H-120型防火防爆氣動移門的設(shè)計及其在海洋平臺上的應(yīng)用

郭學(xué)峰

(中遠船務(wù)工程集團有限公司 技術(shù)中心 大連116600）

引 言

海洋作業(yè)平臺干舷甲板上通常會布置各種工藝模塊、動力模塊（主電站）和熱介質(zhì)鍋爐模塊，模塊內(nèi)存在各種危險源，有發(fā)生火災(zāi)、爆炸、氣體泄漏等危險的可能，因有需要根據(jù)設(shè)備的實際使用情況和入級海洋工程規(guī)范要求進行危險區(qū)域等級的劃分。危險區(qū)域的封閉機械處所按照規(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，在該機械處所艙壁板上供作業(yè)人員進出的門也要滿足其要求。

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

（1）CB/T3722氣密門通過充氣密封膠條來達到門的內(nèi)外氣密性能，壓力需維持在500 Pa，然而，壓力要維持在500 Pa，不僅需要單獨的氣源（構(gòu)造復(fù)雜），且必須使用充氣密封膠條來維持較高的壓力，因為沒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，也無法滿足船級社海洋工程規(guī)范要求。

（2）防爆炸力的強度計算國內(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，船級社海洋工程規(guī)范中要求海洋平臺風(fēng)雨密門的強度不低于其安裝處船體艙壁的結(jié)構(gòu)強度，海洋平臺上模塊艙壁板承受的載荷遠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）氣動操作的移門沒有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

我們依據(jù)“挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)”［1］和“DNV近海工程入級規(guī)范”［2］的基本要求，結(jié)合實際項目進行了仔細研究，對滿足海洋工程要求的門在海洋平臺危險區(qū)域機械處所的應(yīng)用給出了設(shè)計思路和方法，主要創(chuàng)新點：

（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標(biāo)準(zhǔn)；

（2）門板滿足危險區(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)雨密強度和密性能夠滿足海洋平臺使用特定的海域作業(yè)環(huán)境，同時給出了計算方法；

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

（5）門的密封節(jié)點，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)合某實例分別從H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門的功能設(shè)計及組成單元、載荷分析、強度設(shè)計、開口處艙壁結(jié)構(gòu)的強度計算、工廠和船上試驗要求等方面進行闡述，希望對其他設(shè)計者提供參考及引導(dǎo)國內(nèi)舾裝件廠家進行創(chuàng)新設(shè)計，擴大我國舾裝產(chǎn)品在海洋工程船上的應(yīng)用。

1 H-120型氣動移門功能設(shè)計及組成單元

從海洋作業(yè)平臺操作安全因素考慮，在危險區(qū)域封閉機械處所門的啟閉操作使用氣動操作，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度和密性要求，能抵抗雨水、風(fēng)、浪、冰雪、危險氣體、煙霧的浸入，防火級別H-120。

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門由門板、門框、拉手、特制密封膠圈、軌道、滑輪、氣缸、氣動裝置、儲氣瓶、防護罩、絕緣裝置、防火條、控制單元、按鈕、導(dǎo)向滾輪、局部手動應(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，通過儲氣瓶供氣，操作門啟閉。

風(fēng)雨密將根據(jù)門的實際安裝位置，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區(qū)域逸出的可燃氣體進入含有引爆區(qū)域的可能性，當(dāng)氣密門打開時，通風(fēng)空氣應(yīng)該是從低危險區(qū)域流向高危險區(qū)域，關(guān)閉時機械處所內(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)入級船級社規(guī)范的要求。

H-120型防火主要考慮耐火強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，感溫開關(guān)打開，發(fā)出火警報警，主供氣關(guān)閉，儲氣瓶供氣自動關(guān)閉門，從而起到良好的保護作用。

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，也是主要創(chuàng)新點，在制作時需要控制精度。風(fēng)雨密、氣密的密性詳細設(shè)計節(jié)點見圖1。

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

圖2 H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門外觀圖

最終H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門外觀見圖2。

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

2 H-120型氣動移門的載荷分析

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門根據(jù)實際安裝位置及平臺的具體作業(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、船舶運動慣性力等［2］：

2.1 風(fēng)載荷

海洋作業(yè)平臺設(shè)計載荷時要考慮更為嚴(yán)格，這里平均風(fēng)速我們按照實船入籍“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為實際高度距海面，m；DNV Offshore 取1小時風(fēng)速作為平均風(fēng)速。

tr為時間 ，s，在參考高度距海面10 m；

t為平均時間 s；

U（zr，tr）為參考高度距海面10 m的參考風(fēng)速m/s；

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

p=±cpq=2.51 kn/m2

計算受風(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 船舶運動加速度載荷［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型氣動移門的強度設(shè)計［2］

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

3.1 門板強度校核

門板承受的彎矩：

利用系數(shù)：

式中：s為扶強材間距，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)扶強材強度校核

帶板的有效寬度：

門板細長比：

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。

扶強材的塑性剖面模數(shù)：

扶強材許用彎矩：

實際彎矩：M=374 kn·mm

利用系數(shù)：UF=0.97

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

圖3 開口處結(jié)構(gòu)框架計算模型

4 H-120型氣動移門安裝處結(jié)構(gòu)艙壁強度校核

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

5 H-120型氣動移門工廠和船上試驗要求

H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門制作結(jié)束后，需要在制作工廠進行風(fēng)雨密、氣密性和試燒試驗。風(fēng)雨密試驗時應(yīng)該選在最容易滲漏的部位(四周)進行。氣密試驗關(guān)閉門對模擬艙室內(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。試燒試驗應(yīng)該選在四周和把手等容易傳遞溫度和過煙的部位進行。

圖4 H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門實際安裝圖

門上船安裝結(jié)束后進行船上沖水試驗，試驗使用的噴嘴、距離試驗點的距離、噴嘴出口處水的壓力均應(yīng)滿足入籍船級社的要求。被檢測面應(yīng)無水跡或者水珠等。

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

6 結(jié) 論

我們對使用在海洋作業(yè)平臺上危險區(qū)域的H-120型防火防爆風(fēng)雨密氣密氣動移門進行了創(chuàng)新設(shè)計，并應(yīng)用于實船，取得了預(yù)期的效果，也積累了一些經(jīng)驗，供大家參考，不妥之處請予以指正。

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

［2］ 挪威船級社.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.基于南海環(huán)境條件的半潛式鉆井平臺設(shè)計環(huán)境參數(shù)分析［J］.船舶，2011（2）：8-14 .