飽和潛水系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)分析

張威 徐鋒

摘? 要：隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)資源的需求日益凸顯，尤其是對(duì)石油資源的需求，資源已成為進(jìn)一步發(fā)展的重要制約因素。眾所周知，海洋中蘊(yùn)藏著大量的石油資源。當(dāng)前，越來(lái)越多的國(guó)家都在進(jìn)行海上石油勘探及開(kāi)采活動(dòng)，全球海上石油的年生產(chǎn)總量已突破40億噸。我國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，近年來(lái)也不斷加大海洋開(kāi)發(fā)投入，在我國(guó)近海和南海布置了很多海上工程裝備，加大海洋石油資源的開(kāi)發(fā)力度，以降低能源的外部依賴程度。海洋石油的開(kāi)采離不開(kāi)水下作業(yè)，飽和潛水作業(yè)在海洋工程中有舉足輕重的作用。飽和潛水支持船可以通過(guò)安裝在母船上的生命支持系統(tǒng)和收放系統(tǒng)，將潛水作業(yè)人員下放至深達(dá)500米的海面下，進(jìn)行水下作業(yè)。文章旨在通過(guò)對(duì)飽和潛水系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)分析，為將來(lái)飽和潛水支持船的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考意見(jiàn)，以最大程度地保證潛水員生命安全和提升水下作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：飽和潛水系統(tǒng);冗余設(shè)計(jì);研究分析

中圖分類號(hào)：U674 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0081-03

Abstract： With the continuous development of human society， the demand for resources is becoming increasingly prominent， especially for petroleum resources， which have become an important constraint to further development. As is known to all， the ocean contains a large number of oil resources. Nowadays， more and more countries are carrying out offshore oil exploration and exploitation activities， and the global offshore oil production has exceeded 4 billion tons per year. As a large maritime power， China has been increasing its investment in marine development in recent years， laying out a lot of offshore engineering equipment in china's offshore and South China Seas， and increasing the development of offshore oil resources in order to reduce the degree of external dependence on energy. The exploitation of offshore oil can not be separated from underwater operation， saturated diving operation plays an important role in marine engineering. Saturated dive support vessels can carry out underwater operations by placing dive operators under the sea at depths of up to 500 meters through life support and LARS systems. The purpose of this paper is to provide reference for the design of future diving support vessels by analyzing the redundancy design of saturated diving systems， so as to maximize the safety of divers and improve the efficiency of underwater operations.

Keywords： saturated diving system; redundancy design; research and analysis

飽和潛水技術(shù)是目前世界上公認(rèn)的可以進(jìn)行安全的深海承壓潛水技術(shù)，我國(guó)從上世紀(jì)80年代就引進(jìn)了飽和潛水設(shè)備，用于海上石油開(kāi)采。但是，由于技術(shù)和機(jī)會(huì)的缺乏，未能發(fā)展成熟，世界上大部分的飽和潛水作業(yè)仍由海外潛水公司壟斷。目前國(guó)際市場(chǎng)上有90多艘飽和潛水支持船，其中約70%的船舶船齡超過(guò)20年，也就是說(shuō)現(xiàn)有的飽和潛水支持船大多設(shè)備陳舊，設(shè)計(jì)落后，面臨更新?lián)Q代。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)船廠也開(kāi)始有飽和潛水支持船的建造業(yè)績(jī)。結(jié)合全球飽和潛水支持船的市場(chǎng)現(xiàn)狀，我國(guó)在飽和潛水支持船的設(shè)計(jì)建造方面迎來(lái)重大契機(jī)，我國(guó)可充分利用本次契機(jī)和已經(jīng)積累的經(jīng)驗(yàn)，在飽和潛水支持船的設(shè)計(jì)領(lǐng)域完成彎道超車。

1 飽和潛水系統(tǒng)概述

所謂“飽和潛水”，是指潛水員在高氣壓環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間暴露，使其體內(nèi)各組織中的氣體達(dá)到完全飽和，潛水員的機(jī)體將完全適應(yīng)該高壓環(huán)境，只要潛水員所處的環(huán)境壓力不變，不論暴露時(shí)間多長(zhǎng)，其減壓時(shí)間是相等的。例如：如果需要潛水員下潛到某一特定深度的海底進(jìn)行作業(yè)，潛水員需要在設(shè)定為同一壓力等級(jí)的減壓艙內(nèi)生活一段時(shí)間，以完全適合預(yù)定水深的壓力環(huán)境。待潛水員完全適應(yīng)該環(huán)境后，潛水員可以長(zhǎng)時(shí)間停留在該水深進(jìn)行作業(yè)，也可以在在海洋環(huán)境惡劣或者長(zhǎng)時(shí)間工作后返回減壓艙進(jìn)行休整，多次往返于工作水深和母船，而不需要反復(fù)進(jìn)行增壓和減壓的過(guò)程，只需要在完成所有預(yù)定工作后一次性安全的減壓出水。因此，潛水員每次水下作業(yè)不受時(shí)間和環(huán)境的限制，可以完成大量的水下作業(yè)任務(wù)，提高潛水作業(yè)效率。

飽和潛水系統(tǒng)一般由減壓艙（潛水員居住艙）、過(guò)渡艙、潛水鐘、潛水鐘釋放和回收系統(tǒng)、臍帶纜和臍帶纜絞車、氣體儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、逃生系統(tǒng)等組成。同時(shí)，作為潛水作業(yè)母船，也需要具備一定的支持能力，如足夠且合理的空間布置、DP動(dòng)力定位能力等。

2 冗余設(shè)計(jì)概述

飽和潛水支持船最重要的作用就是將潛水員安全的下放至海底預(yù)定深度進(jìn)行作業(yè)，并安全的將潛水員回收至作業(yè)母船上。潛水員的生命安全是第一位的，只有能確保潛水員的安全，才能保證海底作業(yè)的順利進(jìn)行。

潛水系統(tǒng)由眾多子系統(tǒng)組成，構(gòu)成非常復(fù)雜，同時(shí)又與母船間存在著非常緊密的聯(lián)系。任一部件出現(xiàn)故障或者任意一個(gè)隱藏的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)都可能導(dǎo)致潛水系統(tǒng)的失效，對(duì)潛水員的生命安全造成威脅。冗余設(shè)計(jì)，就是通過(guò)對(duì)某些關(guān)鍵設(shè)備或部件進(jìn)行重復(fù)配置，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，冗余的設(shè)備或部件自動(dòng)切換介入工作，承擔(dān)已損壞設(shè)備或部件的功能，保證整個(gè)系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

3 冗余設(shè)計(jì)在飽和潛水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文以一套24人雙鐘飽和潛水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，對(duì)潛水系統(tǒng)的一些重要子系統(tǒng)的冗余配置進(jìn)行分析。

3.1 潛水系統(tǒng)設(shè)備配置

將整套潛水系統(tǒng)設(shè)備分成兩組，定義為冗余組A和冗余組B，兩組互為冗余備份。冗余組A和冗余組B之間通過(guò)兩個(gè)中轉(zhuǎn)艙之間的常閉接口連接，可在必要時(shí)打開(kāi)中轉(zhuǎn)艙之間的接口，實(shí)現(xiàn)冗余組A和冗余組B的連接，進(jìn)行減壓艙內(nèi)潛水員的轉(zhuǎn)移。

詳細(xì)布置如圖1所示，深色是冗余組A，淺色是冗余組B。每個(gè)冗余組由潛水鐘、減壓艙、過(guò)渡艙、中轉(zhuǎn)艙、潛水員逃生通道和潛水高壓救生艇組成。兩個(gè)冗余組內(nèi)的設(shè)備分開(kāi)布置，在物理上處于隔離狀態(tài)。一個(gè)冗余組內(nèi)的潛水員只生活在單側(cè)的減壓艙內(nèi)，并只通過(guò)該冗余組的潛水鐘進(jìn)行水下作業(yè)。每個(gè)冗余組有各自獨(dú)立的潛水鐘釋放和回收系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，兩個(gè)冗余組可以做到互不干涉，又能緊密協(xié)作，在進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，兩個(gè)冗余組可以交替釋放潛水員，進(jìn)行不間斷作業(yè)，提高工作效率。

3.2 電力供應(yīng)和分配系統(tǒng)

潛水作業(yè)支持母船的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)向兩套中壓配電板供電，兩套中壓配電板間通過(guò)母聯(lián)斷路器連接。1號(hào)中壓配電板和2號(hào)中壓配電板分別布置在不同的房間內(nèi)，并由不同的發(fā)電機(jī)組供電。

潛水系統(tǒng)設(shè)2個(gè)主配電板，分開(kāi)布置在左右兩個(gè)配電板間，2個(gè)潛水主配電板之間通過(guò)母聯(lián)斷路器連接。1號(hào)潛水主配電板通過(guò)1號(hào)中壓配電板和變壓器供電，2號(hào)潛水主配電板通過(guò)2號(hào)中壓配電板和變壓器供電。2個(gè)潛水配電板間分別單獨(dú)配置變壓器。兩套配電板至潛水系統(tǒng)的電纜路徑物理分隔開(kāi)，并在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置防火分隔，以實(shí)現(xiàn)一側(cè)事故不會(huì)導(dǎo)致兩套供電系統(tǒng)同時(shí)失效。

在潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)間，另設(shè)一組應(yīng)急潛水配電板。應(yīng)急潛水配電板分為兩屏，1屏為440V AC，另一屏為230V AC。440V應(yīng)急潛水配電板可以從1號(hào)潛水主配電板、2號(hào)潛水主配電板或潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。230V應(yīng)急潛水配電板從440V應(yīng)急潛水配電板供電。

配電系統(tǒng)布置如圖2所示。

3.3 潛水鐘釋放和回收系統(tǒng)

共配置兩套潛水鐘釋放和回收系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由潛水鐘主絞車、導(dǎo)向鋼絲繩絞車、臍帶纜絞車、潛水鐘小車、控制系統(tǒng)和波浪補(bǔ)償系統(tǒng)等組成。兩套系統(tǒng)分別用于釋放和回收左右舷的潛水鐘。通過(guò)合適的排班，兩側(cè)潛水鐘可進(jìn)行24小時(shí)不間斷水下作業(yè)?？梢猿浞掷煤Ｉ仙钥v即逝的作業(yè)窗口期，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。

正常操作情況下，潛水鐘通過(guò)主絞車進(jìn)行釋放和回收。導(dǎo)向鋼絲繩絞車僅用于導(dǎo)向配重塊的釋放和回收。當(dāng)主絞車出現(xiàn)故障，或主鋼絲繩出現(xiàn)故障，可以使用導(dǎo)向鋼絲繩絞車同時(shí)回收導(dǎo)向配重塊和潛水鐘。也可以通過(guò)釋放另一舷的潛水鐘到工作區(qū)域，水下潛水員通過(guò)進(jìn)入另一舷的潛水鐘實(shí)現(xiàn)回收。

此外，越來(lái)越多的潛水作業(yè)支持母船上會(huì)裝備大型深水海工吊，在主甲板預(yù)留潛水鐘與中轉(zhuǎn)艙的接口，還可以通過(guò)吊機(jī)將潛水鐘應(yīng)急回收至作業(yè)母船，并通過(guò)預(yù)留接口，將潛水員轉(zhuǎn)移至具有同等高壓環(huán)境的中轉(zhuǎn)艙，以實(shí)現(xiàn)潛水員的應(yīng)急救援。

綜上，各冗余組的潛水鐘可以通過(guò)該冗余組的主絞車、導(dǎo)向絞車和母船上的海工吊機(jī)進(jìn)行救援回收。潛水員可以隨各冗余組潛水鐘一起回收，或必要時(shí)在水下進(jìn)入另一冗余組的潛水鐘，通過(guò)另一冗余組的回收系統(tǒng)進(jìn)行救援回收。

3.4 減壓艙環(huán)境控制系統(tǒng)

減壓艙環(huán)境控制系統(tǒng)由環(huán)境控制單元、冷卻單元、加熱單元、控制系統(tǒng)以及各自的管路系統(tǒng)組成，每個(gè)減壓艙、過(guò)渡艙和中轉(zhuǎn)艙都配備獨(dú)立的環(huán)境控制單元。每個(gè)環(huán)境控制單元由一個(gè)風(fēng)機(jī)、兩個(gè)滌氣機(jī)、一個(gè)冷卻器和一個(gè)加熱器組成。每個(gè)環(huán)境控制單元的設(shè)計(jì)容量可以同時(shí)供兩個(gè)減壓艙使用，在某一減壓艙的專屬環(huán)境控制單元出現(xiàn)故障或進(jìn)行定期檢修保養(yǎng)時(shí)，可以使用相鄰減壓艙的環(huán)境控制單元，也就是說(shuō)，每一個(gè)環(huán)境控制單元都可以與其他環(huán)境控制單元互為冗余，在任一或多個(gè)環(huán)境控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，也不會(huì)導(dǎo)致減壓艙需要停止工作。

整個(gè)減壓艙環(huán)境控制系統(tǒng)也按照電源供應(yīng)進(jìn)行分組，在任一環(huán)境控制系統(tǒng)失電時(shí)，都可以通過(guò)控制系統(tǒng)直接將失電側(cè)的減壓艙環(huán)境控制切換到另一舷側(cè)的環(huán)境控制系統(tǒng)。

3.5 減壓艙飽和控制系統(tǒng)

在潛水氣體儲(chǔ)存區(qū)域和減壓艙區(qū)域中間設(shè)置一獨(dú)立的飽和潛水自動(dòng)化控制室，該房間內(nèi)布置一套飽和潛水自動(dòng)化控制臺(tái)，可通過(guò)PLC對(duì)減壓艙內(nèi)的壓力、氣體配比等進(jìn)行遙控，監(jiān)控減壓艙內(nèi)的環(huán)境情況，同時(shí)可與減壓艙內(nèi)的潛水員進(jìn)行視頻和語(yǔ)音通話。潛水自動(dòng)化控制臺(tái)由230V潛水配電板（從440V潛水主配電板經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換）和230V潛水應(yīng)急配電板供電。潛水控制臺(tái)內(nèi)部設(shè)有獨(dú)立的UPS不間斷電源，可以在潛水主配電板和潛水應(yīng)急配電板都失電時(shí)，繼續(xù)為潛水控制臺(tái)提供足夠的電源。

另外，在每個(gè)減壓艙旁布置就地控制箱，可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行應(yīng)急操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)從潛水系統(tǒng)布置、電力供應(yīng)、下放和回收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面對(duì)飽和潛水系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)和分析，不僅可以提高潛水員的生命安全保障，而且延長(zhǎng)了水下潛水作業(yè)時(shí)間，提高潛水作業(yè)效率。對(duì)于提高飽和潛水技術(shù)在深海水下作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性將有重要的意義，為向更深的海洋進(jìn)行科學(xué)研究和海洋資源開(kāi)發(fā)提供保障。以上是筆者根據(jù)所參與的兩艘飽和潛水支持船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)上做的歸納總結(jié)，希望能對(duì)類似船形的設(shè)計(jì)提供一些借鑒和參考，不足之處，歡迎指正交流。

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