海上油氣生產設施臨時避難所設計
——以“深海1號”能源站為例

李艷華，張偉娜，覃柳莎，許曉麗，霍有利

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

臨時避難所是海上油氣生產設施發生火災爆炸時為人員提供庇護的場所，可以為人員在緊急情況下疏散、集合、決策、撤離爭取時間。目前國內外關于海上油氣生產設施臨時避難所的設計還沒有統一的標準。已有的海上平臺臨時避難所設計各不相同［1-3］。國內外可參考的相關規范對臨時避難所的功能要求為在完成撤離過程所需的一段時間內臨時避難所要能保證人員安全［4-6］，但是規范對于如何實現該功能卻沒有明確的要求和規定。目前國際知名石油公司對于海上生產設施的臨時避難所設計均有自己的企業標準，但是國內在這一領域尚屬空白。為提升平臺的整體安全水平，保障作業人員在緊急情況下可以安全撤離，在我國首個超深水氣田開發半潛平臺“深海1號”能源站上設置了臨時避難所。本文介紹了在“深海1號”能源站臨時避難所設計過程中，將規范的功能要求轉化為可實施的工程設計指標并成功應用的思路和方案設計，嘗試建立海上生產設施臨時避難所設計的統一標準，為后期類似項目的臨時避難所設計提供參考。

1 臨時避難所設計標準

根據規范要求，海上油氣生產設施臨時避難所的主要功能是為生產設施上的人員提供一定時長的庇護。為實現這一主要功能，需要將其轉化為具體的工程設計標準。結合海上油氣生產平臺的特點及主要風險，將規范規定的主要功能拆分為以下4個子功能：

（1）結構支撐功能：海上油氣生產設施上的主要危險來自火災爆炸事故產生的高溫輻射和爆炸超壓對結構的沖擊破壞，因此臨時避難所應能夠承受一定強度和時長的火災與爆炸沖擊。

（2）生命支撐功能：人員在避難所內集合后，避難所應能提供必要的生命支持元素，如氧氣濃度、阻止煙氣和可燃氣入侵、適宜的環境溫度等。

（3）指揮支持功能：在臨時避難所內，操作人員應能夠與外界保持通信，必要時尋求外部的救援，能夠對生產設施上的各處監視和控制，采取必要的措施減緩事故后果。

（4）逃生疏散功能：避難所的位置應保證人員在緊急情況下能夠安全到達，并且從避難所內可以順利進入救生艇或者直升機進行撤離。

上述4項子功能進一步分解為三級指標，從而將避難所的功能需求轉化為可以實現的工程設計方案。表1列出了臨時避難所首要功能、4項子功能和三級指標的分解情況。

表1 臨時避難所功能指標分解Tab.1 Breakdown of functional indicators of the temporary refuge

2 “深海1號”臨時避難所設計方案

2.1 臨時避難所整體方案介紹

“深海1號”能源站的臨時避難所設置在平臺生活樓1樓餐廳和與之相連的走廊，如圖1所示。避難所面積為182 m2，平臺定員120人，人均面積為1.5 m2。臨時避難所面向大海一層有常閉防火門通往救生艇登乘區。避難所層高3.5 m，體積為637 m3。避難與生活樓內部的其他房間采用防火墻分隔。

圖1 臨時避難所集合區示意圖Fig.1 Schematic diagram of assembly area of the temporary refuge

2.2 結構支撐系統設計

結構支撐系統是臨時避難所的重要組成部分。根據臨時避難所功能指標分解表，結構支撐系統應考慮耐火完整性和耐爆炸沖擊載荷完整性兩方面性能。為確定“深海1號”能源站上火災爆炸事故的強度和影響范圍，確定臨時避難所結構支撐系統的防火防爆設計參數，對平臺進行了火災爆炸模擬分析計算。火災爆炸分析結果顯示，平臺上生活樓可能遭受的火災類型是烴類物質的池火，火災持續時間29 min，平臺可能承受的最大爆炸超壓約為45 k Pa。

根據火災爆炸計算結果，考慮一定的安全系數后確定臨時避難所所在生活樓的整體結構，支撐防火防爆設計方案如圖2所示。

圖2 臨時避難所結構支撐平面和立面示意圖Fig.2 Plan and elevation diagram of structural support of the temporary refuge

（1）生活樓除面向大海一側外，其余三面墻體采用H60防火墻進行保護。H60防火墻可以在最高1 200℃火焰溫度下，保證墻體結構的完整性，阻擋火焰和煙的通過，并且在60 min時間內保證墻體背火面的溫度升高不超過139℃。

（2）生活樓面向工藝區的墻體采用可耐受150 k Pa超壓壓力的防爆墻進行保護，確保在發生爆炸時臨時避難所整體結構不因爆炸超壓發生變形和坍塌。

（3）生活樓正下方為公用設備區域和房間區域，該區域用防火墻和防爆墻與工藝區隔離，減少生活樓下方結構遭受火災爆炸損害的可能性。

2.3 生命支持系統設計

臨時避難所的生命支持系統主要功能為人員在集合區等待期間提供必要的生命支持條件，包括氧氣供應，稀釋二氧化碳濃度，阻止有毒煙氣入侵，維持避難所內室溫穩定。為臨時避難所內提供足夠的通風可以同時實現上述4項功能［7］。在正常情況下，避難所內的通風由平臺的通風系統供給，在火災爆炸事故條件下，平臺通風系統存在失去電源無法正常工作的問題。火災爆炸伴隨大量可燃氣或者煙氣擴散，通風系統的入口被可燃氣和有毒氣體入侵后，通風系統也將自動關閉，避難所將失去通風。為解決上述問題，保證避難所在緊急情況下的通風供給，在“深海1號”能源站上設計了一套獨立的空氣供給系統。該空氣供給系統由空氣壓縮機、高壓儲氣瓶、減壓單元、系統控制閥門、空氣分配單元以及相應的管道、閥門附件組成。圖3所示是系統的工作流程圖。

圖3 空氣供給系統工作流程圖Fig.3 Working flowchart of air supply system

空氣供給系統按照人均1.4 m3空氣每分鐘儲存空氣，可以連續供應新鮮空氣60 min。空氣供給系統在提供氧氣的同時，也保證了避難所內的微正壓，阻止了有毒煙氣的入侵。在正常情況下，利用空氣壓縮機將空氣壓縮成30 MPa的高壓空氣儲存在高壓氣瓶組內。通過二級減壓后，低壓空氣通過系統控制閥進入避難所內。系統控制閥設置在臨時避難所內。在正常情況下，系統啟動閥為關閉狀態，閥門上游的管線內充滿空氣。人員在避難所內打開空氣供給系統的啟動閥門，空氣通過下游空氣分配單元均勻地分配進入臨時避難所內。系統控制閥通過下游的流量開關與壓縮機的啟動進行互鎖，系統往臨時避難所內提供空氣時，壓縮機將禁止啟動，從而避免有毒有害空氣通過壓縮機進入臨時避難所。該系統為機械啟動方式，不依賴平臺提供動力源，系統可靠性高，在平臺緊急關閉的情況下可以持續提供空氣。

2.4 指揮支持系統設計

臨時避難所指揮支持系統的主要功能是提供避難所與外部的通信，在避難所內進行生產關斷和消防系統啟動以及平臺監視。在“深海1號”能源站避難所內設置衛星電話與陸地終端通信，保持與外部區域通信。避難所內設置應急操作按鈕，可關停生產、啟動消防泵以及進行棄平臺的相關操作。在陸地終端設置“深海1號”能源站生產監控站，對整個平臺進行遠程生產數據以及平臺姿態監控，在緊急工況下可對平臺進行遠程應急處理。

2.5 疏散逃生系統設計

疏散逃生系統的設計應保證人員可以安全抵達臨時避難所和從避難所撤離。疏散逃生系統的設計可以從進入避難所的通道向逃生方向指示，從避難所撤離的通道、撤離方式以及個人防護等方面進行考慮。

“深海1號”能源站的臨時避難所位于生活樓內，如圖4所示，平臺上沿著甲板外沿設置逃生通道，從南北兩側進入生活樓，2個方向的通道相互遠離，保證操作人員在發生事故時至少有一條通道可以進入臨時避難所內。平臺上沿著通道設置了照明系統以及逃生方向指示設施。照明由平臺應急電源供電，平臺主電失效后，應急電源可提供18 h的電力供應，保證通向避難所的通道可用。逃生指示設施在黑暗條件下可以自發光10 h，持續為操作人員指示逃生方向。

圖4 平臺疏散通道示意圖Fig.4 Schematic diagram of evacuation passage on the platform

海上油氣生產設施上常用的人員撤離方式是直升機撤離和救生艇撤離。如圖1所示，臨時避難所通過開向面臨大海一側的門撤離進入救生艇登艇區。在避難所內也可以通過生活樓內部樓梯進入直升機登乘區。生活樓整體采用防火墻和防爆墻保護，可以有效阻擋火煙和熱對救生艇登艇區的破壞，保證逃生撤離方式的安全。

在臨時避難所內按照平臺的定員配置了120套個人救生設備，每套設備包括緊急逃生呼吸器、安全手電燈和防熱手套。緊急逃生呼吸器為供氣式呼吸器，可以提供15 min空氣供應，保護人員在從避難所撤離時不受有毒煙氣的損害。

人員逃生、集合、撤離所需的時間是影響臨時避難所的一個重要參數，它決定了臨時避難所其余各項系統需要保證功能完整性的時長。在計算人員逃生、集合和撤離時長時需要考慮以下幾個因素：

（1）事故被發現，報警所需要的時長。

（2）人員對工作現場進行緊急處理的時長。

（3）人員從最遠點到臨時避難所步行所需要的時長。

（4）在臨時避難所內點名，做決策的時長。

（5）人員登上救生艇的時長。

（6）救生艇下放到海面的時長。

基于緊急情況的不可預測性，上述各個環節所需時長很難精確計算，只能依據設施實際情況進行合理假設。事故被發現觸發報警所需時長與事故嚴重程度有關，人員逃生撤離的事故被發現所需時間應較短，“深海1號”避難所設計時考慮該時長為2 min。人員從最遠點到臨時避難所步行所需時長要綜合考慮人員在斜梯、平坦路面、直梯上的行進速度的不同，“深海1號”最長逃生距離為從船體底部到生活樓，合計步行時間為5 min。在避難所內點名以及全員登艇所需時長與平臺定員人數相關，人數越多，所需時間越長。“深海1號”定員120人，兩項時長分別計算為5 min和6 min。救生艇下方時長參考平時演練的實際時長，考慮10 min。合計逃生疏散所需時間為28 min。

生命支持系統、結構支撐系統保持功能完整性的時長不能低于逃生疏散所需時長。考慮一定安全系數后確定“深海1號”防火墻，選擇耐火時長為60 min，空氣供應系統可以提供60 min空氣。

3 結 語

如何將規范要求的功能性要求轉化為可以實施的設計方案和設計指標是目前海上油氣生產設施臨時避難所設計面臨的一個難題。在“深海1號”能源站的臨時避難所設計過程中，通過將規范的功能性要求逐級分解，層層細化，嘗試建立臨時避難所的設計標準和驗收指標，這在海上臨時避難所設計中尚屬首次。相關設計成果已經通過了發證檢驗機構的驗收。本文介紹的是有人平臺，對于無人簡易平臺的室外開敞避難區域的設計還需要在工程實踐和理論研究中不斷探索。