徐天曉 于再紅

（1.上海交通大學 上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 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)時會產生易燃易爆的危險氣體，因此其面臨火災的風險遠大于常規(guī)船舶。一旦發(fā)生重大火災事故，往往容易造成嚴重的人員傷害、環(huán)境污染和經濟損失，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，其設計較常規(guī)船舶復雜［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)的設計和計算。

1 水消防管系設計

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)生火險時第一時間投入使用，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；同時在應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)的主要管路設計參見圖1，其中主消防泵的參數(shù)應滿足下列任一系統(tǒng)的供水流量和壓力要求:

（1）井口區(qū)水噴淋系統(tǒng)；

（2）鉆臺區(qū)消防炮；

（3）測井區(qū)消防炮；

（4）直升機平臺泡沫系統(tǒng)；

（5）泥漿攪拌艙泡沫系統(tǒng)。

下面將以本鉆井船為實例，對消防水系統(tǒng)的設計和各個子系統(tǒng)的消防水需求的計算方法進行具體探討。

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)，廣泛地應用于鉆井船上危險區(qū)域的防護。因為水噴淋系統(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、井口區(qū)、測井區(qū)、直升機油柜、救生艇區(qū)域、氧氣乙炔儲存區(qū)域等。其中，區(qū)域面積較大的是鉆臺、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)、鉆臺區(qū)和測井區(qū)等鉆井相關區(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)可配置自動水噴淋系統(tǒng)或消防水炮，或者兩者同時配備。井口區(qū)、測井區(qū)、鉆臺的自動水噴淋系統(tǒng)的最小流量應為 10 L/（m2·min）。當為鉆井和測井區(qū)域配備消防水炮的時候，至少配置兩個消防水炮能覆蓋該區(qū)域，每個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、設備和管匯，10 L/（m2·min）；結構冷卻保護 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（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，應配備固定式泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)應能以不小于 6.5 L/（m2·min）（若 AFFF為 4.1 L/（m2·min）釋放 15 min［5］。

因為ABS目前對水噴淋系統(tǒng)的流量沒有要求，經與船級社和船東溝通，本船水噴淋系統(tǒng)以10.2L/（m2·min）進行配置。水噴淋系統(tǒng)的計算公式為:

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。因此對于鉆臺和測井區(qū)域，可采用兩臺能夠覆蓋被保護區(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)的設計壓力通?？梢栽?.4～0.7 MPa之間，根據(jù)不同設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進行計算。

本船對于水噴淋系統(tǒng)（消防水炮）設計參數(shù)如下:

（1）井口區(qū):采用水噴淋系統(tǒng)，設計流量253m3/h，設計壓力0.5 MPa；

（2）測井區(qū):采用兩臺消防水炮，設計總流量200m3/h，設計壓力 0.7 MPa；

（3）鉆臺區(qū):采用兩臺消防水炮，設計總流量200m3/h，設計壓力 0.7 MPa。

3 直升機平臺泡沫消防系統(tǒng)

直升機平臺泡沫消防系統(tǒng)的配置，ABS MODU規(guī)范有比較明確的規(guī)定。不過在海洋工程項目中，船東往往會在規(guī)格書中明確要求直升機平臺的設計應依據(jù)英國民航局的CAP437規(guī)范進行。涉及直升機平臺的泡沫消防系統(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直升機的平臺，采用3%AFFF的泡沫消防系統(tǒng)計算公式如下:

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為直升機的D-Value，22.2 m；

Qf2為2個泡沫噴槍的流量，450 L/min；

M為泡沫濃縮液混合比例，M=0.03；

t為釋放時間，5 min，本例取10 min；

Vf為泡沫濃縮液的容量，L；

Ff為直升機泡沫系統(tǒng)消防水流量，m3/h。

計算可得:

本船的直升機甲板泡沫消防系統(tǒng)配置如下:設計流量162 m3/h，設計壓力0.7 MPa，泡沫濃縮液儲存柜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區(qū)域。因此，本文計算時采用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），釋放時間15 min。

泥漿攪拌艙泡沫滅火系統(tǒng)計算公式如下:

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為釋放時間，15 min；

Fm為消防水的流量，m3/h。

計算可得:

設備商通常也會有自己的設計標準，并與其提供的泡沫發(fā)生器型號和數(shù)量進行匹配計算。本項目中，設備商按A類機器處所的方法進行計算，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。計算結果所需消防水流量為125 m3/h，泡沫濃縮液儲存柜取1400 L，對來自消防水總管的壓力要求為0.8 MPa?？紤]到沒有規(guī)范要求，該配置也高于IACS的要求，因此經船東認可，按設備商的配置實施。

5 消防泵的參數(shù)

根據(jù)IMO MODU的規(guī)范要求，每臺泵應能同時從任何兩個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，如設有用于保護直升機甲板的泡沫系統(tǒng)，則泵應能在泡沫系統(tǒng)內保持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甲板泡沫系統(tǒng)的水量，則在計算消防泵的所需能力時，應將該耗水量作為決定性因素［6］。兩個消火栓的總水量可以按50 m3/h計，消防泵所需的最大水量為303 m3/h。

消防管系的阻力計算可以用PIPENET、FLOWMASTER等管路阻力計算軟件進行計算，也可以用NFPA推薦的海澄·威廉（Hazen Williams）公式進行簡單估算，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為管線中管件當量長度總計，m。

管件當量長度可以參考NFPA的標準。本文不細述具體估算過程，管路阻力的估算結果見表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，最大揚程為119 m水柱。根據(jù)表2，再結合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280 m3/h×1 MPa的消防泵，一用一備。此外，因為輸入壓力過大，應配置帶減壓功能的消防栓，若采用節(jié)流孔板調壓，則應考慮消防栓的設計壓力等級滿足要求。

6 穩(wěn)壓系統(tǒng)的設計

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

本船配備兩臺消防穩(wěn)壓泵和一個消防水壓力柜。穩(wěn)壓泵的排量為25 m3/h，滿足一個消防栓的工作要求。設計壓力可以與主消防泵的設計壓力相同，也可以根據(jù)實際情況適當降低，本船穩(wěn)壓泵的設計壓力為1 MPa。消防水壓力柜的容積與壓力開關的設定壓力應能滿足以下三個條件:

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

（2）單一區(qū)域滅火系統(tǒng)起動導致環(huán)管壓力降低時，主消防泵應能盡快起動（＜30 s）；

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

其中在條件（2）下，考慮按最小流量125 m3/h計算，因為壓力從1 MPa降低到0.8 MPa后，穩(wěn)壓泵啟動，穩(wěn)壓柜凈流出量在100 m3/h。為保守起見，則按100 m3/h計算。

假設主消防泵的設定起動壓力為環(huán)管壓力0.6 MPa，相當于消防水壓力柜處的壓力為0.5 MPa（表壓）；穩(wěn)壓泵的起動壓力為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為間隔時間，min；

P1為較低的（絕對）壓力，MPa；

P2為較高的（絕對）壓力，MPa。

計算可得表3，本船配置的消防水壓力柜容積為2 m3。由以上公式逆運算可得各種工況下的間隔時間t，系統(tǒng)調試時，還可以通過適當調節(jié)壓力開關，達到調節(jié)間隔時間的目的。

表3 各條件對消防水壓力柜的容積要求

7 結 論

本文以某入級ABS鉆井船的水消防系統(tǒng)的設計為例，闡述了深水鉆井船消防系統(tǒng)的基本設計和計算過程，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可能會對危險區(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到556 m3/h。如何優(yōu)化消防泵的數(shù)量和容量配置，將會更進一步提高水消防系統(tǒng)的實用性和有效性，同時也將影響配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計，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.海上移動式鉆井平臺入級規(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.IACS Requirements Concerning Mobile Offshore Drilling Units［S］.2012.

［6］國際海事組織.海上移動式鉆井平臺構造和設備規(guī)則［S］.2009.