海洋平臺鋼結構防爆墻設計

高 偉

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海洋平臺鋼結構防爆墻一般包含鋼結構桁架和槽型墻皮兩大組成部分，鋼結構桁架和槽型墻皮受力特性不同，因此需要采取不同的結構設計方法。本文對鋼結構桁架的分析使用了美國 EDI公司開發的結構分析軟件 SACS，主要針對桿系結構進行分析，簡潔有效，該軟件在海洋工程結構設計領域有著廣泛的應用；而對槽型墻皮的分析則采用了通用軟件ANSYS，該軟件在各工程領域中應用廣泛。

1 防爆墻鋼結構框架校核

海洋平臺結構所處環境惡劣，需承受自重、設備、環境等各種荷載，平臺設計時應當考慮當爆炸發生時，鋼結構仍然能夠擁有足夠的儲備能力，避免產生平臺永久的結構性破壞，常見的海洋平臺鋼結構防爆墻結構如圖1所示。使用 SACS進行平臺整體分析時應將爆炸力考慮進來。

1.1 SACS模型

防爆墻鋼結構框架 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構框架的安全性，因此SACS模型只需模擬該區域的主要支撐，細節部分會在后續有限元分析部分體現。

圖1 防爆墻結構示意圖Fig.1 General view of explosion protection wall

圖2 防爆墻鋼結構框架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構強度(圖3)。

圖3 爆炸力加載Fig.3 Upload of explosion force

1.3 校核結果

SACS結果校核依托于美國石油學會API RP 2A《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦方法工作應力設計法》，結果如圖4所示。

圖4 防爆墻鋼結構框架校核結果(UC值)Fig.4 Unit check results of explosion protection wall steel frame structure

由于爆炸的發生概率極小，根據規范可以適當增大結構的許用強度。本算例校核結果顯示，防爆墻框架桿件 UC值均小于 1.0，滿足整體強度要求。在此基礎上運用ANSYS軟件進一步校核墻皮強度。

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構分析，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個節點，每個節點有6個自由度(3個平動自由度和 3個轉動自由度)，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

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構框架約束。為了更準確地模擬防爆墻在爆炸力作用下的響應，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

防爆墻設計的主要荷載是爆炸力，由專門的火災爆炸分析報告提供，本文假定爆炸壓強為 0.38bar(1bar＝105Pa)。由于爆炸現象的復雜性和不確定性，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，校核時需要適當考慮一個動力放大系數，本文取1.2。

2.4 計算結果

本算例分別針對墻皮應力、應變及變形進行校核。從應力云圖(圖7)上可以看到，槽型墻皮最大應力為 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，槽型墻皮最大應變值 0.07%，符合美國石油學會API RP 2A海洋平臺鋼結構規范的相關要求。

圖8 波紋板應變云圖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，變形后附近設備仍然存在足夠的操作空間(視具體設備而定)，滿足要求。

圖9 波紋板變形云圖Fig.9 Deflection nephogram for trough type wall

3 結 論

海上油氣開采是一個高風險性的系統工程，其安全性是第一位需要考慮的，海洋平臺在面對火災爆炸等惡性安全事故時必須要有足夠的自持能力。盡管隨著技術進步出現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構的重要性仍然不容忽視。因此，平臺設計時應考慮爆炸對平臺的影響，才利于從源頭上降低潛在風險可能帶來的人員財產損失。