番禺34-1CEP平臺(tái)生活模塊防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

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(1.中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司,天津 300452;2.天津市德安石油工程有限公司,天津 300450)

海洋平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)海上油氣的基礎(chǔ)性設(shè)施，長(zhǎng)期處于復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中，除經(jīng)受正常的工作荷載和環(huán)境荷載外，還時(shí)常受到風(fēng)險(xiǎn)荷載(爆炸、火災(zāi)、碰撞等)的作用。為了減少爆炸對(duì)人員的傷害，通常在生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)之間設(shè)置防爆墻，以抵抗爆炸產(chǎn)生的沖擊波，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。番禺34-1CEP設(shè)置的防爆墻見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)爆炸載荷進(jìn)行研究，得出了更加貼近實(shí)際爆炸情況的非線(xiàn)性載荷計(jì)算方法。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件及傳統(tǒng)的靜力法和瞬態(tài)動(dòng)力法對(duì)番禺34-1CEP平臺(tái)生活模塊防爆墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。通過(guò)對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果的分析比較，提出防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法的建議，達(dá)到了優(yōu)化工程建造設(shè)計(jì)的目的。

圖1 PY34-1CEP平臺(tái)生活樓防爆墻結(jié)構(gòu)示意

1 防爆墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PY34-1CEP平臺(tái)位于中國(guó)南海PY34-1/35-2/35-1油氣田，距離香港大約200 km，平均水深190.2 m，平臺(tái)生活樓模塊設(shè)計(jì)容納120人，尺寸為長(zhǎng)33 m、寬12 m、高19 m。防爆墻作為生活樓與生產(chǎn)作業(yè)區(qū)之間的屏障，布置在生活樓的西側(cè)，面向井口作業(yè)區(qū)。

整個(gè)防爆墻長(zhǎng)33 m、高16.5 m，主體采用5 mm 厚的波紋板，與生活樓外側(cè)墻皮的間距為180 mm，波紋板的截面形式見(jiàn)圖2。水平方向采用角鋼來(lái)支撐，角鋼連接到生活模塊水平層的大梁上；垂直方向采用20 mm厚扁鋼將波紋板連接到生活樓的立柱及垂向主梁上，見(jiàn)圖3。通過(guò)上述連接保證了防爆墻結(jié)構(gòu)具有足夠的抵抗爆炸荷載的能力。

圖2 波紋板截面示意

圖3 防爆墻與生活樓主體連接結(jié)構(gòu)圖

2 爆炸載荷研究

對(duì)防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析首先應(yīng)確定爆炸載荷，由于氣體爆炸影響因素很多，很難用一個(gè)統(tǒng)一的模型來(lái)準(zhǔn)確描述爆炸載荷，為了研究防爆墻在爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)及安全性問(wèn)題必須對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化的原則是模型既能在一定程度上反映載荷的真實(shí)特征，同時(shí)在工程上又易于使用?，F(xiàn)階段工程應(yīng)用較為廣泛的爆炸載荷曲線(xiàn)模型為[2-3]

式中:t1——載荷上升達(dá)到最大值的時(shí)刻;

t0——載荷終止時(shí)刻;

a、b——常數(shù)；

p0——爆炸初壓;

pmax——爆炸最大壓力。

通過(guò)上述分析，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，確定番禺34-1CEP平臺(tái)生活模塊防爆墻爆炸載荷峰值為0.0 635 MPa，峰值時(shí)刻為0.01 s，整個(gè)爆炸持續(xù)時(shí)間為0.1 s，爆炸載荷曲線(xiàn)見(jiàn)圖4[4]。

圖4 爆炸載荷時(shí)程曲線(xiàn)圖

3 防爆墻強(qiáng)度計(jì)算分析

現(xiàn)階段，工程上對(duì)防爆墻進(jìn)行爆炸載荷的分析方法主要有靜力載荷分析，即爆炸載荷峰值乘以放大系數(shù)；還有就是動(dòng)力載荷分析，將整個(gè)爆炸作用時(shí)間的載荷以時(shí)程力方式加載到防爆墻結(jié)構(gòu)上，從而得到動(dòng)態(tài)效果。

3.1 建立計(jì)算模型

根據(jù)防爆墻的幾何特征、行為特征及板殼理論，推薦使用殼單元來(lái)模擬。由于有限元計(jì)算中要考慮大變形，故采用SHELL181單元來(lái)建立防爆墻的有限元模型；SHELL181是4節(jié)點(diǎn)彈性殼單元，具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。防爆墻的材料選取GB 712-2000 A36，其材料性能如下。

楊氏模量206 GPa;材料密度7 850 kg/m3; 泊松比0.3;屈服極限355 MPa。

計(jì)算模型根據(jù)防爆墻的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立，為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用四邊形單元，整體有限元模型見(jiàn)圖5?？紤]到實(shí)際工程中波紋板通過(guò)水平方向和垂直方向的支撐結(jié)構(gòu)焊接到生活樓主體結(jié)構(gòu)上，且生活樓結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于防爆墻，故為保守考慮將模型的邊界條件設(shè)為支撐結(jié)構(gòu)的端部固支約束，見(jiàn)圖6。

3.2 靜力載荷分析

采用爆炸載荷峰值 0.063 5 MPa 乘以動(dòng)力放大系數(shù) 1.2，即將靜態(tài)爆炸載荷 0.076 2 MPa 均布作用于防爆墻上，經(jīng)過(guò) ANSYS 計(jì)算，得到位移、應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

由計(jì)算結(jié)果得到，節(jié)點(diǎn)2 766處的等效應(yīng)力最大，應(yīng)力值為319.303 MPa，位于最底層的支撐角鋼上；節(jié)點(diǎn)25 796處的變形最大，變形值為16.235 mm，位于第一層波紋板的中間部位。雖然最大應(yīng)力值大于許用應(yīng)力284 MPa(0.8×355=284 MPa)，由應(yīng)力云圖可以看出為明顯的應(yīng)力集中，且最大應(yīng)力值小于屈服應(yīng)力，因此防爆墻結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖5 防爆墻有限元模型

圖6 防爆墻模型邊界約束

圖7 防爆墻等效應(yīng)力云圖(靜力)

圖8 防爆墻變形云圖(靜力)

3.3 動(dòng)力載荷分析

動(dòng)力載荷分析方法是將爆炸載荷時(shí)程加載到防爆墻上，從而得到結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)，這樣可以更好地觀(guān)察位移及應(yīng)力變化。在前面的分析中已經(jīng)得到了防爆墻的爆炸載荷時(shí)程，將圖4所示的時(shí)程載荷作用在防爆墻結(jié)構(gòu)上，計(jì)算采用瞬態(tài)求解，整個(gè)爆炸響應(yīng)時(shí)間為0.1 s，積分時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及變形出現(xiàn)在0.015 s，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖及變形云圖見(jiàn)9、10。

圖9 防爆墻等效應(yīng)力云圖(動(dòng)力)

節(jié)點(diǎn)2 813上的等效應(yīng)力最大，應(yīng)力值為330.28 MPa，節(jié)點(diǎn)26 226處的變形最大，變形值為18.452 mm，其所處的位置基本上與靜力分析一致。提取節(jié)點(diǎn)2 813應(yīng)力值及節(jié)點(diǎn)26 226位移值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11、12。

圖10 防爆墻變形云圖(動(dòng)力)

圖11 節(jié)點(diǎn)2 813應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

圖12 節(jié)點(diǎn)26 226位移時(shí)程曲線(xiàn)

由應(yīng)力及位移的時(shí)程曲線(xiàn)圖可以看出，防爆墻結(jié)構(gòu)在爆炸載荷的作用下，最大等效應(yīng)力及最大位移都在0.015 s時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)防爆墻結(jié)構(gòu)處于最危險(xiǎn)的時(shí)間點(diǎn)，隨著時(shí)間的變化，應(yīng)力和位移逐漸趨向于零，最終未出現(xiàn)明顯的殘余應(yīng)力和塑性變形。雖然最大應(yīng)力值大于許用應(yīng)力284 MPa，由應(yīng)力云圖可以看出為明顯的應(yīng)力集中，且最大應(yīng)力值小于屈服應(yīng)力，因此由動(dòng)力分析結(jié)果也可以得出同樣的結(jié)論，防爆墻結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

1)為了更好地對(duì)比靜力荷載和動(dòng)力荷載兩種分析方法對(duì)防爆墻結(jié)構(gòu)的影響，采取簡(jiǎn)化處理，不考慮生活樓自身剛度、防爆墻結(jié)構(gòu)塑性變形吸能等方面因素。分析確定了常用的爆炸載荷曲線(xiàn)模型，較好地模擬了海洋平臺(tái)防爆墻受到的爆炸載荷。

2)傳統(tǒng)的防爆墻爆炸分析是基于靜力分析方式，這種分析方法計(jì)算簡(jiǎn)單，如果放大系數(shù)選擇恰當(dāng)?shù)脑?huà)，可以節(jié)省計(jì)算量，而達(dá)到比較精確的結(jié)果。但由本文計(jì)算可以看出，靜力分析得到的結(jié)果要偏于危險(xiǎn)。可見(jiàn)，若用靜力分析方法，放大系數(shù)的選擇很重要。所以要對(duì)實(shí)際的工程對(duì)象進(jìn)行有針對(duì)性的分析，以確定其爆炸載荷放大系數(shù)。

3)動(dòng)力載荷分析方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致整個(gè)分析方法周期過(guò)長(zhǎng)，不太利于整個(gè)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)工作。但是，這種方法有更好的準(zhǔn)確性，可以得到各個(gè)單元的位移時(shí)程曲線(xiàn)、應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)。由曲線(xiàn)可以了解材料是否發(fā)生了塑性變形以及結(jié)構(gòu)中是否存在殘余應(yīng)力；可以找到應(yīng)力變化幅度較大處，從而對(duì)這些熱應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

[1] 韓圣章,胡云昌.海上油氣生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸的響應(yīng)[J]，石油工程建設(shè)，2001(1)：5-6.

[2] 李 剛.工業(yè)設(shè)備抗粉塵爆炸性能研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2001.

[3] 趙衡陽(yáng).氣體和粉塵爆炸原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[4] 曲海富.海洋工程防爆墻結(jié)構(gòu)有限元分析[D].天津：天津大學(xué)，2007.