火灾高温下加筋板的冲击性能分析

火灾高温下加筋板的冲击性能分析

杨杭生 闫会宾

杭州之江城市建设投资集团有限公司 ，浙江 杭州 31000 0

摘要：火灾事故是油气生产储存领域的一大危险源，而火灾爆炸的顺序发生则是这类事故的典型形式之一。火灾高温环境会引起结构的复杂响应并极大削弱其抵抗后续爆炸的能力。对于需要保护的装置核心区域来说，该形式的事故是比较危险的，需要重点研究。针对油气装置维护结构的核心组成构件加筋板结构，选取了一种典型加筋板形式，结合钢材高温力学性能参数，基于非线性有限元方法，选取不同边界与热荷载组合，在不同阶段分别采用隐式与显示有限元求解方法，建立了有限元模型并成功进行了模拟。基于数值分析结果，描述了加筋板在火灾爆炸顺序发生情况下的结构响应特征，并揭示了荷载方向以及约束形式对爆炸压力下加筋板冲击响应的影响规律与机理。文章揭示的相关现象可为工程应用提供重要参考。

关键词：油气设施；加筋板；火灾爆炸；热力响应；冲击响应

1 引言

油气开发生产所产生的大多数油气介质均为可燃物，极易被点燃发生火灾事故，造成极大的危害。近年来，我国在油气生产储存领域事故频发，2015年天津滨海新区的8.12特别重大安全事故造成了165人遇难，起因就是危险品仓库发生火灾爆炸事故^[1]。2018年上海赛科公司“5.12”闪爆，造成6人死亡，起因为苯罐闪爆^[2]。2018年张家口“11.28”重大燃爆事故，造成23死22伤^[3]。因此，在油气化工领域火灾爆炸事故频发的的今天，持续关注预防减轻火灾爆炸事故的方法措施显得尤为重要。

火灾多是从预防的角度去应对，但火灾总有发生可能，一旦火灾发生，油气生产设施关键结构构件对火灾以及其他荷载的综合抵抗能力则是人员与设施的最后保障。对于某些关键构件（如防火防爆墙结构），它们是生命安全的直接保障；而其他一些构件（如油气维护构件）则是防止火灾快速蔓延的重要保障，从而可以为火势控制以及人员撤离赢得重要时间。因此，对火灾作用下的结构响应进行分析研究是必要的。

油气火灾引起的后果往往是一系列事件。一方面，火灾导致局部结构升温，承载力下降而发生坍塌效应，从而以冲击形式破坏以加筋板为代表的高温构件，高温使得该类板状结构耐冲击性能减弱，在冲击作用下发生大变形甚至开裂，从而导致事故蔓延升级；另一方面，如果火灾发生于储罐附近，极易引起BLEVE爆炸冲击波以及抛射物，并冲击周围高温结构；火灾事故如果在一定时间内如得不到有效控制，极易不断升级，直至整个装置坍塌。火灾发生后，板状维护结构可能遭受的冲击载荷方式。由此可知，火灾中的关键构件遭受不同形式的冲击作用是结构安全的一项重要威胁，该方面也得到了UKOOA&HSE的重视^[3]。因此，对加筋板在火灾高温条件下的冲击性能进行研究对于火灾后果的防护有着重要意义。

2 分析工况

如果加筋板的边界在平面内可以自由伸缩，那么加筋板升温后将保持原来形状，影响抗冲击性能的因素就只有材料。但约束总是存在的，这使得加筋板在高温热膨胀与水平位移约束的作用下受压而发生屈曲变形。某种程度上讲，该情况的分析与加筋板在轴向力作用下的屈曲分析是类似的。由加筋板的屈曲研究可知，边界的约束情况以及加强筋的类型与横向刚度均对结果有着重要影响，因此也必然对高温情况下的分析有着重要影响。另外，加筋板多数情况下是单面受热的，但不同受热面会导致结构不同的温度分布（图2），从而影响屈曲结果。

图2 加筋板热载方向示意

Figure 2 schematic of heat load direction

本文将重点研究约束和热荷载方向对结构的影响，并在后续研究中重点研究加强筋的影响。针对不同的约束、热荷载方向和升温时间，本文主要设置了9组工况分别进行热力响应与冲击响应的分析，具体参考表1。

表1. 加筋板-热力-冲击响应分析工况

Table 1 different analysis conditions

注释：1. 主要针对加筋板边界在水平方向是否能发生位移而设置的边界约束，分为3组，具体情况会在下节阐述；

2. 根据热荷载来源方向不同设置两种受方向，参考图2；

3. “1-1-a”代表工况编号，其他类似；

4. “1500s”代表热力响应分析的时间，其他工况组类似。

图3 火灾高温下加筋板冲击响应数值分析步骤

Figure 3 numerical analysis step for impact response of stiffened panels under high temperatures

3 数值模型

本文基于非线性有限元数值方法开展研究，数值分析平台为ABAQUS。

图3为数值模型的建立与求解步骤。针对本文研究现象的特点，将分析分为热力响应和冲击响应两阶段：1）在热力响应阶段以隐式算法为基础，采用完全热力耦合算法进行求解，选择4节点S4RT壳单元建立加筋板有限元模型进行分析。2）冲击响应阶段以热力响应的模型为基础（单元类型和材料参数无需修改），将求解方法修改为以ABAQUS-explicit模块为基础的显式动力求解方法，之后以初始状态方式引入热力响应分析结果（温度、位移、应力应变），再重新设置冲击荷载与边界条件，最终进行求解分析。

3.1 几何参数

加筋板形式如图4所示。加筋板长宽均为3.2m，单向设置3根加强筋。面板厚14mm。加强筋高240mm，腹板厚10mm，翼缘厚19mm，宽39mm。

图4 加筋板结构形式与尺寸

Figure 4 type and size of stiffened panel

3.2 材料参数

钢材密度为7850kg/m³，泊松比为0.3，热膨胀系数取1.4×10^-5/℃，比热容、热传导系数均采用欧洲EC3^[6]规范推荐值。钢材常温下的弹性模量为2.1×10⁵MPa, 屈服强度330MPa。弹性模量以及不同应变对应的强度在不同温度下的折减依据EC3^[6]中的推荐，2%应变之后的应力保存不变（图5）。

图5 钢材高温力学性能

Figure 5 high temperature mechanical properties of steel

4 结果分析

4.1 加筋板在高温下的响应

4.1.1 温度分布

力学边界对传热分析是没有影响的，而不同的传热方向则结果相差较大。将图8-1中虚线所围起来的结构的截面温度(1500s)沿A-B-C的顺序依次展开到图8-2，发现方向1热载作用下的结构温度在所有节点均不小于方向2对应的情况，且在加筋的腹板翼缘部分温度高出500℃以上的温差。

由此可知，不同受热方向导致的温度结果是巨大的（主要表现在加筋腹板与翼缘温度），并将直接影响力学响应。板厚也影响温度分布，相同热量输入下，薄板必将有更高的温度，这也是方向1热载下，腹板温度高于翼缘的原因。

船舶与海工结构中，普遍的翼缘、腹板和面板的厚度关系是“翼缘厚>腹板厚<面板厚”，因此本文所揭示的温度分布规律有着极强的代表性。

(1)

(2)

图8 加筋板局部截面温度分布(1500s)

Figure 8 temperature distribution for typical section (1500s)

4.1.2 高温结构响应

图9给出了结构升温到1500s时不同边界约束下加筋板的典型变形模式。

图9 典型变形模式

Figure 9 numerical results of typical deformation models

事实上，加筋板在不同约束下的受热膨胀变形与其在不同边界轴向压力下的变形类似。如图10所示，约束1工况下的最终变形过程也可以理解为边界ABC先通过1、2方向的自由伸展到A’B’C’边界，然后再通过边界轴向压力由1’、2’方向回到边界ABC状态的整个过程；而约束2与3的工况则分别对应1’和2’两个方向边界的压缩过程；因此可以说该变形过程与不同轴向压力下的加筋板变形类似。

图10 约束工况下高温热膨胀解析图

Figure 10 schematic of thermal expansion under constraint

图11对单轴边界约束（约束2和3）下的加筋板变形特征进行了总结。约束2工况下，受热工况1的面板和加强筋部分在Z方向均出现5个半波形，其中中间的波幅最大，在加筋部分表现最为明显；加筋由于翼缘偏弱的原因，呈现出侧扭屈曲的形态；面板沿X方向，被加筋分割的每个面板一个半波，共4个半波；而受热工况2下，加筋部分由于温度不高，并没有产生大的膨胀，因此无明显变形。约束3工况下，两种受热工况表现的变形类似，均在沿X方向出现4个半波，被加筋分割的每个面板一个半波，而沿Z方向只有一个半波；加强筋则出现一个半波的侧向扭曲。工况1的情况则是两种单轴约束工况的组合，而约束3的工况对应的变形占据了主导。

图11 不同约束下加筋板部件典型变形模式

Figure 11 schematic of typical deformation models

可以发现，本文所分析的单轴约束的情况下的加筋板变形同文献^[20]在12-15章中所揭示的变形模式是极为相似的，尤其是约束2情况下的两种变形模式，明显对应于15章中所揭示的II和V两种失效模式，由此也说明了加筋板在不同约束下的受热膨胀变形与其在不同边界轴向压力下的变形类似。

约束情况还引起了复杂的应力应变分布。总体来讲，应变分布形态一般与位移分布形态有着较好对应关系，有着较大变形的部位一般会对应较大应变；应力分布往往与前两者没有较好对应关系，高温大变形区域一般对应较低的应力值，这是由钢材在高温下的本构关系决定的。图12关于工况2-1的应力应变分布图很好地展现了上述现象。

图12 约束2下加筋板的应力应变分布

Figure 12 stress and strain distributions for stiffened panel under constraint 2

表3给出了六种工况下位移、应力和应变的最大值。可以看出，最大位移值基本与最大应变值呈现很好的对应关系，而最大应力值则是荷载方向1对应的3种工况的值基本相同，荷载方向2对应的值相同，且后者应力值远高于前者。综合前文的图12以及表3中的应力数据，可以发现最高应力值均出现于低温区应变较大的地方，即结构最高应力值是由低温区最大应变值决定的。

表3 不同工况下位移、应变和应力的最大值

Table 3 maximum displacement, stress and strain for different analysis groups

注释：S：Mises应力；U：位移值；PEEQ：有效塑性应变

图13选取图12-‘2-1-S’中的A和B两点分别绘制了温度、应力以及应变随时间的变化曲线，并绘制了应力应变路径。其中A点升温较快，最终温度也比较高，且所处的位置变形较大。从两点的3个参数随时间的变化来看，温度和应变基本都呈现了单调增加的趋势，只有应力呈现了上升再下降的复杂变化。

上述变化原因如下：结构的应力状态是由结构的实际温度以及应变状态决定的。根据高温下钢材结构的材料性质，应变不变的情况下应力随温度增加而降低，温度不变的情况下应力随应变增加而趋向增加或稳定，这就使得在温度增高的结构中，结构应力能否增加或稳定取决于应变速率相对于升温速率是否够大，一旦不满足这个条件，应力就会下降。这从图13中两点的应力应变路径便可看出，A点虽然升温速率较快，但在前期A点应变速率较快，应力不断增加至稳定值，到后期应变速率平缓，温度骤降；而B点由于应变速率始终较小，导致从发生塑性应变开始则应力呈下降态势。

5 结论

本文给出了基于非线性有限元方法建立火灾高温下加筋板的冲击响应模型并进行求解的方法，研究了不同边界与热荷载组合下加筋板结构的热力响应以及高温冲击响应的相关机理，并有以下发现：

荷载方向对加筋板结构的温度分布影响巨大，当荷载方向来自加强筋一侧时，加强筋腹板基本会拥有高于面板的温度；

加筋板在不同约束下的受热膨胀变形与其在不同边界轴向压力下的变形类似，有着相似的变形机理；

约束会导致高温加筋板的复杂变形和应力应变分布。应变分布形态一般与位移分布形态有着较好对应关系；应变分布与前两者对应关系不明显，结构最高应力值由低温区最大应变值决定；

在升温结构中，结构应力能否增加或稳定取决于应变速率相对于升温速率是否够大；

荷载方向和约束对高温加筋板抗冲击能力的影响主要体现在对加强筋的抵抗力进行了多大程度的削弱。总体来讲，荷载方向的影响大于约束的影响；约束的作用主要是对加强筋变形模式的影响，约束2的情况是侧向抵抗能力中最好的；

参考文献:

[1] 天津港“8.12”瑞海公司危险品库特别重大火灾爆炸事故调查报告，2015.

[2] 上海赛科石油化工有限责任公司“5.12”其他爆炸较大事故调查报告，2018.

[3] 河北张家口盛华化工“11.28”重大爆燃事故调查报告，2018.

作者简介：

杨杭生，男，高级工程师，杭州之江城市建设投资集团有限公司董事长，出生年月：1976年2月，邮箱：zjct_yanghs@163.com