深水鉆井船水消防系統的設計

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裝備，通常在遠離陸地的深海作業。因其電站功率大、管線電纜密集、空間布置緊湊，在作業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船舶。一旦發生重大火災事故，往往容易造成嚴重的人員傷害、環境污染和經濟損失，所以深水鉆井船上必須配備各種類型齊全、高效穩定、反應迅速的消防系統。

在深水鉆井船上，除了常規的水消防系統外，通常會根據法規的規定以及船東的要求，在一些區域配備氣體滅火系統、水霧滅火系統、泡沫滅火系統、水噴淋系統以及消防水炮等。而水消防系統作為基本的消防系統，還需要為水噴淋系統、消防水炮、泡沫滅火系統等提供消防水，其設計較常規船舶復雜［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的設計和計算。

1 水消防管系設計

水消防系統一般由消防泵、消防環形總管、隔斷閥、消防栓以及各消防子系統組成。IMO MODU CODE，SOLAS以及各船級社的規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，且各規范要求基本相同，一般按規范要求配置即可。

為了能夠在發生火險時第一時間投入使用，海洋工程通常采用濕式穩壓的消防水系統，因此還應配置消防水穩壓泵和消防水壓力柜。消防水穩壓泵從鉆井水艙（淡水）取水，這樣可以使消防環管通常充滿淡水，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的主要管路設計參見圖1，其中主消防泵的參數應滿足下列任一系統的供水流量和壓力要求:

（1）井口區水噴淋系統；

（2）鉆臺區消防炮；

（3）測井區消防炮；

（4）直升機平臺泡沫系統；

（5）泥漿攪拌艙泡沫系統。

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

圖1 消防系統圖

2 水噴淋系統和消防水炮

水噴淋系統作為常用的消防系統，廣泛地應用于鉆井船上危險區域的防護。因為水噴淋系統需要的水量比較大，因此對深水鉆井船水消防系統的配置有很大的影響。深水鉆井船需要配備水噴淋系統的區域有很多，比如鉆臺、井口區、測井區、直升機油柜、救生艇區域、氧氣乙炔儲存區域等。其中，區域面積較大的是鉆臺、井口區和測井區。ABS和IMO的MODU規范對這些區域的水噴淋系統沒有具體的要求，通過查閱其他船級社的規范，可獲得對鉆井船的井口區、鉆臺區和測井區等鉆井相關區域配備水噴淋系統的要求（見表1）。

DNV船級社的OFFSHORE STANDARD 2012規范中對此有比較詳細的規定。在DNV-OS-D301，Ch.2 Sec.2.B中規定如下:固定式水滅火系統可配置自動水噴淋系統或消防水炮，或者兩者同時配備。井口區、測井區、鉆臺的自動水噴淋系統的最小流量應為 10 L/（m2·min）。當為鉆井和測井區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的要求

CCS MODU 2012規范對噴淋系統的流量要求如下:井口區，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規范中，僅對井口區、生產區和鉆井區域有一條簡單的規定，即滿足12 L/（m2·min）［4］。

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

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

式中:Fd為噴淋系統所需水流量，m3/h；

A為噴淋系統覆蓋面積，m2；

fd為噴淋系統單位流量，10.2 L/（m2·min）。

針對本鉆井船，計算如下:

（1） 井口區面積:413 m2，流量:253 m3/h；

（2） 測井區面積:270 m2，流量:165.2 m3/h；

（3） 鉆臺區面積:380 m2，流量:232.6 m3/h。

消防水炮可以用來替代水噴淋系統，用于開敞區域的保護。因此對于鉆臺和測井區域，可采用兩臺能夠覆蓋被保護區域的100 m3/h的消防水炮替代水噴淋系統。

水噴淋系統的設計壓力通常可以在0.4～0.7 MPa之間，根據不同設備廠商的噴頭形式不同、安裝高度不同以及覆蓋區域大小不同而有所區別。本鉆井船所用的噴淋系統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不同廠商消防水炮的性能不同而略有區別，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（消防水炮）設計參數如下:

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

（2）測井區: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: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

直升機平臺泡沫消防系統的配置，ABS MODU規范有比較明確的規定。不過在海洋工程項目中，船東往往會在規格書中明確要求直升機平臺的設計應依據英國民航局的CAP437規范進行。涉及直升機平臺的泡沫消防系統的要求，CAP437的規定比ABS的要求略高。根據CAP437規范，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

對于泡沫消防系統，在《國際消防安全系統規則》中只對用于機器處所的固定式高倍泡沫滅火系統和油船的甲板泡沫消防系統有規定，并不適用于泥漿攪拌艙這類危險區域。因此，本文計算時采用IACS中的規定，對于泥漿處理系統區域的固定泡沫滅火系統，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生器型號和數量進行匹配計算。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。考慮到沒有規范要求，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

根據IMO MODU的規范要求，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，則泵應能在泡沫系統內保持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，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 穩壓系統的設計

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壓系統，以保證消防總管內的壓力平穩變化，使系統從穩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壓泵以保持系統壓力，避免大功率主消防泵意外起動。

本船配備兩臺消防穩壓泵和一個消防水壓力柜。穩壓泵的排量為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，也可以根據實際情況適當降低，本船穩壓泵的設計壓力為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流量時從穩壓泵起動壓力降低到主消防泵起動壓力的時間足以讓穩壓泵投入運行（＞30 s）；

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

（3）考慮管路泄漏等因素，從穩壓泵起動壓力到穩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，穩壓泵啟動，穩壓柜凈流出量在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，系統調試時，還可以通過適當調節壓力開關，達到調節間隔時間的目的。

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的設計為例，闡述了深水鉆井船消防系統的基本設計和計算過程，從而可見配備水噴淋系統和消防水炮的深水鉆井船，消防泵的配置將明顯大于常規船舶。

隨著IMO和船級社等對深水海工裝備相關規范的逐步完善，很多規范越來越明確，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可能會對危險區域的水噴淋系統按IACS的要求作出規定。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。如何優化消防泵的數量和容量配置，將會更進一步提高水消防系統的實用性和有效性，同時也將影響配電系統和控制系統的優化設計，值得我們探討。

［1］秦琦.世界鉆井船市場發展現狀［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范［S］.2012.

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

［5］國際船級社協會.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則［S］.2009.