海上油氣生產(chǎn)設(shè)施防火窗的抗爆性能分析及試驗(yàn)方法

張海文,何皛磊,王嘯宇

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

近幾年,隨著國(guó)際石油和天然氣價(jià)格的不斷攀升,海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的建造和租賃市場(chǎng)也逐漸回暖和升溫,與上一次建造熱潮相比,近期新建造的海上油氣生產(chǎn)設(shè)施在設(shè)計(jì)要求上出現(xiàn)了一個(gè)較為明顯的特點(diǎn),就是更加重視對(duì)生活區(qū)以及作業(yè)人員的安全防護(hù),同時(shí)隨著各種新產(chǎn)品的出現(xiàn)以及評(píng)估和試驗(yàn)水平的提升,也為這些設(shè)計(jì)要求提供了有力的支撐。本文以某型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)對(duì)上建面向上部模塊的防火窗的抗爆要求為例,介紹抗爆窗的抗爆性能仿真分析過(guò)程及船用窗的抗爆試驗(yàn)方法,以期為類(lèi)似的設(shè)計(jì)要求及防火窗的抗爆性能檢測(cè)提供參考。

1 海上油氣生產(chǎn)設(shè)施防火窗的抗爆性能分析

1.1 防火窗的抗爆仿真模型輸入條件

本例FPSO項(xiàng)目,對(duì)上建前壁防火窗的抗爆性能要求是能夠承受正壓峰值50 kPa,基于美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)[1]給出的油氣爆炸超壓峰值P和超壓作用時(shí)間的關(guān)系公式見(jiàn)圖1,正壓作用時(shí)間計(jì)算公式為

圖1 油氣爆炸超壓與正壓持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

t+=0.084+13 000/P

(1)

式中:t+為正壓作用時(shí)長(zhǎng),s,P為正壓峰值,kPa。

根據(jù)該公式,可以確定爆炸載荷峰值為50 kPa時(shí),油氣爆炸的正壓作用時(shí)間約為0.344 s,簡(jiǎn)化的爆炸載荷曲線見(jiàn)圖2[2],并將其作為爆炸載荷輸入條件,利用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行抗爆性能分析。

圖2 三角形油氣爆炸載荷

圖3為某型A60級(jí)防火窗的剖面結(jié)構(gòu)圖,該窗的透光尺寸為0.6 m×0.8 m(寬×高),主窗框?yàn)殇摬?Q235-B),副窗框?yàn)殇X合金(6063-T5),固定螺絲(M6)和玻璃壓板(厚度5 mm)均為不銹鋼材質(zhì),耐火玻璃組件主要是由三層鋼化玻璃組成,分別為厚度15 mm的耐壓鋼化玻璃,以及兩層厚度5 mm的鋼化玻璃,兩層5 mm的鋼化玻璃之間填充防火液,防火液厚度為22 mm,耐壓鋼化玻璃與防火玻璃組件之間有橡膠密封圈,主要的材料參數(shù)及性能見(jiàn)表1。

表1 A60防火窗材料參數(shù)

圖3 某型A60防火窗剖面結(jié)構(gòu)

1.2 防火窗的抗爆仿真計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可知,在該爆炸載荷下,最大的等效應(yīng)力及結(jié)構(gòu)位移均發(fā)生在最外層的耐壓玻璃上,計(jì)算分析的結(jié)果及分析見(jiàn)表2,等效應(yīng)力及變形云圖見(jiàn)圖4。

表2 厚度15 mm耐壓玻璃的計(jì)算結(jié)果

圖4 等效應(yīng)力及變形

仿真分析發(fā)現(xiàn),防火窗的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在主窗框與外層耐壓玻璃的連接處,而最大的變形則發(fā)生在外層耐壓玻璃的中心位置,在此爆炸載荷下,窗玻璃所承受的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)屈服應(yīng)力,完全能夠承受0.5 bar的爆炸載荷。

2 防火窗的抗爆試驗(yàn)方法

2.1 門(mén)窗抗爆試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)試驗(yàn)方法

國(guó)際上對(duì)于門(mén)窗防爆方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要采用的是激波管(Shock tube)和距離檢測(cè)法(Range test)兩種,我國(guó)自2006年啟動(dòng)了建筑幕墻和門(mén)窗的防爆炸空氣沖擊波的檢測(cè)研究,最終采用了距離檢測(cè)法,制定了國(guó)標(biāo)《GB/T 29908_玻璃幕墻和門(mén)窗抗爆炸沖擊波性能分級(jí)及檢測(cè)方法》,該標(biāo)準(zhǔn)非等效采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《ISO 16933-2007建筑玻璃 防爆炸安全玻璃 場(chǎng)地爆炸沖擊波荷載檢測(cè)和分級(jí)》。與激波管法相比,距離檢測(cè)法確實(shí)能夠更加直觀的反映門(mén)窗的抗爆性能,檢測(cè)方法也比較容易實(shí)現(xiàn),但是無(wú)論是國(guó)標(biāo)GB/T 29908還是ISO 16933標(biāo)準(zhǔn)均采用了固體炸藥作為爆炸物,尤其是在GB/T 29908中,更是將爆炸物規(guī)定為密度為1.56 g/cm3的TNT(三硝基甲苯)集中藥包。其檢測(cè)方法示意于圖5。

圖5 門(mén)窗爆炸檢測(cè)示意(GB/T 29908)

(2)

由式(2)可以算出自由場(chǎng)爆炸時(shí),3 kgTNT炸藥,爆炸距離為9 m時(shí),沖擊波正壓峰值約為40 kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T 29908中給出的70 kPa的正壓峰值,這主要是因?yàn)樵揋B標(biāo)準(zhǔn)中所提供的數(shù)據(jù)是在TNT近地爆炸試驗(yàn)中得到的,對(duì)于近地爆炸而言,地面反射部分的沖擊波會(huì)使得相同距離處峰值超壓有顯著增大,近地爆炸沖擊波的傳播,除了自由場(chǎng)沖擊波傳播以及多種反射以外,同時(shí)也存在由于對(duì)地面的沖擊和破壞而導(dǎo)致能量損耗,所以計(jì)算起來(lái)比較復(fù)雜,另外,GB/T 29908中的這種檢測(cè)方法對(duì)場(chǎng)地的要求比較高,TNT炸藥量也相對(duì)比較大,檢測(cè)費(fèi)用也相對(duì)較高。

由于爆炸載荷主要與炸藥量與爆炸距離相關(guān),大藥量和小藥量的炸藥爆炸,在產(chǎn)生相同的超壓時(shí),一般遵循以下規(guī)律[4]。

(3)

即重量為W1的炸藥爆炸時(shí),在距離R1處所產(chǎn)生的超壓,與重量為W2的炸藥爆炸時(shí)在距離R2處所產(chǎn)生的超壓相等?；谶@個(gè)爆炸相似定律,通常在實(shí)際試驗(yàn)時(shí),將大當(dāng)量炸藥的爆炸試驗(yàn)用小藥量試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行推廣。國(guó)內(nèi)某防爆器材檢測(cè)機(jī)構(gòu)所使用的防爆檢測(cè)裝置外觀及其內(nèi)部設(shè)置見(jiàn)圖6,試驗(yàn)裝置為直徑2 m,高度為2 m的鋼質(zhì)圓筒,設(shè)計(jì)最大載荷為0.5 MPa,由于炸藥在封閉的圓筒內(nèi)爆炸時(shí),會(huì)在筒壁和蓋板上產(chǎn)生一系列反射,沖擊波比較混亂,因此該裝置在炸藥和試件之間設(shè)置了格柵3,其作用是將爆炸產(chǎn)生的混亂沖擊波轉(zhuǎn)變成均勻的一維平面波,并均勻作用于試件表面。

圖6 某機(jī)構(gòu)的抗爆試驗(yàn)裝置外觀及內(nèi)部設(shè)置

在進(jìn)行抗爆強(qiáng)度較低(<0.5 MPa)的檢測(cè)作業(yè)時(shí),上述試驗(yàn)裝置尺寸相對(duì)較小,對(duì)場(chǎng)地的要求也不高,產(chǎn)生同樣的爆炸載荷時(shí),所需要的炸藥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)GB/T 29908中列出的炸藥量,因此檢測(cè)成本相對(duì)較低。但是采用這種裝置進(jìn)行抗爆試驗(yàn)具有下列局限性。

1)沒(méi)有設(shè)置見(jiàn)證板,在爆炸檢測(cè)時(shí),一旦窗戶發(fā)生碎裂,就無(wú)法按照GB/T 29908的要求進(jìn)行窗的防爆性能分級(jí),這就導(dǎo)致在做窗的抗爆檢測(cè)前,需要預(yù)先做一個(gè)窗的防爆強(qiáng)度分析計(jì)算,從理論上確認(rèn)試件在檢測(cè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碎裂,如果計(jì)算結(jié)果顯示會(huì)發(fā)生玻璃碎裂的情形,則需要調(diào)整試驗(yàn)裝置,增加見(jiàn)證板。

2)TNT爆炸正壓作用時(shí)間非常短,而可燃?xì)怏w爆炸的正壓作用時(shí)間往往都比較長(zhǎng),因此,該裝置無(wú)法用以準(zhǔn)確模擬海上油氣生產(chǎn)設(shè)施可燃?xì)怏w爆炸的情形。

2.2 海上油氣生產(chǎn)設(shè)施防火窗抗爆試驗(yàn)方法探討

海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施的爆炸事故通常是由油氣泄漏形成的烴類(lèi)氣體云團(tuán)引發(fā)的,與TNT炸藥爆炸相比,烴類(lèi)氣體(例如甲烷、丙烷、丁烷、乙炔等)的燃燒的熱值大約是等質(zhì)量TNT反應(yīng)熱的10倍[1],但是其爆炸沖擊波的傳播速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TNT爆炸的傳播速度,所以烴類(lèi)氣體云團(tuán)爆炸所產(chǎn)生的正壓作用時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TNT爆炸的作用時(shí)長(zhǎng)。以所述FPSO項(xiàng)目上建窗的防爆要求為例,如要求該防爆窗至少滿足正壓峰值載荷50 kPa,正壓作用時(shí)長(zhǎng)300 ms,如使用TNT炸藥進(jìn)行抗爆試驗(yàn),很難實(shí)現(xiàn)對(duì)該防爆要求的準(zhǔn)確模擬。所以對(duì)于海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施的防爆試驗(yàn),應(yīng)盡可能采用可燃?xì)怏w進(jìn)行爆炸試驗(yàn)。

國(guó)外某試驗(yàn)機(jī)構(gòu)所做的窗的抗爆試驗(yàn)原理見(jiàn)圖7。

圖7 門(mén)窗爆炸檢測(cè)示意(可燃?xì)怏w爆炸物)

試驗(yàn)筒是一個(gè)直徑約2.1 m,長(zhǎng)度約1.4 m的圓柱形筒體,設(shè)計(jì)最大載荷為0.3 MPa,試件支撐用于固定做防爆試驗(yàn)的窗,并與試驗(yàn)筒通過(guò)法蘭邊連接下圖所示箭頭方向?yàn)楸ㄝd荷作用方向,爆炸物選用的是裝有乙炔氣體和空氣混合物的塑料袋,見(jiàn)圖8,塑料袋的底部設(shè)置有一個(gè)硬質(zhì)底盤(pán),用于固定塑料袋以及空氣和可燃?xì)怏w的進(jìn)排氣管路、點(diǎn)火裝置等。試驗(yàn)前,根據(jù)爆炸強(qiáng)度要求以及所選用的可燃?xì)怏w的類(lèi)型,確定試驗(yàn)所需要的可燃?xì)怏w的體積和濃度;在試驗(yàn)時(shí),用底盤(pán)上安裝的空氣管路將塑料袋中的空氣排空,然后利用可燃?xì)怏w管路和空氣管路注入所需體積的可燃?xì)怏w和空氣,使之充分混合形成爆炸氣團(tuán),點(diǎn)火前將泄壓口封閉,最后利用點(diǎn)火裝置點(diǎn)火產(chǎn)生爆炸。

圖8 裝有甲烷和空氣混合物的塑料袋

由于可燃?xì)怏w-空氣混合物在封閉容器內(nèi)的爆炸所產(chǎn)生的沖擊波比較復(fù)雜,很難通過(guò)理論計(jì)算準(zhǔn)確得出試驗(yàn)所需的混合物可燃?xì)怏w占比和混合氣體的總體積,因此在進(jìn)行正式的抗爆試驗(yàn)前,需要進(jìn)行多個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)或者稱(chēng)為“刻度試驗(yàn)”,旨在確定正式試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)裝置的相關(guān)設(shè)置條件,主要是混合氣體的體積和泄壓口的開(kāi)口面積。做刻度試驗(yàn)時(shí),用帶有壓力傳感器的鋼板代替防爆窗試件,可燃?xì)怏w選用體積濃度為8%的乙炔-空氣混合氣體,向塑料袋中沖入不同體積的混合氣體,同時(shí)調(diào)整泄壓口的開(kāi)口面積,之后點(diǎn)火爆炸讀取數(shù)據(jù),最終根據(jù)刻度試驗(yàn)的數(shù)據(jù),設(shè)定正式試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)裝置的相關(guān)設(shè)置。

可燃?xì)怏w爆炸的特性在很大程度上取決于可燃?xì)怏w的種類(lèi)、濃度以及混合氣體的組成等因素,常用的可燃?xì)怏w有甲烷、乙炔等,與之混合的氣體可以是空氣,也可以是純氧,還可以是指定氧氣濃度的某種混合氣體,不同的氣體種類(lèi)和組合有不同的爆炸特性,正壓作用時(shí)間相對(duì)于TNT炸藥更長(zhǎng),所以在做海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的抗爆性能試驗(yàn)時(shí),采用可燃?xì)怏w做為爆炸物更加合適。

3 結(jié)論

1)所述防火窗的抗爆性能計(jì)算可以為船用窗的抗爆性能計(jì)算提供參考,由于計(jì)算的爆炸載荷相對(duì)較小,沒(méi)有對(duì)最外層的抗壓玻璃造成破壞,因此內(nèi)層的防火玻璃組件沒(méi)有受到爆炸載荷的影響,假定爆炸載荷足夠大,造成外層抗壓玻璃破損,那么內(nèi)層的防火玻璃組件的相關(guān)參數(shù)就會(huì)對(duì)防火窗的抗爆性能產(chǎn)生較大的影響,防火玻璃是類(lèi)似于夾層玻璃的組合件,但是由于防火液沒(méi)有足夠的粘結(jié)力,其物理特性又與常規(guī)的夾層玻璃有很大差別,目前尚未看到有對(duì)這類(lèi)組合件的屈服應(yīng)力、彈性模量等參數(shù)的研究,報(bào)道因此對(duì)船用防火窗極限抗爆能力的計(jì)算還缺乏一些輸入條件。

2)對(duì)于海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的抗爆性能測(cè)試,采用TNT炸藥做為爆炸物具有一定的局限性,可燃?xì)怏w混合物做為爆炸物的試驗(yàn)更貼合工程實(shí)際,本文所述試驗(yàn)方法具有一定的借鑒意義。