深水铺管船铺管区通风系统设计

张译元

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

随着经济的高速发展，我国愈发重视海洋油气的开发。随着海洋油气开发逐步走向深海，深水铺管船等大型海上施工设备的市场需求日益增大，拥有广阔的前景。

深水铺管船的主要任务是保障海底油气管线顺利安全地铺设。铺管作业区作为铺管船的管线装配区，设备多、运行工况复杂，且需人员长期值守，该区域的工作环境一直是业内关注的焦点。本文以某在建深水（3 000 m）铺管船为例，对各铺管作业区域的工作环境条件进行分析。根据工作区域的设备布置和工序操作，设计不同的通风系统气流组织方案并给出具体技术措施，期望能改善铺管作业人员的工作环境。

1 铺管区域环境条件分析

铺管船铺管作业的方式主要有3种：S型铺管（S-Lay）、J型铺管（J-Lay）和卷筒式铺管（Reel-Lay）。本文研究的深水铺管船采用S型铺管方式，S型铺管作业流程如图1所示，可分为多道工序。其中，管节对中、焊接、焊缝检验、接头包敷和管线入海工序均在铺管船内部完成。图2为本文深水铺管船铺管作业区域的布置图，根据工序的不同，将铺管作业区域划分为5个不同的功能区，每个功能区具有不同的环境条件。

图1 S型铺管作业流程图

图2 铺管作业区域布置图

主作业线区设置在铺管船中部，总长达120 m。两侧设有对外开口，形成半敞开区域。由于管量较多，在左舷和右舷处共设有2个双节管预制区。主作业线区和双节管预制区的设备相对较多，工作主要为焊接作业，此过程会产生大量的焊接烟尘，严重污染舱内环境。为改善员工工作环境，需对主作业线区和双节管预制区进行烟尘治理。

焊接作业过程中的烟尘会形成焊接烟羽，烟羽的流量随着上升的高度不断增加。主作业线区和双节管预制区层高均达到8 m，因此，在舱室顶部区域极易形成烟羽聚集。焊接作业过程会产生很多热量，人员长时间工作在高温区域，极易产生不适。

开坡口区、探伤区和主对中区域有大量锁紧设备和吊装设备，但这些设备工作时发热量都较小。这3个区域层高均达到8 m，属于高大空间。高大空间在空间层上会形成温差梯度，人员工作主要集中在下部空间，通风效果会影响工作人员的工作环境温度和空气品质。此外，这些区域顶部吊梁和吊口过多，会影响风管布置，进而增加通风设计的难度。

2 通风系统设计方案介绍

根据环境条件的不同，可将铺管作业区域分为高粉尘区、空间限制区和高热量区。下面分别对上述3区域的通风系统设计方案进行介绍。

2.1 高粉尘区系统方案设计

主作业线区和双节管预制区是易出现高粉尘的区域。针对这2个区域的特点，分别给出不同的通风设计方案。

2.1.1 主作业线区

主作业线区较长且为半敞开区域，由若干移动焊接工作台和张紧器组成。移动焊接工作台在工作时会产生大量有害烟尘，造成区域内烟尘集中。

对于一般的工程船舶，通常采用的舱室通风方案为对整个舱室空间进行机械通风换气。与一般机械舱室不同，主作业线区产生的烟尘过于集中，局部烟尘量过大。若仅通过机械通风来达到要求，会导致通风口数量多，进而占据作业空间。此外，区域两侧的大开口会引入外界气流，对整个舱室的通风系统带来干扰，进而产生烟尘滞留等一系列问题。

针对上述问题，本例中采用机械通风加局部除尘通风相结合的方式进行舱室除尘，可在焊接作业源头处吸收烟尘，不受外界气流的影响。本文所述深水铺管船依据《船舶设计实用手册》进行机械通风设计；依据《除尘装置系统及设备设计选用手册》，并结合焊接工作台的最大焊接烟尘量选择除尘通风装置，除尘通风装置主要由离心风机、过滤除尘主机和吸入装置组成。移动焊接工作站的气流组织示意见图3，在焊接工作台上方设置吸气臂，其活动半径可完全覆盖整个工作台区域。目前，吸气臂的灰尘捕捉效率可超过95%，过滤除尘主机的集尘效率可达到99.99%。

图3 移动焊接工作站气流组织示意

对于集中散发焊接污染物的主作业线区，采用机械通风加局部除尘通风相结合的方式效果良好。即使室外风速过大，以至于影响室内气流时，采用机械通风加局部除尘通风相结合的方式依然可保证以最小的风量有效防止有害物扩散。

本文研究的深水铺管船的主作业线区域较长，故将作业线分为首尾2部分，共配置4台排风机和4台送风机。如图4所示，该深水铺管船采用“下送上排”的气流组织方式，即通过气流挤压的方式，在房间下部送入新鲜空气，从上部排出高温浑浊气体，从而实现换气。

图4 “下送上排”气流组织方式示意

2.1.2 双节管预制区

不同于主作业线区的移动焊接工作站，双节管预制区主要对管路进行预制焊接，焊接作业较多，固定的焊接工作点较多且分散，各个焊接工作点一般不同时工作。

双节管预制区不适合参照主作业线区的做法，在每个焊接工作点都布置局部除尘通风装置，具体有3点原因：1）舱室空间有限，不允许布置那么多局部除尘通风装置；2）成本过高；3）因焊接工作点较多，局部除尘装置存在不能及时排除所有烟尘的情况，此时室内热源会将风机输送进来的室外低风速空气加热，导致该部分空气密度减小，有害的焊接烟羽因浮力作用上升，上部烟羽聚集不利于有效排除有害气体，会导致室内污染物浓度不断加大。

对于双节管预制区，采用机械通风、局部除尘通风和诱导通风相结合的方式效果良好。机械通风气流组织方式与主作业线区的气流组织方式相同，故不再赘述。分布较为分散的工位采用可移动式除尘装置，点对点式处理。由于焊接作业不是同时进行，焊接烟尘释放量变化较大。除尘装置安装有变频风机，吸入装置的吸气罩口处安装有可调风量大小的阀门，以便根据烟尘量的变化及时调节风量，快速处理焊接排出的有害气体和粉尘颗粒。诱导通风可有效扰动舱室顶部空气，避免产生通风死角，促进烟尘排除（见图5）。即使在送排风机停止运转时，仅靠诱导风机也能够让空气顺畅流动起来，实现局部通风换气。

图5 诱导通风示意

在主作业线区和双节管预制区进行焊接作业时应尽量采用高真空吸尘系统，该系统由高真空吸嘴和焊枪组成。高真空吸尘系统利用较小的风量，可在焊接点源头将高温、高浓度的烟尘吸除，减小工作人员吸入烟尘颗粒的风险。

2.2 高大空间和空间受限区系统方案设计

开坡口区、探伤区和主对中区域的层高均超过7 m，设备发热量均较小，这3个区域主要需要考虑空间换气。由于3个区域的功能不同，在进行通风系统设计时需分别考虑。

2.2.1 开坡口区

开坡口区切割设备的布置较为集中，且设备发热量较小，主要需要考虑空间换气。由于此区域配有行车和顶部吊口，故不便布置风管。

采用侧送风的方式，在提高风速的情况下，送风范围可覆盖整个区域。为及时处理开坡口区的细小颗粒物，排风口应布置在工作区域附近。综合考虑设备布置情况，风口采用“同侧送、同侧排”的布置方式（见图6），可在区域内形成较好的气流循环。

图6 开坡口区风口布置及气流组织示意

2.2.2 探伤区

探伤区主要进行的工作流程是检验焊接质量。探伤区域人员活动较为分散，除考虑空间换气外，还需满足工作环境空气品质的要求。

本文研究的深水铺管船的探伤区底部需要设置多处侧送风口，为人员活动区提供清新空气。探伤区域的污染物和热空气都较少且不易在顶部集聚。因此，可在顶部集中设置2个排风口，这样可减少排风管的数量，既能实现减重，又不影响舱室换气和吊梁工作。探伤区风口布置示意见图7。

图7 探伤区风口布置示意

2.2.3 主对中区

主对中区位于艏部，属于高大空间通风类型，设备发热量较小，主要考虑区域换气。但该区域宽度达23 m，且顶部空间全部被吊梁占满，对风口布置的影响较大。

本文研究的深水铺管船的主对中区宽度过大，风口不适合采用“同侧送、同侧排”的布置方式。此时，采用异侧送排的方式对风口进行布置（见图8）。送风口把新鲜空气输送到人员区域内，通过气流组织实现从右到左将空间内气体高效排出。此种风口布置减少了风管数量，可有效实现减重。

图8 主对中区域风口布置和气流组织示意

2.3 焊接高温区系统方案设计

主作业线区和双节管预制区的焊接作业较多，局部温度过高，经常引起工作人员的不适，如何对这些高温区域进行有效处理，是通风设计的重点之一。

考虑到焊接高温区多为高大空间，若在整个区域设置空调系统，则会存在冷量浪费，不宜采用。此外，若空调送风口距离焊接点过近，较低温度空气流过焊接表面时也会影响焊接质量。

为有效解决这一问题，在每个焊接工作站旁布置风机盘管和送风软管，工作人员可根据自身实际需求调节空调送风口的方向，实现身体局部降温。在不进行焊接作业时，可独立关闭风机盘管，这样并不会对舱室通风的气流组织产生影响。

3 结论

铺管船铺管作业区的通风效果对设备和人员的工作环境有较大影响。本文根据作业特点的不同，对铺管作业区进行分类，并分别对每一类别的通风方案进行设计。

1）高粉尘区：当焊接点布置较为集中时，采用局部除尘通风与机械通风相结合的方式；当焊接点布置相对分散，控制点较多时，采用诱导通风、局部除尘通风和机械通风相结合方式。

2）高大空间和空间受限区：采用机械通风“同侧送、同侧排”的方式，提高风速，减少管路布置。

3）焊接高温区：在焊接工作站附近布置风机盘管和送风软管，工作人员可根据自身实际需求调节空调送风口的方向，实现身体局部降温，减少焊接温度过高对人员产生的影响。

在进行铺管区通风系统设计时，需了解各工作区的工作特性和通风需求，进行个性化通风布置。在确保设备能够正常工作的前提下，降低船舶能耗，节约运营成本，为工作人员提供良好的作业环境。