深水鋪管船鋪管區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張譯元

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)愈發(fā)重視海洋油氣的開(kāi)發(fā)。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐步走向深海，深水鋪管船等大型海上施工設(shè)備的市場(chǎng)需求日益增大，擁有廣闊的前景。

深水鋪管船的主要任務(wù)是保障海底油氣管線(xiàn)順利安全地鋪設(shè)。鋪管作業(yè)區(qū)作為鋪管船的管線(xiàn)裝配區(qū)，設(shè)備多、運(yùn)行工況復(fù)雜，且需人員長(zhǎng)期值守，該區(qū)域的工作環(huán)境一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以某在建深水（3 000 m）鋪管船為例，對(duì)各鋪管作業(yè)區(qū)域的工作環(huán)境條件進(jìn)行分析。根據(jù)工作區(qū)域的設(shè)備布置和工序操作，設(shè)計(jì)不同的通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織方案并給出具體技術(shù)措施，期望能改善鋪管作業(yè)人員的工作環(huán)境。

1 鋪管區(qū)域環(huán)境條件分析

鋪管船鋪管作業(yè)的方式主要有3種：S型鋪管（S-Lay）、J型鋪管（J-Lay）和卷筒式鋪管（Reel-Lay）。本文研究的深水鋪管船采用S型鋪管方式，S型鋪管作業(yè)流程如圖1所示，可分為多道工序。其中，管節(jié)對(duì)中、焊接、焊縫檢驗(yàn)、接頭包敷和管線(xiàn)入海工序均在鋪管船內(nèi)部完成。圖2為本文深水鋪管船鋪管作業(yè)區(qū)域的布置圖，根據(jù)工序的不同，將鋪管作業(yè)區(qū)域劃分為5個(gè)不同的功能區(qū)，每個(gè)功能區(qū)具有不同的環(huán)境條件。

圖1 S型鋪管作業(yè)流程圖

圖2 鋪管作業(yè)區(qū)域布置圖

主作業(yè)線(xiàn)區(qū)設(shè)置在鋪管船中部，總長(zhǎng)達(dá)120 m。兩側(cè)設(shè)有對(duì)外開(kāi)口，形成半敞開(kāi)區(qū)域。由于管量較多，在左舷和右舷處共設(shè)有2個(gè)雙節(jié)管預(yù)制區(qū)。主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)的設(shè)備相對(duì)較多，工作主要為焊接作業(yè)，此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的焊接煙塵，嚴(yán)重污染艙內(nèi)環(huán)境。為改善員工工作環(huán)境，需對(duì)主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)進(jìn)行煙塵治理。

焊接作業(yè)過(guò)程中的煙塵會(huì)形成焊接煙羽，煙羽的流量隨著上升的高度不斷增加。主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)層高均達(dá)到8 m，因此，在艙室頂部區(qū)域極易形成煙羽聚集。焊接作業(yè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多熱量，人員長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫區(qū)域，極易產(chǎn)生不適。

開(kāi)坡口區(qū)、探傷區(qū)和主對(duì)中區(qū)域有大量鎖緊設(shè)備和吊裝設(shè)備，但這些設(shè)備工作時(shí)發(fā)熱量都較小。這3個(gè)區(qū)域?qū)痈呔_(dá)到8 m，屬于高大空間。高大空間在空間層上會(huì)形成溫差梯度，人員工作主要集中在下部空間，通風(fēng)效果會(huì)影響工作人員的工作環(huán)境溫度和空氣品質(zhì)。此外，這些區(qū)域頂部吊梁和吊口過(guò)多，會(huì)影響風(fēng)管布置，進(jìn)而增加通風(fēng)設(shè)計(jì)的難度。

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹

根據(jù)環(huán)境條件的不同，可將鋪管作業(yè)區(qū)域分為高粉塵區(qū)、空間限制區(qū)和高熱量區(qū)。下面分別對(duì)上述3區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。

2.1 高粉塵區(qū)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)是易出現(xiàn)高粉塵的區(qū)域。針對(duì)這2個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)，分別給出不同的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案。

2.1.1 主作業(yè)線(xiàn)區(qū)

主作業(yè)線(xiàn)區(qū)較長(zhǎng)且為半敞開(kāi)區(qū)域，由若干移動(dòng)焊接工作臺(tái)和張緊器組成。移動(dòng)焊接工作臺(tái)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害煙塵，造成區(qū)域內(nèi)煙塵集中。

對(duì)于一般的工程船舶，通常采用的艙室通風(fēng)方案為對(duì)整個(gè)艙室空間進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)換氣。與一般機(jī)械艙室不同，主作業(yè)線(xiàn)區(qū)產(chǎn)生的煙塵過(guò)于集中，局部煙塵量過(guò)大。若僅通過(guò)機(jī)械通風(fēng)來(lái)達(dá)到要求，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)口數(shù)量多，進(jìn)而占據(jù)作業(yè)空間。此外，區(qū)域兩側(cè)的大開(kāi)口會(huì)引入外界氣流，對(duì)整個(gè)艙室的通風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)干擾，進(jìn)而產(chǎn)生煙塵滯留等一系列問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本例中采用機(jī)械通風(fēng)加局部除塵通風(fēng)相結(jié)合的方式進(jìn)行艙室除塵，可在焊接作業(yè)源頭處吸收煙塵，不受外界氣流的影響。本文所述深水鋪管船依據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)；依據(jù)《除塵裝置系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》，并結(jié)合焊接工作臺(tái)的最大焊接煙塵量選擇除塵通風(fēng)裝置，除塵通風(fēng)裝置主要由離心風(fēng)機(jī)、過(guò)濾除塵主機(jī)和吸入裝置組成。移動(dòng)焊接工作站的氣流組織示意見(jiàn)圖3，在焊接工作臺(tái)上方設(shè)置吸氣臂，其活動(dòng)半徑可完全覆蓋整個(gè)工作臺(tái)區(qū)域。目前，吸氣臂的灰塵捕捉效率可超過(guò)95%，過(guò)濾除塵主機(jī)的集塵效率可達(dá)到99.99%。

圖3 移動(dòng)焊接工作站氣流組織示意

對(duì)于集中散發(fā)焊接污染物的主作業(yè)線(xiàn)區(qū)，采用機(jī)械通風(fēng)加局部除塵通風(fēng)相結(jié)合的方式效果良好。即使室外風(fēng)速過(guò)大，以至于影響室內(nèi)氣流時(shí)，采用機(jī)械通風(fēng)加局部除塵通風(fēng)相結(jié)合的方式依然可保證以最小的風(fēng)量有效防止有害物擴(kuò)散。

本文研究的深水鋪管船的主作業(yè)線(xiàn)區(qū)域較長(zhǎng)，故將作業(yè)線(xiàn)分為首尾2部分，共配置4臺(tái)排風(fēng)機(jī)和4臺(tái)送風(fēng)機(jī)。如圖4所示，該深水鋪管船采用“下送上排”的氣流組織方式，即通過(guò)氣流擠壓的方式，在房間下部送入新鮮空氣，從上部排出高溫渾濁氣體，從而實(shí)現(xiàn)換氣。

圖4 “下送上排”氣流組織方式示意

2.1.2 雙節(jié)管預(yù)制區(qū)

不同于主作業(yè)線(xiàn)區(qū)的移動(dòng)焊接工作站，雙節(jié)管預(yù)制區(qū)主要對(duì)管路進(jìn)行預(yù)制焊接，焊接作業(yè)較多，固定的焊接工作點(diǎn)較多且分散，各個(gè)焊接工作點(diǎn)一般不同時(shí)工作。

雙節(jié)管預(yù)制區(qū)不適合參照主作業(yè)線(xiàn)區(qū)的做法，在每個(gè)焊接工作點(diǎn)都布置局部除塵通風(fēng)裝置，具體有3點(diǎn)原因：1）艙室空間有限，不允許布置那么多局部除塵通風(fēng)裝置；2）成本過(guò)高；3）因焊接工作點(diǎn)較多，局部除塵裝置存在不能及時(shí)排除所有煙塵的情況，此時(shí)室內(nèi)熱源會(huì)將風(fēng)機(jī)輸送進(jìn)來(lái)的室外低風(fēng)速空氣加熱，導(dǎo)致該部分空氣密度減小，有害的焊接煙羽因浮力作用上升，上部煙羽聚集不利于有效排除有害氣體，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)污染物濃度不斷加大。

對(duì)于雙節(jié)管預(yù)制區(qū)，采用機(jī)械通風(fēng)、局部除塵通風(fēng)和誘導(dǎo)通風(fēng)相結(jié)合的方式效果良好。機(jī)械通風(fēng)氣流組織方式與主作業(yè)線(xiàn)區(qū)的氣流組織方式相同，故不再贅述。分布較為分散的工位采用可移動(dòng)式除塵裝置，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式處理。由于焊接作業(yè)不是同時(shí)進(jìn)行，焊接煙塵釋放量變化較大。除塵裝置安裝有變頻風(fēng)機(jī)，吸入裝置的吸氣罩口處安裝有可調(diào)風(fēng)量大小的閥門(mén)，以便根據(jù)煙塵量的變化及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，快速處理焊接排出的有害氣體和粉塵顆粒。誘導(dǎo)通風(fēng)可有效擾動(dòng)艙室頂部空氣，避免產(chǎn)生通風(fēng)死角，促進(jìn)煙塵排除（見(jiàn)圖5）。即使在送排風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，僅靠誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)也能夠讓空氣順暢流動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)換氣。

圖5 誘導(dǎo)通風(fēng)示意

在主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量采用高真空吸塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高真空吸嘴和焊槍組成。高真空吸塵系統(tǒng)利用較小的風(fēng)量，可在焊接點(diǎn)源頭將高溫、高濃度的煙塵吸除，減小工作人員吸入煙塵顆粒的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 高大空間和空間受限區(qū)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

開(kāi)坡口區(qū)、探傷區(qū)和主對(duì)中區(qū)域的層高均超過(guò)7 m，設(shè)備發(fā)熱量均較小，這3個(gè)區(qū)域主要需要考慮空間換氣。由于3個(gè)區(qū)域的功能不同，在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需分別考慮。

2.2.1 開(kāi)坡口區(qū)

開(kāi)坡口區(qū)切割設(shè)備的布置較為集中，且設(shè)備發(fā)熱量較小，主要需要考慮空間換氣。由于此區(qū)域配有行車(chē)和頂部吊口，故不便布置風(fēng)管。

采用側(cè)送風(fēng)的方式，在提高風(fēng)速的情況下，送風(fēng)范圍可覆蓋整個(gè)區(qū)域。為及時(shí)處理開(kāi)坡口區(qū)的細(xì)小顆粒物，排風(fēng)口應(yīng)布置在工作區(qū)域附近。綜合考慮設(shè)備布置情況，風(fēng)口采用“同側(cè)送、同側(cè)排”的布置方式（見(jiàn)圖6），可在區(qū)域內(nèi)形成較好的氣流循環(huán)。

圖6 開(kāi)坡口區(qū)風(fēng)口布置及氣流組織示意

2.2.2 探傷區(qū)

探傷區(qū)主要進(jìn)行的工作流程是檢驗(yàn)焊接質(zhì)量。探傷區(qū)域人員活動(dòng)較為分散，除考慮空間換氣外，還需滿(mǎn)足工作環(huán)境空氣品質(zhì)的要求。

本文研究的深水鋪管船的探傷區(qū)底部需要設(shè)置多處側(cè)送風(fēng)口，為人員活動(dòng)區(qū)提供清新空氣。探傷區(qū)域的污染物和熱空氣都較少且不易在頂部集聚。因此，可在頂部集中設(shè)置2個(gè)排風(fēng)口，這樣可減少排風(fēng)管的數(shù)量，既能實(shí)現(xiàn)減重，又不影響艙室換氣和吊梁工作。探傷區(qū)風(fēng)口布置示意見(jiàn)圖7。

圖7 探傷區(qū)風(fēng)口布置示意

2.2.3 主對(duì)中區(qū)

主對(duì)中區(qū)位于艏部，屬于高大空間通風(fēng)類(lèi)型，設(shè)備發(fā)熱量較小，主要考慮區(qū)域換氣。但該區(qū)域?qū)挾冗_(dá)23 m，且頂部空間全部被吊梁占滿(mǎn)，對(duì)風(fēng)口布置的影響較大。

本文研究的深水鋪管船的主對(duì)中區(qū)寬度過(guò)大，風(fēng)口不適合采用“同側(cè)送、同側(cè)排”的布置方式。此時(shí)，采用異側(cè)送排的方式對(duì)風(fēng)口進(jìn)行布置（見(jiàn)圖8）。送風(fēng)口把新鮮空氣輸送到人員區(qū)域內(nèi)，通過(guò)氣流組織實(shí)現(xiàn)從右到左將空間內(nèi)氣體高效排出。此種風(fēng)口布置減少了風(fēng)管數(shù)量，可有效實(shí)現(xiàn)減重。

圖8 主對(duì)中區(qū)域風(fēng)口布置和氣流組織示意

2.3 焊接高溫區(qū)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主作業(yè)線(xiàn)區(qū)和雙節(jié)管預(yù)制區(qū)的焊接作業(yè)較多，局部溫度過(guò)高，經(jīng)常引起工作人員的不適，如何對(duì)這些高溫區(qū)域進(jìn)行有效處理，是通風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

考慮到焊接高溫區(qū)多為高大空間，若在整個(gè)區(qū)域設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，則會(huì)存在冷量浪費(fèi)，不宜采用。此外，若空調(diào)送風(fēng)口距離焊接點(diǎn)過(guò)近，較低溫度空氣流過(guò)焊接表面時(shí)也會(huì)影響焊接質(zhì)量。

為有效解決這一問(wèn)題，在每個(gè)焊接工作站旁布置風(fēng)機(jī)盤(pán)管和送風(fēng)軟管，工作人員可根據(jù)自身實(shí)際需求調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)口的方向，實(shí)現(xiàn)身體局部降溫。在不進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，可獨(dú)立關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤(pán)管，這樣并不會(huì)對(duì)艙室通風(fēng)的氣流組織產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

鋪管船鋪管作業(yè)區(qū)的通風(fēng)效果對(duì)設(shè)備和人員的工作環(huán)境有較大影響。本文根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)的不同，對(duì)鋪管作業(yè)區(qū)進(jìn)行分類(lèi)，并分別對(duì)每一類(lèi)別的通風(fēng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）高粉塵區(qū)：當(dāng)焊接點(diǎn)布置較為集中時(shí)，采用局部除塵通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的方式；當(dāng)焊接點(diǎn)布置相對(duì)分散，控制點(diǎn)較多時(shí)，采用誘導(dǎo)通風(fēng)、局部除塵通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合方式。

2）高大空間和空間受限區(qū)：采用機(jī)械通風(fēng)“同側(cè)送、同側(cè)排”的方式，提高風(fēng)速，減少管路布置。

3）焊接高溫區(qū)：在焊接工作站附近布置風(fēng)機(jī)盤(pán)管和送風(fēng)軟管，工作人員可根據(jù)自身實(shí)際需求調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)口的方向，實(shí)現(xiàn)身體局部降溫，減少焊接溫度過(guò)高對(duì)人員產(chǎn)生的影響。

在進(jìn)行鋪管區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需了解各工作區(qū)的工作特性和通風(fēng)需求，進(jìn)行個(gè)性化通風(fēng)布置。在確保設(shè)備能夠正常工作的前提下，降低船舶能耗，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，為工作人員提供良好的作業(yè)環(huán)境。