油气爆炸下海洋平台抗爆结构型式数值仿真

李永正，王 珂，贾 芹，袁友华

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003;2.韩通(上海）新能源船舶设计研发有限公司，上海 201203;3.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

油气爆炸下海洋平台抗爆结构型式数值仿真

李永正1，3，王 珂1，贾 芹1，袁友华2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003;2.韩通(上海）新能源船舶设计研发有限公司，上海 201203;3.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

海洋平台作为人们开发利用海洋资源的重要基础设施，在其服役期间，常会遭到油气泄漏而引起的爆炸冲击破坏，因此对海洋平台结构进行爆炸载荷下的动态响应分析及抗爆研究十分必要。本文以某海洋平台燃油舱的围壁为研究对象，对其分别进行波纹板和夹层板结构设计。使用非线性瞬态动力学分析软件MSC.Dytran对不同结构型式舱壁下燃油舱的吸能情况进行数值对比研究，从而获得抗爆效果较好的海洋平台舱壁抗爆结构。

油气爆炸;海洋平台;抗爆结构;波纹板;夹层板

0 引言

作为海洋油气资源开采的重要设施，海洋平台长期处于复杂恶劣的海洋环境中，除受到正常的工作载荷和环境载荷，还时常受到火灾、爆炸等风险载荷的作用。资料显示，由爆炸引发的事故在海洋平台事故中占有很大比例，这些事故不仅造成重大的经济损失，同时也导致严重的海洋环境污染，因而如何有效降低爆炸事故造成的损失成为一个十分棘手的问题［1］。在目前施行的各种防爆措施中，防爆墙以费用低、设置快、单位强度高的优点普遍应用于海洋平台结构中。

海洋平台防爆墙对爆炸载荷的响应，就是其吸收、消化外界能量的过程［2］。这就意味着可以通过改变防爆墙的特性，如尺寸、材料等，来影响防爆墙对外界能量的吸收。鉴于波纹板防爆墙［3－4］的相关研究以及夹层板结构［5－8］良好的抗冲击性能，本文以海洋平台燃油舱围壁为研究对象，对其分别进行波纹板和夹层板结构设计。通过对不同舱壁结构下燃油舱能量吸收的数值对比分析，获得抗爆效果较好的海洋平台舱壁抗爆结构型式。

1 流－固耦合算法

对油气爆炸载荷作用下海洋平台结构动态响应进行数值仿真时，既存在结构大变形，又存在炸药爆轰和冲击波在空气中的传播过程，且二者有机结合在一起。因此对这类问题建模计算时，不可避免地要考虑流－固耦合。MSC.Dytran软件同时提供拉格朗日与欧拉求解器，所以它既能模拟结构也能模拟流体，通过拉格朗日网格与欧拉网格间的相互耦合，还可以实现对结构与流体之间相互作用的模拟。MSC.Dytran程序根据分析问题的不同，提供了5种处理流－固耦合的分析方法:一般耦合法、快速耦合法、考虑失效的多重耦合法、任意拉格朗日－欧拉耦合法和全欧拉耦合法。

为了模拟爆炸冲击波对平台多舱室结构的破坏作用，本文采用能够考虑耦合面破裂的多欧拉域流－固耦合算法［9－11］，因此需要使用快速耦合算法与ROE求解器，同时，欧拉流体网格的划分必须用MESH卡定义。由于每个耦合系统内的欧拉网格只能定义为耦合面内部或外部有流体材料的计算，而且各个耦合系统之间不能共用欧拉单元和用于定义耦合面的板单元，因此，必须对每个需要考虑流－固耦合的舱室划分欧拉网格，且在共用舱壁处划分重合的哑元以构建封闭的耦合面［12］。

2 舱壁结构设计

以海洋平台燃油舱围壁为研究对象，对其分别进行波纹板和夹层板结构设计，同时，相比传统平板围壁，波纹板和夹层板围壁上不再建纵横加强筋或扶墙材。

2.1 波纹板结构设计

对燃油舱的4个围壁，参考文献［3－4］进行波纹板结构设计。波纹板根据波纹高度h的不同分为波纹板Ⅰ、波纹板Ⅱ和波纹板Ⅲ。波纹板结构截面尺寸主要参数是高度h和长度L，如图1所示。3种波纹板结构的具体截面尺寸参数如表1所示。

图1 波纹板截面尺寸参数示意图Fig.1 Schematic diagram of corrugated plate cross section size parameter

表1 波纹板截面尺寸表Tab.1 Sectional dimension table of corrugated plate

2.2 夹层板结构设计

对燃油舱的4个围壁进行夹层板结构设计，共设计3种不同结构形式的夹层板，即U型、V型和蜂窝型夹层板。文中夹层板的设计思想为:在重量相等的前提下，用上、下面板代替传统加筋板平板，夹芯层代替加强筋，并调整相邻结构之间的连接。具体尺寸设计如下:夹层板面板长宽尺寸与加筋板平板的长宽尺寸相同，夹层板的上、下面板厚度相同，为加筋板平板厚度的一半;夹芯层高度与加强筋高度相同，夹芯层厚度由夹芯层与加强筋质量等效的原则获得［13］。不同夹层板结构的具体尺寸见表2所示。

表2 结构尺寸Tab.2 Size of structure

3 计算模型

本文研究的“中油海洋试采三号”平台为典型自升式海洋平台，整个海洋平台及舱室的有限元模型如图2和图3所示，其中，舱室2为燃油舱。

图2 海洋平台结构有限元模型Fig.2 FEM of offshore platform structure

图3 舱室结构有限元模型Fig.3 FEM of cabin structure

3.1 材料状态方程及参数

海洋平台结构采用弹塑性材料，具体材料参数为:材料密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=210 GPa，屈服应力σ0=315 MPa(准静态屈服应力），泊松比υ=0.3，动态失效应变δ=0.15。

在进行结构动态响应计算时需要特别注意材料的应变率敏感性问题。本文采用与试验数据符合较好的 Cowper－Symonds［14］本构模型来考虑材料应变率的影响，模型中动态屈服应力与应变率的关系如下:

式中:σ0为初始材料静态屈服应力;为应变率;D和q为应变率系数;为有效塑性应变;Ep=EhE/(E－Eh）为塑性硬化模量。对于低碳钢取D=40.5/s，q=5［15］，失效应变为 0.15。

由于采用的高阶欧拉算法－ROE方法不支持JWL状态方程，故对炸药和空气均采用γ律状态方程进行描述:

式中:e为单位质量的内能;ρ为材料密度;γ为比热比。其中，空气密度ρ=1.25 kg/m3，空气比内能e=2 × 105J/kg;爆炸源密度 ρ=40 kg/m3［16－17］，爆源比内能e=1.6×107J/kg。

3.2 结构有限元模型

图4为不同波纹板围壁下燃油舱2的有限元模型，图5为传统加筋板架及不同夹层板结构的有限元模型。

图4 波纹板结构有限元模型Fig.4 FEM of corrugated plate structure

图5 夹层板结构有限元模型Fig.5 FEM of sandwich plate structure

4 计算结果分析

本文参考文献［18］对于泄漏气体TNT当量的划分标准，同时结合燃油舱的几何尺寸9 m×4 m×4.5 m，选取TNT当量为15 kg的中规模泄漏气体用于模拟高压气体球。图6为舱室2的围壁采用不同结构型式时舱室内各构件的能量吸收曲线。

表3为燃油舱2的围壁采用不同结构时舱室内各构件的能量吸收统计。由于海洋平台上主要的工作设备都在甲板上，所以对于不同围壁结构下甲板的能量吸收情况需要着重考察与比较。

图6 不同舱壁结构下各构件能量曲线Fig.6 Energy curve of different bulkhead structure

表3 燃油舱构件吸能统计Tab.3 Energy absorption statistics of fuel tank components

从表3数据可以发现，舱室围壁采用不同结构型式时，舱室和平台的吸能总量均基本一致，这是由于炸药量及空气域完全一致，但这些能量在不同围壁结构型式下舱室各构件上的分配却有很大不同。对于波纹板结构，只有舱室围壁采用波纹板Ⅰ时，对于需要保护的甲板的变形能百分比最低仅为1.87%，而主要吸能构件横、纵舱壁的变形能百分比则最高达92.49%，可见波纹板结构中，以波纹板Ⅰ的抗爆效果最佳;对于夹层板结构，只有舱室围壁采用U型夹层板时，对于需要保护的甲板的变形能百分比最低仅为1.87%，而主要吸能构件横、纵舱壁的变形能百分比最高达87.11%，可见夹层板结构中，以U型夹层板的抗爆效果最佳。

5 结语

本文应用非线性数值仿真技术，通过多欧拉－拉格朗日耦合对海洋平台燃油舱在油气爆炸冲击载荷作用下的动态响应进行研究。重点对燃油舱采用不同围壁结构情况下，舱室各构件的能量吸收作了比较分析，得到如下结论:

1）对于波纹板结构，只有舱室围壁采用波纹板Ⅰ时，对于需要保护的甲板的变形能百分比最低仅为1.87%，而主要吸能构件横、纵舱壁的变形能百分比则最高达92.49%，可见波纹板结构中，以波纹板Ⅰ的抗爆效果最佳;

2）对于夹层板结构，只有舱室围壁采用U型夹层板时，对于需要保护的甲板的变形能百分比最低仅为1.87%，而主要吸能构件横、纵舱壁的变形能百分比最高达87.11%，可见夹层板结构中，以U型夹层板的抗爆效果最佳。

［1］朱锟.海洋平台爆炸事故风险分析与防护对策研究［D］.北京:中国石油大学，2011.

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

［2］赵海波，叶国庄，张健，等.结构体对爆炸冲击波载荷响应的数值模拟［J］.沈阳工业学院学报，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］张媛，叶茂盛，邱海荣，等.波纹板防爆墙应力分析研究［J］.石油与化工设备，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］于文静，赵金城，史健勇，等.波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下动态力学性能研究［J］.四川建筑科学研究，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］张延昌，王自力，顾金兰.夹层板在舰船舷侧防护结构中的应用［J］.中国造船，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］于辉，百兆宏，姚熊亮.蜂窝夹层板的优化设计分析［J］.中国舰船研究，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］黄超.近场非接触水下爆炸舰船新型防护结构抗爆性能研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

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

［8］张延昌，顾金兰，王自力.蜂窝式夹层结构单元的防护性能分析［J］.舰船科学技术，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，嵇春艳，等.可燃气体泄漏爆炸下海洋平台数值仿真计算［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.油气爆炸作用下海洋平台抗冲击结构研究［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］崔颖，尹群，孙彦杰，等.油气爆炸载荷作用下海洋平台结构响应及风险研究［J］.中国海洋平台，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］杜志鹏.大型水面舰船舷侧多舱室防护结构抗爆机理和仿真研究［D］.上海:上海交通大学，2005.

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

［13］赵卉.空爆载荷下夹层板损伤机理研究［D］.江苏:江苏科技大学，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，FELLER S.Blast venting from a cubicle［C］.The 22nd DOD Explosives Safety Seminar，1986:1 －19.

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

［18］苏艳艳.气体爆炸载荷作用下海洋平台结构动态响应研究［D］.镇江:江苏科技大学，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，讲师，主要从事船舶与海洋工程强度方面的研究。