深水鉆井船水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐天曉 于再紅

（1.上海交通大學(xué) 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

深水鉆井船作為一種重要的深水油氣開發(fā)裝備，通常在遠(yuǎn)離陸地的深海作業(yè)。因其電站功率大、管線電纜密集、空間布置緊湊，在作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生易燃易爆的危險(xiǎn)氣體，因此其面臨火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)船舶。一旦發(fā)生重大火災(zāi)事故，往往容易造成嚴(yán)重的人員傷害、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，所以深水鉆井船上必須配備各種類型齊全、高效穩(wěn)定、反應(yīng)迅速的消防系統(tǒng)。

在深水鉆井船上，除了常規(guī)的水消防系統(tǒng)外，通常會(huì)根據(jù)法規(guī)的規(guī)定以及船東的要求，在一些區(qū)域配備氣體滅火系統(tǒng)、水霧滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、水噴淋系統(tǒng)以及消防水炮等。而水消防系統(tǒng)作為基本的消防系統(tǒng)，還需要為水噴淋系統(tǒng)、消防水炮、泡沫滅火系統(tǒng)等提供消防水，其設(shè)計(jì)較常規(guī)船舶復(fù)雜［1］。本文以某型入級ABS船級社的深水鉆井船為研究對象，探討深水鉆井船水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

1 水消防管系設(shè)計(jì)

水消防系統(tǒng)一般由消防泵、消防環(huán)形總管、隔斷閥、消防栓以及各消防子系統(tǒng)組成。IMO MODU CODE，SOLAS以及各船級社的規(guī)范對消防總管的口徑、隔斷閥的配置以及消防栓的分布等都有相應(yīng)的要求，且各規(guī)范要求基本相同，一般按規(guī)范要求配置即可。

為了能夠在發(fā)生火險(xiǎn)時(shí)第一時(shí)間投入使用，海洋工程通常采用濕式穩(wěn)壓的消防水系統(tǒng)，因此還應(yīng)配置消防水穩(wěn)壓泵和消防水壓力柜。消防水穩(wěn)壓泵從鉆井水艙（淡水）取水，這樣可以使消防環(huán)管通常充滿淡水，以避免消防水總管充注海水加速鋼管腐蝕的缺點(diǎn)；同時(shí)在應(yīng)急工況下也可以從海水總管中取水。

本鉆井船水消防系統(tǒng)的主要管路設(shè)計(jì)參見圖1，其中主消防泵的參數(shù)應(yīng)滿足下列任一系統(tǒng)的供水流量和壓力要求:

（1）井口區(qū)水噴淋系統(tǒng)；

（2）鉆臺(tái)區(qū)消防炮；

（3）測井區(qū)消防炮；

（4）直升機(jī)平臺(tái)泡沫系統(tǒng)；

（5）泥漿攪拌艙泡沫系統(tǒng)。

下面將以本鉆井船為實(shí)例，對消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和各個(gè)子系統(tǒng)的消防水需求的計(jì)算方法進(jìn)行具體探討。

圖1 消防系統(tǒng)圖

2 水噴淋系統(tǒng)和消防水炮

水噴淋系統(tǒng)作為常用的消防系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于鉆井船上危險(xiǎn)區(qū)域的防護(hù)。因?yàn)樗畤娏芟到y(tǒng)需要的水量比較大，因此對深水鉆井船水消防系統(tǒng)的配置有很大的影響。深水鉆井船需要配備水噴淋系統(tǒng)的區(qū)域有很多，比如鉆臺(tái)、井口區(qū)、測井區(qū)、直升機(jī)油柜、救生艇區(qū)域、氧氣乙炔儲(chǔ)存區(qū)域等。其中，區(qū)域面積較大的是鉆臺(tái)、井口區(qū)和測井區(qū)。ABS和IMO的MODU規(guī)范對這些區(qū)域的水噴淋系統(tǒng)沒有具體的要求，通過查閱其他船級社的規(guī)范，可獲得對鉆井船的井口區(qū)、鉆臺(tái)區(qū)和測井區(qū)等鉆井相關(guān)區(qū)域配備水噴淋系統(tǒng)的要求（見表1）。

DNV船級社的OFFSHORE STANDARD 2012規(guī)范中對此有比較詳細(xì)的規(guī)定。在DNV-OS-D301，Ch.2 Sec.2.B中規(guī)定如下:固定式水滅火系統(tǒng)可配置自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)或消防水炮，或者兩者同時(shí)配備。井口區(qū)、測井區(qū)、鉆臺(tái)的自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)的最小流量應(yīng)為 10 L/（m2·min）。當(dāng)為鉆井和測井區(qū)域配備消防水炮的時(shí)候，至少配置兩個(gè)消防水炮能覆蓋該區(qū)域，每個(gè)消防水炮最小排量為100 m3/h，最小排出壓力為 0.35 MPa［2］。

表1 各船級社對噴淋系統(tǒng)的要求

CCS MODU 2012規(guī)范對噴淋系統(tǒng)的流量要求如下:井口區(qū)，20 L/（m2·min）；受壓容器、設(shè)備和管匯，10 L/（m2·min）；結(jié)構(gòu)冷卻保護(hù) 4 L/（m2·min）。 另外，CCS要求每一消防水炮的流量不低于100 m3/h［3］。

BV OFFSHORE 2010規(guī)范中，僅對井口區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和鉆井區(qū)域有一條簡單的規(guī)定，即滿足12 L/（m2·min）［4］。

除以上幾大船級社外，國際船級社協(xié)會(huì)（IACS）的《Requirements concerning MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》的 D11.3章節(jié)規(guī)定，鉆井區(qū)域配置的固定水噴淋系統(tǒng)最小水量應(yīng)不小于20.4 L/（m2·min），若用消防炮來覆蓋鉆井和測井區(qū)域，消防炮的容量不應(yīng)小于100 m3/h。另外，D11.3中還規(guī)定，對于泥漿處理系統(tǒng)區(qū)域，應(yīng)配備固定式泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)能以不小于 6.5 L/（m2·min）（若 AFFF為 4.1 L/（m2·min）釋放 15 min［5］。

因?yàn)锳BS目前對水噴淋系統(tǒng)的流量沒有要求，經(jīng)與船級社和船東溝通，本船水噴淋系統(tǒng)以10.2L/（m2·min）進(jìn)行配置。水噴淋系統(tǒng)的計(jì)算公式為:

式中:Fd為噴淋系統(tǒng)所需水流量，m3/h；

A為噴淋系統(tǒng)覆蓋面積，m2；

fd為噴淋系統(tǒng)單位流量，10.2 L/（m2·min）。

針對本鉆井船，計(jì)算如下:

（1） 井口區(qū)面積:413 m2，流量:253 m3/h；

（2） 測井區(qū)面積:270 m2，流量:165.2 m3/h；

（3） 鉆臺(tái)區(qū)面積:380 m2，流量:232.6 m3/h。

消防水炮可以用來替代水噴淋系統(tǒng)，用于開敞區(qū)域的保護(hù)。因此對于鉆臺(tái)和測井區(qū)域，可采用兩臺(tái)能夠覆蓋被保護(hù)區(qū)域的100 m3/h的消防水炮替代水噴淋系統(tǒng)。

水噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力通常可以在0.4～0.7 MPa之間，根據(jù)不同設(shè)備廠商的噴頭形式不同、安裝高度不同以及覆蓋區(qū)域大小不同而有所區(qū)別。本鉆井船所用的噴淋系統(tǒng)的噴淋閥前的工作壓力為0.5 MPa。消防水炮的進(jìn)口壓力也根據(jù)不同廠商消防水炮的性能不同而略有區(qū)別，通常在0.5～0.7 MPa之間，本例按0.7 MPa進(jìn)行計(jì)算。

本船對于水噴淋系統(tǒng)（消防水炮）設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

（1）井口區(qū):采用水噴淋系統(tǒng)，設(shè)計(jì)流量253m3/h，設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa；

（2）測井區(qū):采用兩臺(tái)消防水炮，設(shè)計(jì)總流量200m3/h，設(shè)計(jì)壓力 0.7 MPa；

（3）鉆臺(tái)區(qū):采用兩臺(tái)消防水炮，設(shè)計(jì)總流量200m3/h，設(shè)計(jì)壓力 0.7 MPa。

3 直升機(jī)平臺(tái)泡沫消防系統(tǒng)

直升機(jī)平臺(tái)泡沫消防系統(tǒng)的配置，ABS MODU規(guī)范有比較明確的規(guī)定。不過在海洋工程項(xiàng)目中，船東往往會(huì)在規(guī)格書中明確要求直升機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)英國民航局的CAP437規(guī)范進(jìn)行。涉及直升機(jī)平臺(tái)的泡沫消防系統(tǒng)的要求，CAP437的規(guī)定比ABS的要求略高。根據(jù)CAP437規(guī)范，對于滿足Sikorsky S61-N直升機(jī)的平臺(tái)，采用3%AFFF的泡沫消防系統(tǒng)計(jì)算公式如下:

式中:Qf1為泡沫炮的泡沫釋放流量，L/min；

qf為泡沫釋放率，6.0 L/（m2·min）；

D為直升機(jī)的D-Value，22.2 m；

Qf2為2個(gè)泡沫噴槍的流量，450 L/min；

M為泡沫濃縮液混合比例，M=0.03；

t為釋放時(shí)間，5 min，本例取10 min；

Vf為泡沫濃縮液的容量，L；

Ff為直升機(jī)泡沫系統(tǒng)消防水流量，m3/h。

計(jì)算可得:

本船的直升機(jī)甲板泡沫消防系統(tǒng)配置如下:設(shè)計(jì)流量162 m3/h，設(shè)計(jì)壓力0.7 MPa，泡沫濃縮液儲(chǔ)存柜1000 L。

4 泥漿攪拌艙泡沫消防系統(tǒng)

對于泡沫消防系統(tǒng)，在《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》中只對用于機(jī)器處所的固定式高倍泡沫滅火系統(tǒng)和油船的甲板泡沫消防系統(tǒng)有規(guī)定，并不適用于泥漿攪拌艙這類危險(xiǎn)區(qū)域。因此，本文計(jì)算時(shí)采用IACS中的規(guī)定，對于泥漿處理系統(tǒng)區(qū)域的固定泡沫滅火系統(tǒng)，采用3%AFFF的釋放率為4.1 L/（m2·min），釋放時(shí)間15 min。

泥漿攪拌艙泡沫滅火系統(tǒng)計(jì)算公式如下:

式中:Vm為泡沫濃縮液的容量，L；

qm為泡沫釋放率，AFFF 為 4.1 L/（m2·min）；

S為泥漿攪拌艙面積，454 m2；

M為泡沫濃縮液混合比例，M=0.03；

t為釋放時(shí)間，15 min；

Fm為消防水的流量，m3/h。

計(jì)算可得:

設(shè)備商通常也會(huì)有自己的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并與其提供的泡沫發(fā)生器型號(hào)和數(shù)量進(jìn)行匹配計(jì)算。本項(xiàng)目中，設(shè)備商按A類機(jī)器處所的方法進(jìn)行計(jì)算，但是將泡沫覆蓋率從規(guī)范要求的1 m/min提高到了2.7 m/min。計(jì)算結(jié)果所需消防水流量為125 m3/h，泡沫濃縮液儲(chǔ)存柜取1400 L，對來自消防水總管的壓力要求為0.8 MPa?？紤]到?jīng)]有規(guī)范要求，該配置也高于IACS的要求，因此經(jīng)船東認(rèn)可，按設(shè)備商的配置實(shí)施。

5 消防泵的參數(shù)

根據(jù)IMO MODU的規(guī)范要求，每臺(tái)泵應(yīng)能同時(shí)從任何兩個(gè)消火栓通過消防水帶和19 mm的滅火水槍各輸送至少一股水柱，并使任一消火栓處保持0.35 N/mm2的最低壓力。此外，如設(shè)有用于保護(hù)直升機(jī)甲板的泡沫系統(tǒng)，則泵應(yīng)能在泡沫系統(tǒng)內(nèi)保持0.7 N/mm2的壓力。如果其他任何防火或滅火耗用的水量超過直升機(jī)甲板泡沫系統(tǒng)的水量，則在計(jì)算消防泵的所需能力時(shí)，應(yīng)將該耗水量作為決定性因素［6］。兩個(gè)消火栓的總水量可以按50 m3/h計(jì)，消防泵所需的最大水量為303 m3/h。

消防管系的阻力計(jì)算可以用PIPENET、FLOWMASTER等管路阻力計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，也可以用NFPA推薦的海澄·威廉（Hazen Williams）公式進(jìn)行簡單估算，公式如下:

式中:Pm為摩擦和局部阻力損失，bar（1bar=0.1MPa）；

Qm為流量，L/min；

C為損失系數(shù)，鍍鋅鋼管為120；

dm為管徑，mm；

L為管線總長度，m；

Le為管線中管件當(dāng)量長度總計(jì)，m。

管件當(dāng)量長度可以參考NFPA的標(biāo)準(zhǔn)。本文不細(xì)述具體估算過程，管路阻力的估算結(jié)果見表2。

表2 各區(qū)域消防水流量壓力要求

由此可知，消防水最大流量為303 m3/h，最大揚(yáng)程為119 m水柱。根據(jù)表2，再結(jié)合NFPA20對消防泵特性曲線的要求就可以合理選擇消防泵。本船配備2臺(tái)280 m3/h×1 MPa的消防泵，一用一備。此外，因?yàn)檩斎雺毫^大，應(yīng)配置帶減壓功能的消防栓，若采用節(jié)流孔板調(diào)壓，則應(yīng)考慮消防栓的設(shè)計(jì)壓力等級滿足要求。

6 穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了避免在一個(gè)消防栓開始工作時(shí)消防總管壓力迅速降低，濕式消防管線通常會(huì)配備穩(wěn)壓系統(tǒng)，以保證消防總管內(nèi)的壓力平穩(wěn)變化，使系統(tǒng)從穩(wěn)壓泵設(shè)定的起動(dòng)壓力降低到主消防泵設(shè)定的起動(dòng)壓力之間，以確保有足夠的時(shí)間起動(dòng)穩(wěn)壓泵以保持系統(tǒng)壓力，避免大功率主消防泵意外起動(dòng)。

本船配備兩臺(tái)消防穩(wěn)壓泵和一個(gè)消防水壓力柜。穩(wěn)壓泵的排量為25 m3/h，滿足一個(gè)消防栓的工作要求。設(shè)計(jì)壓力可以與主消防泵的設(shè)計(jì)壓力相同，也可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低，本船穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)壓力為1 MPa。消防水壓力柜的容積與壓力開關(guān)的設(shè)定壓力應(yīng)能滿足以下三個(gè)條件:

（1）25 m3/h流量時(shí)從穩(wěn)壓泵起動(dòng)壓力降低到主消防泵起動(dòng)壓力的時(shí)間足以讓穩(wěn)壓泵投入運(yùn)行（＞30 s）；

（2）單一區(qū)域滅火系統(tǒng)起動(dòng)導(dǎo)致環(huán)管壓力降低時(shí)，主消防泵應(yīng)能盡快起動(dòng)（＜30 s）；

（3）考慮管路泄漏等因素，從穩(wěn)壓泵起動(dòng)壓力到穩(wěn)壓泵停泵壓力的時(shí)間盡量長（＞1 min）；

其中在條件（2）下，考慮按最小流量125 m3/h計(jì)算，因?yàn)閴毫? MPa降低到0.8 MPa后，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，穩(wěn)壓柜凈流出量在100 m3/h。為保守起見，則按100 m3/h計(jì)算。

假設(shè)主消防泵的設(shè)定起動(dòng)壓力為環(huán)管壓力0.6 MPa，相當(dāng)于消防水壓力柜處的壓力為0.5 MPa（表壓）；穩(wěn)壓泵的起動(dòng)壓力為0.7 MPa（表壓），停泵壓力為1 MPa（表壓）；消防水壓力柜低于出水口的無效容積為20%。消防水壓力柜容積計(jì)算公式如下:

式中:V為消防水壓力柜容積，m3；

Q為流量，m3/h；

t為間隔時(shí)間，min；

P1為較低的（絕對）壓力，MPa；

P2為較高的（絕對）壓力，MPa。

計(jì)算可得表3，本船配置的消防水壓力柜容積為2 m3。由以上公式逆運(yùn)算可得各種工況下的間隔時(shí)間t，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，還可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)壓力開關(guān)，達(dá)到調(diào)節(jié)間隔時(shí)間的目的。

表3 各條件對消防水壓力柜的容積要求

7 結(jié) 論

本文以某入級ABS鉆井船的水消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，闡述了深水鉆井船消防系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)和計(jì)算過程，從而可見配備水噴淋系統(tǒng)和消防水炮的深水鉆井船，消防泵的配置將明顯大于常規(guī)船舶。

隨著IMO和船級社等對深水海工裝備相關(guān)規(guī)范的逐步完善，很多規(guī)范越來越明確，要求也逐漸提高。在這種背景下，深水鉆井船水消防系統(tǒng)的配置要求也隨之提高。值得一提的是，2013年以后，ABS可能會(huì)對危險(xiǎn)區(qū)域的水噴淋系統(tǒng)按IACS的要求作出規(guī)定。若本船將水噴淋的單位流量要求提升為20.4 L/（m2·min），消防水量的要求將達(dá)到556 m3/h。如何優(yōu)化消防泵的數(shù)量和容量配置，將會(huì)更進(jìn)一步提高水消防系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性，同時(shí)也將影響配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，值得我們探討。

［1］秦琦.世界鉆井船市場發(fā)展現(xiàn)狀［J］.船舶，2009（6）:8-12.

［2］DNV.DNV offshore starndard［S］.2012.

［3］中國船級社.海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)入級規(guī)范［S］.2012.

［4］BV.BV Rules for the Classification of Offshore Units［S］.2010.

［5］國際船級社協(xié)會(huì).IACS Requirements Concerning Mobile Offshore Drilling Units［S］.2012.

［6］國際海事組織.海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則［S］.2009.