高溫及油氣爆炸載荷作用下FPSO生活樓結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)研究

李 遙，劉 昆，趙辰水，王加夏

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，鎮(zhèn)江 212100)

海洋平臺生產(chǎn)甲板上集成了復雜的設(shè)備系統(tǒng)，長期在惡劣海況工作存在火災(zāi)、爆炸等事故風險[1]．生活樓結(jié)構(gòu)是海洋平臺的重要組成部分，為海上工作人員提供生存保障，一旦發(fā)生油氣爆炸事故，將直接威脅其內(nèi)部工作人員的生命安全．因此，開展油氣爆炸載荷作用下生活樓結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析評估對于提升海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計水平、保障人員生命安全具有重要工程意義．在研究結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)方面，文獻[1-2]研究了油氣泄露對油氣爆炸載荷的影響，并深入研究了不同場景中油氣爆炸載荷對結(jié)構(gòu)的損傷程度．文獻[3-4]基于試驗和仿真研究了在油氣爆炸載荷作用下不同區(qū)域的爆炸超壓峰值的差異，發(fā)現(xiàn)擁擠狹窄區(qū)域超壓峰值更高．在評估結(jié)構(gòu)損傷方面，文獻[5]通過試驗和仿真開展了油氣爆炸下海洋平臺波紋防爆墻結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)研究，繪制了抗爆性能P-I曲線．另外，文獻[6-8]在研究結(jié)構(gòu)抗爆能力時通過數(shù)值仿真擬合以及理論推導得到了較為準確的P-I曲線的解析公式．然而，海洋平臺油氣爆炸事故前后通常伴隨著可燃氣體燃燒的高溫環(huán)境，需要考慮高溫對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響．因此，文中以浮式生產(chǎn)儲油卸載裝置(FPSO)生活樓結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS建立火災(zāi)爆炸下生活樓結(jié)構(gòu)力學性能分析數(shù)值仿真模型，分析生活樓結(jié)構(gòu)在火災(zāi)爆炸場景下的損傷變形和能量吸收，并討論抗火標準下生活樓結(jié)構(gòu)的抗爆性能，形成生活樓結(jié)構(gòu)抗爆性能評估方法．

1 火災(zāi)爆炸下生活樓結(jié)構(gòu)仿真分析

1.1 爆炸事故場景

圖1 FPSO基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Generalarrangement of FPSO

圖2 FPSO生活樓前端壁結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the front wall of Accommodation of FPSO

目前，確定海上結(jié)構(gòu)物油氣爆炸載荷時，通常采用船級社及相關(guān)組織規(guī)范推薦的油氣爆炸事故載荷．API[10]基于事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，歸納出了FPSO生活樓區(qū)域的油氣爆炸超壓峰值為0.5 bar．如圖3，基于API給出的油氣爆炸超壓F、超壓持續(xù)時間td、持續(xù)時間t關(guān)系曲線，可確定爆炸超壓持續(xù)時間為0.343 s．文中將超壓峰值為0.5 bar、作用時間為0.343 s的三角形荷載作為油氣爆炸輸入載荷，分析生活樓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形以及吸能等動態(tài)響應(yīng)．

圖3 油氣爆炸載荷Fig.3 Oil and gas explosion loads

1.2 標準升溫曲線下生活樓結(jié)構(gòu)溫度分布

1.2.1 升溫曲線

對一般火災(zāi)事故下結(jié)構(gòu)溫度場的確定可參考相關(guān)標準升溫曲線，文中采用國際標準化組織(ISO)制定的ISO-834標準升溫曲線[11]分析生活樓結(jié)構(gòu)在典型受火場景中的溫度場響應(yīng)．ISO-834標準升溫曲線的數(shù)學表達式為：

Tt=20+345 log(8t+1)

(1)

式中：Tt為t時刻的溫度，℃；t為燃燒時間，min，t=0時為常溫．

基于上述標準升溫曲線的數(shù)學表達式，可得升溫曲線(圖4)．

圖4 標準升溫曲線(ISO-834)Fig.4 Standard fire curve (ISO-834)

文中定義熱源對受火區(qū)域的溫度變化與標準升溫曲線的溫度變化相同，來分析生活樓結(jié)構(gòu)在典型受火場景中的溫度場響應(yīng)．

1.2.2 火災(zāi)事故場景下生活樓結(jié)構(gòu)溫度分布

中國人的消費水平有豪華型、富裕型、一般型、困難型、貧困型五個層次，其中后三種為平民消費，因此,在設(shè)計夜游項目時,要考慮到消費層次的多樣化，既要有高端夜游產(chǎn)品,如音樂會、講座、沙龍等，也要有適合平民消費的旅游產(chǎn)品,如廣場休閑、商業(yè)街購物等。如今,夜游活動趨向大眾化，不同年齡階段的人群均參與夜間旅游，考慮到不同年齡消費群體的不同特征，夜間旅游活動既要有適宜年輕人群消費的KTV、酒吧、健身所等時尚場所，又要有適合中老年人群的公園、河湖等較為寧靜的場所?？傊?，在夜游產(chǎn)品的設(shè)計上應(yīng)有動有靜、有高端有低端，以滿足消費群體的多樣化需求。

在確定標準升溫曲線下FPSO生活樓結(jié)構(gòu)火災(zāi)場景下溫度分布時，做出基本假設(shè)：① 生活樓結(jié)構(gòu)全部由鋼材構(gòu)成，不考慮防火保護層；② 不考慮生活樓內(nèi)部布置物品的影響；③ 不斷連接的構(gòu)件在無限遠處為常溫，即20℃．

(1) 數(shù)值仿真模型

利用有限元軟件ABAQUS的熱力學仿真模塊進行溫度分布計算．圖5為生活樓結(jié)構(gòu)有限元模型，采用殼單元建模，網(wǎng)格類型為DS4(殼單元四邊形熱傳導分析單元)，全局網(wǎng)格尺寸為200 mm．材料為船用A級鋼，表1為材料基本參數(shù)；表2為歐洲標準(EC3)[12]給出的高溫下船用A級鋼的熱分析參數(shù)，取對流換熱系數(shù)hs=25W/(m2·℃)，線膨脹系數(shù)αs=1.4×10-5．由于材料密度與泊松比在高溫下變化不明顯，因此忽略高溫的影響．仿真取救生艇前側(cè)艙壁為受火區(qū)域(圖5中標記區(qū)域)，即由第2、3層前端壁在側(cè)面的延伸部分組成的區(qū)域．生活樓底部四邊施加剛性固定約束．另外，考慮到生活樓結(jié)構(gòu)的復雜性，文中在保證計算合理性的前提下，對尺寸相對較小的構(gòu)件進行了一定的簡化與等效處理，忽略結(jié)構(gòu)中較小的肘板、加強材等對結(jié)構(gòu)抗爆性能影響較小及吸能能力較弱的構(gòu)件，將加強筋翼板以等效厚度形式平均到加強筋腹板上．

圖5 生活樓結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of accommodation

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 高溫下材料參數(shù)

(2) 結(jié)果分析

受火1 min后生活樓結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖6，可以看出由于受火時間較短，生活樓結(jié)構(gòu)的溫度變化較小，最高溫度為23.2℃，出現(xiàn)在第3層前端壁加強筋之間的面板中部．受火區(qū)域的第2層端壁板厚與加筋尺寸均大于第3層，熱傳導范圍更大，因此在受火后第3層前端壁的溫度上升速度要高于第2層．另外，前端壁直接受火區(qū)域與背部加筋及相鄰的非直接受火前端壁板面間存在熱傳導效應(yīng)，越接近直接受火區(qū)域溫度越高．

圖6 受火1min后的結(jié)構(gòu)溫度分布Fig.6 Temperature distribution after 1 min of fire

表3為生活樓結(jié)構(gòu)前端壁在不同受火時間下的最高溫度分布情況，從表中可以看出隨著受火時間的增加，生活樓結(jié)構(gòu)的最高溫度持續(xù)增加，但溫度上升速度較慢，在受火50 min后，結(jié)構(gòu)最高溫度超過600 ℃．此時高溫對的結(jié)構(gòu)影響將逐漸凸顯，有必要研究高溫下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)．

表3 不同受火時間下生活樓前側(cè)端壁溫度

1.3 油氣火災(zāi)爆炸下生活樓結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

基于生活樓結(jié)構(gòu)的溫度分布，進行生活樓結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析．網(wǎng)格類型選取S4R(殼單元四邊形縮減積分單元)，全局網(wǎng)格尺寸為200 mm．生活樓底部四邊施加剛性固定約束．在高溫材料模型基礎(chǔ)上采用Cowper-Symonds本構(gòu)以考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)，塑性失效應(yīng)變?nèi)?.3[13]．油氣爆炸載荷采用超壓峰值為0.5 bar的三角形荷載，作用時間為0.343 s，載荷均勻施加在整個前端壁上．文中針對先發(fā)生火災(zāi)后發(fā)生爆炸的工況，忽略爆炸載荷對溫度場的影響．仿真采用ABAQUS軟件提供的順序熱—力耦合的方式先進行熱分析，再將得到的溫度分布作為預定義場進行力學分析．

油氣爆炸載荷作用下不同受火時刻生活樓結(jié)構(gòu)的損傷情況如圖7，從圖中可以看出受火時間t長短對爆炸下生活樓結(jié)構(gòu)響應(yīng)有較大影響，直接受火區(qū)域的響應(yīng)最明顯．當受火1 min時，結(jié)構(gòu)直接受火區(qū)域溫度上升很小，爆炸載荷作用下受火區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)并不明顯；當受火10 min時，爆炸載荷作用下高響應(yīng)區(qū)域集中于受火區(qū)域，在加筋與端壁及甲板與端壁接觸區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，受火前端壁第3層結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯的塑性變形．受火50 min時，爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達到405.4 MPa，主要出現(xiàn)在加筋與端壁、加筋與甲板的接觸位置．高溫區(qū)域的結(jié)構(gòu)與常溫區(qū)域結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力水平更高．這是由于此時鋼材的強度、剛度嚴重衰減，結(jié)構(gòu)喪失了原有的承載能力．結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊載荷作用，更易發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞．同時，受火區(qū)域為外飄結(jié)構(gòu)，支撐構(gòu)件較少，受爆炸沖擊時更容易產(chǎn)生損傷變形．另外，由于熱傳導效應(yīng)，臨近受火區(qū)域的結(jié)構(gòu)溫度也有升高，結(jié)構(gòu)的強度、剛度發(fā)生衰減，易發(fā)生變形．

圖7 不同時刻生活樓結(jié)構(gòu)的損傷情況Fig.7 Damage of accommodation at different times

隨著受火時間的增加，爆炸引起的生活樓結(jié)構(gòu)變形也越來越大．如圖8，受火50 min時前端壁直接受火區(qū)域最大變形為317.2 mm，最大變形出現(xiàn)在前端壁直接受火區(qū)域中部偏外側(cè)板架處，該處為前端壁的延伸結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)較少．結(jié)構(gòu)最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.03．此時結(jié)構(gòu)最高溫度超過600 ℃，結(jié)構(gòu)承載力明顯下降，但結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)局部失效現(xiàn)象．

圖8 50 min時生活樓結(jié)構(gòu)的變形情況Fig.8 Deformation of accommodation at 50 min

生活樓各層結(jié)構(gòu)在油氣爆炸載荷作用下的吸能情況如圖9、表4，可以發(fā)現(xiàn)生活樓前端壁結(jié)構(gòu)為主要吸能結(jié)構(gòu)，吸能占比達到了78.1%．其中，前端壁第3層前端壁為主要吸能構(gòu)件，吸能曲線趨勢為先上升后相對平穩(wěn)；第3層前端壁吸能曲線沒有明顯的平臺時期，吸能隨時間的增加不斷增大．第2、3層前端壁均有部分區(qū)域受火，因此第2層前端壁結(jié)構(gòu)也通過結(jié)構(gòu)塑性變形吸收了部分能量．

圖9 生活樓前端壁結(jié)構(gòu)能量吸收(50 min)Fig.9 Structural energy absorption of the front bulkhead of accommodation(50 min)

表4 生活樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸能比例

2 抗火標準下生活樓結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

規(guī)范要求FPSO生活樓結(jié)構(gòu)需具備“A-60”級標準[14]的抗火能力，即要求受火60 min時，受阻燃材料保護一側(cè)溫度升高不大于140 ℃．文中假設(shè)結(jié)構(gòu)達到“A-60”抗火標準極限狀態(tài)，即經(jīng)阻燃材料保護后，生活樓前端壁表面溫度達到160℃．除溫度外有限元參數(shù)設(shè)置均與上節(jié)相同，對生活樓結(jié)構(gòu)在抗火極限狀態(tài)下開展油氣爆炸沖擊載荷數(shù)值仿真分析，結(jié)果如圖10．從圖中可以看出，生活樓結(jié)構(gòu)主要響應(yīng)區(qū)域為第3層前端壁及其后部的骨材，第3層前端壁兩側(cè)延伸端壁(圖10(b))與第3層甲板間出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，抗火極限下生活樓最大應(yīng)力值為345.2 MPa．為了進一步研究高溫對于油氣爆炸作用下生活樓結(jié)構(gòu)的影響，列出了3種溫度的工況下時生活樓結(jié)構(gòu)的損傷變形結(jié)果及吸能情況，如表5和圖11．

圖10 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud of the structure

表5 結(jié)構(gòu)損傷變形及吸能情況Table 5 Damage and deformation of the structureand energy absorption

圖11 生活樓前端壁結(jié)構(gòu)能量吸收Fig.11 Structural energy absorption of the front bulkhead of accommodation

如表5，雖然抗火極限狀態(tài)工況(160℃)和常溫(20℃)工況下生活樓前端壁溫度相差140℃，但生活樓結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形和總吸能均沒有明顯的差距．抗火極限狀態(tài)工況和常溫工況最大變形和總吸能與600℃的工況相比均有極大的差距．前端壁結(jié)構(gòu)為生活樓的主要抗爆吸能結(jié)構(gòu)，圖11給出了抗火極限狀態(tài)工況和常溫工況下，前端壁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)吸能情況．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩種工況下前端壁的主要吸能構(gòu)件均為第3層前端壁，吸能占比均高達99%．另外，吸能曲線存在明顯的平臺期，0.2 s后吸能幾乎不再增大，結(jié)構(gòu)不再發(fā)生塑性變形．由此可見，溫度對生活樓結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響更多的體現(xiàn)在高溫作用的時候；生活樓結(jié)構(gòu)在耐火極限溫度下，結(jié)構(gòu)受到典型油氣爆炸載荷作用出現(xiàn)的損傷變形與常溫下的結(jié)果并無明顯差異．

3 生活樓結(jié)構(gòu)抗爆性能評估方法

基于上述數(shù)值仿真方法及結(jié)論，繪制生活樓結(jié)構(gòu)在油氣爆炸載荷作用下的P-I曲線．在生活樓有限元模型設(shè)置參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整油氣爆炸載荷超壓峰值與作用時間的組合關(guān)系，形成若干組不同的油氣爆炸荷載作為仿真的載荷輸入，其中，超壓峰值范圍取0.2～4 bar；載荷作用時間范圍取0.01～-0.1 bar·s．計算得到的不同超壓峰值、沖量下的生活樓結(jié)構(gòu)損傷變形如圖12．

圖12 不同載荷下生活樓結(jié)構(gòu)最大變形Fig.12 Maximum deformation of accommodation under different loads

從圖中可以看出，生活樓結(jié)構(gòu)最大變形與超壓峰值與沖量均存在正相關(guān)關(guān)系，當沖量大小不變時，超壓峰值越高，生活樓結(jié)構(gòu)的變形量越大；而當超壓峰值不變時，沖量的越大，生活樓結(jié)構(gòu)的變形量也會隨之增大．但值得注意的是，結(jié)構(gòu)變形量并不會隨著沖量的增大而無限制增大，這是由于油氣爆炸是一個短暫的過程，油氣爆炸沖擊載荷則是動態(tài)載荷，若載荷作用時間超過結(jié)構(gòu)固有周期的3倍，整個過程就可看做是準靜態(tài)加載[15]，此時即使沖量繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)變形量也不會發(fā)生明顯變化，只有繼續(xù)提高超壓峰值，結(jié)構(gòu)變形才會繼續(xù)增大．此外，最大變形位置始終出現(xiàn)在受火區(qū)域．

為了同時考慮超壓峰值與沖量對生活樓結(jié)構(gòu)損傷變形的影響，文中采用文獻[16]提出的適用于爆炸下結(jié)構(gòu)大變形情況的“等損傷模型”建立生活樓結(jié)構(gòu)P-I抗爆曲線，基本公式為：

(P-P0)(I-I0)=DN

(2)

式中：P0為使結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形的最小超壓峰值，可看作為準靜態(tài)漸近線；I0為使結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形的最小沖量，可看作為沖量漸近線；DN為損傷等級準數(shù)．

DN損傷等級準數(shù)即指仿真定義的結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變εcr，當DN<0時，生活樓結(jié)構(gòu)處于彈性變形范圍，屬于輕微損傷變形；當00.3時，生活樓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的塑性變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生失效，屬于重大損傷變形．

基于損傷模型，以計算結(jié)束時刻生活樓結(jié)構(gòu)最大等效塑性應(yīng)變?yōu)橐罁?jù)，對大量數(shù)值仿真計算結(jié)果進行分類整理，分別分為εcr<0、0<εcr<0.3、εcr>0.3三個區(qū)域，并對使生活樓結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變εcr=0與εcr=0.3的超壓峰值、沖量數(shù)據(jù)進行擬合，形成生活樓結(jié)構(gòu)抗爆性能評估P-I曲線，如圖13．

圖13 生活樓結(jié)構(gòu)P-I抗爆性能評估曲線Fig.13 P-I anti-explosion evaluation curve of accommodation

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當超壓峰值低于0.4 bar或沖量低于0.005 3 bar·s時，生活樓結(jié)構(gòu)基本處于彈性響應(yīng)階段，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性變形；當超壓峰值高于0.4 bar且低于2.01 bar或沖量高于0.005 3 bar·s且低于0.031 bar·s時，生活樓結(jié)構(gòu)進入塑性響應(yīng)階段，根據(jù)超壓峰值或沖量與輕微損傷與嚴重損傷漸近線的相對位置可以判斷出結(jié)構(gòu)是剛開始發(fā)生塑性變形或是結(jié)構(gòu)塑性變形已達到失效臨界位置；當超壓峰值高于2.93 bar或沖量低于0.061bar·s時，生活樓結(jié)構(gòu)發(fā)生局部結(jié)構(gòu)失效，隨著超壓峰值與沖量的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)失效范圍隨之不斷增大．

4 結(jié)論

采用ABAQUS軟件對火災(zāi)爆炸場景下FPSO生活樓結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行數(shù)值模擬計算，分析了高溫對結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，并形成了評估生活樓結(jié)構(gòu)損傷情況的P-I曲線．

(1) 火災(zāi)初期，構(gòu)件溫度上升較小，溫度對爆炸載荷下結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響可忽略不計；隨著火災(zāi)持續(xù)進行，受火區(qū)域的構(gòu)件溫度達到600℃左右時，其強度、剛度發(fā)生衰減嚴重，爆炸載荷下結(jié)構(gòu)的損傷變形遠高于常溫區(qū)域，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效．

(2) 在耐火極限溫度下，生活樓結(jié)構(gòu)受到油氣爆炸載荷，最大變形與常溫下的結(jié)果差異很小，且集中出現(xiàn)在受火區(qū)域及其相鄰區(qū)域，結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)失效．由此可見，溫度對生活樓結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響更多的體現(xiàn)在高溫范圍．

(3) 基于大量數(shù)值仿真分析結(jié)果，繪制的生活樓結(jié)構(gòu)對應(yīng)的抗爆P-I曲線，可通過確定的爆炸超壓峰值及作用時間，快速、準確的評估生活樓結(jié)構(gòu)的損傷情況．