郭學(xué)峰

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心 大連116600）

引 言

海洋作業(yè)平臺(tái)干舷甲板上通常會(huì)布置各種工藝模塊、動(dòng)力模塊（主電站）和熱介質(zhì)鍋爐模塊，模塊內(nèi)存在各種危險(xiǎn)源，有發(fā)生火災(zāi)、爆炸、氣體泄漏等危險(xiǎn)的可能，因有需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用情況和入級(jí)海洋工程規(guī)范要求進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)的劃分。危險(xiǎn)區(qū)域的封閉機(jī)械處所按照規(guī)范要求通常需滿足氣密、防火、防爆炸、風(fēng)雨密性與隔音等要求，在該機(jī)械處所艙壁板上供作業(yè)人員進(jìn)出的門也要滿足其要求。

我國(guó)目前對(duì)于在海洋平臺(tái)上危險(xiǎn)區(qū)域使用的滿足上述要求的門，我們國(guó)家還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)與資料無(wú)法滿足要求，如：

（1）CB/T3722氣密門通過充氣密封膠條來(lái)達(dá)到門的內(nèi)外氣密性能，壓力需維持在500 Pa，然而，壓力要維持在500 Pa，不僅需要單獨(dú)的氣源（構(gòu)造復(fù)雜），且必須使用充氣密封膠條來(lái)維持較高的壓力，因?yàn)闆]有使用充氣密封膠條門的內(nèi)外氣密性能為0 Pa，這既不滿足防火門的要求，也無(wú)法滿足船級(jí)社海洋工程規(guī)范要求。

（2）防爆炸力的強(qiáng)度計(jì)算國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有提及。

（3）GB/T3477風(fēng)雨密門，主要是安裝在船舶的上層建筑和甲板室艙壁上，船級(jí)社海洋工程規(guī)范中要求海洋平臺(tái)風(fēng)雨密門的強(qiáng)度不低于其安裝處船體艙壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，海洋平臺(tái)上模塊艙壁板承受的載荷遠(yuǎn)高于普通船舶的上層建筑和甲板室，該標(biāo)準(zhǔn)也不能滿足海洋工程規(guī)范的要求。

（4）氣動(dòng)操作的移門沒有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

我們依據(jù)“挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)”［1］和“DNV近海工程入級(jí)規(guī)范”［2］的基本要求，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了仔細(xì)研究，對(duì)滿足海洋工程要求的門在海洋平臺(tái)危險(xiǎn)區(qū)域機(jī)械處所的應(yīng)用給出了設(shè)計(jì)思路和方法，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

（1）門的氣密性標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)DNV規(guī)范和NORSOK標(biāo)準(zhǔn)維持門內(nèi)外壓差至少50 Pa，給出了維持的密性壓差及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）門板滿足危險(xiǎn)區(qū)域防爆炸力沖擊，給出了爆炸力載荷的合理選用方法；

（3）門的風(fēng)雨密強(qiáng)度和密性能夠滿足海洋平臺(tái)使用特定的海域作業(yè)環(huán)境，同時(shí)給出了計(jì)算方法；

（4）氣動(dòng)移門具有很好的可操作性，能夠在失火時(shí)其自動(dòng)關(guān)閉，并在實(shí)船取得應(yīng)用；

（5）門的密封節(jié)點(diǎn)，有效保證了門的氣密性、風(fēng)雨密要求，具有創(chuàng)新性。

下面結(jié)合某實(shí)例分別從H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門的功能設(shè)計(jì)及組成單元、載荷分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、開口處艙壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算、工廠和船上試驗(yàn)要求等方面進(jìn)行闡述，希望對(duì)其他設(shè)計(jì)者提供參考及引導(dǎo)國(guó)內(nèi)舾裝件廠家進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，擴(kuò)大我國(guó)舾裝產(chǎn)品在海洋工程船上的應(yīng)用。

1 H-120型氣動(dòng)移門功能設(shè)計(jì)及組成單元

從海洋作業(yè)平臺(tái)操作安全因素考慮，在危險(xiǎn)區(qū)域封閉機(jī)械處所門的啟閉操作使用氣動(dòng)操作，在操作空間允許的條件下使用移門。門板與門框要求具有足夠的強(qiáng)度和密性要求，能抵抗雨水、風(fēng)、浪、冰雪、危險(xiǎn)氣體、煙霧的浸入，防火級(jí)別H-120。

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門由門板、門框、拉手、特制密封膠圈、軌道、滑輪、氣缸、氣動(dòng)裝置、儲(chǔ)氣瓶、防護(hù)罩、絕緣裝置、防火條、控制單元、按鈕、導(dǎo)向滾輪、局部手動(dòng)應(yīng)急操作裝置、限位開關(guān)等部分組成。當(dāng)主供氣壓力不足或關(guān)閉時(shí)，通過儲(chǔ)氣瓶供氣，操作門啟閉。

風(fēng)雨密將根據(jù)門的實(shí)際安裝位置，綜合考慮風(fēng)、上浪載荷的影響和作業(yè)海域環(huán)境。

氣密性將阻止相鄰的不同危險(xiǎn)區(qū)域逸出的可燃?xì)怏w進(jìn)入含有引爆區(qū)域的可能性，當(dāng)氣密門打開時(shí)，通風(fēng)空氣應(yīng)該是從低危險(xiǎn)區(qū)域流向高危險(xiǎn)區(qū)域，關(guān)閉時(shí)機(jī)械處所內(nèi)外氣壓保持至少5 mm水柱，門允許的泄漏率0.5 m3/hm2在50 Pa壓差。

防爆將根據(jù)門的安裝位置選用靜爆炸載荷，依據(jù)相關(guān)入級(jí)船級(jí)社規(guī)范的要求。

H-120型防火主要考慮耐火強(qiáng)度和阻燃及阻煙性能，材料選用陶瓷棉，可以承受1 450℃高溫，同時(shí)該材料具備良好的隔音效果。

該門具備特殊的功能：當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，感溫開關(guān)打開，發(fā)出火警報(bào)警，主供氣關(guān)閉，儲(chǔ)氣瓶供氣自動(dòng)關(guān)閉門，從而起到良好的保護(hù)作用。

此處的風(fēng)雨密和氣密的密性性能與普通海船要求不同，需要給予特別考慮，也是主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，在制作時(shí)需要控制精度。風(fēng)雨密、氣密的密性詳細(xì)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)見圖1。

圖1 H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門密封節(jié)點(diǎn)詳圖

圖2 H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門外觀圖

最終H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門外觀見圖2。

門板材質(zhì)為不銹鋼、厚度為5 mm；根據(jù)強(qiáng)度要求，內(nèi)部特別制作U60 mm×30 mm×2 mm加強(qiáng)結(jié)構(gòu)型材。

2 H-120型氣動(dòng)移門的載荷分析

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門根據(jù)實(shí)際安裝位置及平臺(tái)的具體作業(yè)海域等作業(yè)環(huán)境，受到載荷有：結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)載荷、上浪載荷、爆炸載荷、冰雪載荷、船舶運(yùn)動(dòng)慣性力等［2］：

2.1 風(fēng)載荷

海洋作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)載荷時(shí)要考慮更為嚴(yán)格，這里平均風(fēng)速我們按照實(shí)船入籍“DNV Offshore DNV-RP-C205”規(guī)范百年一遇的要求［2］：

式中：zr為參考高度距海面10 m；

z為實(shí)際高度距海面，m；DNV Offshore 取1小時(shí)風(fēng)速作為平均風(fēng)速。

tr為時(shí)間 ，s，在參考高度距海面10 m；

t為平均時(shí)間 s；

U（zr，tr）為參考高度距海面10 m的參考風(fēng)速m/s；

ρa(bǔ)為空氣的密度，1.225 kg/m3。本實(shí)例中經(jīng)過修正后最終風(fēng)壓：

p=±cpq=2.51 kn/m2

計(jì)算受風(fēng)面積選取受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

2.2 上浪載荷

海浪的載荷是線性的，隨門安裝高度的升高而逐漸降低。我們按照入籍DNV Offshore規(guī)范要求［2］，本實(shí)例中載荷p=13.5 kn/m2。

2.3 爆炸載荷

根據(jù)門的安裝位置靠近鉆井區(qū)域，選取DNV Offshore 規(guī)范［2］靜爆炸壓力 0.1 bar（1 bar=105Pa），沖擊頻率0.2 s。

爆炸力載荷作用在垂直門板。爆炸壓力的選用見表1。

2.4 冰雪載荷

冰雪載荷根據(jù)其具體高度、暴露的海況環(huán)境，我們按照“DNV Offshore DNV-RP-C205”規(guī)范［2］百年一遇的要求：

表1 爆炸壓力的選用

冰厚度10 mm；密度ρ=900 kg/m3；

冰載荷P冰=0.09 kn/m2;

雪載荷P雪=0.5 kn/m2。

2.5 船舶運(yùn)動(dòng)加速度載荷［2］

式中：kv=0.7；

g0為重力加速度，g0=9.81 m/s2；

cb為船舶方形系數(shù)；

a0為船舶加速度系數(shù)。

3 H-120型氣動(dòng)移門的強(qiáng)度設(shè)計(jì)［2］

根據(jù)H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，參照DNV Offshore 規(guī)范和美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)AISC要求，分別對(duì)門板的厚度和內(nèi)部的扶強(qiáng)材強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3.1 門板強(qiáng)度校核

門板承受的彎矩：

利用系數(shù)：

式中：s為扶強(qiáng)材間距，m；

t為門板厚度，mm；

P為門板承受的外力，N；

K為門板與門框連接系數(shù)1.5；γM為材料系數(shù)；

fy為許用應(yīng)力值，N/mm2。采用雙層門板，厚度分別為5 mm，滿足要求。

3.2 門板內(nèi)扶強(qiáng)材強(qiáng)度校核

帶板的有效寬度：

門板細(xì)長(zhǎng)比：

門板的最大變形W=7.2 mm，滿足規(guī)范要求許用最大變形值。

扶強(qiáng)材的塑性剖面模數(shù)：

扶強(qiáng)材許用彎矩：

實(shí)際彎矩：M=374 kn·mm

利用系數(shù)：UF=0.97

內(nèi)部扶強(qiáng)材尺寸U60 mm×30 mm×2 mm，滿足屈曲強(qiáng)度要求。

圖3 開口處結(jié)構(gòu)框架計(jì)算模型

4 H-120型氣動(dòng)移門安裝處結(jié)構(gòu)艙壁強(qiáng)度校核

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密動(dòng)移門安裝在框架結(jié)構(gòu)的模塊上，因開口尺寸過大，需要對(duì)開口處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，采用STAAD結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)實(shí)船入級(jí)DNV海洋工程規(guī)范對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。模型根據(jù)結(jié)構(gòu)及承受載荷的特點(diǎn)，從力學(xué)上加以抽象化，得出計(jì)算模型。模塊上的隔板等弱結(jié)構(gòu)可不計(jì)及。底部與甲板連接處因模塊尺寸較大，采用彈性固定支承進(jìn)行定義，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力值滿足強(qiáng)度要求，具體計(jì)算參見圖3［3］。

5 H-120型氣動(dòng)移門工廠和船上試驗(yàn)要求

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門制作結(jié)束后，需要在制作工廠進(jìn)行風(fēng)雨密、氣密性和試燒試驗(yàn)。風(fēng)雨密試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該選在最容易滲漏的部位(四周)進(jìn)行。氣密試驗(yàn)關(guān)閉門對(duì)模擬艙室內(nèi)部充入空氣加壓，使壓差大于50 Pa,檢查允許的泄漏率0.5 m3/hm2是否滿足要求。試燒試驗(yàn)應(yīng)該選在四周和把手等容易傳遞溫度和過煙的部位進(jìn)行。

圖4 H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門實(shí)際安裝圖

門上船安裝結(jié)束后進(jìn)行船上沖水試驗(yàn)，試驗(yàn)使用的噴嘴、距離試驗(yàn)點(diǎn)的距離、噴嘴出口處水的壓力均應(yīng)滿足入籍船級(jí)社的要求。被檢測(cè)面應(yīng)無(wú)水跡或者水珠等。

根據(jù)上面方案布置以及計(jì)算結(jié)果送審船級(jí)社和船東，目前已經(jīng)實(shí)際安裝到船上，實(shí)際安裝請(qǐng)參見圖4。

6 結(jié) 論

我們對(duì)使用在海洋作業(yè)平臺(tái)上危險(xiǎn)區(qū)域的H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動(dòng)移門進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)船，取得了預(yù)期的效果，也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，供大家參考，不妥之處請(qǐng)予以指正。

［1］ 挪威海工標(biāo)準(zhǔn).NORSOK STANDARD ［S］.2009：201-315.

［2］ 挪威船級(jí)社.DNV OFFSHORE RULES ［S］.2012：10-92.

［3］ 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1998：101-253.

［4］ 童波，金強(qiáng).基于南海環(huán)境條件的半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)分析［J］.船舶，2011（2）：8-14 .