深水鋪管船鋪管區(qū)通風系統設計

張譯元

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

隨著經濟的高速發(fā)展，我國愈發(fā)重視海洋油氣的開發(fā)。隨著海洋油氣開發(fā)逐步走向深海，深水鋪管船等大型海上施工設備的市場需求日益增大，擁有廣闊的前景。

深水鋪管船的主要任務是保障海底油氣管線順利安全地鋪設。鋪管作業(yè)區(qū)作為鋪管船的管線裝配區(qū)，設備多、運行工況復雜，且需人員長期值守，該區(qū)域的工作環(huán)境一直是業(yè)內關注的焦點。本文以某在建深水（3 000 m）鋪管船為例，對各鋪管作業(yè)區(qū)域的工作環(huán)境條件進行分析。根據工作區(qū)域的設備布置和工序操作，設計不同的通風系統氣流組織方案并給出具體技術措施，期望能改善鋪管作業(yè)人員的工作環(huán)境。

1 鋪管區(qū)域環(huán)境條件分析

鋪管船鋪管作業(yè)的方式主要有3種：S型鋪管（S-Lay）、J型鋪管（J-Lay）和卷筒式鋪管（Reel-Lay）。本文研究的深水鋪管船采用S型鋪管方式，S型鋪管作業(yè)流程如圖1所示，可分為多道工序。其中，管節(jié)對中、焊接、焊縫檢驗、接頭包敷和管線入海工序均在鋪管船內部完成。圖2為本文深水鋪管船鋪管作業(yè)區(qū)域的布置圖，根據工序的不同，將鋪管作業(yè)區(qū)域劃分為5個不同的功能區(qū)，每個功能區(qū)具有不同的環(huán)境條件。

圖1 S型鋪管作業(yè)流程圖

圖2 鋪管作業(yè)區(qū)域布置圖

主作業(yè)線區(qū)設置在鋪管船中部，總長達120 m。兩側設有對外開口，形成半敞開區(qū)域。由于管量較多，在左舷和右舷處共設有2個雙節(jié)管預制區(qū)。主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)的設備相對較多，工作主要為焊接作業(yè)，此過程會產生大量的焊接煙塵，嚴重污染艙內環(huán)境。為改善員工工作環(huán)境，需對主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)進行煙塵治理。

焊接作業(yè)過程中的煙塵會形成焊接煙羽，煙羽的流量隨著上升的高度不斷增加。主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)層高均達到8 m，因此，在艙室頂部區(qū)域極易形成煙羽聚集。焊接作業(yè)過程會產生很多熱量，人員長時間工作在高溫區(qū)域，極易產生不適。

開坡口區(qū)、探傷區(qū)和主對中區(qū)域有大量鎖緊設備和吊裝設備，但這些設備工作時發(fā)熱量都較小。這3個區(qū)域層高均達到8 m，屬于高大空間。高大空間在空間層上會形成溫差梯度，人員工作主要集中在下部空間，通風效果會影響工作人員的工作環(huán)境溫度和空氣品質。此外，這些區(qū)域頂部吊梁和吊口過多，會影響風管布置，進而增加通風設計的難度。

2 通風系統設計方案介紹

根據環(huán)境條件的不同，可將鋪管作業(yè)區(qū)域分為高粉塵區(qū)、空間限制區(qū)和高熱量區(qū)。下面分別對上述3區(qū)域的通風系統設計方案進行介紹。

2.1 高粉塵區(qū)系統方案設計

主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)是易出現高粉塵的區(qū)域。針對這2個區(qū)域的特點，分別給出不同的通風設計方案。

2.1.1 主作業(yè)線區(qū)

主作業(yè)線區(qū)較長且為半敞開區(qū)域，由若干移動焊接工作臺和張緊器組成。移動焊接工作臺在工作時會產生大量有害煙塵，造成區(qū)域內煙塵集中。

對于一般的工程船舶，通常采用的艙室通風方案為對整個艙室空間進行機械通風換氣。與一般機械艙室不同，主作業(yè)線區(qū)產生的煙塵過于集中，局部煙塵量過大。若僅通過機械通風來達到要求，會導致通風口數量多，進而占據作業(yè)空間。此外，區(qū)域兩側的大開口會引入外界氣流，對整個艙室的通風系統帶來干擾，進而產生煙塵滯留等一系列問題。

針對上述問題，本例中采用機械通風加局部除塵通風相結合的方式進行艙室除塵，可在焊接作業(yè)源頭處吸收煙塵，不受外界氣流的影響。本文所述深水鋪管船依據《船舶設計實用手冊》進行機械通風設計；依據《除塵裝置系統及設備設計選用手冊》，并結合焊接工作臺的最大焊接煙塵量選擇除塵通風裝置，除塵通風裝置主要由離心風機、過濾除塵主機和吸入裝置組成。移動焊接工作站的氣流組織示意見圖3，在焊接工作臺上方設置吸氣臂，其活動半徑可完全覆蓋整個工作臺區(qū)域。目前，吸氣臂的灰塵捕捉效率可超過95%，過濾除塵主機的集塵效率可達到99.99%。

圖3 移動焊接工作站氣流組織示意

對于集中散發(fā)焊接污染物的主作業(yè)線區(qū)，采用機械通風加局部除塵通風相結合的方式效果良好。即使室外風速過大，以至于影響室內氣流時，采用機械通風加局部除塵通風相結合的方式依然可保證以最小的風量有效防止有害物擴散。

本文研究的深水鋪管船的主作業(yè)線區(qū)域較長，故將作業(yè)線分為首尾2部分，共配置4臺排風機和4臺送風機。如圖4所示，該深水鋪管船采用“下送上排”的氣流組織方式，即通過氣流擠壓的方式，在房間下部送入新鮮空氣，從上部排出高溫渾濁氣體，從而實現換氣。

圖4 “下送上排”氣流組織方式示意

2.1.2 雙節(jié)管預制區(qū)

不同于主作業(yè)線區(qū)的移動焊接工作站，雙節(jié)管預制區(qū)主要對管路進行預制焊接，焊接作業(yè)較多，固定的焊接工作點較多且分散，各個焊接工作點一般不同時工作。

雙節(jié)管預制區(qū)不適合參照主作業(yè)線區(qū)的做法，在每個焊接工作點都布置局部除塵通風裝置，具體有3點原因：1）艙室空間有限，不允許布置那么多局部除塵通風裝置；2）成本過高；3）因焊接工作點較多，局部除塵裝置存在不能及時排除所有煙塵的情況，此時室內熱源會將風機輸送進來的室外低風速空氣加熱，導致該部分空氣密度減小，有害的焊接煙羽因浮力作用上升，上部煙羽聚集不利于有效排除有害氣體，會導致室內污染物濃度不斷加大。

對于雙節(jié)管預制區(qū)，采用機械通風、局部除塵通風和誘導通風相結合的方式效果良好。機械通風氣流組織方式與主作業(yè)線區(qū)的氣流組織方式相同，故不再贅述。分布較為分散的工位采用可移動式除塵裝置，點對點式處理。由于焊接作業(yè)不是同時進行，焊接煙塵釋放量變化較大。除塵裝置安裝有變頻風機，吸入裝置的吸氣罩口處安裝有可調風量大小的閥門，以便根據煙塵量的變化及時調節(jié)風量，快速處理焊接排出的有害氣體和粉塵顆粒。誘導通風可有效擾動艙室頂部空氣，避免產生通風死角，促進煙塵排除（見圖5）。即使在送排風機停止運轉時，僅靠誘導風機也能夠讓空氣順暢流動起來，實現局部通風換氣。

圖5 誘導通風示意

在主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)進行焊接作業(yè)時應盡量采用高真空吸塵系統，該系統由高真空吸嘴和焊槍組成。高真空吸塵系統利用較小的風量，可在焊接點源頭將高溫、高濃度的煙塵吸除，減小工作人員吸入煙塵顆粒的風險。

2.2 高大空間和空間受限區(qū)系統方案設計

開坡口區(qū)、探傷區(qū)和主對中區(qū)域的層高均超過7 m，設備發(fā)熱量均較小，這3個區(qū)域主要需要考慮空間換氣。由于3個區(qū)域的功能不同，在進行通風系統設計時需分別考慮。

2.2.1 開坡口區(qū)

開坡口區(qū)切割設備的布置較為集中，且設備發(fā)熱量較小，主要需要考慮空間換氣。由于此區(qū)域配有行車和頂部吊口，故不便布置風管。

采用側送風的方式，在提高風速的情況下，送風范圍可覆蓋整個區(qū)域。為及時處理開坡口區(qū)的細小顆粒物，排風口應布置在工作區(qū)域附近。綜合考慮設備布置情況，風口采用“同側送、同側排”的布置方式（見圖6），可在區(qū)域內形成較好的氣流循環(huán)。

圖6 開坡口區(qū)風口布置及氣流組織示意

2.2.2 探傷區(qū)

探傷區(qū)主要進行的工作流程是檢驗焊接質量。探傷區(qū)域人員活動較為分散，除考慮空間換氣外，還需滿足工作環(huán)境空氣品質的要求。

本文研究的深水鋪管船的探傷區(qū)底部需要設置多處側送風口，為人員活動區(qū)提供清新空氣。探傷區(qū)域的污染物和熱空氣都較少且不易在頂部集聚。因此，可在頂部集中設置2個排風口，這樣可減少排風管的數量，既能實現減重，又不影響艙室換氣和吊梁工作。探傷區(qū)風口布置示意見圖7。

圖7 探傷區(qū)風口布置示意

2.2.3 主對中區(qū)

主對中區(qū)位于艏部，屬于高大空間通風類型，設備發(fā)熱量較小，主要考慮區(qū)域換氣。但該區(qū)域寬度達23 m，且頂部空間全部被吊梁占滿，對風口布置的影響較大。

本文研究的深水鋪管船的主對中區(qū)寬度過大，風口不適合采用“同側送、同側排”的布置方式。此時，采用異側送排的方式對風口進行布置（見圖8）。送風口把新鮮空氣輸送到人員區(qū)域內，通過氣流組織實現從右到左將空間內氣體高效排出。此種風口布置減少了風管數量，可有效實現減重。

圖8 主對中區(qū)域風口布置和氣流組織示意

2.3 焊接高溫區(qū)系統方案設計

主作業(yè)線區(qū)和雙節(jié)管預制區(qū)的焊接作業(yè)較多，局部溫度過高，經常引起工作人員的不適，如何對這些高溫區(qū)域進行有效處理，是通風設計的重點之一。

考慮到焊接高溫區(qū)多為高大空間，若在整個區(qū)域設置空調系統，則會存在冷量浪費，不宜采用。此外，若空調送風口距離焊接點過近，較低溫度空氣流過焊接表面時也會影響焊接質量。

為有效解決這一問題，在每個焊接工作站旁布置風機盤管和送風軟管，工作人員可根據自身實際需求調節(jié)空調送風口的方向，實現身體局部降溫。在不進行焊接作業(yè)時，可獨立關閉風機盤管，這樣并不會對艙室通風的氣流組織產生影響。

3 結論

鋪管船鋪管作業(yè)區(qū)的通風效果對設備和人員的工作環(huán)境有較大影響。本文根據作業(yè)特點的不同，對鋪管作業(yè)區(qū)進行分類，并分別對每一類別的通風方案進行設計。

1）高粉塵區(qū)：當焊接點布置較為集中時，采用局部除塵通風與機械通風相結合的方式；當焊接點布置相對分散，控制點較多時，采用誘導通風、局部除塵通風和機械通風相結合方式。

2）高大空間和空間受限區(qū)：采用機械通風“同側送、同側排”的方式，提高風速，減少管路布置。

3）焊接高溫區(qū)：在焊接工作站附近布置風機盤管和送風軟管，工作人員可根據自身實際需求調節(jié)空調送風口的方向，實現身體局部降溫，減少焊接溫度過高對人員產生的影響。

在進行鋪管區(qū)通風系統設計時，需了解各工作區(qū)的工作特性和通風需求，進行個性化通風布置。在確保設備能夠正常工作的前提下，降低船舶能耗，節(jié)約運營成本，為工作人員提供良好的作業(yè)環(huán)境。