深水钻井船钻井甲板消防雨喷淋系统设计

程永平， 任轶丽

(烟台中集来福士海洋工程有限公司研发设计中心， 山东 烟台 264000)



深水钻井船钻井甲板消防雨喷淋系统设计

程永平， 任轶丽

(烟台中集来福士海洋工程有限公司研发设计中心， 山东 烟台 264000)

结合国内建造的某深水钻井船实例，对钻井船钻井甲板消防雨喷淋系统的设计要点做详细介绍，主要包括雨喷淋系统的总体设计要求、喷淋水量计算、喷头型号选择及数量计算、喷头覆盖范围确定和喷头布置与自动化钻井设备运动位置的协调等几个方面，为今后国内深水钻井船甲板消防雨喷淋系统设计提供参考。

钻井船；钻井甲板；雨喷淋；系统设计

0　引言

深水钻井船的钻井甲板上有很多核心的石油钻井设备，在海上钻井作业时存在较大的火灾潜在隐患(例如：2010年发生的墨西哥湾钻井平台漏油事件就是由于井喷和钻井甲板井口区的火灾引起的)，各国船级社规范对钻井甲板的消防设计非常重视且要求严格。消防雨喷淋系统由于具有启动快速、喷水量大以及适用范围广等优点，在钻井甲板配置消防雨喷淋系统已成为各船级社规范的普遍要求。

该文以国内建造的某深水钻井船钻井甲板雨喷淋系统设计为例，对钻井船消防雨喷淋系统的设计方法做一些总结和探讨，以期为相关设计人员提供一些参考。

1　海洋石油设施雨喷淋系统设计的总体要求

各个船级社对雨喷淋系统的设计要求基本相似，下面以DNV船级社的要求为例进行说明：

(1) 根据 DNV OFFSHORE 消防规范 OS-D301 Ch.2 Sec.3 B400，海洋石油工程设施上的下列区域应该配置或需要设计雨喷淋系统作为主动型消防保护方式： (a) 生产区域； (b) 卸油区域； (c) 钻井区域； (d) 测井设备区域。同时，对于可预见的由可燃液体引起火灾的地方，需特殊考虑，推荐使用泡沫消防。

(2) 对于以上区域设置的雨喷淋水量要求不小于 10 L/(min·m2)，若设置泡沫消防时，泡沫量不得小于 15 min的使用量。

(3) 雨喷淋系统要求包含本地释放和控制站遥控释放两种方式。

(4) 喷头的型式适合火灾的类型，喷头的布置需要使消防水滴能紧密地喷洒到被保护设备的表面，同时喷头在喷洒时不能被其他设备阻挡喷洒路线。

(5) 对于雨喷淋喷头要求至少有两路独立的供水管路供水，主供水源为来自自动激活的雨喷淋阀组，此一路水可来自由隔离阀隔开的主消防管路的另一部分，阀门可为手动激活。

(6) 喷淋阀组的放置位置可从紧急控制站由安全通道方便地到达，且需要布置在被保护区域以外的地方。此外，在寒冷区域，还要求确保在喷射之后，喷淋管线内不会出现积水现象，所有地点的水均可排空且雨淋阀还需要带有测试管线[1]。

以上6点是对所有区域消防雨喷淋系统设计的总体要求。以钻井甲板为例，具体阐述满足上述要求的喷淋水量计算、喷淋阀选型、喷头选型和数量计算及喷头布置等方面的设计要点，其它区域的设计步骤和要点与此类似。

2　钻井甲板喷淋阀的选择及喷头数量的初步计算

根据钻井甲板布置图，首先需要确定钻井区域保护面积的大小。以该钻井船为例，钻井区域的面积以有连续的挡风围壁隔离出的面积大小为计算依据，从钻井甲板布置图上测量得出。该船钻井区域面积为484 m2，需要的最小喷淋水量可按式(1)计算：

(1)

式中：Q为喷淋水量，L/min；A为喷淋区域的面积，m2。

因此，该船的最小喷淋水量为：Qmin=4 840 L/min。

内容一：情境导入。通过课前任务，学生对求职面试的背景知识已有所了解；但多数学生没有相关体验，所以教师通过面试的视频导入，激活学生。

依据计算得出的雨喷淋水量和喷淋阀门厂家提供的阀门流量数据，选择通径合适的喷淋阀型号，该项目通过比较阀门厂家提供的流量数据(见表1)，选择通径为150 mm(GW MODEL 100-01)的雨喷淋阀组。图1为喷淋阀组内部原理图，喷淋阀由F&G系统(火警和气体探测系统)在探测到火灾后自动释放，在喷淋阀出口设置有压力传感器，用于喷淋系统建立压力后反馈信号至F&G系统，作为喷淋阀的开启指示。尺寸合适的喷淋阀在消防水通过阀门时，压力损失较小，可降低喷淋管网的压力降，从而最终节省喷淋水泵(一般由消防水泵兼用)的压头，提高整个消防系统的设计经济性。

表1　MODEL 100-01喷淋阀流量数据表

图1　雨喷淋阀组内部原理图

接下来需要选择合适的喷头型号，初步计算喷头的数量。雨喷淋喷头种类有很多，不同型式的喷头参数也不同。在喷头型式选择时，主要考虑以下几点：

(1) 海洋平台钻井区雨喷淋系统要选择开式喷头，这个特点和生活区喷淋系统有区别。

(2) 喷头喷水速度，按照喷洒速度，可分为高速喷头与中速喷头；喷头的喷洒速度会影响到喷水量的大小，从而间接影响喷头的数量。

(3) 喷洒覆盖角度范围，按照喷洒覆盖角度，可分为广角喷头与窄角喷头；喷洒覆盖角度和拟覆盖的设备大小有关。

在决定喷头数量前，首先需要预先计算出单个喷头的喷水量，喷头的喷水量可根据式(2)做初步计算[2]。喷头喷水量Qp的大小由喷头自身的流量系数K和喷头入口处的压力P两个参数决定。

(2)

对于设备布置简单或布置空间没有限制的被保护区域，全部喷头可以只选择一种类型，这样喷头最小数量Nmin可以根据公式(3)计算得来。

(3)

但是在很多情况下，受被保护区域内空间位置及各被保护设备周围布置条件的限制，如设备很集中的钻井甲板区域，在同一区域内，可能会选择多种喷头类型，尤其是高速和中速喷头经常会混合使用。如果同一区域内有多种类型的喷头，各种类型喷头数量由公式(4)计算决定。

(4)

式中：Qpi 为第i种喷头类型喷水量，L/min； Ni为第i种喷头数量。

以该项目为例，钻井甲板喷头数量选择了3种喷头，具体如下：MV1型(K=41)27 个，HV3型(K=44)2个，HV4型(K=46)15个，流量计算根据公式(4)及公式(2)可得：

Q=∑Qpi·Ni=∑Ki· P Ni=41×3×27+44×3×2+46×3×15=5 655L/min

P的大小在前期设计阶段可以根据消防泵的排压和钻井甲板的高度位置取一预估值来计算。后期在水力校核计算时可做精确计算，此时的计算结果与公式(1)规范要求的最小量4 840 L/min做比较，理论上只要大于最小水量即满足规范要求，但实际上通常至少放置1.2倍的水量安全系数，以保证在后期水力校核计算时不会有水量不足的风险。

3　喷头布置方案的最终确定及最终水力校核计算

深水钻井船钻井甲板上空间小，设备布置紧凑，同时上面的排管设备为自动化操作设备，这些设备操作时处于运动状态，有复杂的运动轨迹且活动范围大。雨喷淋喷头的布置位置既保护到各设备又不影响到相关设备的自动化运动是设计的难点，需要由钻井工程设计公司在做钻井甲板设备布置时做统筹考虑。如果是由船厂(或雨喷淋厂家)做喷头布置，从目前已完工的经验看，后期需要调整的位置很多，经常会出现喷头和自动化钻井设备运动轨迹干涉的问题或喷水覆盖范围被阻挡而出现喷水不足的现象。但随着我国承建的深水钻井船(或钻井平台)项目经验的增加，可借鉴的由国外知名设计公司提供的钻井甲板布局方案的增多，总结借鉴这些公司对钻井甲板区域设备布置的经验，未来可尝试由船厂设计人员做喷头的选型及布置，可以减少对这些国外知名设计公司的外包设计工程量，节省设计成本，同时也可以提高自主设计水平。欧美设计公司对本深水钻井船钻井甲板雨喷淋系统的喷头选型及布置方案，有以下几个要点值得研究和学习：

(1)虽然钻井甲板上的设备很多，但下述的几个设备需要做重点保护，即喷头水雾需要完全覆盖到设备表面：

(a) 泥气分离器，节流及压井管汇，水泥管汇，泥浆管汇。

(b) 井口或钻盘中心。

(c) 井口周围的人行通道。

(2) 对于泥气分离器、节流及压井管汇、水泥管汇、泥浆管汇这几个设备，由于在钻井过程中可能含有燃点低于66℃的燃油类，对于这几个设备推荐使用中速喷头。而对于井口或钻盘中心及其他位置，推荐选用高速喷头。

(3) 以上(1)和(2)条提到的地方尽可能选用120°广角喷头，以便完全覆盖到所保护的设备表面，其它地方选用90°窄角喷头。

图2为钻井甲板雨喷淋喷头最终的布置示意图，其中阴影部分为喷头可完全覆盖到的区域。在喷头布置阶段，需要检查初步计算阶段所选择的喷头类型和数量是否能把以上所述的各重要设备及通道都覆盖到，

图2　钻井甲板雨喷淋喷头覆盖阴影图

如果没有完全覆盖到，可以增加喷头的数量或修改喷头的型号。但此阶段做的任何喷头数量或型号的修改，尤其是修改喷头型号时，需要重新根据式(4)及式(2)做水量计算以确保修改后的喷水量不小于原喷水量。另外，如果钻井甲板喷头布置与钻井设备布置是由不同的设计方完成的，则还需双方做INTERFACE接口界面检查，以避免喷头阻挡钻井机械自动化操作时的运动路径。

在喷头位置及相关的水喷淋管路设计完成后，需要根据水消防及水喷淋管路的实际布置路径(即管路ISO图)精确计算各喷淋支管的水力损失，得到各喷头入口处的实际压力，再根据式(4)和式(2)精确校核各喷头的最终喷水量，且需要提供正式的雨喷淋管路水力损失及喷头实际喷水量计算报告送审船级社作为系统认可的一部分。由于钻井甲板范围较大并且需保护的各设备位置较分散，雨喷淋管路布置路径通常也比较复杂，目前各设计单位均使用PIPENET或AFT Fathom水力软件来做水力损失计算，从而代替原来的手工计算。

4　结语

详细介绍了深水钻井船钻井甲板消防雨喷淋系统的设计方法，在做其它区域的雨喷淋系统设计时，相关的喷淋水量计算、喷淋阀选型、喷头数量计算以及喷头布置方法均与其类似。此外，就钻井相关区域的消防要求来说，规范对自升式和半潜式钻井平台雨喷淋系统的设计要求基本是相同的。所以，以上设计方法除了适用于深水钻井船外，也适用于这两种钻井平台的消防雨喷淋系统设计。

[1]海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南[M]. 北京：石油工业出版社，2001.

[2]华斌，陈艳艳，霍有利.海上平台水喷淋系统喷嘴选型[J]. 中国造船，2007，48(A1)：103-106.

[3]胡志良，邓燕，武峰.海洋平台工艺设备湿式消防管线设计 [J]. 石油和化工设备，2011，14(6)：27-29.

Deluge System Design for Drillfloor of Deep Water Drillship

CHENG Yong-ping， REN Yi-li

(Yantai CIMC Raffles Offshore Co., Ltd, Engineering Center，Shandong Yantai 264000, China)

Combined with some deep water drillship, the drillfloor deluge system design essential points was introduced, which include deluge system design general requirement, spray water amount calculation, spray nozzle type choosing and spray coverage define, and the nozzle arrangement with the drilling equipment moving position etc.

drillship; drillfloor; deluge; system design

2015-05-20

程永平(1977-)，男，工程师。

1001-4500(2016)04-0014-05

U664

A