大型風(fēng)雨密防火卷簾門在改裝海工模塊上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭學(xué)峰

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

大型風(fēng)雨密防火卷簾門在改裝海工模塊上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭學(xué)峰

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

通常情況下卷簾門結(jié)構(gòu)單薄、不能應(yīng)用在海洋工程船模塊外部暴露艙壁上。目前在船級(jí)社海工規(guī)范中沒有關(guān)于風(fēng)雨密防火卷簾門的設(shè)計(jì)要求，也沒有相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外還沒有將卷簾門使用在海洋工程船露天處所的先例。在某改裝海工模塊外部暴露艙壁上，因開口處受布置所限，我們創(chuàng)新性地將普通卷簾門結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，做到使其滿足海工模塊外部艙壁開口處的風(fēng)雨密、防火性A－0的要求。文章結(jié)合實(shí)船展示，努力探索出風(fēng)雨密防火卷簾門在改裝海工模塊上使用的設(shè)計(jì)方法，為今后進(jìn)行類似設(shè)計(jì)提供了參考。

改裝海工模塊;風(fēng)雨密A－0防火卷簾門布置;功能設(shè)計(jì)及操作組成單元;結(jié)構(gòu)計(jì)算

眾所周知，普通卷簾門通常應(yīng)用在陸地建筑物、庫房等進(jìn)出口，海洋工程船模塊的工作環(huán)境惡劣，通常情況下認(rèn)為卷簾門結(jié)構(gòu)單薄不能應(yīng)用在改裝海工模塊尤其是外部暴露艙壁上，普通海船上比較常見的船用廚房防火卷簾門尺寸很小 (最大規(guī)格寬2 m ×高1.5 m)，并且僅限于使用在內(nèi)部艙室內(nèi)。目前船用風(fēng)雨密防火卷簾門沒有對(duì)應(yīng)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以依據(jù)，國內(nèi)外也沒有使用在海工模塊露天處所的先例。

大型風(fēng)雨密防火卷簾門布置在改裝海工模塊露天處所外部暴露艙壁上具有以下困難:需要滿足安裝處艙壁風(fēng)雨密密性要求，突破傳統(tǒng)上卷簾門的使用范圍;風(fēng)雨密強(qiáng)度要求導(dǎo)致其較普通卷簾門的設(shè)計(jì)強(qiáng)度大幅提高;防火密性要求因大型卷簾門的特殊結(jié)構(gòu)形式很難做到;沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求可以供參考;卷簾門的結(jié)構(gòu)型式特殊，加工困難;制作精度要求較高等。

某改裝海工模塊在工作間外部露天艙壁上，根據(jù)布置所限，創(chuàng)新性地使用風(fēng)雨密防火卷簾門來滿足使用要求。將普通卷簾門結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足規(guī)范中對(duì)于改裝海工模塊外部艙壁開口處的風(fēng)雨密密性、防火性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，同時(shí)對(duì)卷簾門操作性進(jìn)行改進(jìn)，使其操作功能性也滿足設(shè)備和人員進(jìn)出的使用要求。

大型風(fēng)雨密防火卷簾門應(yīng)用在改裝海工模塊上，具有如下優(yōu)點(diǎn):同鉸鏈門、移門相比占用很小的使用空間;安裝方便，節(jié)省建造成本;優(yōu)化設(shè)計(jì)通道布置;使用電力操作，機(jī)械化程度較高，操作方便。

大型風(fēng)雨密防火卷簾門盡管具有方便海工模塊通道布置、優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低建造成本等優(yōu)點(diǎn)，但它也在自身強(qiáng)度設(shè)計(jì)、制作上存在諸多難點(diǎn)。下面結(jié)合某改裝海工模塊實(shí)例分別從風(fēng)雨密防火卷簾門的布置、功能設(shè)計(jì)及操作組成單元、載荷分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算、開口處結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算、工廠和船上試驗(yàn)要求等幾方面進(jìn)行闡述。

1 風(fēng)雨密防火卷簾門的布置

在某改裝海工模塊工作間外部暴露艙壁上有一設(shè)備和人員進(jìn)出開口，參見圖1。

圖1 實(shí)船井口控制模塊工作間開口圖

該改裝模塊工作間主要用來維修BOP控制設(shè)備。作為人員和設(shè)備進(jìn)出工作間的通道開口尺寸根據(jù)需要滿足定期檢修設(shè)備的最大外形尺寸要求，將卷簾門的通孔尺寸定為寬1.7 m×高6 m。

圖1中改裝海工模塊工作間暴露的外部艙壁，因其他模塊結(jié)構(gòu)的阻礙，鉸鏈門、移門都不能滿足布置上使用要求，創(chuàng)新性地使用風(fēng)雨密防火卷簾門來滿足該處使用要求。風(fēng)雨密防火卷簾門的布置要充分考慮到人員和設(shè)備進(jìn)出艙室的方便性，綜合考慮人員主通道入口和維修設(shè)備入口通道的走向進(jìn)行布置。

根據(jù)工作間的工作性質(zhì)，工作間暴露的外部艙壁上設(shè)備進(jìn)出開口處需要保證風(fēng)雨密密性要求，防火等級(jí)為A－0，按照SOLAS、API和入籍船級(jí)社海洋平臺(tái)等規(guī)范中防火劃分的等級(jí)要求。為了更好地保證工作間密性，卷簾門安裝在工作間外部。卷簾門控制采用內(nèi)、外部電動(dòng)操作和外部手動(dòng)應(yīng)急操作。卷簾門上的電機(jī)等控制單元安裝外部艙壁上，安裝啟閉聲光報(bào)警裝置、限位開關(guān)裝置，卷簾門底部與甲板密封要考慮甲板上的維修BOP設(shè)備軌道影響。

2 風(fēng)雨密防火卷簾門的功能設(shè)計(jì)及操作組成單元

風(fēng)雨密防火卷簾門由門板、門框、動(dòng)力裝置、控制單元、報(bào)警顯示裝置、密封裝置、操作按鈕、本地手動(dòng)應(yīng)急操作裝置、限位開關(guān)等部分組成。安裝在暴露艙壁面的本地手動(dòng)操作裝置 (手動(dòng)應(yīng)急操作拉鏈裝置)在船舶電力系統(tǒng)不起作用的工況下 (如失電工況下等)使用。動(dòng)力單元設(shè)置在外部，控制單元設(shè)置在艙壁的內(nèi)外兩側(cè)。卷簾門需要的電源應(yīng)由位于艙壁甲板上方的專用配電板供電。

卷簾門門板與門框要求具有風(fēng)雨密性，抵抗雨水、風(fēng)浪的浸入。電機(jī)絕緣、防護(hù)等級(jí)滿足露天要求。防火等級(jí):A－0。根據(jù)使用區(qū)域?yàn)槁短毂┞秴^(qū)域，將卷簾門卷簾片定義為:卷簾片材質(zhì)為不銹鋼、厚度為1 mm;卷簾片內(nèi)部特別制作加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

四周含鋼絲的密封膠條進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)處理，有效保證強(qiáng)度和防火密性要求，卷簾片之間采用圓形膠條密封。卷簾門的卷簾片長度大約7 m，故動(dòng)力馬達(dá)選型時(shí)需要考慮功率滿足卷簾片卷起時(shí)操作負(fù)荷，以免燒毀電機(jī)。卷簾門底部與甲板密封處需要特別考慮，使用特殊膠條保證密性，防止雨水從底部甲板處灌入。卷簾門詳圖參見圖2。

圖2 卷簾門詳圖

3 風(fēng)雨密防火卷簾門的載荷分析

根據(jù)卷簾門安裝位置作用在卷簾門上的載荷(暴露面)分為:卷簾門自重、風(fēng)載荷、冰雪載荷、船舶運(yùn)動(dòng)加速度、卷簾門運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)軌的摩擦力等，因該處舷邊有管廊結(jié)構(gòu)保護(hù)，海水上浪載荷不考慮。下面按照規(guī)范分別采用手工計(jì)算。

3.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷是脈動(dòng)的，常用的表示有陣風(fēng)風(fēng)速、持續(xù)風(fēng)速、穩(wěn)定風(fēng)速。各國船級(jí)社規(guī)范中各自的規(guī)定不同，這里平均風(fēng)速我們按照實(shí)船入籍DNV offshore百年一遇的要求［1］:本實(shí)例中經(jīng)過修正后最終風(fēng)壓 P風(fēng)=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。

3.2 冰雪載荷

卷簾門設(shè)計(jì)冰雪載荷根據(jù)其安裝的具體高度、暴露的海況環(huán)境，按照DNV offshore要求［1］:冰載荷 P冰=0.09 kN/m2; 雪載荷 P雪=0.5 kN/m2。

3.3 運(yùn)動(dòng)摩擦力載荷

卷簾門在下放、收起過程中，卷簾片要承受卷簾片與兩側(cè)軌道密封膠皮產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)查得摩擦因數(shù)0.15［2］。摩擦力線載荷 P摩擦=900 N/m。

3.4 船舶運(yùn)動(dòng)加速度載荷

卷簾門安裝位置的船舶運(yùn)動(dòng)加速度根據(jù)DNV offshore 進(jìn)行計(jì)算［1］，得 αv=1.58 m/s2。

4 風(fēng)雨密防火卷簾門的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)風(fēng)雨密防火卷簾門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，參照DNV offshore和美國鋼鐵協(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［1，3－4］。

4.1 門板強(qiáng)度校核

風(fēng)雨密防火卷簾門門板承受的彎矩:σb=44.5 N/mm2，雙面門板厚度1 mm滿足要求。

4.2 門板上扶強(qiáng)材強(qiáng)度校核

帶板的有效寬度:b=168 mm，門板的最大變形:δ=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):Wp=1.83×103mm3，扶強(qiáng)材許用彎矩:Md=Wp× fy/γm=384 N·m，γm為材料系數(shù);fy為許用應(yīng)力值.

實(shí)際彎矩:M=374 N·m，內(nèi)部扶強(qiáng)材尺寸滿足屈曲強(qiáng)度要求。

門框與艙壁板焊接，選擇門框的材質(zhì)要求等同于安裝處船體結(jié)構(gòu)艙壁板的材質(zhì);門板以及其上的扶強(qiáng)材的材質(zhì)選擇要按照入籍船級(jí)社規(guī)范中對(duì)該海洋工程船安裝卷簾門艙室所處的工作環(huán)境溫度等級(jí)對(duì)應(yīng)的厚度選擇門板的材質(zhì)。

5 風(fēng)雨密防火卷簾門開口處結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算

卷簾門安裝在框架結(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海工規(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。模塊上的隔板等弱結(jié)構(gòu)可不計(jì)。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。計(jì)算模型見圖3。

圖3 開口處結(jié)構(gòu)框架計(jì)算模型示意圖

6 風(fēng)雨密防火卷簾門的工廠和船上試驗(yàn)要求

風(fēng)雨密防火卷簾門與模塊結(jié)構(gòu)的四周密封設(shè)計(jì)在設(shè)備功能設(shè)計(jì)中需要給予特別考慮，但卷簾門在制作結(jié)束后需要在制作工廠進(jìn)行風(fēng)雨密試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該選在最容易滲漏的中間部位和卷簾門門板與甲板之間密封處進(jìn)行。

卷簾門上船安裝結(jié)束后進(jìn)行船上試驗(yàn) (按照入籍船級(jí)社檢驗(yàn)要求進(jìn)行沖水試驗(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，被檢測面應(yīng)無水跡或者水珠等。

7 結(jié)束語

根據(jù)以上設(shè)計(jì)以及計(jì)算結(jié)果送審DNV船級(jí)社和船東，獲得通過。本文對(duì)改裝海工模塊露天艙壁使用的大型風(fēng)雨密防火卷簾門進(jìn)行仔細(xì)地研究，對(duì)其布置、結(jié)構(gòu)組成、承受的載荷分析、強(qiáng)度校核、工廠及上船安裝試驗(yàn)等方面進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的計(jì)算方法、公式和思路，希望能夠?qū)窈箢愃频脑O(shè)計(jì)提供一些參考。隨著海洋工程市場的升溫，其必將有更加廣闊的市場前景。

我們在對(duì)卷簾門方案設(shè)計(jì)等方面積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)，如有不妥的地方請(qǐng)給予指正。

［1］DNV.OFFSHORE STANDARD DNV －0S－C101 ［S］.2008.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］AISC.AISC 13th Edition［S］.2011.

［4］王杰德，楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

As all known working environment of offshore installations is very severely，and normally roller shutter does not satisfied with this condition which it to be installed on weather bulkhead.It does not mentioned in the Rules and Standards.When the sliding door or hinge door can not to be installed on weather bulkhead.We revised the normal roller shutter，and innovatively apply weather tight A － 0 fireproof roller shutter.Meanwhile we display one offshore installation for example.We hope that this will give some designers further help.

module of offshore installation;layout of weather tight A－0 fireproof roller shutter;design of function and composition;structure calculation

U667.3

C

1001－8328(2013)05－0055－03

郭學(xué)峰 (1971-)，男，河北秦皇島人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶結(jié)構(gòu)與舾裝設(shè)計(jì)工作。

2013－07－26