海上固定平臺(tái)生活樓模塊舾裝減重影響因素分析與建議

宋 杰,許 蓮,李春萌

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

海上固定平臺(tái)生活樓模塊舾裝減重影響因素分析與建議

宋 杰,許 蓮,李春萌

(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)

國(guó)內(nèi)海洋工程正逐漸向深水領(lǐng)域發(fā)展，海洋平臺(tái)重量成為影響其經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一。平臺(tái)組塊重量會(huì)極大地影響下部結(jié)構(gòu)重量，而生活樓是平臺(tái)上部組塊中的重要組成部分。通過(guò)分析90人生活樓各類艙室家具及舾裝材料的重量，提出合理使用重量輕、性能好的新型材料，使舾裝重量減輕，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)重量的減輕，提高海洋平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

海洋平臺(tái)；生活樓；舾裝新材料；重量減輕

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但是中國(guó)的能源又比較缺乏，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理。目前我國(guó)陸上石油產(chǎn)量增長(zhǎng)停滯不前，而海洋油氣儲(chǔ)量豐富，增長(zhǎng)潛力巨大。在我國(guó)的海域中，南海海域更是石油寶庫(kù)：中國(guó)對(duì)南?？碧降暮Ｓ蛎娣e目前僅有16萬(wàn)平方千米，發(fā)現(xiàn)的石油儲(chǔ)量已達(dá)52.2億噸。

現(xiàn)在我國(guó)準(zhǔn)備加快南中國(guó)海油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，但這一海域水深在500～2 000 m，迫切需要發(fā)展深海油氣勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)。深水開(kāi)采中，鋼制導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)重量及造價(jià)會(huì)隨著水深的增加而急劇增長(zhǎng)，影響平臺(tái)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性。在兼顧平臺(tái)性能和經(jīng)濟(jì)性的前提下，有效控制平臺(tái)上部組塊重量，減輕結(jié)構(gòu)荷載，是油氣資源勘探開(kāi)發(fā)向深水發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。生活樓是平臺(tái)上部組塊中一個(gè)比較重要的組成部分，因此，控制生活樓舾裝重量是上部組塊設(shè)計(jì)中一個(gè)比較重要的命題。本文對(duì)90人生活樓各類艙室家具及舾裝材料重量進(jìn)行了分析，提出通過(guò)合理使用新型材料來(lái)減輕舾裝重量，從而提高海洋平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

1 生活樓的布置及重量分布

生活樓的主要用途是給海上平臺(tái)工作人員提供一個(gè)安全、舒適的休息、娛樂(lè)場(chǎng)所。生活樓的主要房間包括居住用房、公共用房、衛(wèi)生用房、辦公用房、炊事用房、醫(yī)療用房、無(wú)線通信用房等[1]。根據(jù)平臺(tái)類型、組塊總體布置、生活樓在平臺(tái)所處位置、生活樓擬定居住人數(shù)等，按照防火、安全、保溫絕緣、脫險(xiǎn)救生[2]等規(guī)范要求對(duì)生活樓各層進(jìn)行布置，同時(shí)在滿足規(guī)范要求的條件下也要考慮平臺(tái)生活樓人員的舒適性[1]?，F(xiàn)以某固定式平臺(tái)上定員為90人的生活樓為例進(jìn)行相關(guān)討論。

圖1所示為生活樓各專業(yè)重量分布情況。從圖1中可見(jiàn)舾裝專業(yè)重量約占整個(gè)生活樓總重量的29%，因此控制舾裝重量可以減輕結(jié)構(gòu)荷載，優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量，對(duì)于整個(gè)生活樓的減重是比較有效的。

圖1 90人生活樓各專業(yè)重量分布Fig.1 Weight ratio of every section of a 90-person living quarters

2 生活樓舾裝重量組成

生活樓舾裝材料主要包括各類區(qū)域家具設(shè)備、衛(wèi)生盥洗設(shè)備、洗衣設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、門(mén)窗、保溫防火材料、救生設(shè)備以及地板敷料等[3]。圖2所示為90人生活樓舾裝重量組成。從圖2中可以看出，居住及辦公區(qū)家具、盥洗設(shè)備、防火保溫材料、圍壁天花板、地板敷料和救生設(shè)備是生活樓舾裝重量比較集中的幾類，合計(jì)約占舾裝總重量的86%。從舾裝優(yōu)化設(shè)計(jì)角度出發(fā)，兼顧生活樓的功能和經(jīng)濟(jì)性，其中可以進(jìn)行選材減重的有艙室家具、盥洗設(shè)備、防火保溫材料、圍壁天花板和地板敷料。具體分析如下。

2.1 居住及辦公區(qū)家具、衛(wèi)生盥洗設(shè)備

在滿足使用方功能性要求的條件下，生活樓艙室布置需要滿足《國(guó)際海事勞工公約》[4]對(duì)艙室面積、高度以及家具布置、大小的基礎(chǔ)要求，另外，有關(guān)公約對(duì)于餐廳廚房設(shè)備和衛(wèi)生盥洗設(shè)備的配置均有與定員相聯(lián)系的規(guī)定。因此，在滿足規(guī)范的條件下，優(yōu)化艙室家具布置，從實(shí)用性考慮多使用功能性兼具的家具也是舾裝減重的一個(gè)有效辦法[1]。

圖2 90人生活樓舾裝重量組成Fig.2 Weight components of outfitting of 90-person living quarters

另外家具材料目前以木材、鋼材為主，但根據(jù)《國(guó)際海上人命安全公約》(《SOLAS公約》)對(duì)可燃材料使用限制的要求[2]，平臺(tái)上木質(zhì)家具的使用比例往往較低，主要采用鋼制設(shè)備家具，雖然提高了安全性，但比較笨重。近年來(lái)，以鋁合金材料為主的家具和設(shè)備的出現(xiàn)使得設(shè)備和家具的選擇更多。鋁合金家具美觀、堅(jiān)固、耐用，同時(shí)又具有不易銹蝕、密度低、不燃等特性，除滿足規(guī)范對(duì)家具設(shè)備的要求之外，還兼具許多優(yōu)點(diǎn)，獲得了市場(chǎng)較好的評(píng)價(jià)。根據(jù)市場(chǎng)成熟鋁合金家具使用案例可知，采用鋁合金設(shè)備和家具，可減重約40%。

衛(wèi)生盥洗設(shè)備材料主要有陶瓷和不銹鋼。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)可知，使用不銹鋼衛(wèi)生盥洗設(shè)備，可減重約70%。

表1統(tǒng)計(jì)了使用新材料替換90人生活樓艙室家具中的鋼制框架和衛(wèi)生盥洗設(shè)備中的陶瓷設(shè)備后的重量數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，使用新材料后重量減少約8.1 t，減少的重量約為原設(shè)備重量的21%。

表1 90人生活樓艙室家具、盥洗設(shè)備更換材料前后重量比較Table 1 Comparison of weight of cabin furniture and washing equipment for the 90-person living quarters when using different materials

2.2 防火保溫材料

生活樓外壁及生活樓頂部和底部需敷設(shè)保溫絕緣材料，以達(dá)到“冬暖夏涼”的效果。傳統(tǒng)的絕緣材料是(30+50) mm厚的巖棉，容重140 kg/m3；另根據(jù)《SOLAS公約》要求對(duì)生活樓進(jìn)行防火分區(qū)后[2]，對(duì)防火等級(jí)有要求的區(qū)域需要敷設(shè)防火材料，傳統(tǒng)A-60防火等級(jí)需敷設(shè)(20+20) mm厚陶瓷棉來(lái)滿足要求，其容重為170 kg/m3；對(duì)于天然氣田，如果防爆參數(shù)要求達(dá)到一定數(shù)值，即需要設(shè)置防爆墻，傳統(tǒng)H-60防爆材料容重是170 kg/m3。

在滿足規(guī)范要求的條件下，目前市場(chǎng)上的絕緣防火新型材料容重可以降低到48 kg/m3，防爆新材料容重可以降低到80 kg/m3。

從表2可以看出，使用防火纖維材料后，90人生活樓防火絕緣材料可以減重約39.3 t，減少的重量約為原防火絕緣材料重量的53.9%。

表2 90人生活樓防火絕緣材料更換前后重量比較Table 2 Comparison of weight of fire-proof and insulating materials for the 90-person living quarters when using different materials

2.3 圍壁天花材料

常規(guī)生活樓居住艙室、公用處所(餐廳、辦公室、會(huì)議室)和內(nèi)走道的襯板、獨(dú)立圍壁及天花板均采用聚氯乙烯(PVC)貼面的復(fù)合巖棉板；廚房、盥洗室、洗衣房等潮濕環(huán)境處所采用不銹鋼表面的復(fù)合巖棉板；其中，襯板厚度為30 mm，獨(dú)立圍壁板厚度為50 mm，天花板采用30 mm厚的復(fù)合巖棉板[3]。

目前可替代復(fù)合巖棉板的材料中，蜂窩板是比較好的選擇。蜂窩板是使用鋁箔制成的仿蜂窩的板材，面板一般用PVC或者玻璃鋼；其材料特點(diǎn)是：(1)密度低，強(qiáng)度高，這也是我們選擇該類材料的主要原因；(2)防火性好，鋁箔制成的板可以有效防止火焰擴(kuò)散，并減少煙塵的產(chǎn)生，對(duì)于提高生活樓的安全性也有幫助；(3)兼具耐久性和裝飾性，鋁箔板的材質(zhì)特性決定了它經(jīng)久耐用，抗沖擊性、抗疲勞性和耐候性均比較好，而且磨光或紋理處理不影響其特性，提高了其裝飾性。

表3所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，蜂窩鋁箔板在生活樓中除了吸音天花之外的地方均適宜替換，減重36.1 t，減少的重量約為原圍壁天花重量的65.6%。

表3 90人生活樓襯板、圍壁天花材料更換前后重量比較Table 3 Comparison of weight of bulkhead and ceiling for the 90-person living quarters when using different materials

2.4 地板敷料

甲板敷料約占整個(gè)生活樓舾裝重量的15%，屬占比較大的部分，同時(shí)甲板敷料也可以采取一些材質(zhì)替代，并可以在保持功能的情況下有效地減輕重量。常規(guī)船甲板敷料的敷設(shè)一般為居住艙室、公用處所(餐廳、辦公室、會(huì)議室)和內(nèi)走道等處所地板，敷設(shè)不燃輕質(zhì)甲板敷料，其上敷設(shè)3 mm厚防火橡膠地板；廚房、盥洗室、洗衣房等潮濕處所采用40 mm厚水泥，其上鋪設(shè)10 mm厚防滑瓷磚[3]。

甲板敷料所用材料中水泥和地磚的密度較大，如果能有效替代，將能可觀地減少舾裝重量。乳膠甲板敷料是在水泥砂漿中加入一定比例乳膠制成的，同時(shí)也可以選擇性摻入阻燃劑，提高阻燃效果。乳膠甲板敷料的特點(diǎn)是相比水泥其耐壓、抗折、耐磨、抗沖擊性能都有極大的提高，特別是增強(qiáng)了敷料和甲板的黏結(jié)力，省去了原來(lái)水泥敷料所需要的金屬馬腳，而且降低了敷設(shè)厚度，可直接敷設(shè)約10 mm，不僅簡(jiǎn)化了施工工序，而且減輕了重量，同時(shí)乳膠甲板敷料的耐水性也有所改善，能適應(yīng)其所處的潮濕環(huán)境。另外甲板敷料中的3 mm厚防火橡膠地板也可用2 mm厚PVC替代，在滿足規(guī)范要求的同時(shí)，防火性和舒適性均達(dá)到要求，同時(shí)密度減小，而且PVC地板的裝飾性很強(qiáng)，可制作多重紋理。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，減少水泥、瓷磚的使用，可以大幅度地減少甲板敷料重量，對(duì)于90人生活樓減重約15 t。

表4 90人生活樓甲板敷料材料重量比較Table 4 Comparison of weight of deck covering for the 90-person living quarters when using different materials

2.5 舾裝減重總結(jié)

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，采用新材料后，90人生活樓舾裝原重量292.6 t，減輕重量98.6 t，減重約占原舾裝重量的1/3。對(duì)于整個(gè)生活樓而言，原生活樓總重量為994 t，減重后895 t，生活樓減輕約10%，舾裝重量所占比例從減重前的29%減為21%。圖3是舾裝減重后的重量分布。為清晰起見(jiàn)，圖3中僅明確標(biāo)出了占比較大的結(jié)構(gòu)和舾裝部分。

圖3 舾裝減重后90人生活樓各專業(yè)重量分布Fig.3 Weight ratio of every section of the 90-person living quarters after weight reduction of outfitting

2.6 新材料使用經(jīng)濟(jì)性分析

新材料的使用勢(shì)必會(huì)對(duì)平臺(tái)建造成本造成影響。新增材料費(fèi)用與節(jié)省結(jié)構(gòu)建造等費(fèi)用之間的平衡點(diǎn)也是平臺(tái)建造需要考慮的。對(duì)于本文討論的90人生活樓，如上所述，舾裝減重合計(jì)約98.6 t。舾裝材料總費(fèi)用約450萬(wàn)元，較原先增加104.5萬(wàn)元。具體的減重?cái)?shù)據(jù)和各項(xiàng)增加費(fèi)用如表5所示。

表5 使用新材料后90人生活樓舾裝重量減輕及費(fèi)用增加數(shù)據(jù)Table 5 Weight reduction and increase in cost when using new materials for the outfitting of the 90-person living quarters

以上數(shù)據(jù)可能因?yàn)椴少?gòu)廠家的不同會(huì)有一定偏差，但我們的目的是看出費(fèi)用增加與減重之間的比較關(guān)系。

從表5可以看出艙室設(shè)計(jì)盥洗設(shè)備使用新材質(zhì)對(duì)于減重是“高費(fèi)用、低收益”，所以目前使用較少，但鋁合金艙室家具和不銹鋼盥洗設(shè)備具有美觀、堅(jiān)固、耐腐蝕的特點(diǎn)，可以增加艙室環(huán)境的美觀度和舒適度。防火保溫、圍壁天花以及甲板敷料等使用新材料對(duì)于費(fèi)用增加的影響較小，目前一些在建或者已建成項(xiàng)目已經(jīng)成功使用了文中所述的防火纖維毯以及蜂窩鋁等材料。

另外，幾種新材料從施工工藝上與傳統(tǒng)材料相比，區(qū)別并不大，例如輕質(zhì)防火纖維與傳統(tǒng)的陶瓷棉、巖棉在安裝方式上基本是一致的；蜂窩鋁箔板與傳統(tǒng)的復(fù)合巖棉板的安裝方式也相似，一般采用頂槽吊架，板與板之間采用歐米伽連接或其他相似的方式；甲板敷料中的乳膠水泥相比傳統(tǒng)水泥可以省去金屬馬腳，直接敷設(shè)，簡(jiǎn)化施工工序。因此，新材料的使用不僅不會(huì)使施工工藝變得復(fù)雜，反而能在一定程度上簡(jiǎn)化施工、提高效率[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

控制生活樓的重量是優(yōu)化海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要部分。本文以90人生活樓為例，對(duì)各類艙室家具及舾裝材料重量進(jìn)行了分析，提出通過(guò)合理使用新型材料來(lái)減輕舾裝重量，從而提高海洋平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于業(yè)主而言，也可依據(jù)具體項(xiàng)目需要，對(duì)舾裝材料進(jìn)行合理選擇。部分項(xiàng)目對(duì)重量比較敏感，接近某個(gè)極限值時(shí)，可以選擇適當(dāng)增加費(fèi)用、減輕舾裝重量以滿足工程需要。

[1] 呂津波.海洋平臺(tái)生活樓人體工程學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[2] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S].2002.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)-舾裝分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[4] 國(guó)際勞工組織(ILO).2006年海事勞工公約[S].2006.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.淺海固定平臺(tái)建造和檢驗(yàn)規(guī)范[S].2004.

AnalysisandAdviceonImpactFactorsofOutfittingWeightReductionforOffshoreFixedPlatformLivingQuartersModule

SONG Jie,XU Lian,LI Chun-meng

(ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China)

With the continuous development of Chinese offshore engineering towards deeper water,more attention is paid to the economy of offshore platforms.The weight of an offshore platform is an important factor that influences its economy.The weight of platform topside greatly influences the weight of the sub-structure,while living quarters is one of the most important parts of the topside.After analyzing all kinds of cabin furniture and outfitting materials of a 90-person living quarters,it is pointed out that the rational utilization of light-weight and good-performance new materials can reduce the overall outfitting weight,which in turn leads to the weight reduction of the platform topside and consequently improves the economy performance of the sub-structure.

offshore platform; living quarters; outfitting new materials; weight reduction

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

2095-7297(2014)03-0207-06

2014-08-25

宋杰(1982-)，男，工程師，主要從事海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)研究。