深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板過火風(fēng)險(xiǎn)分析

摘""要：隨著海洋油氣資源開發(fā)向深水邁進(jìn)，國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)建成投用。鋁合金由于其獨(dú)特的性能特點(diǎn)，在深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上直升機(jī)甲板獲得應(yīng)用，深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板過火風(fēng)險(xiǎn)開始引起重視。通過分析深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板應(yīng)用中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及其影響，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板的安全應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞：鋁合金""升機(jī)甲板""深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)""過火風(fēng)險(xiǎn)""應(yīng)對(duì)措施

中圖分類號(hào)：TE95

Risk"Analysis"of"Aluminum"Alloy"Over-Heating"on"Helicopter"Deck"of"a"Deep-Water"Semi-Submersible"Production"Platform

CHEN"Qinghu"1""CHENG"Yong2

1.CNOOC"Co.，"Ltd.，"Hainan，"Haikou，"Hainan"Province，"570312"China；2.Shenzhen"Chuang-Qi"Mechanic"amp;"Electrical"Company，"Shenzhen，"Guangdong"Province，"518000"China

Abstract："With"the"development"of"offshore"oil"and"gas"resource"exploitation"moving"towards"deep"water，"the"first"deep-water"semi-submersible"production"platform"in"China"has"been"completed"and"put"into"use."Aluminum"alloy，"due"to"its"unique"properties，"has"been"applied"to"the"helicopter"deck"of"the"deep-water"semi-submersible"production"platform."However，"its"risk"of"overheating"in"the"helicopter"deck"of"the"deep-water"semi-submersible"production"platform"has"begun"to"attract"attention."By"analyzing"the"fire"risk"and"impacts"of"using"aluminum"alloy"in"helicopter"decks，"this"study"proposes"countermeasures"and"provides"guidance"for"the"safe"use"of"aluminum"alloy"heli-decks.

Key"Words："Aluminum"alloy;"Helicopter"deck;"Deep-water"semi-submersible"production"platform;"Risk"of"over-fire;"Response"action

鋁合金以鋁為基礎(chǔ)添加一定量的其他合金化元素，因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好、良好的可塑性和可加工性、有效地傳遞熱量、再生簡單、有利于環(huán)保和資源的循環(huán)利用、耐沖擊等性能，得到廣泛應(yīng)用。鋁制直升機(jī)甲板以其重量輕，防腐蝕好，模塊化程度高，便于安裝操作、無須維修等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在海洋船舶上大量應(yīng)用。

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，海洋油氣資源的開發(fā)逐漸向深水領(lǐng)域拓展。國內(nèi)首個(gè)深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)“深海一號(hào)”能源站（以下簡稱平臺(tái)），直升機(jī)甲板采用了AW6082-T6鋁合金以降低平臺(tái)重心和提升平臺(tái)穩(wěn)定性。

鋁合金熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材，遇火災(zāi)易變軟導(dǎo)致失去完整性從而坍塌。2024"年"8"月"16"日下午"4"時(shí)，停泊在江蘇南通的"“明斯克”"號(hào)航母在拆除改造過程中發(fā)生火情，大火持續(xù)燃燒3天，燒塌航母艦橋。“明斯克”號(hào)航母上層設(shè)施主體采用了鋁鎂合金，燃燒異常猛烈，成為艦橋燃?xì)У闹匾颉Ｋ裕钊敕治錾钏霛撌缴a(chǎn)平臺(tái)鋁合金直升機(jī)甲板的過火風(fēng)險(xiǎn)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1""平臺(tái)概述

平臺(tái)位于1"500"m深水區(qū)域，周邊百公里范圍內(nèi)無可依托油氣生產(chǎn)設(shè)施，距離最近的陸上基地230"km。平臺(tái)所在水域海洋環(huán)境條件復(fù)雜，風(fēng)、浪、流等海洋動(dòng)力因素導(dǎo)致平臺(tái)低頻運(yùn)動(dòng)頻繁，平臺(tái)采用16根系泊纜連接水下錨樁。

平臺(tái)總重量超過"5"萬t，最大投影面積相當(dāng)于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小，總高度達(dá)"120"m，相當(dāng)于"40"層樓高，最大排水量達(dá)"11"萬t，相當(dāng)于"3"艘中型航母。水下氣井產(chǎn)出天然氣、凝析油和地層水的混合物，輸送到平臺(tái)甲板面的工藝處理設(shè)備，氣液分離處理之后的天然氣，經(jīng)壓縮機(jī)加壓進(jìn)入外輸海管輸送到陸地終端。氣液分離處理之后的凝析油通過管道流入到船體立柱中的凝析油存儲(chǔ)艙。油氣處理工藝設(shè)備與工藝管道主要分布在EL+74"m的生產(chǎn)甲板，凝析油儲(chǔ)藏艙位于船體4個(gè)立柱之中，立柱頂面高度EL+59.5"m。

2""鋁合金直升機(jī)甲板

直升機(jī)甲板主要用于直升機(jī)起降，滿足人員運(yùn)輸、物資補(bǔ)給、緊急救援等需求，比如緊急情況下快速高效地安全撤離平臺(tái)作業(yè)人員。

平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板采用AW6802"T6材料。公開數(shù)據(jù)顯示，"按照ASTM"B221（DIN"EN"573-3）標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)元素百分比組分具體見表1。

在室內(nèi)環(huán)境下，鋁合金AW6082的物理性能，6"mm厚度板材機(jī)械性能，分別見表2和表3。

平臺(tái)直升機(jī)甲板位于上部組塊生活樓頂層之上，層高EL+89.50"m，高出上部設(shè)施主甲板19.0"m。直升機(jī)甲板承載Sikorsky"S92A"型號(hào)直升機(jī)，"MTOM"=12.6"t，"D-value=20.88"m。直升機(jī)甲板鋁合金材料重量36.4"t，甲板采用總體結(jié)構(gòu)吊裝安裝方式就位連接，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足1.5"Bar爆炸工礦，承受Beaufort"風(fēng)級(jí)"8"級(jí)以上風(fēng)力保證直升機(jī)安全起降。對(duì)比傳統(tǒng)的鐵質(zhì)直升機(jī)平臺(tái)，鋁制直升機(jī)甲板大約減少重量50"t。

3"""過火風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1""火災(zāi)分析

海上油氣設(shè)施火源主要有井噴事故、熱工作業(yè)、機(jī)械部件高溫、天然氣管道泄漏等。管道油氣著火，火焰熱輻射傳遞熱量，迅速加熱周邊環(huán)境，如采油樹著火將周邊結(jié)構(gòu)表面加熱到550"℃以上[1]。根據(jù)火災(zāi)爆炸分析，平臺(tái)總泄漏頻率為每年5.94×10-1。平臺(tái)主甲板和生產(chǎn)甲板的油氣泄露頻率如表4所示。

平臺(tái)上部設(shè)施不同位置泄露持續(xù)時(shí)間，氣相與液相存在一定差異。瀉放工況下主甲板和生產(chǎn)甲板典型區(qū)域的瀉放持續(xù)時(shí)間具體見表5。無瀉放工況條件下，主甲板和生產(chǎn)甲板各位置典型泄露持續(xù)時(shí)間具體見表6。

主甲板氣相泄漏中，90%的中型泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于230"m3。90%的較大泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于310"m3，90%的大型泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于300"m3。由于主甲板通風(fēng)良好，氣體云可以有效稀釋。生產(chǎn)甲板氣相泄漏中，90%的中型泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于3"400"m3。90%的較大泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于1"700"m3，90%的大型泄露所生成的可燃?xì)怏w云團(tuán)體積小于400"m3。生產(chǎn)甲板上通風(fēng)條件較差，重大氣體泄漏通常會(huì)導(dǎo)致氣體云堆積。平臺(tái)主甲板主要分區(qū)在充足氣體工況和受限氣體工況下的點(diǎn)火概率具體見表7。平臺(tái)主甲板部分分區(qū)氣體每年火災(zāi)頻率具體見表8。

主甲板工藝設(shè)施爆炸壓力研究表明外部點(diǎn)火源對(duì)整體爆炸風(fēng)險(xiǎn)起著重要作用，"其1E-04累積頻率對(duì)應(yīng)的爆炸超壓為0.35"barg，"具體見表9。主甲板上各分區(qū)泄漏類別開始第60"s的泄漏率，具體見表10。平臺(tái)主甲板某些火災(zāi)場(chǎng)景熱輻射通量高于150"kW/m2的影響距離，具體見表11。主甲板每各分區(qū)小型泄漏的泄漏率都是相同的，在前60"s內(nèi)是穩(wěn)定的。0.3"kg/s的泄漏率產(chǎn)生非常有限的熱輻射，不足以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。S9A/B/C和S13分區(qū)的較大泄漏續(xù)時(shí)間超過1"min，大型泄漏持續(xù)時(shí)間不超過1"min。

3.2"""風(fēng)險(xiǎn)影響

一般來說，鋁合金成分越復(fù)雜，晶體結(jié)構(gòu)越難以穩(wěn)定，熔點(diǎn)就會(huì)越高。含有硅鎂等元素的鋁合金，熔點(diǎn)溫度為520～635"℃，個(gè)別品牌鋁硅鎂合金的熔點(diǎn)則可以高達(dá)700"℃以上。鋁合金在"150～200"℃左右的溫度下能保持較好的性能，經(jīng)過特殊處理的鋁合金可在"200～300"℃的溫度范圍內(nèi)使用。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，鋁合金的強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，發(fā)生軟化等現(xiàn)象。經(jīng)過特殊處理的耐熱鋁合金，在"300"℃左右的溫度下能持續(xù)工作幾十小時(shí)到幾百小時(shí)不等。如果溫度更高，鋁合金的性能會(huì)迅速下降，耐高溫時(shí)間大大縮短。在接近鋁合金熔點(diǎn)的溫度下，可能幾分鐘甚至更短時(shí)間內(nèi)鋁合金嚴(yán)重軟化和變形。在更高溫度影響下出現(xiàn)類似于鋁熱劑的燃燒效應(yīng)。對(duì)比平臺(tái)空中救援力量到達(dá)平臺(tái)最短時(shí)間60"min，鋁制直升機(jī)甲板耐高溫時(shí)間成為關(guān)鍵。

高壓管道天然氣泄漏極易起火，受管道壓力影響，"噴射火焰達(dá)到幾米甚至幾十米。天然氣極具擴(kuò)散性，管道泄漏的天然氣迅速充滿周邊空間，造成周邊設(shè)備過火[2]。理論燃燒溫度可以達(dá)到2"300"℃，一般認(rèn)為收周邊環(huán)境影響，天然氣火焰溫度超過1"900"℃。平臺(tái)AW6082-T6鋁制直升機(jī)甲板與管道天然氣著火燃燒參數(shù)對(duì)比，具體見表12。

作為平臺(tái)應(yīng)急救援唯一可靠的人員緊急撤離通道，直升機(jī)甲板因鋁合金材料過火失效可能引起的危害極為嚴(yán)重。平臺(tái)周邊值班守護(hù)船在15"min內(nèi)趕到，在1"500"m水深的海面上無法有效發(fā)揮救護(hù)作用。

4""應(yīng)對(duì)措施

4.1""保護(hù)性使用

已建成鋁制直升機(jī)甲板，可以采用空間隔離方法，如增加防火墻以隔離氣源和其他易燃物，盡管主甲板上的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低，增加防火墻不會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)結(jié)果顯著變化。國內(nèi)目前在鋼鐵表面通過增加防火涂層的方法，延長鋼鐵軟化時(shí)間達(dá)到20"min以上[3.4]。采用表面處理工藝，在鋁合金結(jié)構(gòu)表面增加防火涂層，延長鋁合金受熱軟化的時(shí)長，為通過直升機(jī)甲板逃救生的人員爭取寶貴時(shí)間。

4.2""限制性使用

新建深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)直升機(jī)甲板，僅在那些救援資源充足、油氣等可燃資源存量少、作業(yè)人員獲得充分逃救生培訓(xùn)、必須使用鋁制直升機(jī)方案減少結(jié)構(gòu)總量和降低結(jié)構(gòu)體重心的設(shè)施上，使用鋁合金直升機(jī)甲板。

4.3"nbsp;采用替代材料優(yōu)化直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)"70"年代，水面艦艇使用鋁鎂合金建造上層建筑引領(lǐng)國際造艦界的潮流，諸如“佩里”"級(jí)護(hù)衛(wèi)艦、42"型驅(qū)逐艦等。20世紀(jì)80年代，西方國家在局部戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)鋁鎂合金上層建筑不耐火、不耐高溫、燃燒后容易倒塌等問題，國際造艦界紛紛放棄該材料，改為使用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)上層建筑。

新建項(xiàng)目使用新型鋼鐵材料，如碳纖維材料替代傳統(tǒng)的Q235鋼，優(yōu)化直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)，減少材料用量，同樣能夠達(dá)到減少重量和降低重心的目的[5，6]。

5""結(jié)語

聯(lián)系“明斯克”號(hào)航母上層建筑鋁鎂材料在拆除改造過程中著火燒毀艦橋事件，通過對(duì)深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)鋁制直升機(jī)甲板應(yīng)用中的過火風(fēng)險(xiǎn)分析，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以降低鋁合金材料在海上油氣設(shè)施應(yīng)用過程中的風(fēng)險(xiǎn)，提高深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的安全性和可靠性，完善深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)直升機(jī)甲板的應(yīng)用方案，為深水油氣開發(fā)提供更加安全、可靠的技術(shù)支持。

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