大型FPSO碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

鄭克雄

(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司， 遼寧 大連 116113)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)是用來(lái)進(jìn)行海上油田開(kāi)發(fā)的主要設(shè)施，由于其作業(yè)的特殊性，存在著與其他船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，其中與補(bǔ)給船、穿梭油船和其他過(guò)往商船之間的碰撞最為常見(jiàn)。雖然碰撞事故發(fā)生的概率較低，但一旦發(fā)生，往往會(huì)引發(fā)人員傷亡和環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶事故中有33%的人員傷亡是由碰撞事故引起的。越來(lái)越多的海洋工程事故分析結(jié)果都表明，按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)安全準(zhǔn)則杜絕此類事故的發(fā)生，作用有限，1981年挪威石油管理部門(mén)發(fā)布了海洋平臺(tái)安全評(píng)估規(guī)范, 要求所有的離岸設(shè)施都要在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

隨著人們對(duì)生命安全和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度越來(lái)越高，各大石油公司越來(lái)越重視FPSO在作業(yè)過(guò)程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，定量預(yù)測(cè)FPSO的碰撞風(fēng)險(xiǎn)很有必要。本文以一艘在巴西海域服役的大型FPSO為例，結(jié)合其所屬公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，開(kāi)展FPSO碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析，為國(guó)內(nèi)類似海洋工程項(xiàng)目的開(kāi)展提供參考。

1 碰撞模型參數(shù)

1.1 FPSO主尺度

該FPSO由30萬(wàn)t的超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)改裝而成，長(zhǎng)336 m，寬58 m，型深31 m，最小作業(yè)吃水10.5 m，最大吃水22.4 m。該FPSO采用多點(diǎn)式系泊系統(tǒng)，作業(yè)水深為2 200 m，艏部和艉部設(shè)置有輸油卸貨系統(tǒng)，海底立管布置在舷側(cè)區(qū)域，由巴西國(guó)家石油公司運(yùn)營(yíng)，入美國(guó)船級(jí)社(American Bureau of Shipping，ABS)。圖1為該FPSO側(cè)視圖。

圖1 FPSO側(cè)視圖

1.2 碰撞船舶確定

根據(jù)ABS規(guī)范的要求，在確定碰撞船舶時(shí)，需重點(diǎn)考慮定期補(bǔ)給船、過(guò)往船舶和穿梭油船的情況。結(jié)合巴西國(guó)家石油公司提供的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，圍繞該FPSO的運(yùn)輸補(bǔ)給策劃方案，選取的碰撞船舶主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 碰撞船舶主要參數(shù)

1.3 碰撞能量確定

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前業(yè)界已具有比較完善的用于進(jìn)行海洋工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)據(jù)庫(kù)資源。挪威石油工業(yè)技術(shù)法規(guī)(Norsk Sokkels Konkuranseposisjon, NORSOK)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)、挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas, DNV)、ABS和法國(guó)船級(jí)社(Bureau Veritas, BV)等都給出了相應(yīng)的指導(dǎo)性建議，見(jiàn)表2。不同的法規(guī)對(duì)碰撞場(chǎng)景的定義有所不同，但都僅對(duì)頻繁靠泊的補(bǔ)給船給出了一些明確的要求。本文在已有法規(guī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合巴西國(guó)家石油公司提供的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定碰撞總能量，艏艉不少于50 MJ，舷側(cè)不少于12 MJ，見(jiàn)圖2。從確定的數(shù)據(jù)中可看出，艏艉的碰撞能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范的要求，這是因?yàn)楦难bFPSO對(duì)艏艉結(jié)構(gòu)的改變比較大，增加了甲板的延伸面積和剛度，在碰撞過(guò)程中會(huì)增加對(duì)艏艉防撞艙壁的保護(hù)，按常規(guī)外形船舶評(píng)估不合理。

圖2 碰撞能量示意圖

表2 法規(guī)對(duì)碰撞場(chǎng)景的規(guī)定

1.4 碰撞速度確定

碰撞問(wèn)題本質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題，撞擊船的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為FPSO的變形能。考慮到實(shí)際工程的需要，本文假定FPSO在靜水中保持不動(dòng)，忽略撞擊船的破壞作用，撞擊船碰撞速度的推算公式可表示為

(1)

式(1)中：為沖擊動(dòng)能，MJ；為撞擊船排水量，t；為附連水系數(shù)，艏艉為1.1，側(cè)向?yàn)?.4；為碰撞速度，m/s。

1.5 碰撞角度確定

船舶碰撞之后的損傷程度主要與碰撞角度和碰撞速度有關(guān)，撞擊船的船首與被撞船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)的正向垂直碰撞通常是最危險(xiǎn)的情況，因?yàn)榇讌^(qū)域的剛度一般大于舷側(cè)結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文的碰撞均選取正向碰撞。

1.6 碰撞方案確定

結(jié)合上述分析，最終確定9種碰撞方案(見(jiàn)表3)，既能滿足規(guī)范的要求，又與工程實(shí)際相吻合。

表3 實(shí)際碰撞方案

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 材料模型

Cowper-Symonds本構(gòu)方程是解決結(jié)構(gòu)沖擊問(wèn)題的理想塑性模型，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。

本文所述船舶的船體材料為船用碳鋼，采用的材料模型是塑性隨動(dòng)模型，其參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 材料模型參數(shù)

2.2 失效衡準(zhǔn)

碰撞事故接受的失效衡準(zhǔn)由結(jié)構(gòu)損傷程度確定，要充分考慮生命安全和環(huán)境安全等因素，在任何工況下都不能超過(guò)臨界塑性失效應(yīng)變；要避免艙內(nèi)的燃油泄漏，不會(huì)引起主船體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步失效。同時(shí)，在穩(wěn)性計(jì)算分析完成之后，將最嚴(yán)重的3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事故定義為失效衡準(zhǔn)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的破損程度見(jiàn)表5。

表5 可接受的失效衡準(zhǔn)

2.3 模型處理

為減少邊界效應(yīng)，模型的范圍應(yīng)足夠大，將關(guān)注的撞擊區(qū)域劃分為100 mm×100 mm大小的細(xì)網(wǎng)格，將其他區(qū)域劃分為1個(gè)肋位大小的粗網(wǎng)格。當(dāng)FPSO的舷側(cè)遭受撞擊時(shí)，將其另一側(cè)外板設(shè)為剛性固定；當(dāng)FPSO的艏艉遭受撞擊時(shí)，將與其遭受撞擊側(cè)距離較遠(yuǎn)的橫艙壁設(shè)為剛性固定。對(duì)于撞擊船而言，需在參考點(diǎn)處約束運(yùn)動(dòng)方向以外的其他所有方向的自由度，在參考點(diǎn)施加沿撞擊方向的速度矢量，由于撞擊部位的結(jié)構(gòu)存在差異性，撞擊間隙最小設(shè)置為100 mm,這是最保守的方法，會(huì)造成最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞。圖3為模型邊界條件示意圖。

圖3 模型邊界條件示意圖

2.4 碰撞結(jié)果及分析

在碰撞過(guò)程中，船體主要在碰撞區(qū)發(fā)生局部變形，結(jié)構(gòu)損傷也主要發(fā)生在碰撞區(qū)，撞擊船的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為FPSO的內(nèi)能(變形能)。碰撞速度越大，沖擊能量越高，碰撞越劇烈。圖4～圖6為碰撞結(jié)果示意圖。由圖4～圖6可知，在碰撞方案3和碰撞方案4條件下，雖然外板已遭到破壞，但內(nèi)殼仍保持完整，碰撞方案9內(nèi)殼發(fā)生了輕微的塑性失效，考慮到超標(biāo)量很小，可忽略不計(jì)。表6為分析結(jié)果匯總。

圖4 各碰撞工況下外板板變形(立管支撐上部)

圖5 各碰撞工況下外板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形(立管支撐下部)

i) 工況9

表6 分析結(jié)果匯總

3 應(yīng)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)例分析

碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析主要側(cè)重于碰撞載荷下結(jié)構(gòu)性能的局部損傷和破壞，最低要求是避免船艙內(nèi)的油品泄漏。因此，在對(duì)FPSO進(jìn)行改裝選型時(shí)，載體的母型油船最好采用雙殼式結(jié)構(gòu)。但是，考慮到艙室的布置要求，一般靠近艉部區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)邊艙均需布置燃油艙，有的為提高裝載量還會(huì)設(shè)置邊油艙(見(jiàn)圖7)，這就需根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果增加防撞結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前的FPSO改裝市場(chǎng)，主要有2種應(yīng)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。

圖7 油艙(邊艙)布置示意圖

3.1 外板增加橡膠碰墊

橡膠碰墊作為緩沖介質(zhì)，能充分吸收碰撞動(dòng)能，減小碰撞力。根據(jù)廠家提供的單位吸能水平校核碰墊的強(qiáng)度，該方案的缺點(diǎn)是采用永久碰墊一般需增設(shè)鋼質(zhì)基座，這會(huì)在外板處形成局部凸起。圖8為橡膠碰墊示意圖。

a) 船上安裝實(shí)例

b) 標(biāo)準(zhǔn)碰墊效果圖圖8 橡膠碰墊示意圖

3.2 外板增加“三明治”夾心板

英國(guó)的IE公司研發(fā)的夾心板技術(shù)，在2層鋼板之間用聚氨酯加固，不僅能保證結(jié)構(gòu)的韌度，而且能最大程度地減少焊接作業(yè)量。在降低沖擊帶來(lái)的不利影響和保溫性能方面，該夾層板相比以往的鋼結(jié)構(gòu)明顯更好，能降低至少15%的成本，該方案的外板沒(méi)有凸起，外觀整體的平順效果較好。圖9為夾心板及其安裝示意圖。

a) 夾心板安裝效果圖

b) 外板開(kāi)孔示意圖圖9 夾心板及其安裝示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合法規(guī)對(duì)碰撞場(chǎng)景的規(guī)定，按所屬公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一艘在巴西海域運(yùn)營(yíng)的大型改裝FPSO開(kāi)展了定量化的碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了用于進(jìn)行FPSO碰撞性能分析的碰撞場(chǎng)景和校核衡準(zhǔn)。利用LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了FPSO主船體的破損范圍，驗(yàn)證了艏艉防撞艙壁和內(nèi)殼抗碰撞設(shè)計(jì)的可靠性，主要得到以下結(jié)論：

1) 計(jì)算了FPSO主船體在不同碰撞場(chǎng)景下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從計(jì)算結(jié)果中可看出，碰撞船的沖擊只引起了FPSO外板及其附屬結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)內(nèi)殼的影響不大，不會(huì)引起FPSO發(fā)生油品泄漏；

2) 碰撞過(guò)程中的總能量是守恒的，碰撞船的動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為FPSO板架的變形能，結(jié)構(gòu)的損傷變形是局部的，絕大部分塑性變形都發(fā)生在撞擊區(qū)域，遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的變形主要表現(xiàn)為彈性變形；

3) 提出了FPSO應(yīng)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的具體措施，其中外板增加橡膠碰墊和夾心板的措施在工程中應(yīng)用最多。