FPSO上部模块火灾场景结构响应分析

刘玉亮,谷家扬,李 荣,万家平,蔡 灵

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司,天津 300452;2.江苏科技大学 海洋装备研究院,江苏 镇江 212000;3.南通中远海运船务工程有限公司,江苏 南通 226006)

0 引言

FPSO的上部油气处理模块在进行天然气加工和压缩过程时,容易发生泄漏事故。当泄露的高压天然气遇到明火时,就会发生严重的喷射火灾事故。由于FPSO的上部模块布置在甲板上,处于一个四周通风的环境,因此上部模块一旦发生喷射火灾事故,很容易受到环境风的影响,导致火焰的温度分布发生改变,严重威胁人员和设备的安全。为此,研究FPSO在喷射火场景下的温度分布与结构响应可以预防和减轻火灾事故造成的危害。

PALACIOS等[1]通过FDS软件模拟了水平喷射火和垂直喷射火的火焰形状和火焰温度分布,发现在垂直喷射火的情况下,可燃气体可以与空气充分融合,致使更危险的情况发生。DOENGAN[2]分析了海洋平台在火灾下的结构响应并对相关薄弱部件进行了试验测试,发现火焰温度改变了材料的强度和刚度,从而使材料性能失效导致危险情况的发生。刘云山等[3]提出了一种解决火灾场景下结构动态热响应的方法,通过在FDS软件与ABAQUS软件之间建立接口,将温度数据映射到有限元网格上,完成对结构在火灾场景下的动态响应分析。

以往对于FPSO上部模块的火灾场景分析往往只对发生火灾的甲板层进行建模分析,并没有考虑整体结构的重力与设备载荷对于结构响应的影响。为此,本文对FPSO的上部油气处理模块进行整体建模,并研究下方储气罐发生垂直向上的喷射火的情况下模块的温度与结构响应,为FPSO上部模块的防火设计提供借鉴。

1 计算模型

1.1 FDS模型

本文使用FDS软件进行火灾事故下的模块结构温度计算,在不影响仿真结果的准确性的前提下,使用体积相同的规则长方体代替结构的支撑柱进行建模。三维模型与泄露位置见图1。

图1 模块三维几何模型与泄露位置

1.2 有限元模型

本文基于ABAQUS软件分析平台在不同工况下的结构响应。平台的承重部分主要为梁柱结构,因此在建立有限元模型时省略了甲板板,对平台结构的整个梁柱结构框架进行了分析[4]。上部模块的长×宽×高为38 m×22 m×18 m,且模块的中纵剖面与中横剖面对称。模块模型与坐标系见图2。

图2 油气处理模块有限元模型

1.3 材料参数

本文根据温度场的分布和特点,选择钢材的密度为7 850 kg/m3。钢材的比热容随温度变化的值见表1,弹性模量随温度变化的值见表2。

表1 钢材的比热容随温度变化的值

表2 弹性模量随温度变化的值

2 结果分析

本文主要研究风对油气处理模块发生火灾后的受损情况产生的影响。具体方法为:分别选取无风、斜风作用下,可燃气体从泄露口垂直向上喷出并被立即点燃形成喷射火,研究不同环境条件下喷射口上方的温度场分布及结构的动态响应,探究不同环境条件对于油气处理模块火灾事故的影响。

2.1 无风工况

温度云图可以直观反映出火灾发生后结构的温度分布,从而判断火灾事故对于结构的影响区域。模块的甲板XZ剖面温度云图见图3。从图中可以看出,火焰高温区域主要聚集于模块的第3层甲板与第4层甲板,第2层甲板温度变化区域较小,高温区域主要分布于火焰喷口上方的框架,且温度场在甲板上的分布沿火焰喷口的中横剖面对称分布。

图3 模块甲板温度分布云图(单位:mm)

为准确反应火灾燃烧过程对于FPSO上部油气处理模块的影响情况,施加10倍重力在第2、3层甲板上以模拟甲板上设备的重量[5],图4为模块在火灾作用1 h内的结构变形情况。

图4 模块变形云图(变形放大系数20)(单位:mm)

从图中可以看出,模块垂向位移较大的区域位于泄漏口正上方第2层甲板处。随着时间的增加,垂向位移最大可以达到2.8 cm。模块左上方立柱底部发生了严重的偏移变形,使得顶层甲板左侧前部向上拱起3.8 cm,模块的其他部位均发生了不同程度的变形。

为研究模块结构在无风火灾下的耐火时间和承受的极限温度,选取第2层甲板垂向位移最大节点导出温度-位移曲线及时间-位移曲线,见图5。

图5 模块垂向位移最大点位移曲线

从图5(a)中可以看出:在2 400 s前,节点的垂向移动较慢,共向下移动了0.008 m;在2 400 s之后,节点的垂向移动速度加快,并在3 600 s时,向下移动了0.027 m。从图5(b)中看出:节点温度在0～700 ℃之间时,垂向移动较为平缓;在节点温度超过700 ℃时,节点的垂向移动速度加快,相较于700 ℃之前的移动速度有显著提升。综上所述,油气处理模块在无风火灾下的耐火时间为2 400 s,最高承受温度为700 ℃。

2.2 斜风工况

将火焰喷口、火焰参数与前文保持一致,增加环境风—西北风,风速为6 m/s,模块的甲板XZ剖面温度云图见图6。从图中可以看出,火焰的高温区域的分布随风向进行改变,沿喷射口上方的风向方向分布,顶层甲板上没有收到火焰的温度影响,高温区域均位于结构外侧。随着高度的增高,甲板上的火焰温度降低,第2、第3、第4层甲板的最高温度分别为1 000、420、170 ℃。

图6 模块甲板温度分布云图

火灾持续作用时间与施加重力载荷的方式与前文保持一致,斜风工况下的结构变形情况见图7。从图中可以看出,变形最大的位置在左侧中部立柱处。由于受到风的作用,火焰从左侧中部立柱处飘移出模块,使得立柱处温度持续升高,导致此处的结构最薄弱。模块左侧其他部位也随着出现不同程度的变形,且第2、第3层甲板的左侧边缘发生不同程度的倾斜。甲板上的变形区域分布于火灾温度场在甲板上的分布吻合。

图7 模块变形云图(变形放大系数20)(单位:mm)

针对左侧中间立柱处大变形区域提取其中变形程度最大的节点分别绘制时间-位移曲线、位移-温度曲线来探究立柱的结构的失效温度和火灾情况下的极限耐火时间,见图8。

图8 左侧中间立柱处位移曲线

从垂向位移图中可以看出:立柱首先在温度的作用下膨胀导致节点向上移动;随后由于温度增高的影响,材料的力学性能衰减导致此处薄弱区域受压向下移动。从横向和纵向的位移图中可知:在温度的作用下,节点沿着平面方向也不同程度的移动;沿X负方向移动了0.03 m,沿Y负方向最多移动了0.013 m;在时间为1 800 s左右、温度为500 ℃附近时,节点的位移曲线斜率发生了较大的改变,导致节点加速移动,垂向位移改变了上升的趋势转而开始下降。综上所述,油气处理模块在斜风工况下的耐火时间为1 800 s,最高承受温度为500 ℃,且斜风状态下模块受到火灾影响的主要为立柱结构。

3 结论

(1)对于垂直向上的喷射火,当风向为远离结构时,风会改变火焰作用在甲板上的区域,导致甲板上受火温度分布随风向改变,无风情况下的温度分布沿火焰喷出口沿中横剖面对称分布。

(2)通过温度场分布研究和结构有限元分析发现,结构高温大变形区域与温度场的高温区域一致,因此结构变形最严重的区域是火焰直接覆盖影响的区域。

(3)通过对垂直喷射火下的结构响应分析发现,模块的整体变形首先是结构高温区域发生变形,然后带动整个结构发生变形,因此可以判断结构高温区的耐火时间与耐火温度是整个结构的耐火时间与耐火温度。

(4)通过结构位移变形图可知,火灾状况发生后,结构变形突然加快的时间为1 800～2 400 s,因此人员疏散与设备撤离需要在0.5 h内完成,避免结构变形过大导致失效造成严重后果。