超大型FPSO生活模塊抗墜物撞擊結構分析

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、補給、生產、維修、原油外輸等作業，超大型浮式生產儲卸油裝置(FPSO)通常在補給和原油外輸區設起重機進行吊運作業。FPSO主起重機的作業頻次高，可能因人為操作失誤、設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而損壞設備和設施，導致次生事故的發生，因此墜物撞擊是主要的機械碰撞損傷風險[1]。

FPSO總體設計通常將主卸貨區和主起重機緊鄰生活區布置。主起重機作業中發生墜物事故可能會傷及生活區和卸貨區內的人員，造成設備、設施損失和污染環境等后果，因此生活區、卸貨區是FPSO抗墜物撞擊風險和結構分析的重點區域[2]。基于此問題，本文對某FPSO生活模塊開展了墜物撞擊風險分析和抗墜物撞擊結構分析，以確定生活區的卸貨甲板、外圍壁和重要設備、設施保護架等結構物的設計方案。

1 生活模塊卸貨區總體布置

1.1 起重機設計要求

FPSO上應至少為供應船補給裝卸設2臺主起重機，分別滿足設備、備件及食品、化學藥劑和燃油補給等吊運作業要求；其中的1臺主起重機應滿足直升機甲板上的燃油、備件吊運要求。FPSO生產時，不允許起重機在工藝設施、立管的上方吊運作業；除非采取了必要的抗墜物撞擊措施，不允許起重機在原油管道的上方吊運作業。

1.2 生活模塊卸貨區總體布置

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，FR.35～FR.60肋位之間布置主卸貨甲板，在FR.50肋位處的兩舷側各布置一臺折臂式起重機，主鉤額定起重質量為25 t，作業半徑25 m，副鉤額定起重質量為5 t，作業半徑36 m(圖1a)。生活模塊前端中部布置應急發電機排煙管；模塊外兩舷側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層甲板設有食品集裝箱卸貨I區(長×寬為18.5 m×4.6 m)(圖1b)，設計活載荷20 kN/m2，可存放5個質量為10 t的食品集裝箱；模塊頂甲板前端中部設有設備維修卸貨II區(長×寬為3.4 m×3.4 m)，設計存放質量為1 t的設備和備件；直升機甲板上設有飛機燃油罐卸貨III區(長×寬為6 m×4 m)，可存放1個質量為5 t的燃油罐(圖1a)。

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

2 墜物撞擊風險分析

2.1 墜物撞擊受損后果等級劃分

海上生產設施工程設計應針對主起重機吊運作業，根據布置和吊運作業情景開展墜物撞擊定量風險分析，確定墜物超越撞擊能量對應的風險可接受發生概率為1.0×10-4/a。如未開展墜物定量風險分析，卸貨區及上部模塊甲板結構應按質量為12 t的集裝箱從3 m高處墜落撞擊進行設計。墜物撞擊海上設備、設施受損后果等級劃分原則見表1。

表1 墜物撞擊海上設備、設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險分析

根據對FPSO作業情景的統計分析，左舷和右舷主起重機每年吊運作業次數分別約為1 543次和4 055次，起重機每次吊運發生吊物墜落撞擊FPSO、撞擊供應船和墜海的風險概率按國際石油與天然氣生產者協會(OGP)統計數據取值(表2[4])。各種作業情景的墜物撞擊風險概率計算時，吊物墜落撞擊和側向撞擊概率的占比分別取50%；起重機在吊運提升、旋轉平移、下放吊物過程中墜落概率的占比分別取40%、30%和30%[5-6]。典型墜物撞擊風險概率計算結果見表3，墜物撞擊生活模塊各區的設計撞擊能量見表4。

表2 海上設施主起重機每次吊運發生吊物墜落撞擊風險概率Table 2 Dropped object impacting probabilities for each offshore main crane operation

表3 墜物撞擊風險概率Table 3 Dropped object impacting probabilities

表4 墜物撞擊生活模塊的設計撞擊能量Table 4 Design impact energy of dropped object impacting on living quarters

3 結構抗墜物撞擊分析

3.1 結構材料模型

墜物撞擊是結構短時間內在撞擊載荷作用下的非線性動態響應過程，具有明顯的動力特性,被撞結構迅速超越彈性階段后進入塑性流變階段，可產生撕裂、屈曲等形式的破壞或失效[5-6]。根據DNV-RP-C204《事故載荷工況設計規范》，應用顯式非線性有限元法對墜物撞擊結構過程進行模擬分析[7]，顯式算法采用顯式時域差分方法，計算時間步長為0.01 s。

鋼材的動態屈服應力需考慮材料的應變率敏感性，其線性強化彈塑性材料模型采用Cowper-Symonds本構方程模擬，即

(1)

3.2 結構失效衡準

結構抗墜物撞擊分析中采用臨界應變來判定材料的失效，即當結構單元的等效塑性應變達到臨界應變時，結構單元失效，失效后的結構單元不再參與后續計算，并不再具有強度。生活模塊主要構件包括卸貨甲板板、外圍壁板、立柱、主桁材和扶強材等一類骨材，次要構件包括模塊室內的次要甲板板和加強筋等二類骨材。鋼材無因次塑性剛度和臨界應變見表5。

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

墜物撞擊結構時，墜物損失的能量將部分轉化為結構的塑性應變能、彈性應變能和構件之間的摩擦能等[5-6]。根據DNV-RP-C204《事故載荷工況設計規范》可將墜物假定為剛性體[7]，被撞擊結構吸收所有撞擊能量，此分析所得結構變形最大。撞擊點按結構類型進行劃分，即可撞擊甲板板格中點、撞擊主桁材中點和撞擊骨材中點。墜物撞擊結構后，墜物不得穿透結構，被撞擊結構不得倒塌；應計算墜物撞入結構的深度，墜物不得撞擊到甲板下的重要設備、設施；如設備、設施設有保護結構，則保護結構被撞擊后與設備、設施的間距應大于300 mm。

3.3 生活模塊卸貨甲板

生活模塊卸貨甲板構件材質與規格見表6。卸貨甲板抗墜物撞擊結構分析采用LS-DYNA軟件分別建立I、II、III區的甲板板、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范》扣除了0.5 mm腐蝕余量[9]。卸貨甲板構件采用顯式三維薄殼4節點SHELL163殼單元模擬，采用面內單點積分、沿殼厚多點積分的方

表6 卸貨甲板構件材質與規格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。有限元網格尺寸為100 mm×100 mm，受墜物撞擊區局部有限元細網格尺寸使骨材和主桁材腹板高度上分別有2～3個和8個網格單元，以保證結構屈曲分析結果的精度。有限元模型的邊界取為剛性固定邊界條件。

為計算結構最大塑性應變，將墜物以SOLID164實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

剛性體與被撞擊結構之間模擬為主-從面接觸，剛性體上的接觸面為從面，被撞擊結構上的接觸面為主面，兩者之間的摩擦系數取0.3，不考慮摩擦系數隨相對速度的變化。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變見表7。

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

卸貨I、III區的設計撞擊能量較高，設計加大了甲板板厚和桁材高度，提高主要構件的吸能能力，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，且無法設立柱支撐該區域甲板，為避免對甲板大面積加厚，在甲板面上增設格狀抗撞擊襯墊梁(規格為2根L150 mm×90 mm×9 mm角鋼并排組合的T型材，材質為EN S355)，并在襯墊梁下方甲板增設加強筋(規格為L150 mm×90 mm×9 mm角鋼，材質為B)。各卸貨區的甲板板均只發生了局部塑性變形，沒有發生破裂；卸貨I、II區甲板的主桁材局部須加厚腹板和面板后，塑性應變小于臨界應變值5%。

為計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，隨后會產生一定的回彈，這是因為主要抵抗撞擊的構件由甲板板逐漸變為甲板板及下方的支撐構件，支撐構件部分吸收了甲板板的塑性變形能。在撞擊的反彈階段，甲板及支撐構件變形仍有部分處于材料的彈性階段，構件變形可得到部分恢復，使墜物產生一定的回彈[5]。

圖3 剛性體撞擊卸貨甲板結構分析工況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區甲板板格中點后0.08 s時的撞入深度最大(圖4a)，甲板板和骨材腹板上產生撕裂、屈曲，遠離撞擊點的構件變形較小；剛性體角撞擊卸貨II區甲板襯墊梁中點后0.02 s時的撞入深度最大(圖4b)，襯墊梁有效降低了撞入深度。剛性體角撞擊卸貨III區甲板板格中點后0.05 s時的撞入深度最大。

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

3.4 生活模塊外圍壁

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

表9 剛性體側向撞擊外圍壁最大塑性應變Table 9 External wall plastic strain for rigid body swung impacting

生活模塊的兩舷側外圍壁抗爆炸設計均布載荷為25 kPa，在抗爆炸工況未產生塑性應變，但在抗墜物側向撞擊工況產生了塑性應變，抗墜物側向撞擊是設計控制性事故工況。前端圍壁為H60級防爆墻，抗爆炸設計均布載荷為50 kPa，在抗爆炸工況的塑性應變為0.24%，在抗墜物側向撞擊工況的塑性應變比抗爆炸工況更大，垂直扶強材須加大截面尺寸和面板厚度后，塑性應變小于臨界應變值5%。

3.5 防撞保護架

生活模塊設計在應急發電機排煙管(圖5a)、消防水泵(圖5b)和消防水管道(圖5c)處設防撞保護架，構件均采用寬翼緣高強度H型鋼，材質均為ENS355，以提高保護架的吸能效率。應用LS-DYNA軟件分別建立了保護架結構的有限元分析模型，分析保護架受墜物撞擊后與設備、設施的間距和構件的塑性應變。保護架構件的板厚按BV-NR445規范扣除了0.5 mm腐蝕余量[9]。保護架為可修復的次要結構，結構臨界應變εcr值為15%，剛性體撞擊保護架結構分析結果見表10。

表10 剛性體撞擊保護架結構分析結果Table 10 Structural analysis results for rigid body impacting on protector

圖5 生活模塊防撞保護架Fig.5 Anti-impact protector of living quarters

應急發電機排煙管保護架長×寬×高為7.78 m×3.36 m× 19.8 m，在保護架與排煙管消音器的側向間距最小處加密布置構件，減小構件受撞擊后的變形，以控制保護架梁的規格。消防水泵保護架(圖5b)須覆蓋消防水泵集成集裝箱，保護架總高為6.95 m，立柱(規格為H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm)的縱向跨度為13.1 m，設計在頂部縱梁與立柱之間設斜撐桿(規格為H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm)，進一步提高縱梁的剛度和吸能效率。消防水管道保護架總高為9.7 m，根據各段管道的高度設計不同高度的頂部梁框架，局部重點保護區域設兩層抗撞框架，以提高構件的吸能能力。

3.6 卸貨區防撞護欄

卸貨I區甲板邊設防撞護欄，護欄高為1.5 m，設4道水平鋼管，立柱間距為1.5 m，鋼管規格為Φ114.3 mm×8.6 mm，材質為API5L-X52Q。在卸貨I區甲板結構有限元模型基礎上增加防撞護欄的有限元模型后，模擬剛性體分別側向撞擊護欄頂部和中部，護欄頂部的最大側向塑性變形為308 mm；3處護欄立柱根部下無甲板橫梁支撐，局部甲板的塑性應變達13.1%；為此，在此3處甲板下增設加強筋(規格為150 mm×15 mm，材質為DH36)后，局部甲板的塑性應變減小為1.9%，小于臨界應變值5%。

4 結論

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

2) 應通過調整桁材和骨材的布置間距及規格、甲板的板厚，確定卸貨甲板的抗撞擊最優設計方案，控制結構自重。如果甲板下方的立柱、桁材等主要構件布置受限，則應考慮在甲板上增設襯墊梁、墊木等主動抗撞擊措施。

3) 相比于抗爆炸設計工況，生活模塊外圍壁抗墜物側向撞擊設計工況對圍壁強度的要求通常更高，應以抗墜物側向撞擊設計為控制性事故工況來確定構件的規格。

4) 防撞保護架與被保護的設備、設施之間應設合理的間距，采用合理的保護架吸能構造形式，提高保護架的吸能效率，以確定合理的構件規格；防撞護欄的每根立柱根部均應布置橫梁或加強筋等構件，減小護欄根部甲板的塑性變形。