油氣爆炸下海洋平臺抗爆結構型式數值仿真

李永正，王 珂，賈 芹，袁友華

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003;2.韓通(上海）新能源船舶設計研發有限公司，上海 201203;3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

油氣爆炸下海洋平臺抗爆結構型式數值仿真

李永正1，3，王 珂1，賈 芹1，袁友華2

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003;2.韓通(上海）新能源船舶設計研發有限公司，上海 201203;3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋平臺作為人們開發利用海洋資源的重要基礎設施，在其服役期間，常會遭到油氣泄漏而引起的爆炸沖擊破壞，因此對海洋平臺結構進行爆炸載荷下的動態響應分析及抗爆研究十分必要。本文以某海洋平臺燃油艙的圍壁為研究對象，對其分別進行波紋板和夾層板結構設計。使用非線性瞬態動力學分析軟件MSC.Dytran對不同結構型式艙壁下燃油艙的吸能情況進行數值對比研究，從而獲得抗爆效果較好的海洋平臺艙壁抗爆結構。

油氣爆炸;海洋平臺;抗爆結構;波紋板;夾層板

0 引言

作為海洋油氣資源開采的重要設施，海洋平臺長期處于復雜惡劣的海洋環境中，除受到正常的工作載荷和環境載荷，還時常受到火災、爆炸等風險載荷的作用。資料顯示，由爆炸引發的事故在海洋平臺事故中占有很大比例，這些事故不僅造成重大的經濟損失，同時也導致嚴重的海洋環境污染，因而如何有效降低爆炸事故造成的損失成為一個十分棘手的問題［1］。在目前施行的各種防爆措施中，防爆墻以費用低、設置快、單位強度高的優點普遍應用于海洋平臺結構中。

海洋平臺防爆墻對爆炸載荷的響應，就是其吸收、消化外界能量的過程［2］。這就意味著可以通過改變防爆墻的特性，如尺寸、材料等，來影響防爆墻對外界能量的吸收。鑒于波紋板防爆墻［3－4］的相關研究以及夾層板結構［5－8］良好的抗沖擊性能，本文以海洋平臺燃油艙圍壁為研究對象，對其分別進行波紋板和夾層板結構設計。通過對不同艙壁結構下燃油艙能量吸收的數值對比分析，獲得抗爆效果較好的海洋平臺艙壁抗爆結構型式。

1 流－固耦合算法

對油氣爆炸載荷作用下海洋平臺結構動態響應進行數值仿真時，既存在結構大變形，又存在炸藥爆轟和沖擊波在空氣中的傳播過程，且二者有機結合在一起。因此對這類問題建模計算時，不可避免地要考慮流－固耦合。MSC.Dytran軟件同時提供拉格朗日與歐拉求解器，所以它既能模擬結構也能模擬流體，通過拉格朗日網格與歐拉網格間的相互耦合，還可以實現對結構與流體之間相互作用的模擬。MSC.Dytran程序根據分析問題的不同，提供了5種處理流－固耦合的分析方法:一般耦合法、快速耦合法、考慮失效的多重耦合法、任意拉格朗日－歐拉耦合法和全歐拉耦合法。

為了模擬爆炸沖擊波對平臺多艙室結構的破壞作用，本文采用能夠考慮耦合面破裂的多歐拉域流－固耦合算法［9－11］，因此需要使用快速耦合算法與ROE求解器，同時，歐拉流體網格的劃分必須用MESH卡定義。由于每個耦合系統內的歐拉網格只能定義為耦合面內部或外部有流體材料的計算，而且各個耦合系統之間不能共用歐拉單元和用于定義耦合面的板單元，因此，必須對每個需要考慮流－固耦合的艙室劃分歐拉網格，且在共用艙壁處劃分重合的啞元以構建封閉的耦合面［12］。

2 艙壁結構設計

以海洋平臺燃油艙圍壁為研究對象，對其分別進行波紋板和夾層板結構設計，同時，相比傳統平板圍壁，波紋板和夾層板圍壁上不再建縱橫加強筋或扶墻材。

2.1 波紋板結構設計

對燃油艙的4個圍壁，參考文獻［3－4］進行波紋板結構設計。波紋板根據波紋高度h的不同分為波紋板Ⅰ、波紋板Ⅱ和波紋板Ⅲ。波紋板結構截面尺寸主要參數是高度h和長度L，如圖1所示。3種波紋板結構的具體截面尺寸參數如表1所示。

圖1 波紋板截面尺寸參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of corrugated plate cross section size parameter

表1 波紋板截面尺寸表Tab.1 Sectional dimension table of corrugated plate

2.2 夾層板結構設計

對燃油艙的4個圍壁進行夾層板結構設計，共設計3種不同結構形式的夾層板，即U型、V型和蜂窩型夾層板。文中夾層板的設計思想為:在重量相等的前提下，用上、下面板代替傳統加筋板平板，夾芯層代替加強筋，并調整相鄰結構之間的連接。具體尺寸設計如下:夾層板面板長寬尺寸與加筋板平板的長寬尺寸相同，夾層板的上、下面板厚度相同，為加筋板平板厚度的一半;夾芯層高度與加強筋高度相同，夾芯層厚度由夾芯層與加強筋質量等效的原則獲得［13］。不同夾層板結構的具體尺寸見表2所示。

表2 結構尺寸Tab.2 Size of structure

3 計算模型

本文研究的“中油海洋試采三號”平臺為典型自升式海洋平臺，整個海洋平臺及艙室的有限元模型如圖2和圖3所示，其中，艙室2為燃油艙。

圖2 海洋平臺結構有限元模型Fig.2 FEM of offshore platform structure

圖3 艙室結構有限元模型Fig.3 FEM of cabin structure

3.1 材料狀態方程及參數

海洋平臺結構采用彈塑性材料，具體材料參數為:材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，屈服應力σ0=315 MPa(準靜態屈服應力），泊松比υ=0.3，動態失效應變δ=0.15。

在進行結構動態響應計算時需要特別注意材料的應變率敏感性問題。本文采用與試驗數據符合較好的 Cowper－Symonds［14］本構模型來考慮材料應變率的影響，模型中動態屈服應力與應變率的關系如下:

式中:σ0為初始材料靜態屈服應力;為應變率;D和q為應變率系數;為有效塑性應變;Ep=EhE/(E－Eh）為塑性硬化模量。對于低碳鋼取D=40.5/s，q=5［15］，失效應變為 0.15。

由于采用的高階歐拉算法－ROE方法不支持JWL狀態方程，故對炸藥和空氣均采用γ律狀態方程進行描述:

式中:e為單位質量的內能;ρ為材料密度;γ為比熱比。其中，空氣密度ρ=1.25 kg/m3，空氣比內能e=2 × 105J/kg;爆炸源密度 ρ=40 kg/m3［16－17］，爆源比內能e=1.6×107J/kg。

3.2 結構有限元模型

圖4為不同波紋板圍壁下燃油艙2的有限元模型，圖5為傳統加筋板架及不同夾層板結構的有限元模型。

圖4 波紋板結構有限元模型Fig.4 FEM of corrugated plate structure

圖5 夾層板結構有限元模型Fig.5 FEM of sandwich plate structure

4 計算結果分析

本文參考文獻［18］對于泄漏氣體TNT當量的劃分標準，同時結合燃油艙的幾何尺寸9 m×4 m×4.5 m，選取TNT當量為15 kg的中規模泄漏氣體用于模擬高壓氣體球。圖6為艙室2的圍壁采用不同結構型式時艙室內各構件的能量吸收曲線。

表3為燃油艙2的圍壁采用不同結構時艙室內各構件的能量吸收統計。由于海洋平臺上主要的工作設備都在甲板上，所以對于不同圍壁結構下甲板的能量吸收情況需要著重考察與比較。

圖6 不同艙壁結構下各構件能量曲線Fig.6 Energy curve of different bulkhead structure

表3 燃油艙構件吸能統計Tab.3 Energy absorption statistics of fuel tank components

從表3數據可以發現，艙室圍壁采用不同結構型式時，艙室和平臺的吸能總量均基本一致，這是由于炸藥量及空氣域完全一致，但這些能量在不同圍壁結構型式下艙室各構件上的分配卻有很大不同。對于波紋板結構，只有艙室圍壁采用波紋板Ⅰ時，對于需要保護的甲板的變形能百分比最低僅為1.87%，而主要吸能構件橫、縱艙壁的變形能百分比則最高達92.49%，可見波紋板結構中，以波紋板Ⅰ的抗爆效果最佳;對于夾層板結構，只有艙室圍壁采用U型夾層板時，對于需要保護的甲板的變形能百分比最低僅為1.87%，而主要吸能構件橫、縱艙壁的變形能百分比最高達87.11%，可見夾層板結構中，以U型夾層板的抗爆效果最佳。

5 結語

本文應用非線性數值仿真技術，通過多歐拉－拉格朗日耦合對海洋平臺燃油艙在油氣爆炸沖擊載荷作用下的動態響應進行研究。重點對燃油艙采用不同圍壁結構情況下，艙室各構件的能量吸收作了比較分析，得到如下結論:

1）對于波紋板結構，只有艙室圍壁采用波紋板Ⅰ時，對于需要保護的甲板的變形能百分比最低僅為1.87%，而主要吸能構件橫、縱艙壁的變形能百分比則最高達92.49%，可見波紋板結構中，以波紋板Ⅰ的抗爆效果最佳;

2）對于夾層板結構，只有艙室圍壁采用U型夾層板時，對于需要保護的甲板的變形能百分比最低僅為1.87%，而主要吸能構件橫、縱艙壁的變形能百分比最高達87.11%，可見夾層板結構中，以U型夾層板的抗爆效果最佳。

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Numerical simulation of anti-exp losion structure of offshore p latform bulkhead under oil and gas exp losion

LIYong-zheng1，3，WANG Ke1，JIA Qin1，YUAN You-hua2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China;2.Hantong(Shanghai）New Energy Ship Design Research and Development Co.，LTD.，Shanghai201203，China;3.China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

The offshore platform is liable to suffer from the shock damage caused by explosion due to oil or gas leaking during its operation，therefore it is very necessary to analyse dynamic response and carry on antiknock property for offshore platform structure.Taking an offshore platform fuel oil tank wall as the research object，corrugated plate and sandwich panel structure are designed.Energy absorption of fuel oil tank for different bulkhead structure are compared and studied by using nonlinear transient dynamics analysis software MSC.Dytran so as to achieve platform bulkhead antiknock structure with good antiknock effect.

oil and gas explosion;offshore platform;anti-explosion structure;corrugated plate;sandwich panel

P752

A

1672－7649(2014）04－0066－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.013

2013－06－20;

2013－07－08

李永正(1980－），男，講師，主要從事船舶與海洋工程強度方面的研究。