超大型浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置船體抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析

（中海石油 （中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

超大型浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）是深水油田開發(fā)的重要工程設(shè)施。為保障FPSO補(bǔ)給、生產(chǎn)、維修及原油外輸?shù)茸鳂I(yè)，通常在補(bǔ)給和原油外輸區(qū)設(shè)3～6臺主起重機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)作業(yè)。FPSO主起重機(jī)的作業(yè)頻次高，人為操作失誤、設(shè)備故障等均可能造成被吊物墜落事故。被吊物墜落將造成機(jī)械碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)，可能損及FPSO上部模塊、船體、設(shè)備及設(shè)施，甚至造成環(huán)境污染和人員傷亡[1],因此是石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的FPSO抗墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)分析的重要事件。

文中以一艘西非深水超大型FPSO為對象，設(shè)定FPSO船尾主甲板墜物撞擊事件，結(jié)合FPSO所屬石油公司編制的《技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評估方法》（以下簡稱企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1）和 《海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》（以下簡稱企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2）條規(guī)，介紹了FPSO主船體抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析的方法、技術(shù)要求、分析要點(diǎn)和成果［2-4］。

1 西非油田FPSO概況

西非深水油田通常在距離FPSO船尾約2 km處布置外輸原油終端浮筒，外輸油船系泊外輸浮筒正常外輸，同時(shí)以從FPSO船尾串靠外輸作為應(yīng)急外輸方案[5]。此外，成品油船定期從FPSO船尾串靠，向FPSO補(bǔ)給甲醇、柴油和多種化學(xué)藥劑[6]。為此，F(xiàn)PSO船尾主甲板上布置軟管卷盤式串靠原油外輸系統(tǒng)和液貨補(bǔ)給系統(tǒng)，為外輸和補(bǔ)給作業(yè)設(shè)置1臺主起重機(jī)[7]。

西非某FPSO船體尺寸 （總長×型寬×型深）330 m× 61 m× 33.5 m，入BV船級，設(shè)計(jì)使用壽命25 a[2]。其船尾主甲板上的設(shè)備和設(shè)施布置見圖1，船尾主甲板下艙室布置見圖2。

圖1 FPSO船尾主甲板上的設(shè)備和設(shè)施布置

圖2 FPSO船尾主甲板下艙室布置

圖2中FR.325肋位處布置的折臂式主起重機(jī)，主鉤作業(yè)半徑為25 m時(shí)的額定起重能力為25 t，作業(yè)半徑為35 m時(shí)的額定起重能力為10 t。副鉤作業(yè)半徑為36 m時(shí)的額定起重能力為5 t。主甲板I區(qū)為FPSO船尾FR.320肋位之后的原油應(yīng)急外輸和液貨補(bǔ)給區(qū)，可能受墜物撞擊。主甲板II區(qū)為FR.290～FR.320肋位的原油艙、污油艙、甲醇艙和化學(xué)藥劑艙，可能受墜物撞擊。主甲板I區(qū)和II區(qū)是FPSO船體結(jié)構(gòu)有限元建模分析的范圍。

2 FPSO船體墜物撞擊風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評級指標(biāo)

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1規(guī)定，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)設(shè)施布置和吊運(yùn)作業(yè)情景開展墜物撞擊過程的定量風(fēng)險(xiǎn)分析。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1規(guī)定的墜物撞擊過程的海上設(shè)備、設(shè)施受損后果等級劃分原則見表1。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1確定的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10-4/a。

表1 墜物撞擊海上設(shè)備、設(shè)施受損后果等級劃分原則

2.2 吊運(yùn)過程風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2的FPSO詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，針對船尾起重機(jī)吊運(yùn)過程開展了墜物撞擊定量風(fēng)險(xiǎn)分析。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)，船尾主起重機(jī)每次吊運(yùn)時(shí)發(fā)生吊物墜落事件，造成撞擊FPSO、撞擊供應(yīng)船和墜海的風(fēng)險(xiǎn)概率取值見表 2［8］。

表2 海上設(shè)施主起重機(jī)吊物墜落撞擊風(fēng)險(xiǎn)概率（OGP數(shù)據(jù)）

2.2.2 計(jì)算概率

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1中規(guī)定，吊物墜落撞擊（Dropped impact）和側(cè)向撞擊（Swinging impact）的風(fēng)險(xiǎn)概率比重各為50%，主起重機(jī)在吊運(yùn)提升、旋轉(zhuǎn)平移以及下放吊物過程中的墜落風(fēng)險(xiǎn)概率比重分別為40%、30%和30%。按每50 d發(fā)生1次外輸油船從FPSO船尾串靠應(yīng)急外輸考慮，即主起重機(jī)吊運(yùn)原油裝卸快速連接器（圖3）的頻次為7.3次/a。每年主起重機(jī)吊運(yùn)原油裝卸快速連接器下放時(shí)墜落撞擊FPSO船尾主甲板風(fēng)險(xiǎn)概率為4.7×10-6×0.5×0.3×7.3=5.146 5×10-6，即原油裝卸快速連接器墜落撞擊FPSO船尾主甲板的風(fēng)險(xiǎn)概率低于10-4/a。原油裝卸快速連接器的質(zhì)量為1 t，從4 m高處墜落時(shí)撞擊FPSO船尾主甲板的能量為39.24 kJ，為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1定義的輕微等級事件。

圖3 FPSO船尾原油裝卸快速連接器

3 FPSO船體主甲板抗墜物撞擊分析

3.1 主甲板材料模型

3.1.1 材料力學(xué)模型

墜物撞擊是被撞結(jié)構(gòu)在短時(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［9-11］。按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2要求，依據(jù)DNV-RP-C204-2017《Design against Accidental Loads》［12］，采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。

在動態(tài)荷載作用下，鋼材表現(xiàn)出的力學(xué)性能與其在靜態(tài)荷載作用下的有明顯不同，鋼材的屈服應(yīng)力顯著提高，瞬時(shí)應(yīng)力也隨應(yīng)變率的提高而提高，即鋼材是一種對應(yīng)變率高度敏感的材料，其屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限隨應(yīng)變率的增大而增大。采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程［13］考慮應(yīng)變率對鋼材力學(xué)性能的影響：

式中，σdynamic為動態(tài)屈服應(yīng)力，σstatic為初始靜態(tài)屈服應(yīng)力，MPa；為塑性應(yīng)變率；C、p為Cowper-Symonds應(yīng)變率系數(shù)，按 DNV-RP-C208-2013 《Determination of Stural Capacity by Non-linear FE Analysis Methods》［13］，海洋平臺鋼材的 C=4 000 s-1、p=5。

3.1.2 材料失效判據(jù)

采用許用最大塑性應(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)到許用最大塑性應(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。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2要求的結(jié)構(gòu)許用最大塑性應(yīng)變見表3，F(xiàn)PSO船體主要結(jié)構(gòu)件包括主甲板板、艙壁板、主桁材和一類骨材，次要結(jié)構(gòu)件包括二類骨材、加強(qiáng)筋等。

表3 FPSO船體結(jié)構(gòu)許用最大塑性應(yīng)變

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)變能和振動能量。根據(jù)DNV-RP-C204-2017，將墜物假定為剛性體，并假定被撞擊結(jié)構(gòu)吸收所有撞擊能量，此條件下分析所得的結(jié)構(gòu)變形最大。選擇撞擊點(diǎn)并按結(jié)構(gòu)類型對撞擊點(diǎn)進(jìn)行分類，得到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)3種類型的撞擊點(diǎn)。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2要求，①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。②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。③如設(shè)備、設(shè)施上方有保護(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［3-4］。

3.2 主甲板結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 有限元模型

應(yīng)用MSC/PATRAN軟件分別建立FPSO船尾主甲板I區(qū)和II區(qū)板格、艙壁板、主桁材和骨材的有限元模型。FPSO船尾主甲板II區(qū)結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

圖4 FPSO船尾主甲板II區(qū)結(jié)構(gòu)有限元模型

對所有結(jié)構(gòu)件，按照BV-NR445-2013《Rules for the Classification of Offshore Units》［14］、BV-NR467-2013 《Rules for the Classification of Steel Ships》［15］扣除腐蝕余量，F(xiàn)PSO 主船體結(jié)構(gòu)件、模型所屬區(qū)域及應(yīng)扣除腐蝕裕量的對應(yīng)關(guān)系見表4。表4中，I區(qū)模型主甲板材質(zhì)為EH36，設(shè)計(jì)厚度30 mm；II區(qū)模型主甲板材質(zhì)為AH32，設(shè)計(jì)厚度 17～22 mm。

表4 FPSO主船體結(jié)構(gòu)件扣除腐蝕余量

3.2.2 邊界和網(wǎng)格設(shè)置

采用殼單元模擬FPSO主船體結(jié)構(gòu)，將主甲板以下10.1 m處的第一層平臺甲板設(shè)為剛性固定邊界［14-15］。

選擇尺寸小于50 mm×50 mm的有限元網(wǎng)格，使骨材腹板高度上至少有4個(gè)網(wǎng)格單元，主桁材腹板高度上至少16個(gè)網(wǎng)格單元，以保證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的精度。

3.2.3 模擬過程設(shè)計(jì)

在主甲板I區(qū)（FR.320～FR.330肋位）選取5個(gè)甲板板格中點(diǎn)和4個(gè)主桁材中點(diǎn)，在主甲板II區(qū)（FR.290～FR.320肋位）選取19個(gè)主甲板板格中點(diǎn)和30個(gè)主桁材中點(diǎn)作為撞擊點(diǎn)。

將原油裝卸快速連接器簡化為尺寸 （長×寬×高）1 m×1 m×2 m的剛性體，約束剛性體垂直方向運(yùn)動之外的其它自由度，以得到最大撞入深度。剛性體與被撞擊結(jié)構(gòu)之間模擬為主-從摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.3。

撞擊荷載以剛性體與被撞結(jié)構(gòu)接觸時(shí)的速度施加于模型，忽略空氣對剛性體的阻力影響，模擬剛性體在自重作用下從4 m高空自由落下。

按照撞擊時(shí)剛性體和主甲板最先觸及的部位和方位定義撞擊過程工況，剛性體以角撞擊板格中點(diǎn)為工況A，剛性體以邊平行于縱骨撞擊板格為工況B，剛性體以邊垂直撞擊縱骨中點(diǎn)為工況C，見圖 5～圖 7。

圖5 剛性體撞擊主甲板結(jié)構(gòu)分析工況A

圖6 剛性體撞擊主甲板結(jié)構(gòu)分析工況B

圖7 剛性體撞擊主甲板結(jié)構(gòu)分析工況C

3.2.4 模擬結(jié)果及分析

不同工況下剛性體撞入主甲板深度分析結(jié)果見表5。由表5可知，剛性體以角撞擊甲板板格中點(diǎn)時(shí)的撞入深度最大。

表5 不同工況下剛性體撞入主甲板深度分析結(jié)果

表5中工況A剛性體撞入主甲板I區(qū)深度分析見圖8和圖9。

圖8 工況A剛性體撞擊主甲板I區(qū)

圖9 工況A主甲板被撞后塑性變形

從圖8和圖9可以看出，被剛性體角撞擊的甲板板格的局部塑性變形較大，遠(yuǎn)離撞擊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變形較小。

剛性體撞擊主甲板最大塑性應(yīng)變分析結(jié)果見表6，結(jié)果均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2對結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變的衡準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

表6 剛性體撞擊主甲板最大塑性應(yīng)變分析結(jié)果

4 結(jié)語

以深水超大型FPSO船尾主甲板為抗墜物撞擊結(jié)構(gòu)分析對象，對原油裝卸快速連接器墜落撞擊主甲板事件進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)分析，確定了設(shè)計(jì)碰撞能量。FPSO工程詳細(xì)設(shè)計(jì)按DNV和BV船級社規(guī)范，應(yīng)用非線性有限元分析方法對墜物撞擊主甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析甲板結(jié)構(gòu)的損傷和墜物的撞入深度。分析結(jié)果表明，F(xiàn)PSO船尾主甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對FPSO抗墜物撞擊的安全要求。