张延昌陈刚汤雅敏刘昆3
[1.上海外高桥造船有限公司上海200137：2.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011； 3.江苏科技大学船舶与海洋工程学院镇江212003）
摘要：油气爆炸是海洋平台主要风险之一，基于爆炸风险的结构设计是设计技术发展趋势.该文梳理风险分析相关的技senpr and aloadigumilFPSO）海洋平台生活楼为依托对象，利用结构有限元分析软件，分别开展了筛选分析，强度水平 术法规、规范.总结了爆炸风险评估流程、结构抗爆性能评估方法及流程：以某浮式生产储卸油装置（floating prodactiamn分析和塑性水平分析，完成基于爆炸风险的生活楼结构性能评估；基于功能性、作业、生命安全这3个性能水平，开展不同爆炸风险水平的结构设计，得到满足各性能水平衡准的设计方案.
关键词：浮式生产储卸油装置：生活楼结构：爆炸风险设计：性能设计水平：抗爆性能 中图分类号：P751：U663 文献标志码 ： ADOI ; 10.19423/j.cnki.311561/s.2023.05.057
BlastResistantStructural DesignofAcmodationforFPsO BasedonDifferentExplosionRiskLevels
ZHANGYanchang'CHEN Gang'TANG Yamin²LIU Kun
Research Institute of China Shanghai 200011 China; 3.School of Naval Architecture and Ocean (1. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. Ltd. Shanghai 200137 China:; 2. Marine Design &Engineering. Jiangsu University of Science and Technology Zhenjiang 212003 China)
Abstract: Oil and gas explosion is one of the main risks of offshore platforms. Structural design based oncxplosion risks is the development trend of the design technology. The technical regulations and specifications related to risk analysis are reviewed to summarize the procedures for the assessment of the blast risk and themethod and procedures for the assessment of the blast-resistant performance of the structure. The screeninganalysis strength level analysis plasticity level analysis and performance assessment are carried out to plete the risk-based assessment of the structural performance design for the acmodation of a FPSO offshoreplatform by using the structural finite element analysis soffware. The structural designs under different blast risklevels are performed based on three performance levels of function operation and life safety designing out ascheme that meets the criteria of each performance level.
Keywords: floating production storage and ofloading unit(FPSO); acmodation structure; blast risk baseddesign; performance design level; blast resistance
计阶段需要对主要风险采用较为详细的量化风险评估技术，确定风险水平、提出控制措施，把爆炸风险控制在合理范围.
0引言
海洋工程领域的风险分析研究始于20世纪70年代后期.1988年，北海PipeAlpha平台的爆炸事故使英国认识到定量风险分析（quantitative riskanalysis QRA）的必要性和重要性，于是逐渐增大投人，资助离岸结构物的风险评估研究和应用.1992年以后，英国离岸油气装置的设计和现有 离岸结构物的再评估均引人了风险评估的方法.国际标准化组织和美国石油协会等机构先后建立了海洋工程风险分析相关规范.目前，船舶与海洋工程领域的风险评估研究方兴未艾，各种分析方法逐步得到应用.
本文梳理了风险分析相关的技术法规、规范，总结了爆炸风险评估流程、结构抗爆性能评估技术；利用结构有限元分析软件，对FPS0生活楼分别开展了筛选分析、强度水平分析和塑性水平分析；基于功能性、作业、生命安全这3个性能水平，开展 不同风险水平的结构抗爆性能设计，指导生活楼抗爆结构设计，提高结构安全性，降低爆炸事故风险.
1基于爆炸风险的结构设计技术
1.1规范分析
海洋工程前期设计阶段均需开展风险评估，该项工作多由国外公司开展，相比之下，国内船舶与海洋工程领域风险评估和决策的研究与应用还比较滞后.2003年，张圣坤等编著出版《船舶与海险分析、风险评估应用等方面系统全面地进行了阐 洋工程风险评估》该书从风险评估方法、定量风述，是国内首本关于船舶与海洋工程领域风险评估的书籍，撤起了国内风险分析研究的热潮：陈刚翻译出版 了《RiskBased Ship DesignMethods Tools andApplications 和I { Offshore Risk AssessmentPrinciple Moxdeling and Applications of QRA Studies3 b-71 等 [国外风险评估研究著作，这对引进风险评估先进的设计理念、提升我国海洋工程研究设计水平起到了重要作用.
美国石油协会、英国石油天然气协会、挪威石油协会、美国船级社、挪威船级社、法国船级社等均有基于油气爆炸风险的结构设计的规定.例如：
美国石油协会在其规范”中给出了在海工结构设计中考虑火灾和爆炸的评估流程，包括筛选分析、名义载荷、具体事件分析这3个层次，基于风 险分析的结构响应分析流程，以评估结构或其构件是否满足特定的性能衡准等.
美国船级社规范给出了事故载荷的设计原则，分析评估事故载荷的目的是为了得到初始损伤的范围、避免事故恶化加剧以保护人员生命、环境、资产安全.事故载荷评估过程是按油气工业标准风险评估流程进行，并将传统的危险识别方法和结构评估方法相结合.基于风险的事故载荷分析流评估、详细事故风险评估这3步.爆炸事故评估可 程主要包括事故载荷风险评估计划、初步事故风险以根据事故发生概率及重要程度分为2类：强度水平爆炸（strengthlevel blast SLB）、塑性水平爆炸位置、提高通风效果来预防高速淄流，防止高堵塞；（ductiiy-level blaad DLB）和对应的筛选分析法、强度水平分析法、塑性水平分析法这3种分析方法及其对应的设计衡准、结构抗爆性能评估流程等.
轻事故后果这两方面采取措施，并且降低事故发生 降低爆炸风险通常从降低事故发生概率和减概率要优先于减轻事故后果.但降低概率可能难以得到证实，而减轻事故后果则更容易被证实，其可通过：优化设备布置、控制设备大小、控制点火源安装消防爆炸屏障，提高结构设备的抗爆能力，提高结构抗爆设计作为减轻爆炸后果最可靠的方式等来实现，故目前广泛应用于海洋平台结构设计.设
挪威船级社的规范是建立在极限状态设
计理念基础之上的，其中事故极限状态（accidentallinit stales AIS）包括碰撞、爆炸、坠物、火灾等事故场景.挪威船级社海工规范逐步形成了较为完善、系统的规范体系.基于极限状态的设计中事故载荷的选取是按照给定需要满足的安全水平来确定.文献[9]给出了安全设计原则、设计事故载荷（design accident load DAL）、区域布置、危险区域规定：文献[10]给出了考虑海工平台类型，布置、 划分、紧急关断原则及需求、逃生和通信等方面的区域大小、通风等情况的爆炸载荷曲线，以及分析
方法和基于载荷抗力系数法的设计衡准等.
法国船级社在其NR445规则I2中，对于爆炸事故，从关注区域结构、爆炸冲击载荷、分析方法、设计衡准等方面进行闸述，并给出相对明确的规定.
1.2爆炸风险评估流程
美国石油协会（American Petroleum Institute API）给出了火灾、爆炸风险评估流程，其流程分 为筛选分析、名义载荷分析、具体事件分析3个层次，如图1所示叫
图1爆炸风险评估流程
（1）筛选分析是基于风险简化的第1层次分析，主要针对无人固定平台结构为较低风险的设施，无需特别考虑火灾和爆炸载荷以确保平台良好运行，因此不需要详细的结构评估.对于低风险的平台，定性的风险分析可以得到比较近似的结果.
但需要考虑到以下因素：
（1）风险控制措施选取原则是降低事故发生概率要优先于减轻事故后果，先从减小爆炸发生可能性或降低事故后果方面采取控制措施，在设计后期或其他措施均无效的情况下，再采用提高设备和结构的抵抗力等方式来降低风险.
（2）在爆炸载荷作用下，结构的动态响应涉及动态、材料非线性、大变形等复杂的力学问题，对每个可行性事件进行动态响应计算，计算工作量巨大.
（2）名义载荷评估（与强度水平法相对应）采用名义载荷工况的形式对平台性能进行评估，名义载荷以静态荷载作用于结构，分析结构的响应，进而评估平台是否满足相应的性能衡准.名义载荷多用于项目早期阶段，既适用于概念设计阶段的可选方案评估工作，也可用于后期方案修改阶段.
（3）结构设计除了要满足事故载荷下结构的性能衡准，同时要满足规范的相关要求.
适用的海洋平台，评估中需要开展风险识别以确定 （3）具体事件分析是针对非风险和名义载荷不火灾、爆炸可行事件及其风险水平.对于每个可行事件及其风险，按照图1所示流程采取风险缓解控制措施及结构设计进行评估.
估借鉴风险评估流程，分为筛选法分析、强度水平 实际工程中、基于爆炸风险的结构抗爆性能评分析、塑性水平分析这3个过程，分析流程如图2所示.其中：筛选分析法用于偏保守设计，并筛选后续评估的结构对象：强度水平分析是以规范校核为基础的线弹性分析，为偏保守的设计：如果强度水平分析中结构不满足性能衡准，则需要进行塑性 水平分析：若塑性水平分析得到的结构不满足性能衡准，则需要采取结构修改和爆炸缓解措施.
1.3基于爆炸风险的结构抗爆性能评估流程
理论上，基于爆炸风险的结构设计是将结构抗爆性能评估和结构设计融入风险评估的整个流程，
图2结构爆炸响应评估流程
筛选分析法是最基本的设计基础校核，用于确定设施的设计基础和设计方法在爆炸事件中的适用性.该方法将爆炸超压作为静态设计载荷，对结构进行静态线弹性响应分析，以结构材料真实屈服应力（包括应变率影响的屈服应力增加）的利用系数较为保守的分析结果，但对于结构固有频率与爆炸 达到1.0作为极限状态.该方法一般情况下可得到载荷周期相近的结构，结果可能会偏于危险.该方法可用于识别后续重点分析对象.
强度水平分析法是对等效静态载荷下的结构线弹性分析.由动态放大系数用于表征过压峰值载荷，爆炸等效静态载荷是由强度水平设计下的件塑性、应变率和应变硬化影响，受拉构件中主 过压峰值压力乘以动态放大系数确定.考虑到构要构件的可接受利用系数是2.5，弯曲构件的可接受利用系数是2.0.弯曲或压缩状态时，结构均不发生屈曲；同时，结构的变形应不影响逃生通道的可用性，且不会引起附近设备、管道、仅器失效，而导致事故的升级.
塑性水平分析法考虑了结构大变形、载荷重新分布、材料非线性、应变硬化、结构动态响应等间题，能够准确地评估结构的性能，是最精确的爆炸分析方法.塑性水平分析主要适用于类似规范校核的强度极限校核（考虑设计载荷超过设计强度后结构失效的极限状态）变形极限校核、结构失效校核、屈曲校核，因此相应的接受衡准需要采用变形极限、
（a）应力云图
2.1设计爆炸超压
2.2筛选分析
应变极限、屈曲、连接强度极限等，最终分析的目标是确保结构在爆炸载荷下不会导致灾难性崩溃或环境风险增加的局部失效，也不会危及人员安全与健康.
2基于风险的目标生活楼结构设计
通过油气处理工艺模块的危险分析，确定用于结构抗爆性能评估的爆炸场景，设计爆炸超压载荷 可通过历史统计数据分析、规范推荐值、爆炸载荷概率评估方法得到.参考文献[3]，对于FPSO生活楼结构的设计爆炸超压建议选取0.05MPa，作用时间为0.344s.FPSO生活楼位于船舶尾部，工艺模块油气泄漏引起的油气爆炸从船首方向传来，爆炸载荷直接作用于生活楼前端FR45围壁.
将0.05MPa载荷视为静态压力，均匀分布施加在生活楼FR45围壁上，利用线弹性有限元分析计算得到结构的应力，通过许用应力衡准（应力小于材料屈服应力，船用低碳钢的屈服应力为235MPa）评估结构安全性.
利用结构有限元软件Nastran计算得到结构的最大应力如图3所示，结构应力如下页表1所示.
图3结构静态响应计算-筛选分析
