海洋平台钢结构防爆墙设计

高 伟

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

海洋平台钢结构防爆墙一般包含钢结构桁架和槽型墙皮两大组成部分，钢结构桁架和槽型墙皮受力特性不同，因此需要采取不同的结构设计方法。本文对钢结构桁架的分析使用了美国 EDI公司开发的结构分析软件 SACS，主要针对杆系结构进行分析，简洁有效，该软件在海洋工程结构设计领域有着广泛的应用；而对槽型墙皮的分析则采用了通用软件ANSYS，该软件在各工程领域中应用广泛。

1 防爆墙钢结构框架校核

海洋平台结构所处环境恶劣，需承受自重、设备、环境等各种荷载，平台设计时应当考虑当爆炸发生时，钢结构仍然能够拥有足够的储备能力，避免产生平台永久的结构性破坏，常见的海洋平台钢结构防爆墙结构如图1所示。使用 SACS进行平台整体分析时应将爆炸力考虑进来。

1.1 SACS模型

防爆墙钢结构框架 SACS模型如图2所示。该分析主要目的是确保作为防爆墙支撑的钢结构框架的安全性，因此SACS模型只需模拟该区域的主要支撑，细节部分会在后续有限元分析部分体现。

图1 防爆墙结构示意图Fig.1 General view of explosion protection wall

图2 防爆墙钢结构框架SACS模型Fig.2 SACS model of steel frame structureof explosion protection wall

1.2 爆炸力加载

爆炸压力分布理论上是一个以爆炸源为核心的同心球，但由于平台上爆炸源存在较大不确定性，只能大致确定一个范围，出于保守考虑，通常将爆炸压力视为均匀分布，并转化为一系列点荷载施加到整面防爆墙上，与平台所受其他荷载叠加校核防爆墙结构强度(图3)。

图3 爆炸力加载Fig.3 Upload of explosion force

1.3 校核结果

SACS结果校核依托于美国石油学会API RP 2A《海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法工作应力设计法》，结果如图4所示。

图4 防爆墙钢结构框架校核结果(UC值)Fig.4 Unit check results of explosion protection wall steel frame structure

由于爆炸的发生概率极小，根据规范可以适当增大结构的许用强度。本算例校核结果显示，防爆墙框架杆件 UC值均小于 1.0，满足整体强度要求。在此基础上运用ANSYS软件进一步校核墙皮强度。

2 防爆墙墙皮校核

2.1 有限元模型

选用 SHELL 181单元模拟防爆墙的槽型墙皮(图5)。该单元适用于较薄到中等厚度的板壳结构分析，而常见的防爆墙墙皮一般不超过 6mm，故选取该单元是合适的。该单元有 4个节点，每个节点有6个自由度(3个平动自由度和 3个转动自由度)，具有强大的针对大变形的非线性分析功能。

图5 防爆墙有限元模型Fig.5 FEA model of explosion protection wall

2.2 边界处理

平台上防爆墙周围通常由水平和竖直方向的钢结构框架约束。为了更准确地模拟防爆墙在爆炸力作用下的响应，模型中需要适度模拟这部分约束框架(截断处至少为梁高的 1.5～2倍)，在这部分框架远端做固支处理(图6)。

图6 防爆墙边界条件Fig.6 Boundary condition of explosion protection wall

2.3 荷载施加

防爆墙设计的主要荷载是爆炸力，由专门的火灾爆炸分析报告提供，本文假定爆炸压强为 0.38bar(1bar＝105Pa)。由于爆炸现象的复杂性和不确定性，出于保守考虑，通常将爆炸力作为面压加载到整个防爆墙墙面上，同时由于爆炸力的突然性，校核时需要适当考虑一个动力放大系数，本文取1.2。

2.4 计算结果

本算例分别针对墙皮应力、应变及变形进行校核。从应力云图(图7)上可以看到，槽型墙皮最大应力为 155MPa，小于工程上接受的 0.9倍屈服强度(235MP例)，强度满足要求。

从图8可以看到，槽型墙皮最大应变值 0.07%，符合美国石油学会API RP 2A海洋平台钢结构规范的相关要求。

图8 波纹板应变云图Fig.8 Stain nephogram for trough type wall

从变形云图(图9)可以看到，槽型墙皮最大变形为 20.75mm，变形后附近设备仍然存在足够的操作空间(视具体设备而定)，满足要求。

图9 波纹板变形云图Fig.9 Deflection nephogram for trough type wall

3 结 论

海上油气开采是一个高风险性的系统工程，其安全性是第一位需要考虑的，海洋平台在面对火灾爆炸等恶性安全事故时必须要有足够的自持能力。尽管随着技术进步出现了越来越多的防火材料防火油漆等辅助手段，但作为定海神针的钢结构的重要性仍然不容忽视。因此，平台设计时应考虑爆炸对平台的影响，才利于从源头上降低潜在风险可能带来的人员财产损失。