水下干式采油裝置應(yīng)急逃生艙設(shè)計(jì)研究

李 明，楊青松，高成君，馬 嶺，王 璇

(1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452；2. 中國船舶科學(xué)研究中心 江蘇無錫214082)

0 引 言

為經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)海灣附近的邊際小型油田，有機(jī)構(gòu)提出了區(qū)別于常規(guī)濕式水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)的水下干式采油裝置[1]。由于水下干式采油裝置位于絕對水下，人員進(jìn)出干式艙進(jìn)行檢修將異常困難。為方便人員進(jìn)出干式采油裝置，考慮 2種方式：升高立管以及人員進(jìn)出對接艙(類似于潛艇救生鐘)。采用升高立管方式需要動用大型起吊船舶，使用成本高，故升高人員進(jìn)出對接艙是一種較為理想的方案[2]。在正常檢修工況，均使用人員進(jìn)出對接艙進(jìn)出干式采油裝置，該對接艙由工作母船吊放入水下潛，與干式艙的常規(guī)檢修艙連接后，打開艙門即可實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出。但在應(yīng)急工況下，特別考慮到采油樹艙室內(nèi)的井口區(qū)危險(xiǎn)性較高，在人員無法達(dá)到進(jìn)出對接艙或進(jìn)出對接艙使用故障時，應(yīng)為維護(hù)人員提供第二應(yīng)急逃生通道，故需要在采油樹艙室設(shè)置應(yīng)急逃生系統(tǒng)。

本文從應(yīng)急逃生艙的工程方案、技術(shù)特點(diǎn)等方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述，對應(yīng)急逃生艙的可行性進(jìn)行了討論。在此基礎(chǔ)上，針對 30m 水深干式采油裝置需求，對其配套的應(yīng)急逃生艙作為應(yīng)用案例，進(jìn)行了應(yīng)急逃生艙的方案設(shè)計(jì)。

1 水下應(yīng)急逃生系統(tǒng)概述

水下應(yīng)急逃生系統(tǒng)及水下應(yīng)急逃生技術(shù)主要應(yīng)用于潛艇等水下作業(yè)的航行器、工作平臺，特別是在潛艇上進(jìn)行應(yīng)用。對于潛艇而言，在水下發(fā)生事故，由于外界為高壓海水，人員無法直接脫離危險(xiǎn)環(huán)境，必須依靠特定的救援設(shè)備采用他救或者自救的方式來脫離險(xiǎn)境，需要救援的響應(yīng)速度快、救援時間盡量短[3]。目前，水下逃生救援方式可分為 3種(圖 1)。①單人逃生方法：自由上浮、MKl0型快速上浮脫險(xiǎn)抗浸服和潛艇逃生浸沒裝備(SEIE)；②集體救援方法：潛艇救援潛器(DSRV)、救生鐘和潛艇救援潛水再加壓系統(tǒng)(SRDRS)；③集體逃生方法：應(yīng)急逃生艙、可重復(fù)使用救援裝置(RRG)、水面救援裝置(SRG)和水面救援艙(SRC)[4]。

單人逃生系統(tǒng)可分為著裝減壓脫險(xiǎn)和快速上浮脫險(xiǎn) 2種方法。由于著裝減壓脫險(xiǎn)法的局限性，快速上浮脫險(xiǎn)現(xiàn)成為單人自救脫險(xiǎn)的主要發(fā)展方向，目前有代表性的快速上浮脫險(xiǎn)裝具主要有英國的MKl0型快速上浮脫險(xiǎn)抗浸服[5]。優(yōu)點(diǎn)是高壓暴露時間短，水中停留時間短，嚴(yán)格控制各深度的調(diào)壓時間一般不會發(fā)生減壓??；脫險(xiǎn)服結(jié)構(gòu)簡單，易操作。缺點(diǎn)是艇員的高壓暴露時間必須在不減壓時間極限之內(nèi)；艇內(nèi)必須常壓才能實(shí)施此法，否則只能考慮其他脫險(xiǎn)方式；若調(diào)壓不當(dāng)，會發(fā)生嚴(yán)重的減壓病。

圖1 水下逃生救援策略Fig.1 Underwater escape & rescue strategy

集體救援是采用救生鐘、援潛救生艇等外部設(shè)備，在潛艇失事后，第一時間前往失事海域與潛艇救生艙口對接，實(shí)現(xiàn)人員轉(zhuǎn)移。優(yōu)點(diǎn)是單次救援人數(shù)多，能多次循環(huán)實(shí)施救援，可實(shí)現(xiàn)常壓干救、高壓救援[6]。集體救援脫險(xiǎn)方法的最大難題是艇員在待救期間潛艇內(nèi)生命支持問題，包括高壓、進(jìn)水、空氣質(zhì)量、有害氣體、氧中毒、寒冷、食物、飲水等，常常發(fā)生等不到援救力量到達(dá)艇員已喪生的慘劇。

目前，世界上只有俄羅斯和印度兩國使用應(yīng)急逃生艙進(jìn)行集體逃生。一旦潛艇失事，艇內(nèi)幸存者進(jìn)入固定于進(jìn)出艙口的“逃生膠囊艙”中。隨后，膠囊艙從潛艇中釋放，利用自身浮力到達(dá)水面。集體逃生艙一旦達(dá)到水面上將作為救生船使用，等待營救力量到來。這種水面救援艙的救生方式，具有個人逃生和集體救援系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢[7]。優(yōu)點(diǎn)是利用集體逃生艙能在第一時間集體逃生，有效作用深度最大，安全性高，無需進(jìn)行減壓，極大提升了幸存者的生存希望。缺點(diǎn)是集體逃生艙需要占據(jù)潛艇較大的空間，對潛艇總布局產(chǎn)生影響；救援人數(shù)有限，且只能實(shí)現(xiàn)單次救援。

對比3種不同類型的潛艇水下救援方式，可以看出：單人逃生系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)單人快速自救，但會使艇員在自救過程中直接暴露在海水高壓中，且使用自救設(shè)備也需要專業(yè)訓(xùn)練；集體救援設(shè)備是目前援潛救生中的常規(guī)手段，具有單次救援人數(shù)多，可循環(huán)救援的優(yōu)勢，但艇員待救時間長；集體逃生艙的方式則具有安全性高，無需減壓，可快速實(shí)現(xiàn)多人自救的優(yōu)勢。

結(jié)合水下干式采油裝置的使用特點(diǎn)，優(yōu)選使用應(yīng)急逃生艙布置在水下干式采油裝置采油樹艙室，在應(yīng)急工況下，檢修人員第一時間進(jìn)入集體逃生艙，啟動釋放機(jī)構(gòu)脫離干式采油裝置上浮至水面，此時集體逃生艙充當(dāng)水面救生船，能更安全等待海面營救。

2 應(yīng)急逃生艙工程方案及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 逃生艙的任務(wù)使命

逃生艙的主要任務(wù)是，為進(jìn)入水下采油干式艙進(jìn)行維護(hù)作業(yè)的人員在干式艙發(fā)生進(jìn)水、火災(zāi)、爆炸、供氣故障等一系列緊急情況下，提供一套快速撤離的途徑。作為正常進(jìn)出轉(zhuǎn)運(yùn)艙的應(yīng)急補(bǔ)充，在人員無法采用進(jìn)出轉(zhuǎn)運(yùn)艙撤離時，提供一套第二生命通道。

2.2 使用環(huán)境分析

逃生艙日常待命狀態(tài)是布置在水下采油干式艙的常壓布置坑中，布置坑頂部由一臺液壓啟閉的艙蓋實(shí)現(xiàn)水密，在日常待命工況下處在常壓環(huán)境下，不與海水接觸。在應(yīng)急使用工況下，逃生艙布置坑打開進(jìn)水閥，布置坑會灌滿海水，此時逃生艙將暴露在海水的壓力環(huán)境下，并由純重力狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為純浮力狀態(tài)，待布置坑艙蓋打開后，在自身浮力作用下，上浮至水面。

2.3 逃生艙技術(shù)特點(diǎn)

逃生艙借鑒了潛艇使用的集體逃生艙技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)干艙維護(hù)人員的快速避險(xiǎn)與逃生。

2.3.1 總體設(shè)計(jì)集成技術(shù)

主要解決逃生艙功能可行性，實(shí)現(xiàn)逃生艙與干式艙接口匹配，實(shí)現(xiàn)小艙室多人員艙內(nèi)人機(jī)設(shè)計(jì)，小艙室多設(shè)備艙內(nèi)布置，實(shí)現(xiàn)逃生艙艙外設(shè)備布置與防撞設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)逃生艙水中、水面浮性與穩(wěn)性的設(shè)計(jì)等問題。

2.3.2 結(jié)構(gòu)與水下密封技術(shù)

促使我想為韭菜寫一首歌的主要因素還是假牙。您看，讓這我顆假牙鬧的，我張口閉嘴都離不開假牙了。我這人是不是很無聊？您不用給我面子的，如果您認(rèn)為是，就請您直說，我能承受得住。

主要解決水下耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足規(guī)范要求的強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求，同時符合人員、設(shè)備布置需要的最佳結(jié)構(gòu)尺寸。解決水下艙蓋外壓水密問題，特別是艙蓋觀察窗與通風(fēng)換氣裝置的密封問題。

2.3.3 生命支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

主要解決小艙室多人員密閉環(huán)境下的供氧與吸收二氧化碳，保持艙內(nèi)環(huán)境滿足人員生存的基本需要，提供艙內(nèi)人員應(yīng)急工況下需要的飲用水與食品供給等。

3 應(yīng)急逃生艙的總體設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)功能上來分，應(yīng)急逃生艙主要包含總體系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電力與電氣系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、舾裝系統(tǒng)?？傮w系統(tǒng)主要是對應(yīng)急逃生艙進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)、重浮心計(jì)算、姿態(tài)穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算。逃生艙設(shè)備包括艙內(nèi)設(shè)備與艙外設(shè)備。如圖 2所示，艙外設(shè)備主要包括：1-通氣裝置；2-上艙門；3-氧氣瓶；4-氧氣瓶防撞架；5-下艙門；6-底支架；7-頂部防撞架；8-頻閃燈；9-無線電天線；10-GPS 信標(biāo)；11-供氧閥；12-耐壓艙殼體等。如圖 3所示，艙內(nèi)設(shè)備主要包括：1-右上LED 燈；2-食品箱；3-控制臺；4-CO2吸收罐；5-可翻轉(zhuǎn)座椅；6-備用吸收罐；7-救生衣箱；8-飲用水箱；9-電池。

圖2 應(yīng)急逃生艙外部設(shè)備布置Fig.2 Layout outside of emergency escape capsule

圖3 應(yīng)急逃生艙內(nèi)部設(shè)備布置Fig.3 Layout inside of emergency escape capsule

逃生艙載員進(jìn)入海水時，主要存在 2個狀態(tài)，上浮過程與浮在水面。逃生艙按載員情況分，主要包括空載，載員1人、載員2人、載員3人、載員4人、載員5人，本文列示了空載(圖 4)與滿載(載員 5人)(圖5)這2種極限情況。

圖4 應(yīng)急逃生艙空載情況Fig.4 Empty load of emergency escape capsule

圖5 應(yīng)急逃生艙滿員情況Fig.5 Full load of emergency escape capsule

靜水力計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)總布置估算逃生艙水面、水下以及異常情況下的穩(wěn)性和姿態(tài)，以達(dá)到優(yōu)化總布置的目的。按規(guī)范要求[8-9]：潛水器水面正浮時，由水線至能夠開啟的艙口的圍壁頂端之間的距離一般不小于 0.75m；潛水器應(yīng)有足夠的完整穩(wěn)性，除另有規(guī)定外，水面初穩(wěn)性高度值應(yīng)不小于 0.1m；不論在任何情況下，水下穩(wěn)性應(yīng)是正值；在正常裝載和壓載情況下，浮心在重心以上的高度值(GB值)應(yīng)不小于50mm。

如表 1所示，經(jīng)計(jì)算，逃生艙空載時的水下穩(wěn)心高為 91.3mm，滿載 5人上浮時，水下穩(wěn)心高為86mm，均滿足規(guī)范要求；逃生艙空載時的水面干舷高 1048mm，滿載 5人的水面干舷高 840mm，均滿足規(guī)范要求；逃生艙空載時的水面初穩(wěn)心高346mm，滿載 5人的水面初穩(wěn)心高 240mm，均滿足規(guī)范要求。

表1 逃生艙水中上浮時重量、重心、浮力、浮心Tab.1 Weight, barycenter, buoyancy and buoyancy centre when floating of emergency escape capsule

4 生命支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逃生艙的生命支持系統(tǒng)通過控制耐壓艙中的氧氣濃度，吸收二氧化碳，創(chuàng)造一個適合于乘員工作的生存環(huán)境。應(yīng)急逃生艙需要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)：

①生命支持總時間為5人×56h＝280人·h，正常工作為5人×8h＝40人·h。

應(yīng)急狀態(tài)為5人×48h＝240人·h。

②艙內(nèi)氧濃度控制范圍17%～23%。

③艙內(nèi)二氧化碳濃度控制范圍＜1%(正常工作)；＜1.5%(應(yīng)急狀態(tài))。

④載人艙內(nèi)維持常壓。

主要性能要求如下：氧濃度、二氧化碳濃度監(jiān)測儀表有數(shù)字式和模擬式各1套，數(shù)字式儀表帶有數(shù)據(jù)接口，能直接和計(jì)算機(jī)連接，讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)超出范圍時，能發(fā)出報(bào)警信號。氧濃度儀表的顯示分辨率不低于 0.1%，二氧化碳濃度儀表的顯示分辨率不低于 0.1%。儀表的傳感頭應(yīng)該是免維護(hù)的。數(shù)字式氧濃度計(jì)的輸出同時作為自動供氧控制的輸入信號。

艙內(nèi)保持1個大氣常壓，由一數(shù)字式壓力計(jì)監(jiān)測并顯示。當(dāng)壓力超出此范圍時，能發(fā)出報(bào)警信號。該壓力計(jì)帶有數(shù)據(jù)接口，能直接和計(jì)算機(jī)連接，讀取數(shù)據(jù)。壓力計(jì)的分辨率不低于0.1kPa。壓力計(jì)的監(jiān)測范圍應(yīng)包含50～150kPa。

有測量艙室內(nèi)溫度、濕度并能顯示的儀表，以及有使艙內(nèi)空氣流動循環(huán)的功能。

5 結(jié) 語

為滿足人員在應(yīng)急狀況下具有快速撤離干式艙的第二通道，在干式艙采油樹艙室布置了應(yīng)急逃生艙技術(shù)裝備。該裝備參照潛艇集體逃生艙進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證逃生艙在服役期的可靠性與耐久性，將逃生艙設(shè)計(jì)為干式布置方式。這樣既能保證逃生艙處在干式不接觸海水的環(huán)境，又能簡化逃生艙與干式艙之間的連接，避免設(shè)置逃生艙與干式艙之間的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)。由于處在干式的環(huán)境下，逃生艙的日常艙內(nèi)外檢修也更容易實(shí)現(xiàn)。

本文簡要總結(jié)了逃生艙的技術(shù)特點(diǎn)，列舉了逃生艙設(shè)計(jì)上的主要技術(shù)難點(diǎn)。從總體、生命支持系統(tǒng)等分系統(tǒng)，對逃生艙進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明逃生艙在總體性能、總布置、結(jié)構(gòu)安全性、生命支持性能、設(shè)備配置與功能等方面均能滿足規(guī)范與實(shí)際使用的需求，并有較大安全冗余度?？偟膩碚f，用于水下干式采油裝置的應(yīng)急逃生艙具有總體功能上的可行性，操作方面的快捷性，安全方面的可靠性，使用方面的可重復(fù)性，符合規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)。■