李永正，王 珂，賈 芹，袁友華

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.韓通(上海）新能源船舶設(shè)計研發(fā)有限公司，上海 201203;3.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

油氣爆炸下海洋平臺抗爆結(jié)構(gòu)型式數(shù)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(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.韓通(上海）新能源船舶設(shè)計研發(fā)有限公司，上海 201203;3.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋平臺作為人們開發(fā)利用海洋資源的重要基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)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(jìn)行波紋板和夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計。使用非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析軟件MSC.Dytran對不同結(jié)構(gòu)型式艙壁下燃油艙的吸能情況進(jìn)行數(shù)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(jié)構(gòu)。

油氣爆炸;海洋平臺;抗爆結(jié)構(gòu);波紋板;夾層板

0 引言

作為海洋油氣資源開采的重要設(shè)施，海洋平臺長期處于復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中，除受到正常的工作載荷和環(huán)境載荷，還時常受到火災(zāi)、爆炸等風(fēng)險載荷的作用。資料顯示，由爆炸引發(fā)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(jīng)濟損失，同時也導(dǎo)致嚴(yán)重的海洋環(huán)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(shè)置快、單位強度高的優(yōu)點普遍應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)中。

海洋平臺防爆墻對爆炸載荷的響應(yīng)，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(guān)研究以及夾層板結(jié)構(gòu)［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(jìn)行波紋板和夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對不同艙壁結(jié)構(gòu)下燃油艙能量吸收的數(shù)值對比分析，獲得抗爆效果較好的海洋平臺艙壁抗爆結(jié)構(gòu)型式。

1 流－固耦合算法

對油氣爆炸載荷作用下海洋平臺結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真時，既存在結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)也能模擬流體，通過拉格朗日網(wǎng)格與歐拉網(wǎng)格間的相互耦合，還可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)與流體之間相互作用的模擬。MSC.Dytran程序根據(jù)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(jié)構(gòu)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(wǎng)格的劃分必須用MESH卡定義。由于每個耦合系統(tǒng)內(nèi)的歐拉網(wǎng)格只能定義為耦合面內(nèi)部或外部有流體材料的計算，而且各個耦合系統(tǒng)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(wǎng)格，且在共用艙壁處劃分重合的啞元以構(gòu)建封閉的耦合面［12］。

2 艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

以海洋平臺燃油艙圍壁為研究對象，對其分別進(jìn)行波紋板和夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時，相比傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

對燃油艙的4個圍壁，參考文獻(xiàn)［3－4］進(jìn)行波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計。波紋板根據(jù)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(jié)構(gòu)截面尺寸主要參數(shù)是高度h和長度L，如圖1所示。3種波紋板結(jié)構(gòu)的具體截面尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 波紋板截面尺寸參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計

對燃油艙的4個圍壁進(jìn)行夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計，共設(shè)計3種不同結(jié)構(gòu)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(shè)計思想為:在重量相等的前提下，用上、下面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)加筋板平板，夾芯層代替加強筋，并調(diào)整相鄰結(jié)構(gòu)之間的連接。具體尺寸設(shè)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(zhì)量等效的原則獲得［13］。不同夾層板結(jié)構(gòu)的具體尺寸見表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 FEM of offshore platform structure

圖3 艙室結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 FEM of cabin structure

3.1 材料狀態(tài)方程及參數(shù)

海洋平臺結(jié)構(gòu)采用彈塑性材料，具體材料參數(shù)為:材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，屈服應(yīng)力σ0=315 MPa(準(zhǔn)靜態(tài)屈服應(yīng)力），泊松比υ=0.3，動態(tài)失效應(yīng)變δ=0.15。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)計算時需要特別注意材料的應(yīng)變率敏感性問題。本文采用與試驗數(shù)據(jù)符合較好的 Cowper－Symonds［14］本構(gòu)模型來考慮材料應(yīng)變率的影響，模型中動態(tài)屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系如下:

式中:σ0為初始材料靜態(tài)屈服應(yīng)力;為應(yīng)變率;D和q為應(yīng)變率系數(shù);為有效塑性應(yīng)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(yīng)變?yōu)?0.15。

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

式中:e為單位質(zhì)量的內(nèi)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(nèi)能e=2 × 105J/kg;爆炸源密度 ρ=40 kg/m3［16－17］，爆源比內(nèi)能e=1.6×107J/kg。

3.2 結(jié)構(gòu)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(tǒng)加筋板架及不同夾層板結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖4 波紋板結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 FEM of corrugated plate structure

圖5 夾層板結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 FEM of sandwich plate structure

4 計算結(jié)果分析

本文參考文獻(xiàn)［18］對于泄漏氣體TNT當(dāng)量的劃分標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合燃油艙的幾何尺寸9 m×4 m×4.5 m，選取TNT當(dāng)量為15 kg的中規(guī)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(jié)構(gòu)型式時艙室內(nèi)各構(gòu)件的能量吸收曲線。

表3為燃油艙2的圍壁采用不同結(jié)構(gòu)時艙室內(nèi)各構(gòu)件的能量吸收統(tǒng)計。由于海洋平臺上主要的工作設(shè)備都在甲板上，所以對于不同圍壁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下各構(gòu)件能量曲線Fig.6 Energy curve of different bulkhead structure

表3 燃油艙構(gòu)件吸能統(tǒng)計Tab.3 Energy absorption statistics of fuel tank components

從表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，艙室圍壁采用不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式下艙室各構(gòu)件上的分配卻有很大不同。對于波紋板結(jié)構(gòu)，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(gòu)件橫、縱艙壁的變形能百分比則最高達(dá)92.49%，可見波紋板結(jié)構(gòu)中，以波紋板Ⅰ的抗爆效果最佳;對于夾層板結(jié)構(gòu)，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(gòu)件橫、縱艙壁的變形能百分比最高達(dá)87.11%，可見夾層板結(jié)構(gòu)中，以U型夾層板的抗爆效果最佳。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用非線性數(shù)值仿真技術(shù)，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(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。重點對燃油艙采用不同圍壁結(jié)構(gòu)情況下，艙室各構(gòu)件的能量吸收作了比較分析，得到如下結(jié)論:

1）對于波紋板結(jié)構(gòu)，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(gòu)件橫、縱艙壁的變形能百分比則最高達(dá)92.49%，可見波紋板結(jié)構(gòu)中，以波紋板Ⅰ的抗爆效果最佳;

2）對于夾層板結(jié)構(gòu)，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(gòu)件橫、縱艙壁的變形能百分比最高達(dá)87.11%，可見夾層板結(jié)構(gòu)中，以U型夾層板的抗爆效果最佳。

［1］朱錕.海洋平臺爆炸事故風(fēng)險分析與防護對策研究［D］.北京:中國石油大學(xué)，2011.

ZHU Kun.Offshore platform explosion accident risk analysis and protection countermeasures［D］.Beijing:China University of Petroleum，2011.

［2］趙海波，葉國莊，張健，等.結(jié)構(gòu)體對爆炸沖擊波載荷響應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997，16(3）:39－45.

ZHAO Hai-bo，YE Guo-zhuang，ZHANG Jian，et al.Numerical simulation of responses structure to explosive shock loading［J］.Journal of Shenyang Industry Institute，1997，16(3）:39 －45.

［3］張媛，葉茂盛，邱海榮，等.波紋板防爆墻應(yīng)力分析研究［J］.石油與化工設(shè)備，2010(13）:18 －20.

ZHANG Yuan，YE Mao-sheng，QIU Hai-rong，et al.Corrugated plate blast wall stress analysis research［J］.Petroleum and Chemical Equipment，2010(13）:18 －20.

［4］于文靜，趙金城，史健勇，等.波紋板防爆墻在爆炸荷載作用下動態(tài)力學(xué)性能研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2012(38）:78－81.

YUWen-jing，ZHAO Jin-cheng，SHI Jian-yong，et al.Study on dynamic mechanical performance of corrugated sheet bast wall under bast loading［J］.Sichuan Construction Scientific Research，2012(38）:78 －81.

［5］張延昌，王自力，顧金蘭.夾層板在艦船舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.中國造船，2009，23(1）:36 －44.

ZHANG Yan-chang，WANG Zi-li，GU Jin-lan.Application of sandwich panel in anti-shock design of warship's side structure［J］.China Shipbuilding，2009，23(1）:36 －44.

［6］于輝，百兆宏，姚熊亮.蜂窩夾層板的優(yōu)化設(shè)計分析［J］.中國艦船研究，2012，7(2）:60 －64.

YU Hui， BAI Zhao-hong， YAO Xiong-liang. The optimization design and analysis of honeycomb sandwich panel［J］.Chinese Ships Research，2012，7(2）:60 －64.

［7］黃超.近場非接觸水下爆炸艦船新型防護結(jié)構(gòu)抗爆性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

HUANG Chao.Near field non-contact underwater explosion research ship new protection structure antiknock performance［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2009.

［8］張延昌，顧金蘭，王自力.蜂窩式夾層結(jié)構(gòu)單元的防護性能分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(6）:108 －113.

ZHANG Yan-chang，GU Jin-lan，WANG Zi-li.The protective performance analysis of cellular sandwich structure unit［J］.Marine Science and Technology，2008，30(6）:108－113.

［9］王珂，尹群，嵇春艷，等.可燃?xì)怏w泄漏爆炸下海洋平臺數(shù)值仿真計算［J］.船舶工程，2008，26(2）:90 －95.

WANG Ke，YIN Qun，JI Chun-yan，et al.Numerical simulation of the blast wall in the offshore platform under explosion pressure of flammable gases［J］.Marine Engineering，2008，26(2）:90 －95.

［10］何皛磊，尹群.油氣爆炸作用下海洋平臺抗沖擊結(jié)構(gòu)研究［J］.海洋工程，2008，26(4）:16－22.

HE Xiao-lei，YIN Qun.Explosion shock offshore platform structure under the action of oil and gas research［J］.The Ocean Engineering，2008，26(4）:16 －22.

［11］崔穎，尹群，孫彥杰，等.油氣爆炸載荷作用下海洋平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)及風(fēng)險研究［J］.中國海洋平臺，2008，23(1）:45－53.

CUI Ying，YIN Qun，SUN Yan-jie，et al.Oil and gas offshore platform structures under explosion load response and risk research［J］.China Offshore Platform，2008，23(1）:45－53.

［12］杜志鵬.大型水面艦船舷側(cè)多艙室防護結(jié)構(gòu)抗爆機理和仿真研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2005.

DU Zhi-peng.Large surface ships side cabin protective structure mechanism of antiknock and simulation study［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2005.

［13］趙卉.空爆載荷下夾層板損傷機理研究［D］.江蘇:江蘇科技大學(xué)，2012.

ZHAO Hui.Empty sandwich plate under explosive load damage mechanism research［D］.Jiangsu:Jiangsu University of Science and Technology，2012.

［14］COWPER G R，SYMONDSPS.Strain hardening and strain rate effects in the impact loading of cantilever beams［R］.Brown University，Division of Applied Mathematics Report，1957.

［15］KITAMURA O.Comparative study on collision resistance of side structure［J］.Marine Technology，1998，34(2）:293－308.

［16］KIVITY Y，F(xiàn)ELLER S.Blast venting from a cubicle［C］.The 22nd DOD Explosives Safety Seminar，1986:1 －19.

［17］KIVITY Y，F(xiàn)LORIE C，LENSELINK H.Response of protective structures to internal explosions with blast venting［C］.MSCWorld Users＇Conference，1993:1 －10.

［18］蘇艷艷.氣體爆炸載荷作用下海洋平臺結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2007.

SU Yan-yan.Gas explosion load under the action ofoffshore platform structure dynamic response study［D］.Zhenjiang:Jiangsu University of Science and Technology，2007.

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。