油田用整體式野營房浴室的研制

蔣寶軍，鐘 陳，梁月平，劉 冰

（1.中國石油吐哈油田公司油氣生產(chǎn)服務(wù)中心，新疆吐魯番 830009；2.中國石油吐哈油田公司物資保障中心，新疆吐魯番 839009）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，油田野外作業(yè)人員對生活要求也越來越高，不再僅僅滿足于簡單住宿的需求，而且有了其他方面的要求，例如洗澡。但洗澡只限于大型的作業(yè)隊。油田大型作業(yè)隊由于生產(chǎn)、生活的需要，自身配備有儲水系統(tǒng)。但對那些生產(chǎn)用水少、只需要生活用水的小型作業(yè)隊來說，由于受頻繁搬遷造成的拉運、吊裝及組裝成本的影響，一般不配備儲水系統(tǒng)。這就給小規(guī)模野外施工作業(yè)的人員洗浴造成了困難。

1 研究內(nèi)容

為解決油田野外小型作業(yè)隊人員淋浴的需要，設(shè)計一種能適應(yīng)頻繁搬遷，儲水罐安裝、拉運、吊裝產(chǎn)生的費用相對較少的浴室。

浴室的使用必須有一套完整的供水系統(tǒng)才能保證正常使用。因此必須設(shè)計出合理的供水流程，才能夠進行浴室的整體設(shè)計（圖1）。

圖1 供水流程示意

1.1 工藝流程

（1）運水車將裝載的水卸入卸水池內(nèi)。

（2）卸水池內(nèi)的水通過卸水泵進入儲水罐內(nèi)。

（3）儲水罐內(nèi)水通過增壓泵分別進入電熱水器及冷水管路。

（4）電熱水器內(nèi)的水跟冷水管路的水通過混水閥混合后進入用水終端。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

浴室整體設(shè)計是保證野營房浴室使用可靠性的基礎(chǔ)。浴室由房體、儲水罐、室內(nèi)設(shè)備三部分組成（圖2）。房體用于承載儲水罐及室內(nèi)設(shè)備；儲水罐位于房體外房頂上，用于浴室的供水；室內(nèi)設(shè)備安裝房體內(nèi)部用于保證浴室的正常工作。

圖2 浴室整體設(shè)計簡圖

1.3 小型作業(yè)隊浴室方案

根據(jù)整體野營房浴室結(jié)構(gòu)，參照普通野營房浴室面積，進行小型作業(yè)隊浴室方案設(shè)計：①房體規(guī)格：7.5 m×2.9 m×2.8 m；②由于道路運輸限高4.2 m，為了保證拉運方便，儲罐規(guī)格為6 m×2.8 m×0.4 m；③淋浴噴頭8 個，洗漱池2 個。

根據(jù)設(shè)計方案，油田用整體式野營房浴室相對于普通野營房浴室存在以下技術(shù)難點：①房體強度是否滿足需要。房頂上設(shè)有儲水罐，儲罐承裝液體后整體重量較大。儲水罐產(chǎn)生的重力完全作用于房體上，房體易發(fā)生變形，房體強度要求高；②室內(nèi)設(shè)備的選型。如何選用室內(nèi)的主要配套設(shè)備，是人員使用舒適性的保證；③罐體設(shè)計。設(shè)計出具有良好安全可靠性的儲罐是設(shè)備使用的基礎(chǔ)。

2 房體結(jié)構(gòu)研究

油田用野營房房體主要包括房頂、墻體、底盤三部分。為保證房體可靠性，須對以上3 個方面分別進行設(shè)計。

2.1 房頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計

2.1.1 優(yōu)化前房頂

房頂由方鋼管100×5 整體焊接框架，鋪設(shè)δ2 瓦楞板，內(nèi)頂中間有3 道10#槽鋼加強支撐，房頂制造完成后采用δ50 厚雙面彩鋼板進行內(nèi)裝飾。

2.1.2 校核計算

（1）建立模型。房頂整體采用的是型鋼焊接骨架，然后鋪設(shè)瓦楞板及彩板裝飾，其中受力及變形的主要是型鋼骨架。根據(jù)Pro/E 結(jié)構(gòu)分析可將房頂型鋼簡化為梁單位。

（2）梁的確定。根據(jù)梁單位模型確定每根梁的材料及梁模型的截面形式。

（3）定義約束。靜態(tài)房頂可認為它受墻面的約束，在墻面處不能進行位移及轉(zhuǎn)動。

（4）力的確定。整體房頂受自身型鋼重力F1=5260 N；房頂瓦楞、彩板等其他重力F2=8720 N；雪載荷F3，設(shè)雪厚為50 cm，則F3=1760 N，罐體承裝水后重量F4=87 000 N。其中F2、F3、F4均布于整個房頂。

（5）模型求解。房頂變形約為400 mm（圖3），房頂型鋼已折斷，不能滿足設(shè)計，需要優(yōu)化加強。

圖3 優(yōu)化前房頂形變情況

2.1.3 優(yōu)化后房頂

采用原有的主框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)增設(shè)3 道10#槽鋼加強支撐，并在房頂長度方向增設(shè)兩道槽鋼以增加房頂強度。房頂制造完成后采用δ50 厚雙面彩鋼板進行內(nèi)裝飾。

2.2 墻體的優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 優(yōu)化前墻體

原墻體采用兩根100×5 方鋼管與房頂、底盤焊接；墻面采用厚2 mm 的深型瓦楞鋼板。瓦楞板與底座和房頂分別滿焊；墻體中間加預(yù)埋型鋼。

當前，我們正處于只爭朝夕的新時代，沒有時間讓我們等待三五年再開展工作，需要我們馬上就做。怎么辦？經(jīng)過調(diào)研分析，我認為最有效的就是自身努力了。比如說新疆監(jiān)獄的警囚比十分低，是個很大的問題，怎么解決這個問題呢？有人說，申請中央編制？從申請，到批復(fù)，到招錄，到培訓(xùn)，到上崗，到能真正發(fā)揮作用，這是一個漫長的過程，哪一個監(jiān)獄的民警沒有個三五年能真正成熟起來？可是，當前監(jiān)獄存在的問題需要馬上解決。我們就得顧全大局、上下齊心、內(nèi)部挖潛調(diào)劑解決。司法所的建設(shè)也得這么干，需要上下同心、刀刃向內(nèi)。

2.2.2 優(yōu)化后墻體

更改墻體在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加5 道槽鋼立柱，立柱分別與房頂、底盤焊接；墻體鋪設(shè)δ2 mm 的深型瓦楞鋼板。瓦楞板與底座和房頂分別滿焊（圖4）。房頂制造完成后采用δ50 厚雙面彩鋼板進行內(nèi)裝飾。

圖4 優(yōu)化后墻體簡圖

2.3 底盤的優(yōu)化設(shè)計

底盤由方鋼管100×5 整體焊接框架，采用40 ×100 ×40折邊型鋼進行拉筋，內(nèi)填充保溫材料，然后鋪設(shè)花紋鋼板及LG 卷材。

2.4 油田用野營房整體房體校核

2.4.1 校核參數(shù)

（1）房體規(guī)格：7.5 m×2.9 m×2.8 m。

（2）儲罐規(guī)格：6 m×2.8 m×0.4 m。

（3）房頂自重：1400 kg。

2.4.2 Pro/E 計算

（1）建立模型。根據(jù)房體結(jié)構(gòu)可簡化成框架結(jié)構(gòu)形式。

（2）梁的確定。根據(jù)梁單位模型確定每根梁的材料及梁模型的截面形式。

（3）定義約束。靜態(tài)房體受底盤約束，底盤不產(chǎn)生位移及轉(zhuǎn)動。

（4）力的確定。房體主要受房頂自重及罐體重量的影響。

（5）模型求解。房頂變形約為35 mm（圖5），滿足設(shè)計需求。

圖5 房體形變情況

3 室內(nèi)設(shè)備選型研究

室內(nèi)設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備為增壓泵及電熱水器。增壓泵用于保證用水終端水量的大小，電加熱器主要保證出水溫度。設(shè)計要求8 人進行淋浴，2 人進行洗漱。

3.1 增壓泵的選型

增壓泵的型號主要根據(jù)單位時間用水量確定，只有增壓泵的揚程大于管線長度、流量大于單位時間用水量才能滿足要求。選用PB-401SEA 型增壓泵，增壓泵揚程35 m，最大排水量65 L/min。

3.2 電加熱器的選型

電加熱器型號主要確定儲水容積及熱負荷。

（1）確定衛(wèi)生器具一次熱水用水量：Q=∑q×m×n=430 L。其中，q 是設(shè)定儲水溫度，衛(wèi)生器具的一次熱水用量，m 是同意衛(wèi)生器具的同時使用個數(shù)，n 是每一衛(wèi)生器具的聯(lián)系使用次數(shù)。

（2）計算熱水器的設(shè)計容積V：按50%～85%的用水量計算熱水器的有效容積：V有效=（50%-85%）×Q=215 L；V設(shè)計=（1.3-1.4）×V有效=280 L。其中，1.3～1.4 為容積系數(shù)。

4 罐體設(shè)計

罐體設(shè)計主要包括罐體管線連接、罐體加熱保溫、罐體防護3 個方面，其中罐體保溫及罐體防護是設(shè)計難點。

4.1 罐體加熱、保溫設(shè)計

罐體加熱保溫主要是為保證罐體在冬季環(huán)境下使用的可靠性，避免因溫度過低，罐內(nèi)結(jié)冰而造成浴室無法使用。

儲罐保溫方式：將δ60 巖棉通過型鋼骨架固定于罐壁上，巖棉上外罩一層鍍鋅鐵皮進行防護。

熱力學(xué)計算

（1）構(gòu)建熱力學(xué)模型：由于罐體為方形罐，根據(jù)熱力學(xué)原理可將罐體看作為大平壁結(jié)構(gòu)形式。

（2）進行散熱分析。罐體散熱主要從罐體、罐頂兩部分進行散熱。

F 是散熱面積，α 是修正系數(shù)，取1，Ti是罐內(nèi)溫度，10 ℃，Te是室外溫度，-30 ℃，K 是傳熱系數(shù)，an是內(nèi)表面熱阻，8.7，δ 是傳熱層厚度，λ 是傳熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，aw是外表面熱阻，23。故采用δ60 mm 巖棉進行保溫，2 kW 電加熱棒對罐體進行加熱。

4.2 罐體防護

罐體防護主要包含罐體溢流。溢流管主要為防護罐體持續(xù)進水造成罐體變形對房體的影響。

設(shè)計參數(shù)：溢流容積V 為0.336 m3，卸水泵流量Q 為8 m3/h。τ=V/Q=2 min，其中，τ 是時間，V 是容積，Q 是流量。

溢流管到卸水泵關(guān)閉處距離為11 m，即最少有2 min 的時間通過11 m 的距離，故溢流后可以將卸水泵關(guān)閉。溢流管設(shè)計安全。

5 結(jié)論

（1）自給式野營房浴室具有結(jié)構(gòu)緊湊、拉運、吊裝方便等結(jié)構(gòu)特點，適合油田小型野外施工作業(yè)隊使用。

（2）通過對油田用整體式浴室的研制提高了設(shè)計水平，擴充了野營房的產(chǎn)品系列，為油田用戶在生產(chǎn)生活上提供保障。

（3）利用Pro/E 絎架梁的校核計算，保證油田用野營房整體強度，使野營房結(jié)構(gòu)更加合理。