FPSO上部模塊火災(zāi)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

劉玉亮,谷家揚(yáng),李 榮,萬(wàn)家平,蔡 靈

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司,天津 300452;2.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;3.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引言

FPSO的上部油氣處理模塊在進(jìn)行天然氣加工和壓縮過(guò)程時(shí),容易發(fā)生泄漏事故。當(dāng)泄露的高壓天然氣遇到明火時(shí),就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的噴射火災(zāi)事故。由于FPSO的上部模塊布置在甲板上,處于一個(gè)四周通風(fēng)的環(huán)境,因此上部模塊一旦發(fā)生噴射火災(zāi)事故,很容易受到環(huán)境風(fēng)的影響,導(dǎo)致火焰的溫度分布發(fā)生改變,嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備的安全。為此,研究FPSO在噴射火場(chǎng)景下的溫度分布與結(jié)構(gòu)響應(yīng)可以預(yù)防和減輕火災(zāi)事故造成的危害。

PALACIOS等[1]通過(guò)FDS軟件模擬了水平噴射火和垂直噴射火的火焰形狀和火焰溫度分布,發(fā)現(xiàn)在垂直噴射火的情況下,可燃?xì)怏w可以與空氣充分融合,致使更危險(xiǎn)的情況發(fā)生。DOENGAN[2]分析了海洋平臺(tái)在火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)并對(duì)相關(guān)薄弱部件進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)火焰溫度改變了材料的強(qiáng)度和剛度,從而使材料性能失效導(dǎo)致危險(xiǎn)情況的發(fā)生。劉云山等[3]提出了一種解決火災(zāi)場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)的方法,通過(guò)在FDS軟件與ABAQUS軟件之間建立接口,將溫度數(shù)據(jù)映射到有限元網(wǎng)格上,完成對(duì)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

以往對(duì)于FPSO上部模塊的火災(zāi)場(chǎng)景分析往往只對(duì)發(fā)生火災(zāi)的甲板層進(jìn)行建模分析,并沒(méi)有考慮整體結(jié)構(gòu)的重力與設(shè)備載荷對(duì)于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。為此,本文對(duì)FPSO的上部油氣處理模塊進(jìn)行整體建模,并研究下方儲(chǔ)氣罐發(fā)生垂直向上的噴射火的情況下模塊的溫度與結(jié)構(gòu)響應(yīng),為FPSO上部模塊的防火設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 計(jì)算模型

1.1 FDS模型

本文使用FDS軟件進(jìn)行火災(zāi)事故下的模塊結(jié)構(gòu)溫度計(jì)算,在不影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性的前提下,使用體積相同的規(guī)則長(zhǎng)方體代替結(jié)構(gòu)的支撐柱進(jìn)行建模。三維模型與泄露位置見(jiàn)圖1。

圖1 模塊三維幾何模型與泄露位置

1.2 有限元模型

本文基于ABAQUS軟件分析平臺(tái)在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。平臺(tái)的承重部分主要為梁柱結(jié)構(gòu),因此在建立有限元模型時(shí)省略了甲板板,對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整個(gè)梁柱結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行了分析[4]。上部模塊的長(zhǎng)×寬×高為38 m×22 m×18 m,且模塊的中縱剖面與中橫剖面對(duì)稱。模塊模型與坐標(biāo)系見(jiàn)圖2。

圖2 油氣處理模塊有限元模型

1.3 材料參數(shù)

本文根據(jù)溫度場(chǎng)的分布和特點(diǎn),選擇鋼材的密度為7 850 kg/m3。鋼材的比熱容隨溫度變化的值見(jiàn)表1,彈性模量隨溫度變化的值見(jiàn)表2。

表1 鋼材的比熱容隨溫度變化的值

表2 彈性模量隨溫度變化的值

2 結(jié)果分析

本文主要研究風(fēng)對(duì)油氣處理模塊發(fā)生火災(zāi)后的受損情況產(chǎn)生的影響。具體方法為:分別選取無(wú)風(fēng)、斜風(fēng)作用下,可燃?xì)怏w從泄露口垂直向上噴出并被立即點(diǎn)燃形成噴射火,研究不同環(huán)境條件下噴射口上方的溫度場(chǎng)分布及結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),探究不同環(huán)境條件對(duì)于油氣處理模塊火災(zāi)事故的影響。

2.1 無(wú)風(fēng)工況

溫度云圖可以直觀反映出火災(zāi)發(fā)生后結(jié)構(gòu)的溫度分布,從而判斷火災(zāi)事故對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響區(qū)域。模塊的甲板XZ剖面溫度云圖見(jiàn)圖3。從圖中可以看出,火焰高溫區(qū)域主要聚集于模塊的第3層甲板與第4層甲板,第2層甲板溫度變化區(qū)域較小,高溫區(qū)域主要分布于火焰噴口上方的框架,且溫度場(chǎng)在甲板上的分布沿火焰噴口的中橫剖面對(duì)稱分布。

圖3 模塊甲板溫度分布云圖(單位:mm)

為準(zhǔn)確反應(yīng)火災(zāi)燃燒過(guò)程對(duì)于FPSO上部油氣處理模塊的影響情況,施加10倍重力在第2、3層甲板上以模擬甲板上設(shè)備的重量[5],圖4為模塊在火災(zāi)作用1 h內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形情況。

圖4 模塊變形云圖(變形放大系數(shù)20)(單位:mm)

從圖中可以看出,模塊垂向位移較大的區(qū)域位于泄漏口正上方第2層甲板處。隨著時(shí)間的增加,垂向位移最大可以達(dá)到2.8 cm。模塊左上方立柱底部發(fā)生了嚴(yán)重的偏移變形,使得頂層甲板左側(cè)前部向上拱起3.8 cm,模塊的其他部位均發(fā)生了不同程度的變形。

為研究模塊結(jié)構(gòu)在無(wú)風(fēng)火災(zāi)下的耐火時(shí)間和承受的極限溫度,選取第2層甲板垂向位移最大節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出溫度-位移曲線及時(shí)間-位移曲線,見(jiàn)圖5。

圖5 模塊垂向位移最大點(diǎn)位移曲線

從圖5(a)中可以看出:在2 400 s前,節(jié)點(diǎn)的垂向移動(dòng)較慢,共向下移動(dòng)了0.008 m;在2 400 s之后,節(jié)點(diǎn)的垂向移動(dòng)速度加快,并在3 600 s時(shí),向下移動(dòng)了0.027 m。從圖5(b)中看出:節(jié)點(diǎn)溫度在0～700 ℃之間時(shí),垂向移動(dòng)較為平緩;在節(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)700 ℃時(shí),節(jié)點(diǎn)的垂向移動(dòng)速度加快,相較于700 ℃之前的移動(dòng)速度有顯著提升。綜上所述,油氣處理模塊在無(wú)風(fēng)火災(zāi)下的耐火時(shí)間為2 400 s,最高承受溫度為700 ℃。

2.2 斜風(fēng)工況

將火焰噴口、火焰參數(shù)與前文保持一致,增加環(huán)境風(fēng)—西北風(fēng),風(fēng)速為6 m/s,模塊的甲板XZ剖面溫度云圖見(jiàn)圖6。從圖中可以看出,火焰的高溫區(qū)域的分布隨風(fēng)向進(jìn)行改變,沿噴射口上方的風(fēng)向方向分布,頂層甲板上沒(méi)有收到火焰的溫度影響,高溫區(qū)域均位于結(jié)構(gòu)外側(cè)。隨著高度的增高,甲板上的火焰溫度降低,第2、第3、第4層甲板的最高溫度分別為1 000、420、170 ℃。

圖6 模塊甲板溫度分布云圖

火災(zāi)持續(xù)作用時(shí)間與施加重力載荷的方式與前文保持一致,斜風(fēng)工況下的結(jié)構(gòu)變形情況見(jiàn)圖7。從圖中可以看出,變形最大的位置在左側(cè)中部立柱處。由于受到風(fēng)的作用,火焰從左側(cè)中部立柱處飄移出模塊,使得立柱處溫度持續(xù)升高,導(dǎo)致此處的結(jié)構(gòu)最薄弱。模塊左側(cè)其他部位也隨著出現(xiàn)不同程度的變形,且第2、第3層甲板的左側(cè)邊緣發(fā)生不同程度的傾斜。甲板上的變形區(qū)域分布于火災(zāi)溫度場(chǎng)在甲板上的分布吻合。

圖7 模塊變形云圖(變形放大系數(shù)20)(單位:mm)

針對(duì)左側(cè)中間立柱處大變形區(qū)域提取其中變形程度最大的節(jié)點(diǎn)分別繪制時(shí)間-位移曲線、位移-溫度曲線來(lái)探究立柱的結(jié)構(gòu)的失效溫度和火災(zāi)情況下的極限耐火時(shí)間,見(jiàn)圖8。

圖8 左側(cè)中間立柱處位移曲線

從垂向位移圖中可以看出:立柱首先在溫度的作用下膨脹導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)向上移動(dòng);隨后由于溫度增高的影響,材料的力學(xué)性能衰減導(dǎo)致此處薄弱區(qū)域受壓向下移動(dòng)。從橫向和縱向的位移圖中可知:在溫度的作用下,節(jié)點(diǎn)沿著平面方向也不同程度的移動(dòng);沿X負(fù)方向移動(dòng)了0.03 m,沿Y負(fù)方向最多移動(dòng)了0.013 m;在時(shí)間為1 800 s左右、溫度為500 ℃附近時(shí),節(jié)點(diǎn)的位移曲線斜率發(fā)生了較大的改變,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)加速移動(dòng),垂向位移改變了上升的趨勢(shì)轉(zhuǎn)而開(kāi)始下降。綜上所述,油氣處理模塊在斜風(fēng)工況下的耐火時(shí)間為1 800 s,最高承受溫度為500 ℃,且斜風(fēng)狀態(tài)下模塊受到火災(zāi)影響的主要為立柱結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于垂直向上的噴射火,當(dāng)風(fēng)向?yàn)檫h(yuǎn)離結(jié)構(gòu)時(shí),風(fēng)會(huì)改變火焰作用在甲板上的區(qū)域,導(dǎo)致甲板上受火溫度分布隨風(fēng)向改變,無(wú)風(fēng)情況下的溫度分布沿火焰噴出口沿中橫剖面對(duì)稱分布。

(2)通過(guò)溫度場(chǎng)分布研究和結(jié)構(gòu)有限元分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)高溫大變形區(qū)域與溫度場(chǎng)的高溫區(qū)域一致,因此結(jié)構(gòu)變形最嚴(yán)重的區(qū)域是火焰直接覆蓋影響的區(qū)域。

(3)通過(guò)對(duì)垂直噴射火下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),模塊的整體變形首先是結(jié)構(gòu)高溫區(qū)域發(fā)生變形,然后帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,因此可以判斷結(jié)構(gòu)高溫區(qū)的耐火時(shí)間與耐火溫度是整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間與耐火溫度。

(4)通過(guò)結(jié)構(gòu)位移變形圖可知,火災(zāi)狀況發(fā)生后,結(jié)構(gòu)變形突然加快的時(shí)間為1 800～2 400 s,因此人員疏散與設(shè)備撤離需要在0.5 h內(nèi)完成,避免結(jié)構(gòu)變形過(guò)大導(dǎo)致失效造成嚴(yán)重后果。