飽和潛水支持船潛水鐘月池設(shè)計(jì)分析

張威，徐鋒

飽和潛水支持船潛水鐘月池設(shè)計(jì)分析

張威，徐鋒

（上海振華重工（集團(tuán)）有限公司，上海 200125）

通過上海振華重工（集團(tuán)）有限公司近期設(shè)計(jì)建造的一艘多功能飽和潛水支持船“ZPMC PELAGIC”的潛水鐘月池設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)分析了潛水鐘月池設(shè)計(jì)中月池結(jié)構(gòu)、潛水鐘導(dǎo)軌、月池消波措施等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為類似月池的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和指導(dǎo)意見。

飽和潛水支持船；潛水鐘月池；消波設(shè)計(jì)；飽和潛水技術(shù)

飽和潛水技術(shù)是一種應(yīng)用于深水海洋環(huán)境，潛水員長期處于水下高壓環(huán)境進(jìn)行作業(yè)的潛水方式。按照國際慣例，當(dāng)潛水作業(yè)水深大于120 m，時(shí)間超過1 h，一般都是采用飽和潛水技術(shù)。通過潛水鐘把處于高壓飽和狀態(tài)下的潛水員送到預(yù)定的作業(yè)水深，潛水員出潛水鐘后直接暴露于高壓環(huán)境進(jìn)行水下作業(yè)，休息時(shí)潛水員返回潛水鐘，通過潛水鐘回到水面上作業(yè)母船的高壓居住艙內(nèi)。

飽和潛水作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)通過潛水鐘收放系統(tǒng)（LARS）將潛水鐘吊起經(jīng)過潛水鐘月池進(jìn)行下放和回收，潛水鐘經(jīng)過“潛水鐘月池”時(shí)，潛水鐘月池內(nèi)的結(jié)構(gòu)沖擊、水流沖擊和垂向抽吸氣塞會(huì)對處于飽和壓力環(huán)境下的潛水鐘內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，對潛水鐘內(nèi)的潛水員的安全和心理造成直接影響，也可能損壞潛水鐘表面附帶的設(shè)備、線管、照明燈具、水下攝像頭等。通過合理經(jīng)濟(jì)的潛水鐘月池設(shè)計(jì)方案，減少潛水鐘下潛和回收時(shí)的卡頓和消除潛水月池內(nèi)水波和抽吸氣塞，對保護(hù)潛水鐘內(nèi)的人員和實(shí)現(xiàn)潛水鐘的安全下放和回收非常重要。

1 項(xiàng)目背景

“ZPMC PELAGIC”是上海振華重工（集團(tuán)）有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造的一艘多功能飽和潛水支持船，該船搭載一套24人雙鐘全自動(dòng)飽和潛水系統(tǒng)，系統(tǒng)可容納24名潛水員，潛水員可分批次進(jìn)行不間斷的深達(dá)300 m的飽和潛水作業(yè)。潛水系統(tǒng)同時(shí)滿足國際海事承包商協(xié)會(huì)IMCA標(biāo)準(zhǔn)及挪威科技標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的NORSOK潛水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。整套飽和潛水系統(tǒng)由高壓居住艙（DDC）、潛水鐘（Bell）、收放系統(tǒng)（LARS）、控制系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)（ECU）、水下通信系統(tǒng)等復(fù)雜設(shè)備組成。整套系統(tǒng)在充分考慮潛水安全的前提下兩套潛水鐘可同時(shí)進(jìn)行相同水深或不同水深的飽和潛水作業(yè)。此外，該船還同時(shí)裝備了一套氦氧混合表面潛水系統(tǒng)，用于水深小于60 m時(shí)的潛水作業(yè)。船上還裝設(shè)了兩臺具備“主動(dòng)波浪補(bǔ)償”功能的深水海工折臂吊機(jī)，主吊機(jī)機(jī)的最大起吊能力達(dá)400 t，最大作業(yè)水深可達(dá)3 000 m。輔助吊機(jī)最大起吊能力達(dá)25 t，最大作業(yè)水深可達(dá)600 m，具備吊人功能，可用于潛水鐘的應(yīng)急回收。

該船動(dòng)力定位系統(tǒng)滿足挪威船級社DYNPOS AUTRO和DYNPOS ER入籍符號，也就是通俗來講的DP 3級和DP加強(qiáng)級動(dòng)力定位。動(dòng)力定位能力達(dá)到ERN99.99.99.99，潛水系統(tǒng)可在各種惡劣海況下進(jìn)行下潛和回收作業(yè)。

潛水鐘收放系統(tǒng)由潛水鐘主絞車、導(dǎo)向鋼絲繩絞車、臍帶纜絞車、被動(dòng)波浪補(bǔ)償器、液壓單元、潛水鐘小車和操控臺等組成。

潛水鐘收放系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 潛水鐘收放系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)溫度﹣10～55 ℃ 最大傾斜橫傾5°，縱傾2° 最大搖擺橫搖±22.5°，縱搖±10° 最大有意波高5.5 m

2 潛水鐘月池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在海上，飽和潛水鐘月池內(nèi)的水面上會(huì)有水波，隨著船舶的搖蕩，特別是在海上惡劣海況條件下會(huì)進(jìn)一步加劇，在潛水鐘月池內(nèi)引起復(fù)雜的水波運(yùn)動(dòng)，加大月池水面波浪高度，不實(shí)施有效的處理，有時(shí)潛水鐘月池內(nèi)的水面波高會(huì)大于所處海洋環(huán)境，給潛水鐘穿越月池造成更為惡劣的環(huán)境條件。飽和潛水作業(yè)時(shí)，潛水鐘內(nèi)的潛水員處在潛水深度所要求的高壓環(huán)境下，潛水鐘月池內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)沖擊和垂向抽吸氣塞會(huì)對飽和壓力環(huán)境下的潛水鐘內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，對潛水鐘表面設(shè)備管線等造成破壞，也會(huì)嚴(yán)重危害潛水員的安全和健康。

本船潛水鐘月池是一個(gè)垂向的箱體結(jié)構(gòu)，在潛水鐘月池的垂向結(jié)構(gòu)艙壁上設(shè)置著由水平擋浪板和垂直擋浪板組成的多層中空隔層；水平擋浪板和垂直擋浪板上均勻開設(shè)多個(gè)圓形減輕孔。當(dāng)海浪或浪涌拍打潛水鐘月池結(jié)構(gòu)時(shí)，浪涌通過減輕孔進(jìn)入由水平擋浪板和垂直擋浪板組成的多個(gè)小的中空箱體，海水短暫滯留在小箱體內(nèi)，多孔箱體結(jié)構(gòu)對波浪形成了緩沖，降低了水波的波動(dòng)浮動(dòng)，從而減緩海浪的沖擊，在潛水鐘月池內(nèi)形成相對緩和的水流環(huán)境。而且，多孔箱體結(jié)構(gòu)形成了水流和空氣的附件流通通道和水流緩沖區(qū)間，可以消除潛水鐘上下穿越潛水鐘月池時(shí)所產(chǎn)生的垂向抽吸氣泵現(xiàn)象，消除潛水鐘月池內(nèi)垂向抽吸氣泵對潛水鐘的沖擊。本船潛水鐘月池呈矩形，月池艙壁上的水平和垂直擋浪板也多采用矩形，結(jié)構(gòu)簡單，便于布置和裝配焊接施工。水平隔板上的開孔尺寸略小于豎直隔板上的開孔尺寸。潛水鐘月池內(nèi)每層水平隔板均與潛水鐘外形相仿，尺寸略大于潛水鐘，平臺邊緣做倒圓角處理，可進(jìn)一步減緩水流運(yùn)動(dòng)對潛水鐘的下放和回收的影響。月池底部與船體結(jié)構(gòu)連接處做成喇叭口形狀，末端采用重型耐磨圓鋼，作為潛水鐘回收進(jìn)入潛水鐘月池的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。通過本船海試時(shí)的潛水鐘實(shí)效下潛和回收試驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)形式對降低水波和減小潛水鐘下放和回收通過月池時(shí)所產(chǎn)生的垂向抽吸氣塞現(xiàn)象有良好的效果。

3 潛水鐘軌道設(shè)計(jì)

實(shí)施潛水鐘下潛作業(yè)時(shí)，潛水鐘和保護(hù)框架一起進(jìn)入潛水鐘月池，潛水鐘保護(hù)框架外裝有直角形導(dǎo)向卡槽。潛水鐘和保護(hù)框架一起沿潛水鐘月池軌道滑行，緩慢入水，保護(hù)框架滑動(dòng)到月池底部時(shí)停止動(dòng)作，潛水鐘繼續(xù)下潛出艙，直至下放至作業(yè)水深。在海上作業(yè)時(shí)，船舶始終處于搖蕩狀態(tài)，潛水鐘經(jīng)過月池時(shí)，會(huì)隨著船舶搖蕩而搖晃，可能造成潛水鐘傾斜，導(dǎo)向卡槽受力不均，從而造成潛水鐘和保護(hù)結(jié)構(gòu)的卡頓和碰撞，對潛水鐘內(nèi)部產(chǎn)生一定的沖擊。嚴(yán)重時(shí)，甚至可能導(dǎo)致潛水鐘和保護(hù)框架卡在月池內(nèi)上下不得，對潛水作業(yè)造成惡劣影響。

本船潛水鐘月池四個(gè)角分別設(shè)置潛水鐘軌道，軌道由角鋼、鋼管及支撐肘板組成。鋼管上下封堵密封，在鋼管內(nèi)充裝惰性氣體，以達(dá)到更好的防腐蝕效果。潛水鐘軌道與船底喇叭口處采用帶面板的加強(qiáng)肘板連接，面板上設(shè)置特氟龍防磨板材，可一定程度上減輕潛水鐘回收時(shí)與船體結(jié)構(gòu)的碰撞沖擊。該方案設(shè)計(jì)簡單，便于施工，有利于對潛水鐘軌道垂直度的控制，可減少潛水鐘上下經(jīng)過月池時(shí)的卡頓和碰撞。

4 潛水鐘月池吹氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船飽和潛水月池還設(shè)置了吹氣系統(tǒng)，吹氣系統(tǒng)有20個(gè)壓縮空氣噴嘴，布置在潛水鐘月池底部和圍壁四周。在壓縮空氣供氣管路上設(shè)置電控流量閥，可在遠(yuǎn)程進(jìn)行流量設(shè)定和開關(guān)控制。壓縮空氣管路和噴嘴安裝在擋浪結(jié)構(gòu)中，不得伸入潛水月池中，以免碰撞損壞和影響潛水鐘上下穿越潛水鐘月池時(shí)的安全。潛水鐘下放室，噴嘴向潛水鐘月池中噴出壓縮空氣，在水中吹出大量氣泡，形成阻尼層，減緩波浪的運(yùn)動(dòng)，在較短時(shí)間內(nèi)消除潛水鐘月池內(nèi)的波浪及涌流，使水面運(yùn)動(dòng)逐漸平緩。

在潛水鐘潛入水前，開啟壓縮空氣控制閥，由噴嘴向潛水鐘月池內(nèi)噴入壓縮空氣，使?jié)撍娫鲁貎?nèi)的波浪和涌流運(yùn)動(dòng)逐漸減小，水面趨于平靜，在潛水鐘沒入水面后停止吹氣。在潛水鐘回收出水前開啟壓縮空氣控制閥，由噴嘴向潛水鐘月池鐘噴入壓縮空氣，使?jié)撍娫鲁厮娴乃ㄑ杆傧謴?fù)平靜，給潛水鐘回收進(jìn)船體提供平緩的水面環(huán)境，在潛水鐘完全進(jìn)入船體后即可關(guān)閉。在海況環(huán)境良好，潛水鐘月池內(nèi)風(fēng)平浪靜水面平穩(wěn)時(shí)，也可以不開啟壓縮空氣吹氣系統(tǒng)。通常情況下，吹氣系統(tǒng)與月池?fù)趵私Y(jié)構(gòu)同時(shí)適用，可以起到更好的消波作用，為潛水鐘下潛和回收操作提供良好的水面環(huán)境。

5 結(jié)論

隨著海工市場的不斷發(fā)展，海洋裝備的使用日益增加，對潛水作業(yè)的需求也越來越大。飽和潛水技術(shù)在深海資源開發(fā)、海疆保衛(wèi)建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將會(huì)展現(xiàn)巨大的發(fā)展前景。本項(xiàng)目通過對潛水鐘月池結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向軌道和消波措施等的深入設(shè)計(jì)，為潛水沖的安全下潛和回收作業(yè)提供安全保障，消除了潛水鐘月池內(nèi)波浪環(huán)境和船舶搖擺對潛水鐘作業(yè)的不利影響。同時(shí)，也保證了潛水鐘內(nèi)潛水員的安全和心理健康，從而提升飽和潛水作業(yè)效率，獲得更好的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益。

［1］劉貞飛，嚴(yán)國華，陳雷，等.飽和潛水在海洋工程中的應(yīng)用［J］.中國水運(yùn)，2012（3）：38-39.

［2］周校國，李雨，江沭淮，等.多層直立開孔擋板透空式防波堤消浪性能試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2014（1）：31-35，57.

U674.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.042

2095－6835（2020）08－0100－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕