防火舱壁舾装支撑件导热计算

张海文,刘昆,何皛磊

(1.上海外高桥造船有限公司,上海 200137;2.江苏科技大学,江苏 镇江 212000)

船舶设计建造中,常见在防火舱壁或甲板上安装舾装支撑件,尤其是当舾装支撑件安装在敷设绝缘一侧时,支撑件贯穿防火绝缘会对防火绝缘造成一定的破坏,导致防火舱壁的隔热性能在这些贯穿点不能完全满足国际海事组织(IMO)《国际海上人命安全公约(SOLAS)》对耐火分隔的温升控制要求;同时,由于相关国际规范和船级社规范对这方面没有非常明确的规定,现场在防火绝缘安装报验时,船级社验船师往往根据自己的经验,要求将所有的贯穿绝缘的舾装支撑件用绝缘进行延伸包覆,由于舾装支撑件的数量非常庞大,这样的要求就会给船厂带来很大的工作量。而且,一直以来都没有做过这方面的计算和验证,船厂也无法给出具有说服力的绝缘延伸方案,因此往往会处于被动地位。为此,对解决这个问题进行探讨。

1 实船舾装支撑件的类型及安装型式

所述舾装支撑件指结构舾装件、管系舾装件以及电装舾装件等,包含各类安装在舱壁和甲板上的通道支撑件、管系支撑、风管支撑以及电缆托架支撑等。这类支撑件的材料,基本选用各种规格的角钢,有冲孔和不冲孔两类,与舱壁和甲板的连接型式为焊接固定。

以电缆托架为例,典型的安装节点见图1。

图1 A60级防火舱壁舾装支撑件安装示意

图1中A60级防火舱壁上敷设有A60级防火绝缘,附着在该舱壁上电缆托架支撑角钢焊接在舱壁板和结构加强角钢上。这些舾装件支撑角钢贯穿了A60级防火绝缘,从一定程度上破坏了A60级舱壁的耐火完整性。在实船设计时,由于这类支撑件数量非常多,如果不做任何处理,一旦发生火灾,这些绝缘贯穿点就有可能使防火舱壁的防火性能打折扣,进而影响舱室的防火安全。必须精准有效地对这些薄弱点进行处理,做到即不过度处理,又不遗留隐患。

2 有限元模型建立

为了便于计算分析,以2 m×2 m的舱壁板,带有L160 mm×100 mm×10 mm的扶强材作为典型舱壁模型,在该舱壁上焊接下列规格的角钢支撑件。

L40 mm×40 mm×4 mm;

L50 mm×50 mm×5 mm;

L63 mm×63 mm×6 mm;

L75 mm×75 mm×6 mm;

L100 mm×100 mm×8 mm。

支撑件有冲孔和非冲孔两种型式,角钢自由端距舱壁距离统一为600 mm。每种支撑件的安装位置分为与舱壁焊接固定、与结构扶强材面板焊接固定、与结构扶强材腹板搭接固定三类固定型式,见图2。

图2 舱壁板架安装角钢支撑件

假定舱壁构架面所包覆的A60级防火绝缘,材料为岩棉,密度为90 kg/m3,舱壁板包覆厚度为75 mm,扶强材包覆厚度为25 mm,加强筋下面的空隙用岩棉填满,岩棉与钢板之间紧密。

利用ABAQUS有限元仿真软件建立A60级防火舱壁有限元模型见图3。

图3 A60级防火舱壁有限元模型

图4 A60级防火舱壁约束及初始温度场

整个结构采用实体单元建模,岩棉与舱壁板采用四边形缩减积分壳单元(DC3D8)建立,网格尺寸为10 mm×10 mm,岩棉与舱壁面与面之间采用TIE约束,整个模型是初始温度场温度为20 ℃。

3 高温作用下的材料模型参数

进行热分析时,为得到结构的温度分布,需要确定钢材与岩棉的热分析材料参数,包括比热容、导热系数、热对流系数及热膨胀系数等。归纳整理Q235钢材在20～1 000 ℃下的材料模型的物理特性以及所假定的A60级岩棉材料的相关特性,做为后续数值仿真分析的输入条件。

3.1 钢材的物理特性

3.1.1 钢材的比热容

采用文献[1]给出的比热容Cs计算公式。

1)20≤Ts<600 ℃时。

(1)

2)600≤Ts<735 ℃时。

Cs=666+13 002/(738-Ts)

(2)

3)735≤Ts<900 ℃时。

Cs=545+17 820/(Ts-731)

(3)

4)900≤Ts<1 200 ℃时。

Cs=650

(4)

计算得到20～1 000℃钢材比热容Cs见表1。

表1 高温下钢材的比热容

3.1.2 钢材的导热系数

钢材的导热系数λs指在稳定传热条件下,单位厚度的钢材上下表面温度差1 ℃,单位时间内通过单位面积传递的热量。其单位为W/(m·K)或W/(m·℃)。文献[1]给出的计算公式为

λs=54-3.33×10-2Ts

20≤Ts<800 ℃

(5)

λs=27.3 800≤Ts<1 200℃

(6)

计算得到20～1 000 ℃钢材导热系数λs见表2。

表2 高温下钢材的导热系数

3.1.3 钢材的对流换热系数

对流换热系数hs指流体与钢材表面之间热量交换的能力。分析高温下钢结构上的温度分布时,需要考虑结构周围高温流体的对流换热作用。影响钢材对热换流系数的因素有很多,包括周围流体属性、流体与钢结构表面温度差以及流体流速等,根据文献[2],假设对流换热系数为hs=25 W/(m2·℃)。

3.2 岩棉的物理特性

根据相关国家标准[3],密度60～160 kg/m3的岩棉板的比热容为1.22 J/(kg·K)。根据岩棉厂家提供的资料,所选用的A60级岩棉材料在不同温度时的导热系数计算结果见表3。

表3 高温下岩棉的导热系数

4 高温下A60级防火舱壁的结构有限元仿真分析

4.1 标准升温曲线及基本假设

国际上一些国家和组织制定了相关的标准升温曲线,用于对一般火灾事故下结构温度场的研究分析。如北美等国家制定的ASTM-E119标准升温曲线,以及国际标准化组织制定的ISO-834标准升温曲线,这两个标准温升曲线见图5,根据国际海事组织(IMO)相关规范[4]选取ISO-834规定的标准升温曲线,分析A60级防火舱壁结构在典型高温场景中的温度场响应。

图5 标准升温曲线

ISO-834标准升温曲线的表达式为

Tt=20+345lg(8t+1)

(7)

在进行标准升温曲线下的A60级防火舱壁结构温度分布分析时,需要建立标准升温曲线下A60级防火舱壁的基本假设。

1)直接受火区域构件的轴向热传导忽略不计。

2)防火舱壁构件刚开始初始温度为常温,即20 ℃。

3)直接受火区域仅对周围1 m范围内的非直接受火区域空气产生对热换流作用。

4)假定火灾发生在舱壁非构架面一侧。

4.2 防火舱壁在高温火灾环境下失效的判定条件

在火灾发生时,A60级防火绝缘的作用不仅仅是阻挡火灾的蔓延,同时还可起到保护承重结构的作用,能有效的防止舱壁在承受火灾时屈服强度降低而失去抗变形能力。这里主要评估舾装支撑件对舱壁耐火绝缘隔热完整性的破坏程度,结构强度的变化以及结构形变不予考虑。

根据相关国际规范要求[5],对于“A”级耐火分隔,在1 h的耐火试验中,背火面测得平均温度升高不应超过试件表面初始温度140 ℃时,并且在包括任何接头在内的任何一点的温度较初始温度升高不超过180 ℃。基于上述要求,在环境温度为20 ℃时,如在仿真分析过程中(时长1 h内),舾装支撑件上未被A60绝缘覆盖的任何一点的温度超过200 ℃,或者由于舾装支撑件对防火绝缘的整体破坏,而导致舱壁背火一侧整体平均温度达到160 ℃及以上时,则判定该防火舱壁发生失效。

4.3 防火舱壁背火面温度分布及失效分析

A60舱壁及舾装支撑件在受火60 min后,背火面在标准温升条件下的温度分布见图6、7。

图6 A60级防火舱壁及舾装支撑件温度分布(t=60 min)

图7 相同规格的支撑角钢在不同安装型式下的温度分布(t=60 min)

分析图6、7,可以得出下述结论。

1)A60绝缘的暴露面温度明显低于钢板及加强角钢的温度。

2)舾装支撑角钢的温度分布,距离舱壁板越远温度升高越小。

3)火灾状态下,相同规格的舾装件支撑角钢,其温升情况由于安装型式的不同而产生明显差异,直接固定在舱壁板上的支撑件温升最大,固定在结构角钢面板上的支撑件温升最小。

防火舱壁每隔10 min时的温度上升情况见表4。从表4可以看出,随着受火时间的增加,舱壁背火面温升一直较为缓慢,未出现突然上升的情况,在受火60 min后,背火温度为133.6 ℃,未超过160 ℃的平均温度限值。

表4 A60级防火舱壁岩棉背火面温度上升情况 ℃

表5为舾装支撑角钢温度超过室温180 ℃(即200 ℃)的位置点距离舱壁的尺寸。由于舱壁板上A60绝缘厚度为75 mm,结构加强角钢上包敷的绝缘厚度为25 mm,结构加强角钢的腹板高度为160 mm,因此对于舱壁板上固定的舾装支撑角钢,如温度为200 ℃的位置点到舱壁的距离大于75 mm,则被认为该支撑角钢对绝缘的破坏导致耐火舱壁局部失效;对于安装在结构角钢面板和腹板上的舾装支撑件,该距离大于185 mm时,则认为该支撑角钢导致耐火舱壁局部失效。

表5 舾装支撑角钢温度超过室温180 ℃(即200 ℃)的位置点到舱壁的距离 mm

基于上述评价标准,从表5中可以得出以下结论。

1)当舾装支撑角钢安装在结构加强角钢面板上时,在1 h的耐火试验中,所有规格的角钢支撑件的最大温度小于200 ℃,说明这种安装型式不会引起耐火舱壁的局部失效。

2)当舾装支撑角钢搭接在结构加强角钢腹板上,其温度为200 ℃的位置点均小于185 mm,说明舾装支撑件的这种安装型式不会引起耐火舱壁的局部失效。

3)L50的冲孔角钢以及L63,L75,L100的支撑角钢,与舱壁板直接焊接固定时,温度为200 ℃的位置点距舱壁均超过了绝缘厚度75 mm,暴露在绝缘外面,造成耐火舱壁的局部失效。

4)冲孔角钢相对于不冲孔的角钢,温度升高更加明显。

5 结论

在A60级耐火舱壁绝缘敷设一侧安装的舾装支撑角钢是否会对舱壁的耐火完整性造成破坏,取决于支撑角钢的尺寸以及安装型式;对于相同安装型式的支撑角钢,尺寸越大,温升越大;直接固定在舱壁板上的支撑件相对于固定在结构加强上的支撑件而言,更易造成耐火舱壁的失效;相同尺寸的角钢支撑件,冲孔型式比不冲孔型式温升更快。

为了方便建模和计算,对舱壁的壁厚、舱壁加强结构的型式和尺寸、舾装支撑件的规格和尺寸以及A60绝缘的类型和厚度等都进行了限定,但在实船设计建造时,A60级耐火分隔的类型以及舾装支撑件的类型有很多,在进行传热分析时判定耐火舱壁局部失效的标准也会随之不同,但是这类问题的分析方法普遍适用。