H-120型防火防爆氣動移門的設計及其在海洋平臺上的應用

郭學峰

(中遠船務工程集團有限公司 技術中心 大連116600）

引 言

海洋作業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）和熱介質鍋爐模塊，模塊內存在各種危險源，有發生火災、爆炸、氣體泄漏等危險的可能，因有需要根據設備的實際使用情況和入級海洋工程規范要求進行危險區域等級的劃分。危險區域的封閉機械處所按照規范要求通常需滿足氣密、防火、防爆炸、風雨密性與隔音等要求，在該機械處所艙壁板上供作業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域使用的滿足上述要求的門，我們國家還沒有相應的標準和技術要求，現有的標準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（構造復雜），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范要求。

（2）防爆炸力的強度計算國內標準沒有提及。

（3）GB/T3477風雨密門，主要是安裝在船舶的上層建筑和甲板室艙壁上，船級社海洋工程規范中要求海洋平臺風雨密門的強度不低于其安裝處船體艙壁的結構強度，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，該標準也不能滿足海洋工程規范的要求。

（4）氣動操作的移門沒有國內標準。

我們依據“挪威NORSOK標準”［1］和“DNV近海工程入級規范”［2］的基本要求，結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域機械處所的應用給出了設計思路和方法，主要創新點：

（1）門的氣密性標準根據DNV規范和NORSOK標準維持門內外壓差至少50 Pa，給出了維持的密性壓差及檢驗標準；

（2）門板滿足危險區域防爆炸力沖擊，給出了爆炸力載荷的合理選用方法；

（3）門的風雨密強度和密性能夠滿足海洋平臺使用特定的海域作業環境，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閉，并在實船取得應用；

（5）門的密封節點，有效保證了門的氣密性、風雨密要求，具有創新性。

下面結合某實例分別從H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門的功能設計及組成單元、載荷分析、強度設計、開口處艙壁結構的強度計算、工廠和船上試驗要求等方面進行闡述，希望對其他設計者提供參考及引導國內舾裝件廠家進行創新設計，擴大我國舾裝產品在海洋工程船上的應用。

1 H-120型氣動移門功能設計及組成單元

從海洋作業平臺操作安全因素考慮，在危險區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、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、導向滾輪、局部手動應急操作裝置、限位開關等部分組成。當主供氣壓力不足或關閉時，通過儲氣瓶供氣，操作門啟閉。

風雨密將根據門的實際安裝位置，綜合考慮風、上浪載荷的影響和作業海域環境。

氣密性將阻止相鄰的不同危險區域逸出的可燃氣體進入含有引爆區域的可能性，當氣密門打開時，通風空氣應該是從低危險區域流向高危險區域，關閉時機械處所內外氣壓保持至少5 mm水柱，門允許的泄漏率0.5 m3/hm2在50 Pa壓差。

防爆將根據門的安裝位置選用靜爆炸載荷，依據相關入級船級社規范的要求。

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：當火災發生時，感溫開關打開，發出火警報警，主供氣關閉，儲氣瓶供氣自動關閉門，從而起到良好的保護作用。

此處的風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，也是主要創新點，在制作時需要控制精度。風雨密、氣密的密性詳細設計節點見圖1。

圖1 H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門密封節點詳圖

圖2 H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門外觀圖

最終H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門外觀見圖2。

門板材質為不銹鋼、厚度為5 mm；根據強度要求，內部特別制作U60 mm×30 mm×2 mm加強結構型材。

2 H-120型氣動移門的載荷分析

H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門根據實際安裝位置及平臺的具體作業海域等作業環境，受到載荷有：結構自重、風載荷、上浪載荷、爆炸載荷、冰雪載荷、船舶運動慣性力等［2］：

2.1 風載荷

海洋作業平臺設計載荷時要考慮更為嚴格，這里平均風速我們按照實船入籍“DNV Offshore DNV-RP-C205”規范百年一遇的要求［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小時風速作為平均風速。

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的參考風速m/s；

ρa為空氣的密度，1.225 kg/m3。本實例中經過修正后最終風壓：

p=±cpq=2.51 kn/m2

計算受風面積選取受風構件的正投影面積。

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規范要求［2］，本實例中載荷p=13.5 kn/m2。

2.3 爆炸載荷

根據門的安裝位置靠近鉆井區域，選取DNV Offshore 規范［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

冰雪載荷根據其具體高度、暴露的海況環境，我們按照“DNV Offshore DNV-RP-C205”規范［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；

a0為船舶加速度系數。

3 H-120型氣動移門的強度設計［2］

根據H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門的內部結構形式，參照DNV Offshore 規范和美國鋼鐵協會AISC要求，分別對門板的厚度和內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：

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1.5；γM為材料系數；

fy為許用應力值，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，滿足規范要求許用最大變形值。

扶強材的塑性剖面模數：

扶強材許用彎矩：

實際彎矩：M=374 kn·mm

利用系數：UF=0.97

內部扶強材尺寸U60 mm×30 mm×2 mm，滿足屈曲強度要求。

圖3 開口處結構框架計算模型

4 H-120型氣動移門安裝處結構艙壁強度校核

H-120型防火防爆風雨密氣密動移門安裝在框架結構的模塊上，因開口尺寸過大，需要對開口處的結構強度進行校核，采用STAAD結構有限元計算軟件對結構進行分析，依據實船入級DNV海洋工程規范對其進行強度校核。模型根據結構及承受載荷的特點，從力學上加以抽象化，得出計算模型。模塊上的隔板等弱結構可不計及。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，通過計算發現實際應力值滿足強度要求，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型防火防爆風雨密氣密氣動移門制作結束后，需要在制作工廠進行風雨密、氣密性和試燒試驗。風雨密試驗時應該選在最容易滲漏的部位(四周)進行。氣密試驗關閉門對模擬艙室內部充入空氣加壓，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型防火防爆風雨密氣密氣動移門實際安裝圖

門上船安裝結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滿足入籍船級社的要求。被檢測面應無水跡或者水珠等。

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

6 結 論

我們對使用在海洋作業平臺上危險區域的H-120型防火防爆風雨密氣密氣動移門進行了創新設計，并應用于實船，取得了預期的效果，也積累了一些經驗，供大家參考，不妥之處請予以指正。

［1］ 挪威海工標準.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.船舶結構力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1998：101-253.

［4］ 童波，金強.基于南海環境條件的半潛式鉆井平臺設計環境參數分析［J］.船舶，2011（2）：8-14 .