水下干式采油裝置應急逃生艙設計研究

李 明，楊青松，高成君，馬 嶺，王 璇

(1. 中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452；2. 中國船舶科學研究中心 江蘇無錫214082)

0 引 言

為經濟有效地開發海灣附近的邊際小型油田，有機構提出了區別于常規濕式水下生產系統技術的水下干式采油裝置[1]。由于水下干式采油裝置位于絕對水下，人員進出干式艙進行檢修將異常困難。為方便人員進出干式采油裝置，考慮 2種方式：升高立管以及人員進出對接艙(類似于潛艇救生鐘)。采用升高立管方式需要動用大型起吊船舶，使用成本高，故升高人員進出對接艙是一種較為理想的方案[2]。在正常檢修工況，均使用人員進出對接艙進出干式采油裝置，該對接艙由工作母船吊放入水下潛，與干式艙的常規檢修艙連接后，打開艙門即可實現人員進出。但在應急工況下，特別考慮到采油樹艙室內的井口區危險性較高，在人員無法達到進出對接艙或進出對接艙使用故障時，應為維護人員提供第二應急逃生通道，故需要在采油樹艙室設置應急逃生系統。

本文從應急逃生艙的工程方案、技術特點等方面進行系統闡述，對應急逃生艙的可行性進行了討論。在此基礎上，針對 30m 水深干式采油裝置需求，對其配套的應急逃生艙作為應用案例，進行了應急逃生艙的方案設計。

1 水下應急逃生系統概述

水下應急逃生系統及水下應急逃生技術主要應用于潛艇等水下作業的航行器、工作平臺，特別是在潛艇上進行應用。對于潛艇而言，在水下發生事故，由于外界為高壓海水，人員無法直接脫離危險環境，必須依靠特定的救援設備采用他救或者自救的方式來脫離險境，需要救援的響應速度快、救援時間盡量短[3]。目前，水下逃生救援方式可分為 3種(圖 1)。①單人逃生方法：自由上浮、MKl0型快速上浮脫險抗浸服和潛艇逃生浸沒裝備(SEIE)；②集體救援方法：潛艇救援潛器(DSRV)、救生鐘和潛艇救援潛水再加壓系統(SRDRS)；③集體逃生方法：應急逃生艙、可重復使用救援裝置(RRG)、水面救援裝置(SRG)和水面救援艙(SRC)[4]。

單人逃生系統可分為著裝減壓脫險和快速上浮脫險 2種方法。由于著裝減壓脫險法的局限性，快速上浮脫險現成為單人自救脫險的主要發展方向，目前有代表性的快速上浮脫險裝具主要有英國的MKl0型快速上浮脫險抗浸服[5]。優點是高壓暴露時間短，水中停留時間短，嚴格控制各深度的調壓時間一般不會發生減壓病；脫險服結構簡單，易操作。缺點是艇員的高壓暴露時間必須在不減壓時間極限之內；艇內必須常壓才能實施此法，否則只能考慮其他脫險方式；若調壓不當，會發生嚴重的減壓病。

圖1 水下逃生救援策略Fig.1 Underwater escape & rescue strategy

集體救援是采用救生鐘、援潛救生艇等外部設備，在潛艇失事后，第一時間前往失事海域與潛艇救生艙口對接，實現人員轉移。優點是單次救援人數多，能多次循環實施救援，可實現常壓干救、高壓救援[6]。集體救援脫險方法的最大難題是艇員在待救期間潛艇內生命支持問題，包括高壓、進水、空氣質量、有害氣體、氧中毒、寒冷、食物、飲水等，常常發生等不到援救力量到達艇員已喪生的慘劇。

目前，世界上只有俄羅斯和印度兩國使用應急逃生艙進行集體逃生。一旦潛艇失事，艇內幸存者進入固定于進出艙口的“逃生膠囊艙”中。隨后，膠囊艙從潛艇中釋放，利用自身浮力到達水面。集體逃生艙一旦達到水面上將作為救生船使用，等待營救力量到來。這種水面救援艙的救生方式，具有個人逃生和集體救援系統不可比擬的優勢[7]。優點是利用集體逃生艙能在第一時間集體逃生，有效作用深度最大，安全性高，無需進行減壓，極大提升了幸存者的生存希望。缺點是集體逃生艙需要占據潛艇較大的空間，對潛艇總布局產生影響；救援人數有限，且只能實現單次救援。

對比3種不同類型的潛艇水下救援方式，可以看出：單人逃生系統具有反應速度快，能實現單人快速自救，但會使艇員在自救過程中直接暴露在海水高壓中，且使用自救設備也需要專業訓練；集體救援設備是目前援潛救生中的常規手段，具有單次救援人數多，可循環救援的優勢，但艇員待救時間長；集體逃生艙的方式則具有安全性高，無需減壓，可快速實現多人自救的優勢。

結合水下干式采油裝置的使用特點，優選使用應急逃生艙布置在水下干式采油裝置采油樹艙室，在應急工況下，檢修人員第一時間進入集體逃生艙，啟動釋放機構脫離干式采油裝置上浮至水面，此時集體逃生艙充當水面救生船，能更安全等待海面營救。

2 應急逃生艙工程方案及技術特點

2.1 逃生艙的任務使命

逃生艙的主要任務是，為進入水下采油干式艙進行維護作業的人員在干式艙發生進水、火災、爆炸、供氣故障等一系列緊急情況下，提供一套快速撤離的途徑。作為正常進出轉運艙的應急補充，在人員無法采用進出轉運艙撤離時，提供一套第二生命通道。

2.2 使用環境分析

逃生艙日常待命狀態是布置在水下采油干式艙的常壓布置坑中，布置坑頂部由一臺液壓啟閉的艙蓋實現水密，在日常待命工況下處在常壓環境下，不與海水接觸。在應急使用工況下，逃生艙布置坑打開進水閥，布置坑會灌滿海水，此時逃生艙將暴露在海水的壓力環境下，并由純重力狀態，轉換為純浮力狀態，待布置坑艙蓋打開后，在自身浮力作用下，上浮至水面。

2.3 逃生艙技術特點

逃生艙借鑒了潛艇使用的集體逃生艙技術，可實現干艙維護人員的快速避險與逃生。

2.3.1 總體設計集成技術

主要解決逃生艙功能可行性，實現逃生艙與干式艙接口匹配，實現小艙室多人員艙內人機設計，小艙室多設備艙內布置，實現逃生艙艙外設備布置與防撞設計，實現逃生艙水中、水面浮性與穩性的設計等問題。

2.3.2 結構與水下密封技術

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主要解決水下耐壓結構設計，以滿足規范要求的強度與穩定性要求，同時符合人員、設備布置需要的最佳結構尺寸。解決水下艙蓋外壓水密問題，特別是艙蓋觀察窗與通風換氣裝置的密封問題。

2.3.3 生命支持系統設計技術

主要解決小艙室多人員密閉環境下的供氧與吸收二氧化碳，保持艙內環境滿足人員生存的基本需要，提供艙內人員應急工況下需要的飲用水與食品供給等。

3 應急逃生艙的總體設計

從系統功能上來分，應急逃生艙主要包含總體系統、結構系統、電力與電氣系統、生命支持系統、舾裝系統。總體系統主要是對應急逃生艙進行總布置設計、重浮心計算、姿態穩性進行計算。逃生艙設備包括艙內設備與艙外設備。如圖 2所示，艙外設備主要包括：1-通氣裝置；2-上艙門；3-氧氣瓶；4-氧氣瓶防撞架；5-下艙門；6-底支架；7-頂部防撞架；8-頻閃燈；9-無線電天線；10-GPS 信標；11-供氧閥；12-耐壓艙殼體等。如圖 3所示，艙內設備主要包括：1-右上LED 燈；2-食品箱；3-控制臺；4-CO2吸收罐；5-可翻轉座椅；6-備用吸收罐；7-救生衣箱；8-飲用水箱；9-電池。

圖2 應急逃生艙外部設備布置Fig.2 Layout outside of emergency escape capsule

圖3 應急逃生艙內部設備布置Fig.3 Layout inside of emergency escape capsule

逃生艙載員進入海水時，主要存在 2個狀態，上浮過程與浮在水面。逃生艙按載員情況分，主要包括空載，載員1人、載員2人、載員3人、載員4人、載員5人，本文列示了空載(圖 4)與滿載(載員 5人)(圖5)這2種極限情況。

圖4 應急逃生艙空載情況Fig.4 Empty load of emergency escape capsule

圖5 應急逃生艙滿員情況Fig.5 Full load of emergency escape capsule

靜水力計算的任務是根據總布置估算逃生艙水面、水下以及異常情況下的穩性和姿態，以達到優化總布置的目的。按規范要求[8-9]：潛水器水面正浮時，由水線至能夠開啟的艙口的圍壁頂端之間的距離一般不小于 0.75m；潛水器應有足夠的完整穩性，除另有規定外，水面初穩性高度值應不小于 0.1m；不論在任何情況下，水下穩性應是正值；在正常裝載和壓載情況下，浮心在重心以上的高度值(GB值)應不小于50mm。

如表 1所示，經計算，逃生艙空載時的水下穩心高為 91.3mm，滿載 5人上浮時，水下穩心高為86mm，均滿足規范要求；逃生艙空載時的水面干舷高 1048mm，滿載 5人的水面干舷高 840mm，均滿足規范要求；逃生艙空載時的水面初穩心高346mm，滿載 5人的水面初穩心高 240mm，均滿足規范要求。

表1 逃生艙水中上浮時重量、重心、浮力、浮心Tab.1 Weight, barycenter, buoyancy and buoyancy centre when floating of emergency escape capsule

4 生命支持系統設計

逃生艙的生命支持系統通過控制耐壓艙中的氧氣濃度，吸收二氧化碳，創造一個適合于乘員工作的生存環境。應急逃生艙需要達到的主要技術指標：

①生命支持總時間為5人×56h＝280人·h，正常工作為5人×8h＝40人·h。

應急狀態為5人×48h＝240人·h。

②艙內氧濃度控制范圍17%～23%。

③艙內二氧化碳濃度控制范圍＜1%(正常工作)；＜1.5%(應急狀態)。

④載人艙內維持常壓。

主要性能要求如下：氧濃度、二氧化碳濃度監測儀表有數字式和模擬式各1套，數字式儀表帶有數據接口，能直接和計算機連接，讀取數據。當數據超出范圍時，能發出報警信號。氧濃度儀表的顯示分辨率不低于 0.1%，二氧化碳濃度儀表的顯示分辨率不低于 0.1%。儀表的傳感頭應該是免維護的。數字式氧濃度計的輸出同時作為自動供氧控制的輸入信號。

艙內保持1個大氣常壓，由一數字式壓力計監測并顯示。當壓力超出此范圍時，能發出報警信號。該壓力計帶有數據接口，能直接和計算機連接，讀取數據。壓力計的分辨率不低于0.1kPa。壓力計的監測范圍應包含50～150kPa。

有測量艙室內溫度、濕度并能顯示的儀表，以及有使艙內空氣流動循環的功能。

5 結 語

為滿足人員在應急狀況下具有快速撤離干式艙的第二通道，在干式艙采油樹艙室布置了應急逃生艙技術裝備。該裝備參照潛艇集體逃生艙進行設計。為保證逃生艙在服役期的可靠性與耐久性，將逃生艙設計為干式布置方式。這樣既能保證逃生艙處在干式不接觸海水的環境，又能簡化逃生艙與干式艙之間的連接，避免設置逃生艙與干式艙之間的鎖緊釋放機構。由于處在干式的環境下，逃生艙的日常艙內外檢修也更容易實現。

本文簡要總結了逃生艙的技術特點，列舉了逃生艙設計上的主要技術難點。從總體、生命支持系統等分系統，對逃生艙進行了系統的設計與計算。計算結果表明逃生艙在總體性能、總布置、結構安全性、生命支持性能、設備配置與功能等方面均能滿足規范與實際使用的需求，并有較大安全冗余度。總的來說，用于水下干式采油裝置的應急逃生艙具有總體功能上的可行性，操作方面的快捷性，安全方面的可靠性，使用方面的可重復性，符合規范要求的各項指標。■