深水半潛式平臺船體電梯的設(shè)計

田鋒，張加平，梁瑜，徐洋，張守森

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

我國半潛式平臺開發(fā)起步較晚，陵水17-2氣田作為中海油首個1 500 m水深自營油氣田，采用半潛式生產(chǎn)平臺結(jié)合水下設(shè)施的模式開發(fā)，是中國首個深吃水、適應(yīng)SCR立管的生產(chǎn)半潛平臺，最大排水量超11萬t，同時也是世界上首座凝析油儲存半潛平臺[1]。深水半潛式平臺通常船體型深大、立柱甲板面積小，設(shè)備布置緊湊，電梯布置和運行與傳統(tǒng)的船艙、上層建造內(nèi)的電梯情況明顯不同。電梯方案通常是在平臺設(shè)計的早期與平臺總體方案一起確定，電梯設(shè)計的主要工作內(nèi)容包括電梯的選型，電梯通道、機房、逃生、通風、照明等方案。電梯設(shè)計既要滿足功能使用要求、又要滿足法定檢驗和入級檢驗的要求，在首次進行的“深海一號”半潛式平臺開發(fā)過程中遇到一些困難和挑戰(zhàn)。

1 半潛式平臺及電梯基本情況

船體主尺度：長91.5 m、寬91.5 m、型深59 m。

4個立柱：長21 m、寬21 m、高50 m。

4個旁通：長49.5 m、寬21 m、高9 m。

4個節(jié)點：長21 m、寬21 m、高9 m。

每個立柱設(shè)置2個主豎區(qū)，分別是船體公用/控制艙主豎區(qū)和豎井主豎區(qū)。豎井截面尺寸長、寬均為8.7 m，船體電梯布置在豎井主豎區(qū)內(nèi)，豎井內(nèi)除電梯外還布置有：豎井梯道，用于船體立柱和旁通進出船體；卸貨通道；船體公用設(shè)施，包括壓排載泵、電纜托架、管排、通風管道，以及設(shè)備和閥門的操作維修平臺等；錨鏈桶。主豎區(qū)的平面布置見圖1。

圖1 船體主豎區(qū)布置

客貨兩用電梯額定乘員6人，載重500 kg，設(shè)置5個停留層，從上至下分別是53.0、48.2、42.8、34.6和14.4 m。電梯通道與豎井梯道相鄰，豎井梯道的休息平臺兼做電梯停留層。

2 電梯設(shè)計遇到的問題

2.1 電梯通道無法圍閉

電梯通道通常是圍閉的，并配有獨立的通風系統(tǒng)，這是法規(guī)和規(guī)范的要求[2]。

豎井梯道和電梯按其失火危險程度定義為“梯道”；卸貨區(qū)和船體公用設(shè)施的處所按其失火危險程度定義為“其它類機器處所”，“梯道”與“其他類機器處所”相鄰要達到“A-0”級防火分隔，“A-0”級防火分隔就需在“梯道”與“其他類機器處所”之間設(shè)置鋼圍壁或其它等效結(jié)構(gòu)[3]。

平臺前期方案為電梯通道預(yù)留的有效面積為1.46 m×1.855 m，這個面積不滿足對電梯通道進行圍閉的空間需求；立柱豎井內(nèi)各設(shè)施之間布置緊湊，也不滿足在豎井梯道與其它設(shè)施之間設(shè)置防火分隔的空間需求。除非對立柱內(nèi)的布置進行重新調(diào)整，這將造成設(shè)計進度滯后，帶來增加空船重量、延長項目工期、增加項目費用等影響。

針對上述問題，將立柱豎井整體定義為“其他類機器處所”，豎井內(nèi)的梯道和電梯定義為“其他類機器處所”的一部分，可避免在“梯道”與“其他類機器處所”之間設(shè)置防火分隔。電梯在豎井內(nèi)運行不穿越其他封閉甲板，電梯通道可以是開敞式的而不必圍閉[4]，即電梯通道一側(cè)與平臺水密艙壁相鄰，其他方向開敞面向立柱豎井。半潛式平臺立柱豎井與風、電塔、燈塔、大壩等建筑物內(nèi)部構(gòu)造相似，電梯在單一封閉的空間內(nèi)運行，電梯通道可不進行圍閉。

2.2 只能選用無機房電梯

電梯機房通常有3種形式，分別是：機房在電梯通道上方，機房在電梯通道兩側(cè)，機房在電梯通道后方，見圖2。

圖2 電梯機房型式

機房在電梯通道上方一般是將機房設(shè)置在建筑物的頂層以上；機房在電梯通道兩側(cè)或后方一般是將機房嵌入到電梯通道相鄰區(qū)域，或者與轎廂共用電梯通道。另外，選用無機房電梯，電梯的動力裝置隨轎廂一起移動。

如果采用將機房設(shè)置在電梯通道上方的方案，并將機房設(shè)置在豎井主豎區(qū)以內(nèi)，對“深海一號”來說，電梯最高停留層與豎井主豎區(qū)頂層甲板的有效距離小于電梯機房與轎廂的高度，電梯轎廂將無法到達設(shè)計要求的最高停留層；如將機房設(shè)置在豎井主豎區(qū)以上的干舷甲板，機房將占用船體主甲板空間，并且主甲板結(jié)構(gòu)需要開孔、斷梁，這將影響船體主甲板的整體布局，方案調(diào)整較大。

如果采用將機房設(shè)置在電梯通道側(cè)面的方案，其難點在于：一方面是立柱豎井內(nèi)沒有設(shè)置機房的空間，另一方面是除了機房外，還需配套增加電梯的牽引導(dǎo)向、配重等附屬設(shè)施，這些設(shè)施在立柱豎井內(nèi)都難以實現(xiàn)。

“深海一號”半潛式平臺電梯通道只有一側(cè)是船體艙壁其他方向沒有圍壁，無機房方案成為最佳選擇。

2.3 轎廂內(nèi)被困乘員逃生需要借助其它設(shè)備的操作維修平臺

船用電梯的轎廂上方設(shè)有逃生蓋，電梯通道壁上設(shè)有逃生直梯，當乘員被困轎廂內(nèi)時乘員可通過逃生蓋上到轎廂上方，再攀爬電梯通道壁上的逃生直梯到達最近的出口實現(xiàn)自救。電梯通道圍井每3層甲板最長不超過11 m設(shè)置1個應(yīng)急逃生門，便于乘員快速撤離電梯圍井[4]。

“深海一號”半潛式平臺電梯沒有封閉的電梯通道和機房，立柱梯道休息平臺的尺寸、與轎廂的距離也不滿足設(shè)置逃生通道的要求，乘員無法通過立柱梯道逃生。對“深海一號”來說，電梯通道相鄰的船體公用設(shè)施在豎井內(nèi)不同高度設(shè)有操作維修平臺，通過延伸維修平臺的長度與電梯通道內(nèi)的逃生直梯對接，逃生時乘員可通過逃生直梯上到船體公用設(shè)施的操維平臺，再進入船體逃生通道實現(xiàn)逃生自救。

無機房電梯的特點之一就是不能像有機房電梯那樣，在電梯出現(xiàn)故障轎廂處于電梯通道的任一位置時，可在機房內(nèi)將轎廂調(diào)整到需要的位置；一旦出現(xiàn)故障乘員可自救，減少對外界救援的依賴度。

2.4 船體豎井內(nèi)的吊裝作業(yè)影響電梯的運行

作為海上浮式設(shè)施，半潛式平臺在風、浪、流的作用下會產(chǎn)生橫搖、縱搖和升沉運動，船體浮態(tài)會出現(xiàn)橫傾和縱傾，平臺運動和浮態(tài)的改變將影響吊機的正常工作，情況嚴重時吊物會與船體和設(shè)備發(fā)生碰撞。

“深海一號”半潛式平臺電梯通道緊鄰船體豎井內(nèi)的卸貨區(qū)通道，其間水平距離0.535 m，豎直方向相鄰的高度45.7 m，吊機正常工作允許的平臺最大傾角2°，通過計算在平臺傾斜2°時，吊物在電梯通道最低處將偏離原位置1.59 m，吊物已經(jīng)侵入到電梯通道大約1 m的深度，可以判斷出當?shù)跹b作業(yè)與電梯運行同時進行時存在吊物與轎廂發(fā)生碰撞風險。為避免該風險的發(fā)生，吊裝作業(yè)與電梯運行不能同時進行，在進行吊裝作業(yè)時，需將電梯轎廂上升到電梯通道最上方遠離吊物。

吊裝作業(yè)分析發(fā)現(xiàn)，采用非封閉的電梯通道是“深海一號”半潛式平臺電梯的必然選擇。開敞的電梯通道成為吊裝作業(yè)吊物擺動的緩沖區(qū)，避免碰撞事故的發(fā)生，減輕吊裝作業(yè)的難度。

2.5 非法定檢驗機構(gòu)的產(chǎn)品取證對電梯法定檢驗帶來不利影響

電梯屬于特種設(shè)備，需要遵守《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》的相關(guān)規(guī)定，其第七章附則明確“海上設(shè)施和船舶使用的特種設(shè)備安全的監(jiān)督管理，由有關(guān)部門依照本法和相關(guān)有關(guān)法律的規(guī)定實施”。陸地用電梯的主管機關(guān)是市場監(jiān)督管理局，市場監(jiān)督管理局負責對電梯的生產(chǎn)、安裝、運營進行檢驗和頒發(fā)相關(guān)證書。因為是海上設(shè)施，半潛式平臺電梯的法定檢驗和發(fā)證機關(guān)是中國船級社(CCS)。

“深海一號”半潛式平臺入籍CCS與ABS雙船籍，電梯采用的是國外品牌產(chǎn)品，采購要求提供的是ABS船用產(chǎn)品證書，這對電梯獲取法定證書和法定檢驗帶來一些困難，因為CCS與ABS作為全球知名的船級社在電梯取證與檢驗上存在一些差異，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)電梯的技術(shù)要求。如電梯通道、逃生通道。

2)電梯證書的形式。電梯出廠前完成相關(guān)的試驗合格后CCS頒發(fā)的是船用產(chǎn)品證書(Certificate of Marine Product)；ABS頒發(fā)的是設(shè)備取證報告(Equipment Certification Report)。

3)法定證書和檢驗的主體。電梯屬于法定檢驗產(chǎn)品，“深海一號”半潛式平臺電梯需要取得“起重設(shè)備檢驗與試驗證書簿”,應(yīng)向CCS申請法定檢驗。

“深海一號”半潛式平臺CCS未參與電梯的圖紙送審、制造檢驗和出廠檢驗，要取得法定證書，CCS需要對產(chǎn)品送審和檢驗記錄進行審查，增加了額外的工作。在電梯出廠取得ABS設(shè)備取證報告后，CCS與ABS共同執(zhí)行平臺建造和調(diào)試階段的檢驗，平臺機械完工后由CCS頒發(fā)法定證書“起重設(shè)備檢驗與試驗證書簿”，并執(zhí)行后續(xù)的其他檢驗工作。

3 電梯設(shè)計選型

電梯類型按驅(qū)動方式可分為曳引式、齒輪齒條式、強驅(qū)式、液壓式，曳引式與齒輪齒條式是最常見的兩種電梯形式。

3.1 特點

曳引式電梯，是電機驅(qū)動絞車，絞車鋼絲繩牽引轎廂沿電梯軌道上下運行，其性能特點是轎廂運行平穩(wěn)、振動小、噪聲低。曳引式電梯通常需要封閉的電梯通道和機房，電梯通道和機房需要配置獨立的通風與照明設(shè)施，當前無機房的曳引式電梯在市場上也占有一席之地[6]。轎廂導(dǎo)向軌道、轎廂配重、鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪等配套裝置布置在圍井內(nèi)，轎廂與配重沿著固定在井道上的導(dǎo)向軌道運行，驅(qū)動和控制裝置布置在電梯機房內(nèi)。

齒輪齒條式電梯，是轎廂上的齒輪與軌道標準節(jié)上的齒條嚙合，齒輪轉(zhuǎn)動牽引轎廂沿著標準節(jié)上下運行，其性能特點是轎廂運行振動大、噪音高。齒輪齒條式電梯不需要封閉的圍井和機房，以及轎廂配重、鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪等配套裝置；電梯驅(qū)動和控制裝置集成在轎廂本體上。

從電梯的構(gòu)造和性能特點，對比“深海一號”半潛式平臺立柱豎井內(nèi)空間緊湊、無封閉的電梯通道和無機房、交叉作業(yè)需要的分析，齒輪齒條式更適合半潛式平臺船體電梯。

3.2 設(shè)備的重量

齒輪齒條式電梯與曳引式電梯對比具有重量上的優(yōu)勢?？沾亓渴歉∈狡脚_一個關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，選用重量輕的設(shè)備可減少平臺的空船重量，增加平臺的可變載荷，提高平臺的使用效率。齒輪齒條式電梯不需要封閉的電梯通道和機房，節(jié)省了這部分重量，同時也節(jié)省了配重、鋼絲繩、導(dǎo)向裝置的重量，而且，電梯的重量輕需要支撐和加強的結(jié)構(gòu)鋼材用量少，增加的船體結(jié)構(gòu)重量也小。如某一額定乘員與載重量的曳引式電梯重量約為50 t，同等規(guī)格的齒輪齒條式電梯重量約為7 t，齒輪齒條式電梯重量大約是曳引式電梯重量的1/7，重量對比見圖3。

圖3 兩種類型電梯重量對比

3.3 安裝和調(diào)試周期

齒輪齒條式電梯較曳引式電梯具有安裝和調(diào)試周期上的優(yōu)勢。建造周期是半潛式平臺一個關(guān)鍵的經(jīng)濟指標，曳引式電梯的安裝調(diào)試時間一般需要2個月，齒輪齒條式電梯的安裝調(diào)試時間一般需要1個月，齒輪齒條式電梯的安裝調(diào)試時間是曳引式電梯的一半。

3.4 乘員解困

當電梯出現(xiàn)故障乘員被困式轎廂時，齒輪齒條式電梯的乘員解困較曳引式電梯更容易。齒輪齒條式電梯的驅(qū)動裝置在轎廂頂部，乘員可通過轎廂內(nèi)的直梯登乘到轎廂頂部，手動操作驅(qū)動裝置使轎廂降放到合適的停留層，然后打開轎廂門與層門實現(xiàn)解困；曳引式電梯需要救援人員在機房驅(qū)動轎廂降放。

3.5 電梯運行環(huán)境

齒輪齒條式電梯較曳引式電梯可在較復(fù)雜的環(huán)境下運行。齒輪齒條式電梯可安裝在室外露天運行，可安裝在有爆炸氣體環(huán)境能夠達到防爆要求。齒輪齒條式電梯是驅(qū)動齒輪沿著齒條上下運行，齒條不但可以安裝在豎直面上，也可以安裝在非豎直面上，轎廂可在非豎直面上運行。另外，齒輪齒條式電梯不受機房和鋼絲繩長度限制，可以根據(jù)需要調(diào)整齒條的長度，電梯運行的高度可調(diào)。

4 結(jié)論

半潛式平臺船體電梯關(guān)系到海上平臺的正常運營和人命安全，電梯設(shè)計須嚴格遵守相關(guān)的法律法規(guī)和規(guī)范，滿足入級檢驗和法定檢驗的要求?！吧詈Ｒ惶枴贝w電梯在設(shè)計過程中出現(xiàn)的通道問題、機房問題、逃生問題、吊裝交叉作業(yè)問題以及產(chǎn)品取證問題，對半潛平臺的船體電梯設(shè)計具有一定的代表性。通過“深海一號”船體電梯的設(shè)計可以看出，需要在設(shè)計的早期規(guī)劃好電梯方案，應(yīng)熟悉各類電梯的性能和特點，了解相關(guān)的規(guī)范、標準和法規(guī)。另外，作為全球首座10萬t級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，“深海一號”船體電梯的成功運行可為我國海洋工程及其它類似設(shè)施提供參考。