超大型FPSO生活模塊抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析

徐田甜

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

為保障人員登船、補(bǔ)給、生產(chǎn)、維修、原油外輸?shù)茸鳂I(yè)，超大型浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)通常在補(bǔ)給和原油外輸區(qū)設(shè)起重機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)作業(yè)。FPSO主起重機(jī)的作業(yè)頻次高，可能因人為操作失誤、設(shè)備故障等引起吊物墜落事故，對FPSO上部模塊、船體造成損傷，甚至可能撞穿甲板進(jìn)而損壞設(shè)備和設(shè)施，導(dǎo)致次生事故的發(fā)生，因此墜物撞擊是主要的機(jī)械碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)[1]。

FPSO總體設(shè)計(jì)通常將主卸貨區(qū)和主起重機(jī)緊鄰生活區(qū)布置。主起重機(jī)作業(yè)中發(fā)生墜物事故可能會傷及生活區(qū)和卸貨區(qū)內(nèi)的人員，造成設(shè)備、設(shè)施損失和污染環(huán)境等后果，因此生活區(qū)、卸貨區(qū)是FPSO抗墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)區(qū)域[2]?；诖藛栴}，本文對某FPSO生活模塊開展了墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析和抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析，以確定生活區(qū)的卸貨甲板、外圍壁和重要設(shè)備、設(shè)施保護(hù)架等結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)方案。

1 生活模塊卸貨區(qū)總體布置

1.1 起重機(jī)設(shè)計(jì)要求

FPSO上應(yīng)至少為供應(yīng)船補(bǔ)給裝卸設(shè)2臺主起重機(jī)，分別滿足設(shè)備、備件及食品、化學(xué)藥劑和燃油補(bǔ)給等吊運(yùn)作業(yè)要求；其中的1臺主起重機(jī)應(yīng)滿足直升機(jī)甲板上的燃油、備件吊運(yùn)要求。FPSO生產(chǎn)時(shí)，不允許起重機(jī)在工藝設(shè)施、立管的上方吊運(yùn)作業(yè)；除非采取了必要的抗墜物撞擊措施，不允許起重機(jī)在原油管道的上方吊運(yùn)作業(yè)。

1.2 生活模塊卸貨區(qū)總體布置

FPSO船體總長×型寬×型深為330 m×61 m×33.5 m，定員240人，入法國船級社(BV)船級[3]。FPSO船首FR.0～FR.35肋位之間布置生活模塊及其卸貨區(qū)，F(xiàn)R.35～FR.60肋位之間布置主卸貨甲板，在FR.50肋位處的兩舷側(cè)各布置一臺折臂式起重機(jī)，主鉤額定起重質(zhì)量為25 t，作業(yè)半徑25 m，副鉤額定起重質(zhì)量為5 t，作業(yè)半徑36 m(圖1a)。生活模塊前端中部布置應(yīng)急發(fā)電機(jī)排煙管；模塊外兩舷側(cè)在主卸貨甲板層布置消防水泵及消防水玻璃鋼管道；模塊右舷外第2層甲板設(shè)有食品集裝箱卸貨I區(qū)(長×寬為18.5 m×4.6 m)(圖1b)，設(shè)計(jì)活載荷20 kN/m2，可存放5個(gè)質(zhì)量為10 t的食品集裝箱；模塊頂甲板前端中部設(shè)有設(shè)備維修卸貨II區(qū)(長×寬為3.4 m×3.4 m)，設(shè)計(jì)存放質(zhì)量為1 t的設(shè)備和備件；直升機(jī)甲板上設(shè)有飛機(jī)燃油罐卸貨III區(qū)(長×寬為6 m×4 m)，可存放1個(gè)質(zhì)量為5 t的燃油罐(圖1a)。

圖1 FPSO生活模塊、主卸貨甲板和起重機(jī)布置Fig.1 FPSO living quarters,main laydown deck and crane arrangement

2 墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 墜物撞擊受損后果等級劃分

海上生產(chǎn)設(shè)施工程設(shè)計(jì)應(yīng)針對主起重機(jī)吊運(yùn)作業(yè)，根據(jù)布置和吊運(yùn)作業(yè)情景開展墜物撞擊定量風(fēng)險(xiǎn)分析，確定墜物超越撞擊能量對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)可接受發(fā)生概率為1.0×10-4/a。如未開展墜物定量風(fēng)險(xiǎn)分析，卸貨區(qū)及上部模塊甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)按質(zhì)量為12 t的集裝箱從3 m高處墜落撞擊進(jìn)行設(shè)計(jì)。墜物撞擊海上設(shè)備、設(shè)施受損后果等級劃分原則見表1。

表1 墜物撞擊海上設(shè)備、設(shè)施受損后果等級劃分原則Table 1 Damage level of dropped object impacting on offshore equipment and facility

2.2 生活模塊墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)對FPSO作業(yè)情景的統(tǒng)計(jì)分析，左舷和右舷主起重機(jī)每年吊運(yùn)作業(yè)次數(shù)分別約為1 543次和4 055次，起重機(jī)每次吊運(yùn)發(fā)生吊物墜落撞擊FPSO、撞擊供應(yīng)船和墜海的風(fēng)險(xiǎn)概率按國際石油與天然氣生產(chǎn)者協(xié)會(OGP)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取值(表2[4])。各種作業(yè)情景的墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算時(shí)，吊物墜落撞擊和側(cè)向撞擊概率的占比分別取50%；起重機(jī)在吊運(yùn)提升、旋轉(zhuǎn)平移、下放吊物過程中墜落概率的占比分別取40%、30%和30%[5-6]。典型墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算結(jié)果見表3，墜物撞擊生活模塊各區(qū)的設(shè)計(jì)撞擊能量見表4。

表2 海上設(shè)施主起重機(jī)每次吊運(yùn)發(fā)生吊物墜落撞擊風(fēng)險(xiǎn)概率Table 2 Dropped object impacting probabilities for each offshore main crane operation

表3 墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)概率Table 3 Dropped object impacting probabilities

表4 墜物撞擊生活模塊的設(shè)計(jì)撞擊能量Table 4 Design impact energy of dropped object impacting on living quarters

3 結(jié)構(gòu)抗墜物撞擊分析

3.1 結(jié)構(gòu)材料模型

墜物撞擊是結(jié)構(gòu)短時(shí)間內(nèi)在撞擊載荷作用下的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，具有明顯的動力特性,被撞結(jié)構(gòu)迅速超越彈性階段后進(jìn)入塑性流變階段，可產(chǎn)生撕裂、屈曲等形式的破壞或失效[5-6]。根據(jù)DNV-RP-C204《事故載荷工況設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)用顯式非線性有限元法對墜物撞擊結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行模擬分析[7]，顯式算法采用顯式時(shí)域差分方法，計(jì)算時(shí)間步長為0.01 s。

鋼材的動態(tài)屈服應(yīng)力需考慮材料的應(yīng)變率敏感性，其線性強(qiáng)化彈塑性材料模型采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程模擬，即

(1)

3.2 結(jié)構(gòu)失效衡準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)抗墜物撞擊分析中采用臨界應(yīng)變來判定材料的失效，即當(dāng)結(jié)構(gòu)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變時(shí)，結(jié)構(gòu)單元失效，失效后的結(jié)構(gòu)單元不再參與后續(xù)計(jì)算，并不再具有強(qiáng)度。生活模塊主要構(gòu)件包括卸貨甲板板、外圍壁板、立柱、主桁材和扶強(qiáng)材等一類骨材，次要構(gòu)件包括模塊室內(nèi)的次要甲板板和加強(qiáng)筋等二類骨材。鋼材無因次塑性剛度和臨界應(yīng)變見表5。

表5 鋼材無因次塑性剛度和臨界應(yīng)變Table 5 Dimensionless plastic stiffness and critical strain of steel

墜物撞擊結(jié)構(gòu)時(shí)，墜物損失的能量將部分轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變能、彈性應(yīng)變能和構(gòu)件之間的摩擦能等[5-6]。根據(jù)DNV-RP-C204《事故載荷工況設(shè)計(jì)規(guī)范》可將墜物假定為剛性體[7]，被撞擊結(jié)構(gòu)吸收所有撞擊能量，此分析所得結(jié)構(gòu)變形最大。撞擊點(diǎn)按結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行劃分，即可撞擊甲板板格中點(diǎn)、撞擊主桁材中點(diǎn)和撞擊骨材中點(diǎn)。墜物撞擊結(jié)構(gòu)后，墜物不得穿透結(jié)構(gòu)，被撞擊結(jié)構(gòu)不得倒塌；應(yīng)計(jì)算墜物撞入結(jié)構(gòu)的深度，墜物不得撞擊到甲板下的重要設(shè)備、設(shè)施；如設(shè)備、設(shè)施設(shè)有保護(hù)結(jié)構(gòu)，則保護(hù)結(jié)構(gòu)被撞擊后與設(shè)備、設(shè)施的間距應(yīng)大于300 mm。

3.3 生活模塊卸貨甲板

生活模塊卸貨甲板構(gòu)件材質(zhì)與規(guī)格見表6。卸貨甲板抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析采用LS-DYNA軟件分別建立I、II、III區(qū)的甲板板、立柱、主桁材和骨材的有限元模型，卸貨甲板板厚按BV-NR445《海上浮式裝置入級規(guī)范》扣除了0.5 mm腐蝕余量[9]。卸貨甲板構(gòu)件采用顯式三維薄殼4節(jié)點(diǎn)SHELL163殼單元模擬，采用面內(nèi)單點(diǎn)積分、沿殼厚多點(diǎn)積分的方

表6 卸貨甲板構(gòu)件材質(zhì)與規(guī)格Table 6 Laydown deck members’material and size

法能解決大變形和材料失效等非線性問題。有限元網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，受墜物撞擊區(qū)局部有限元細(xì)網(wǎng)格尺寸使骨材和主桁材腹板高度上分別有2～3個(gè)和8個(gè)網(wǎng)格單元，以保證結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果的精度。有限元模型的邊界取為剛性固定邊界條件。

為計(jì)算結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變，將墜物以SOLID164實(shí)體單元模擬為剛性體，模擬剛性體底部水平撞擊甲板板格中心工況及剛性體底部水平撞擊主桁材中點(diǎn)2種工況。剛性體撞擊面長×寬為1 m×1 m，其有限元模型如圖2所示。

圖2 剛性體撞擊卸貨甲板有限元模型Fig.2 FEA model of rigid body impacting on laydown deck

剛性體與被撞擊結(jié)構(gòu)之間模擬為主-從面接觸，剛性體上的接觸面為從面，被撞擊結(jié)構(gòu)上的接觸面為主面，兩者之間的摩擦系數(shù)取0.3，不考慮摩擦系數(shù)隨相對速度的變化。假定剛性體從高處以重力加速度自由落下，僅釋放剛性體的垂向平動自由度，施加剛性體的垂向撞擊初始速度，撞擊能量如表4所示。剛性體撞擊卸貨甲板塑性應(yīng)變見表7。

表7 剛性體撞擊卸貨甲板塑性應(yīng)變Table 7 Laydown deck plastic strain for rigid body impacting

卸貨I、III區(qū)的設(shè)計(jì)撞擊能量較高，設(shè)計(jì)加大了甲板板厚和桁材高度，提高主要構(gòu)件的吸能能力，甲板板均吸收了超過50%的撞擊能量。卸貨II區(qū)甲板板厚較薄，且下方為居住艙室，對甲板桁材的高度有限制，且無法設(shè)立柱支撐該區(qū)域甲板，為避免對甲板大面積加厚，在甲板面上增設(shè)格狀抗撞擊襯墊梁(規(guī)格為2根L150 mm×90 mm×9 mm角鋼并排組合的T型材，材質(zhì)為EN S355)，并在襯墊梁下方甲板增設(shè)加強(qiáng)筋(規(guī)格為L150 mm×90 mm×9 mm角鋼，材質(zhì)為B)。各卸貨區(qū)的甲板板均只發(fā)生了局部塑性變形，沒有發(fā)生破裂；卸貨I、II區(qū)甲板的主桁材局部須加厚腹板和面板后，塑性應(yīng)變小于臨界應(yīng)變值5%。

為計(jì)算墜物撞入卸貨甲板最大深度，分別分析剛性體角撞擊甲板板格中心(工況1)、剛性體邊平行于骨材撞擊板格中心(工況2)和剛性體邊垂直撞擊骨材中點(diǎn)的3種工況(圖3)。剛性體撞入卸貨甲板深度見表8。在墜物撞擊卸貨甲板的過程中，甲板板先會向下凹陷，隨后會產(chǎn)生一定的回彈，這是因?yàn)橹饕挚棺矒舻臉?gòu)件由甲板板逐漸變?yōu)榧装灏寮跋路降闹螛?gòu)件，支撐構(gòu)件部分吸收了甲板板的塑性變形能。在撞擊的反彈階段，甲板及支撐構(gòu)件變形仍有部分處于材料的彈性階段，構(gòu)件變形可得到部分恢復(fù)，使墜物產(chǎn)生一定的回彈[5]。

圖3 剛性體撞擊卸貨甲板結(jié)構(gòu)分析工況Fig.3 Condition of rigid body dropped impacting on laydown deck

表8 剛性體撞入卸貨甲板深度Table 8 Depth of rigid body dropped impacting into laydown deck

剛性體角撞擊卸貨I區(qū)甲板板格中點(diǎn)后0.08 s時(shí)的撞入深度最大(圖4a)，甲板板和骨材腹板上產(chǎn)生撕裂、屈曲，遠(yuǎn)離撞擊點(diǎn)的構(gòu)件變形較??；剛性體角撞擊卸貨II區(qū)甲板襯墊梁中點(diǎn)后0.02 s時(shí)的撞入深度最大(圖4b)，襯墊梁有效降低了撞入深度。剛性體角撞擊卸貨III區(qū)甲板板格中點(diǎn)后0.05 s時(shí)的撞入深度最大。

圖4 剛性體撞入卸貨甲板深度-時(shí)間曲線Fig.4 Depth-time curve of rigid body impacting into laydown deck

3.4 生活模塊外圍壁

根據(jù)總體布置分別確定了生活模塊前端圍壁(FR.35肋位)、舷側(cè)外圍壁受墜物側(cè)向撞擊的分析范圍。生活模塊外圍壁板厚按BV-NR445規(guī)范扣除了0.5 mm腐蝕余量[9]。為計(jì)算生活模塊結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變，模擬剛性體側(cè)面水平撞擊外圍壁板格中點(diǎn)、撞擊垂向主桁材中點(diǎn)和撞擊甲板邊圍板，剛性體撞擊面長×寬為1 m×1 m。剛性體側(cè)向撞擊外圍壁最大塑性應(yīng)變分析結(jié)果見表9。

表9 剛性體側(cè)向撞擊外圍壁最大塑性應(yīng)變Table 9 External wall plastic strain for rigid body swung impacting

生活模塊的兩舷側(cè)外圍壁抗爆炸設(shè)計(jì)均布載荷為25 kPa，在抗爆炸工況未產(chǎn)生塑性應(yīng)變，但在抗墜物側(cè)向撞擊工況產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，抗墜物側(cè)向撞擊是設(shè)計(jì)控制性事故工況。前端圍壁為H60級防爆墻，抗爆炸設(shè)計(jì)均布載荷為50 kPa，在抗爆炸工況的塑性應(yīng)變?yōu)?.24%，在抗墜物側(cè)向撞擊工況的塑性應(yīng)變比抗爆炸工況更大，垂直扶強(qiáng)材須加大截面尺寸和面板厚度后，塑性應(yīng)變小于臨界應(yīng)變值5%。

3.5 防撞保護(hù)架

生活模塊設(shè)計(jì)在應(yīng)急發(fā)電機(jī)排煙管(圖5a)、消防水泵(圖5b)和消防水管道(圖5c)處設(shè)防撞保護(hù)架，構(gòu)件均采用寬翼緣高強(qiáng)度H型鋼，材質(zhì)均為ENS355，以提高保護(hù)架的吸能效率。應(yīng)用LS-DYNA軟件分別建立了保護(hù)架結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，分析保護(hù)架受墜物撞擊后與設(shè)備、設(shè)施的間距和構(gòu)件的塑性應(yīng)變。保護(hù)架構(gòu)件的板厚按BV-NR445規(guī)范扣除了0.5 mm腐蝕余量[9]。保護(hù)架為可修復(fù)的次要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)變εcr值為15%，剛性體撞擊保護(hù)架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表10。

表10 剛性體撞擊保護(hù)架結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 10 Structural analysis results for rigid body impacting on protector

圖5 生活模塊防撞保護(hù)架Fig.5 Anti-impact protector of living quarters

應(yīng)急發(fā)電機(jī)排煙管保護(hù)架長×寬×高為7.78 m×3.36 m× 19.8 m，在保護(hù)架與排煙管消音器的側(cè)向間距最小處加密布置構(gòu)件，減小構(gòu)件受撞擊后的變形，以控制保護(hù)架梁的規(guī)格。消防水泵保護(hù)架(圖5b)須覆蓋消防水泵集成集裝箱，保護(hù)架總高為6.95 m，立柱(規(guī)格為H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm)的縱向跨度為13.1 m，設(shè)計(jì)在頂部縱梁與立柱之間設(shè)斜撐桿(規(guī)格為H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm)，進(jìn)一步提高縱梁的剛度和吸能效率。消防水管道保護(hù)架總高為9.7 m，根據(jù)各段管道的高度設(shè)計(jì)不同高度的頂部梁框架，局部重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域設(shè)兩層抗撞框架，以提高構(gòu)件的吸能能力。

3.6 卸貨區(qū)防撞護(hù)欄

卸貨I區(qū)甲板邊設(shè)防撞護(hù)欄，護(hù)欄高為1.5 m，設(shè)4道水平鋼管，立柱間距為1.5 m，鋼管規(guī)格為Φ114.3 mm×8.6 mm，材質(zhì)為API5L-X52Q。在卸貨I區(qū)甲板結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上增加防撞護(hù)欄的有限元模型后，模擬剛性體分別側(cè)向撞擊護(hù)欄頂部和中部，護(hù)欄頂部的最大側(cè)向塑性變形為308 mm；3處護(hù)欄立柱根部下無甲板橫梁支撐，局部甲板的塑性應(yīng)變達(dá)13.1%；為此，在此3處甲板下增設(shè)加強(qiáng)筋(規(guī)格為150 mm×15 mm，材質(zhì)為DH36)后，局部甲板的塑性應(yīng)變減小為1.9%，小于臨界應(yīng)變值5%。

4 結(jié)論

1) 墜物的撞擊力和能量隨撞深和速度的變化均呈現(xiàn)非線性特征。在撞擊的初始階段，撞擊力和結(jié)構(gòu)吸能迅速增加；進(jìn)入材料塑性階段，撞擊力和吸能增速減緩；在撞擊后期進(jìn)入材料硬化階段，撞擊力顯著增大。被撞擊板架結(jié)構(gòu)的損傷變形是局部的，絕大部分塑性變形發(fā)生在撞擊區(qū)域，遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域主要表現(xiàn)為彈性形變。

2) 應(yīng)通過調(diào)整桁材和骨材的布置間距及規(guī)格、甲板的板厚，確定卸貨甲板的抗撞擊最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，控制結(jié)構(gòu)自重。如果甲板下方的立柱、桁材等主要構(gòu)件布置受限，則應(yīng)考慮在甲板上增設(shè)襯墊梁、墊木等主動抗撞擊措施。

3) 相比于抗爆炸設(shè)計(jì)工況，生活模塊外圍壁抗墜物側(cè)向撞擊設(shè)計(jì)工況對圍壁強(qiáng)度的要求通常更高，應(yīng)以抗墜物側(cè)向撞擊設(shè)計(jì)為控制性事故工況來確定構(gòu)件的規(guī)格。

4) 防撞保護(hù)架與被保護(hù)的設(shè)備、設(shè)施之間應(yīng)設(shè)合理的間距，采用合理的保護(hù)架吸能構(gòu)造形式，提高保護(hù)架的吸能效率，以確定合理的構(gòu)件規(guī)格；防撞護(hù)欄的每根立柱根部均應(yīng)布置橫梁或加強(qiáng)筋等構(gòu)件，減小護(hù)欄根部甲板的塑性變形。