防爆A60防火空氣潛水系統研發

肖曉凌 許勝華 李宗偉 林穎嬪 程 微 徐 進,2 曾 勇 閆向峰

（1.深圳市杉葉實業有限公司，深圳 518067；2.交通運輸部上海打撈局，上海 200090；3.上海水下救撈工程技術研究中心，上海 200090；4.上海打撈局蕪湖潛水裝備廠，蕪湖 241060）

近海油氣田設施在生產過程中會儲存、使用、產生或處理大量具有可燃性或爆炸性的物料。由于操作不當和設備故障等，生產現場將不可避免地存在易燃易爆物質的泄漏問題。當易燃易爆物質在空氣中的濃度達到爆炸極限時，一旦遇到足夠能量的點燃源，就會產生火災或爆炸等事故，從而給人們的生命、財產安全帶來嚴重威脅，甚至危及設施安全，造成嚴重的災難性事故。因此，無論在工程項目設計、爆炸危險場所區域劃分，還是設備選型、安裝、使用、維護和修理等環節，都必須充分辨識爆炸風險，嚴格按照GB 3836爆炸性環境系列國家標準和其他相關法規、規范等要求，采取有效的技術處理措施，以防止發生爆炸事故。

近年來，海油系統除對程序和人員等提出了更高要求，也對作業設備的本質安全提出了更多、更高要求。海上油氣田設施結構對設施防爆區域及等級劃分十分明確，且對到油氣田平臺進行作業的設備安全性要求越來越高。因此，相關設施要完全遵循海上設施移動模塊的相關規范要求，特別是風險系數更高的天然氣生產平臺。受限于平臺甲板可用面積，潛水系統必然會有部分關鍵潛水設備需布置在海上設施危險區Ⅱ類區域的相應位置。因此，潛水系統也必須遵循海上設施移動模塊危險區域布放的相關安全要求，以保證作業的設備安全要求符合海上設施危險區Ⅱ類區域的相關防爆技術要求[1]。

1 海上設施危險區對設備的防爆要求

海洋平臺的爆炸危險源主要是天然氣或油蒸汽，并沒有粉塵類危險源。在正常運行時，油氣處理設備中或者含有油氣處理設備的所處區域一般不會出現爆炸性氣體混合物。即使出現也是偶爾發生，且僅是短時間存在，按照有關標準和規范應劃為一級Ⅱ類區域（即國標的危險區Ⅱ類）[2-5]。

海洋平臺可燃氣體主要是天然氣，主要成份是甲烷以及少量的乙烷、丙烷等氣體[6]。它的爆炸性危險氣體分類為ⅡA，溫度組別為T3。海洋平臺的危險區Ⅱ類區域通常要使用隔爆型的防爆型式，對于危險區Ⅱ類區域無法要求使用隔爆型的電氣設備，也可以使用增安型和正壓通風型[2]。

表1 Ⅰ、Ⅱ類危險區電氣設備防爆型式的選擇

2 空氣潛水系統目前存在的問題

在海上設施技術保障和設施完整性管理方面，需要定期或者不定期進行大量的海洋生物清理、水下檢測、評估、安裝或維修等潛水作業。常規空氣潛水系統一般由備用應急柴油發電機組、含動力電源（壓縮機、動力配電裝置）的空氣氣源系統、含低壓電氣（通信、音視頻錄音錄像監控和備用應急電源）的潛水控制系統、臍帶、軟管、潛水員個人裝具、潛水員入出水系統（吊籠或開式潛水鐘）、液壓動力驅動或氣動的吊放裝置和含低壓電氣（通信、音視頻錄音錄像監控、環境參數監控設備和備用應急電源）的潛水減壓艙直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）等系統組成[7-8]。系統中包括有柴油機系統、電氣配電裝置以及壓縮機等機械設備或低壓電子/電氣裝置等。

在海上設施潛水作業工程項目中，由于受場地限制，潛水系統常常需布置在危險區Ⅱ類區域。隨著南海流花氣田群和陵水氣田群等大量新開發油氣田陸續投產，海上油氣設施對設施防爆區域及等級劃分越來越嚴格。特別是對于氣田海上設施，其安全性要求更為嚴苛。因此，潛水系統布放在危險區Ⅱ類區域，應滿足不同的防爆和防火要求。

目前，國內外的潛水系統均為常規潛水系統，暫時沒有符合危險區Ⅱ類的潛水系統。相關潛水系統或設備布置在臨近危險區Ⅱ類區域作業時，只能采用程序控制的方式。因此，研發建造符合危險區Ⅱ類區域使用的常規空氣潛水系統，在既符合各相關潛水標準和規范要求的同時，又能夠滿足防爆、防火安全要求，是實現潛水系統滿足危險區Ⅱ類區域作業安全要求的根本。

3 空氣潛水系統的防爆技術研究及設計方案選擇

目前，海上設施的電氣防爆等級要求都是ExdⅡ BT4，防護等級為IP56[6]。根據《近海服務模塊》（DNVGL-OS-E402 2）危險與安全區域防火要求和BV潛水支持裝置入級規范第7節防火安全和防火結構等相關潛水系統和裝置規范的要求，布置在涉及海上設施危險區Ⅱ類區域的潛水系統必須滿足A60防火要求，且防爆要求應滿足爆炸氣體環境危險區Ⅱ類的標準。場所中危險氣體按爆炸性氣體分類為ⅡA，其溫度組別大于200 ℃，即溫度組別為T3[9-12]。與一般海上設施相比，它的防爆要求更高。

按照以上技術要求，確定用于危險區Ⅱ類區域潛水系統的防爆設計使用范圍為Exd Ⅱ AT3。針對潛水系統中不同的設備（如機械動力設備、電控元器件、空壓機組、電接插件、低壓電氣控制以及監控系統電器柜等），確立采用本安型（i）、增安型（e）、隔爆型（d）、正壓外殼型（Expz）等不同的防爆技術單獨或組合使用的方式，并采用IP56防護等級的技術路線。

3.1 機械和結構防爆技術

按照有關規則要求，布置在危險區Ⅱ類區域內的潛水氣源中的壓縮機設備在安裝過程中應避免由于靜電或運動摩擦而產生火花引燃的危險，以及由于機械設備裸露部件高溫而引燃的危險。它的電氣設備、電氣儀表及控制裝置應滿足電氣防爆的有關規定[1]。

防爆電氣設備的防爆功能不僅能防止電氣火花、靜電火花和電器外殼高溫等，而且可以防止沖擊摩擦火花以及機械設備表面高溫等。所以，防爆壓縮機的防爆要求不僅要考慮單個防爆電氣設備產生的火花和高溫，而且要考慮因機械運動部件摩擦沖擊產生的機械火花和高溫。

防爆原理是運用相應的防爆技術控制和消除電氣火花和機械火花，使其無法引燃所在環境區域內的爆炸性氣體混合物。在壓縮機機械設備防爆技術中，采用隔爆型（d）、本安型（i）、增安型（e）等措施實現防爆。機械防爆技術采用防靜電的皮帶傳送技術，避免相對運動而使機械零部件之間產生摩擦靜電火花，消除由于靜電或運動摩擦而產生火花引燃易燃易爆氣體的危險。按照相關要求，在空壓機系統控制裝置中增加安裝有排氣高壓、低壓報警、潤滑油低油壓報警關斷以及排氣超溫報警等本安或增安型元部件，排氣管等溫度較高的管系包扎絕熱材料能夠有效隔絕熱量，以避免機械設備裸露部件高溫而引燃氣體的危險，從而實現防爆[1]。

3.2 電氣防爆技術

3.2.1 強電設備及電路的防爆措施

動力設備（如空壓機、液壓動力源）的驅動電機、電氣控制柜、總電源開關、電氣保護設施以及照明設施等，一般采用隔爆型（d）電氣設備及電纜配線。它的防爆原理為間隙滅焰，即將能夠引起火花、電弧或過熱的元件部分置于防爆外殼中，以達到阻止內部爆炸生成物向殼外傳播而引起爆炸的目的。

配線及分線盒、電源開關以及操縱急停開關等，一般采用增安型（e）電氣設備。它的防爆原理是使其本身不成為引燃源，即本身采取一定的措施以避免產生火花、電弧或過熱現象。配電柜的變壓器或電阻器的隔離防爆通常可采用浸油型（o）。

所有的隔爆型或增安型部件及元器件均按照相應的溫度組別T3進行選型，以保證滿足相應的最高表面溫度的要求[2]。溫度組別、引燃溫度和允許的設備溫度組別之間的關系如表2所示

表2 溫度組別、引燃溫度和允許的設備溫度組別之間的關系

3.2.2 弱電設備及電路的防爆措施

第一，系統外置的弱電設備及電路中，一般采用本安型（ia）或（ib）的防爆電氣設備[1]，如氣源集裝箱、潛水控制室、DDC操控室的各外置控制開關、安全聯鎖限位開關、信號及各種傳感裝置以及通信裝置等。第二，潛水控制系統和DDC操作控制系統中，由于操作人員基本處于密閉的場所，且相關的低壓電氣（通信、音視頻錄音錄像監控、環境參數監控設備和備用應急電源）結構數量和組合較多，同時控制柜和控制臺結構尺寸較大，因此難以采用隔爆型的防爆技術，只能采用正壓通風型。將潛水控制室和DDC操控室的測量監控設備以及音視頻通信記錄設備等低壓電器均放置于采用正壓型（p）的正壓房（集裝箱）中，系統結構布置圖如圖1所示。除正壓型電氣設備采用隔爆型外，正壓房內的所有其他電氣設備為非防爆型，其防爆原理如圖2所示。

圖1 正壓防爆潛水控制集裝箱結構示意圖正壓防爆房防爆原理

在正壓房內建立正壓前或失壓后仍需通電工作的電氣設備（先得電設備）和儀表為安全用電設備（亦稱重要設備），如正壓防爆火氣控制箱。這些設備本身必須具有獨立的防爆設計，如隔爆型、本安型等。后續潛水系統配電的電氣設備（后得電設備）通過正壓防爆系統輸出的安全電源供電，后得電設備則無需具有獨立的防爆設計。

非防爆設計的儲能電氣設備，如不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）的電池等不能存放在正壓房內。但是，按照潛水相關規范要求，潛水控制系統或DDC操控系統在異常斷電時應配備有應急電源，以維持潛水通信和錄像系統或DDC的環控監控設備一段時間內的正常運行[7]。為實現該功能，在系統平臺安全電源的后端輸出位置增設了控制臺應急供電控制繼電器，從而在潛水控制系統依據正壓火控設備檢測非易燃易爆氣體故障的情況下，能夠切換至平臺安全供電的模式給潛水系統供電，以維持潛水應急處置。它的正壓防爆潛水控制系統電氣原理見圖2。

圖2 正壓防爆潛水控制系統電氣原理圖

正壓防爆與火氣控制系統應滿足以下條件：首先，正壓控制集裝箱通風系統的進氣口設于安全區；其次，通風設備滿足相應危險區域的防爆等級要求；再次，封閉的安全區域（正壓房內）的氣壓應高于相鄰的危險區域的氣壓，即正壓通風；最后，設置可開啟的自閉式氣密門，門開啟時通風空氣是從危險程度較低處流向較高處，并安裝有符合規范要求的火災與可燃氣體報警系統[1]。它的結構如圖3所示。

圖3 正壓防爆與火氣控制系統結構圖

3.2.3 連接電纜的防爆措施

系統中的非本安型配線一般采用橡套圓形阻燃電纜和壓緊螺母式引入裝置，以防止拔脫，從而實現可靠密封。配電按照三相三線中性接地，電纜中間不允許有接頭[1]的接線方式，特殊的電纜中應設防爆接線盒，如動力電纜、控制電纜、照明電纜和音響信號電纜等。

4 結語

海上油氣設施需要定期或適時進行清理、檢測、安裝或維修等潛水作業。隨著近海油氣資源開采力度的不斷加大，在役、在建或待開發的海上天然氣田不斷增多。氣田設施對潛水作業設備的防爆要求較高，即使是油田的導管架平臺，也經常由于甲板面積和結構的限制等因素需要將部分關鍵的潛水設備布置于危險區Ⅱ類區域或附近的適當位置，從而使設備面臨爆炸的潛在風險。

正壓防爆A60防火集裝箱系統此前主要運用在油氣田危險區的儀器儀表房中，如ROV控制箱和飽和潛水控制箱。目前，此類設備系統基本依靠進口，國內還沒有防爆A60防火常規空氣潛水系統。該研發結合了防爆、防火相關標準及國際船級社標準、規范等要求，采用正壓/本安、正壓/隔爆以及隔爆/本安等不同型式的組合防爆技術，結合國內外常規空氣潛水系統相關標準的需求，經濟、合理地設計、制造了符合海上油氣田設施危險區Ⅱ類區域使用的防爆A60防火常規空氣潛水系統，解決了空氣潛水設備在海上油氣設施危險區Ⅱ類區域中進行布置的難題，為保障海上油氣設施的完整性提供了強有力支持，同時提升了我國潛水裝備的研發、制造能力和行業潛水作業水準，對保障國家能源安全具有重要意義。