FPSO新型風(fēng)閘研究

曾國航

（南海西部石油油田服務(wù)（深圳）有限公司 廣東深圳 518054）

引言

海洋石油111FPSO于2003年10月投用，F(xiàn)PSO現(xiàn)場主要的室外風(fēng)閘有主機(jī)房WOZAIR品牌的防火風(fēng)閘，泵艙、機(jī)艙和生活樓進(jìn)/出風(fēng)口的Halton品牌防火風(fēng)閘。由于受海洋環(huán)境及主機(jī)/鍋爐尾氣粉塵等因素的影響，這些室外風(fēng)閘在FPSO投用5年左右，陸續(xù)出現(xiàn)開/關(guān)卡滯，嚴(yán)重的甚至無法動(dòng)作，維修維護(hù)后，大約三個(gè)月左右，同樣的故障又會(huì)出現(xiàn)，占去了FPSO總檢查維修工作量的8%～10%，耗費(fèi)現(xiàn)場大量的人力與物力。為了提高海上防火風(fēng)閘的穩(wěn)定性，及降低風(fēng)閘的維護(hù)成本，研究出一款適用于海上石油生產(chǎn)設(shè)施環(huán)境即高潮濕和高粉塵環(huán)境的新型風(fēng)閘。

1 防火風(fēng)閘簡介

1.1 防火風(fēng)閘的作用

防火風(fēng)閘是一種置于通風(fēng)管道中感受來自火警區(qū)的高溫氣體溫度后自動(dòng)關(guān)閉的風(fēng)閘，主要作用有以下幾點(diǎn)：

（1）高溫自動(dòng)關(guān)閉。

（2）阻止火焰通過風(fēng)道蔓延到其它區(qū)域。

（3）阻止有毒煙氣通過風(fēng)道擴(kuò)散到其它區(qū)域。

1.2 防火風(fēng)閘的結(jié)構(gòu)組成

防火風(fēng)閘的主要構(gòu)件組成包括：閥體、閥板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、溫度熔斷器等，閥體和閥板通常為鋼質(zhì)，表面不鍍鋅，海洋工程一般有更高的防腐要求，采用不銹鋼材料，軸承采用銅、青銅和不銹鋼。一個(gè)典型的氣動(dòng)多葉型防火風(fēng)閘構(gòu)造圖一如下：

1.3 防火風(fēng)閘的分類

（1）按照形狀分可分為圓形和矩形。

（2）按照風(fēng)量調(diào)節(jié)功能可分為不可調(diào)節(jié)式、可調(diào)節(jié)式兩種型式。

（3）按照安裝位置可分為左型、右型兩種型式。

（4）按照控制系統(tǒng)可分為氣動(dòng)防火風(fēng)閘、電動(dòng)防火風(fēng)閘、手動(dòng)防火風(fēng)閘。

1.4 防火風(fēng)閘的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）葉片動(dòng)作扭矩：1～7Nm。

（2）溫度熔斷器的熔點(diǎn)溫度：70℃（美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA90A要求熔斷溫度為環(huán)境溫度加28℃，但不低于71℃。

（3）防火風(fēng)閘關(guān)閉時(shí)間：根據(jù)ISO15138規(guī)定，收到信息后4秒內(nèi)關(guān)閉。

（4）密閉性能：根據(jù)《船用防火風(fēng)閘》標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)閥兩端壓差為19.6PA 時(shí)，漏風(fēng)小于 5Nm3/m2min；而根據(jù)（ISO15138—2000）的規(guī)定，當(dāng)閥兩端壓差為2000PA時(shí)，漏風(fēng)應(yīng)小于0.15 m3/sm2。

2 現(xiàn)場風(fēng)閘調(diào)研

為確認(rèn)新型防火風(fēng)閘設(shè)計(jì)的必要性，進(jìn)行了風(fēng)閘的現(xiàn)場現(xiàn)狀調(diào)研，了解海上風(fēng)閘的使用狀況及國內(nèi)風(fēng)閘的建造結(jié)構(gòu)。

2.1 海上FPSO風(fēng)閘的狀況及維護(hù)情況調(diào)研

根據(jù)FPSO111、FPSO113和FPSO115的現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，目前海上防火風(fēng)閘存在的問題主要有兩個(gè)方面：一、是控制部分包括：鋁合金閥門氣動(dòng)執(zhí)行器、室外控制盒、鋁合金材質(zhì)腐蝕嚴(yán)重；電磁閥質(zhì)量差；手動(dòng)閥腐蝕等問題。二、本體部分包括：氣動(dòng)防火風(fēng)閘的殼體和葉片銹蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)軸變形卡滯、連桿及銷軸銹蝕卡滯嚴(yán)重，以上問題，特別是本體部分故障不利于維修，維修費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成大量人力，物力的浪費(fèi)，因此有必要使用一種適合海上高潮濕和高粉塵環(huán)境的風(fēng)閘，以減少現(xiàn)場人員的維護(hù)/維修工作量，從而提高現(xiàn)場消防系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2.2 國內(nèi)的風(fēng)閘建造使用情況

為了解國內(nèi)風(fēng)閘的現(xiàn)狀，前往太倉傅氏機(jī)械設(shè)備有限公司、泰州凱瑞船舶設(shè)備制造有限公司和泰興市國聯(lián)船舶設(shè)備制造有限公司了解了國內(nèi)的風(fēng)閘建造使用情況。國內(nèi)風(fēng)閘的結(jié)構(gòu)仍然使用的傳統(tǒng)船用風(fēng)閘設(shè)計(jì)：傳動(dòng)方式為連桿傳動(dòng)，軸的轉(zhuǎn)動(dòng)元件使用銅套，葉片與轉(zhuǎn)軸的連接為焊接，并沒有新結(jié)構(gòu)的風(fēng)閘，原船用結(jié)構(gòu)的風(fēng)閘經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，不是非常適用海油海上生產(chǎn)設(shè)施上多塵潮濕的環(huán)境。

3 新型防火風(fēng)閘的設(shè)計(jì)方案

3.1 本新型防火風(fēng)閘的研究重點(diǎn)

（1）防火風(fēng)閘在高濕環(huán)境及多塵環(huán)境下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不受影響或輕度影響。

（2）防火風(fēng)閘故障后，現(xiàn)場便于維修維護(hù)，降低現(xiàn)場的維護(hù)工作量。

（3）防火風(fēng)閘故障后，風(fēng)閘無需整體拆卸維修。

3.2 新型防火風(fēng)閘的設(shè)計(jì)

（1）風(fēng)閘材料：本新型防火風(fēng)閘材料選用316不銹鋼材料，能夠適用于多粉塵和高潮濕的海洋環(huán)境，使得閥體、閥板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不容易銹蝕，延長風(fēng)閘的使用壽命，采用316不銹鋼材料加工制作的防火風(fēng)閘，根據(jù)海上設(shè)施現(xiàn)場的使用環(huán)境看，通常使用15年～20年才會(huì)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，而采用Q235材料加工制作的風(fēng)閘，通常使用5年～10年就會(huì)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

（2）控制和驅(qū)動(dòng)方式：本新型防火風(fēng)閘采用氣動(dòng)控制，選用氣動(dòng)執(zhí)行器作為風(fēng)閘驅(qū)動(dòng)裝置，為了是風(fēng)閘具有現(xiàn)場手動(dòng)開關(guān)的能力，選用帶有手柄的氣動(dòng)執(zhí)行器，如下照片所示，氣動(dòng)執(zhí)行器的型號(hào)選擇根據(jù)風(fēng)閘的大小進(jìn)行挑選，大風(fēng)閘選用105缸的氣動(dòng)執(zhí)行器作為其動(dòng)力源。

（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：本新型防火風(fēng)閘采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是齒輪傳動(dòng)，齒輪結(jié)構(gòu)牢固、不容易銹蝕損壞、傳動(dòng)力矩大、運(yùn)行穩(wěn)定，容易拆檢和更換，用齒輪傳動(dòng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連桿結(jié)構(gòu)是本新型防火風(fēng)閘的主要改動(dòng)之一。

本新型防火風(fēng)閘葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用軸和軸承，軸承采用不銹鋼防塵軸承，軸為316不銹鋼軸，分為主動(dòng)軸和從動(dòng)軸，靠齒輪端為主動(dòng)軸，另一端為從動(dòng)軸，軸與葉片的連接采用2顆不銹鋼螺栓進(jìn)行連接，軸與軸承采用過度配合，都方便拆卸和更換，另外軸承比傳統(tǒng)的軸套具有更小的摩擦系數(shù)，方便葉片的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，不容易卡死，而不銹鋼防塵軸承能阻擋灰塵的進(jìn)入，更適用于平臺(tái)高粉塵和高潮濕的海洋環(huán)境中。

本新型防火風(fēng)閘傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪和軸承用齒輪罩和密封條密封起來，可以防止粉塵和水汽的進(jìn)入，有效的保護(hù)了齒輪和軸承，防止機(jī)構(gòu)腐蝕，減少現(xiàn)場維修工作量。

（4）防火方式：本新型防火風(fēng)閘葉片計(jì)劃采用復(fù)合葉片的形式，即葉片折成中空的，中間填塞陶瓷棉防火材料，來提高其防火性能，使其滿足防火等級(jí)的要求。

3.2 新型防火風(fēng)閘的設(shè)計(jì)圖解

圖1

圖1 為新型風(fēng)閘的整體框架圖，該風(fēng)閘采用齒輪傳動(dòng)，具體圖解見側(cè)視剖面圖A-A；傳動(dòng)支撐元件采用高溫軸承，具體圖解見俯視剖面圖B－B；葉片與軸的連接方式采用螺栓連接，具體圖解見俯視剖面圖B－B。

圖2

圖3

圖2 為新型風(fēng)閘的傳動(dòng)元件解析圖，新型風(fēng)閘采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩大，傳動(dòng)平穩(wěn)，無焊接點(diǎn)，不易變形，便于更換，維護(hù)工作量少。

圖3解析的是新型風(fēng)閘傳動(dòng)件、軸和葉片的連接方式，本風(fēng)閘的支撐傳動(dòng)件采用高溫密封軸承，可以減小軸的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，不受粉塵顆粒的影響，可更換，軸與葉片采用螺栓連接，便于軸變形或葉片銹蝕后，現(xiàn)場可更換備件維修。圖中的1是齒輪蓋板，齒輪蓋板加了橡膠密封形成齒輪箱，全密封結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)閘的傳動(dòng)元件（齒輪）形成全密封保護(hù)，不受硫粉塵、含鹽水氣的影響；圖中的2是齒輪，通過氣動(dòng)執(zhí)行器，帶動(dòng)主齒輪，通過主齒輪帶動(dòng)其他從齒輪，通過固定板3固定，可單獨(dú)拆卸更換；圖中的4是高溫密封軸承，軸的傳動(dòng)支撐件，全密封，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小，不受粉塵影響，通過軸承套8固定，可拆卸更換；圖中葉片7與軸承5通過螺栓6連接，便于風(fēng)閘多年使用，軸變形或葉片銹蝕后，現(xiàn)場維護(hù)人員可以更換備件維修。

3.3 新型防火風(fēng)閘的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：①能夠適用于多粉塵和高潮濕的海洋環(huán)境，不易銹蝕損壞。②風(fēng)閘葉片、軸、齒輪全部采用非焊接連接方式，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場拆裝和維修，不再需要整體拆除再送回陸地解體維修，降低維修的費(fèi)用和周期。③采用密封軸承，減少磨損，延長風(fēng)閘使用壽命，減少卡滯故障的頻率。④具備防火風(fēng)閘的高溫自動(dòng)關(guān)閉、防火等級(jí)要求等特性。

（2）缺點(diǎn)：①由于采用了316不銹鋼材料，其材料成本較高。②由于采用齒輪傳動(dòng)，齒輪間隙太緊則容易卡死，間隙太松則導(dǎo)致葉片關(guān)不嚴(yán)，所以要保證齒輪間隙合理，風(fēng)閘加工精度變高，加工成本也略有提高。

結(jié)語

該新型風(fēng)閘的研究僅是個(gè)理念方案設(shè)計(jì)，并沒涉及到成品加工及應(yīng)用。齒輪傳動(dòng)和短軸鏈接的效果還需要成品的應(yīng)用才能得到最終的定論，但密封高溫軸承替代銅套作為軸的傳動(dòng)支撐件，是非常適合海上油田設(shè)施的高潮濕多粉塵環(huán)境的一個(gè)應(yīng)用。希望該設(shè)計(jì)方案能得到應(yīng)用及推廣。