高 偉
(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)
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。
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。
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
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)強度(圖3)。
圖3 爆炸力加載Fig.3 Upload of explosion force
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,滿足整體強度要求。在此基礎(chǔ)上運用ANSYS軟件進(jìn)一步校核墻皮強度。
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,每個節(jié)點有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
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
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。
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倍屈服強度(235MP例),強度滿足要求。
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
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。