高温及油气爆炸载荷作用下FPSO生活楼结构动态响应研究

李 遥，刘 昆，赵辰水，王加夏

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，镇江 212100)

海洋平台生产甲板上集成了复杂的设备系统，长期在恶劣海况工作存在火灾、爆炸等事故风险[1]．生活楼结构是海洋平台的重要组成部分，为海上工作人员提供生存保障，一旦发生油气爆炸事故，将直接威胁其内部工作人员的生命安全．因此，开展油气爆炸载荷作用下生活楼结构的动态响应分析评估对于提升海洋工程结构设计水平、保障人员生命安全具有重要工程意义．在研究结构动态响应方面，文献[1-2]研究了油气泄露对油气爆炸载荷的影响，并深入研究了不同场景中油气爆炸载荷对结构的损伤程度．文献[3-4]基于试验和仿真研究了在油气爆炸载荷作用下不同区域的爆炸超压峰值的差异，发现拥挤狭窄区域超压峰值更高．在评估结构损伤方面，文献[5]通过试验和仿真开展了油气爆炸下海洋平台波纹防爆墙结构动态响应研究，绘制了抗爆性能P-I曲线．另外，文献[6-8]在研究结构抗爆能力时通过数值仿真拟合以及理论推导得到了较为准确的P-I曲线的解析公式．然而，海洋平台油气爆炸事故前后通常伴随着可燃气体燃烧的高温环境，需要考虑高温对结构动态响应的影响．因此，文中以浮式生产储油卸载装置(FPSO)生活楼结构为研究对象，利用有限元软件ABAQUS建立火灾爆炸下生活楼结构力学性能分析数值仿真模型，分析生活楼结构在火灾爆炸场景下的损伤变形和能量吸收，并讨论抗火标准下生活楼结构的抗爆性能，形成生活楼结构抗爆性能评估方法．

1 火灾爆炸下生活楼结构仿真分析

1.1 爆炸事故场景

图1 FPSO基本结构Fig.1 Generalarrangement of FPSO

图2 FPSO生活楼前端壁结构Fig.2 Structure of the front wall of Accommodation of FPSO

目前，确定海上结构物油气爆炸载荷时，通常采用船级社及相关组织规范推荐的油气爆炸事故载荷．API[10]基于事故统计数据库，归纳出了FPSO生活楼区域的油气爆炸超压峰值为0.5 bar．如图3，基于API给出的油气爆炸超压F、超压持续时间td、持续时间t关系曲线，可确定爆炸超压持续时间为0.343 s．文中将超压峰值为0.5 bar、作用时间为0.343 s的三角形荷载作为油气爆炸输入载荷，分析生活楼结构的应力、变形以及吸能等动态响应．

图3 油气爆炸载荷Fig.3 Oil and gas explosion loads

1.2 标准升温曲线下生活楼结构温度分布

1.2.1 升温曲线

对一般火灾事故下结构温度场的确定可参考相关标准升温曲线，文中采用国际标准化组织(ISO)制定的ISO-834标准升温曲线[11]分析生活楼结构在典型受火场景中的温度场响应．ISO-834标准升温曲线的数学表达式为：

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

(1)

式中：Tt为t时刻的温度，℃；t为燃烧时间，min，t=0时为常温．

基于上述标准升温曲线的数学表达式，可得升温曲线(图4)．

图4 标准升温曲线(ISO-834)Fig.4 Standard fire curve (ISO-834)

文中定义热源对受火区域的温度变化与标准升温曲线的温度变化相同，来分析生活楼结构在典型受火场景中的温度场响应．

1.2.2 火灾事故场景下生活楼结构温度分布

中国人的消费水平有豪华型、富裕型、一般型、困难型、贫困型五个层次，其中后三种为平民消费，因此,在设计夜游项目时,要考虑到消费层次的多样化，既要有高端夜游产品,如音乐会、讲座、沙龙等，也要有适合平民消费的旅游产品,如广场休闲、商业街购物等。如今,夜游活动趋向大众化，不同年龄阶段的人群均参与夜间旅游，考虑到不同年龄消费群体的不同特征，夜间旅游活动既要有适宜年轻人群消费的KTV、酒吧、健身所等时尚场所，又要有适合中老年人群的公园、河湖等较为宁静的场所。总之，在夜游产品的设计上应有动有静、有高端有低端，以满足消费群体的多样化需求。

在确定标准升温曲线下FPSO生活楼结构火灾场景下温度分布时，做出基本假设：① 生活楼结构全部由钢材构成，不考虑防火保护层；② 不考虑生活楼内部布置物品的影响；③ 不断连接的构件在无限远处为常温，即20℃．

(1) 数值仿真模型

利用有限元软件ABAQUS的热力学仿真模块进行温度分布计算．图5为生活楼结构有限元模型，采用壳单元建模，网格类型为DS4(壳单元四边形热传导分析单元)，全局网格尺寸为200 mm．材料为船用A级钢，表1为材料基本参数；表2为欧洲标准(EC3)[12]给出的高温下船用A级钢的热分析参数，取对流换热系数hs=25W/(m2·℃)，线膨胀系数αs=1.4×10-5．由于材料密度与泊松比在高温下变化不明显，因此忽略高温的影响．仿真取救生艇前侧舱壁为受火区域(图5中标记区域)，即由第2、3层前端壁在侧面的延伸部分组成的区域．生活楼底部四边施加刚性固定约束．另外，考虑到生活楼结构的复杂性，文中在保证计算合理性的前提下，对尺寸相对较小的构件进行了一定的简化与等效处理，忽略结构中较小的肘板、加强材等对结构抗爆性能影响较小及吸能能力较弱的构件，将加强筋翼板以等效厚度形式平均到加强筋腹板上．

图5 生活楼结构有限元模型Fig.5 Finite element model of accommodation

表1 材料参数Table 1 Material parameters

表2 高温下材料参数

(2) 结果分析

受火1 min后生活楼结构的温度分布如图6，可以看出由于受火时间较短，生活楼结构的温度变化较小，最高温度为23.2℃，出现在第3层前端壁加强筋之间的面板中部．受火区域的第2层端壁板厚与加筋尺寸均大于第3层，热传导范围更大，因此在受火后第3层前端壁的温度上升速度要高于第2层．另外，前端壁直接受火区域与背部加筋及相邻的非直接受火前端壁板面间存在热传导效应，越接近直接受火区域温度越高．

图6 受火1min后的结构温度分布Fig.6 Temperature distribution after 1 min of fire

表3为生活楼结构前端壁在不同受火时间下的最高温度分布情况，从表中可以看出随着受火时间的增加，生活楼结构的最高温度持续增加，但温度上升速度较慢，在受火50 min后，结构最高温度超过600 ℃．此时高温对的结构影响将逐渐凸显，有必要研究高温下结构的动态响应．

表3 不同受火时间下生活楼前侧端壁温度

1.3 油气火灾爆炸下生活楼结构动态响应分析

基于生活楼结构的温度分布，进行生活楼结构响应分析．网格类型选取S4R(壳单元四边形缩减积分单元)，全局网格尺寸为200 mm．生活楼底部四边施加刚性固定约束．在高温材料模型基础上采用Cowper-Symonds本构以考虑材料应变率效应，塑性失效应变取0.3[13]．油气爆炸载荷采用超压峰值为0.5 bar的三角形荷载，作用时间为0.343 s，载荷均匀施加在整个前端壁上．文中针对先发生火灾后发生爆炸的工况，忽略爆炸载荷对温度场的影响．仿真采用ABAQUS软件提供的顺序热—力耦合的方式先进行热分析，再将得到的温度分布作为预定义场进行力学分析．

油气爆炸载荷作用下不同受火时刻生活楼结构的损伤情况如图7，从图中可以看出受火时间t长短对爆炸下生活楼结构响应有较大影响，直接受火区域的响应最明显．当受火1 min时，结构直接受火区域温度上升很小，爆炸载荷作用下受火区域结构响应并不明显；当受火10 min时，爆炸载荷作用下高响应区域集中于受火区域，在加筋与端壁及甲板与端壁接触区域出现明显的应力集中，受火前端壁第3层结构开始出现明显的塑性变形．受火50 min时，爆炸载荷作用下结构最大应力达到405.4 MPa，主要出现在加筋与端壁、加筋与甲板的接触位置．高温区域的结构与常温区域结构相比，应力水平更高．这是由于此时钢材的强度、刚度严重衰减，结构丧失了原有的承载能力．结构受到爆炸冲击载荷作用，更易发生结构损坏．同时，受火区域为外飘结构，支撑构件较少，受爆炸冲击时更容易产生损伤变形．另外，由于热传导效应，临近受火区域的结构温度也有升高，结构的强度、刚度发生衰减，易发生变形．

图7 不同时刻生活楼结构的损伤情况Fig.7 Damage of accommodation at different times

随着受火时间的增加，爆炸引起的生活楼结构变形也越来越大．如图8，受火50 min时前端壁直接受火区域最大变形为317.2 mm，最大变形出现在前端壁直接受火区域中部偏外侧板架处，该处为前端壁的延伸结构，支撑结构较少．结构最大等效塑性应变为0.03．此时结构最高温度超过600 ℃，结构承载力明显下降，但结构未出现局部失效现象．

图8 50 min时生活楼结构的变形情况Fig.8 Deformation of accommodation at 50 min

生活楼各层结构在油气爆炸载荷作用下的吸能情况如图9、表4，可以发现生活楼前端壁结构为主要吸能结构，吸能占比达到了78.1%．其中，前端壁第3层前端壁为主要吸能构件，吸能曲线趋势为先上升后相对平稳；第3层前端壁吸能曲线没有明显的平台时期，吸能随时间的增加不断增大．第2、3层前端壁均有部分区域受火，因此第2层前端壁结构也通过结构塑性变形吸收了部分能量．

图9 生活楼前端壁结构能量吸收(50 min)Fig.9 Structural energy absorption of the front bulkhead of accommodation(50 min)

表4 生活楼结构构件吸能比例

2 抗火标准下生活楼结构响应分析

规范要求FPSO生活楼结构需具备“A-60”级标准[14]的抗火能力，即要求受火60 min时，受阻燃材料保护一侧温度升高不大于140 ℃．文中假设结构达到“A-60”抗火标准极限状态，即经阻燃材料保护后，生活楼前端壁表面温度达到160℃．除温度外有限元参数设置均与上节相同，对生活楼结构在抗火极限状态下开展油气爆炸冲击载荷数值仿真分析，结果如图10．从图中可以看出，生活楼结构主要响应区域为第3层前端壁及其后部的骨材，第3层前端壁两侧延伸端壁(图10(b))与第3层甲板间出现明显的应力集中现象，抗火极限下生活楼最大应力值为345.2 MPa．为了进一步研究高温对于油气爆炸作用下生活楼结构的影响，列出了3种温度的工况下时生活楼结构的损伤变形结果及吸能情况，如表5和图11．

图10 结构应力云图Fig.10 Stress cloud of the structure

表5 结构损伤变形及吸能情况Table 5 Damage and deformation of the structureand energy absorption

图11 生活楼前端壁结构能量吸收Fig.11 Structural energy absorption of the front bulkhead of accommodation

如表5，虽然抗火极限状态工况(160℃)和常温(20℃)工况下生活楼前端壁温度相差140℃，但生活楼结构的结构变形和总吸能均没有明显的差距．抗火极限状态工况和常温工况最大变形和总吸能与600℃的工况相比均有极大的差距．前端壁结构为生活楼的主要抗爆吸能结构，图11给出了抗火极限状态工况和常温工况下，前端壁结构的结构吸能情况．从图中可以发现，两种工况下前端壁的主要吸能构件均为第3层前端壁，吸能占比均高达99%．另外，吸能曲线存在明显的平台期，0.2 s后吸能几乎不再增大，结构不再发生塑性变形．由此可见，温度对生活楼结构响应的影响更多的体现在高温作用的时候；生活楼结构在耐火极限温度下，结构受到典型油气爆炸载荷作用出现的损伤变形与常温下的结果并无明显差异．

3 生活楼结构抗爆性能评估方法

基于上述数值仿真方法及结论，绘制生活楼结构在油气爆炸载荷作用下的P-I曲线．在生活楼有限元模型设置参数的基础上，通过调整油气爆炸载荷超压峰值与作用时间的组合关系，形成若干组不同的油气爆炸荷载作为仿真的载荷输入，其中，超压峰值范围取0.2～4 bar；载荷作用时间范围取0.01～-0.1 bar·s．计算得到的不同超压峰值、冲量下的生活楼结构损伤变形如图12．

图12 不同载荷下生活楼结构最大变形Fig.12 Maximum deformation of accommodation under different loads

从图中可以看出，生活楼结构最大变形与超压峰值与冲量均存在正相关关系，当冲量大小不变时，超压峰值越高，生活楼结构的变形量越大；而当超压峰值不变时，冲量的越大，生活楼结构的变形量也会随之增大．但值得注意的是，结构变形量并不会随着冲量的增大而无限制增大，这是由于油气爆炸是一个短暂的过程，油气爆炸冲击载荷则是动态载荷，若载荷作用时间超过结构固有周期的3倍，整个过程就可看做是准静态加载[15]，此时即使冲量继续增大，结构变形量也不会发生明显变化，只有继续提高超压峰值，结构变形才会继续增大．此外，最大变形位置始终出现在受火区域．

为了同时考虑超压峰值与冲量对生活楼结构损伤变形的影响，文中采用文献[16]提出的适用于爆炸下结构大变形情况的“等损伤模型”建立生活楼结构P-I抗爆曲线，基本公式为：

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

(2)

式中：P0为使结构发生塑性变形的最小超压峰值，可看作为准静态渐近线；I0为使结构发生塑性变形的最小冲量，可看作为冲量渐近线；DN为损伤等级准数．

DN损伤等级准数即指仿真定义的结构失效应变εcr，当DN<0时，生活楼结构处于弹性变形范围，属于轻微损伤变形；当00.3时，生活楼结构出现较大的塑性变形，结构发生失效，属于重大损伤变形．

基于损伤模型，以计算结束时刻生活楼结构最大等效塑性应变为依据，对大量数值仿真计算结果进行分类整理，分别分为εcr<0、0<εcr<0.3、εcr>0.3三个区域，并对使生活楼结构失效应变εcr=0与εcr=0.3的超压峰值、冲量数据进行拟合，形成生活楼结构抗爆性能评估P-I曲线，如图13．

图13 生活楼结构P-I抗爆性能评估曲线Fig.13 P-I anti-explosion evaluation curve of accommodation

从图中可以发现，当超压峰值低于0.4 bar或冲量低于0.005 3 bar·s时，生活楼结构基本处于弹性响应阶段，结构未出现塑性变形；当超压峰值高于0.4 bar且低于2.01 bar或冲量高于0.005 3 bar·s且低于0.031 bar·s时，生活楼结构进入塑性响应阶段，根据超压峰值或冲量与轻微损伤与严重损伤渐近线的相对位置可以判断出结构是刚开始发生塑性变形或是结构塑性变形已达到失效临界位置；当超压峰值高于2.93 bar或冲量低于0.061bar·s时，生活楼结构发生局部结构失效，随着超压峰值与冲量的继续增加，结构失效范围随之不断增大．

4 结论

采用ABAQUS软件对火灾爆炸场景下FPSO生活楼结构的动态响应进行数值模拟计算，分析了高温对结构抗爆性能的影响，并形成了评估生活楼结构损伤情况的P-I曲线．

(1) 火灾初期，构件温度上升较小，温度对爆炸载荷下结构动态响应的影响可忽略不计；随着火灾持续进行，受火区域的构件温度达到600℃左右时，其强度、刚度发生衰减严重，爆炸载荷下结构的损伤变形远高于常温区域，结构已经失效．

(2) 在耐火极限温度下，生活楼结构受到油气爆炸载荷，最大变形与常温下的结果差异很小，且集中出现在受火区域及其相邻区域，结构并未出现失效．由此可见，温度对生活楼结构响应的影响更多的体现在高温范围．

(3) 基于大量数值仿真分析结果，绘制的生活楼结构对应的抗爆P-I曲线，可通过确定的爆炸超压峰值及作用时间，快速、准确的评估生活楼结构的损伤情况．