基于不同爆炸風險水平的FPSO生活樓抗爆結構設計

張延昌 陳 剛 湯雅敏 劉 昆

（1.上海外高橋造船有限公司 上海 200137；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；3. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮江212003）

0 引 言

海洋工程領域的風險分析研究始于20世紀70年代后期。1988年，北海Pipe Alpha平臺的爆炸事故使英國認識到定量風險分析（quantitative risk analysis, QRA）的必要性和重要性，于是逐漸增大投入，資助離岸結構物的風險評估研究和應用。1992年以后，英國所有離岸油氣裝置的設計和現有離岸結構物的再評估均引入了風險評估的方法[1-2]。國際標準化組織和美國石油協會等機構先后建立了海洋工程風險分析相關規范[3-4]。目前，船舶與海洋工程領域的風險評估研究方興未艾，各種分析方法逐步得到應用。

海洋工程前期設計階段均需開展風險評估，該項工作多由國外公司開展，相比之下，國內船舶與海洋工程領域風險評估和決策的研究與應用還比較滯后。2003年，張圣坤等[5]編著出版《船舶與海洋工程風險評估》，該書從風險評估方法、定量風險分析、風險評估應用等方面系統全面地進行了闡述，是國內首本關于船舶與海洋工程領域風險評估的書籍，掀起了國內風險分析研究的熱潮；陳剛翻譯出版了《Risk-Based Ship Design-Methods, Tools and Applications》和《Offshore Risk Assessment-Principle，Modeling and Applications of QRA Studies》[6-7]等國外風險評估研究著作，這對引進風險評估先進的設計理念、提升我國海洋工程研究設計水平起到了重要作用。

降低爆炸風險通常從降低事故發生概率和減輕事故后果這兩方面采取措施，并且降低事故發生概率要優先于減輕事故后果。但降低概率可能難以得到證實，而減輕事故后果則更容易被證實，其可通過：優化設備布置、控制設備大小、控制點火源位置、提高通風效果來預防高速湍流，防止高堵塞；安裝消防爆炸屏障，提高結構設備的抗爆能力，提高結構抗爆設計作為減輕爆炸后果最可靠的方式等來實現，故目前廣泛應用于海洋平臺結構設計。設計階段需要對主要風險采用較為詳細的量化風險評估技術，確定風險水平、提出控制措施，把爆炸風險控制在合理范圍。

本文梳理了風險分析相關的技術法規、規范，總結了爆炸風險評估流程、結構抗爆性能評估技術；利用結構有限元分析軟件，對FPSO生活樓分別開展了篩選分析、強度水平分析和塑性水平分析；基于功能性、作業、生命安全這3個性能水平，開展不同風險水平的結構抗爆性能設計，指導生活樓抗爆結構設計，提高結構安全性，降低爆炸事故風險。

1 基于爆炸風險的結構設計技術

1.1 規范分析

美國石油協會、英國石油天然氣協會、挪威石油協會、美國船級社、挪威船級社、法國船級社等均有基于油氣爆炸風險的結構設計的規定。例如：

美國石油協會在其規范[3]中給出了在海工結構設計中考慮火災和爆炸的評估流程，包括篩選分析、名義載荷、具體事件分析這3個層次，基于風險分析的結構響應分析流程，以評估結構或其構件是否滿足特定的性能衡準等。

美國船級社規范[8]給出了事故載荷的設計原則，分析評估事故載荷的目的是為了得到初始損傷的范圍、避免事故惡化加劇以保護人員生命、環境、資產安全。事故載荷評估過程是按油氣工業標準風險評估流程進行，并將傳統的危險識別方法和結構評估方法相結合?；陲L險的事故載荷分析流程主要包括事故載荷風險評估計劃、初步事故風險評估、詳細事故風險評估這3步。爆炸事故評估可以根據事故發生概率及重要程度分為2類：強度水平爆炸（strength-level blast, SLB）、塑性水平爆炸（ductility-level blast, DLB）和對應的篩選分析法、強度水平分析法、塑性水平分析法這3種分析方法及其對應的設計衡準、結構抗爆性能評估流程等。

挪威船級社的規范[9-11]是建立在極限狀態設計理念基礎之上的，其中事故極限狀態（accidental limit states, ALS）包括碰撞、爆炸、墜物、火災等事故場景。挪威船級社海工規范逐步形成了較為完善、系統的規范體系，基于極限狀態的設計中事故載荷的選取是按照給定需要滿足的安全水平來確定。文獻[9]給出了安全設計原則、設計事故載荷（design accident load, DAL）、區域布置、危險區域劃分、緊急關斷原則及需求、逃生和通信等方面的規定；文獻[10]給出了考慮海工平臺類型、布置、區域大小、通風等情況的爆炸載荷曲線，以及分析方法和基于載荷抗力系數法的設計衡準等。

法國船級社在其NR445規則[12]中，對于爆炸事故，從關注區域結構、爆炸沖擊載荷、分析方法、設計衡準等方面進行闡述，并給出相對明確的規定。

1.2 爆炸風險評估流程

美國石油協會（American Petroleum Institute,API）給出了火災、爆炸風險評估流程，其流程分為篩選分析、名義載荷分析、具體事件分析3個層次，如圖1所示[3]。

圖1 爆炸風險評估流程

（1）篩選分析是基于風險簡化的第1層次分析，主要針對無人固定平臺結構為較低風險的設施，無需特別考慮火災和爆炸載荷以確保平臺良好運行，因此不需要詳細的結構評估。對于低風險的平臺，定性的風險分析可以得到比較近似的結果。

（2）名義載荷評估（與強度水平法相對應）采用名義載荷工況的形式對平臺性能進行評估，名義載荷以靜態荷載作用于結構，分析結構的響應，進而評估平臺是否滿足相應的性能衡準。名義載荷多用于項目早期階段，既適用于概念設計階段的可選方案評估工作，也可用于后期方案修改階段。

（3）具體事件分析是針對非風險和名義載荷不適用的海洋平臺，評估中需要開展風險識別以確定火災、爆炸可行事件及其風險水平。對于每個可行事件及其風險，按照圖1所示流程采取風險緩解控制措施及結構設計進行評估。

1.3 基于爆炸風險的結構抗爆性能評估流程

理論上，基于爆炸風險的結構設計是將結構抗爆性能評估和結構設計融入風險評估的整個流程，但需要考慮到以下因素：

（1）風險控制措施選取原則是降低事故發生概率要優先于減輕事故后果，先從減小爆炸發生可能性或降低事故后果方面采取控制措施，在設計后期或其他措施均無效的情況下，再采用提高設備和結構的抵抗力等方式來降低風險。

（2）在爆炸載荷作用下，結構的動態響應涉及動態、材料非線性、大變形等復雜的力學問題，對每個可行性事件進行動態響應計算，計算工作量巨大。

（3）結構設計除了要滿足事故載荷下結構的性能衡準，同時要滿足規范的相關要求。

實際工程中，基于爆炸風險的結構抗爆性能評估借鑒風險評估流程，分為篩選法分析、強度水平分析、塑性水平分析這3個過程，分析流程如圖2所示。其中：篩選分析法用于偏保守設計，并篩選后續評估的結構對象；強度水平分析是以規范校核為基礎的線彈性分析，為偏保守的設計；如果強度水平分析中結構不滿足性能衡準，則需要進行塑性水平分析；若塑性水平分析得到的結構不滿足性能衡準，則需要采取結構修改和爆炸緩解措施。

圖2 結構爆炸響應評估流程

篩選分析法是最基本的設計基礎校核，用于確定設施的設計基礎和設計方法在爆炸事件中的適用性。該方法將爆炸超壓作為靜態設計載荷，對結構進行靜態線彈性響應分析，以結構材料真實屈服應力（包括應變率影響的屈服應力增加）的利用系數達到1.0作為極限狀態。 該方法一般情況下可得到較為保守的分析結果，但對于結構固有頻率與爆炸載荷周期相近的結構，結果可能會偏于危險。該方法可用于識別后續重點分析對象。

強度水平分析法是對等效靜態載荷下的結構線彈性分析。由動態放大系數用于表征過壓峰值載荷，爆炸等效靜態載荷是由強度水平設計下的過壓峰值壓力乘以動態放大系數確定?？紤]到構件塑性、應變率和應變硬化影響，受拉構件中主要構件的可接受利用系數是2.5，彎曲構件的可接受利用系數是2.0。彎曲或壓縮狀態時，結構均不發生屈曲；同時，結構的變形應不影響逃生通道的可用性，且不會引起附近設備、管道、儀器失效，而導致事故的升級。

塑性水平分析法考慮了結構大變形、載荷重新分布、材料非線性、應變硬化、結構動態響應等問題，能夠準確地評估結構的性能，是最精確的爆炸分析方法。塑性水平分析主要適用于類似規范校核的強度極限校核（考慮設計載荷超過設計強度后結構失效的極限狀態）、變形極限校核、結構失效校核、屈曲校核，因此相應的接受衡準需要采用變形極限、應變極限、屈曲、連接強度極限等，最終分析的目標是確保結構在爆炸載荷下不會導致災難性崩潰或環境風險增加的局部失效，也不會危及人員安全與健康。

2 基于風險的目標生活樓結構設計

2.1 設計爆炸超壓

通過油氣處理工藝模塊的危險分析，確定用于結構抗爆性能評估的爆炸場景，設計爆炸超壓載荷可通過歷史統計數據分析、規范推薦值、爆炸載荷概率評估方法得到。參考文獻[3]，對于FPSO生活樓結構的設計爆炸超壓建議選取0.05 MPa，作用時間為0.344 s。FPSO生活樓位于船舶尾部，工藝模塊油氣泄漏引起的油氣爆炸從船首方向傳來，爆炸載荷直接作用于生活樓前端FR45圍壁。

2.2 篩選分析

將0.05 MPa載荷視為靜態壓力，均勻分布施加在生活樓FR45圍壁上，利用線彈性有限元分析計算得到結構的應力，通過許用應力衡準（應力小于材料屈服應力，船用低碳鋼的屈服應力為235 MPa）評估結構安全性。

利用結構有限元軟件Nastran計算得到結構的最大應力如圖3所示，結構應力如下頁表1所示。

表1 篩選分析、強度水平分析計算結果

圖3 結構靜態響應計算-篩選分析

從圖3可以看出，高應力主要出現在迎爆面FR45圍壁，尤其是2甲板與3甲板間的圍壁結構的應力與變形較大（最大應力分別為343.9 MPa和351.4 MPa），大于船用低碳鋼屈服應力（235 MPa），不滿足篩選分析性能衡準。除此以外的結構應力均小于235 MPa，滿足篩選分析衡準。因此需要對該生活樓結構進行強度水平分析，關注重點2甲板與3甲板間的FR45圍壁結構。

2.3 強度水平分析

計算分析得到生活樓結構的一階固有周期為0.22 s，根據結構沖擊響應譜得到動態放大系數為1.3[4]。在強度分析中，將0.05 MPa乘以動態放大系數1.3后視為靜態壓力（0.065 MPa），均勻分布施加在生活樓FR45圍壁上，利用線彈性有限元分析計算得到結構應力，以材料強度極限（船用低碳鋼強度極限375 MPa）衡準進行強度校核。

表1和圖4為強度水平分析結構的應力及變形?？梢钥闯觯?甲板與3甲板間的FR45圍壁結構最大應力分別為426.2 MPa和417.4 MPa（均大于375 MPa），不滿足強度水平分析衡準；同樣最大變形、最大應力發生在2甲板與3甲板間的FR45圍壁，其余結構滿足強度水平衡準。因此，需要對該區域結構進一步開展塑性水平分析，以評估其是否滿足抗爆性能要求。

圖4 結構靜態響應計算-強度水平分析

2.4 塑性水平設計

利用非線性有限元軟件建立生活樓有限元模型，將爆炸載荷簡化為三角形脈沖載荷時序曲線，峰值超壓為0.05 MPa，作用時間為0.344 s，均勻分布施加在生活樓FR45圍壁上。結構性能評估衡準為：應力小于強度極限、塑性變形小于臨界值、不發生斷裂失效（塑性應變小于斷裂臨界應變）?？紤]網格與構件板厚之間的關系，由文獻[11]失效準則分析確定本結構塑性失效應變為0.17。計算得到的最大應力、應變、位移云圖如下頁圖5所示。

圖5 生活樓結構動態響應云圖

從圖中可以看出：

（1）結構的最大應力為293.4 MPa，小于材料的強度極限（375 MPa）；最大應變為0.023，小于塑性失效應變（0.170）；No.01 ～ 19區域最大變形為36.1 mm，No.20 ～ 27區域最大變形為54.5 mm，分別小于變形臨界值150 mm、600 mm，滿足塑性設計結構性能評估衡準；

（2）分析發現結構應力和變形較大的區域主要集中在FR45圍壁No.20 ～ 27區域和2甲板、3甲板間區域，該區域是提高結構抗爆性能的關鍵。

通過篩選分析可以確定2甲板與3甲板之間的FR45圍壁結構不滿足篩選分析性能衡準；然后對生活樓結構進行強度水平分析，發現該區域也不滿足強度水平衡準；進而對生活樓進行了塑性水平分析，該區域滿足塑性水平分析衡準，因此該結構滿足0.05 MPa爆炸超壓載荷下的抗爆性能衡準。

3 不同風險水平的抗爆結構設計

3.1 基于性能的爆炸風險水平

文獻[13]針對海洋工程抗爆結構設計提出了基于性能的設計（performance based design，PBD），以及基于性能設計的多層次性能設計水平?；谛阅艿脑O計目標主要集中在生命和環境安全方面，但操作者或業主將平臺在極端爆炸事故下應具備的性能作為目標，并且為了客觀評估規范要求與滿足業主需求、量化設計工作量，提出了多層次的性能水平，包括：功能性水平、作業水平、生命安全水平、平臺失效水平。4種性能水平對應不同的發生概率、性能要求、評估衡準，具體如表2所示，根據多層次的性能水平評估結構系統的性能，再將分析結果轉化成實現工程設計目標和業主需求的可行性結論。

表2 多層次的性能設計水平

根據表2評估衡準并結合本文研究對象，船用低碳鋼的極限應力為375 ～ 500 MPa，其極限應力選取375 MPa；根據材料、有限元網格尺寸，按照文獻[11]和[14]的失效準則分析方法確定失效應變為0.17；生活樓內布置中央控制室、監控室等關鍵艙室，結構不可發生塑性失效，結構塑性變形不能影響設備設施的正常使用，其塑性變形極限為船體板變形不超過加強筋腹板尺寸，即最大塑性變形量小于150 mm；對于舷側No.20 ～ 29區域的圍壁結構，塑性變形不影響救生艇的正常使用，即最大塑性變形量小于600 mm。

3.2 不同風險等級抗爆結構設計方案

平臺失效水平主要指海洋平臺整體完整性喪失、結構損傷嚴重，并可能導致人員傷亡。這種水平下開展結構抗爆設計可以提高結構極限承載能力，但對于生活樓結構來說，要求生活樓結構具備抵抗平臺失效水平下的爆炸載荷既沒有必要也沒有意義。因此，針對生活樓結構主要開展功能性水平、作業水平、生命安全水平這3個風險等級的抗爆結構設計研究。

前期通過對目標生活樓抗爆性能分析[15-18]，發現生活樓FR45圍壁No.20 ～ 29區域和2甲板、3甲板間區域比較薄弱，是抗爆結構設計的重點關注對象。本部分在不改變生活樓主要結構型式的基礎上，對FR45圍壁薄弱區域（No.20 ～ 29和2甲板、3甲板區域）進行設計，形成具體2種設計方案：

（1）方案1：生活樓結構原設計方案。

（2）方案2：在方案1的基礎上，（a）在3甲板增設工字梁500 mm×12 mm/400 mm×16 mm；（b）FR45圍壁No.27垂直加強筋由角鋼調整成T形材600 mm×12 mm/200 mm×14 mm；（c）2甲板、3甲板圓弧至舷側的T形構件面板由200 mm×12 mm改為300 mm×14 mm；其余結構不變，與方案1相比，結構質量增加了1.88 t。

（3）方案3：在方案2的基礎上，（a）將FR45前端壁2甲板與3甲板間、No.0 ～ 27區域的板厚調整為12 mm，（b）1甲板至3甲板間的骨材由L200 mm×90 mm×9 mm×14 mm、L125 mm×75 mm×10 mm都調整成L140 mm×90 mm×10 mm；（c）3甲板至5甲板間前端壁板厚由8 mm增加到9 mm，比設計方案1的結構質量增加4.18 t。

3.3 結構抗爆性能評估

以非線性有限元軟件建立3種結構方案的結構有限元模型，分別計算0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa爆炸載荷下的結構動態響應。下頁圖6為設計方案3的最大應力、應變、位移云圖，各方案校核結果匯總于下頁表3。

表3 生活樓結構計算校核結果

圖6 生活樓結構動態響應-設計方案3

（1） 研究形成了滿足3個風險等級的結構設計方案。方案1可以滿足功能性水平（0.05 MPa）要求，在作業水平載荷工況下（0.10 MPa）結構塑性變形較大，不滿足作業水平要求；方案2可以滿足功能性水平（0.05 MPa）、作業水平（0.10 MPa）要求；方案3滿足功能性水平（0.05 MPa）、作業水平（0.10 MPa）、生命安全水平（0.15 MPa）的要求。

（2）FPSO生活樓結構設計（尤其是靠近上部模塊的端壁結構設計），除了參考規范常規設計載荷進行結構設計外，還需考慮油氣爆炸載荷的影響。要注意上層甲板間壁板要適當增厚，避免影響到懸臂板架、垂直加強筋與板厚之間的剛度合理匹配等問題，以提高結構的抗爆能力。

（3）方案2比原結構的質量增加1.88 t，方案3比原結構質量增加4.18 t，相對于生活樓結構質量1 180 t，方案2、3的質量增加非常有限?？梢?，通過抗爆優化設計，可在結構質量增加較少的前提下，令結構的抗爆性能等級提高1個量級。因此，通過開展優化設計可充分發揮結構的性能，顯著提高結構的利用率。

4 結 語

（1）本文梳理了海洋工程風險分析規范，重點介紹了美國石油協會規范中的爆炸風險評估流程，對其中的篩選分析、名義載荷分析、具體事件分析和結構抗爆性能評估流程進行了詳細分析，形成基于爆炸風險的結構設計技術，并應用于FPSO生活樓結構抗爆設計。

（2）利用有限元軟件對FPSO生活樓結構進行了篩選分析、強度水平分析、塑性水平分析，從篩選分析及強度水平分析結果中可以看出FR45圍壁的結構應力和變形不滿足相應的強度衡準。通過塑性水平分析發現生活樓結構滿足塑性水平性能衡準，說明生活樓結構滿足抗爆性能要求，完成了基于爆炸風險的生活樓結構設計全流程的評估。

（3）以功能性水平、作業水平、生命安全水平等作為生活樓結構抗爆設計的設計水平，在原設計方案基礎上，參考塑性水平分析的計算結果進行結構優化設計，形成滿足3個風險等級的抗爆結構設計方案。方案2與方案3僅比原結構的質量增加1.88 t和4.18 t，但結構的抗爆性能卻均提高1個量級，由此證明抗爆結構優化設計可顯著提升結構的利用效率和抗爆能力。