半潛式拆解平臺碰撞極限強度分析

劉鋼東

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

海洋油氣產業的蓬勃發展使固定式海上平臺的更新周期快速縮短，海洋工程結構物的設計壽命一般為20～25年。20世紀80年代左右服役的油氣鉆探采集平臺近年將陸續接近其服役年限，根據《2015年墨西哥灣拆卸報告》，2010—2014年間墨西哥灣地區共拆卸海上固定式平臺及海洋工程結構物共計90億美元，平均每年超過15億美元。目前，亞太地區的海洋工程結構物拆卸市場規模逐年擴大，如何高效、快速地進行退役平臺的拆除和轉運工作成為海洋工程領域新的挑戰。近年來，固定式及浮式海上油氣開發項目、風電項目的發展勢頭愈發強勁，這對海洋工程結構物的安裝工作提出更高要求，傳統單體排水型起重駁船、起重鋪管船及半潛式起重平臺的作業能力與作業效率開始面臨巨大挑戰。為滿足固定式海洋工程結構物安裝及拆除市場快速增長的需求，對新型非對稱式主浮體結構布置、快速壓載水管理系統、動力定位系統等新技術進行高效集成與綜合應用，開發出新型半潛式起重拆解平臺。該型平臺具有起重能力大、環境適應能力強、海工作業能力多樣化等特點，自開發以來受到越來越多平臺租賃商的關注。

雖然半潛式起重拆解平臺的結構設計充分考慮了其在復雜海洋環境條件下長期從事起重、安裝及拆解作業的需要，但真實作業環境下各類偶發性非常規載荷同樣影響到半潛式起重拆解平臺的結構安全與有效服役壽命。目前，海上交通帶來的碰撞風險對海上半潛平臺的結構安全性構成了新的威脅。近年來，全球海上碰撞事故頻發，由碰撞事故導致的平臺損失及人員傷亡案例屢見報道。檢驗機構和設計方越來越重視船舶及平臺因意外碰撞帶來的安全問題，各大船級社也相繼出臺了船舶避碰規則和碰撞載荷下的船體結構極限強度評估方法[1]。目前對于導管架平臺、浮式生產儲油船等海工結構物的碰撞過程與結構受損后的極限強度、殘余強度等問題研究較多，龔順風[2]采用瞬態動力學方法對WEN13-1深水導管架平臺在遭到大噸位起重鋪管船撞擊時的撞擊載荷及結構損傷情況進行分析。祁恩榮等[3]采用非線性有限元方法對破損后的雙殼油船的極限強度進行分析，為海洋工程結構物在遭受撞擊損傷后的極限強度評估工作提供了有益指引。已有研究大都集中在導管架平臺、浮式生產儲油船等海工結構物，但針對半潛式起重拆解平臺這類新型海工產品的極限強度評價的方法卻鮮有研究。

1 碰撞分析與結構極限強度

船舶與半潛平臺等海洋工程結構物的碰撞是一個高度非線性的動力過程，除材料的力學性能在彈性、塑性變形的各個階段呈現高度非線性特征外，船舶與被撞平臺之間的能量交換和擴散過程，能量交換帶來的激勵振蕩對碰撞過程的影響等都需要采用非靜態分析方法進行描述與求解。通常情況下，將碰撞過程的動力學問題轉化為準靜態問題進行求解，并對碰撞事件過程進行線性簡化與假設。基于動量守恒或能量守恒，求解碰撞作用下的載荷，以此檢驗被撞結構物的強度并判斷結構損傷情況。

本文以某型在建半潛式起重拆解平臺為研究對象（見圖1），模擬平臺與海上供應船發生碰撞的過程，分析半潛平臺與供應船以不同的碰撞角度、在不同位置發生撞擊的情況下，撞擊動能在半潛平臺立柱區域構件中的擴散時間歷程與結構失效形式，并驗證該型半潛平臺立柱區域結構的極限強度。隨后，將結果數據作為平臺破損后的浮態分析與穩性評估工作的輸入條件。半潛平臺主尺度參數見表1。

圖1 半潛式起重拆解平臺

表1 半潛重吊起重平臺主尺度

2 非線性材料的屬性

本文采用的非線性有限元分析方法充分考慮了半潛式平臺結構材料的非線性本構關系，分析過程完整闡釋了碰撞能量對構件的作用，準確展示了結構的變形、斷裂和失效過程，對該類型平臺的結構設計具有參考和指導意義。此外，也為第三方檢驗機構提供了可靠的理論分析數值基礎，分析得到的結論與數據可作為圖紙審查的有力依據。

船舶與半潛平臺的結構極限強度是結構可靠性的重要指標，對于船舶在完整及破損狀態下的結構極限強度，目前已形成了較為完善的分析方法。通過應用逐步破壞法或非線性有限元分析方法[4]，能夠較為準確地計算得到完整或破損狀態下船體的總縱極限彎矩、主要構件剩余強度、主船體結構潰縮屈曲模態等，高效的計算效率與良好的分析精度對于提升船舶類產品的結構可靠性起到極大的促進作用。然而，對于半潛平臺類的海洋工程結構物，在平臺受到碰撞后，結構可能產生較大的塑性變形。根據規范要求，碰撞載荷下的船體結構極限強度評估應采用塑性動態模型。一旦計算單元達到最大的塑性失效應變，則認為該單元失效，所對應的結構件已發生破壞，不再具有承載能力[5-6]。

在船舶碰撞過程中，結構產生明顯的動力響應表現，其動力特性不能忽略。平臺的塑性對應變率高度敏感，故應考慮材料的應變率對材料模型的影響[7]。本文采用Cowper-Symonds應變率強化模型方程對應變率進行描述。

在ABAQUS中，基于Cowper-Symonds應變率本構方程的彈塑性材料屈服應力表達式為

式中：σy為動屈服應力；σ0為初始屈服應力；ε為等效應變率；C和P為Cowper-Symonds模型的應變率參數，此處C=4 000，P=5。

半潛式海洋平臺材料參數設置見表2。

表2 半潛式海洋平臺材料參數設置情況

3 有限元模型建立

本文以半潛平臺右后立柱為研究對象，對側面正撞和立柱拐角斜撞2種情況進行評估，供應船碰撞平臺的方向和位置示意圖見圖2。

圖2 供應船碰撞平臺的方向和位置示意圖

3.1 碰撞船型選擇

本文選取某型海上供應船作為碰撞船型，假定其艏部與半潛平臺發生碰撞，分析半潛平臺的損傷程度。主尺度見表3，供應船外形見圖3。

表3 供應船主尺度

圖3 供應船側視圖

根據挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的相關規定，碰撞總動能表達式為

式中：E為碰撞總動能；M為排水量，M=5 000 t；v為航速，v=2 m/s；a為碰撞船的附加質量，a=0.1M。

3.2 碰撞區域的界定

根據國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）和美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）對柱穩式平臺破損區域的相關規定[8]，高度方向上的碰撞破損應當位于水線以上5 m和水線以下3 m之內的任意高度范圍內；水平方向上的碰撞破損應達到1.5 m的破損深度。

綜合考慮目標供應船的吃水和半潛式平臺的設計水線位置，考慮兩船在設計海況下的相對運動，本文選取距基線14 300 mm～21 000 mm高度范圍作為碰撞考察破損區，碰撞區域有限元模型見圖4。

圖4 碰撞區域有限元模型

假設船體剛性足夠大，在碰撞工程中不會產生變形。根據規范要求，采用自適應接觸對平臺與船體之間的耦合進行表征。在撞擊后，平臺將能量全部吸收，動能轉化為結構內能，計算結果趨于保守。平臺整體采用板梁混建，材料為彈塑性結構鋼。板單元主要用于模擬艙壁、骨材腹板和T梁，梁單元主要模擬骨材面板和尺寸較小的扶強材。碰撞位置示意圖見圖5。

圖5 碰撞位置示意圖

3.3 模型邊界條件

有限元模型邊界條件見圖6。

圖6 有限元模型邊界條件

4 分析結果

4.1 碰撞后結構響應分析

立柱為雙殼結構，內外殼之間沿高度方向每隔2.25 m設置一道平臺甲板，強框架豎向布置。供應船以2 m/s的速度撞擊平臺立柱。

1）在位置1處，0.42 s時平臺撞擊深度達到最大值，約0.498 m。供應船的撞擊速度由初始的2 m/s降為 0，此時供應船的動能全部轉換為平臺結構的內能（假定船體為剛體，不吸收能量）。隨后，平臺結構出現反彈，供應船出現了反向運動，整個體系在1.5 s時達到靜平衡，平臺最終撞擊深度約0.28 m。平臺立柱外殼板、內部平臺甲板、豎向強框架結構均進入塑性階段，外殼板局部破損，內部平臺甲板局部潰縮失效，2根強框架結構斷裂失效。0.42 s和1.5 s時結構動力響應情況見圖7和圖8。

圖7 0.42 s時位置1處的結構動力響應

圖8 1.5 s時位置1處的結構動力響應

續圖8 1.5 s時位置1處的結構動力響應

2）在位置2處，0.58 s時出現最大撞擊深度，約0.665 m，供應船撞擊速度由初始的2 m/s降為0。隨后，平臺結構開始振蕩，直至達到靜平衡，最終，平臺在撞擊方向留下了深度為0.58 m的破洞。平臺立柱外殼板、內部平臺甲板、豎向強框架結構均進入到塑性階段，外殼板局部破損，內部平臺甲板局部潰縮失效，2根強框架結構斷裂失效。0.58 s和1.5 s時結構動力響應情況見圖9和圖10。

圖9 0.58 s時位置2處的結構動力響應

圖10 1.5 s時位置2處的結構動力響應

4.2 碰撞后能量耗散分析

從圖9和圖10可知，碰撞后2處位置均發生結構性破壞，外板出現破洞，內部骨材和板架發生坍塌斷裂。兩位置處的最大侵入深度分別為0.498 m和0.665 m。盡管碰撞后平臺出現破損，但2個位置的破損深度均小于規范要求的許可值，破損后平臺的穩性仍在可控范圍內，不會導致平臺傾覆。

位置1和位置2處能量吸收曲線見圖11和圖12，位置1和位置2處供應船速度曲線見圖13和圖14，位置1和位置2處供應船侵入深度曲線見圖15和圖16。碰撞從0 s開始接觸，至1.5 s結束，動能完全被平臺結構吸收，能量的總量沒有發生變化。位置1撞擊過程中出現了一次反彈，而位置2出現了多次振蕩性反彈，這是因為平臺結構是彈塑性可變現體，整體剛度與結構的連續性有關。在碰撞瞬間供應船的侵入深度達到極值，隨后平臺結構出現不同程度的回彈，最終趨于穩定。

圖11 能量吸收曲線（位置1）

圖12 能量吸收曲線（位置2）

圖13 供應船速度曲線（位置1）

圖14 供應船速度曲線（位置2）

圖15 供應船侵入深度曲線（位置1）

圖16 供應船侵入深度曲線（位置2）

5 結論

本文以某型在建半潛式起重拆解平臺為研究對象，模擬平臺與海上供應船發生碰撞的過程，分析半潛平臺與供應船以不同的碰撞角度、在不同位置發生撞擊的情況下，撞擊動能在半潛平臺立柱區域構件中的擴散時間歷程與結構失效形式，并驗證該型半潛平臺立柱區域結構的極限強度，可得到如下結論：

1）碰撞過程具有明顯的非線性特征，平臺立柱結構破壞形式主要為擠壓變形、屈曲失穩和壓潰等。

2）該型在建項目的撞船意外載荷結構極限強度滿足規范要求。盡管出現了不同程度的損傷，但破損范圍仍然滿足規范要求。

3）接觸區域的模型單元的尺寸不得小于為1/4的骨材間距，細化的區域要足夠大，以滿足變形的精度要求。

4）破損口的大小與進水量相關，碰撞后破損情況可為穩性計算提供理論依據。