海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)防爆墻設(shè)計

高 偉

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海洋平臺鋼結(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)計方法。本文對鋼結(jié)構(gòu)桁架的分析使用了美國 EDI公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件 SACS，主要針對桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，簡潔有效，該軟件在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；而對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，平臺設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)爆炸發(fā)生時，鋼結(jié)構(gòu)仍然能夠擁有足夠的儲備能力，避免產(chǎn)生平臺永久的結(jié)構(gòu)性破壞，常見的海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)防爆墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用 SACS進(jìn)行平臺整體分析時應(yīng)將爆炸力考慮進(jìn)來。

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以爆炸源為核心的同心球，但由于平臺上爆炸源存在較大不確定性，只能大致確定一個范圍，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)果校核依托于美國石油學(xué)會API RP 2A《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦方法工作應(yīng)力設(shè)計法》，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，而常見的防爆墻墻皮一般不超過 6mm，故選取該單元是合適的。該單元有 4個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度(3個平動自由度和 3個轉(zhuǎn)動自由度)，具有強(qiáng)大的針對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

平臺上防爆墻周圍通常由水平和豎直方向的鋼結(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(截斷處至少為梁高的 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)計的主要荷載是爆炸力，由專門的火災(zāi)爆炸分析報告提供，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防爆墻墻面上，同時由于爆炸力的突然性，校核時需要適當(dāng)考慮一個動力放大系數(shù)，本文取1.2。

2.4 計算結(jié)果

本算例分別針對墻皮應(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%，符合美國石油學(xué)會API RP 2A海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的相關(guān)要求。

圖8 波紋板應(yīng)變云圖Fig.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

海上油氣開采是一個高風(fēng)險性的系統(tǒng)工程，其安全性是第一位需要考慮的，海洋平臺在面對火災(zāi)爆炸等惡性安全事故時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，平臺設(shè)計時應(yīng)考慮爆炸對平臺的影響，才利于從源頭上降低潛在風(fēng)險可能帶來的人員財產(chǎn)損失。