上海利策科技股份有限公司,上海 200233
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2014)03-0207-06
收稿日期: 2014-08-25
网络出版日期: 2014-09-20
版权声明: 2014 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
作者简介:
作者简介:宋杰(1982-),男,工程师,主要从事海洋平台设计研究.
展开
摘要
国内海洋工程正逐渐向深水领域发展,海洋平台重量成为影响其经济性的关键因素之一.平台组块重量会极大地影响下部结构重量,而生活楼是平台上部组块中的重要组成部分.通过分析90人生活楼各类舱室家具及舾装材料的重量,提出合理使用重量轻,性能好的新型材料,使舾装重量减轻,从而实现平台组块结构重量的减轻,提高海洋平台下部结构的经济性.
关键词：
Abstract
With the continuous development of Chinese offshore engineering towards deeper water, more attention is paid to the economy of offshore platforms. The weight of an offshore platform is an important factor that influences its economy. The weight of platform topside greatly influences the weight of the sub-structure, while living quarters is one of the most important parts of the topside. After analyzing all kinds of cabin furniture and outfitting materials of a 90-person living quarters, it is pointed out that the rational utilization of light-weight and good-performance new materials can reduce the overall outfitting weight, which in turn leads to the weight reduction of the platform topside and consequently improves the economy performance of the sub-structure.
Keywords：
中国是一个能源生产和消费大国,但是中国的能源又比较缺乏,能源消费结构不合理.目前我国陆上石油产量增长停滞不前,而海洋油气储量丰富,增长潜力巨大.在我国的海域中,南海海域更是石油宝库:中国对南海勘探的海域面积目前仅有16万平方千米,发现的石油储量已达52.2亿吨.
现在我国准备加快南中国海油气资源的勘探开发,但这一海域水深在500~2000 m,迫切需要发展深海油气勘探和开发技术.深水开采中,钢制导管架平台的结构重量及造价会随着水深的增加而急剧增长,影响平台的工作性能和经济性.在兼顾平台性能和经济性的前提下,有效控制平台上部组块重量,减轻结构荷载,是油气资源勘探开发向深水发展的一个关键因素.生活楼是平台上部组块中一个比较重要的组成部分,因此,控制生活楼舾装重量是上部组块设计中一个比较重要的命题.本文对90人生活楼各类舱室家具及舾装材料重量进行了分析,提出通过合理使用新型材料来减轻舾装重量,从而提高海洋平台下部结构的经济性.
生活楼的主要用途是给海上平台工作人员提供一个安全,舒适的休息,娱乐场所.生活楼的主要房间包括居住用房,公共用房,卫生用房,办公用房,炊事用房,医疗用房,无线通信用房等[1].根据平台类型,组块总体布置,生活楼在平台所处位置,生活楼拟定居住人数等,按照防火,安全,保温绝缘,脱险救生[2]等规范要求对生活楼各层进行布置,同时在满足规范要求的条件下也要考虑平台生活楼人员的舒适性[1].现以某固定式平台上定员为90人的生活楼为例进行相关讨论.
图1所示为生活楼各专业重量分布情况.从图1中可见舾装专业重量约占整个生活楼总重量的29%,因此控制舾装重量可以减轻结构荷载,优化结构重量,对于整个生活楼的减重是比较有效的.
图1 90人生活楼各专业重量分布
Fig.1 Weight ratio of every section of a 90-person living quarters
生活楼舾装材料主要包括各类区域家具设备,卫生盥洗设备,洗衣设备,医疗设备,门窗,保温防火材料,救生设备以及地板敷料等[3].图2所示为90人生活楼舾装重量组成.从图2中可以看出,居住及办公区家具,盥洗设备,防火保温材料,围壁天花板,地板敷料和救生设备是生活楼舾装重量比较集中的几类,合计约占舾装总重量的86%.从舾装优化设计角度出发,兼顾生活楼的功能和经济性,其中可以进行选材减重的有舱室家具,盥洗设备,防火保温材料,围壁天花板和地板敷料.具体分析如下.
在满足使用方功能性要求的条件下,生活楼舱室布置需要满足《国际海事劳工公约》[4]对舱室面积,高度以及家具布置,大小的基础要求,另外,有关公约对于餐厅厨房设备和卫生盥洗设备的配置均有与定员相联系的规定.因此,在满足规范的条件下,优化舱室家具布置,从实用性考虑多使用功能性兼具的家具也是舾装减重的一个有效办法[1].
图2 90人生活楼舾装重量组成
Fig.2 Weight components of outfitting of 90-person living quarters
另外家具材料目前以木材,钢材为主,但根据《国际海上人命安全公约》(《SOLAS公约》)对可燃材料使用限制的要求[2],平台上木质家具的使用比例往往较低,主要采用钢制设备家具,虽然提高了安全性,但比较笨重.近年来,以铝合金材料为主的家具和设备的出现使得设备和家具的选择更多.铝合金家具美观,坚固,耐用,同时又具有不易锈蚀,密度低,不燃等特性,除满足规范对家具设备的要求之外,还兼具许多优点,获得了市场较好的评价.根据市场成熟铝合金家具使用案例可知,采用铝合金设备和家具,可减重约40%.
卫生盥洗设备材料主要有陶瓷和不锈钢.根据实际项目数据可知,使用不锈钢卫生盥洗设备,可减重约70%.
表1统计了使用新材料替换90人生活楼舱室家具中的钢制框架和卫生盥洗设备中的陶瓷设备后的重量数据.从表1中可以看出,使用新材料后重量减少约8.1 t,减少的重量约为原设备重量的21%.
表1 90人生活楼舱室家具,盥洗设备更换材料前后重量比较
Table 1 Comparison of weight of cabin furniture and washing equipment for the 90-person living quarters when using different materials
| 材 质 | 钢制框架舱室设备/陶瓷材质盥洗设备重量/kg | 铝合金框架舱室设备/不锈钢材质盥洗设备重量/kg | 减重 /kg | 减重 比例 /% |
|---|---|---|---|---|
| 舱室家具 | 12 078 | 7 247 | 4 831 | 40 |
| 其他舱室设备 | 1 713 | 1 713 | 0 | 0 |
| 陶瓷卫生洁具 | 4 748 | 1 424 | 3 324 | 70 |
| 其他卫生盥洗 设备 | 20 116 | 20 116 | 0 | 0 |
| 合计 | 38 655 | 30 500 | 8 155 | 21 |
生活楼外壁及生活楼顶部和底部需敷设保温绝缘材料,以达到"冬暖夏凉"的效果.传统的绝缘材料是(30+50) mm厚的岩棉,容重140 kg/m3;另根据《SOLAS公约》要求对生活楼进行防火分区后[2],对防火等级有要求的区域需要敷设防火材料,传统A-60防火等级需敷设(20+20) mm厚陶瓷棉来满足要求,其容重为170 kg/m3;对于天然气田,如果防爆参数要求达到一定数值,即需要设置防爆墙,传统H-60防爆材料容重是170 kg/m3.
在满足规范要求的条件下,目前市场上的绝缘防火新型材料容重可以降低到48 kg/m3,防爆新材料容重可以降低到80 kg/m3.
从表2可以看出,使用防火纤维材料后,90人生活楼防火绝缘材料可以减重约39.3 t,减少的重量约为原防火绝缘材料重量的53.9%.
表2 90人生活楼防火绝缘材料更换前后重量比较
Table 2 Comparison of weight of fire-proof and insulating materials for the 90-person living quarters when using different materials
| 类别 | 传统材料 | 轻质材料 | 减重 /kg | 减重 比例/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 结构 形式 | 容重/(kg·m-3) | 面积 /m2 | 重量 /kg | 结构 形式 | 容重 /(kg·m-3) | 面积 /m2 | 重量 /kg | |||
| H-60 | 50 mm 陶瓷棉 | 150 | 1 720 | 14 620 | 60 mm 轻质防 火纤维 | 70 | 1 720 | 7 224 | 7 396 | 51 |
| H-60 | 35 mm 陶瓷棉 | 150 | 1 370 | 8 152 | 50 mm 轻质防 火纤维 | 70 | 1 370 | 4 795 | 3 357 | 41 |
| A-60 | (20+20) mm 陶瓷棉 | 170 | 450 | 3 060 | (40+40) mm 轻质防 火纤维 | 48 | 450 | 1 728 | 1 332 | 44 |
| 绝缘 保温 | 50 mm岩棉 | 140 | 3 500 | 24 500 | 40 mm 轻质防 火纤维 | 48 | 3 500 | 6 720 | 17 780 | 73 |
| 绝缘 保温 | 30 mm岩棉 | 140 | 3 150 | 13 230 | 25 mm 轻质防 火纤维 | 48 | 3 150 | 3 780 | 9 450 | 71 |
| 其他 配件 | 9 392 | 9 392 | 0 | 0 | ||||||
| 合计 | 72 954 | 33 639 | 39 315 | 53.9 | ||||||
常规生活楼居住舱室,公用处所(餐厅,办公室,会议室)和内走道的衬板,独立围壁及天花板均采用聚氯乙烯(PVC)贴面的复合岩棉板;厨房,盥洗室,洗衣房等潮湿环境处所采用不锈钢表面的复合岩棉板;其中,衬板厚度为30 mm,独立围壁板厚度为50 mm,天花板采用30 mm厚的复合岩棉板[3].
目前可替代复合岩棉板的材料中,蜂窝板是比较好的选择.蜂窝板是使用铝箔制成的仿蜂窝的板材,面板一般用PVC或者玻璃钢;其材料特点是:(1)密度低,强度高,这也是我们选择该类材料的主要原因;(2)防火性好,铝箔制成的板可以有效防止火焰扩散,并减少烟尘的产生,对于提高生活楼的安全性也有帮助;(3)兼具耐久性和装饰性,铝箔板的材质特性决定了它经久耐用,抗冲击性,抗疲劳性和耐候性均比较好,而且磨光或纹理处理不影响其特性,提高了其装饰性.
表3所示统计结果表明,蜂窝铝箔板在生活楼中除了吸音天花之外的地方均适宜替换,减重36.1 t,减少的重量约为原围壁天花重量的65.6%.
表3 90人生活楼衬板,围壁天花材料更换前后重量比较
Table 3 Comparison of weight of bulkhead and ceiling for the 90-person living quarters when using different materials
| 传统材料 | 轻质材料 | 减重 /kg | 减重 比例/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 材料名称 | 单位重量 /(kg·m-2) | 面积 /m2 | 重量 /kg | 材料名称 | 单位重量 /(kg·m-2) | 面积 /m2 | 重量 /kg | ||
| PVC面板+30 mm厚复合岩棉板 | 16.2 | 1 489 | 24 124 | PVC面板+30 mm厚蜂窝铝箔板 | 4.9 | 1 489 | 7 296 | 16 828 | 70 |
| PVC面板+50 mm厚复合岩棉板 | 18.4 | 470 | 8 648 | PVC面板+50 mm厚蜂窝铝箔板 | 4.9 | 470 | 2 303 | 6 345 | 73 |
| PVC面板+30 mm厚复合岩棉板 | 16.2 | 750 | 12 150 | PVC面板+30 mm厚蜂窝铝箔板 | 4.9 | 750 | 3 675 | 8 475 | 70 |
| 30 mm厚复合岩棉板吸音天花 | 14.8 | 250 | 3 700 | 30 mm厚复合岩棉板吸音天花 | 14.8 | 250 | 3 700 | 0 | 0 |
| 不锈钢面30 mm厚复合岩棉板 | 16.2 | 262 | 4 238 | 不锈钢面30 mm厚蜂窝铝箔板 | 4.9 | 262 | 1 284 | 2 954 | 70 |
| 不锈钢面30 mm厚复合岩棉天花 | 16.2 | 135 | 2 187 | 不锈钢面30 mm厚蜂窝铝箔板天花 | 4.9 | 135 | 662 | 1 525 | 70 |
| 合计 | 55 047 | 18 920 | 36 127 | 65.6 | |||||
甲板敷料约占整个生活楼舾装重量的15%,属占比较大的部分,同时甲板敷料也可以采取一些材质替代,并可以在保持功能的情况下有效地减轻重量.常规船甲板敷料的敷设一般为居住舱室,公用处所(餐厅,办公室,会议室)和内走道等处所地板,敷设不燃轻质甲板敷料,其上敷设3 mm厚防火橡胶地板;厨房,盥洗室,洗衣房等潮湿处所采用40 mm厚水泥,其上铺设10 mm厚防滑瓷砖[3].
甲板敷料所用材料中水泥和地砖的密度较大,如果能有效替代,将能可观地减少舾装重量.乳胶甲板敷料是在水泥砂浆中加入一定比例乳胶制成的,同时也可以选择性掺入阻燃剂,提高阻燃效果.乳胶甲板敷料的特点是相比水泥其耐压,抗折,耐磨,抗冲击性能都有极大的提高,特别是增强了敷料和甲板的黏结力,省去了原来水泥敷料所需要的金属马脚,而且降低了敷设厚度,可直接敷设约10 mm,不仅简化了施工工序,而且减轻了重量,同时乳胶甲板敷料的耐水性也有所改善,能适应其所处的潮湿环境.另外甲板敷料中的3 mm厚防火橡胶地板也可用2 mm厚PVC替代,在满足规范要求的同时,防火性和舒适性均达到要求,同时密度减小,而且PVC地板的装饰性很强,可制作多重纹理.
从表4数据可以看出,减少水泥,瓷砖的使用,可以大幅度地减少甲板敷料重量,对于90人生活楼减重约15 t.
表4 90人生活楼甲板敷料材料重量比较
Table 4 Comparison of weight of deck covering for the 90-person living quarters when using different materials
| 传统材料 | 轻质材料 | 减重 /kg | 减重 比例/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 结构形式 | 单位重量 /(kg·m-2) | 面积 /m2 | 重量 /kg | 结构形式 | 单位重量 /(kg·m-2) | 面积 /m2 | 重量 /kg | ||
| 不燃轻质甲板敷料 (15 mm) | 19.5 | 980 | 19 110 | 不燃轻质甲板敷料 (15mm) | 19.5 | 980 | 19 110 | 0 | 0 |
| 不燃轻质甲板敷料 (10 mm) | 13.0 | 70 | 1 365 | 不燃轻质甲板敷料 (10 mm) | 13.0 | 70 | 1 365 | 0 | 0 |
| 防火橡胶地板(3 mm) | 4.8 | 1 050 | 5 040 | PVC地板 (2 mm) | 3.1 | 1 050 | 3 255 | 1 785 | 35 |
| 水泥(40 mm) | 84.0 | 110 | 9 240 | 乳胶甲板敷料(10 mm) | 13.0 | 110 | 1 430 | 7 810 | 85 |
| 防滑地砖 (10 mm) | 23.0 | 40 | 4 238 | 环氧防水甲板敷料 (5 mm) | 8.6 | 40 | 344 | 3 894 | 92 |
| 防滑地砖 (6 mm) | 12.6 | 70 | 2 187 | 环氧防水甲板敷料 (5 mm) | 8.6 | 70 | 602 | 1 585 | 72 |
| 其他 | 6 561 | 其他 | 6 561 | 0 | 0 | ||||
| 合计 | 47 741 | 32 667 | 15 074 | 32 | |||||
通过上述数据分析可知,采用新材料后,90人生活楼舾装原重量292.6 t,减轻重量98.6 t,减重约占原舾装重量的1/3.对于整个生活楼而言,原生活楼总重量为994 t,减重后895 t,生活楼减轻约10%,舾装重量所占比例从减重前的29%减为21%.图3是舾装减重后的重量分布.为清晰起见,图3中仅明确标出了占比较大的结构和舾装部分.
图3 舾装减重后90人生活楼各专业重量分布
Fig.3 Weight ratio of every section of the 90-person living quarters after weight reduction of outfitting
新材料的使用势必会对平台建造成本造成影响.新增材料费用与节省结构建造等费用之间的平衡点也是平台建造需要考虑的.对于本文讨论的90人生活楼,如上所述,舾装减重合计约98.6 t.舾装材料总费用约450万元,较原先增加104.5万元.具体的减重数据和各项增加费用如表5所示.
表5 使用新材料后90人生活楼舾装重量减轻及费用增加数据
Table 5 Weight reduction and increase in cost when using new materials for the outfitting of the 90-person living quarters
| 减重项 | 减重/t | 占总减重 比例/% | 增加 费用 /万元 | 占总增 加费用 比例/% |
|---|---|---|---|---|
| 舱室及盥洗设备 | 8.15 | 8.25 | 60.0 | 57.42 |
| 防火保温材料 | 39.30 | 39.85 | 25.0 | 23.92 |
| 围壁天花 | 36.10 | 36.63 | 18.0 | 17.22 |
| 甲板敷料 | 15.10 | 15.27 | 1.5 | 1.44 |
| 总计 | 98.65 | 100.00 | 104.5 | 100.00 |
以上数据可能因为采购厂家的不同会有一定偏差,但我们的目的是看出费用增加与减重之间的比较关系.
从表5可以看出舱室设计盥洗设备使用新材质对于减重是"高费用,低收益",所以目前使用较少,但铝合金舱室家具和不锈钢盥洗设备具有美观,坚固,耐腐蚀的特点,可以增加舱室环境的美观度和舒适度.防火保温,围壁天花以及甲板敷料等使用新材料对于费用增加的影响较小,目前一些在建或者已建成项目已经成功使用了文中所述的防火纤维毯以及蜂窝铝等材料.
另外,几种新材料从施工工艺上与传统材料相比,区别并不大,例如轻质防火纤维与传统的陶瓷棉,岩棉在安装方式上基本是一致的;蜂窝铝箔板与传统的复合岩棉板的安装方式也相似,一般采用顶槽吊架,板与板之间采用欧米伽连接或其他相似的方式;甲板敷料中的乳胶水泥相比传统水泥可以省去金属马脚,直接敷设,简化施工工序.因此,新材料的使用不仅不会使施工工艺变得复杂,反而能在一定程度上简化施工,提高效率[5].
控制生活楼的重量是优化海洋平台结构的一个重要部分.本文以90人生活楼为例,对各类舱室家具及舾装材料重量进行了分析,提出通过合理使用新型材料来减轻舾装重量,从而提高海洋平台下部结构的经济性.对于业主而言,也可依据具体项目需要,对舾装材料进行合理选择.部分项目对重量比较敏感,接近某个极限值时,可以选择适当增加费用,减轻舾装重量以满足工程需要.
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
海洋平台生活楼人体工程学设计研究[D] . |
| [2] |
海上固定平台安全规则 [S]. |
| [3] |
|
| [4] |
2006年海事劳工公约 [S]. |
| [5] |
浅海固定平台建造和检验规范 [S]. |
/
| 〈 |
|
〉 |
