FPSO上部模塊火災場景結構響應分析

劉玉亮,谷家揚,李 榮,萬家平,蔡 靈

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司,天津 300452;2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院,江蘇 鎮江 212000;3.南通中遠海運船務工程有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引言

FPSO的上部油氣處理模塊在進行天然氣加工和壓縮過程時,容易發生泄漏事故。當泄露的高壓天然氣遇到明火時,就會發生嚴重的噴射火災事故。由于FPSO的上部模塊布置在甲板上,處于一個四周通風的環境,因此上部模塊一旦發生噴射火災事故,很容易受到環境風的影響,導致火焰的溫度分布發生改變,嚴重威脅人員和設備的安全。為此,研究FPSO在噴射火場景下的溫度分布與結構響應可以預防和減輕火災事故造成的危害。

PALACIOS等[1]通過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,發現在垂直噴射火的情況下,可燃氣體可以與空氣充分融合,致使更危險的情況發生。DOENGAN[2]分析了海洋平臺在火災下的結構響應并對相關薄弱部件進行了試驗測試,發現火焰溫度改變了材料的強度和剛度,從而使材料性能失效導致危險情況的發生。劉云山等[3]提出了一種解決火災場景下結構動態熱響應的方法,通過在FDS軟件與ABAQUS軟件之間建立接口,將溫度數據映射到有限元網格上,完成對結構在火災場景下的動態響應分析。

以往對于FPSO上部模塊的火災場景分析往往只對發生火災的甲板層進行建模分析,并沒有考慮整體結構的重力與設備載荷對于結構響應的影響。為此,本文對FPSO的上部油氣處理模塊進行整體建模,并研究下方儲氣罐發生垂直向上的噴射火的情況下模塊的溫度與結構響應,為FPSO上部模塊的防火設計提供借鑒。

1 計算模型

1.1 FDS模型

本文使用FDS軟件進行火災事故下的模塊結構溫度計算,在不影響仿真結果的準確性的前提下,使用體積相同的規則長方體代替結構的支撐柱進行建模。三維模型與泄露位置見圖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軟件分析平臺在不同工況下的結構響應。平臺的承重部分主要為梁柱結構,因此在建立有限元模型時省略了甲板板,對平臺結構的整個梁柱結構框架進行了分析[4]。上部模塊的長×寬×高為38 m×22 m×18 m,且模塊的中縱剖面與中橫剖面對稱。模塊模型與坐標系見圖2。

圖2 油氣處理模塊有限元模型

1.3 材料參數

本文根據溫度場的分布和特點,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表1,彈性模量隨溫度變化的值見表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 結果分析

本文主要研究風對油氣處理模塊發生火災后的受損情況產生的影響。具體方法為:分別選取無風、斜風作用下,可燃氣體從泄露口垂直向上噴出并被立即點燃形成噴射火,研究不同環境條件下噴射口上方的溫度場分布及結構的動態響應,探究不同環境條件對于油氣處理模塊火災事故的影響。

2.1 無風工況

溫度云圖可以直觀反映出火災發生后結構的溫度分布,從而判斷火災事故對于結構的影響區域。模塊的甲板XZ剖面溫度云圖見圖3。從圖中可以看出,火焰高溫區域主要聚集于模塊的第3層甲板與第4層甲板,第2層甲板溫度變化區域較小,高溫區域主要分布于火焰噴口上方的框架,且溫度場在甲板上的分布沿火焰噴口的中橫剖面對稱分布。

圖3 模塊甲板溫度分布云圖(單位:mm)

為準確反應火災燃燒過程對于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備的重量[5],圖4為模塊在火災作用1 h內的結構變形情況。

圖4 模塊變形云圖(變形放大系數20)(單位:mm)

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

為研究模塊結構在無風火災下的耐火時間和承受的極限溫度,選取第2層甲板垂向位移最大節點導出溫度-位移曲線及時間-位移曲線,見圖5。

圖5 模塊垂向位移最大點位移曲線

從圖5(a)中可以看出:在2 400 s前,節點的垂向移動較慢,共向下移動了0.008 m;在2 400 s之后,節點的垂向移動速度加快,并在3 600 s時,向下移動了0.027 m。從圖5(b)中看出:節點溫度在0～700 ℃之間時,垂向移動較為平緩;在節點溫度超過700 ℃時,節點的垂向移動速度加快,相較于700 ℃之前的移動速度有顯著提升。綜上所述,油氣處理模塊在無風火災下的耐火時間為2 400 s,最高承受溫度為700 ℃。

2.2 斜風工況

將火焰噴口、火焰參數與前文保持一致,增加環境風—西北風,風速為6 m/s,模塊的甲板XZ剖面溫度云圖見圖6。從圖中可以看出,火焰的高溫區域的分布隨風向進行改變,沿噴射口上方的風向方向分布,頂層甲板上沒有收到火焰的溫度影響,高溫區域均位于結構外側。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

火災持續作用時間與施加重力載荷的方式與前文保持一致,斜風工況下的結構變形情況見圖7。從圖中可以看出,變形最大的位置在左側中部立柱處。由于受到風的作用,火焰從左側中部立柱處飄移出模塊,使得立柱處溫度持續升高,導致此處的結構最薄弱。模塊左側其他部位也隨著出現不同程度的變形,且第2、第3層甲板的左側邊緣發生不同程度的傾斜。甲板上的變形區域分布于火災溫度場在甲板上的分布吻合。

圖7 模塊變形云圖(變形放大系數20)(單位:mm)

針對左側中間立柱處大變形區域提取其中變形程度最大的節點分別繪制時間-位移曲線、位移-溫度曲線來探究立柱的結構的失效溫度和火災情況下的極限耐火時間,見圖8。

圖8 左側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致節點向上移動;隨后由于溫度增高的影響,材料的力學性能衰減導致此處薄弱區域受壓向下移動。從橫向和縱向的位移圖中可知:在溫度的作用下,節點沿著平面方向也不同程度的移動;沿X負方向移動了0.03 m,沿Y負方向最多移動了0.013 m;在時間為1 800 s左右、溫度為500 ℃附近時,節點的位移曲線斜率發生了較大的改變,導致節點加速移動,垂向位移改變了上升的趨勢轉而開始下降。綜上所述,油氣處理模塊在斜風工況下的耐火時間為1 800 s,最高承受溫度為500 ℃,且斜風狀態下模塊受到火災影響的主要為立柱結構。

3 結論

(1)對于垂直向上的噴射火,當風向為遠離結構時,風會改變火焰作用在甲板上的區域,導致甲板上受火溫度分布隨風向改變,無風情況下的溫度分布沿火焰噴出口沿中橫剖面對稱分布。

(2)通過溫度場分布研究和結構有限元分析發現,結構高溫大變形區域與溫度場的高溫區域一致,因此結構變形最嚴重的區域是火焰直接覆蓋影響的區域。

(3)通過對垂直噴射火下的結構響應分析發現,模塊的整體變形首先是結構高溫區域發生變形,然后帶動整個結構發生變形,因此可以判斷結構高溫區的耐火時間與耐火溫度是整個結構的耐火時間與耐火溫度。

(4)通過結構位移變形圖可知,火災狀況發生后,結構變形突然加快的時間為1 800～2 400 s,因此人員疏散與設備撤離需要在0.5 h內完成,避免結構變形過大導致失效造成嚴重后果。