防爆A60防火空气潜水系统研发

肖晓凌 许胜华 李宗伟 林颖嫔 程 微 徐 进,2 曾 勇 闫向峰

（1.深圳市杉叶实业有限公司，深圳 518067；2.交通运输部上海打捞局，上海 200090；3.上海水下救捞工程技术研究中心，上海 200090；4.上海打捞局芜湖潜水装备厂，芜湖 241060）

近海油气田设施在生产过程中会储存、使用、产生或处理大量具有可燃性或爆炸性的物料。由于操作不当和设备故障等，生产现场将不可避免地存在易燃易爆物质的泄漏问题。当易燃易爆物质在空气中的浓度达到爆炸极限时，一旦遇到足够能量的点燃源，就会产生火灾或爆炸等事故，从而给人们的生命、财产安全带来严重威胁，甚至危及设施安全，造成严重的灾难性事故。因此，无论在工程项目设计、爆炸危险场所区域划分，还是设备选型、安装、使用、维护和修理等环节，都必须充分辨识爆炸风险，严格按照GB 3836爆炸性环境系列国家标准和其他相关法规、规范等要求，采取有效的技术处理措施，以防止发生爆炸事故。

近年来，海油系统除对程序和人员等提出了更高要求，也对作业设备的本质安全提出了更多、更高要求。海上油气田设施结构对设施防爆区域及等级划分十分明确，且对到油气田平台进行作业的设备安全性要求越来越高。因此，相关设施要完全遵循海上设施移动模块的相关规范要求，特别是风险系数更高的天然气生产平台。受限于平台甲板可用面积，潜水系统必然会有部分关键潜水设备需布置在海上设施危险区Ⅱ类区域的相应位置。因此，潜水系统也必须遵循海上设施移动模块危险区域布放的相关安全要求，以保证作业的设备安全要求符合海上设施危险区Ⅱ类区域的相关防爆技术要求[1]。

1 海上设施危险区对设备的防爆要求

海洋平台的爆炸危险源主要是天然气或油蒸汽，并没有粉尘类危险源。在正常运行时，油气处理设备中或者含有油气处理设备的所处区域一般不会出现爆炸性气体混合物。即使出现也是偶尔发生，且仅是短时间存在，按照有关标准和规范应划为一级Ⅱ类区域（即国标的危险区Ⅱ类）[2-5]。

海洋平台可燃气体主要是天然气，主要成份是甲烷以及少量的乙烷、丙烷等气体[6]。它的爆炸性危险气体分类为ⅡA，温度组别为T3。海洋平台的危险区Ⅱ类区域通常要使用隔爆型的防爆型式，对于危险区Ⅱ类区域无法要求使用隔爆型的电气设备，也可以使用增安型和正压通风型[2]。

表1 Ⅰ、Ⅱ类危险区电气设备防爆型式的选择

2 空气潜水系统目前存在的问题

在海上设施技术保障和设施完整性管理方面，需要定期或者不定期进行大量的海洋生物清理、水下检测、评估、安装或维修等潜水作业。常规空气潜水系统一般由备用应急柴油发电机组、含动力电源（压缩机、动力配电装置）的空气气源系统、含低压电气（通信、音视频录音录像监控和备用应急电源）的潜水控制系统、脐带、软管、潜水员个人装具、潜水员入出水系统（吊笼或开式潜水钟）、液压动力驱动或气动的吊放装置和含低压电气（通信、音视频录音录像监控、环境参数监控设备和备用应急电源）的潜水减压舱直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）等系统组成[7-8]。系统中包括有柴油机系统、电气配电装置以及压缩机等机械设备或低压电子/电气装置等。

在海上设施潜水作业工程项目中，由于受场地限制，潜水系统常常需布置在危险区Ⅱ类区域。随着南海流花气田群和陵水气田群等大量新开发油气田陆续投产，海上油气设施对设施防爆区域及等级划分越来越严格。特别是对于气田海上设施，其安全性要求更为严苛。因此，潜水系统布放在危险区Ⅱ类区域，应满足不同的防爆和防火要求。

目前，国内外的潜水系统均为常规潜水系统，暂时没有符合危险区Ⅱ类的潜水系统。相关潜水系统或设备布置在临近危险区Ⅱ类区域作业时，只能采用程序控制的方式。因此，研发建造符合危险区Ⅱ类区域使用的常规空气潜水系统，在既符合各相关潜水标准和规范要求的同时，又能够满足防爆、防火安全要求，是实现潜水系统满足危险区Ⅱ类区域作业安全要求的根本。

3 空气潜水系统的防爆技术研究及设计方案选择

目前，海上设施的电气防爆等级要求都是ExdⅡ BT4，防护等级为IP56[6]。根据《近海服务模块》（DNVGL-OS-E402 2）危险与安全区域防火要求和BV潜水支持装置入级规范第7节防火安全和防火结构等相关潜水系统和装置规范的要求，布置在涉及海上设施危险区Ⅱ类区域的潜水系统必须满足A60防火要求，且防爆要求应满足爆炸气体环境危险区Ⅱ类的标准。场所中危险气体按爆炸性气体分类为ⅡA，其温度组别大于200 ℃，即温度组别为T3[9-12]。与一般海上设施相比，它的防爆要求更高。

按照以上技术要求，确定用于危险区Ⅱ类区域潜水系统的防爆设计使用范围为Exd Ⅱ AT3。针对潜水系统中不同的设备（如机械动力设备、电控元器件、空压机组、电接插件、低压电气控制以及监控系统电器柜等），确立采用本安型（i）、增安型（e）、隔爆型（d）、正压外壳型（Expz）等不同的防爆技术单独或组合使用的方式，并采用IP56防护等级的技术路线。

3.1 机械和结构防爆技术

按照有关规则要求，布置在危险区Ⅱ类区域内的潜水气源中的压缩机设备在安装过程中应避免由于静电或运动摩擦而产生火花引燃的危险，以及由于机械设备裸露部件高温而引燃的危险。它的电气设备、电气仪表及控制装置应满足电气防爆的有关规定[1]。

防爆电气设备的防爆功能不仅能防止电气火花、静电火花和电器外壳高温等，而且可以防止冲击摩擦火花以及机械设备表面高温等。所以，防爆压缩机的防爆要求不仅要考虑单个防爆电气设备产生的火花和高温，而且要考虑因机械运动部件摩擦冲击产生的机械火花和高温。

防爆原理是运用相应的防爆技术控制和消除电气火花和机械火花，使其无法引燃所在环境区域内的爆炸性气体混合物。在压缩机机械设备防爆技术中，采用隔爆型（d）、本安型（i）、增安型（e）等措施实现防爆。机械防爆技术采用防静电的皮带传送技术，避免相对运动而使机械零部件之间产生摩擦静电火花，消除由于静电或运动摩擦而产生火花引燃易燃易爆气体的危险。按照相关要求，在空压机系统控制装置中增加安装有排气高压、低压报警、润滑油低油压报警关断以及排气超温报警等本安或增安型元部件，排气管等温度较高的管系包扎绝热材料能够有效隔绝热量，以避免机械设备裸露部件高温而引燃气体的危险，从而实现防爆[1]。

3.2 电气防爆技术

3.2.1 强电设备及电路的防爆措施

动力设备（如空压机、液压动力源）的驱动电机、电气控制柜、总电源开关、电气保护设施以及照明设施等，一般采用隔爆型（d）电气设备及电缆配线。它的防爆原理为间隙灭焰，即将能够引起火花、电弧或过热的元件部分置于防爆外壳中，以达到阻止内部爆炸生成物向壳外传播而引起爆炸的目的。

配线及分线盒、电源开关以及操纵急停开关等，一般采用增安型（e）电气设备。它的防爆原理是使其本身不成为引燃源，即本身采取一定的措施以避免产生火花、电弧或过热现象。配电柜的变压器或电阻器的隔离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应的温度组别T3进行选型，以保证满足相应的最高表面温度的要求[2]。温度组别、引燃温度和允许的设备温度组别之间的关系如表2所示

表2 温度组别、引燃温度和允许的设备温度组别之间的关系

3.2.2 弱电设备及电路的防爆措施

第一，系统外置的弱电设备及电路中，一般采用本安型（ia）或（ib）的防爆电气设备[1]，如气源集装箱、潜水控制室、DDC操控室的各外置控制开关、安全联锁限位开关、信号及各种传感装置以及通信装置等。第二，潜水控制系统和DDC操作控制系统中，由于操作人员基本处于密闭的场所，且相关的低压电气（通信、音视频录音录像监控、环境参数监控设备和备用应急电源）结构数量和组合较多，同时控制柜和控制台结构尺寸较大，因此难以采用隔爆型的防爆技术，只能采用正压通风型。将潜水控制室和DDC操控室的测量监控设备以及音视频通信记录设备等低压电器均放置于采用正压型（p）的正压房（集装箱）中，系统结构布置图如图1所示。除正压型电气设备采用隔爆型外，正压房内的所有其他电气设备为非防爆型，其防爆原理如图2所示。

图1 正压防爆潜水控制集装箱结构示意图正压防爆房防爆原理

在正压房内建立正压前或失压后仍需通电工作的电气设备（先得电设备）和仪表为安全用电设备（亦称重要设备），如正压防爆火气控制箱。这些设备本身必须具有独立的防爆设计，如隔爆型、本安型等。后续潜水系统配电的电气设备（后得电设备）通过正压防爆系统输出的安全电源供电，后得电设备则无需具有独立的防爆设计。

非防爆设计的储能电气设备，如不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）的电池等不能存放在正压房内。但是，按照潜水相关规范要求，潜水控制系统或DDC操控系统在异常断电时应配备有应急电源，以维持潜水通信和录像系统或DDC的环控监控设备一段时间内的正常运行[7]。为实现该功能，在系统平台安全电源的后端输出位置增设了控制台应急供电控制继电器，从而在潜水控制系统依据正压火控设备检测非易燃易爆气体故障的情况下，能够切换至平台安全供电的模式给潜水系统供电，以维持潜水应急处置。它的正压防爆潜水控制系统电气原理见图2。

图2 正压防爆潜水控制系统电气原理图

正压防爆与火气控制系统应满足以下条件：首先，正压控制集装箱通风系统的进气口设于安全区；其次，通风设备满足相应危险区域的防爆等级要求；再次，封闭的安全区域（正压房内）的气压应高于相邻的危险区域的气压，即正压通风；最后，设置可开启的自闭式气密门，门开启时通风空气是从危险程度较低处流向较高处，并安装有符合规范要求的火灾与可燃气体报警系统[1]。它的结构如图3所示。

图3 正压防爆与火气控制系统结构图

3.2.3 连接电缆的防爆措施

系统中的非本安型配线一般采用橡套圆形阻燃电缆和压紧螺母式引入装置，以防止拔脱，从而实现可靠密封。配电按照三相三线中性接地，电缆中间不允许有接头[1]的接线方式，特殊的电缆中应设防爆接线盒，如动力电缆、控制电缆、照明电缆和音响信号电缆等。

4 结语

海上油气设施需要定期或适时进行清理、检测、安装或维修等潜水作业。随着近海油气资源开采力度的不断加大，在役、在建或待开发的海上天然气田不断增多。气田设施对潜水作业设备的防爆要求较高，即使是油田的导管架平台，也经常由于甲板面积和结构的限制等因素需要将部分关键的潜水设备布置于危险区Ⅱ类区域或附近的适当位置，从而使设备面临爆炸的潜在风险。

正压防爆A60防火集装箱系统此前主要运用在油气田危险区的仪器仪表房中，如ROV控制箱和饱和潜水控制箱。目前，此类设备系统基本依靠进口，国内还没有防爆A60防火常规空气潜水系统。该研发结合了防爆、防火相关标准及国际船级社标准、规范等要求，采用正压/本安、正压/隔爆以及隔爆/本安等不同型式的组合防爆技术，结合国内外常规空气潜水系统相关标准的需求，经济、合理地设计、制造了符合海上油气田设施危险区Ⅱ类区域使用的防爆A60防火常规空气潜水系统，解决了空气潜水设备在海上油气设施危险区Ⅱ类区域中进行布置的难题，为保障海上油气设施的完整性提供了强有力支持，同时提升了我国潜水装备的研发、制造能力和行业潜水作业水准，对保障国家能源安全具有重要意义。