H-120型防火防爆气动移门的设计及其在海洋平台上的应用

2014-01-04郭学峰

船舶 2014年1期

郭学峰

(中远船务工程集团有限公司技术中心大连116600）

引言

海洋作业平台干舷甲板上通常会布置各种工艺模块、动力模块（主电站）和热介质锅炉模块，模块内存在各种危险源，有发生火灾、爆炸、气体泄漏等危险的可能，因有需要根据设备的实际使用情况和入级海洋工程规范要求进行危险区域等级的划分。危险区域的封闭机械处所按照规范要求通常需满足气密、防火、防爆炸、风雨密性与隔音等要求，在该机械处所舱壁板上供作业人员进出的门也要满足其要求。

我国目前对于在海洋平台上危险区域使用的满足上述要求的门，我们国家还没有相应的标准和技术要求，现有的标准与资料无法满足要求，如：

（1）CB/T3722气密门通过充气密封胶条来达到门的内外气密性能，压力需维持在500 Pa，然而，压力要维持在500 Pa，不仅需要单独的气源（构造复杂），且必须使用充气密封胶条来维持较高的压力，因为没有使用充气密封胶条门的内外气密性能为0 Pa，这既不满足防火门的要求，也无法满足船级社海洋工程规范要求。

（2）防爆炸力的强度计算国内标准没有提及。

（3）GB/T3477风雨密门，主要是安装在船舶的上层建筑和甲板室舱壁上，船级社海洋工程规范中要求海洋平台风雨密门的强度不低于其安装处船体舱壁的结构强度，海洋平台上模块舱壁板承受的载荷远高于普通船舶的上层建筑和甲板室，该标准也不能满足海洋工程规范的要求。

（4）气动操作的移门没有国内标准。

我们依据“挪威NORSOK标准”［1］和“DNV近海工程入级规范”［2］的基本要求，结合实际项目进行了仔细研究，对满足海洋工程要求的门在海洋平台危险区域机械处所的应用给出了设计思路和方法，主要创新点：

（1）门的气密性标准根据DNV规范和NORSOK标准维持门内外压差至少50 Pa，给出了维持的密性压差及检验标准；

（2）门板满足危险区域防爆炸力冲击，给出了爆炸力载荷的合理选用方法；

（3）门的风雨密强度和密性能够满足海洋平台使用特定的海域作业环境，同时给出了计算方法；

（4）气动移门具有很好的可操作性，能够在失火时其自动关闭，并在实船取得应用；

（5）门的密封节点，有效保证了门的气密性、风雨密要求，具有创新性。

下面结合某实例分别从H-120型防火防爆风雨密气密气动移门的功能设计及组成单元、载荷分析、强度设计、开口处舱壁结构的强度计算、工厂和船上试验要求等方面进行阐述，希望对其他设计者提供参考及引导国内舾装件厂家进行创新设计，扩大我国舾装产品在海洋工程船上的应用。

1 H-120型气动移门功能设计及组成单元

从海洋作业平台操作安全因素考虑，在危险区域封闭机械处所门的启闭操作使用气动操作，在操作空间允许的条件下使用移门。门板与门框要求具有足够的强度和密性要求，能抵抗雨水、风、浪、冰雪、危险气体、烟雾的浸入，防火级别H-120。

H-120型防火防爆风雨密气密气动移门由门板、门框、拉手、特制密封胶圈、轨道、滑轮、气缸、气动装置、储气瓶、防护罩、绝缘装置、防火条、控制单元、按钮、导向滚轮、局部手动应急操作装置、限位开关等部分组成。当主供气压力不足或关闭时，通过储气瓶供气，操作门启闭。

风雨密将根据门的实际安装位置，综合考虑风、上浪载荷的影响和作业海域环境。

气密性将阻止相邻的不同危险区域逸出的可燃气体进入含有引爆区域的可能性，当气密门打开时，通风空气应该是从低危险区域流向高危险区域，关闭时机械处所内外气压保持至少5 mm水柱，门允许的泄漏率0.5 m3/hm2在50 Pa压差。

防爆将根据门的安装位置选用静爆炸载荷，依据相关入级船级社规范的要求。

H-120型防火主要考虑耐火强度和阻燃及阻烟性能，材料选用陶瓷棉，可以承受1 450℃高温，同时该材料具备良好的隔音效果。

该门具备特殊的功能：当火灾发生时，感温开关打开，发出火警报警，主供气关闭，储气瓶供气自动关闭门，从而起到良好的保护作用。

此处的风雨密和气密的密性性能与普通海船要求不同，需要给予特别考虑，也是主要创新点，在制作时需要控制精度。风雨密、气密的密性详细设计节点见图1。

图1 H-120型防火防爆风雨密气密气动移门密封节点详图

图2 H-120型防火防爆风雨密气密气动移门外观图

最终H-120型防火防爆风雨密气密气动移门外观见图2。

门板材质为不锈钢、厚度为5 mm；根据强度要求，内部特别制作U60 mm×30 mm×2 mm加强结构型材。

2 H-120型气动移门的载荷分析

H-120型防火防爆风雨密气密气动移门根据实际安装位置及平台的具体作业海域等作业环境，受到载荷有：结构自重、风载荷、上浪载荷、爆炸载荷、冰雪载荷、船舶运动惯性力等［2］：

2.1 风载荷

海洋作业平台设计载荷时要考虑更为严格，这里平均风速我们按照实船入籍“DNV Offshore DNV-RP-C205”规范百年一遇的要求［2］：

式中：zr为参考高度距海面10 m；

z为实际高度距海面，m；DNV Offshore 取1小时风速作为平均风速。

tr为时间，s，在参考高度距海面10 m；

t为平均时间 s；

U（zr，tr）为参考高度距海面10 m的参考风速m/s；

ρa为空气的密度，1.225 kg/m3。本实例中经过修正后最终风压：

p=±cpq=2.51 kn/m2

计算受风面积选取受风构件的正投影面积。

2.2 上浪载荷

海浪的载荷是线性的，随门安装高度的升高而逐渐降低。我们按照入籍DNV Offshore规范要求［2］，本实例中载荷p=13.5 kn/m2。

2.3 爆炸载荷

根据门的安装位置靠近钻井区域，选取DNV Offshore 规范［2］静爆炸压力 0.1 bar（1 bar=105Pa），冲击频率0.2 s。

爆炸力载荷作用在垂直门板。爆炸压力的选用见表1。

2.4 冰雪载荷

冰雪载荷根据其具体高度、暴露的海况环境，我们按照“DNV Offshore DNV-RP-C205”规范［2］百年一遇的要求：

表1 爆炸压力的选用

冰厚度10 mm；密度ρ=900 kg/m3；

冰载荷P冰=0.09 kn/m2;

雪载荷P雪=0.5 kn/m2。

2.5 船舶运动加速度载荷［2］

式中：kv=0.7；

g0为重力加速度，g0=9.81 m/s2；

cb为船舶方形系数；

a0为船舶加速度系数。

3 H-120型气动移门的强度设计［2］

根据H-120型防火防爆风雨密气密气动移门的内部结构形式，参照DNV Offshore 规范和美国钢铁协会AISC要求，分别对门板的厚度和内部的扶强材强度进行校核。

3.1 门板强度校核

门板承受的弯矩：

利用系数：

式中：s为扶强材间距，m；

t为门板厚度，mm；

P为门板承受的外力，N；

K为门板与门框连接系数1.5；γM为材料系数；

fy为许用应力值，N/mm2。采用双层门板，厚度分别为5 mm，满足要求。

3.2 门板内扶强材强度校核

带板的有效宽度：

门板细长比：

门板的最大变形W=7.2 mm，满足规范要求许用最大变形值。

扶强材的塑性剖面模数：

扶强材许用弯矩：

实际弯矩：M=374 kn·mm

利用系数：UF=0.97

内部扶强材尺寸U60 mm×30 mm×2 mm，满足屈曲强度要求。

图3 开口处结构框架计算模型

4 H-120型气动移门安装处结构舱壁强度校核

H-120型防火防爆风雨密气密动移门安装在框架结构的模块上，因开口尺寸过大，需要对开口处的结构强度进行校核，采用STAAD结构有限元计算软件对结构进行分析，依据实船入级DNV海洋工程规范对其进行强度校核。模型根据结构及承受载荷的特点，从力学上加以抽象化，得出计算模型。模块上的隔板等弱结构可不计及。底部与甲板连接处因模块尺寸较大，采用弹性固定支承进行定义，通过计算发现实际应力值满足强度要求，具体计算参见图3［3］。

5 H-120型气动移门工厂和船上试验要求

H-120型防火防爆风雨密气密气动移门制作结束后，需要在制作工厂进行风雨密、气密性和试烧试验。风雨密试验时应该选在最容易渗漏的部位(四周)进行。气密试验关闭门对模拟舱室内部充入空气加压，使压差大于50 Pa,检查允许的泄漏率0.5 m3/hm2是否满足要求。试烧试验应该选在四周和把手等容易传递温度和过烟的部位进行。