油气爆炸事故下fpso主甲板局部结构动态响应研究(附件)【字数：24907】
摘 要摘 要随着海上油田的大量开发以及向深海发展的趋势，FPSO因具有抗风浪能力强、储/卸油能力大、可转移等优点而得到广泛使用。然而由于FPSO长期处于复杂恶劣的海洋环境中，导致设备及管线易破裂而发生油气泄漏，进而引发油气爆炸事故。FPSO主甲板结构作为迎爆面遭受的损伤较大，因此开展油气爆炸事故下FPSO主甲板局部结构动态响应研究，对于结构安全优化设计以及海洋石油工业的持续健康发展等具有重要意义。本文归纳整理了国内外学者针对爆炸载荷作用下结构动态响应方面的研究方法，基于等效单自由度理论，结合假设模态法和极限承载力理论，针对爆炸载荷作用下加筋板架的动态响应开展简化和理论解析，在此基础上，针对FPSO主甲板局部结构在爆炸载荷作用下的动态响应开展实例计算，并利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS进行仿真分析。本文的主要研究工作及结论如下（1）针对矩形板格，基于等效单自由度方法计算得到其抗力关系曲线，结合单自由度系统的动态响应图谱计算了构件在给定爆炸载荷作用下的最大位移，研究发现考虑膜效应影响，板的承载能力会大幅提高。（2）针对单根加筋板（梁），基于等效单自由度方法，在计算等效刚度、固有振动周期等影响动态响应的重要参数的基础上，结合极限承载力理论通过单自由度系统的动态响应图谱分析结构的抗力特性，进而得到了单根加筋板（梁）所具有的不同失效模式。（3）基于结构的抗力特性，可使用等效动力平衡方程求解结构弹性、塑性乃至考虑膜效应阶段的动态响应；基于假设模态法，计算出等效系统各参数的转换系数，可合理地将复杂结构简化为等效单自由度系统；通过将等效方程无量纲化并采用“集中冲量法”进行数值积分，可绘制单自由度系统的动态响应图谱，借助图谱能极大地简化该类动态响应问题的求解；最后通过将解析结果与仿真结果进行比较，验证了等效单自由度理论的可行性。关键词油气爆炸；甲板板架；单自由度理论；动态响应；解析计算
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 理论解析 2
1.2.2 数值仿真 4
1.2.3 实验研究 5
1.3 主要研究内容 6
第二章 等效单自由度理论 7
2.1 引言 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.2 无阻尼单自由度弹性系统 7
2.3 数值积分方法 8
2.4 抗力特性和抗力曲线 10
2.5 结构理想化 13
2.6 等效单自由度方法 14
2.7 响应的分类 17
2.8 动态响应图谱 18
2.9 矩形单向板的抗力特性 24
2.10 单根加筋板（梁）的抗力特性 26
2.11 本章小结 29
第三章 油气爆炸事故下FPSO主甲板局部结构动态响应分析 31
3.1 计算实例 31
3.2 矩形板格 32
3.2.1 矩形板格抗力关系 32
3.2.2 动态响应分析 33
3.3 单根加筋板 35
3.3.1 截面属性 35
3.3.2 塑性极限 36
3.3.3 延性比 37
3.3.4 固有振动周期 37
3.3.5 可承受的压力峰值 38
3.4 梁 39
3.4.1 截面属性 39
3.4.2 塑性极限 43
3.4.3 延性比 44
3.4.4 固有振动周期 44
3.4.5 可承受的压力峰值 45
3.5 本章小结 45
第四章 FPSO主甲板局部结构动态响应数值仿真分析 47
4.1 引言 47
4.2 有限元模型 47
4.3 仿真计算结果及分析 50
4.4 本章小结 53
结 语 55
致 谢 57
参 考 文 献 58
第一章 绪论
研究目的与意义
FPSO(Floating Production Storage and Offloading)，即浮式生产储油卸油装置，是对开采的石油进行油气分离、油气产品的储存和运输、供人员居住、集生产管理系统于一体的综合性大型海上石油生产基地，被称为“海上石油工厂”[1]。
FPSO通常与钻油平台或海底采油装置组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，其作业原理是通过海底输油管线接受从海底油井中采出的原油，并在船上进行处理，然后储存在货油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮。FPSO具有两大特点，一是体型庞大，船体一般为5~30万吨，一艘30万吨的FPSO，其甲板面积相当于三个足球场；二是功能较多，FPSO集合了各种设备，可对油、气、水实施分离处理并储存原油。与其他形式的石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大、可转移以及可重复使用等优点，广泛适用于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流方式[2]。
许多FPSO不具备自航能力，而是采用单点系泊模式在海面上固定。因此，FPSO长期处于复杂恶劣的海洋环境中，这使得FPSO上的设备及管线易破裂而发生油气泄漏，进而引发油气爆炸事故，给生命财产造成巨大的损失。如1988年英国北海Piper Alpha海上平台由于油气泄漏引发爆炸，造成165人死亡和平台报废的重大灾难，直接经济损失达28.7亿英镑[3]；2001年巴西龙卡多油田P36号移动石油生产平台发生爆炸，造成10人死亡，直接经济损失达4亿多美元[4]；2010年美国墨西哥湾的“深水地平线”平台泄漏出来的天然气携带原油引发剧烈爆炸，事故造成11人死亡，约500万桶原油泄漏[3]。
/
图11 FPSO油气爆炸事故
因此，如何分析FPSO结构在油气爆炸载荷作用下的动态响应已成为海洋工程设计的重要考虑内容，其对于海上平台定量风险评估、海洋工程安全优化设计以及海洋石油工业的持续健康发展等具有重要意义[3]。此外，随着世界海上油田逐渐向深海发展，超大型FPSO技术问题不断涌现，各船级社对FPSO结构设计除了要考虑FPSO结构的强度与疲劳强度外，还提出了考虑船体极限强度的新要求[5]。因此研究甲板结构在爆炸载荷作用下的动态响应特点，对于优化结构设计、改善材料性能等都具有重要的指导意义。
国内外研究现状
国内外学者针对爆炸载荷作用下加筋板架的动态响应问题开展了系统研究，研究方法主要分为理论解析、数值仿真和实验研究，下面即从上述三方面予以介绍。
理论解析
在弹塑性力学中，通常讨论的都是准静态问题，即不考虑物体在变形过程中的加速度，也就是惯性力与外载荷相比可以忽略不计的情况，但在工程实际中经常会遇到动态问题，这时就需要处理弹塑性体的动力响应问题。在结构的动力响应过程中，通常既有弹性变形，也有塑性变形，求解结构动力响应变得更加复杂。为了避开数学上的复杂性，在结构动力响应的理论分析中常常对结构和载荷进行大幅度的简化。针对爆炸载荷作用下加筋板架的动态响应问题，许多国内外学者基于弹塑性动力学的基本原理，采用能量法、假设模态法等方法开展研究，近似计算出爆炸载荷作用下加筋板架的响应，获得许多响应规律，并总结出一些重要的方法，为后续研究提供了充分的理论依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 理论解析 2
1.2.2 数值仿真 4
1.2.3 实验研究 5
1.3 主要研究内容 6
第二章 等效单自由度理论 7
2.1 引言 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.2 无阻尼单自由度弹性系统 7
2.3 数值积分方法 8
2.4 抗力特性和抗力曲线 10
2.5 结构理想化 13
2.6 等效单自由度方法 14
2.7 响应的分类 17
2.8 动态响应图谱 18
2.9 矩形单向板的抗力特性 24
2.10 单根加筋板（梁）的抗力特性 26
2.11 本章小结 29
第三章 油气爆炸事故下FPSO主甲板局部结构动态响应分析 31
3.1 计算实例 31
3.2 矩形板格 32
3.2.1 矩形板格抗力关系 32
3.2.2 动态响应分析 33
3.3 单根加筋板 35
3.3.1 截面属性 35
3.3.2 塑性极限 36
3.3.3 延性比 37
3.3.4 固有振动周期 37
3.3.5 可承受的压力峰值 38
3.4 梁 39
3.4.1 截面属性 39
3.4.2 塑性极限 43
3.4.3 延性比 44
3.4.4 固有振动周期 44
3.4.5 可承受的压力峰值 45
3.5 本章小结 45
第四章 FPSO主甲板局部结构动态响应数值仿真分析 47
4.1 引言 47
4.2 有限元模型 47
4.3 仿真计算结果及分析 50
4.4 本章小结 53
结 语 55
致 谢 57
参 考 文 献 58
第一章 绪论
研究目的与意义
FPSO(Floating Production Storage and Offloading)，即浮式生产储油卸油装置，是对开采的石油进行油气分离、油气产品的储存和运输、供人员居住、集生产管理系统于一体的综合性大型海上石油生产基地，被称为“海上石油工厂”[1]。
FPSO通常与钻油平台或海底采油装置组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，其作业原理是通过海底输油管线接受从海底油井中采出的原油，并在船上进行处理，然后储存在货油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮。FPSO具有两大特点，一是体型庞大，船体一般为5~30万吨，一艘30万吨的FPSO，其甲板面积相当于三个足球场；二是功能较多，FPSO集合了各种设备，可对油、气、水实施分离处理并储存原油。与其他形式的石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大、可转移以及可重复使用等优点，广泛适用于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流方式[2]。
许多FPSO不具备自航能力，而是采用单点系泊模式在海面上固定。因此，FPSO长期处于复杂恶劣的海洋环境中，这使得FPSO上的设备及管线易破裂而发生油气泄漏，进而引发油气爆炸事故，给生命财产造成巨大的损失。如1988年英国北海Piper Alpha海上平台由于油气泄漏引发爆炸，造成165人死亡和平台报废的重大灾难，直接经济损失达28.7亿英镑[3]；2001年巴西龙卡多油田P36号移动石油生产平台发生爆炸，造成10人死亡，直接经济损失达4亿多美元[4]；2010年美国墨西哥湾的“深水地平线”平台泄漏出来的天然气携带原油引发剧烈爆炸，事故造成11人死亡，约500万桶原油泄漏[3]。
/
图11 FPSO油气爆炸事故
因此，如何分析FPSO结构在油气爆炸载荷作用下的动态响应已成为海洋工程设计的重要考虑内容，其对于海上平台定量风险评估、海洋工程安全优化设计以及海洋石油工业的持续健康发展等具有重要意义[3]。此外，随着世界海上油田逐渐向深海发展，超大型FPSO技术问题不断涌现，各船级社对FPSO结构设计除了要考虑FPSO结构的强度与疲劳强度外，还提出了考虑船体极限强度的新要求[5]。因此研究甲板结构在爆炸载荷作用下的动态响应特点，对于优化结构设计、改善材料性能等都具有重要的指导意义。
国内外研究现状
国内外学者针对爆炸载荷作用下加筋板架的动态响应问题开展了系统研究，研究方法主要分为理论解析、数值仿真和实验研究，下面即从上述三方面予以介绍。
理论解析
在弹塑性力学中，通常讨论的都是准静态问题，即不考虑物体在变形过程中的加速度，也就是惯性力与外载荷相比可以忽略不计的情况，但在工程实际中经常会遇到动态问题，这时就需要处理弹塑性体的动力响应问题。在结构的动力响应过程中，通常既有弹性变形，也有塑性变形，求解结构动力响应变得更加复杂。为了避开数学上的复杂性，在结构动力响应的理论分析中常常对结构和载荷进行大幅度的简化。针对爆炸载荷作用下加筋板架的动态响应问题，许多国内外学者基于弹塑性动力学的基本原理，采用能量法、假设模态法等方法开展研究，近似计算出爆炸载荷作用下加筋板架的响应，获得许多响应规律，并总结出一些重要的方法，为后续研究提供了充分的理论依据。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/91.html
