防火艙壁舾裝支撐件導(dǎo)熱計(jì)算

張海文,劉昆,何皛磊

(1.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

船舶設(shè)計(jì)建造中,常見在防火艙壁或甲板上安裝舾裝支撐件,尤其是當(dāng)舾裝支撐件安裝在敷設(shè)絕緣一側(cè)時(shí),支撐件貫穿防火絕緣會(huì)對(duì)防火絕緣造成一定的破壞,導(dǎo)致防火艙壁的隔熱性能在這些貫穿點(diǎn)不能完全滿足國際海事組織(IMO)《國際海上人命安全公約(SOLAS)》對(duì)耐火分隔的溫升控制要求;同時(shí),由于相關(guān)國際規(guī)范和船級(jí)社規(guī)范對(duì)這方面沒有非常明確的規(guī)定,現(xiàn)場(chǎng)在防火絕緣安裝報(bào)驗(yàn)時(shí),船級(jí)社驗(yàn)船師往往根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn),要求將所有的貫穿絕緣的舾裝支撐件用絕緣進(jìn)行延伸包覆,由于舾裝支撐件的數(shù)量非常龐大,這樣的要求就會(huì)給船廠帶來很大的工作量。而且,一直以來都沒有做過這方面的計(jì)算和驗(yàn)證,船廠也無法給出具有說服力的絕緣延伸方案,因此往往會(huì)處于被動(dòng)地位。為此,對(duì)解決這個(gè)問題進(jìn)行探討。

1 實(shí)船舾裝支撐件的類型及安裝型式

所述舾裝支撐件指結(jié)構(gòu)舾裝件、管系舾裝件以及電裝舾裝件等,包含各類安裝在艙壁和甲板上的通道支撐件、管系支撐、風(fēng)管支撐以及電纜托架支撐等。這類支撐件的材料,基本選用各種規(guī)格的角鋼,有沖孔和不沖孔兩類,與艙壁和甲板的連接型式為焊接固定。

以電纜托架為例,典型的安裝節(jié)點(diǎn)見圖1。

圖1 A60級(jí)防火艙壁舾裝支撐件安裝示意

圖1中A60級(jí)防火艙壁上敷設(shè)有A60級(jí)防火絕緣,附著在該艙壁上電纜托架支撐角鋼焊接在艙壁板和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)角鋼上。這些舾裝件支撐角鋼貫穿了A60級(jí)防火絕緣,從一定程度上破壞了A60級(jí)艙壁的耐火完整性。在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí),由于這類支撐件數(shù)量非常多,如果不做任何處理,一旦發(fā)生火災(zāi),這些絕緣貫穿點(diǎn)就有可能使防火艙壁的防火性能打折扣,進(jìn)而影響艙室的防火安全。必須精準(zhǔn)有效地對(duì)這些薄弱點(diǎn)進(jìn)行處理,做到即不過度處理,又不遺留隱患。

2 有限元模型建立

為了便于計(jì)算分析,以2 m×2 m的艙壁板,帶有L160 mm×100 mm×10 mm的扶強(qiáng)材作為典型艙壁模型,在該艙壁上焊接下列規(guī)格的角鋼支撐件。

L40 mm×40 mm×4 mm;

L50 mm×50 mm×5 mm;

L63 mm×63 mm×6 mm;

L75 mm×75 mm×6 mm;

L100 mm×100 mm×8 mm。

支撐件有沖孔和非沖孔兩種型式,角鋼自由端距艙壁距離統(tǒng)一為600 mm。每種支撐件的安裝位置分為與艙壁焊接固定、與結(jié)構(gòu)扶強(qiáng)材面板焊接固定、與結(jié)構(gòu)扶強(qiáng)材腹板搭接固定三類固定型式,見圖2。

圖2 艙壁板架安裝角鋼支撐件

假定艙壁構(gòu)架面所包覆的A60級(jí)防火絕緣,材料為巖棉,密度為90 kg/m3,艙壁板包覆厚度為75 mm,扶強(qiáng)材包覆厚度為25 mm,加強(qiáng)筋下面的空隙用巖棉填滿,巖棉與鋼板之間緊密。

利用ABAQUS有限元仿真軟件建立A60級(jí)防火艙壁有限元模型見圖3。

圖3 A60級(jí)防火艙壁有限元模型

圖4 A60級(jí)防火艙壁約束及初始溫度場(chǎng)

整個(gè)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元建模,巖棉與艙壁板采用四邊形縮減積分殼單元(DC3D8)建立,網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm,巖棉與艙壁面與面之間采用TIE約束,整個(gè)模型是初始溫度場(chǎng)溫度為20 ℃。

3 高溫作用下的材料模型參數(shù)

進(jìn)行熱分析時(shí),為得到結(jié)構(gòu)的溫度分布,需要確定鋼材與巖棉的熱分析材料參數(shù),包括比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱對(duì)流系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等。歸納整理Q235鋼材在20～1 000 ℃下的材料模型的物理特性以及所假定的A60級(jí)巖棉材料的相關(guān)特性,做為后續(xù)數(shù)值仿真分析的輸入條件。

3.1 鋼材的物理特性

3.1.1 鋼材的比熱容

采用文獻(xiàn)[1]給出的比熱容Cs計(jì)算公式。

1)20≤Ts<600 ℃時(shí)。

(1)

2)600≤Ts<735 ℃時(shí)。

Cs=666+13 002/(738-Ts)

(2)

3)735≤Ts<900 ℃時(shí)。

Cs=545+17 820/(Ts-731)

(3)

4)900≤Ts<1 200 ℃時(shí)。

Cs=650

(4)

計(jì)算得到20～1 000℃鋼材比熱容Cs見表1。

表1 高溫下鋼材的比熱容

3.1.2 鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)

鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)λs指在穩(wěn)定傳熱條件下,單位厚度的鋼材上下表面溫度差1 ℃,單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量。其單位為W/(m·K)或W/(m·℃)。文獻(xiàn)[1]給出的計(jì)算公式為

λs=54-3.33×10-2Ts

20≤Ts<800 ℃

(5)

λs=27.3 800≤Ts<1 200℃

(6)

計(jì)算得到20～1 000 ℃鋼材導(dǎo)熱系數(shù)λs見表2。

表2 高溫下鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)

3.1.3 鋼材的對(duì)流換熱系數(shù)

對(duì)流換熱系數(shù)hs指流體與鋼材表面之間熱量交換的能力。分析高溫下鋼結(jié)構(gòu)上的溫度分布時(shí),需要考慮結(jié)構(gòu)周圍高溫流體的對(duì)流換熱作用。影響鋼材對(duì)熱換流系數(shù)的因素有很多,包括周圍流體屬性、流體與鋼結(jié)構(gòu)表面溫度差以及流體流速等,根據(jù)文獻(xiàn)[2],假設(shè)對(duì)流換熱系數(shù)為hs=25 W/(m2·℃)。

3.2 巖棉的物理特性

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[3],密度60～160 kg/m3的巖棉板的比熱容為1.22 J/(kg·K)。根據(jù)巖棉廠家提供的資料,所選用的A60級(jí)巖棉材料在不同溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 高溫下巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)

4 高溫下A60級(jí)防火艙壁的結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線及基本假設(shè)

國際上一些國家和組織制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,用于對(duì)一般火災(zāi)事故下結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的研究分析。如北美等國家制定的ASTM-E119標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線見圖5,根據(jù)國際海事組織(IMO)相關(guān)規(guī)范[4]選取ISO-834規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,分析A60級(jí)防火艙壁結(jié)構(gòu)在典型高溫場(chǎng)景中的溫度場(chǎng)響應(yīng)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的表達(dá)式為

Tt=20+345lg(8t+1)

(7)

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的A60級(jí)防火艙壁結(jié)構(gòu)溫度分布分析時(shí),需要建立標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下A60級(jí)防火艙壁的基本假設(shè)。

1)直接受火區(qū)域構(gòu)件的軸向熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)。

2)防火艙壁構(gòu)件剛開始初始溫度為常溫,即20 ℃。

3)直接受火區(qū)域僅對(duì)周圍1 m范圍內(nèi)的非直接受火區(qū)域空氣產(chǎn)生對(duì)熱換流作用。

4)假定火災(zāi)發(fā)生在艙壁非構(gòu)架面一側(cè)。

4.2 防火艙壁在高溫火災(zāi)環(huán)境下失效的判定條件

在火災(zāi)發(fā)生時(shí),A60級(jí)防火絕緣的作用不僅僅是阻擋火災(zāi)的蔓延,同時(shí)還可起到保護(hù)承重結(jié)構(gòu)的作用,能有效的防止艙壁在承受火災(zāi)時(shí)屈服強(qiáng)度降低而失去抗變形能力。這里主要評(píng)估舾裝支撐件對(duì)艙壁耐火絕緣隔熱完整性的破壞程度,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化以及結(jié)構(gòu)形變不予考慮。

根據(jù)相關(guān)國際規(guī)范要求[5],對(duì)于“A”級(jí)耐火分隔,在1 h的耐火試驗(yàn)中,背火面測(cè)得平均溫度升高不應(yīng)超過試件表面初始溫度140 ℃時(shí),并且在包括任何接頭在內(nèi)的任何一點(diǎn)的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃。基于上述要求,在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),如在仿真分析過程中(時(shí)長(zhǎng)1 h內(nèi)),舾裝支撐件上未被A60絕緣覆蓋的任何一點(diǎn)的溫度超過200 ℃,或者由于舾裝支撐件對(duì)防火絕緣的整體破壞,而導(dǎo)致艙壁背火一側(cè)整體平均溫度達(dá)到160 ℃及以上時(shí),則判定該防火艙壁發(fā)生失效。

4.3 防火艙壁背火面溫度分布及失效分析

A60艙壁及舾裝支撐件在受火60 min后,背火面在標(biāo)準(zhǔn)溫升條件下的溫度分布見圖6、7。

圖6 A60級(jí)防火艙壁及舾裝支撐件溫度分布(t=60 min)

圖7 相同規(guī)格的支撐角鋼在不同安裝型式下的溫度分布(t=60 min)

分析圖6、7,可以得出下述結(jié)論。

1)A60絕緣的暴露面溫度明顯低于鋼板及加強(qiáng)角鋼的溫度。

2)舾裝支撐角鋼的溫度分布,距離艙壁板越遠(yuǎn)溫度升高越小。

3)火災(zāi)狀態(tài)下,相同規(guī)格的舾裝件支撐角鋼,其溫升情況由于安裝型式的不同而產(chǎn)生明顯差異,直接固定在艙壁板上的支撐件溫升最大,固定在結(jié)構(gòu)角鋼面板上的支撐件溫升最小。

防火艙壁每隔10 min時(shí)的溫度上升情況見表4。從表4可以看出,隨著受火時(shí)間的增加,艙壁背火面溫升一直較為緩慢,未出現(xiàn)突然上升的情況,在受火60 min后,背火溫度為133.6 ℃,未超過160 ℃的平均溫度限值。

表4 A60級(jí)防火艙壁巖棉背火面溫度上升情況 ℃

表5為舾裝支撐角鋼溫度超過室溫180 ℃(即200 ℃)的位置點(diǎn)距離艙壁的尺寸。由于艙壁板上A60絕緣厚度為75 mm,結(jié)構(gòu)加強(qiáng)角鋼上包敷的絕緣厚度為25 mm,結(jié)構(gòu)加強(qiáng)角鋼的腹板高度為160 mm,因此對(duì)于艙壁板上固定的舾裝支撐角鋼,如溫度為200 ℃的位置點(diǎn)到艙壁的距離大于75 mm,則被認(rèn)為該支撐角鋼對(duì)絕緣的破壞導(dǎo)致耐火艙壁局部失效;對(duì)于安裝在結(jié)構(gòu)角鋼面板和腹板上的舾裝支撐件,該距離大于185 mm時(shí),則認(rèn)為該支撐角鋼導(dǎo)致耐火艙壁局部失效。

表5 舾裝支撐角鋼溫度超過室溫180 ℃(即200 ℃)的位置點(diǎn)到艙壁的距離 mm

基于上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從表5中可以得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)舾裝支撐角鋼安裝在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)角鋼面板上時(shí),在1 h的耐火試驗(yàn)中,所有規(guī)格的角鋼支撐件的最大溫度小于200 ℃,說明這種安裝型式不會(huì)引起耐火艙壁的局部失效。

2)當(dāng)舾裝支撐角鋼搭接在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)角鋼腹板上,其溫度為200 ℃的位置點(diǎn)均小于185 mm,說明舾裝支撐件的這種安裝型式不會(huì)引起耐火艙壁的局部失效。

3)L50的沖孔角鋼以及L63,L75,L100的支撐角鋼,與艙壁板直接焊接固定時(shí),溫度為200 ℃的位置點(diǎn)距艙壁均超過了絕緣厚度75 mm,暴露在絕緣外面,造成耐火艙壁的局部失效。

4)沖孔角鋼相對(duì)于不沖孔的角鋼,溫度升高更加明顯。

5 結(jié)論

在A60級(jí)耐火艙壁絕緣敷設(shè)一側(cè)安裝的舾裝支撐角鋼是否會(huì)對(duì)艙壁的耐火完整性造成破壞,取決于支撐角鋼的尺寸以及安裝型式;對(duì)于相同安裝型式的支撐角鋼,尺寸越大,溫升越大;直接固定在艙壁板上的支撐件相對(duì)于固定在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)上的支撐件而言,更易造成耐火艙壁的失效;相同尺寸的角鋼支撐件,沖孔型式比不沖孔型式溫升更快。

為了方便建模和計(jì)算,對(duì)艙壁的壁厚、艙壁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的型式和尺寸、舾裝支撐件的規(guī)格和尺寸以及A60絕緣的類型和厚度等都進(jìn)行了限定,但在實(shí)船設(shè)計(jì)建造時(shí),A60級(jí)耐火分隔的類型以及舾裝支撐件的類型有很多,在進(jìn)行傳熱分析時(shí)判定耐火艙壁局部失效的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨之不同,但是這類問題的分析方法普遍適用。