海上油氣生產(chǎn)設(shè)施臨時避難所設(shè)計
——以“深海1號”能源站為例

李艷華，張偉娜，覃柳莎，許曉麗，霍有利

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

臨時避難所是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生火災(zāi)爆炸時為人員提供庇護的場所，可以為人員在緊急情況下疏散、集合、決策、撤離爭取時間。目前國內(nèi)外關(guān)于海上油氣生產(chǎn)設(shè)施臨時避難所的設(shè)計還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。已有的海上平臺臨時避難所設(shè)計各不相同［1-3］。國內(nèi)外可參考的相關(guān)規(guī)范對臨時避難所的功能要求為在完成撤離過程所需的一段時間內(nèi)臨時避難所要能保證人員安全［4-6］，但是規(guī)范對于如何實現(xiàn)該功能卻沒有明確的要求和規(guī)定。目前國際知名石油公司對于海上生產(chǎn)設(shè)施的臨時避難所設(shè)計均有自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是國內(nèi)在這一領(lǐng)域尚屬空白。為提升平臺的整體安全水平，保障作業(yè)人員在緊急情況下可以安全撤離，在我國首個超深水氣田開發(fā)半潛平臺“深海1號”能源站上設(shè)置了臨時避難所。本文介紹了在“深海1號”能源站臨時避難所設(shè)計過程中，將規(guī)范的功能要求轉(zhuǎn)化為可實施的工程設(shè)計指標(biāo)并成功應(yīng)用的思路和方案設(shè)計，嘗試建立海上生產(chǎn)設(shè)施臨時避難所設(shè)計的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為后期類似項目的臨時避難所設(shè)計提供參考。

1 臨時避難所設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范要求，海上油氣生產(chǎn)設(shè)施臨時避難所的主要功能是為生產(chǎn)設(shè)施上的人員提供一定時長的庇護。為實現(xiàn)這一主要功能，需要將其轉(zhuǎn)化為具體的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合海上油氣生產(chǎn)平臺的特點及主要風(fēng)險，將規(guī)范規(guī)定的主要功能拆分為以下4個子功能：

（1）結(jié)構(gòu)支撐功能：海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上的主要危險來自火災(zāi)爆炸事故產(chǎn)生的高溫輻射和爆炸超壓對結(jié)構(gòu)的沖擊破壞，因此臨時避難所應(yīng)能夠承受一定強度和時長的火災(zāi)與爆炸沖擊。

（2）生命支撐功能：人員在避難所內(nèi)集合后，避難所應(yīng)能提供必要的生命支持元素，如氧氣濃度、阻止煙氣和可燃?xì)馊肭?、適宜的環(huán)境溫度等。

（3）指揮支持功能：在臨時避難所內(nèi)，操作人員應(yīng)能夠與外界保持通信，必要時尋求外部的救援，能夠?qū)ιa(chǎn)設(shè)施上的各處監(jiān)視和控制，采取必要的措施減緩事故后果。

（4）逃生疏散功能：避難所的位置應(yīng)保證人員在緊急情況下能夠安全到達，并且從避難所內(nèi)可以順利進入救生艇或者直升機進行撤離。

上述4項子功能進一步分解為三級指標(biāo)，從而將避難所的功能需求轉(zhuǎn)化為可以實現(xiàn)的工程設(shè)計方案。表1列出了臨時避難所首要功能、4項子功能和三級指標(biāo)的分解情況。

表1 臨時避難所功能指標(biāo)分解Tab.1 Breakdown of functional indicators of the temporary refuge

2 “深海1號”臨時避難所設(shè)計方案

2.1 臨時避難所整體方案介紹

“深海1號”能源站的臨時避難所設(shè)置在平臺生活樓1樓餐廳和與之相連的走廊，如圖1所示。避難所面積為182 m2，平臺定員120人，人均面積為1.5 m2。臨時避難所面向大海一層有常閉防火門通往救生艇登乘區(qū)。避難所層高3.5 m，體積為637 m3。避難與生活樓內(nèi)部的其他房間采用防火墻分隔。

圖1 臨時避難所集合區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of assembly area of the temporary refuge

2.2 結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)是臨時避難所的重要組成部分。根據(jù)臨時避難所功能指標(biāo)分解表，結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)應(yīng)考慮耐火完整性和耐爆炸沖擊載荷完整性兩方面性能。為確定“深海1號”能源站上火災(zāi)爆炸事故的強度和影響范圍，確定臨時避難所結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的防火防爆設(shè)計參數(shù)，對平臺進行了火災(zāi)爆炸模擬分析計算?；馂?zāi)爆炸分析結(jié)果顯示，平臺上生活樓可能遭受的火災(zāi)類型是烴類物質(zhì)的池火，火災(zāi)持續(xù)時間29 min，平臺可能承受的最大爆炸超壓約為45 k Pa。

根據(jù)火災(zāi)爆炸計算結(jié)果，考慮一定的安全系數(shù)后確定臨時避難所所在生活樓的整體結(jié)構(gòu)，支撐防火防爆設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 臨時避難所結(jié)構(gòu)支撐平面和立面示意圖Fig.2 Plan and elevation diagram of structural support of the temporary refuge

（1）生活樓除面向大海一側(cè)外，其余三面墻體采用H60防火墻進行保護。H60防火墻可以在最高1 200℃火焰溫度下，保證墻體結(jié)構(gòu)的完整性，阻擋火焰和煙的通過，并且在60 min時間內(nèi)保證墻體背火面的溫度升高不超過139℃。

（2）生活樓面向工藝區(qū)的墻體采用可耐受150 k Pa超壓壓力的防爆墻進行保護，確保在發(fā)生爆炸時臨時避難所整體結(jié)構(gòu)不因爆炸超壓發(fā)生變形和坍塌。

（3）生活樓正下方為公用設(shè)備區(qū)域和房間區(qū)域，該區(qū)域用防火墻和防爆墻與工藝區(qū)隔離，減少生活樓下方結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)爆炸損害的可能性。

2.3 生命支持系統(tǒng)設(shè)計

臨時避難所的生命支持系統(tǒng)主要功能為人員在集合區(qū)等待期間提供必要的生命支持條件，包括氧氣供應(yīng)，稀釋二氧化碳濃度，阻止有毒煙氣入侵，維持避難所內(nèi)室溫穩(wěn)定。為臨時避難所內(nèi)提供足夠的通風(fēng)可以同時實現(xiàn)上述4項功能［7］。在正常情況下，避難所內(nèi)的通風(fēng)由平臺的通風(fēng)系統(tǒng)供給，在火災(zāi)爆炸事故條件下，平臺通風(fēng)系統(tǒng)存在失去電源無法正常工作的問題?；馂?zāi)爆炸伴隨大量可燃?xì)饣蛘邿煔鈹U散，通風(fēng)系統(tǒng)的入口被可燃?xì)夂陀卸練怏w入侵后，通風(fēng)系統(tǒng)也將自動關(guān)閉，避難所將失去通風(fēng)。為解決上述問題，保證避難所在緊急情況下的通風(fēng)供給，在“深海1號”能源站上設(shè)計了一套獨立的空氣供給系統(tǒng)。該空氣供給系統(tǒng)由空氣壓縮機、高壓儲氣瓶、減壓單元、系統(tǒng)控制閥門、空氣分配單元以及相應(yīng)的管道、閥門附件組成。圖3所示是系統(tǒng)的工作流程圖。

圖3 空氣供給系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Working flowchart of air supply system

空氣供給系統(tǒng)按照人均1.4 m3空氣每分鐘儲存空氣，可以連續(xù)供應(yīng)新鮮空氣60 min?？諝夤┙o系統(tǒng)在提供氧氣的同時，也保證了避難所內(nèi)的微正壓，阻止了有毒煙氣的入侵。在正常情況下，利用空氣壓縮機將空氣壓縮成30 MPa的高壓空氣儲存在高壓氣瓶組內(nèi)。通過二級減壓后，低壓空氣通過系統(tǒng)控制閥進入避難所內(nèi)。系統(tǒng)控制閥設(shè)置在臨時避難所內(nèi)。在正常情況下，系統(tǒng)啟動閥為關(guān)閉狀態(tài)，閥門上游的管線內(nèi)充滿空氣。人員在避難所內(nèi)打開空氣供給系統(tǒng)的啟動閥門，空氣通過下游空氣分配單元均勻地分配進入臨時避難所內(nèi)。系統(tǒng)控制閥通過下游的流量開關(guān)與壓縮機的啟動進行互鎖，系統(tǒng)往臨時避難所內(nèi)提供空氣時，壓縮機將禁止啟動，從而避免有毒有害空氣通過壓縮機進入臨時避難所。該系統(tǒng)為機械啟動方式，不依賴平臺提供動力源，系統(tǒng)可靠性高，在平臺緊急關(guān)閉的情況下可以持續(xù)提供空氣。

2.4 指揮支持系統(tǒng)設(shè)計

臨時避難所指揮支持系統(tǒng)的主要功能是提供避難所與外部的通信，在避難所內(nèi)進行生產(chǎn)關(guān)斷和消防系統(tǒng)啟動以及平臺監(jiān)視。在“深海1號”能源站避難所內(nèi)設(shè)置衛(wèi)星電話與陸地終端通信，保持與外部區(qū)域通信。避難所內(nèi)設(shè)置應(yīng)急操作按鈕，可關(guān)停生產(chǎn)、啟動消防泵以及進行棄平臺的相關(guān)操作。在陸地終端設(shè)置“深海1號”能源站生產(chǎn)監(jiān)控站，對整個平臺進行遠(yuǎn)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及平臺姿態(tài)監(jiān)控，在緊急工況下可對平臺進行遠(yuǎn)程應(yīng)急處理。

2.5 疏散逃生系統(tǒng)設(shè)計

疏散逃生系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證人員可以安全抵達臨時避難所和從避難所撤離。疏散逃生系統(tǒng)的設(shè)計可以從進入避難所的通道向逃生方向指示，從避難所撤離的通道、撤離方式以及個人防護等方面進行考慮。

“深海1號”能源站的臨時避難所位于生活樓內(nèi)，如圖4所示，平臺上沿著甲板外沿設(shè)置逃生通道，從南北兩側(cè)進入生活樓，2個方向的通道相互遠(yuǎn)離，保證操作人員在發(fā)生事故時至少有一條通道可以進入臨時避難所內(nèi)。平臺上沿著通道設(shè)置了照明系統(tǒng)以及逃生方向指示設(shè)施。照明由平臺應(yīng)急電源供電，平臺主電失效后，應(yīng)急電源可提供18 h的電力供應(yīng)，保證通向避難所的通道可用。逃生指示設(shè)施在黑暗條件下可以自發(fā)光10 h，持續(xù)為操作人員指示逃生方向。

圖4 平臺疏散通道示意圖Fig.4 Schematic diagram of evacuation passage on the platform

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上常用的人員撤離方式是直升機撤離和救生艇撤離。如圖1所示，臨時避難所通過開向面臨大海一側(cè)的門撤離進入救生艇登艇區(qū)。在避難所內(nèi)也可以通過生活樓內(nèi)部樓梯進入直升機登乘區(qū)。生活樓整體采用防火墻和防爆墻保護，可以有效阻擋火煙和熱對救生艇登艇區(qū)的破壞，保證逃生撤離方式的安全。

在臨時避難所內(nèi)按照平臺的定員配置了120套個人救生設(shè)備，每套設(shè)備包括緊急逃生呼吸器、安全手電燈和防熱手套。緊急逃生呼吸器為供氣式呼吸器，可以提供15 min空氣供應(yīng)，保護人員在從避難所撤離時不受有毒煙氣的損害。

人員逃生、集合、撤離所需的時間是影響臨時避難所的一個重要參數(shù)，它決定了臨時避難所其余各項系統(tǒng)需要保證功能完整性的時長。在計算人員逃生、集合和撤離時長時需要考慮以下幾個因素：

（1）事故被發(fā)現(xiàn)，報警所需要的時長。

（2）人員對工作現(xiàn)場進行緊急處理的時長。

（3）人員從最遠(yuǎn)點到臨時避難所步行所需要的時長。

（4）在臨時避難所內(nèi)點名，做決策的時長。

（5）人員登上救生艇的時長。

（6）救生艇下放到海面的時長。

基于緊急情況的不可預(yù)測性，上述各個環(huán)節(jié)所需時長很難精確計算，只能依據(jù)設(shè)施實際情況進行合理假設(shè)。事故被發(fā)現(xiàn)觸發(fā)報警所需時長與事故嚴(yán)重程度有關(guān)，人員逃生撤離的事故被發(fā)現(xiàn)所需時間應(yīng)較短，“深海1號”避難所設(shè)計時考慮該時長為2 min。人員從最遠(yuǎn)點到臨時避難所步行所需時長要綜合考慮人員在斜梯、平坦路面、直梯上的行進速度的不同，“深海1號”最長逃生距離為從船體底部到生活樓，合計步行時間為5 min。在避難所內(nèi)點名以及全員登艇所需時長與平臺定員人數(shù)相關(guān)，人數(shù)越多，所需時間越長?！吧詈?號”定員120人，兩項時長分別計算為5 min和6 min。救生艇下方時長參考平時演練的實際時長，考慮10 min。合計逃生疏散所需時間為28 min。

生命支持系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)保持功能完整性的時長不能低于逃生疏散所需時長?？紤]一定安全系數(shù)后確定“深海1號”防火墻，選擇耐火時長為60 min，空氣供應(yīng)系統(tǒng)可以提供60 min空氣。

3 結(jié) 語

如何將規(guī)范要求的功能性要求轉(zhuǎn)化為可以實施的設(shè)計方案和設(shè)計指標(biāo)是目前海上油氣生產(chǎn)設(shè)施臨時避難所設(shè)計面臨的一個難題。在“深海1號”能源站的臨時避難所設(shè)計過程中，通過將規(guī)范的功能性要求逐級分解，層層細(xì)化，嘗試建立臨時避難所的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和驗收指標(biāo)，這在海上臨時避難所設(shè)計中尚屬首次。相關(guān)設(shè)計成果已經(jīng)通過了發(fā)證檢驗機構(gòu)的驗收。本文介紹的是有人平臺，對于無人簡易平臺的室外開敞避難區(qū)域的設(shè)計還需要在工程實踐和理論研究中不斷探索。