番禺34-1CEP平臺生活模塊防爆墻結構強度分析

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

海洋平臺作為開發海上油氣的基礎性設施，長期處于復雜惡劣的海洋環境中，除經受正常的工作荷載和環境荷載外，還時常受到風險荷載(爆炸、火災、碰撞等)的作用。為了減少爆炸對人員的傷害，通常在生活區和生產區之間設置防爆墻，以抵抗爆炸產生的沖擊波，減少人員傷亡和財產損失[1]。番禺34-1CEP設置的防爆墻見圖1。

通過對爆炸載荷進行研究，得出了更加貼近實際爆炸情況的非線性載荷計算方法。應用ANSYS有限元分析軟件及傳統的靜力法和瞬態動力法對番禺34-1CEP平臺生活模塊防爆墻的結構強度進行校核計算。通過對兩種計算結果的分析比較，提出防爆墻結構強度計算方法的建議，達到了優化工程建造設計的目的。

圖1 PY34-1CEP平臺生活樓防爆墻結構示意

1 防爆墻結構設計

PY34-1CEP平臺位于中國南海PY34-1/35-2/35-1油氣田，距離香港大約200 km，平均水深190.2 m，平臺生活樓模塊設計容納120人，尺寸為長33 m、寬12 m、高19 m。防爆墻作為生活樓與生產作業區之間的屏障，布置在生活樓的西側，面向井口作業區。

整個防爆墻長33 m、高16.5 m，主體采用5 mm 厚的波紋板，與生活樓外側墻皮的間距為180 mm，波紋板的截面形式見圖2。水平方向采用角鋼來支撐，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，見圖3。通過上述連接保證了防爆墻結構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構圖

2 爆炸載荷研究

對防爆墻結構強度進行分析首先應確定爆炸載荷，由于氣體爆炸影響因素很多，很難用一個統一的模型來準確描述爆炸載荷，為了研究防爆墻在爆炸載荷作用下的動力響應及安全性問題必須對其進行簡化處理，簡化的原則是模型既能在一定程度上反映載荷的真實特征，同時在工程上又易于使用。現階段工程應用較為廣泛的爆炸載荷曲線模型為[2-3]

式中:t1——載荷上升達到最大值的時刻;

t0——載荷終止時刻;

a、b——常數；

p0——爆炸初壓;

pmax——爆炸最大壓力。

通過上述分析，結合實際工程經驗，確定番禺34-1CEP平臺生活模塊防爆墻爆炸載荷峰值為0.0 635 MPa，峰值時刻為0.01 s，整個爆炸持續時間為0.1 s，爆炸載荷曲線見圖4[4]。

圖4 爆炸載荷時程曲線圖

3 防爆墻強度計算分析

現階段，工程上對防爆墻進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；還有就是動力載荷分析，將整個爆炸作用時間的載荷以時程力方式加載到防爆墻結構上，從而得到動態效果。

3.1 建立計算模型

根據防爆墻的幾何特征、行為特征及板殼理論，推薦使用殼單元來模擬。由于有限元計算中要考慮大變形，故采用SHELL181單元來建立防爆墻的有限元模型；SHELL181是4節點彈性殼單元，具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。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。

計算模型根據防爆墻的實際結構尺寸建立，為保證計算精度，網格劃分過程中采用四邊形單元，整體有限元模型見圖5。考慮到實際工程中波紋板通過水平方向和垂直方向的支撐結構焊接到生活樓主體結構上，且生活樓結構剛度遠大于防爆墻，故為保守考慮將模型的邊界條件設為支撐結構的端部固支約束，見圖6。

3.2 靜力載荷分析

采用爆炸載荷峰值 0.063 5 MPa 乘以動力放大系數 1.2，即將靜態爆炸載荷 0.076 2 MPa 均布作用于防爆墻上，經過 ANSYS 計算，得到位移、應力結果見圖7、8。

由計算結果得到，節點2 766處的等效應力最大，應力值為319.303 MPa，位于最底層的支撐角鋼上；節點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。雖然最大應力值大于許用應力284 MPa(0.8×355=284 MPa)，由應力云圖可以看出為明顯的應力集中，且最大應力值小于屈服應力，因此防爆墻結構滿足強度要求。

圖5 防爆墻有限元模型

圖6 防爆墻模型邊界約束

圖7 防爆墻等效應力云圖(靜力)

圖8 防爆墻變形云圖(靜力)

3.3 動力載荷分析

動力載荷分析方法是將爆炸載荷時程加載到防爆墻上，從而得到結構的位移、應力時程曲線，這樣可以更好地觀察位移及應力變化。在前面的分析中已經得到了防爆墻的爆炸載荷時程，將圖4所示的時程載荷作用在防爆墻結構上，計算采用瞬態求解，整個爆炸響應時間為0.1 s，積分時間步長為0.005 s。經過計算分析得到結構的最大應力及變形出現在0.015 s，此時整體結構的應力云圖及變形云圖見9、10。

圖9 防爆墻等效應力云圖(動力)

節點2 813上的等效應力最大，應力值為330.28 MPa，節點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。提取節點2 813應力值及節點26 226位移值隨時間的變化曲線見圖11、12。

圖10 防爆墻變形云圖(動力)

圖11 節點2 813應力時程曲線

圖12 節點26 226位移時程曲線

由應力及位移的時程曲線圖可以看出，防爆墻結構在爆炸載荷的作用下，最大等效應力及最大位移都在0.015 s時出現，此時防爆墻結構處于最危險的時間點，隨著時間的變化，應力和位移逐漸趨向于零，最終未出現明顯的殘余應力和塑性變形。雖然最大應力值大于許用應力284 MPa，由應力云圖可以看出為明顯的應力集中，且最大應力值小于屈服應力，因此由動力分析結果也可以得出同樣的結論，防爆墻結構滿足強度要求。

4 結論

1)為了更好地對比靜力荷載和動力荷載兩種分析方法對防爆墻結構的影響，采取簡化處理，不考慮生活樓自身剛度、防爆墻結構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模型，較好地模擬了海洋平臺防爆墻受到的爆炸載荷。

2)傳統的防爆墻爆炸分析是基于靜力分析方式，這種分析方法計算簡單，如果放大系數選擇恰當的話，可以節省計算量，而達到比較精確的結果。但由本文計算可以看出，靜力分析得到的結果要偏于危險。可見，若用靜力分析方法，放大系數的選擇很重要。所以要對實際的工程對象進行有針對性的分析，以確定其爆炸載荷放大系數。

3)動力載荷分析方法計算過程復雜，導致整個分析方法周期過長，不太利于整個海洋平臺設計工作。但是，這種方法有更好的準確性，可以得到各個單元的位移時程曲線、應力時程曲線。由曲線可以了解材料是否發生了塑性變形以及結構中是否存在殘余應力；可以找到應力變化幅度較大處，從而對這些熱應力點進行重點保護。

[1] 韓圣章,胡云昌.海上油氣生產設施結構對爆炸的響應[J]，石油工程建設，2001(1)：5-6.

[2] 李 剛.工業設備抗粉塵爆炸性能研究[D].沈陽：東北大學，2001.

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

[4] 曲海富.海洋工程防爆墻結構有限元分析[D].天津：天津大學，2007.