防火艙壁舾裝支撐件導熱計算

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,江蘇 鎮江 212000)

船舶設計建造中,常見在防火艙壁或甲板上安裝舾裝支撐件,尤其是當舾裝支撐件安裝在敷設絕緣一側時,支撐件貫穿防火絕緣會對防火絕緣造成一定的破壞,導致防火艙壁的隔熱性能在這些貫穿點不能完全滿足國際海事組織(IMO)《國際海上人命安全公約(SOLAS)》對耐火分隔的溫升控制要求;同時,由于相關國際規范和船級社規范對這方面沒有非常明確的規定,現場在防火絕緣安裝報驗時,船級社驗船師往往根據自己的經驗,要求將所有的貫穿絕緣的舾裝支撐件用絕緣進行延伸包覆,由于舾裝支撐件的數量非常龐大,這樣的要求就會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算和驗證,船廠也無法給出具有說服力的絕緣延伸方案,因此往往會處于被動地位。為此,對解決這個問題進行探討。

1 實船舾裝支撐件的類型及安裝型式

所述舾裝支撐件指結構舾裝件、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,典型的安裝節點見圖1。

圖1 A60級防火艙壁舾裝支撐件安裝示意

圖1中A60級防火艙壁上敷設有A60級防火絕緣,附著在該艙壁上電纜托架支撐角鋼焊接在艙壁板和結構加強角鋼上。這些舾裝件支撐角鋼貫穿了A60級防火絕緣,從一定程度上破壞了A60級艙壁的耐火完整性。在實船設計時,由于這類支撐件數量非常多,如果不做任何處理,一旦發生火災,這些絕緣貫穿點就有可能使防火艙壁的防火性能打折扣,進而影響艙室的防火安全。必須精準有效地對這些薄弱點進行處理,做到即不過度處理,又不遺留隱患。

2 有限元模型建立

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

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、與結構扶強材面板焊接固定、與結構扶強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

假定艙壁構架面所包覆的A60級防火絕緣,材料為巖棉,密度為90 kg/m3,艙壁板包覆厚度為75 mm,扶強材包覆厚度為25 mm,加強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級防火艙壁有限元模型見圖3。

圖3 A60級防火艙壁有限元模型

圖4 A60級防火艙壁約束及初始溫度場

整個結構采用實體單元建模,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,整個模型是初始溫度場溫度為20 ℃。

3 高溫作用下的材料模型參數

進行熱分析時,為得到結構的溫度分布,需要確定鋼材與巖棉的熱分析材料參數,包括比熱容、導熱系數、熱對流系數及熱膨脹系數等。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級巖棉材料的相關特性,做為后續數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[1]給出的比熱容Cs計算公式。

1)20≤Ts<600 ℃時。

(1)

2)600≤Ts<735 ℃時。

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

(2)

3)735≤Ts<900 ℃時。

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

(3)

4)900≤Ts<1 200 ℃時。

Cs=650

(4)

計算得到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 鋼材的導熱系數

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

λs=54-3.33×10-2Ts

20≤Ts<800 ℃

(5)

λs=27.3 800≤Ts<1 200℃

(6)

計算得到20～1 000 ℃鋼材導熱系數λs見表2。

表2 高溫下鋼材的導熱系數

3.1.3 鋼材的對流換熱系數

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

3.2 巖棉的物理特性

根據相關國家標準[3],密度60～160 kg/m3的巖棉板的比熱容為1.22 J/(kg·K)。根據巖棉廠家提供的資料,所選用的A60級巖棉材料在不同溫度時的導熱系數計算結果見表3。

表3 高溫下巖棉的導熱系數

4 高溫下A60級防火艙壁的結構有限元仿真分析

4.1 標準升溫曲線及基本假設

國際上一些國家和組織制定了相關的標準升溫曲線,用于對一般火災事故下結構溫度場的研究分析。如北美等國家制定的ASTM-E119標準升溫曲線,以及國際標準化組織制定的ISO-834標準升溫曲線,這兩個標準溫升曲線見圖5,根據國際海事組織(IMO)相關規范[4]選取ISO-834規定的標準升溫曲線,分析A60級防火艙壁結構在典型高溫場景中的溫度場響應。

圖5 標準升溫曲線

ISO-834標準升溫曲線的表達式為

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

(7)

在進行標準升溫曲線下的A60級防火艙壁結構溫度分布分析時,需要建立標準升溫曲線下A60級防火艙壁的基本假設。

1)直接受火區域構件的軸向熱傳導忽略不計。

2)防火艙壁構件剛開始初始溫度為常溫,即20 ℃。

3)直接受火區域僅對周圍1 m范圍內的非直接受火區域空氣產生對熱換流作用。

4)假定火災發生在艙壁非構架面一側。

4.2 防火艙壁在高溫火災環境下失效的判定條件

在火災發生時,A60級防火絕緣的作用不僅僅是阻擋火災的蔓延,同時還可起到保護承重結構的作用,能有效的防止艙壁在承受火災時屈服強度降低而失去抗變形能力。這里主要評估舾裝支撐件對艙壁耐火絕緣隔熱完整性的破壞程度,結構強度的變化以及結構形變不予考慮。

根據相關國際規范要求[5],對于“A”級耐火分隔,在1 h的耐火試驗中,背火面測得平均溫度升高不應超過試件表面初始溫度140 ℃時,并且在包括任何接頭在內的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃。基于上述要求,在環境溫度為20 ℃時,如在仿真分析過程中(時長1 h內),舾裝支撐件上未被A60絕緣覆蓋的任何一點的溫度超過200 ℃,或者由于舾裝支撐件對防火絕緣的整體破壞,而導致艙壁背火一側整體平均溫度達到160 ℃及以上時,則判定該防火艙壁發生失效。

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,背火面在標準溫升條件下的溫度分布見圖6、7。

圖6 A60級防火艙壁及舾裝支撐件溫度分布(t=60 min)

圖7 相同規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,可以得出下述結論。

1)A60絕緣的暴露面溫度明顯低于鋼板及加強角鋼的溫度。

2)舾裝支撐角鋼的溫度分布,距離艙壁板越遠溫度升高越小。

3)火災狀態下,相同規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,固定在結構角鋼面板上的支撐件溫升最小。

防火艙壁每隔10 min時的溫度上升情況見表4。從表4可以看出,隨著受火時間的增加,艙壁背火面溫升一直較為緩慢,未出現突然上升的情況,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 ℃)的位置點距離艙壁的尺寸。由于艙壁板上A60絕緣厚度為75 mm,結構加強角鋼上包敷的絕緣厚度為25 mm,結構加強角鋼的腹板高度為160 mm,因此對于艙壁板上固定的舾裝支撐角鋼,如溫度為200 ℃的位置點到艙壁的距離大于75 mm,則被認為該支撐角鋼對絕緣的破壞導致耐火艙壁局部失效;對于安裝在結構角鋼面板和腹板上的舾裝支撐件,該距離大于185 mm時,則認為該支撐角鋼導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 ℃)的位置點到艙壁的距離 mm

基于上述評價標準,從表5中可以得出以下結論。

1)當舾裝支撐角鋼安裝在結構加強角鋼面板上時,在1 h的耐火試驗中,所有規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引起耐火艙壁的局部失效。

2)當舾裝支撐角鋼搭接在結構加強角鋼腹板上,其溫度為200 ℃的位置點均小于185 mm,說明舾裝支撐件的這種安裝型式不會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,溫度為200 ℃的位置點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)沖孔角鋼相對于不沖孔的角鋼,溫度升高更加明顯。

5 結論

在A60級耐火艙壁絕緣敷設一側安裝的舾裝支撐角鋼是否會對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于固定在結構加強上的支撐件而言,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。

為了方便建模和計算,對艙壁的壁厚、艙壁加強結構的型式和尺寸、舾裝支撐件的規格和尺寸以及A60絕緣的類型和厚度等都進行了限定,但在實船設計建造時,A60級耐火分隔的類型以及舾裝支撐件的類型有很多,在進行傳熱分析時判定耐火艙壁局部失效的標準也會隨之不同,但是這類問題的分析方法普遍適用。