張寅，姜宏亮，楊俊杰，黃式璋

1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116005

海洋平臺(tái)在遭受海上惡劣作業(yè)環(huán)境和進(jìn)行油氣開采時(shí)，可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸等嚴(yán)重事故，造成重大的安全和財(cái)產(chǎn)損失[1]。為了提高海洋平臺(tái)的安全性，防止艙室內(nèi)油氣爆炸帶來二次危害，防爆門和防爆墻等結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)要考慮其抗爆性能。在防爆門研究設(shè)計(jì)中，陸新征等[2]對(duì)防爆門被破壞過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算與分析，并根據(jù)數(shù)值模擬分析的特點(diǎn)，修改相關(guān)參數(shù)以改變爆炸沖擊載荷的壓力隨時(shí)間變化曲線，對(duì)防爆門在承受不同程度爆炸載荷時(shí)的抗爆性能進(jìn)行了評(píng)估。郭東[3]根據(jù)對(duì)典型梁板式鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門的數(shù)值模擬，結(jié)合量綱分析理論，提出了合理的工程計(jì)算模型，推導(dǎo)出了防爆門在承受爆炸沖擊時(shí)門扇在彈性階段的反彈力解析解。宋祥[4]、任濤[5]、趙應(yīng)許[6]、譚朝明等[7]分別針對(duì)加腹板工字鋼骨架結(jié)構(gòu)防爆門、拱形防爆門等典型防爆門結(jié)構(gòu)，采用單自由度等效靜載和動(dòng)態(tài)模擬方法，得到在不同程度爆炸荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，比較了各個(gè)防爆門結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。張曉峰[8]對(duì)某海洋平臺(tái)波紋板防爆墻設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)形式，用ANSYS 分別建立整體有限元模型進(jìn)行分析，對(duì)比了線性靜力分析和彈塑性分析對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，總結(jié)了防爆墻的設(shè)計(jì)理念，得出了防爆墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。葉昊[9]對(duì)海洋平臺(tái)艙壁的槽形構(gòu)架進(jìn)行了非線性動(dòng)態(tài)分析，并根據(jù)規(guī)范和非線性有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估。目前，對(duì)于防爆門的研究取得了一定的成果，但海洋平臺(tái)的蒸汽云團(tuán)爆炸如何簡(jiǎn)化載荷仍不明確，防爆門的各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響仍不清晰。在此背景下，本文以某型海洋平臺(tái)艙室防爆門為研究對(duì)象，確定防爆門承受的爆炸載荷，并探究防爆門防爆性能影響因素，以期為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供一定的參考。

1 艙室可燃物爆炸載荷

在海洋平臺(tái)艙室中發(fā)生的爆炸事故通常是由艙室內(nèi)的油氣泄漏形成蒸汽云團(tuán)引發(fā)的。相對(duì)于空氣中固態(tài)炸藥的爆炸，蒸汽云團(tuán)爆炸源的密度往往較小，爆炸過程和爆炸載荷更為復(fù)雜。為了確定爆炸載荷，可采用等效TNT 法來量化爆炸能量，以爆炸能量相當(dāng)為原則，將大范圍的蒸汽云團(tuán)混合爆炸簡(jiǎn)化為固定爆源的TNT 炸藥爆炸，參與爆炸的可燃物質(zhì)釋放的能量換算成釋放出同等能量的炸藥的量，然后用炸藥爆炸的數(shù)據(jù)來代替蒸汽云爆炸。在海洋平臺(tái)爆炸事故中，蒸汽云爆炸的載荷取決于爆炸時(shí)云團(tuán)中可燃物質(zhì)的量，即艙室中石油天然氣的泄漏量。因此，需首先得知海洋平臺(tái)上儲(chǔ)存艙室的大小以及空氣中的可燃?xì)怏w濃度，假設(shè)艙室尺寸為10 m×8 m×2.5 m，彌漫的天然氣濃度為10%(既大于天然氣爆炸濃度下限5%，又小于爆炸上限15%)，天然氣密度為0.7 kg/m3，經(jīng)過計(jì)算得到泄漏可燃?xì)怏w的質(zhì)量為14 kg。則參與爆炸的蒸汽云團(tuán)中可燃物的等效TNT 當(dāng)量計(jì)算公式為[10]

式中：WTNT為等效的TNT 質(zhì)量，kg；a為TNT 當(dāng)量系數(shù)；W為泄漏可燃?xì)怏w的質(zhì)量，kg；Hf為可燃?xì)獾娜紵担琈J/kg；HTNT為TNT 炸藥的爆熱，MJ/kg。

TNT 炸藥爆炸沖擊載荷的超壓峰值與時(shí)間關(guān)系式為

目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)爆炸理論認(rèn)為爆炸載荷主要與炸藥的量、爆炸距離有關(guān)，因此常采用定義折合距離的方式來表示爆炸過程中各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，即

式中：r為爆炸的折合距離，m；R為測(cè)試點(diǎn)距爆源的實(shí)際距離，m；W為等效TNT 炸藥質(zhì)量，kg。

對(duì)于球形TNT 炸藥在無限空氣中的爆炸，目前存在多個(gè)可用來計(jì)算沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，本文采用Henrych 經(jīng)驗(yàn)公式[11]，即

根據(jù)ABAQUS 中的體積分?jǐn)?shù)模擬方法，得到空氣場(chǎng)中的爆炸沖擊波傳遞過程如圖1 所示。提取距離爆源6.5 m 處的爆炸載荷和理論壓力-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬方法所得的不同距離下的沖擊波峰值對(duì)比如圖3 所示。

圖1 空氣場(chǎng)中的爆炸沖擊波傳播云圖

圖2 沖擊波壓力-時(shí)間曲線

圖3 不同距離下的沖擊波超壓峰值

由圖2、3 可知，本文通過數(shù)值模擬得到的爆炸沖擊波壓力時(shí)程曲線和理論曲線擬合較好，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離爆源3 m 以上時(shí)，沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗(yàn)公式值和數(shù)值模擬值也十分接近。因此，本文根據(jù)數(shù)值模擬方法所得的爆炸載荷可作為防爆門抗爆研究的施加載荷。

2 海洋平臺(tái)防爆門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的防爆門研究一般著眼于平板式防爆門，對(duì)于拱形防爆門的研究十分少見。本文以拱形防爆門為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，有限元模型如圖5 所示。防爆門整體高1 800 mm、寬1 200 mm、厚100 mm，迎爆面凸起，形成一定程度的拱高，防爆門內(nèi)部均勻布置m×n形式骨架梁（即m道橫梁，n道縱骨）。本文考慮到防爆門的塑性，其材料屬性如表1 所示。

圖4 防爆門結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

圖5 防爆門有限元模型

表1 防爆門模型材料屬性

本文采用ABAQUS/Explicit 計(jì)算方法，建立炸藥-空氣場(chǎng)-防爆門的一體化計(jì)算模型，如圖6 所示。防爆門四周簡(jiǎn)支[12]，空氣場(chǎng)邊界無反射。

圖6 炸藥-空氣場(chǎng)-防爆門一體化計(jì)算模型

3 防爆門抗爆性能影響因素

根據(jù)以往研究及工程經(jīng)驗(yàn)可知，防爆門的防護(hù)性能主要與其結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)。為了開展防爆門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究防爆門的抗爆性能與骨架形式、拱高、面板厚度和骨架厚度的關(guān)系，明確了其影響程度，為該類防爆門的設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 骨架形式的影響

骨架梁作為防爆門內(nèi)部的主要支撐結(jié)構(gòu)，其數(shù)量會(huì)對(duì)防爆門的抗爆性能產(chǎn)生較大的影響。本文分別計(jì)算了1×1，2×2，3×3 骨架形式下的防爆門的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖7 所示。

輪對(duì)立體存放庫總長(zhǎng)24m，寬11m，可容納102條輪對(duì)的存放需求。本裝置最外側(cè)有送輪軌道，通向生產(chǎn)場(chǎng)所；吊出的輪對(duì)可經(jīng)由軌道推送至生產(chǎn)場(chǎng)所，也可就地進(jìn)行轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與輪對(duì)的組裝。

由圖7 可知，在1×1，2×2，3×3 不同骨架布置形式下，防爆門均在面板與骨架的連接處出現(xiàn)屈服，產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變值分別為31.9、17.7 和6.25 mm，減小幅度較大。

2×2 形式防爆門中的中心位置為板格中心，同時(shí)也是最大位移出現(xiàn)的位置。但在1×1 和3×3 式防爆門中，防爆門中心為骨架梁的交叉節(jié)點(diǎn)，最大位移出現(xiàn)在附近板格區(qū)域中心，對(duì)比該兩點(diǎn)的位移響應(yīng)，如圖8、9 所示。3 種結(jié)構(gòu)形式下的防爆門最大位移節(jié)點(diǎn)處的響應(yīng)對(duì)比如圖10 所示。

圖7 防爆門等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖8 1×1 骨架形式防爆門上不同位置響應(yīng)

圖9 3×3 骨架形式防爆門上不同位置響應(yīng)

由圖8、9 可知，對(duì)于同一骨架結(jié)構(gòu)形式的防爆門而言，不同位置處的位移響應(yīng)具有較大差異，板格中心位置的位移響應(yīng)比骨架交叉節(jié)點(diǎn)處大。3×3 骨架形式下，骨架分布較為密集，防爆門的整體剛度較大，位移達(dá)到峰值后的衰減速度較快。由圖10 可知，防爆門內(nèi)部骨架梁數(shù)量增加后，防爆門的最大位移響應(yīng)大幅度降低，因此適當(dāng)增加骨架梁數(shù)量是提高防爆門抗爆性能的有效方式。

圖10 不同骨架形式下的最大位移節(jié)點(diǎn)響應(yīng)

3.2 拱高的影響

在拱形防爆門的設(shè)計(jì)中，拱高是一個(gè)相當(dāng)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是以往對(duì)于防爆門的研究中卻均未涉及到拱高對(duì)于抗爆性能的影響研究，如何確定拱高是一個(gè)尚不明確的問題。本文以2×2 骨架形式防爆門為研究對(duì)象，分別計(jì)算了防爆門在拱高為0（此時(shí)防爆門為平板式）、2、4、6、8 和10 mm 下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到其跨中（即防爆門迎爆面中心位置）位移時(shí)程曲線如圖11 所示，位移峰值與拱高的關(guān)系如圖12 所示。

圖11 不同拱高下的跨中位移變化曲線

圖12 跨中位移峰值與拱高的關(guān)系曲線

由圖11 可知，在拱高不同時(shí)，防爆門的跨中位移響應(yīng)變化趨勢(shì)接近，但在數(shù)值上存在較大的差異。由圖12 可知，隨著拱高的不斷增大，防爆門的最大位移響應(yīng)呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，只有在拱高與防爆門厚度的比值即有效拱高大于0.78 時(shí)，拱形防爆門的抗爆性能才會(huì)優(yōu)于平板式防爆門。在工程實(shí)際中，由于空間和制造成本的限制，防爆門的拱高存在上限，因此，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)墓案摺?/p>

3.3 面板厚度的影響

迎爆面的面板厚度是影響防爆門性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。本文分別計(jì)算了防爆門在面板厚度為4、5、6 和8 mm 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到跨中位移時(shí)程曲線如圖13 所示，位移峰值隨面板厚度的關(guān)系如圖14 所示。

圖13 不同面板厚度下的跨中位移變化曲線

圖14 跨中位移峰值與面板厚度關(guān)系曲線

由圖13 可知，增大迎爆面面板厚度后，防爆門的跨中位移隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致，但在數(shù)值上降低幅度顯著。由圖14 可知，跨中位移峰值與面板厚度呈近似線性關(guān)系，適當(dāng)增加面板厚度，可顯著增強(qiáng)防爆門的抗爆性能。

3.4 骨架厚度的影響

為了研究防爆門骨架厚度對(duì)其抗爆性能的影響，本文分別計(jì)算了防爆門在骨架厚度為4、6、8、10 和12 mm 時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到不同骨架厚度下的跨中位移時(shí)程曲線如圖15 所示，位移峰值隨骨架厚度的關(guān)系如圖16 所示。由圖15、16 可知，改變防爆門的骨架厚度后，防爆門的位移響應(yīng)在初始階段基本一致，僅在后續(xù)強(qiáng)迫振動(dòng)階段趨勢(shì)不同，位移峰值基本沒有變化，因此可認(rèn)為骨架厚度對(duì)防爆門的抗爆性能影響較小。

圖15 不同骨架厚度下的跨中位移變化曲線

圖16 跨中位移峰值與骨架厚度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文為了提高海洋平臺(tái)艙室在燃?xì)獗ōh(huán)境下的安全性，針對(duì)防爆門的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與抗爆性能影響因素開展了研究。改變拱形防爆門的骨架形式、骨架厚度、拱高和迎爆面面板厚度，對(duì)比各種不同防爆門的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到以下結(jié)果和結(jié)論：

1）防爆門的等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在面板與骨架交接處，最大位移出現(xiàn)在防爆門面板上的板格區(qū)域中心，增加防爆門內(nèi)部的骨架數(shù)量可明顯減小其動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

2）對(duì)于海洋平臺(tái)艙室拱形防爆門，隨著拱高的不斷增大，防爆門的位移響應(yīng)呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)，只有當(dāng)拱高與門厚的比值大于0.78時(shí)，拱形防爆門的抗爆性能才會(huì)優(yōu)于平板式防爆門；

3）增加防爆門的迎爆面厚度可顯著增強(qiáng)其抗爆性能，但是增加防爆門內(nèi)部骨架梁的厚度卻對(duì)其抗爆性能幾乎沒有影響。