩者的相對剛度和相對吸收能量的能力，比如相對柔軟的墜物（如集裝箱和直升機），受撞擊結(jié)構(gòu)的損傷一般是有限的，這已經(jīng)通過試驗驗證。當一個集裝箱掉落撞擊到甲板時，被撞擊的甲板僅出現(xiàn)一個小凹坑，而集裝箱則發(fā)生了很大的塑性變形。對于剛度大的墜物如鉆桿和泥漿泵，由于其高剛度和強度，墜物本身僅吸收能量（彈性）的一小部分，此時相對柔軟的鉆臺甲板結(jié)構(gòu)則在吸收大部分能量下產(chǎn)生較大塑性變形。

（7）材料厚度

材料的厚度將同時影響局部應(yīng)力的分布和材料在受撞擊下的屬性。對于厚板將產(chǎn)生阻止穿孔的三向應(yīng)力，而薄板將主要遭受撞擊過程中的沖剪應(yīng)力。

1.3 墜物載荷沖擊下結(jié)構(gòu)能量吸收簡化評估方法

總吸收能量的能力為Et=Ee+Ep。其中Ee、Ep分別為板單元、支撐結(jié)構(gòu)及墜物的彈性應(yīng)變能（出于保守考慮，所占比例較小的彈性應(yīng)變能的貢獻一般忽略不計）和塑性應(yīng)變能。鉆臺結(jié)構(gòu)主要由板、扶強材（縱骨/橫梁）及大型工字鋼組成，縱骨間距一般約600 mm，工字鋼作為鉆臺主要承載結(jié)構(gòu)往往關(guān)系到鉆臺的整體強度安全。由于墜物大小各異，鉆臺甲板受碰撞結(jié)構(gòu)有所不同，民致其簡化計算公式也不盡相同。

1.3.1 連續(xù)加筋板板格

當較小墜物如鉆桿墜落到甲板板格區(qū)域時，則甲板板格塑性能量吸收能力可由下式進行計算：

本公式基于9-1/2″鉆桿墜落實驗所得［2-4］。式中：Le為墜物周長（如墜物沖剪區(qū)域的周長），m；Dp為9-1/2″鉆桿的直徑，m；πDp為9-1/2″鉆桿的周長，m；Cv為材料撞擊韌性；σy為材料屈服應(yīng)力，MPa；Δ為板格塑性變形值，mm。對于其他規(guī)格鉆桿可以通過修正系數(shù)C1和C2來確定。

接觸面積修正系數(shù)：

延展性修正系數(shù)：

1.3.2 鉆臺縱骨

當墜物足夠大時（其最小尺寸不小于鉆臺縱骨間距），即墜物載荷直接作用在支撐板格的縱骨上?；诒Ｊ卦O(shè)計，一般認為撞擊點位于縱骨的中點。根據(jù)材料及彈塑性力學原理，甲板縱骨塑性能量吸收能力可由式（5）進行計算［5］，力學簡化模型如圖1所示。

圖1 鉆臺縱骨簡化力學模型

假設(shè) ，則 ，因此

式中：δp、δe分別為塑性和彈性拉伸變形，mm；ξ為應(yīng)變；Ae為筋的截面面積（考慮帶板），mm2；L為縱骨跨距，mm。

1.3.3 縱桁或強橫梁

當墜物撞擊能量過大時，將決定鉆臺強梁（主要指工字梁）的設(shè)計。由于沖剪引起的工字鋼面板或腹板的失效模式是分析的關(guān)鍵，因此此時撞擊時的接觸面積將不那么重要。雖然強梁與筋都是彈性彎曲構(gòu)件，沖擊載荷作用下失效模式類似，但是縱桁或強橫梁受墜物撞擊時的計算方法卻不能應(yīng)用筋的相關(guān)簡化公式及方法，主要是因為：

（1）邊界條件

由于鉆臺大梁可提供甲板筋及板格的彈性軸向拉應(yīng)力邊界，但對其本身而言卻無類似邊界支撐。

（2）垂向變形

對于柔性梁，只有當其產(chǎn)生很大變形時才能出現(xiàn)較明顯的軸向力。而此變形與梁的跨距成正比，因此對于大跨距的縱桁或強橫梁的垂向變形一般是小跨距筋的數(shù)倍。

因此，對于縱桁及強橫梁的撞擊能量吸收能力計算不能采用筋的相關(guān)公式。強梁塑性能量吸收能力可由式（6）進行計算，力學簡化模型如圖2所示。撞擊點位于強梁的中點，簡化公式具體推民見式（6）：

式中:My、Mp分別為屈服彎矩和塑性彎矩，kN·m；L為跨長，mm；h為強梁高，mm。ξmax為最大許用應(yīng)變，對于一般高強度鋼最大應(yīng)變?yōu)?.15（15%）。

圖2 鉆臺強梁簡化力學模型

2 墜物工況數(shù)值計算分析

為驗證墜物載荷沖擊下鉆臺結(jié)構(gòu)強度簡化評估方法的合理性，本文采用有限元商業(yè)軟件ABAQUS，針對鉆臺板格、縱骨及強梁三種典型構(gòu)件分別在表1中的典型墜物沖擊作用下進行非線性有限元數(shù)值計算分析。

2.1 計算有限元模型

鉆臺主要吊裝工作區(qū)域位于井架下方，鉆臺為典型的板架式結(jié)構(gòu)，由甲板板、縱骨和強梁構(gòu)成（如下頁圖3 所示）。結(jié)構(gòu)材料為AH36高強度鋼，其屈服應(yīng)力為355 MPa，抗拉強度為490～630 MPa。有限元結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，三種墜物沖擊分析有限元模型如圖5所示。

圖3 鉆井船鉆臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鉆井工作區(qū)域鉆臺結(jié)構(gòu)模型

圖5 墜物計算有限元模型

2.2 碰撞數(shù)值分析關(guān)鍵參數(shù)的選取

碰撞是兩物體相互接觸和摩擦的過程，本文將接觸定義為主-從面接觸，墜物碰撞面為主面，被撞結(jié)構(gòu)接觸面為從面，且主面的網(wǎng)格尺寸須不小于從面的尺寸；對于摩擦本文取靜摩擦系數(shù)0.2，動摩擦系數(shù)0.1；計算時間步長Δt則通過式（7）和（8）進行確定。

臨界時間步長：

式中：L為網(wǎng)格中最小單元尺寸，m；c為材料的聲速，m/s。為保證計算的穩(wěn)定性，需乘以一個安全系數(shù)S。

初始速度4.43 m/s，初始高度為墜物頭部的2～3個網(wǎng)格尺寸的距離（如本文鉆桿初始高度為0.07 m），以防止過盈接觸。材料模型采用Cowper-Symonds（C-S）模型來考慮，屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系如式（9）所示［6］：

式中：σ0為初始屈服應(yīng)力，MPa；dε/ dt為應(yīng)變率；D和q為C-S應(yīng)變率系數(shù)；為有效塑性應(yīng)變；Ep是由 給出的塑性硬化模量。該模型與溫度無關(guān)，但包含了材料的失效特性，該特性是通過定義失效應(yīng)變εf來實現(xiàn)的（該參數(shù)與網(wǎng)格劃分的單元尺寸及板厚有關(guān)）。C-S模型中的兩個參數(shù)D和q可通過實驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合得到。對于一般鋼材：D= 40.4，q= 5。

2.3 墜物沖擊下鉆臺結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

墜物沖擊是結(jié)構(gòu)瞬間在沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，碰撞區(qū)構(gòu)件常常會迅速超越彈性階段而進入塑性流動狀態(tài)，并伴隨出現(xiàn)屈曲、撕裂等各種形式的破壞或失效，撞擊動能主要由碰撞區(qū)域構(gòu)件的塑性變形能所耗散。本文通過對鉆桿墜落在平板上，套管墜落在縱骨上以及泥漿泵墜落在強梁上計算分析，各工況最大應(yīng)力及變形云圖分別如圖6和圖7所示，能量變化時歷曲線如圖8所示。

圖6 墜物沖擊下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖7 墜物沖擊下結(jié)構(gòu)垂向變形分布云圖

圖8 各工況下能量時歷曲線圖

通過以上計算結(jié)果不難看出:

另外，本文通過不斷增加墜物載荷，直到相關(guān)構(gòu)件強度處于極限狀態(tài)而發(fā)生局部塑性失效（如圖9所示）。

圖9 極限墜物載荷下結(jié)構(gòu)變形分布云圖

圖10 極限墜物載荷下各工況下能量時歷曲線圖

各工況能量變化時歷曲線如圖10所示。綜合以上計算結(jié)果分析，各工況下相關(guān)構(gòu)件極 限能量吸收能力及強度分析如表2所示。

表2 簡化計算公式與非線性有限元計算結(jié)果誤差對比

通過表2 簡化計算公式與非線性有限元計算結(jié)果誤差對比發(fā)現(xiàn)，除在泥漿泵重載沖擊下，強梁由于腹板局部屈曲失效降低了整梁能量轉(zhuǎn)換，民致數(shù)值計算與公式計算間誤差達15%，對于不同墜物質(zhì)量和高度，兩者誤差能滿足實際工程要求。因此，簡化公式在應(yīng)用于實際工程時，具有較高的可靠性。針對強梁的誤差問題，可以通過腹板設(shè)置相應(yīng)防屈曲加強筋來增強其屈曲強度，以提高整梁的極限承載能力。

3 考慮墜物工況下的鉆臺設(shè)計

考慮墜物工況下的鉆臺設(shè)計涉及到鉆臺整體布置、吊裝設(shè)備的位置及材料的選取等。因此，在設(shè)計之初考慮到墜物的影響，在保證整個鉆井系統(tǒng)的正常使用功能基礎(chǔ)上，將大大降低鉆臺安全設(shè)計的成本。本文主要從墜物類型及其發(fā)生概率和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強度設(shè)計兩方面進行分析。

3.1 墜物風險控制

墜物風險控制主要包括墜物概率Po和損壞概率Ps兩方面內(nèi)容。前者指主要吊裝設(shè)備的墜落概率，后者是在設(shè)備墜落后，通過比較墜物撞擊能量Eo和構(gòu)件承受能力Et，來判斷是否會造成結(jié)構(gòu)安全事故。墜物風險分析需針對目標公司抗風險能力，并根據(jù)不同設(shè)備類型，利用表3中相關(guān)公式進行評估。

表3 墜物發(fā)生概率計算方法

其中設(shè)備數(shù)量、吊裝次數(shù)及概率可根據(jù)相應(yīng)設(shè)備操作手冊或機械吊裝報告進行選取，設(shè)備墜落概率則明顯具有地域性及概率統(tǒng)計特點，需根據(jù)具體實際工程項目綜合考慮進行謹慎選取。另外，在質(zhì)量允許的情況下，設(shè)計之初通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)加強則能較好地控制墜物引起的相關(guān)風險。

3.2 結(jié)構(gòu)形式及加強設(shè)計

通過表3相關(guān)計算方法發(fā)現(xiàn)，在船體質(zhì)量及成本可控的基礎(chǔ)上，可以通過對結(jié)構(gòu)進行合理的加強設(shè)計增加結(jié)構(gòu)能量吸收能力，使Eo＜Et時，損壞概率Ps= 0，同樣很好地控制了墜物風險。通過大量計算分析，相關(guān)區(qū)域主要結(jié)構(gòu)設(shè)計要點如下：

（1）結(jié)構(gòu)連接及過渡區(qū)域的設(shè)計處盡量避免突變，保證該區(qū)域的剛度及強度的連續(xù)性；

（2）對于墜物概率較高及吊機放置頻繁區(qū)域（如鉆桿堆場），一般需設(shè)置墜物的防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以由不同的材料或材料組合而成，比如：鋼、水泥、木材、鋁和塑料纖維。對于本身為鋼結(jié)構(gòu)的鉆臺而言，從功能需求、重量、防火及經(jīng)濟角度出發(fā)，一般采用高強鋼作為保護系統(tǒng)。對于需要特殊保護的結(jié)構(gòu)，可采取木材加鋼材的保護形式，以充分降低由于撞擊接觸面積過小民致非加筋板格被穿刺的風險。當然，在重量允許的情況下，也可采取僅增加板厚方式作為更好的保護措施；

（3）對于墜物尺寸較大且較重的設(shè)備，除了計算局部強度外，還需要評估在該墜物載荷下，對鉆臺結(jié)構(gòu)總強度的影響。尤其對于高復(fù)板強梁，在墜物重荷下腹板極易發(fā)生的屈曲破壞，參見圖8（c）。因此，在進行該類結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在腹板上設(shè)置相應(yīng)的防屈曲加強筋［8］。

4 結(jié) 論

鉆井系統(tǒng)作為鉆井船的重要模塊之一，對其核心支撐結(jié)構(gòu)鉆臺的設(shè)計和強度計算意義重大。本文根據(jù)鉆井船的操作工況及流程，深入研究了墜物載荷分析關(guān)鍵要素及針對鉆臺不同層次結(jié)構(gòu)進行了強度簡化評估方法研究。并通過非線性有限元法模擬了相關(guān)結(jié)構(gòu)失效過程及相關(guān)參數(shù)的變化情況，驗證了各工況強度簡化評估方法的可靠性，同時得到了以下結(jié)論：

（1）墜物撞擊動能主要由鉆臺相關(guān)構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形的形式進行吸收，而相對剛度較大的墜物能量吸收較小。

（2）在墜物載荷沖擊下，鉆臺不同構(gòu)件失效方式及區(qū)域有著較大區(qū)別。比如甲板板格隨著撞擊的深入，應(yīng)力及變形不斷增大，最終產(chǎn)生塑性失效并破裂；甲板縱骨最大應(yīng)力則首先出現(xiàn)在角鋼的面板上，隨著撞擊的深入角鋼腹板開始出現(xiàn)側(cè)向屈曲失效；甲板強梁最大應(yīng)力最先出現(xiàn)在處于碰撞點正下方的強梁腹板上，之后腹板局部區(qū)域會出現(xiàn)隆起塑性屈曲失效。

（3）考慮墜物工況下的鉆臺設(shè)計應(yīng)綜合整個鉆井系統(tǒng)功能及布置要求，從墜物概率和損壞概率兩方面出發(fā)，進行墜物事件有效控制和結(jié)構(gòu)加強及防護設(shè)計。

（4）由于本文墜物載荷沖擊下結(jié)構(gòu)能量吸收簡化公式是基于9-1/2″鉆桿等墜落實驗所得，評估方法適用于與鉆臺板架相似的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)僅供參考。對于墜物數(shù)值計算方法，關(guān)鍵應(yīng)根據(jù)墜物類型及結(jié)構(gòu)材料屬性選取合適的材料模型。