深水半潜式平台船体电梯的设计

田锋，张加平，梁瑜，徐洋，张守森

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

我国半潜式平台开发起步较晚，陵水17-2气田作为中海油首个1 500 m水深自营油气田，采用半潜式生产平台结合水下设施的模式开发，是中国首个深吃水、适应SCR立管的生产半潜平台，最大排水量超11万t，同时也是世界上首座凝析油储存半潜平台[1]。深水半潜式平台通常船体型深大、立柱甲板面积小，设备布置紧凑，电梯布置和运行与传统的船舱、上层建造内的电梯情况明显不同。电梯方案通常是在平台设计的早期与平台总体方案一起确定，电梯设计的主要工作内容包括电梯的选型，电梯通道、机房、逃生、通风、照明等方案。电梯设计既要满足功能使用要求、又要满足法定检验和入级检验的要求，在首次进行的“深海一号”半潜式平台开发过程中遇到一些困难和挑战。

1 半潜式平台及电梯基本情况

船体主尺度：长91.5 m、宽91.5 m、型深59 m。

4个立柱：长21 m、宽21 m、高50 m。

4个旁通：长49.5 m、宽21 m、高9 m。

4个节点：长21 m、宽21 m、高9 m。

每个立柱设置2个主竖区，分别是船体公用/控制舱主竖区和竖井主竖区。竖井截面尺寸长、宽均为8.7 m，船体电梯布置在竖井主竖区内，竖井内除电梯外还布置有：竖井梯道，用于船体立柱和旁通进出船体；卸货通道；船体公用设施，包括压排载泵、电缆托架、管排、通风管道，以及设备和阀门的操作维修平台等；锚链桶。主竖区的平面布置见图1。

图1 船体主竖区布置

客货两用电梯额定乘员6人，载重500 kg，设置5个停留层，从上至下分别是53.0、48.2、42.8、34.6和14.4 m。电梯通道与竖井梯道相邻，竖井梯道的休息平台兼做电梯停留层。

2 电梯设计遇到的问题

2.1 电梯通道无法围闭

电梯通道通常是围闭的，并配有独立的通风系统，这是法规和规范的要求[2]。

竖井梯道和电梯按其失火危险程度定义为“梯道”；卸货区和船体公用设施的处所按其失火危险程度定义为“其它类机器处所”，“梯道”与“其他类机器处所”相邻要达到“A-0”级防火分隔，“A-0”级防火分隔就需在“梯道”与“其他类机器处所”之间设置钢围壁或其它等效结构[3]。

平台前期方案为电梯通道预留的有效面积为1.46 m×1.855 m，这个面积不满足对电梯通道进行围闭的空间需求；立柱竖井内各设施之间布置紧凑，也不满足在竖井梯道与其它设施之间设置防火分隔的空间需求。除非对立柱内的布置进行重新调整，这将造成设计进度滞后，带来增加空船重量、延长项目工期、增加项目费用等影响。

针对上述问题，将立柱竖井整体定义为“其他类机器处所”，竖井内的梯道和电梯定义为“其他类机器处所”的一部分，可避免在“梯道”与“其他类机器处所”之间设置防火分隔。电梯在竖井内运行不穿越其他封闭甲板，电梯通道可以是开敞式的而不必围闭[4]，即电梯通道一侧与平台水密舱壁相邻，其他方向开敞面向立柱竖井。半潜式平台立柱竖井与风、电塔、灯塔、大坝等建筑物内部构造相似，电梯在单一封闭的空间内运行，电梯通道可不进行围闭。

2.2 只能选用无机房电梯

电梯机房通常有3种形式，分别是：机房在电梯通道上方，机房在电梯通道两侧，机房在电梯通道后方，见图2。

图2 电梯机房型式

机房在电梯通道上方一般是将机房设置在建筑物的顶层以上；机房在电梯通道两侧或后方一般是将机房嵌入到电梯通道相邻区域，或者与轿厢共用电梯通道。另外，选用无机房电梯，电梯的动力装置随轿厢一起移动。

如果采用将机房设置在电梯通道上方的方案，并将机房设置在竖井主竖区以内，对“深海一号”来说，电梯最高停留层与竖井主竖区顶层甲板的有效距离小于电梯机房与轿厢的高度，电梯轿厢将无法到达设计要求的最高停留层；如将机房设置在竖井主竖区以上的干舷甲板，机房将占用船体主甲板空间，并且主甲板结构需要开孔、断梁，这将影响船体主甲板的整体布局，方案调整较大。

如果采用将机房设置在电梯通道侧面的方案，其难点在于：一方面是立柱竖井内没有设置机房的空间，另一方面是除了机房外，还需配套增加电梯的牵引导向、配重等附属设施，这些设施在立柱竖井内都难以实现。

“深海一号”半潜式平台电梯通道只有一侧是船体舱壁其他方向没有围壁，无机房方案成为最佳选择。

2.3 轿厢内被困乘员逃生需要借助其它设备的操作维修平台

船用电梯的轿厢上方设有逃生盖，电梯通道壁上设有逃生直梯，当乘员被困轿厢内时乘员可通过逃生盖上到轿厢上方，再攀爬电梯通道壁上的逃生直梯到达最近的出口实现自救。电梯通道围井每3层甲板最长不超过11 m设置1个应急逃生门，便于乘员快速撤离电梯围井[4]。

“深海一号”半潜式平台电梯没有封闭的电梯通道和机房，立柱梯道休息平台的尺寸、与轿厢的距离也不满足设置逃生通道的要求，乘员无法通过立柱梯道逃生。对“深海一号”来说，电梯通道相邻的船体公用设施在竖井内不同高度设有操作维修平台，通过延伸维修平台的长度与电梯通道内的逃生直梯对接，逃生时乘员可通过逃生直梯上到船体公用设施的操维平台，再进入船体逃生通道实现逃生自救。

无机房电梯的特点之一就是不能像有机房电梯那样，在电梯出现故障轿厢处于电梯通道的任一位置时，可在机房内将轿厢调整到需要的位置；一旦出现故障乘员可自救，减少对外界救援的依赖度。

2.4 船体竖井内的吊装作业影响电梯的运行

作为海上浮式设施，半潜式平台在风、浪、流的作用下会产生横摇、纵摇和升沉运动，船体浮态会出现横倾和纵倾，平台运动和浮态的改变将影响吊机的正常工作，情况严重时吊物会与船体和设备发生碰撞。

“深海一号”半潜式平台电梯通道紧邻船体竖井内的卸货区通道，其间水平距离0.535 m，竖直方向相邻的高度45.7 m，吊机正常工作允许的平台最大倾角2°，通过计算在平台倾斜2°时，吊物在电梯通道最低处将偏离原位置1.59 m，吊物已经侵入到电梯通道大约1 m的深度，可以判断出当吊装作业与电梯运行同时进行时存在吊物与轿厢发生碰撞风险。为避免该风险的发生，吊装作业与电梯运行不能同时进行，在进行吊装作业时，需将电梯轿厢上升到电梯通道最上方远离吊物。

吊装作业分析发现，采用非封闭的电梯通道是“深海一号”半潜式平台电梯的必然选择。开敞的电梯通道成为吊装作业吊物摆动的缓冲区，避免碰撞事故的发生，减轻吊装作业的难度。

2.5 非法定检验机构的产品取证对电梯法定检验带来不利影响

电梯属于特种设备，需要遵守《中华人民共和国特种设备安全法》的相关规定，其第七章附则明确“海上设施和船舶使用的特种设备安全的监督管理，由有关部门依照本法和相关有关法律的规定实施”。陆地用电梯的主管机关是市场监督管理局，市场监督管理局负责对电梯的生产、安装、运营进行检验和颁发相关证书。因为是海上设施，半潜式平台电梯的法定检验和发证机关是中国船级社(CCS)。

“深海一号”半潜式平台入籍CCS与ABS双船籍，电梯采用的是国外品牌产品，采购要求提供的是ABS船用产品证书，这对电梯获取法定证书和法定检验带来一些困难，因为CCS与ABS作为全球知名的船级社在电梯取证与检验上存在一些差异，主要体现在以下几方面。

1)电梯的技术要求。如电梯通道、逃生通道。

2)电梯证书的形式。电梯出厂前完成相关的试验合格后CCS颁发的是船用产品证书(Certificate of Marine Product)；ABS颁发的是设备取证报告(Equipment Certification Report)。

3)法定证书和检验的主体。电梯属于法定检验产品，“深海一号”半潜式平台电梯需要取得“起重设备检验与试验证书簿”,应向CCS申请法定检验。

“深海一号”半潜式平台CCS未参与电梯的图纸送审、制造检验和出厂检验，要取得法定证书，CCS需要对产品送审和检验记录进行审查，增加了额外的工作。在电梯出厂取得ABS设备取证报告后，CCS与ABS共同执行平台建造和调试阶段的检验，平台机械完工后由CCS颁发法定证书“起重设备检验与试验证书簿”，并执行后续的其他检验工作。

3 电梯设计选型

电梯类型按驱动方式可分为曳引式、齿轮齿条式、强驱式、液压式，曳引式与齿轮齿条式是最常见的两种电梯形式。

3.1 特点

曳引式电梯，是电机驱动绞车，绞车钢丝绳牵引轿厢沿电梯轨道上下运行，其性能特点是轿厢运行平稳、振动小、噪声低。曳引式电梯通常需要封闭的电梯通道和机房，电梯通道和机房需要配置独立的通风与照明设施，当前无机房的曳引式电梯在市场上也占有一席之地[6]。轿厢导向轨道、轿厢配重、钢丝绳、导向滑轮等配套装置布置在围井内，轿厢与配重沿着固定在井道上的导向轨道运行，驱动和控制装置布置在电梯机房内。

齿轮齿条式电梯，是轿厢上的齿轮与轨道标准节上的齿条啮合，齿轮转动牵引轿厢沿着标准节上下运行，其性能特点是轿厢运行振动大、噪音高。齿轮齿条式电梯不需要封闭的围井和机房，以及轿厢配重、钢丝绳、导向滑轮等配套装置；电梯驱动和控制装置集成在轿厢本体上。

从电梯的构造和性能特点，对比“深海一号”半潜式平台立柱竖井内空间紧凑、无封闭的电梯通道和无机房、交叉作业需要的分析，齿轮齿条式更适合半潜式平台船体电梯。

3.2 设备的重量

齿轮齿条式电梯与曳引式电梯对比具有重量上的优势。空船重量是浮式平台一个关键的技术参数，选用重量轻的设备可减少平台的空船重量，增加平台的可变载荷，提高平台的使用效率。齿轮齿条式电梯不需要封闭的电梯通道和机房，节省了这部分重量，同时也节省了配重、钢丝绳、导向装置的重量，而且，电梯的重量轻需要支撑和加强的结构钢材用量少，增加的船体结构重量也小。如某一额定乘员与载重量的曳引式电梯重量约为50 t，同等规格的齿轮齿条式电梯重量约为7 t，齿轮齿条式电梯重量大约是曳引式电梯重量的1/7，重量对比见图3。

图3 两种类型电梯重量对比

3.3 安装和调试周期

齿轮齿条式电梯较曳引式电梯具有安装和调试周期上的优势。建造周期是半潜式平台一个关键的经济指标，曳引式电梯的安装调试时间一般需要2个月，齿轮齿条式电梯的安装调试时间一般需要1个月，齿轮齿条式电梯的安装调试时间是曳引式电梯的一半。

3.4 乘员解困

当电梯出现故障乘员被困式轿厢时，齿轮齿条式电梯的乘员解困较曳引式电梯更容易。齿轮齿条式电梯的驱动装置在轿厢顶部，乘员可通过轿厢内的直梯登乘到轿厢顶部，手动操作驱动装置使轿厢降放到合适的停留层，然后打开轿厢门与层门实现解困；曳引式电梯需要救援人员在机房驱动轿厢降放。

3.5 电梯运行环境

齿轮齿条式电梯较曳引式电梯可在较复杂的环境下运行。齿轮齿条式电梯可安装在室外露天运行，可安装在有爆炸气体环境能够达到防爆要求。齿轮齿条式电梯是驱动齿轮沿着齿条上下运行，齿条不但可以安装在竖直面上，也可以安装在非竖直面上，轿厢可在非竖直面上运行。另外，齿轮齿条式电梯不受机房和钢丝绳长度限制，可以根据需要调整齿条的长度，电梯运行的高度可调。

4 结论

半潜式平台船体电梯关系到海上平台的正常运营和人命安全，电梯设计须严格遵守相关的法律法规和规范，满足入级检验和法定检验的要求。“深海一号”船体电梯在设计过程中出现的通道问题、机房问题、逃生问题、吊装交叉作业问题以及产品取证问题，对半潜平台的船体电梯设计具有一定的代表性。通过“深海一号”船体电梯的设计可以看出，需要在设计的早期规划好电梯方案，应熟悉各类电梯的性能和特点，了解相关的规范、标准和法规。另外，作为全球首座10万t级深水半潜式生产储油平台，“深海一号”船体电梯的成功运行可为我国海洋工程及其它类似设施提供参考。