大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

文章编号:1005-9865(2003)02-0020-06

大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

金伟良1,龚顺风1,宋 剑1,谢 彬2,孙章权2,刘 健2

(1.浙江大学结构工程研究所,浙江 杭州 310027;2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

摘 要:主要对某一海洋导管架平台结构受到大吨位起重铺管船的碰撞进行了详细的非线性数值动力模拟。采用非线性弹簧来模拟受损构件的凹陷特性,计算分析了船舶侧向撞击导管架平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况,与实际结构损伤的检测结果相比较,反演计算分析了船舶以不同的速度与平台发生碰撞,得到了不同的碰撞接触时间和最大撞击力,以及导管架平台结构主要节点的应力、位移时间历程曲线,可以确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度,对提出合理可行的修理加固方案提供了理论依据。

关键词:海洋平台;碰撞;损伤;动力响应

中图分类号:P751 文献标识码:A

Damage analysis of offshore jacket platform structures due to collision of large barges

JIN We-i liang 1,GONG Shun -feng 1,SONG Jian 1,XIE Bin 2,SUN Zhang -quan 2,LI U Jian

2(1.Insti tute of Structural Engineering,Zhejian g University,Hangzhou 310027,China; 2.Offshore Oil Engineering CO.,LTD.,Tianjin

300452,China)Abstract :The nonlinear dynamic elastic -plastic response for some offshore jacket platforms impacted by the large -tonnage Derrick &Lay Barg -es during the i ns tallation of steel jacket structures is investigated.The nonlinear spring is introduced for the si mulation of the force -deflection relationship of the local indentation for the damaged X diagonal brace.The added mass coefficients for the seawater dynamic effects and the pile -soi-l structure interaction are considered in the analysis of the computational model.The i mpact action of the ship i s transformed in to isoce -les triangle impulse load at different collision con tact times.The computational results are compared with the actual damages to determine the colli sion contact time and maximum i mpact load under the velocity of the ship being presumed.The stress and displacement dynamic response curves of the tubular nodes for offshore jacket platform structures are obtai ned to evaluate the damage extent.The conclusions presented in this paper will benefit offshore operators in choosing feasible and reasonable repairing and strengthening schemes.

Key words :offshore platform;collision;damage;dynamic response

收稿日期:2002-02-04

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59895410,59779002);海洋石油工程股份有限公司资助作者简介:金伟良(1961-),男,浙江杭州人,教授,博士生导师,主要从事结构工程和海洋工程的研究。 在海洋油气开发中钢质导管架平台结构得到了广泛的使用。它们在复杂的海洋环境中工作,除了受到正常的工作荷载外,还要受到海风、波浪、海流和海冰等环境荷载的作用。同时由于意外突发事故的发生,如船舶与海洋平台结构的碰撞、平台上部结构落下的重物等。碰撞经常使平台结构构件发生整体弯曲和局部凹陷,承载能力降低,影响构件的安全,有时会极大地减弱整个平台结构的强度。另一方面,由于海上受损构件的修理较困难,而且费用也较大,提出合理可行的修理加固方案需要建立在精确评估损伤对整个平台结构的影响基础上[1]

。因此,如何正确分析和评估海洋导管架平台结构由于碰撞所造成的损伤及其损伤对平台结构的强度、承载能力和疲劳寿命的影响便成为海洋工程中的重要研究课题。

通常,在研究海洋导管架平台结构与船舶的碰撞问题当中,把碰撞的动力学问题转化为准静态问题,进行平台结构和构件的静强度分析计算,这在研究碰撞问题的初级阶段是可行的,有助于对碰撞机理和受损构

第21卷第2期

2003年5月海洋工程

THE OCE AN ENGINEERING Vol 121No 12May 2003

件残余强度的了解。然而,碰撞过程是一个动力过程,涉及到许多复杂不确定性的静、动力因素,如船舶与海洋平台结构的碰撞方式,碰撞的接触时间,桩-土-平台结构的相互作用[2],海洋环境载荷的作用等[3-6]。本文以南海某一导管架平台结构的X 斜撑在导管架安装阶段受到大吨位起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据,考虑了桩-土-平台结构的相互作用,采用非线性弹簧来模拟受损构件局部凹陷损伤,反演分析计算平台结构构件和管节点的应力、位移时间历程曲线,对导管架平台结构的损伤程度进行评估分析。1 碰撞系统的力学模型

1.1 碰撞力学

船舶与导管架结构之间发生的碰撞,假设碰撞时间远小于船舶的运动周期,碰撞后船舶与平台结构一起运动。在建立碰撞系统的力学模型之前,先作如下假定:1船体是具体一定速度和质量的无体积刚体,即主要研究海上平台导管架结构对碰撞的响应,忽略船体结构的变形;o碰撞过程中系统遵守动量守恒和能量守恒定律;?碰撞过程中,作用在船体上的水动力通过引进附加质量加以考虑,即m 1=m s +km s ,其中侧向碰撞时k =0.4,船首或船尾撞向平台时k =0.1;?假定材料是理想弹塑性的[3]。根据动量守恒定律可得:

m 1v 1+m 2v 2=(m 1+m 2)v 12

(1) 由此可以求出碰撞后的共同速度为:

v 12=(m 1v 1+m 2v 2)/(m 1+m 2)

(2) 碰撞前的动能在一定程度上被船与平台结构的塑性变形所吸收,所以能量守恒可以表示为:

0.5m 1v 21+0.5m 2v 22=0.5(m 1+m 2)v 212+E s +E p

(3)式中:m 2为平台结构的质量;v 1为碰撞前瞬间船舶的速度;v 2为碰撞前瞬间平台的速度;v 12为碰撞后船舶与平台的共同速度;E s 为船舶吸收的能量;E p 为平台吸收的能量。

由于缺乏关于船体塑性变形的可靠资料,通常忽略船的塑性变形能,因此保守条件下平台结构吸收的能量为:

E p =0.5m 1v 21/(1+m 1/m 2)

(4)平台结构吸收的能量E p 主要包括:1受撞击圆管构件管壁的局部塑性变形;o平台构件的弹塑性弯曲变形能;?平台结构的整体变形和弹性振动能[7]。

1.2 受撞击荷载作用的圆管壁的局部变形

研究平台对碰撞的整体响应,首先必须研究圆管构件在撞击荷载作用下的局部凹陷变形特性。局部变形的形状和程度取决于碰撞的性质。由于碰撞问题的复杂性,很难找到一个简单的解析模型来分析受撞圆管的局部凹陷,目前在这方面有圆环模型和凹陷模型两种不同的模型[3]。圆环模型假设环处于两块刚性平板中间受压时,环上出现四个塑性铰,按机动法求得P -D 关系。然而在一般情况下,圆管在受横向载荷作用下,其局部凹陷是随着长度连续变化的。因此,本文采用凹陷模型来分析P -D 关系。Bai Yong [8]等认为,受挤压荷载作用的圆管构件在载荷作用点的局部线弹性变形可用下式表示

[5]:P =0.1116(D /t )3EL C D E

(5)式中:P 为作用力;D E 为弹性变形;E 为杨氏模量;t 为管壁厚度;D 为圆管外径;L C 为接触区域的轴向特征长度,与管径、管长以及凹陷形状等很多因素有关。为了获得关于L C 的经验公式,Ueda [9]进行了线性板壳有

限元分析,Smith [10]做了系列凹陷实验。根据他们所得的结果,L C =1.9D 。

当载荷P 大于一个临界值P 0时,管壁将发生永久的凹陷变形,通过对长度为L C 的受压载荷作用的圆环的刚塑性分析,可得到临界载荷:

P 0=2F y t 2L c /D

(6)式中:F y 为材料的屈服应力。

通过试验研究和理论分析,API RP 2A-WSD 规范

[11]中提出了受损圆管构件的永久凹陷变形D P 和载荷P d 的关系。P d =40F y t 2(D P /D )0.5(7)

21第2期金伟良,等:大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

当载荷P 大于P 0时,载荷作用点局部变形可由下式计算:

D =D

E +D P (8)

得到了P -D 之间的关系以后,在船与平台的碰撞分析中,可采用一个非线性弹簧单元来模拟平台被撞构件的局部凹陷损伤,显然,这样一个非线性弹簧是单向受压的,弹簧的最终变形即为圆管构件在撞击荷载作用下的凹陷深度。

2 平台结构碰撞动力响应分析

受到船舶碰撞的平台是四腿八裙桩深水导管架钢质平台,设计水深为117.2m,桩贯入深度91m,直径为11829m 。在导管架安装阶段,曾受到大吨位起重铺管船的撞击(见图1)。碰撞发生在导管架就位后,此时,导管架8根裙桩已全部插完,其中B1B 和A2B 桩已经打完,但裙桩套筒和裙桩并没有进行灌浆连接(见图2)。碰撞发生在水面处,在导管架A2和B2腿之间的X 斜撑有一构件局部受到严重挤压,破坏区域沿撑杆纵向有1.4m 长,起点距X 斜撑节点顶焊缝4m,终点距离X 斜撑节点顶焊缝为5.4m,径向最大挤压深度为0.150m 。B2腿上的立管也受到严重破坏。见图1

中的虚线表示部位。

图2 平台结构裙桩布置图Fig.2 Layout of skirt

piles

图1 平台碰撞损伤图

Fig.1 Collision damages of the platform 2.1 运动方程

瞬态动力学分析是用于承受任意随时间变化载荷的结构动力响应的一种方法。大型有限元分析软件ANSYS 可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力及力。瞬态动力学分析求解的基本运动方程为:

[M ]{&u }+[C ]{¤u }+[K ]{u }={P (t )}

(9)图3 荷载时间历程图

Fig.3 Loading course against time 式中:[M ]为质量矩阵;[C ]为阻尼矩阵;[K ]为刚度矩阵;{&u }为节点加速度向

量;{¤u }为节点速度向量;{u }为节点位移向量。

船舶对平台结构的碰撞简化为一个等腰三角形的冲量荷载(见图3),荷载

作用在非线性弹簧的一端,弹簧的另一端与平台受撞击构件相连接。

P (t )=2Ft /t 0

(0[t [t 0/2)2F (1-t /t 0)

(t 0/2[t [t 0)0(t 0[t )(10) 任意给定时间t ,这些方程可看作是一系列考虑了惯性力([M ]{&u })和阻尼力([C ]{¤u })的静力学平衡方程。求解此动力学方程有两种方法,即振型叠加法和直接积分法。振型叠加法计算时首先要求出结构自由振动的振型和频率,

22海 洋 工 程第21卷

当结构体系自由度较多时,求解特征值问题将变得非常麻烦。对于脉冲式荷载,激起的振型较多,在振型叠加法分析中需要考虑多个振型才能达到足够的精度,并且振型叠加法只适用于线性系统。对于非线性动力问题,如弹塑性动力分析,只能使用直接积分法求解,经常使用的直接积分方法有中心差分法,Housbolt 法,Wilson )H 法和Ne wmark 法。ANSYS 程序使用Ne wmark 时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。

2.2 桩基模拟

在分析单桩承载能力时采用ANSYS 有限元程序建模计算。平台的单桩直径为11829m,整个桩长91m,基本按1.5m 划分单元,划分单元时要避免单根弹簧的作用范围超出某一层土,

保证单根弹簧参数取值的准图4 平台导管架结构模型Fig.4 The platform jacket struc ture model

确性。这样桩沿长度方向离散成n=33个单元,桩承受荷载时每个单元所受到该

土层的作用简化为三种非线性弹簧-侧向弹簧(土的侧向承载力)、竖向弹簧(桩

的表面摩擦力)、扭转弹簧(桩的表面摩阻力),侧向弹簧和扭转弹簧的作用点位于

该单元中心,竖向弹簧的作用点位于单元底部。桩底单元上还有端承弹簧(桩的

端部承载力),端承弹簧抗压不抗拉[12]。整个桩共计有30根侧向弹簧,14根竖向

弹簧,15根扭转弹簧和1根端承弹簧。弹簧参数由油田平台场址工程地址调查报

告书所提供的P )Y 曲线数据表、T )Z 曲线数据表、Q )Z 曲线数据表计算得

出[13-14]。

边界条件的施加模拟船舶撞击时刻平台结构的实际情况,对没有打完的桩不

考虑桩的承载能力,对于已经打完的B1B 和A2B 桩,由于没有进行灌浆连接,所

以不考虑桩头的扭转非线性弹簧。

2.3 平台结构整体建模计算分析

导管架平台结构在安装阶段受到大吨位起重铺管船的撞击,需要对结构受损

构件和管节点进行损伤评估分析。结构整体模型按设计图纸构建,导管架杆件用

管单元来模拟,每2m 划分为一个单元,受损构件按0.4m 划分为一个单元,计算

模型共有2052个单元,1881个节点,模型如图4所示。

受撞击的X 斜撑杆为?914mm @19mm,材料屈服应力为345MPa 。由于撞击

时刻发生在导管架的安装阶段,平台上部结构还没有吊装,因此,平台导管架结构

的总质量为1889t,船舶的质量m s =42000t,导管架结构的质量远小于船舶的质量。取船舶的附加质量系数为0.4,计算中忽略船体结构的变形。平台构件撞击点附近管壁局部凹陷特性根据式(5)和(7)建立非线性弹簧的力和位移关系曲线,用此弹簧来模拟平台结构和船舶的相互碰撞。假定船舶以v 1的速度侧向撞击平台,根据动量守恒原理,由式(2)就可以确定碰撞后船舶与平台结构的共同速度v 12,平台结构在撞击力作用下速度大于v 12时,船舶与平台结构相互脱离。假定船舶与平台结构不发生第二次碰撞,且船舶对平台结构的碰撞过程简化为一个等腰三角形的冲量荷载,由冲量定理,就可以得到在不同的碰撞接触时间下平台结构受到的最大撞击力。根据式(9)就可以进行平台导管架结构在船舶撞击载荷作用下的瞬态动力响应分析。

假定船舶分别以1.0m/s,2.0m/s 的速度侧向撞击平台结构,计算得到了在不同碰撞接触时间下被撞击构件的凹陷深度,如图5所示。根据平台受损X 斜撑构件的检测结果,凹陷深度为0115m,构件撞击位置处破损长度为1.4m 。由计算结果可以确定当船舶碰撞前瞬间速度为1m/s 时,碰撞接触时间为0.67s,最大撞击力F =5.396@106

N 为,计算得到构件永久凹陷变形为011524m,在碰撞位置附近到达材料屈服应力的单元数为6个,沿构件纵向长度约为2.4m 。当船舶碰撞前瞬间速度为2m/s 时,碰撞接触时间为2.0s,最大撞击力F =3.6155@106N,计算得到构件永久凹陷变形为011566m,在碰撞位置附近有6个单元到达材料的屈服应力。图6~7所示当中,1852,1837为非线性弹簧的两个节点,分别为冲击荷载作用点和平台构件受撞击处。S1837为平台受撞击构件在撞击位置处应力时间历程曲线,S12为受损构件与A2腿连接处应力时间历程曲线,S1765为受损构件X 斜撑杆交叉位置应力时间历程曲线。23第2期金伟良,等:大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

图5 不同碰撞接触时间下平台受撞击构件的永久凹陷变形

Fig.5 The i ndentation deformation of the damaged member under different collision contact

times

图6 船舶以1m/s 速度碰撞接触时间为0.67s 时的受撞击构件主要节点的位移、凹陷变形和应力时间历程曲线

Fig.6 The response curves of the displacements,indentation deformation and stresses of the primary nodes for the

damaged member against time with the velocity of the ship being 1m/s and the collision time being 0.67

s

图7 船舶以2m/s 速度碰撞接触时间为2.0s 时的受撞击构件主要节点的位移、凹陷变形和应力时间历程曲线

Fig.7 The response curves of the displacements,indentation deformation and stresses of the primary nodes for the

damaged member against time with the velocity of the ship being 2m/s and the collision time being 2.0s

3 结 语

本文主要对施工安装阶段深水导管架平台结构与大吨位起重铺管船碰撞过程进行了数值模拟计算分析。在分析过程中,采用非线性弹簧来模拟受损构件的凹陷特性,同时考虑了碰撞过程中的水动力效应、桩-土-平台结构相互作用等因素。计算分析了碰撞前瞬间船舶以1.0m/s,2.0m/s 速度侧向撞击平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况,与导管架结构的损伤检测结果比较,当船舶碰撞前瞬间速度为224海 洋 工 程第21卷

m/s 时,碰撞接触时间为2.0s,最大撞击力F =3.6155@106N,计算得到构件永久凹陷变形为011566m,与

实际碰撞过程比较符合。同时也对导管架平台整体结构和X 斜撑受损构件进行了等效静力强度计算分析,得出以下结论[15]:

1)受到船舶碰撞损伤的X 斜撑杆与A2腿相连接处单元的应力达到了材料的屈服强度,在斜撑交叉点单元应力没有达到材料的屈服强度,导管架结构其余构件和节点应力都比较小,没有受到损伤破坏。

2)需要对X 斜撑受损构件的对接焊缝和与A2腿连接的焊缝做无损探伤检测分析,根据检测结果来确定导管架结构相宜的修理加固方案。

3)假定碰撞前瞬间船舶的速度,随着碰撞接触时间的增加,构件的永久凹陷变形按指数规律递减。

4)受损构件的整体弯曲变形都比较小,而且随着时间的增加,都缓慢的回复到原来位置,有利于平台结构的修理和加固。

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