摘要： 近年來(lái)海洋平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，爆炸產(chǎn)生的超壓將對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成損傷；目前研究?jī)H局限于對(duì)小型關(guān)鍵構(gòu)件或簡(jiǎn)化艙室模型在單點(diǎn)爆炸場(chǎng)景下進(jìn)行模擬。針對(duì)大型導(dǎo)管架平臺(tái)典型上層甲板及復(fù)雜艙室結(jié)構(gòu)，基于歐拉-拉格朗日耦合算法對(duì)多點(diǎn)爆炸場(chǎng)景下的爆炸沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬，分析平臺(tái)設(shè)備與防爆墻分布對(duì)爆炸沖擊波傳播路徑的影響；研究多點(diǎn)爆炸載荷作用下沖擊波的傳播規(guī)律，分析平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)比研究不同爆炸場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)的損傷情況。結(jié)果表明：對(duì)于復(fù)雜艙室結(jié)構(gòu)，同質(zhì)量TNT情況下采用單點(diǎn)爆源和雙點(diǎn)爆源兩種爆炸方式，前者的峰值超壓是后者的1.82倍，而結(jié)構(gòu)的最大等效變形和最大等效應(yīng)力幾乎相等；當(dāng)爆點(diǎn)數(shù)量分別為3和2（TNT總質(zhì)量倍比為1.68）時(shí)，峰值超壓幾乎相等，而結(jié)構(gòu)的最大變形倍比為2.88。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)管架海洋平臺(tái)； 多點(diǎn)爆炸； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 爆炸超壓； 歐拉-拉格朗日耦合算法

中圖分類(lèi)號(hào)： TE 951"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

引用格式：林紅，欒昊臣，魏龍成，等.多點(diǎn)爆炸下海洋平臺(tái)上層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬與損傷分析［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（6）：182-191.

LIN Hong， LUAN Haochen， WEI Longcheng， et al. Dynamic response simulation and damage analysis of upper structures of offshore platform under multi-point explosions［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（6）：182-191.

Dynamic response simulation and damage analysis of upper structures of offshore platform under multi-point explosions

LIN Hong^1，2， LUAN Haochen2， WEI Longcheng2， YANG Lei3， ZHANG Shuo2， HAN Pingping2， XU Hao2， FAN Qi2， CHEN Guoming1

（1.Center for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

3.College of Science in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： In recent years， there have been frequent occurrences of fire and explosion accidents on offshore platforms. The overpressure generated by explosions will cause damage to the platform structure. At present， numerical simulation for structures under explosion is limited to small-scaled key components of the platform or simplified cabin models under single point explosions. We focus on the typical upper deck and complex cabin of jacket platforms exposed to multi-point explosions. The simulation of the explosion process was carried out based on the Euler-Lagrange coupling algorithm. The influence of distributions of the equipment and the anti-blast wall on the propagation of explosion shock waves was studied. Then the propagation law of shock waves under multi-point explosions was studied， correspondingly， the dynamics response of the upper platform was analyzed. Finally， the structural damage caused by different explosion scenarios was compared. The results show that in the case of the equal TNT mass， for different scenarios of two-point explosion and single-point explosion， the peak overpressure of the former is 1.82 times that of the latter， while the maximum equivalent deformation and the maximum equivalent stress of the structure are almost equal. However， when the numbers of explosive points are 3 and 2， respectively （the total TNT mass ratio is 1.68 times）， the peak overpressure is almost equal， while the maximum deformation ratio of the structure is 2.88 times.

Keywords： offshore jacket platform; multi-point explosion; dynamic response; explosion overpressure; Euler-Lagrange coupling algorithm

近年來(lái)，海洋油氣裝備泄露及火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，引起各界的廣泛關(guān)注^［1-12］。特別是海洋平臺(tái)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生爆炸事故，將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的熱效應(yīng)和爆炸超壓載荷，從而引起海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失去原本承載能力^［6-7］、發(fā)生傾覆，進(jìn)而將會(huì)對(duì)人員、設(shè)施和環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，針對(duì)典型大尺度導(dǎo)管架海洋平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)，研究其在復(fù)雜爆炸場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及損傷機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展抗爆防護(hù)研究，將對(duì)控制平臺(tái)爆炸事故的形成、發(fā)展提供重要理論支撐。近年來(lái)，針對(duì)封閉環(huán)境下的爆炸問(wèn)題^［13-15］，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了管型、楔形、立方體容器內(nèi)的爆炸試驗(yàn)，并研究了障礙物對(duì)爆炸傳播規(guī)律的影響。然而，考慮到開(kāi)展大型結(jié)構(gòu)的爆炸試驗(yàn)具有較大困難和風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)值模擬在爆炸事故研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣^［16-20］，目前研究主要集中在模擬爆炸沖擊波傳播規(guī)律方面，并取得較多成果。如何分析結(jié)構(gòu)在爆炸超壓作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及損傷，是研究人員需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題^［21-23］。由于爆炸模擬具有強(qiáng)烈的流-固耦合非線性特性，且結(jié)構(gòu)材料本身的非線性本構(gòu)關(guān)系，導(dǎo)致模擬計(jì)算量巨大。因此目前針對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的爆炸模擬僅局限于小型關(guān)鍵構(gòu)件^［22］或簡(jiǎn)化艙室模型^［7］。另一方面，海洋平臺(tái)上氣體泄漏后會(huì)發(fā)生大范圍的擴(kuò)散，爆炸的位置具有隨機(jī)性，甚至可能存在多點(diǎn)爆炸風(fēng)險(xiǎn)^［24］。已有研究發(fā)現(xiàn)，多點(diǎn)爆炸作用下產(chǎn)生的沖擊波往往不是單點(diǎn)爆炸結(jié)果的簡(jiǎn)單疊加^［25］，其對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷機(jī)制更為復(fù)雜。綜上所述，雖然目前海洋平臺(tái)的燃爆事故引起研究人員的廣泛關(guān)注，然而針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)大型艙室結(jié)構(gòu)在爆炸過(guò)程中的流-固耦合效應(yīng)，特別是多點(diǎn)爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷機(jī)制研究鮮有報(bào)道。筆者采用歐拉-拉格朗日耦合算法對(duì)多點(diǎn)爆炸沖擊過(guò)程及流-固耦合作用進(jìn)行模擬，分析平臺(tái)設(shè)備與防爆墻分布對(duì)爆炸沖擊波傳播路徑的影響，研究多點(diǎn)爆炸載荷作用下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，比較不同爆炸場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)的損傷情況。

1 爆炸模擬理論基礎(chǔ)與方法驗(yàn)證

1.1 理論基礎(chǔ)

1.1.1 兩點(diǎn)爆炸沖擊波傳播規(guī)律

當(dāng)兩個(gè)TNT裝藥點(diǎn)同時(shí)引爆后，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)相交重疊。碰撞后形成的復(fù)合沖擊波繼續(xù)向中心擴(kuò)散，直到爆炸結(jié)束^［24］。如圖1中所示，當(dāng)兩個(gè)強(qiáng)度相等的沖擊波相向傳播時(shí)，將在A點(diǎn)發(fā)生正碰撞，使碰撞點(diǎn)位置的壓力迅速增大，同時(shí)形成兩個(gè)沖擊波，分別向兩個(gè)起爆點(diǎn)傳播。當(dāng)兩個(gè)沖擊波呈一定角度碰撞時(shí)，則會(huì)發(fā)生沖擊波的斜反射。

1.1.2 空氣與TNT炸藥的狀態(tài)方程

為確保爆炸模擬結(jié)果的正確性，流體材料（包括空氣和炸藥）需要定義狀態(tài)方程來(lái)描述爆炸過(guò)程中壓力隨溫度、密度與能量之間的變化關(guān)系。假設(shè)空氣為理想氣體，其狀態(tài)方程^［26］可表示為

p=（γ-1）ρe.（1）

式中，p為壓強(qiáng)，Pa；γ為絕熱指數(shù)；ρ為密度， kg·m^-3；e為氣體比內(nèi)能，J/kg。

各參數(shù)取值：空氣密度 ρ=1.225 kg·m^-3，比熱容 c=717.6 J/（kg·℃），絕熱指數(shù)γ=1.4，比內(nèi)能 e=2.5×10⁵ J/kg。

通常海洋平臺(tái)上的爆炸源為泄漏的可燃?xì)怏w，在此，將其等效為球形TNT炸藥，采用JWL狀態(tài)方程來(lái)定義壓力變化，其表達(dá)式^［27］為

p=A1-ωR1Ve^-R1v+B1-ωR2Ve^-R2v+ωEV .（2）

式中，ω、A、B、R1、R2為自定義的輸入?yún)?shù)；V為相對(duì)體積；E為初始單位體積的熱力學(xué)能，MJ/m3。

TNT參數(shù)^［27］定義： TNT密度為1600 kg·m^-3，起爆速度為6930 m·s^-1，Chapman-Jouget壓力pCJ為21 GPa，初始單位體積的熱力學(xué)能E=7000 MJ·m^-3，ω=0.3， A=371.2 GPa，B=3.231 GPa，R1=4.15，R2=0.95。

1.1.3 鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)方程與參數(shù)

對(duì)于材料在高應(yīng)變率下的塑性變形行為，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了不同的本構(gòu)模型，常用的有Johnson-Cook模型和Cowper-Symonds模型。其中Cowper-Symonds模型描述了各向同性應(yīng)變硬化、應(yīng)變率相關(guān)的材料的屈服強(qiáng)度Y^［26］，可表示為

Y=（a+bεnpl）1+plD^1/q.（3）

式中，a為初始屈服應(yīng)力，MPa；b為應(yīng)變硬化系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；D和q為應(yīng)變率硬化系數(shù)。

本文所研究的平臺(tái)鋼Q345的材料參數(shù) ^［27］：Q345鋼的密度為7850 kg·m^-3，彈性模量為200" GPa，泊松比為0.33，a為362.91 MPa，b為0，n為0，D為6 844 s^-1，q為3.91。

1.2 爆炸模擬方法及單點(diǎn)爆炸驗(yàn)證

（1）爆炸-結(jié)構(gòu)耦合模擬方法。爆炸過(guò)程中存在強(qiáng)烈的流-固耦合效應(yīng)，通過(guò)歐拉-拉格朗日耦合方法來(lái)模擬^［23］。固體結(jié)構(gòu)可以被賦予拉格朗日參考系或歐拉參考系，流體材料只能設(shè)置為歐拉參考系。在模擬計(jì)算時(shí)兩個(gè)參考系中的物體會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相互作用并形成耦合。

（2）單點(diǎn)爆炸模擬驗(yàn)證。參照Gan Lu等^［27］的單點(diǎn)爆炸試驗(yàn)建立等尺寸的數(shù)值模型，如圖2所示。鋼板上方設(shè)置立方體炸藥進(jìn)行引爆，其中鋼板的長(zhǎng)度、寬度和厚度為1.5 m×1.5 m×0.008 m，立方體炸藥邊長(zhǎng)為15 cm，與鋼板距離為87.7 cm。文獻(xiàn)［27］中建立1/8的數(shù)值模型，本文驗(yàn)證中采用了全尺寸模型，鋼板的邊界條件如圖2所示，狀態(tài)方程如式（1）、（2）所述，其余材料參數(shù)以及邊界條件與文獻(xiàn)［27］中保持一致。

為消除網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)驗(yàn)證模型的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)對(duì)比分析，采用尺寸為5 mm的網(wǎng)格，此時(shí)歐拉域網(wǎng)格數(shù)量為8000000，可同時(shí)兼顧計(jì)算精度與效率。

本文中變形的模擬結(jié)果與Gan等 ^［27］所做的試驗(yàn)及模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。模擬的鋼板凹陷深度、凹陷直徑與文獻(xiàn)［27］中誤差分別為29%和9.3%?？紤]到本文模型為全尺寸模型，網(wǎng)格尺寸和原文有所不同，因此認(rèn)為誤差在可接受范圍內(nèi)。

1.3 兩點(diǎn)爆炸模擬驗(yàn)證

在單點(diǎn)爆炸的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩點(diǎn)爆炸模擬。將立方體炸藥分成兩等份，間隔為1.2 m，圖5為兩點(diǎn)爆炸的計(jì)算模型。其余條件均與單點(diǎn)爆炸場(chǎng)景一致。

爆炸模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，兩個(gè)爆炸中心產(chǎn)生的超壓在歐拉域中部相碰撞，并逐漸交匯形成一個(gè)沖擊波。爆炸初始，兩個(gè)爆炸點(diǎn)各自產(chǎn)生沖擊波，使得鋼板兩側(cè)各形成一個(gè)凹陷中心，兩沖擊波交匯后形成第三個(gè)狹長(zhǎng)的凹陷中心。1 ms 時(shí)兩側(cè)的凹陷中心逐漸消失，中間的凹陷范圍逐漸擴(kuò)大，凹陷深度也迅速增加。隨后，兩個(gè)沖擊波完成疊加，在 2 ms 時(shí)鋼板上只留下中心凹陷，且逐漸變?yōu)閳A形。兩點(diǎn)爆炸作用下，鋼板的最大變形為50.4 mm，凹陷直徑為36 cm。這一結(jié)果與單點(diǎn)爆炸結(jié)果基本一致。數(shù)值模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映沖擊波的疊加過(guò)程，由此表明所采用多點(diǎn)爆炸方法的可行性。

2 平臺(tái)局部爆炸分析

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

為研究局部爆炸對(duì)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)產(chǎn)生的影響， 將平臺(tái)上部艙室及甲板層作為研究對(duì)象（圖7）。甲板層之間設(shè)有2道防爆墻，由防爆墻和艙室壁分割成5個(gè)半封閉艙室空間，各艙室中設(shè)置有設(shè)備。其平面尺寸為25 m×25 m，兩層甲板之間的距離為7 m。假定位于艙室1的三相分離器由于可燃?xì)怏w泄露進(jìn)而引發(fā)爆炸。該三相分離器為空心設(shè)備，壁厚為15 mm，其余設(shè)備為實(shí)心柱體，防爆墻及艙室壁的厚度為10 mm，甲板層厚度為70 mm，下面鋪設(shè)工字梁以提高甲板的承載能力。

針對(duì)模型的不同區(qū)域進(jìn)行了不同尺寸的網(wǎng)格劃分。空氣域的網(wǎng)格尺寸為800 mm，甲板層、防爆墻和艙室壁及三相分離器為分析研究的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，采用的網(wǎng)格尺寸為200 mm。其余設(shè)備采用自定義尺寸進(jìn)行劃分， 在保證計(jì)算過(guò)程能夠平穩(wěn)收斂的前提下，盡可能優(yōu)化網(wǎng)格，同時(shí)考慮計(jì)算效率。最終劃分完成的有限元模型網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.88，處于較好水平。

2.2 場(chǎng)景設(shè)計(jì)與邊界條件

假設(shè)可燃?xì)怏w從三相分離器中泄漏出來(lái)，進(jìn)一步導(dǎo)致爆炸的發(fā)生。將爆炸源等效為半徑 0.5 m 的球形TNT炸藥，距離下層甲板 2.5 m，平面位置如圖7所示。平臺(tái)及設(shè)備儀器均為拉格朗日域。平臺(tái)外側(cè)包裹著空氣域，空氣性質(zhì)為理想氣體，與固體結(jié)構(gòu)表面耦合接觸，外部空氣及TNT炸藥均為歐拉域。歐拉域各邊界均為自然流出，平臺(tái)下層甲板的工字梁底面為固定約束邊界。球形TNT中心為起爆點(diǎn)，計(jì)算開(kāi)始時(shí)立刻進(jìn)行起爆，爆炸的總模擬時(shí)間為6 ms。

考慮發(fā)生多點(diǎn)同時(shí)爆炸的情況將增大設(shè)備的損傷風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步模擬了兩點(diǎn)爆炸和三點(diǎn)爆炸兩種場(chǎng)景，研究不同爆炸情景下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與損傷情況，各場(chǎng)景設(shè)置見(jiàn)表1。其中場(chǎng)景1中單個(gè)爆點(diǎn)的TNT質(zhì)量為837.7 kg；場(chǎng)景2中將單個(gè)爆點(diǎn)近似等分為2個(gè)爆點(diǎn)，由于建模誤差每個(gè)爆點(diǎn)的質(zhì)量差別為2.4%；場(chǎng)景3中為三點(diǎn)爆源，由于建模誤差每個(gè)爆點(diǎn)的質(zhì)量比場(chǎng)景2中增大了12.4%。這些差別考慮在內(nèi)，可研究多點(diǎn)爆炸的不同情況及規(guī)律。

3 單點(diǎn)爆炸結(jié)果

3.1 爆炸超壓傳播規(guī)律

TNT炸藥在空中爆炸后迅速釋放生成大量高溫、高壓爆轟產(chǎn)物，并以極高速度向外膨脹，強(qiáng)烈壓縮周?chē)諝庑纬沙羲龠\(yùn)動(dòng)的空氣沖擊波，從而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊作用。

如圖 8 所示，爆炸沖擊波在 0.5 ms 時(shí)接觸到三相分離器，并在三相分離器表面產(chǎn)生了4個(gè)明顯的壓力作用點(diǎn)；2 ms 時(shí)沖擊波傳播至上下甲板層，造成上層甲板的凸起和下層甲板的凹陷變形；4 ms 時(shí)沖擊波擴(kuò)展至四面的防爆墻和艙室壁，其影響范圍幾乎包含了整個(gè)艙室1，但由于設(shè)置了防爆墻，因此對(duì)相鄰的幾個(gè)艙室和設(shè)備并未造成嚴(yán)重影響。在爆炸沖擊波發(fā)展過(guò)程中，最大傳播速度為3.55 km/s，在 1.5 ms 時(shí)達(dá)到峰值；在接觸到設(shè)備和甲板后迅速衰減，并穩(wěn)定在 1.69 km/s。爆炸超壓的峰值可達(dá) 935 MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果

3.2.1 甲板及設(shè)備變形分布

圖9為單點(diǎn)爆炸場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果。由圖9可見(jiàn)，平臺(tái)上層甲板變形最為嚴(yán)重。爆炸源正上方的部分甲板產(chǎn)生顯著凸起，最大變形超過(guò)60 mm，凸起范圍直徑超過(guò)2 m，呈環(huán)狀向四周均勻擴(kuò)散，基本覆蓋整個(gè)三相分離器艙室的頂部。此外，四周的防爆墻及艙室壁變形相對(duì)均勻，左側(cè)艙室壁變形尤為嚴(yán)重，與下層甲板相連部位有長(zhǎng)條狀的凹陷，長(zhǎng)度為1.5 m，變形可達(dá)44.5 mm；其他位置的變形較小，范圍在9～32 mm。兩個(gè)三相分離器表面都發(fā)生了比較均勻的變形，范圍在

12～31 mm。另外，以三相分離器4個(gè)支座為中心，產(chǎn)生了4個(gè)局部凹陷點(diǎn)，并逐漸向四周擴(kuò)展，這表明，爆炸產(chǎn)生的壓力傳播到三相分離器上后經(jīng)底座作用于底層甲板，而處于爆炸源正下方的甲板區(qū)域則變形極小。

3.2.2 設(shè)備及防爆墻應(yīng)力分布

圖10為平臺(tái)的等效應(yīng)力結(jié)果。由圖10可見(jiàn)，平臺(tái)艙室的最大應(yīng)力出現(xiàn)在防爆墻1的下部，數(shù)值為416.69 MPa，遠(yuǎn)大于材料的屈服極限363 MPa。艙室1內(nèi)大面積區(qū)域已進(jìn)入塑性屈服階段，尤其是三相分離器與底座接觸部位已有損毀的風(fēng)險(xiǎn)。圖10（a）中所示的艙室壁中有三面存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，尤其是防爆墻1與甲板相連的地方最為嚴(yán)重。艙室底部應(yīng)力分布相對(duì)分散，兩個(gè)設(shè)備的4個(gè)支座底部應(yīng)力相對(duì)較大，除此之外甲板其他部位的應(yīng)力集中區(qū)域呈點(diǎn)狀分布。甲板底部的支撐橫梁應(yīng)力集中明顯，尤其在工字梁腹板位置（圖10（b）），出現(xiàn)了4個(gè)明顯的高應(yīng)力區(qū)域，由于加固梁的作用，降低了甲板的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 關(guān)鍵設(shè)備表面應(yīng)力時(shí)程結(jié)果

為準(zhǔn)確反映關(guān)鍵設(shè)備在爆炸過(guò)程中的等效應(yīng)力變化，分別在三相分離器M和N的表面設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖11），圖12為監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化。由圖12可知，設(shè)備表面應(yīng)力約在 4 ms時(shí)達(dá)到峰值，最大值超過(guò)了 309 MPa；隨后有一定回落，這是由于沖擊波在接觸到三相分離器表面后會(huì)發(fā)生一定的反射，之后在局部發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備表面的損傷范圍擴(kuò)大，并在降低到 150 MPa 左右后再次上升，這將對(duì)結(jié)構(gòu)造成二次沖擊作用。

4 多點(diǎn)爆炸模擬結(jié)果

4.1 兩點(diǎn)爆炸

兩點(diǎn)爆炸模型中將TNT炸藥劃分為兩個(gè)等量的球形爆炸源，兩個(gè)炸藥中心分別設(shè)為起爆點(diǎn)，間隔為5.9 m，起爆時(shí)間均為計(jì)算初始時(shí)刻，其余邊界條件與上文一致。

模擬結(jié)果如圖13所示。由圖13可見(jiàn)，兩點(diǎn)爆炸中兩個(gè)沖擊波之間存在相互影響。開(kāi)始時(shí)兩個(gè)爆炸源產(chǎn)生的沖擊波各自獨(dú)立發(fā)展，最大超壓為514 MPa，到 0.5 ms 時(shí)形狀與單點(diǎn)爆炸基本一致；1 ms 時(shí)兩個(gè)沖擊波開(kāi)始與三相分離器相接觸，同時(shí)兩個(gè)沖擊波表面產(chǎn)生正碰撞并發(fā)生了反彈情況，中心區(qū)域受擠壓壓力迅速增大，并逐漸在兩個(gè)沖擊波中間形成明顯的長(zhǎng)條形真空域。隨著爆炸擴(kuò)展，兩個(gè)沖擊波逐漸融合。

兩點(diǎn)爆炸的結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖14所示。由圖14可知，結(jié)構(gòu)最大變形為61.4 mm，最大等效應(yīng)力為416.15 MPa，與單點(diǎn)爆炸的結(jié)果基本一致。與單點(diǎn)爆炸相比，兩點(diǎn)爆炸造成的損傷分布更加均勻，三相分離器M和N的最大應(yīng)力均有所降低；但是底層橫梁有多處腹板出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，受影響的范圍更大，最大塑性應(yīng)變相比單點(diǎn)爆炸增大一倍。四面艙室壁的高應(yīng)力區(qū)域有所減少，但等效應(yīng)力水平在 127～266 MPa的面積明顯更廣。

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的應(yīng)力變化（圖15），可知三相分離器表面約在 3 ms迎來(lái)第一次應(yīng)力峰值 280 MPa，相比單點(diǎn)爆炸這一時(shí)刻提前了約 1 ms，有所減小。此后同樣經(jīng)歷了一定的回落并重新達(dá)到峰值，且由于兩個(gè)爆炸沖擊波產(chǎn)生交匯，對(duì)設(shè)備造成了二次損傷，第二次峰值應(yīng)力要遠(yuǎn)大于第一次，接近 380 MPa。

4.2 三點(diǎn)爆炸結(jié)果

三點(diǎn)爆炸模型及結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果如圖16所示，第三爆炸源位于前兩個(gè)爆炸源中心位置，各爆炸點(diǎn)之間的距離為2.95 m。該場(chǎng)景下超壓峰值可達(dá) 564.15 MPa，波速最高為3.22 km/s。從圖16中可見(jiàn)，位于中間的沖擊波受到明顯擠壓，3個(gè)沖擊波中間形成兩條明顯的真空區(qū)域。

三點(diǎn)爆炸下平臺(tái)的最大應(yīng)力達(dá)到 423.1 MPa，與兩點(diǎn)爆炸的結(jié)果基本一致。然而，三相分離器表面的最大等效應(yīng)力可達(dá) 390 MPa，具有明顯的失效趨勢(shì)，難以維持正常工作。中心爆炸源所產(chǎn)生的超壓沖擊波受兩端沖擊波的擠壓，沿z方向的擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形顯著增大，尤其是上甲板的中心變形可達(dá) 114 mm，與兩點(diǎn)爆炸相比顯著增大，會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致甲板層中心發(fā)生坍塌事故。

4.3 多點(diǎn)爆炸對(duì)比

不同爆炸情景計(jì)算超壓結(jié)果、結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，同質(zhì)量TNT情況下采用單點(diǎn)爆源（場(chǎng)景1）和雙點(diǎn)爆源（場(chǎng)景2）兩種爆炸方式，前者的峰值超壓幾乎是后者的1.82倍；而在相同TNT總質(zhì)量下結(jié)構(gòu)的最大等效變形和最大等效應(yīng)力幾乎相等。當(dāng)單個(gè)爆點(diǎn)質(zhì)量保持一致，而爆點(diǎn)數(shù)量分別為2（場(chǎng)景2）和3（場(chǎng)景3）時(shí)，峰值超壓幾乎相等；而結(jié)構(gòu)的最大變形顯著不同，后者是前者的2.88倍，而TNT總質(zhì)量倍比僅為1.68。此外相比較單點(diǎn)爆源，在雙點(diǎn)爆源和三點(diǎn)爆源情況下，防爆墻1的高應(yīng)力區(qū)域更為廣泛，而三相分離器的應(yīng)力有所降低。

綜上可見(jiàn)，由于多點(diǎn)爆炸時(shí)沖擊波的疊加與反射作用，沖擊波傳播規(guī)律更為復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)變形有所增大。因此若平臺(tái)艙室發(fā)生潛在多點(diǎn)爆炸事故，需要密切關(guān)注艙室壁和甲板層結(jié)構(gòu)的變形?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置泄壓口等形式以降低艙室內(nèi)的峰值超壓，并通過(guò)布置防爆墻、加勁肋或加筋梁等措施以降低結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

5 結(jié) 論

（1）在多點(diǎn)爆炸時(shí)沖擊波的疊加與反射作用使得其傳播規(guī)律更為復(fù)雜，并對(duì)結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的變形與損傷；同質(zhì)量TNT情況下，采用單點(diǎn)和雙點(diǎn)兩種爆炸方式，前者的沖擊波峰值超壓幾乎是后者的1.82倍，而結(jié)構(gòu)的最大等效變形和最大等效應(yīng)力幾乎相等；當(dāng)爆點(diǎn)數(shù)量分別為3和2（TNT總質(zhì)量倍比為1.68）時(shí)，峰值超壓幾乎相等，而結(jié)構(gòu)的最大變形倍比為2.88。

（2）發(fā)生爆炸時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置泄壓口等形式有效降低艙室內(nèi)的峰值超壓，并通過(guò)增加防爆墻、加勁肋或加筋梁等措施以降低結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)的承載能力；將來(lái)可以進(jìn)一步模擬這些措施的抗爆效果，并對(duì)抗爆措施進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Health and Safety Executive （HSE）. Offshore hydrocarbon releases statistics and analysis［R］.HSR 2002 002， 2002.

［2］ 金偉良，胡琦忠，宋劍.偶然災(zāi)害作用下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005，21（10）：9-15.

JIN Weiliang， HU Qizhong， SONG Jian. Research progress on offshore platform structures under accidental disasters［J］. Technology Supervision in Petroleum Industry， 2005，21（10）：9-15.

［3］ CHEN Kun， WEI Xin， LI Hui， et al. Operational risk analysis of blowout scenario in offshore drilling operation［J］. Process Safety and Environmental Protection，2021，149（1）：422-431.

［4］ LIN Hong， LUAN Haochen， YANG Lei， et al. A safety assessment methodology for thermo-mechanical response of offshore jacket platform under fire［J］. Process Safety and Environmental Protection， 2022，160：184-198.

［5］ 姜昆，林紅，楊蕾，等.火災(zāi)非均勻溫度場(chǎng)下導(dǎo)管架平臺(tái)T形管節(jié)點(diǎn)極限承載力［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2022，37（6）：14-19.

JIANG Kun， LIN Hong， YANG Lei， et al.Ultimate strength of tubular T-joint of offshore jacket structure in non-uniform elevated temperature field caused by fire［J］. China Offshore Platform， 2022，37（6）：14-19.

［6］ SEO J K， LEE S E， PARK J S. A method for determining fire accidental loads and its application to thermal response analysis for optimal design of offshore thin-walled structures ［J］. Fire Safety Journal， 2017，92：107-121.

［7］ BOWERMAN H， OWENS G W， RUMLEY J H， et al. Interim guidance notes for the design and protection of topside structures against explosions and fire［R］. SCI-P-112， 1992.

［8］ 李建朝.爆炸與火災(zāi)作用下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及防護(hù)技術(shù)研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2021.

LI Jianchao. Research on mechanical characteristics and protection technology of offshore platform structure under explosion and fire［D］. Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology， 2021.

［9］ 劉俊雄.海洋平臺(tái)火災(zāi)爆炸影響規(guī)律及安全評(píng)估［D］.天津：天津大學(xué)，2019.

LIU Junxiong. The influence law and safety assessment of fire and explosion on offshore platform ［D］. Tianjin： Tianjin University， 2019.

［10］ 趙濤，黃元元，賈向鋒，等.我國(guó)海洋油氣鉆井裝備技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.石油機(jī)械，2022，50（4）：56-62.

ZHAO Tao， HUANG Yuanyuan， JIA Xiangfeng， et al. Offshore oil/gas drilling equipment in China： review and prospect［J］. China Petroleum Machinery， 2022，50（4）：56-62.

［11］ 曹杰鋒，劉海鵬，周嘉琦，等.基于LMD-STA/LTA模型的油氣管道泄漏檢測(cè)方法［J］.世界石油工業(yè)，2022，29（4）：71-76.

CAO Jiefeng， LIU Haipeng， ZHOU Jiaqi， et al. Pipeline leak detection method based on LMD-STA/LTA model［J］. World Petroleum Industry， 2022，29（4）：71-76.

［12］ 韓詠梅，李昕，張軍霞，等.基于VMD-IPSO的油氣管道泄漏信號(hào)處理技術(shù)［J］.世界石油工業(yè)，2023，30（3）：82-89.

HAN Yongmei， LI Xin， ZHANG Junxia， et al. Oil and gas pipeline leakage signal processing technology based on VMD-IPSO［J］. World Petroleum Industry， 2023，30（3）：82-89.

［13］ MOEN I O， LEE J H S， HJERTAGER B H， et al. Pressure development due to turbulent flame propagation in large-scale methane/air explosions［J］. Combustion and Flame， 1982，47：31-52.

［14］ BJORKHAUG M， UNIV L T C. Flame acceleration in obstructed radial geometries［R］. CMI 865403-9， 1986.

［15］ HJERTAGER B H， FUHRE K， BJORKHAUG M. Spherical gas explosion experiments in a high-density obstructed 27 m3 corner［R］. CMI 865403-3， 1988.

［16］ HOISET S， HJERTAGER B H， SOLBERG T， et al. Properties of simulated gas explosions of interest to the structural design processes ［J］. Process Safety Progress， 1998，17（4）：278-287.

［17］ DADASHZADEH M， ABBASSI R， KHAN F， et al. Explosion modeling and analysis of BP deep water horizon accident［J］. Safety Science， 2013，57：150-160.

［18］ 魏超南，陳國(guó)明.海上鉆井平臺(tái)井噴天然氣爆燃特性研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14（4）：92-99.

WEI Chaonan， CHEN Guoming. On the flammable gas deflagration from the well blowout on the offshore drilling platform ［J］. Journal of Safety and Environment， 2014，14（4）：92-99.

［19］ 韓圣章，胡云昌.海洋平臺(tái)氣體泄漏爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的作用分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2001，34（4）：443-446.

HAN Shengzhang， HU Yunchang. Analysis of explosion action on offshore structure because of gas leakage［J］. Journal of Tianjin University（Science and Technology）， 2001，34（4）：443-446.

［20］ 朱淵，師吉浩，陳國(guó)明，等.基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的海洋平臺(tái)燃爆數(shù)值建模優(yōu)化研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，41（4）：132-139.

ZHU Yuan， SHI Jihao， CHEN Guoming， et al. Optimized scheme of numerical modeling for explosion of offshore platforms based on mathematical statistics［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2017，41（4）：132-139.

［21］ EMAMZADEH S S. Nonlinear dynamic response of a fixed offshore platform subjected to underwater explosion at different distances［J］. Journal of Marine Science and Application， 2022，21（4）：168-176.

［22］ 師吉浩.海洋平臺(tái)燃爆風(fēng)險(xiǎn)分析及抗爆減災(zāi)設(shè)計(jì)研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2018.

SHI Jihao. Research on explosion risk analysis and mitigation design of offshore platforms［D］. Qingdao： China University of Petroleum （East China）， 2018.

［23］ 劉成名，田雨，任慧龍，等.基于RKPM的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在燃爆載荷作用下響應(yīng)特性研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，44（1）：49-55.

LIU Chengming， TIAN Yu， REN Huilong， et al. Research on response characteristics of offshore platform structures under explosion load based on reproducing kernel particle method［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2023，44（1）：49-55.

［24］ 劉家綺.多點(diǎn)爆炸下地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及損傷研究［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2020.

LIU Jiaqi. Dynamic response and damage of lining structure of metro tunnel under multi-point explosion［D］. Xi an： Xi an Technology University， 2020.

［25］ LIN Shangjian， WANG Jinxiang， LIU Liangtao， et al. Research on damage effect of underwater multipoint synchronous explosion shock waves on air-backed clamped circular plate［J］. Ocean Engineering， 2021，240：109985.

［26］ ANSYS Inc. Explicit dynamics analysis guide［M］. Canonsburg， PA， U.S.A： ANSYS Inc， 2018：170，188.

［27］ GAN Lu， ZONG Zhouhong， GAO Chao， et al. Influence of shape of cuboid explosives on response of plates subjected to blast loads［J］. Thin-Walled Structures， 2022，174：109077.

（編輯 沈玉英）