飽和潛水自航式高壓逃生艇設(shè)計

呂文亞，陳新權(quán)，楊 啟,3，韓 杰，趙建國

（1. 上海交通大學(xué)a.海洋工程國家重點實驗室；b. 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3. 上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海 200231；4. 青島北海船舶重工有限責(zé)任公司，山東 青島 266520）

0 引 言

飽和潛水技術(shù)是通過外部加壓的方式使?jié)撍畣T體內(nèi)的組織和體液中的某種氣體成分達(dá)到飽和狀態(tài)，從而在不增加減壓時間的情況下延長潛水員在水下特定深度停留的時間。理論上看，在采用飽和潛水方式時，潛水員在飽和深度下不受作業(yè)時間的限制。飽和潛水技術(shù)最早由美國生理學(xué)家Bond提出，我國的研究始于1975年[1]。飽和潛水主要可分為空氣飽和潛水、氮氧飽和潛水、氦氧飽和潛水和氫氧飽和潛水等4種，其中：氦氧飽和潛水應(yīng)用最廣泛；氫氧飽和潛水仍處在試驗階段。

由于飽和潛水人員在作業(yè)時會處于高壓環(huán)境中，其減壓過程會耗費較長的時間，因此飽和潛水人員的撤離方式十分特殊。在撤離時，需在撤離載具中建立一個與飽和深度相對應(yīng)的高壓環(huán)境。目前采用的撤離方式主要有4種，即：利用直升機吊運高壓醫(yī)療艙進行撤離；利用潛水鐘轉(zhuǎn)移潛水員；采用專用高壓逃生艙進行撤離；利用具有自航能力的高壓逃生艇（Self-Propelled Hyperbaric Lifeboat, SPHL）進行撤離[2]。自航式高壓逃生艇因具有功能完善、內(nèi)部容積大和艇體防火等特點，且具有自扶正特征和自航能力，越來越受海事承包商的青睞，逐漸成為飽和潛水標(biāo)配的高壓撤離設(shè)備。

國外對高壓逃生艇的使用較早，有記載的第一艘高壓逃生艇是 1977年在北海鉆采平臺“菲利普斯號（Phillips）”上投入使用的逃生艇[3]。然而，國內(nèi)外有關(guān)高壓逃生艇研究的公開資料十分少，MORGAN[2]和陳智等[4-5]對高壓逃生艇的設(shè)計進行了部分研究。目前，國外有 Royal IHC（Netherlands）、Oceanwide（Netherlands）、Vanguard（Singapore）和 JFD（Singapore）等4家企業(yè)生產(chǎn)高壓逃生艇。這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)相近，對應(yīng)的最大工作深度在 300～500m，具備單次完整轉(zhuǎn)移整支潛水隊伍（12人、18人和24人）的能力，最大航速大于6kn，自持力超過72h。圖1為Royal IHC的高壓逃生艇。本文研究的300m級自航式飽和潛水高壓逃生艇是國內(nèi)第一艘自主設(shè)計建造的高壓逃生艇。

圖1 Royal IHC的高壓逃生艇

1 艇體設(shè)計

飽和潛水自航式高壓逃生艇指的是艇體內(nèi)安裝有飽和潛水高壓撤離單元、由高壓單元外的船員操控的自航式逃生艇[6]。高壓逃生艇一般采用全封閉式艇體設(shè)計，艇中部設(shè)置有高壓撤離艙，用來轉(zhuǎn)移潛水人員。

1.1 主尺度

本文的研究對象是一艘300m級自航式飽和潛水高壓逃生艇，具有一次性轉(zhuǎn)移整組12人潛水團隊的能力，最大航速6kn，自持力72h。在設(shè)計時高壓逃生艇參考青島北海船廠已有的全封閉式艇體的設(shè)計和國外相似逃生艇的參數(shù)，最終確定的高壓逃生艇主尺度見表1，艇體模型見圖2。

表1 高壓逃生艇主尺度

圖2 高壓逃生艇艇體模型

1.2 動力和推進配置

為實現(xiàn)6kn航速，高壓逃生艇設(shè)置有1臺柴油發(fā)動機和1臺小尺寸導(dǎo)管螺旋槳。

高壓逃生艇發(fā)動機的最大持續(xù)功率為 35.3kW，設(shè)置在駕駛室下方的一個水密箱體中。發(fā)動機上設(shè)置有外置飛輪，可采用電啟動與手動、彈簧和液壓等方式相結(jié)合的多種啟動方式，其中電啟動配備2套獨立的電池組。發(fā)動機排氣管道上設(shè)置有止逆閥，防止舷外水進入發(fā)動機。LSA規(guī)則（International Code for Life-Saving Appliances）要求發(fā)動機能在不使用艇外空氣的情況下維持至少10min的正常運轉(zhuǎn)。對此，在高壓逃生艇內(nèi)設(shè)置發(fā)動機臨時供氧用氣瓶。

高壓逃生艇采用1臺小尺寸導(dǎo)管螺旋槳作為推進器。導(dǎo)管槳設(shè)置在外龍骨后部。采用導(dǎo)管既可提高螺旋槳的推進效率，又能為螺旋槳提供一定的保護，防止水中的雜物損壞螺旋槳，同時還能防止螺旋槳損壞海底電纜等重要物資。導(dǎo)管槳可轉(zhuǎn)動一定的角度，因此艇上不再單

獨設(shè)置舵設(shè)備。圖3為發(fā)動機和螺旋槳布置圖。

圖3 發(fā)動機和螺旋槳布置圖

1.3 高壓撤離艙

高壓逃生艇內(nèi)部安裝有1臺300m級飽和潛水高壓撤離艙。作為高壓逃生艇最重要的部件，高壓艙采用的是上海打撈局蕪湖潛水裝備廠生產(chǎn)的12人高壓撤離艙和附屬的環(huán)境控制設(shè)備。

高壓撤離艙采用側(cè)接設(shè)計，即轉(zhuǎn)移通道設(shè)置在艇體側(cè)面，潛水人員撤離時通過艇體側(cè)面進入高壓逃生艇。側(cè)接設(shè)計導(dǎo)致無法在撤離艙內(nèi)部兩側(cè)布置相同數(shù)量的座位，最終采用的是5+7布置方案。此外，側(cè)接設(shè)計還造成高壓撤離艙的重心偏向通道一側(cè)，在設(shè)計艇

體時，需合理布置環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備，以平衡撤離艙重心的偏移。但是，相比底接設(shè)計，側(cè)接設(shè)計可保證艇底外龍骨連續(xù)，從艏部一直延伸到螺旋槳前端，有利于增強艇體的結(jié)構(gòu)強度；同時，側(cè)接設(shè)計更有利于潛水人員的轉(zhuǎn)移，更方便高壓逃生艇在潛水母船上的平面布置。

撤離艙的遞物窗口布置在對接通道一側(cè)，采用雙閥門設(shè)計，具有緩沖小艙，主要用于從壓力艙外部給潛水員傳遞清潔飲用水、食物、醫(yī)藥及其他必需品，也用于從艙內(nèi)向艙外傳遞生活垃圾。DNV-GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd）的 DNVGL-OS-E402規(guī)范[6]和 MCA（International Maritime Contractors Association）的MGN 83(M)規(guī)范（Marine Guidance Note 83(M)）要求高壓逃生艇上的船員時刻監(jiān)控高壓艙內(nèi)部的情況[7]。對此，在高壓逃生艇的高壓艙后部通道門處安裝監(jiān)控設(shè)備?？紤]到高壓艙質(zhì)量較大，在高壓逃生艇艇底上設(shè)置加固的高壓艙底座，同時采用2根鋼吊帶將高壓艙整體吊裝在艇體上殼中部的吊艇結(jié)構(gòu)上。當(dāng)高壓逃生艇浮在水面上時，高壓艙整體結(jié)構(gòu)的重量主要由底座承擔(dān)；在吊放和回收高壓逃生艇時，高壓艙的重量直接由吊艇鋼絲繩承擔(dān)。表2為高壓撤離艙設(shè)計參數(shù)。

表2 高壓撤離艙設(shè)計參數(shù)

1.4 環(huán)控系統(tǒng)

高壓撤離艙的環(huán)境控制設(shè)備和飽和潛水高壓逃生艇的生活艙環(huán)境控制設(shè)備是基于同一原理設(shè)計的，可用來模擬相當(dāng)于300m水深的高壓環(huán)境。飽和潛水高壓逃生艇的艙室環(huán)境控制設(shè)備主要調(diào)節(jié)艙內(nèi)的壓力、氣體成分和溫濕度等3類環(huán)境參數(shù)[8]。高壓逃生艇艙室環(huán)境控制設(shè)備的構(gòu)件主要包括監(jiān)測艙內(nèi)環(huán)境的傳感器和調(diào)節(jié)艙內(nèi)環(huán)境的設(shè)備。環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備主要有：用于吸收CO2的鈉石灰吸收罐和硅膠吸收罐；用于驅(qū)動換氣的鼓風(fēng)機；用于冷凝水蒸氣的預(yù)冷器和冷凝器；用于吸收艙內(nèi)空氣中雜質(zhì)的活性炭吸收罐；用于加熱空氣的加熱器等。環(huán)控系統(tǒng)采用鋰電池組供電，可維持至少72h的高壓環(huán)境。

環(huán)境控制設(shè)備可在撤離艙內(nèi)營造穩(wěn)定的高壓環(huán)境，理論上可在潛水人員撤離時直接進行潛水人員的減壓工作，但考慮到高壓撤離艙內(nèi)的空間狹小，潛水人員無法得到充足的休息，且其心理狀態(tài)可能不穩(wěn)定，一般不建議直接利用高壓逃生艇進行減壓工作[9]。

1.5 收放裝置

傳統(tǒng)的重力倒臂式收放裝置在工作時（特別是在降放負(fù)荷較大的逃生艇時）沖擊過大。高壓逃生艇采用重力降放、電動絞車提升和液壓缸倒出與收回相結(jié)合的方式實現(xiàn)降放和回收。高壓逃生艇吊艇系統(tǒng)的設(shè)計十分重要。國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）的A.692(17)決議[10]要求高壓逃生艇具備單點起吊能力，同時要求起吊裝置可由艇外人員在水中連接。DNV-RP-E403規(guī)范[11]要求在艇體外殼設(shè)置備用吊點。MGN 83(M)規(guī)范[7]要求釋放撤離單元的吊艇索能在撤離單元浮于水面之后快速脫離撤離單元。高壓逃生艇上有2套獨立的吊艇鉤：一套是常規(guī)救生艇上常配置的分別位于艏艉的吊艇鉤結(jié)構(gòu)，與艇底結(jié)構(gòu)相連；一套是位于艇體上殼中部的吊艇鉤，通過鋼吊帶與高壓艙相連，該吊艇鉤可實現(xiàn)單點起吊。圖4為艇體上吊艇鉤布置示意。

圖4 艇體上吊艇鉤布置示意

1.6 防火與滅火

逃生艇在實際使用過程中經(jīng)常面臨穿越火海的情況，因此必須具有良好的耐火性能。中國船級社（China Classification Society, CCS）的L-06規(guī)范[12]要求救生艇的艇體和剛性頂蓋及艇機罩殼均采用阻燃材料。LSA規(guī)則要求具有耐火能力的逃生艇至少能在油火包圍中堅持 8min，且要安裝噴水滅火系統(tǒng)。該逃生艇的殼體材料均采用優(yōu)質(zhì)的船用玻璃鋼，并加入了一定的高強度碳纖維材料，可滿足艇體防火要求。艇體外設(shè)有一套噴水系統(tǒng)，可從艇底吸入海水，從安裝在下殼護舷下方和上殼兩側(cè)的4根噴水管中噴出海水。逃生艇的最高處安裝有2個沖洗口。高壓逃生艇內(nèi)部有多處設(shè)置火災(zāi)探測器，用來監(jiān)測全艇的安全狀況。

2 性能分析

逃生艇對穩(wěn)性的要求很高，包括完整穩(wěn)性和浸水穩(wěn)性。完整穩(wěn)性指的是艇體水線以下未發(fā)生破損時的穩(wěn)性；浸水穩(wěn)性指的是艇體水線以下出現(xiàn)破損，且破漏通海，海水已進入艇內(nèi)部時的穩(wěn)性。在撤離時，逃生艇上人員的心理狀態(tài)一般是不穩(wěn)定的，此時艇體在波浪中運動導(dǎo)致的人員暈船反應(yīng)會使艇內(nèi)人員的處境更加艱難。

2.1 完整穩(wěn)性

高壓逃生艇額定承載人數(shù)為15人，包括12名潛水員和3名船員。圖5為高壓逃生艇在設(shè)計配載下的靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性曲線。

LSA規(guī)則要求當(dāng)50%定額人員從一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)時，逃生艇具有正的穩(wěn)性高。高壓逃生艇人員移動之后，艇體的橫傾角為2.9°，此時的橫穩(wěn)性高為0.792m，滿足要求。

高壓逃生艇采用全封閉式艇體設(shè)計，其自扶正能力對于安全撤離而言是十分重要的。由靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性曲線可知，高壓逃生艇無論處于何種橫傾狀態(tài)，都可自行回復(fù)到正浮狀態(tài)。BAI等[13]提出一種用于計算自扶正時間的理論方法，并將采用該方法得到的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相對比，驗證該方法的合理性和可行性。該方法忽略水的黏性對自扶正過程的影響，建立船體橫搖方程為

圖5 高壓逃生艇在設(shè)計配載下的靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性曲線

式(1)中：I'xx為總慣性矩；φ為橫傾角；M(φ)為回復(fù)力矩。在大傾角時，回復(fù)力臂可表示為

式(2)中：D為排水量；l(φ)為回復(fù)力臂。將式(2)代入式(1)可得到

式(3)和式(4)中：ld0為橫搖角度φm對應(yīng)的動穩(wěn)性臂；ld為任意橫傾角φ對應(yīng)的動穩(wěn)性臂。由式(3)和式(4)可得

因此，φm從180°回復(fù)到0°所用的時間為

根據(jù)動穩(wěn)性臂數(shù)據(jù)，可計算得到高壓逃生艇的自扶正時間為3.79s。

對于與高壓逃生艇具有相似尺度、相似外形的非高壓用途的全封閉式救生艇而言，其吃水和重心高度都遠(yuǎn)小于高壓逃生艇。以一艘殼體尺寸和外形都與高壓逃生艇相近的常規(guī)全封閉式逃生艇為研究對象，其吃水為0.673m，重心高度為1.27m，采用上述方法求得其自扶正時間為3.39s。

采用上述方法計算高壓逃生艇和與其尺度、外形相近的常規(guī)全封閉式救生艇在不同重心高度下的自扶正時間，結(jié)果見表3。由表3可知：對于尺度和外形相近的全封閉式救生艇而言，吃水對艇體自扶正時間的影響非常?。幌啾戎?，重心高度的影響十分顯著，隨著重心高度的增加，自扶正時間不斷增長，且增長速率越來越快。

表3 高壓逃生艇與常規(guī)救生艇自扶正時間對比

2.2 浸水穩(wěn)性

對于浸水穩(wěn)性，LSA規(guī)則要求逃生艇在艇體破損但浮力材料未掉落的情況下具有正的穩(wěn)心高，且艇內(nèi)浸水高度不得超過乘員座板沿椅背向上 500mm。采用增加重量法計算浸水高度。設(shè)艇外吃水為T，艇內(nèi)進水高度為h，進水量為W，進水的重心高為Zg′。在計算若干假設(shè)進水高度對應(yīng)的艇外吃水值的基礎(chǔ)上，通過插值可得到逃生艇最終平衡狀態(tài)下的進水量。將計算結(jié)果繪成曲線，艇外吃水T與艇內(nèi)進水高度h的交點即為逃生艇最終進水之后的平衡狀態(tài)，計算結(jié)果見表4和圖6。

表4 浸水穩(wěn)性計算數(shù)據(jù)

當(dāng)高壓逃生艇最終達(dá)到平衡狀態(tài)之后，吃水為1.109m，艇內(nèi)沿乘員椅背向上500mm高度為1.485m，平衡之后的進水高度小于LSA規(guī)則要求的數(shù)值。進水之后的穩(wěn)心高為0.766m，也滿足大于零的要求。

圖6 進水后艇體內(nèi)外水線與進水重心高度曲線

2.3 暈船分析

在撤離時，逃生艇艇體在波浪中運動會導(dǎo)致艇內(nèi)人員產(chǎn)生暈船的反應(yīng)，通常用暈船率（Motion Sickness Incidence, MSI）來評估人員發(fā)生暈船反應(yīng)的概率水平。MSI指的是在經(jīng)歷2h船體運動之后，船上暈船人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例[14]。

MCCAULEY等[15]和熊虎等[16]提出一種預(yù)測MSI的公式，即

式(7)中：MSI為暈船率；φ為高斯分布概率密度的累積值。φ的表達(dá)式為

式(8)中：z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。

Na和Nt′為與船體在波浪中升沉運動的垂向加速度、頻率和時間歷程相關(guān)的物理量。Na和Nt′的估算公式為式(9)和式(10)中：a為垂直加速度的有義值，g；t為測試對象遭受的時間歷程，min；f為船體升沉運動頻率，Hz。

高壓逃生艇設(shè)計最高航速為6kn，最高海況為四級。在高壓逃生艇上選取4個人員位置，對不同海況、不同航速情況下的暈船率進行計算。選取的位置見表5。描述人員位置的坐標(biāo)系的原點位于艉垂線基線處，x軸向船首為正；y軸向左舷為正；z軸向上為正。對在不同海況、6kn航速情況下選取的4個位置處的MSI進行分析，圖7為二級海況下的MSI計算結(jié)果。通過對4個位置處的MSI進行比較，可發(fā)現(xiàn)位置1處的MSI總是最大的，位置4處的MSI最小，即駕駛室內(nèi)船員嘔吐概率總是最高的。對不同海況、不同航速情況下位置1處的MSI進行分析，可得在相同航速下，海況等級越高，波浪條件越惡劣，同一位置處的MSI越高。在逃生艇迎浪條件下，航速越高，MSI越高，順浪條件下正好相反；在計算的海況范圍內(nèi)，當(dāng)航速和海況確定時，MSI基本上會隨著浪向角的增大而增大，MSI最大值大多出現(xiàn)在150°～180°浪向角范圍內(nèi)。關(guān)于遭遇頻率對MSI的影響，DELA CRUZ等[14]認(rèn)為在其他條件相同時，MSI在遭遇頻率為1rad/s時最大；隨著遭遇頻率遠(yuǎn)離1rad/s，MSI會迅速下降。表6和表7為MSI部分計算結(jié)果。

表5 艇上人員位置

圖7 6 kn航速、二級海況下不同位置處的MSI

表6 二級海況和四級海況下位置1處不同航速對應(yīng)的MSI

表7 2kn航速和6kn航速下位置1處不同海況對應(yīng)的MSI

一般的客船需將MSI控制在10%水平，而對于高壓逃生艇，其艇體特征導(dǎo)致其在高海況下較難維持良好的舒適性；但是，在面對高海況時，通過降低航速，高壓逃生艇可有效控制MSI。在四級海況下，若將高壓逃生艇的航速降至2kn左右，其MSI就可控制在40%以下，其舒適性將得到較大程度的改善。

3 結(jié) 語

飽和潛水用自航式高壓逃生艇是高壓撤離方式的發(fā)展趨勢，對促進飽和潛水系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。在設(shè)計高壓逃生艇過程中，參考了常規(guī)全封閉式救生艇的設(shè)計，既擁有常規(guī)救生艇的很多特征，又在某些方面與常規(guī)救生艇有所不同。由于高壓撤離系統(tǒng)的加入，高壓逃生艇艇體吃水和重心高度相比常規(guī)全封閉式救生艇有大幅度提高。高壓逃生艇的完整穩(wěn)性和浸水穩(wěn)性滿足規(guī)范的要求，但重心高度的提高導(dǎo)致高壓救生艇自扶正時間（即從倒浮狀態(tài)回到正浮狀態(tài)的時間）要比常規(guī)救生艇長。在高海況下，高壓救生艇可通過降低航速來緩解較高的MSI，從而提高內(nèi)部乘員的舒適性。