防火舱壁舾装支撑件导热计算.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.防火舱壁舾装支撑件导热计算张海文刘昆何皛磊(.上海外高桥造船有限公司上海.江苏科技大学江苏 镇江)摘 要:利用 有限元仿真计算软件以某 级防火舱壁为例建立有限元模型从温升的角度定量分析、评估在防火舱壁上焊接舾装支撑件对 级耐火分隔的破坏程度对比实船常见的几种舾装支撑件的导热特性以及安装型式用于指导防火舱壁上舾装支撑件的选型和安装同时为防火舱壁上防火绝缘的安装节点提供设计依据以确保防火舱壁的耐火完整性关键词:防火舱壁舾装支撑件耐火完整性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:张海文()男学士高级工程师研究方向:船舶与海洋工程设计建造 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()国际海上人命安全公约()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 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 图 中 级防火舱壁上敷设有 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 级防火绝缘从一定程度上破坏了 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图 级防火舱壁舾装支撑件安装示意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 有限元模型建立为了便于计算分析以 的舱壁板带有 的扶强材作为 年第 期张海文等:防火舱壁舾装支撑件导热计算船海工程第 卷典型舱壁模型在该舱壁上焊接下列规格的角钢支撑件 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 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 图 舱壁板架安装角钢支撑件假定舱壁构架面所包覆的 级防火绝缘材料为岩棉密度为 /舱壁板包覆厚度为 扶强材包覆厚度为 加强筋下面的空隙用岩棉填满岩棉与钢板之间紧密利用 有限元仿真软件建立 级防火舱壁有限元模型见图 图 级防火舱壁有限元模型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()建立网格尺寸为 岩棉与舱壁面与面之间采用 约束整个模型是初始温度场温度为 图 级防火舱壁约束及初始温度场 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 钢材在 下的材料模型的物理特性以及所假定的 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.钢材的物理特性.钢材的比热容采用文献给出的比热容 计算公式)时 .()时 /()()时 /()()时()计算得到 钢材比热容 见表表 高温下钢材的比热容温度/比热容/()温度/比热容/().钢材的导热系数钢材的导热系数 指在稳定传热条件下单 年第 期张海文等:防火舱壁舾装支撑件导热计算船海工程第 卷位厚度的钢材上下表面温度差 单位时间内通过单位面积传递的热量 其单位为/()或/()文献给出的计算公式为 .().()计算得到 钢材导热系数 见表 表 高温下钢材的导热系数温度/导热系数/()温度/导热系数/().钢材的对流换热系数对流换热系数 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假设对流换热系数为 /().岩棉的物理特性根据相关国家标准密度 /的岩棉板的比热容为./()根据岩棉厂家提供的资料所选用的 级岩棉材料在不同温度时的导热系数计算结果见表 表 高温下岩棉的导热系数温度/导热系数/()温度/导热系数/().高温下 级防火舱壁的结构有限元仿真分析.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 标准升温曲线以及国际标准化组织制定的 标准升温曲线这两个标准温升曲线见图 根据国际海事组织()相关规范选取 规定的标准升温曲线分析 级防火舱壁结构在典型高温场景中的温度场响应 标准升温曲线的表达式为 ()()图 标准升温曲线 在进行标准升温曲线下的 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 级防火舱壁的基本假设)直接受火区域构件的轴向热传导忽略不计)防火舱壁构件刚开始初始温度为常温即)直接受火区域仅对周围 范围内的非直接受火区域空气产生对热换流作用)假定火灾发生在舱壁非构架面一侧.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 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对于“”级耐火分隔在 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 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 基于上述要求在环境温度为 时如在仿真分析过程中(时长 内)舾装支撑件上未被 绝缘覆盖的任何一点的温度超过 或者由于舾装支撑件对防 年第 期张海文等:防火舱壁舾装支撑件导热计算船海工程第 卷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 及以上时则判定该防火舱壁发生失效.防火舱壁背火面温度分布及失效分析 舱壁及舾装支撑件在受火 后背火面在标准温升条件下的温度分布见图、图 级防火舱壁及舾装支撑件温度分布()图 相同规格的支撑角钢在不同安装型式下的温度分布()分析图、可以得出下述结论)绝缘的暴露面温度明显低于钢板及加强角钢的温度)舾装支撑角钢的温度分布距离舱壁板越远温度升高越小)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 时的温度上升情况见表 从表 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 后背火温度为.未超过 的平均温度限值表 为舾装支撑角钢温度超过室温 (即 )的位置点距离舱壁的尺寸 由于舱壁板上 绝缘厚度为 结构加强角钢上包敷的绝缘厚度为结构加强角钢的腹板 年第 期张海文等:防火舱壁舾装支撑件导热计算船海工程第 卷 表 级防火舱壁岩棉背火面温度上升情况 测点作用时间/平均温度.表 舾装支撑角钢温度超过室温 (即 )的位置点到舱壁的距离角钢类型安装型式与舱壁板直接固定与结构加强角钢腹板搭接固定 角钢 角钢 冲孔角钢 角钢 角钢 冲孔角钢 角钢高度为 因此对于舱壁板上固定的舾装支撑角钢如温度为 的位置点到舱壁的距离大于 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 时则认为该支撑角钢导致耐火舱壁局部失效基于上述评价标准从表 中可以得出以下结论)当舾装支撑角钢安装在结构加强角钢面板上时在 的耐火试验中所有规格的角钢支撑件的最大温度小于 说明这种安装型式不会引起耐火舱壁的局部失效)当舾装支撑角钢搭接在结构加强角钢腹板上其温度为 的位置点均小于 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)的冲孔角钢以及 的支撑角钢与舱壁板直接焊接固定时温度为 的位置点距舱壁均超过了绝缘厚度 暴露在绝缘外面造成耐火舱壁的局部失效)冲孔角钢相对于不冲孔的角钢温度升高更加明显 结论在 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 绝缘的类型和厚度等都进行了限定但在实船设计建造时 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参考文献 欧洲标准化委员会.欧洲规范:钢结构设计第 部分:总则结构防火设计.中华人民共和国城乡建设部.民用建筑热工设计规范.北京:中国建筑工业出版社.国际海事组织.年国际耐火试验程序应用规则(年 规则).北京:人民交通出版社.国际海事组织.国际海上人命安全公约(综合文本).北京:人民交通出版社.(下转第 页)年第 期陈正云等:基于仿真的锚系设计优化船海工程第 卷库实现后续船锚系标准化助力造船事业高质量发展参考文献 中国船舶工业集团公司中国船舶重工集团公司中国造船工程学会.船舶实用设计手册.舾装分册.版.北京:国防工业出版社.孙大虎孙华伟.多用途船锚系布置方案的设计.船舶设计通讯(增刊):.邱小虎王明强刘志强等.吨级散货船锚唇设计及拉锚试验仿真分析.造船技术():.凌世豪.船舶锚唇设计.版.北京:国防工业出版社:.于刚.简述锚系设计.船舶设计通讯(增刊):.沈治平.基于链径的锚唇厚度基准研究.上海造船():.(.):.:(上接第 页)(.):.: