水下管匯保護裝置落物碰撞分析

董 鵬，張 峰

（1.合瀛工程咨詢（上海）有限公司，上海 200041；2.威海職業(yè)學院，山東 威海 264200）

引 言

海上油氣田的開采受到水深的限制，通常會采取不同的生產方式，其中固定平臺和水下生產系統(tǒng)是我們常見的兩種方式。通常情況下，在水深較淺的地區(qū)（一般小于150 m）多以固定式導管架平臺的生產方式，而在深水地區(qū)，由于受到導管架造價的影響和技術條件的限制，多采用水下生產系統(tǒng)的方式。

作為水下生產系統(tǒng)的關鍵設施，水下管匯是水下工藝處理設施的集成中心和平臺，除了具有水面管匯生產匯集、分配和切換的功能外，根據(jù)需要還集成計量、增壓、分離、除沙、清管、加藥和控制等功能設施。因此，保護這些不同的設備，正常工作和日常維護就顯得很重要。

1 水下管匯結構介紹

在管匯的正常運行中，為防止水面跌落物和水下管匯相碰撞、甚至破壞其結構，從而影響水下生產系統(tǒng)的安全生產運行，通常會采用如下兩種措施：

1）要求作業(yè)者按規(guī)定進行生產和漁業(yè)活動；

2）在管匯結構設計上增加保護結構。

措施1僅限于近海漁業(yè)，對保護深水海域的水下管匯作用有限。因此增加保護結構可以從本質上解決此類問題。因此，在結構設計上通常采用框架結構和擋板來防止來自水上跌落物的碰撞。圖1為某水下生產系統(tǒng)水下管匯的結構示意，為典型的框架式結構。

圖1 水下管匯結構示意

頂層結構由型鋼和鋼板組成，防止落物沖擊，為管匯接結構、設備提供保護；中層結構主要承受和傳遞上部結構荷載；下層結構也由型鋼組成，為管線系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等提供支撐。樁基系統(tǒng)圖中未標示。

2 計算分析

2.1 工況選取

Ansys的LS-DYNA模塊與ABAQUS都可以用來做碰撞計算，參照規(guī)范ISO 13628-1[1]，對落物的尺寸及能量作了詳細的規(guī)定。如表1所示。

表1 防落物分析設計規(guī)范

本文參照工程實際情況，同時考慮不同形狀的物體對落物碰撞分析的影響；落物質量分別取200 kg、500 kg、1 000 kg，基本可以囊括漁船錨具的質量范圍；物體形狀分寫選取球形與流線型；水深取1 500 m。分別選取如下工況：

case11：球形+250 kg

case12：球形+500 kg

case13：球形+1 000 kg

case21：流線形+250 kg

case22：流線形+500 kg

case23：流線形+1 000 kg

2.2 模型介紹

對于碰撞分析，基于整個作用過程，提取管匯的框架結構和頂面擋板建立模型，刪除微小特征和其他不影響分析結果的閥孔。

采用 ABAQUS進行結構瞬態(tài)動力學分析，假設鋼球在很短時間內和擋板發(fā)生碰撞，故將球狀跌落物、框架結構和頂部擋板分別建立有限元模型，裝配后形成的網格如圖2、圖3所示。

圖2 管匯模型示意

圖3 鋼球和擋板碰撞局部網格

三個部件的單元特性如下：

1）鋼球：C3D4，共2 383節(jié)點，11 734單元；

2）頂擋板：S4R，共1 702節(jié)點，1 616單元，板厚25.4 mm；

3）框架：B31，共725節(jié)點，753單元。

考慮各梁之間的焊接連接和碰撞對框架的結構強度影響，將各梁的焊點通過節(jié)點重合處理。

框架和擋板之間采用面面全約束連接；鋼球和擋板之間采用面面接觸；在很短時間內鋼球以水中自由落體的速度和擋板發(fā)生碰撞。

2.3 材料特性

1）框架：材料選用ASTM A572，Grade50；

2）鋼球：密度7 852 kg/m3，彈性模量2.07；

3）擋板：密度7 800 kg/m3，彈性模量2.06。塑性應力-應變數(shù)據(jù)如表2。

表2 塑性應力-應變數(shù)據(jù)

2.4 邊界條件

對于落物碰撞分析，核心在于能量的吸收，能量通過板傳遞給上層框架，然后通過斜撐傳遞給下層框架，最終傳遞給海床。根據(jù)實際工程情況，當發(fā)生落物時，最先發(fā)生破壞的是防護板，大部分能量被防護板吸收，框架結構破壞有限。因此，約束條件需要合理模擬能力的傳遞，不需要模擬出完整的樁基模型。為真實而有效的模擬約束條件，對整個裝配結構，進行如下邊界約束：

1）框架結構方型鋼根部8個點全約束；

2）鋼球關于框架結構對稱面的對稱約束。

圖4 邊界條件示意

3 鋼球在水中自由跌落速度

鋼球從水面自由跌落，到達1 500 m水深的擋板前，由于受到水阻力和浮力影響，跌落速度從開始到達到平衡狀態(tài)一直處于變化狀態(tài)。故取平衡狀態(tài)下的速度為鋼球碰撞擋板的速度。

平衡狀態(tài)下，鋼球在水中滿足下式：

式中：

W為鋼球重量；

Fb為鋼球受到的浮力；

D為作用在鋼球上的水動阻力；

d為鋼球直徑；

g為重力加速度；

ρ為水和鋼球的密度；

A為鋼球的迎流面積；

Cd為阻力系數(shù)；跌落物的形狀不同，因球狀和流線形受到水阻力不同。球狀跌落物Cd=0.45；流線狀跌落物Cd=0.05。

V為鋼球跌落平衡時的最終速度。

通過上式求得鋼球到達擋板的速度。

4 結 語

通過對6種不同工況的計算，匯總數(shù)據(jù)結果見表3。

表3 各工況計算結果

從表3中可以得到如下結論與建議：

1）對于250 kg、500 kg、1 000 kg的錨具從自由水面跌落到水下管匯頂擋板，擋板都會產生塑性變形，并隨質量的變大而增大。

2）錨具的形狀不同，受到水阻力不同，跌落的終速度也不同，對擋板的碰撞影響也不同；流線形比球狀的錨具對擋板的破壞要強。

3）錨具的形狀不同，墜落的速度不同，對擋板的碰撞破壞（應力）就不同；且隨著質量的增大而迅速增大。

4）對于碰撞中擋板位移較大的工況，考慮到擋板上孔和其他設備的配合，建議增強相應部位的剛度，確保管匯裝置的正常工作。

5）對應力危險區(qū)和相應工況，應選用強度較高的材料或增大擋板厚度，以加強擋板的強度。