超大型浮式生产储油卸油装置船体抗坠物撞击结构分析

（中海石油 （中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

超大型浮式生产储油卸油装置（FPSO）是深水油田开发的重要工程设施。为保障FPSO补给、生产、维修及原油外输等作业，通常在补给和原油外输区设3～6台主起重机进行吊运作业。FPSO主起重机的作业频次高，人为操作失误、设备故障等均可能造成被吊物坠落事故。被吊物坠落将造成机械碰撞损伤风险，可能损及FPSO上部模块、船体、设备及设施，甚至造成环境污染和人员伤亡[1],因此是石油公司企业标准要求的FPSO抗坠物撞击风险和结构分析的重要事件。

文中以一艘西非深水超大型FPSO为对象，设定FPSO船尾主甲板坠物撞击事件，结合FPSO所属石油公司编制的《技术风险评估方法》（以下简称企业标准1）和 《海上平台结构设计总则》（以下简称企业标准2）条规，介绍了FPSO主船体抗坠物撞击结构分析的方法、技术要求、分析要点和成果［2-4］。

1 西非油田FPSO概况

西非深水油田通常在距离FPSO船尾约2 km处布置外输原油终端浮筒，外输油船系泊外输浮筒正常外输，同时以从FPSO船尾串靠外输作为应急外输方案[5]。此外，成品油船定期从FPSO船尾串靠，向FPSO补给甲醇、柴油和多种化学药剂[6]。为此，FPSO船尾主甲板上布置软管卷盘式串靠原油外输系统和液货补给系统，为外输和补给作业设置1台主起重机[7]。

西非某FPSO船体尺寸 （总长×型宽×型深）330 m× 61 m× 33.5 m，入BV船级，设计使用寿命25 a[2]。其船尾主甲板上的设备和设施布置见图1，船尾主甲板下舱室布置见图2。

图1 FPSO船尾主甲板上的设备和设施布置

图2 FPSO船尾主甲板下舱室布置

图2中FR.325肋位处布置的折臂式主起重机，主钩作业半径为25 m时的额定起重能力为25 t，作业半径为35 m时的额定起重能力为10 t。副钩作业半径为36 m时的额定起重能力为5 t。主甲板I区为FPSO船尾FR.320肋位之后的原油应急外输和液货补给区，可能受坠物撞击。主甲板II区为FR.290～FR.320肋位的原油舱、污油舱、甲醇舱和化学药剂舱，可能受坠物撞击。主甲板I区和II区是FPSO船体结构有限元建模分析的范围。

2 FPSO船体坠物撞击风险分析

2.1 企业标准评级指标

企业标准1规定，海上生产设施工程设计应针对主起重机吊运作业，根据设施布置和吊运作业情景开展坠物撞击过程的定量风险分析。企业标准1规定的坠物撞击过程的海上设备、设施受损后果等级划分原则见表1。根据企业标准1确定的坠物超越撞击能量对应的风险可接受发生概率为10-4/a。

表1 坠物撞击海上设备、设施受损后果等级划分原则

2.2 吊运过程风险概率计算

2.2.1 基础数据

根据企业标准2的FPSO详细设计要求，针对船尾起重机吊运过程开展了坠物撞击定量风险分析。按国际石油与天然气生产者协会（OGP）统计数据，船尾主起重机每次吊运时发生吊物坠落事件，造成撞击FPSO、撞击供应船和坠海的风险概率取值见表 2［8］。

表2 海上设施主起重机吊物坠落撞击风险概率（OGP数据）

2.2.2 计算概率

企业标准1中规定，吊物坠落撞击（Dropped impact）和侧向撞击（Swinging impact）的风险概率比重各为50%，主起重机在吊运提升、旋转平移以及下放吊物过程中的坠落风险概率比重分别为40%、30%和30%。按每50 d发生1次外输油船从FPSO船尾串靠应急外输考虑，即主起重机吊运原油装卸快速连接器（图3）的频次为7.3次/a。每年主起重机吊运原油装卸快速连接器下放时坠落撞击FPSO船尾主甲板风险概率为4.7×10-6×0.5×0.3×7.3=5.146 5×10-6，即原油装卸快速连接器坠落撞击FPSO船尾主甲板的风险概率低于10-4/a。原油装卸快速连接器的质量为1 t，从4 m高处坠落时撞击FPSO船尾主甲板的能量为39.24 kJ，为企业标准1定义的轻微等级事件。

图3 FPSO船尾原油装卸快速连接器

3 FPSO船体主甲板抗坠物撞击分析

3.1 主甲板材料模型

3.1.1 材料力学模型

坠物撞击是被撞结构在短时间内在撞击载荷作用下的非线性动态响应过程，具有明显的动力特性,被撞结构迅速超越弹性阶段后进入塑性流变阶段，可产生撕裂、屈曲等形式的破坏或失效［9-11］。按企业标准2要求，依据DNV-RP-C204-2017《Design against Accidental Loads》［12］，采用显式非线性有限元法对坠物撞击结构过程进行模拟分析。

在动态荷载作用下，钢材表现出的力学性能与其在静态荷载作用下的有明显不同，钢材的屈服应力显著提高，瞬时应力也随应变率的提高而提高，即钢材是一种对应变率高度敏感的材料，其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增大而增大。采用Cowper-Symonds本构方程［13］考虑应变率对钢材力学性能的影响：

式中，σdynamic为动态屈服应力，σstatic为初始静态屈服应力，MPa；为塑性应变率；C、p为Cowper-Symonds应变率系数，按 DNV-RP-C208-2013 《Determination of Stural Capacity by Non-linear FE Analysis Methods》［13］，海洋平台钢材的 C=4 000 s-1、p=5。

3.1.2 材料失效判据

采用许用最大塑性应变来判定材料的失效，即当结构单元的等效塑性应变达到许用最大塑性应变时，结构单元失效，失效后的结构单元不再参与后续计算，并不再具有强度。企业标准2要求的结构许用最大塑性应变见表3，FPSO船体主要结构件包括主甲板板、舱壁板、主桁材和一类骨材，次要结构件包括二类骨材、加强筋等。

表3 FPSO船体结构许用最大塑性应变

坠物撞击结构时，坠物损失的能量将部分转化为结构的塑性应变能、弹性应变能和振动能量。根据DNV-RP-C204-2017，将坠物假定为刚性体，并假定被撞击结构吸收所有撞击能量，此条件下分析所得的结构变形最大。选择撞击点并按结构类型对撞击点进行分类，得到可撞击甲板板格中点、撞击主桁材中点和撞击骨材中点3种类型的撞击点。企业标准2要求，①坠物撞击结构后，坠物不得穿透结构，被撞击结构不得倒塌。②应计算坠物撞入结构的深度，坠物不得撞击到甲板下的重要设备、设施。③如设备、设施上方有保护结构，则保护结构被撞击后与设备、设施的间距应大于 300 mm［3-4］。

3.2 主甲板结构分析

3.2.1 有限元模型

应用MSC/PATRAN软件分别建立FPSO船尾主甲板I区和II区板格、舱壁板、主桁材和骨材的有限元模型。FPSO船尾主甲板II区结构有限元模型见图4。

图4 FPSO船尾主甲板II区结构有限元模型

对所有结构件，按照BV-NR445-2013《Rules for the Classification of Offshore Units》［14］、BV-NR467-2013 《Rules for the Classification of Steel Ships》［15］扣除腐蚀余量，FPSO 主船体结构件、模型所属区域及应扣除腐蚀裕量的对应关系见表4。表4中，I区模型主甲板材质为EH36，设计厚度30 mm；II区模型主甲板材质为AH32，设计厚度 17～22 mm。

表4 FPSO主船体结构件扣除腐蚀余量

3.2.2 边界和网格设置

采用壳单元模拟FPSO主船体结构，将主甲板以下10.1 m处的第一层平台甲板设为刚性固定边界［14-15］。

选择尺寸小于50 mm×50 mm的有限元网格，使骨材腹板高度上至少有4个网格单元，主桁材腹板高度上至少16个网格单元，以保证结构分析结果的精度。

3.2.3 模拟过程设计

在主甲板I区（FR.320～FR.330肋位）选取5个甲板板格中点和4个主桁材中点，在主甲板II区（FR.290～FR.320肋位）选取19个主甲板板格中点和30个主桁材中点作为撞击点。

将原油装卸快速连接器简化为尺寸 （长×宽×高）1 m×1 m×2 m的刚性体，约束刚性体垂直方向运动之外的其它自由度，以得到最大撞入深度。刚性体与被撞击结构之间模拟为主-从摩擦接触，摩擦因数取0.3。

撞击荷载以刚性体与被撞结构接触时的速度施加于模型，忽略空气对刚性体的阻力影响，模拟刚性体在自重作用下从4 m高空自由落下。

按照撞击时刚性体和主甲板最先触及的部位和方位定义撞击过程工况，刚性体以角撞击板格中点为工况A，刚性体以边平行于纵骨撞击板格为工况B，刚性体以边垂直撞击纵骨中点为工况C，见图 5～图 7。

图5 刚性体撞击主甲板结构分析工况A

图6 刚性体撞击主甲板结构分析工况B

图7 刚性体撞击主甲板结构分析工况C

3.2.4 模拟结果及分析

不同工况下刚性体撞入主甲板深度分析结果见表5。由表5可知，刚性体以角撞击甲板板格中点时的撞入深度最大。

表5 不同工况下刚性体撞入主甲板深度分析结果

表5中工况A刚性体撞入主甲板I区深度分析见图8和图9。

图8 工况A刚性体撞击主甲板I区

图9 工况A主甲板被撞后塑性变形

从图8和图9可以看出，被刚性体角撞击的甲板板格的局部塑性变形较大，远离撞击点的结构变形较小。

刚性体撞击主甲板最大塑性应变分析结果见表6，结果均满足企业标准2对结构塑性应变的衡准设计要求。

表6 刚性体撞击主甲板最大塑性应变分析结果

4 结语

以深水超大型FPSO船尾主甲板为抗坠物撞击结构分析对象，对原油装卸快速连接器坠落撞击主甲板事件进行了定量风险分析，确定了设计碰撞能量。FPSO工程详细设计按DNV和BV船级社规范，应用非线性有限元分析方法对坠物撞击主甲板结构进行数值仿真，分析甲板结构的损伤和坠物的撞入深度。分析结果表明，FPSO船尾主甲板结构设计可满足石油公司企业标准对FPSO抗坠物撞击的安全要求。