深水鉆井船鉆井甲板消防雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程永平， 任軼麗

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)中心， 山東 煙臺 264000)

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深水鉆井船鉆井甲板消防雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程永平， 任軼麗

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)中心， 山東 煙臺 264000)

結(jié)合國內(nèi)建造的某深水鉆井船實(shí)例，對鉆井船鉆井甲板消防雨噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)做詳細(xì)介紹，主要包括雨噴淋系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求、噴淋水量計(jì)算、噴頭型號選擇及數(shù)量計(jì)算、噴頭覆蓋范圍確定和噴頭布置與自動化鉆井設(shè)備運(yùn)動位置的協(xié)調(diào)等幾個方面，為今后國內(nèi)深水鉆井船甲板消防雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

鉆井船；鉆井甲板；雨噴淋；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0　引言

深水鉆井船的鉆井甲板上有很多核心的石油鉆井設(shè)備，在海上鉆井作業(yè)時(shí)存在較大的火災(zāi)潛在隱患(例如：2010年發(fā)生的墨西哥灣鉆井平臺漏油事件就是由于井噴和鉆井甲板井口區(qū)的火災(zāi)引起的)，各國船級社規(guī)范對鉆井甲板的消防設(shè)計(jì)非常重視且要求嚴(yán)格。消防雨噴淋系統(tǒng)由于具有啟動快速、噴水量大以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在鉆井甲板配置消防雨噴淋系統(tǒng)已成為各船級社規(guī)范的普遍要求。

該文以國內(nèi)建造的某深水鉆井船鉆井甲板雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對鉆井船消防雨噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做一些總結(jié)和探討，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一些參考。

1　海洋石油設(shè)施雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求

各個船級社對雨噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求基本相似，下面以DNV船級社的要求為例進(jìn)行說明：

(1) 根據(jù) DNV OFFSHORE 消防規(guī)范 OS-D301 Ch.2 Sec.3 B400，海洋石油工程設(shè)施上的下列區(qū)域應(yīng)該配置或需要設(shè)計(jì)雨噴淋系統(tǒng)作為主動型消防保護(hù)方式： (a) 生產(chǎn)區(qū)域； (b) 卸油區(qū)域； (c) 鉆井區(qū)域； (d) 測井設(shè)備區(qū)域。同時(shí)，對于可預(yù)見的由可燃液體引起火災(zāi)的地方，需特殊考慮，推薦使用泡沫消防。

(2) 對于以上區(qū)域設(shè)置的雨噴淋水量要求不小于 10 L/(min·m2)，若設(shè)置泡沫消防時(shí)，泡沫量不得小于 15 min的使用量。

(3) 雨噴淋系統(tǒng)要求包含本地釋放和控制站遙控釋放兩種方式。

(4) 噴頭的型式適合火災(zāi)的類型，噴頭的布置需要使消防水滴能緊密地噴灑到被保護(hù)設(shè)備的表面，同時(shí)噴頭在噴灑時(shí)不能被其他設(shè)備阻擋噴灑路線。

(5) 對于雨噴淋噴頭要求至少有兩路獨(dú)立的供水管路供水，主供水源為來自自動激活的雨噴淋閥組，此一路水可來自由隔離閥隔開的主消防管路的另一部分，閥門可為手動激活。

(6) 噴淋閥組的放置位置可從緊急控制站由安全通道方便地到達(dá)，且需要布置在被保護(hù)區(qū)域以外的地方。此外，在寒冷區(qū)域，還要求確保在噴射之后，噴淋管線內(nèi)不會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，所有地點(diǎn)的水均可排空且雨淋閥還需要帶有測試管線[1]。

以上6點(diǎn)是對所有區(qū)域消防雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求。以鉆井甲板為例，具體闡述滿足上述要求的噴淋水量計(jì)算、噴淋閥選型、噴頭選型和數(shù)量計(jì)算及噴頭布置等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，其它區(qū)域的設(shè)計(jì)步驟和要點(diǎn)與此類似。

2　鉆井甲板噴淋閥的選擇及噴頭數(shù)量的初步計(jì)算

根據(jù)鉆井甲板布置圖，首先需要確定鉆井區(qū)域保護(hù)面積的大小。以該鉆井船為例，鉆井區(qū)域的面積以有連續(xù)的擋風(fēng)圍壁隔離出的面積大小為計(jì)算依據(jù)，從鉆井甲板布置圖上測量得出。該船鉆井區(qū)域面積為484 m2，需要的最小噴淋水量可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Q為噴淋水量，L/min；A為噴淋區(qū)域的面積，m2。

因此，該船的最小噴淋水量為：Qmin=4 840 L/min。

內(nèi)容一：情境導(dǎo)入。通過課前任務(wù)，學(xué)生對求職面試的背景知識已有所了解；但多數(shù)學(xué)生沒有相關(guān)體驗(yàn)，所以教師通過面試的視頻導(dǎo)入，激活學(xué)生。

依據(jù)計(jì)算得出的雨噴淋水量和噴淋閥門廠家提供的閥門流量數(shù)據(jù)，選擇通徑合適的噴淋閥型號，該項(xiàng)目通過比較閥門廠家提供的流量數(shù)據(jù)(見表1)，選擇通徑為150 mm(GW MODEL 100-01)的雨噴淋閥組。圖1為噴淋閥組內(nèi)部原理圖，噴淋閥由F&G系統(tǒng)(火警和氣體探測系統(tǒng))在探測到火災(zāi)后自動釋放，在噴淋閥出口設(shè)置有壓力傳感器，用于噴淋系統(tǒng)建立壓力后反饋信號至F&G系統(tǒng)，作為噴淋閥的開啟指示。尺寸合適的噴淋閥在消防水通過閥門時(shí)，壓力損失較小，可降低噴淋管網(wǎng)的壓力降，從而最終節(jié)省噴淋水泵(一般由消防水泵兼用)的壓頭，提高整個消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。

表1　MODEL 100-01噴淋閥流量數(shù)據(jù)表

圖1　雨噴淋閥組內(nèi)部原理圖

接下來需要選擇合適的噴頭型號，初步計(jì)算噴頭的數(shù)量。雨噴淋噴頭種類有很多，不同型式的噴頭參數(shù)也不同。在噴頭型式選擇時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1) 海洋平臺鉆井區(qū)雨噴淋系統(tǒng)要選擇開式噴頭，這個特點(diǎn)和生活區(qū)噴淋系統(tǒng)有區(qū)別。

(2) 噴頭噴水速度，按照噴灑速度，可分為高速噴頭與中速噴頭；噴頭的噴灑速度會影響到噴水量的大小，從而間接影響噴頭的數(shù)量。

(3) 噴灑覆蓋角度范圍，按照噴灑覆蓋角度，可分為廣角噴頭與窄角噴頭；噴灑覆蓋角度和擬覆蓋的設(shè)備大小有關(guān)。

在決定噴頭數(shù)量前，首先需要預(yù)先計(jì)算出單個噴頭的噴水量，噴頭的噴水量可根據(jù)式(2)做初步計(jì)算[2]。噴頭噴水量Qp的大小由噴頭自身的流量系數(shù)K和噴頭入口處的壓力P兩個參數(shù)決定。

(2)

對于設(shè)備布置簡單或布置空間沒有限制的被保護(hù)區(qū)域，全部噴頭可以只選擇一種類型，這樣噴頭最小數(shù)量Nmin可以根據(jù)公式(3)計(jì)算得來。

(3)

但是在很多情況下，受被保護(hù)區(qū)域內(nèi)空間位置及各被保護(hù)設(shè)備周圍布置條件的限制，如設(shè)備很集中的鉆井甲板區(qū)域，在同一區(qū)域內(nèi)，可能會選擇多種噴頭類型，尤其是高速和中速噴頭經(jīng)常會混合使用。如果同一區(qū)域內(nèi)有多種類型的噴頭，各種類型噴頭數(shù)量由公式(4)計(jì)算決定。

(4)

式中：Qpi 為第i種噴頭類型噴水量，L/min； Ni為第i種噴頭數(shù)量。

以該項(xiàng)目為例，鉆井甲板噴頭數(shù)量選擇了3種噴頭，具體如下：MV1型(K=41)27 個，HV3型(K=44)2個，HV4型(K=46)15個，流量計(jì)算根據(jù)公式(4)及公式(2)可得：

Q=∑Qpi·Ni=∑Ki· P Ni=41×3×27+44×3×2+46×3×15=5 655L/min

P的大小在前期設(shè)計(jì)階段可以根據(jù)消防泵的排壓和鉆井甲板的高度位置取一預(yù)估值來計(jì)算。后期在水力校核計(jì)算時(shí)可做精確計(jì)算，此時(shí)的計(jì)算結(jié)果與公式(1)規(guī)范要求的最小量4 840 L/min做比較，理論上只要大于最小水量即滿足規(guī)范要求，但實(shí)際上通常至少放置1.2倍的水量安全系數(shù)，以保證在后期水力校核計(jì)算時(shí)不會有水量不足的風(fēng)險(xiǎn)。

3　噴頭布置方案的最終確定及最終水力校核計(jì)算

深水鉆井船鉆井甲板上空間小，設(shè)備布置緊湊，同時(shí)上面的排管設(shè)備為自動化操作設(shè)備，這些設(shè)備操作時(shí)處于運(yùn)動狀態(tài)，有復(fù)雜的運(yùn)動軌跡且活動范圍大。雨噴淋噴頭的布置位置既保護(hù)到各設(shè)備又不影響到相關(guān)設(shè)備的自動化運(yùn)動是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要由鉆井工程設(shè)計(jì)公司在做鉆井甲板設(shè)備布置時(shí)做統(tǒng)籌考慮。如果是由船廠(或雨噴淋廠家)做噴頭布置，從目前已完工的經(jīng)驗(yàn)看，后期需要調(diào)整的位置很多，經(jīng)常會出現(xiàn)噴頭和自動化鉆井設(shè)備運(yùn)動軌跡干涉的問題或噴水覆蓋范圍被阻擋而出現(xiàn)噴水不足的現(xiàn)象。但隨著我國承建的深水鉆井船(或鉆井平臺)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增加，可借鑒的由國外知名設(shè)計(jì)公司提供的鉆井甲板布局方案的增多，總結(jié)借鑒這些公司對鉆井甲板區(qū)域設(shè)備布置的經(jīng)驗(yàn)，未來可嘗試由船廠設(shè)計(jì)人員做噴頭的選型及布置，可以減少對這些國外知名設(shè)計(jì)公司的外包設(shè)計(jì)工程量，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也可以提高自主設(shè)計(jì)水平。歐美設(shè)計(jì)公司對本深水鉆井船鉆井甲板雨噴淋系統(tǒng)的噴頭選型及布置方案，有以下幾個要點(diǎn)值得研究和學(xué)習(xí)：

(1)雖然鉆井甲板上的設(shè)備很多，但下述的幾個設(shè)備需要做重點(diǎn)保護(hù)，即噴頭水霧需要完全覆蓋到設(shè)備表面：

(a) 泥氣分離器，節(jié)流及壓井管匯，水泥管匯，泥漿管匯。

(b) 井口或鉆盤中心。

(c) 井口周圍的人行通道。

(2) 對于泥氣分離器、節(jié)流及壓井管匯、水泥管匯、泥漿管匯這幾個設(shè)備，由于在鉆井過程中可能含有燃點(diǎn)低于66℃的燃油類，對于這幾個設(shè)備推薦使用中速噴頭。而對于井口或鉆盤中心及其他位置，推薦選用高速噴頭。

(3) 以上(1)和(2)條提到的地方盡可能選用120°廣角噴頭，以便完全覆蓋到所保護(hù)的設(shè)備表面，其它地方選用90°窄角噴頭。

圖2為鉆井甲板雨噴淋噴頭最終的布置示意圖，其中陰影部分為噴頭可完全覆蓋到的區(qū)域。在噴頭布置階段，需要檢查初步計(jì)算階段所選擇的噴頭類型和數(shù)量是否能把以上所述的各重要設(shè)備及通道都覆蓋到，

圖2　鉆井甲板雨噴淋噴頭覆蓋陰影圖

如果沒有完全覆蓋到，可以增加噴頭的數(shù)量或修改噴頭的型號。但此階段做的任何噴頭數(shù)量或型號的修改，尤其是修改噴頭型號時(shí)，需要重新根據(jù)式(4)及式(2)做水量計(jì)算以確保修改后的噴水量不小于原噴水量。另外，如果鉆井甲板噴頭布置與鉆井設(shè)備布置是由不同的設(shè)計(jì)方完成的，則還需雙方做INTERFACE接口界面檢查，以避免噴頭阻擋鉆井機(jī)械自動化操作時(shí)的運(yùn)動路徑。

在噴頭位置及相關(guān)的水噴淋管路設(shè)計(jì)完成后，需要根據(jù)水消防及水噴淋管路的實(shí)際布置路徑(即管路ISO圖)精確計(jì)算各噴淋支管的水力損失，得到各噴頭入口處的實(shí)際壓力，再根據(jù)式(4)和式(2)精確校核各噴頭的最終噴水量，且需要提供正式的雨噴淋管路水力損失及噴頭實(shí)際噴水量計(jì)算報(bào)告送審船級社作為系統(tǒng)認(rèn)可的一部分。由于鉆井甲板范圍較大并且需保護(hù)的各設(shè)備位置較分散，雨噴淋管路布置路徑通常也比較復(fù)雜，目前各設(shè)計(jì)單位均使用PIPENET或AFT Fathom水力軟件來做水力損失計(jì)算，從而代替原來的手工計(jì)算。

4　結(jié)語

詳細(xì)介紹了深水鉆井船鉆井甲板消防雨噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在做其它區(qū)域的雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)的噴淋水量計(jì)算、噴淋閥選型、噴頭數(shù)量計(jì)算以及噴頭布置方法均與其類似。此外，就鉆井相關(guān)區(qū)域的消防要求來說，規(guī)范對自升式和半潛式鉆井平臺雨噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求基本是相同的。所以，以上設(shè)計(jì)方法除了適用于深水鉆井船外，也適用于這兩種鉆井平臺的消防雨噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[1]海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[2]華斌，陳艷艷，霍有利.海上平臺水噴淋系統(tǒng)噴嘴選型[J]. 中國造船，2007，48(A1)：103-106.

[3]胡志良，鄧燕，武峰.海洋平臺工藝設(shè)備濕式消防管線設(shè)計(jì) [J]. 石油和化工設(shè)備，2011，14(6)：27-29.

Deluge System Design for Drillfloor of Deep Water Drillship

CHENG Yong-ping， REN Yi-li

(Yantai CIMC Raffles Offshore Co., Ltd, Engineering Center，Shandong Yantai 264000, China)

Combined with some deep water drillship, the drillfloor deluge system design essential points was introduced, which include deluge system design general requirement, spray water amount calculation, spray nozzle type choosing and spray coverage define, and the nozzle arrangement with the drilling equipment moving position etc.

drillship; drillfloor; deluge; system design

2015-05-20

程永平(1977-)，男，工程師。

1001-4500(2016)04-0014-05

U664

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