海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防爆墻設(shè)計(jì)

高 偉

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防爆墻一般包含鋼結(jié)構(gòu)桁架和槽型墻皮兩大組成部分，鋼結(jié)構(gòu)桁架和槽型墻皮受力特性不同，因此需要采取不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桁架的分析使用了美國(guó) EDI公司開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件 SACS，主要針對(duì)桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)潔有效，該軟件在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；而對(duì)槽型墻皮的分析則采用了通用軟件ANSYS，該軟件在各工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

1 防爆墻鋼結(jié)構(gòu)框架校核

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境惡劣，需承受自重、設(shè)備、環(huán)境等各種荷載，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)仍然能夠擁有足夠的儲(chǔ)備能力，避免產(chǎn)生平臺(tái)永久的結(jié)構(gòu)性破壞，常見(jiàn)的海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防爆墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用 SACS進(jìn)行平臺(tái)整體分析時(shí)應(yīng)將爆炸力考慮進(jìn)來(lái)。

1.1 SACS模型

防爆墻鋼結(jié)構(gòu)框架 SACS模型如圖2所示。該分析主要目的是確保作為防爆墻支撐的鋼結(jié)構(gòu)框架的安全性，因此SACS模型只需模擬該區(qū)域的主要支撐，細(xì)節(jié)部分會(huì)在后續(xù)有限元分析部分體現(xiàn)。

圖1 防爆墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 General view of explosion protection wall

圖2 防爆墻鋼結(jié)構(gòu)框架SACS模型Fig.2 SACS model of steel frame structureof explosion protection wall

1.2 爆炸力加載

爆炸壓力分布理論上是一個(gè)以爆炸源為核心的同心球，但由于平臺(tái)上爆炸源存在較大不確定性，只能大致確定一個(gè)范圍，出于保守考慮，通常將爆炸壓力視為均勻分布，并轉(zhuǎn)化為一系列點(diǎn)荷載施加到整面防爆墻上，與平臺(tái)所受其他荷載疊加校核防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(圖3)。

圖3 爆炸力加載Fig.3 Upload of explosion force

1.3 校核結(jié)果

SACS結(jié)果校核依托于美國(guó)石油學(xué)會(huì)API RP 2A《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦方法工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》，結(jié)果如圖4所示。

圖4 防爆墻鋼結(jié)構(gòu)框架校核結(jié)果(UC值)Fig.4 Unit check results of explosion protection wall steel frame structure

由于爆炸的發(fā)生概率極小，根據(jù)規(guī)范可以適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)的許用強(qiáng)度。本算例校核結(jié)果顯示，防爆墻框架桿件 UC值均小于 1.0，滿足整體強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)一步校核墻皮強(qiáng)度。

2 防爆墻墻皮校核

2.1 有限元模型

選用 SHELL 181單元模擬防爆墻的槽型墻皮(圖5)。該單元適用于較薄到中等厚度的板殼結(jié)構(gòu)分析，而常見(jiàn)的防爆墻墻皮一般不超過(guò) 6mm，故選取該單元是合適的。該單元有 4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)自由度和 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，具有強(qiáng)大的針對(duì)大變形的非線性分析功能。

圖5 防爆墻有限元模型Fig.5 FEA model of explosion protection wall

2.2 邊界處理

平臺(tái)上防爆墻周?chē)ǔＳ伤胶拓Q直方向的鋼結(jié)構(gòu)框架約束。為了更準(zhǔn)確地模擬防爆墻在爆炸力作用下的響應(yīng)，模型中需要適度模擬這部分約束框架(截?cái)嗵幹辽贋榱焊叩?1.5～2倍)，在這部分框架遠(yuǎn)端做固支處理(圖6)。

圖6 防爆墻邊界條件Fig.6 Boundary condition of explosion protection wall

2.3 荷載施加

防爆墻設(shè)計(jì)的主要荷載是爆炸力，由專門(mén)的火災(zāi)爆炸分析報(bào)告提供，本文假定爆炸壓強(qiáng)為 0.38bar(1bar＝105Pa)。由于爆炸現(xiàn)象的復(fù)雜性和不確定性，出于保守考慮，通常將爆炸力作為面壓加載到整個(gè)防爆墻墻面上，同時(shí)由于爆炸力的突然性，校核時(shí)需要適當(dāng)考慮一個(gè)動(dòng)力放大系數(shù)，本文取1.2。

2.4 計(jì)算結(jié)果

本算例分別針對(duì)墻皮應(yīng)力、應(yīng)變及變形進(jìn)行校核。從應(yīng)力云圖(圖7)上可以看到，槽型墻皮最大應(yīng)力為 155MPa，小于工程上接受的 0.9倍屈服強(qiáng)度(235MP例)，強(qiáng)度滿足要求。

從圖8可以看到，槽型墻皮最大應(yīng)變值 0.07%，符合美國(guó)石油學(xué)會(huì)API RP 2A海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的相關(guān)要求。

圖8 波紋板應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Stain nephogram for trough type wall

從變形云圖(圖9)可以看到，槽型墻皮最大變形為 20.75mm，變形后附近設(shè)備仍然存在足夠的操作空間(視具體設(shè)備而定)，滿足要求。

圖9 波紋板變形云圖Fig.9 Deflection nephogram for trough type wall

3 結(jié) 論

海上油氣開(kāi)采是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)性的系統(tǒng)工程，其安全性是第一位需要考慮的，海洋平臺(tái)在面對(duì)火災(zāi)爆炸等惡性安全事故時(shí)必須要有足夠的自持能力。盡管隨著技術(shù)進(jìn)步出現(xiàn)了越來(lái)越多的防火材料防火油漆等輔助手段，但作為定海神針的鋼結(jié)構(gòu)的重要性仍然不容忽視。因此，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮爆炸對(duì)平臺(tái)的影響，才利于從源頭上降低潛在風(fēng)險(xiǎn)可能帶來(lái)的人員財(cái)產(chǎn)損失。