淺水作業(yè)—DP船舶性能分析

李剛 上海中船海員管理有限公司

1.背景及目的

DP(動態(tài)定位)是人類開發(fā)海洋的過程中，科技進(jìn)步的產(chǎn)物。最初，是由淺水走向深水，隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)在又有了一種由深水邁向淺水的趨勢。本文以HYSY201為例，闡述淺水作業(yè)DP船面臨的一些問題，以及注意事項(xiàng)。HYSY201經(jīng)歷的最淺作業(yè)水深是30米，世界上的一些海灣，油氣資源豐富，但這些作業(yè)區(qū)域平臺較多，海底電纜、管線密布，需要對淺水區(qū)域船舶的DP能力進(jìn)行評估，對潛在風(fēng)險進(jìn)行識別，對船舶安全、DP作業(yè)安全進(jìn)行論述。

2.淺水區(qū)域—DP船舶的影響

2.1 富余水深

任何時候，船舶必須保證最小的富余水深，各個港口，航道及某些規(guī)范，對于富余水深的要求各不相同，從通常航海經(jīng)驗(yàn)來說，至少要保證0.5m的富余水深。影響富余水深的因素主要有船舶吃水、潮汐、咸淡水差、船舶橫縱傾、船體下沉量。

2.2 海洋環(huán)境影響因素

2.2.1 潮流的影響

淺水區(qū)域，潮流的顯著特性就是流速快、平潮時間短暫、流向較復(fù)雜。當(dāng)潮流較強(qiáng)時，船底處受到的壓力相對船體周圍小，受水流擠壓，船體下沉，船舶吃水增加，在DP系統(tǒng)中，用于計(jì)算用的船體質(zhì)量增加，船舶推進(jìn)器的輸出功率相應(yīng)增加，船舶的冗余性下降。船舶移動，會產(chǎn)生船行波，當(dāng)潮流較強(qiáng)時，伴隨船體產(chǎn)生的那部分拖曳水的質(zhì)量會增加，這部分質(zhì)量會被附加到船體質(zhì)量當(dāng)中，必須要得到足夠重視，對于DP的影響和船體下沉類似。潮流較強(qiáng)時，DP船舶為了保持定位能力，需要提供更多的推力來克服流的力量，船舶的震動加強(qiáng)，冗余度下降。在某些區(qū)域，流向的變化非?？?，平潮的時間甚至只有幾分鐘，DP系統(tǒng)往往來不及對流的變化做出快速的反應(yīng)，換句話說，沒有足夠的時間來刷新數(shù)學(xué)模型，這導(dǎo)致船舶的定位能力急劇下降，甚至有丟失位置的可能。

2.2.2 風(fēng)及涌浪的影響

HYSY201船作業(yè)期間，可承受最大風(fēng)速為16m/s,最大有益波高2.5m,波浪周期6—9s。淺水區(qū)域，因距離大陸較近，因地形阻擋，海陸不同摩擦系數(shù)影響，風(fēng)速較深水區(qū)域會有所下降，涌浪到沿岸附近，能量降低，受海岸地形影響，大多為小的碎浪。從這兩點(diǎn)分析，對于船舶的DP能力是有好處的。但是，從另一方面講，卻增加了船舶承擔(dān)的風(fēng)險，即必須考慮船舶橫縱傾的變化，對船舶富余水深的影響。以HYSY201船為例，當(dāng)船舶縱傾0.5°時，船舶吃水增加0.89m，當(dāng)船舶縱傾1°時，船舶吃水增加1.78m，橫傾1°時，船舶吃水增加0.34m,從以上數(shù)據(jù)可以看出，在船舶縱傾0.5°時，船舶吃水的增加量就該引起高度的重視。

2.2.3 流體影響

某些國家/某些區(qū)域淺海大陸架比較復(fù)雜，地形起伏不平，如果正好冷流、暖流在此交匯，海水中存在著上升流和下降流，例如墨西哥灣，中國的成山角附近海域，會導(dǎo)致該海域水下流體比較復(fù)雜。如果船舶在這樣的淺水區(qū)域進(jìn)行DP作業(yè)，同時作業(yè)水域較淺的話，例如20m,還需要考慮推進(jìn)器排出流打到海底，反射而回的震蕩流對推進(jìn)器、對船舶的反作用，這部分震蕩流，會使船舶推進(jìn)器附近的流場更加復(fù)雜，在某種程度上，可能會降低船舶的DP定位能力。

2.3 地理環(huán)境影響因素

2.3.1 區(qū)域影響

圖1 HAPAP系統(tǒng)精度影響因素

圖2 4500噸起重船舶偏移量

不同區(qū)域，對于DP船舶的影響不同，我們重點(diǎn)關(guān)注的是熱帶環(huán)境的影響。船舶發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要海水冷卻和淡水冷卻，熱帶海域施工時，海水表層溫度較高，導(dǎo)致海水冷卻效果降低，發(fā)電機(jī)會發(fā)生高溫報警。對于HYSY201船來說，我們裝備了K-CHIEF系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測各種參數(shù)，及時應(yīng)對，但如果啟停發(fā)電機(jī)過于頻繁的話，本身就是一種風(fēng)險。因?yàn)槊看螁影l(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)上線之前，都是需要對配電板上的負(fù)荷分配進(jìn)行分析，調(diào)整擬上線的發(fā)電機(jī)功率達(dá)到所需要的額定值，如果在發(fā)電機(jī)上線的過程中，出現(xiàn)意外，將可能導(dǎo)致船舶因負(fù)荷分配不均，直接失位。熱帶海域，海生物繁殖迅速，如果船舶長期處于DP施工狀態(tài)，船舶移動速度較低，在船體周圍海生物會大量累積，這會增加船舶阻力，需要推進(jìn)器提供較多推力克服，同時，海生物在海底閥箱附近附著，降低了冷熱海水的交換率，從而進(jìn)一步降低了對于發(fā)電機(jī)的冷卻能力。

2.3.2 地形影響

淺水區(qū)域，海底可能存在結(jié)構(gòu)物、管線、電纜、雜物等等，這對于推進(jìn)器本身就是一種風(fēng)險。以20m水深為例，船舶在起重狀態(tài)下，最大吃水為10.5m,全旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器探出船底大概4.2m,得到的富余水深為5.3m,推進(jìn)器排出流打到海底，海底的雜物飛濺，極有可能會損壞推進(jìn)器，導(dǎo)致推進(jìn)器突然停車，DP失位。同時，因?yàn)樗钶^淺，海底被吹起的泥沙，可能通過海水閥箱進(jìn)入船舶，堵塞主機(jī)的濾器，就需要船上經(jīng)常檢查濾網(wǎng)，及時更換。

2.4 船舶參照系統(tǒng)影響因素

2.4.1 HIPAP位置參照系統(tǒng)

HIPAP（高精度水聲定位）系統(tǒng)定位精度的影響因素有功率損耗、噪音、反射、傳輸路徑的偏移等，其中占主導(dǎo)因素的是噪音和反射。淺水區(qū)域，噪音主要來自于船舶本身、臨近的結(jié)構(gòu)物和船舶、ROV、其他的HIPA P使用者。船體震動，推進(jìn)器排出流打到海底反射而回產(chǎn)生的震蕩流，推進(jìn)器排出流產(chǎn)生的氣泡，都會產(chǎn)生噪音，淺水區(qū)域HIPAP信標(biāo)和HIPAP探頭都會受到以上噪音源的影響，而導(dǎo)致整體的定位能力的降低。當(dāng)距離海底較近時，海底產(chǎn)生的各種噪音也不容忽視。同時，發(fā)射器發(fā)出的聲波信號，打到海底的信標(biāo)上，因?yàn)楸舜俗饔镁嚯x較短，海底崎嶇不平，反射到發(fā)射器的聲音信號會產(chǎn)生繞射，多路徑傳輸?shù)刃Ч?，最終的定位精度會嚴(yán)重下降。因?yàn)樗钶^淺，從發(fā)射器到信標(biāo)的距離較短，導(dǎo)致用來定位時，船舶的可移動距離會較短（圖1）。

2.4.2 TAUTWIRE位置參照系統(tǒng)

這是一種相對位置參照系統(tǒng)，工作原理就是通過TAUT WIRE吊機(jī)端部的角電位計(jì)測量角度，在得知已放出鋼絲長度的前提下，得到船舶相對重塊的距離、方位。一般來說，TAU T W IRE系統(tǒng)的角度限制可以達(dá)到35°，淺水區(qū)域施工時，富余水深可能只有幾米，這導(dǎo)致了船舶的最大移動距離可能也只有幾米。而且，在近平臺區(qū)域作業(yè)時，還要考慮海底情況對TAUTWIRE工作的限制，比如海底地形，海底結(jié)構(gòu)物，管線，電纜等，在存在海底設(shè)施的區(qū)域內(nèi)，TAUTWIRE是不能使用的，以避免TAUTWIRE重塊砸壞海底設(shè)備。

2.4.3 DGPS位置參照系統(tǒng)

這是已知所有參照系統(tǒng)當(dāng)中定位精度最高的，可以達(dá)到0.1m，而且系統(tǒng)的可靠性較高，受到制約的因素較小。影響DGPS精度的主要因素有高大建筑物的遮擋、磁暴、太陽黑子。通常情況下，在臨近平臺區(qū)域作業(yè)時，要考慮平臺對DPGS信號可能產(chǎn)生的遮蔽作用。在赤道附近作業(yè)時，要考慮太陽黑子可能對DGPS信號的影響。其它情況下，該系統(tǒng)是值得依靠的。

2.4.4 RADIUS位置參考系統(tǒng)

這是一種微波測距、測方位的參考系統(tǒng)。一般將反射器放置在固定物上，例如平臺或者拋錨的船舶。它的限制元素主要來自于天氣、外界環(huán)境對于微波的影響。例如天氣惡劣時，微波的傳輸路徑會發(fā)生變化，反射器周圍物體較光滑，可能會使微波散射，多路徑傳輸?shù)?。而且，該參照系統(tǒng)對于發(fā)射器和反射器距離的要求較高，要想得到較高的定位精度，兩者距離應(yīng)該控制在200m以內(nèi)。當(dāng)發(fā)射器和反射器相對方位不變時，使用該系統(tǒng)會得到較好的效果，但是當(dāng)相對方位改變時，就需要不斷調(diào)整發(fā)射器對應(yīng)于反射器的角度，從實(shí)際操作來講，不是特別方便。

2.4.5 各參照系統(tǒng)的搭配使用

H YS Y201配備的參照系統(tǒng)為HIPAP、TAUTWIRE、DGPS、RADIUS，如上所述，淺水區(qū)域，每個參照系統(tǒng)都有限制因素，但是如果能將各參照系統(tǒng)合理搭配使用，還是能夠提供精確的定位能力。不同參照系統(tǒng)互為補(bǔ)充，互相冗余，提高了船舶定位能力的可靠性。

3.淺水區(qū)域—DP船舶作業(yè)

DP船舶的作業(yè)，主要類型有鋪管、鋪纜、起重、挖溝、放置水泥壓塊、淺水支持、鉆井船、FPSO單點(diǎn)系泊、海洋結(jié)構(gòu)物安裝，本文主要闡述淺水區(qū)域的鋪管、起重的特性及施工注意事項(xiàng)。

3.1 DP鋪管

淺水區(qū)域，DP鋪管作業(yè)的影響因素主要體現(xiàn)在：管線鋪設(shè)張力一般較小,管底張力相對較大；托管架下放角度一般較小；船尾到著泥點(diǎn)的距離相對較近；管線受涌浪影響較大，隨著管線在托管架上的起伏，會直接影響著泥點(diǎn)處的管線受力情況；淺水區(qū)域，一般不會使用ROV監(jiān)測管線，水下能見度差，給潛水員的水下作業(yè)帶來困難；船舶沿路由鋪設(shè)時，橫向可偏移距離較小，以剛剛完成的潿洲項(xiàng)目為例，水深30m,船舶橫向最大偏離距離為5 m；淺水區(qū)域，管線在滾輪上、托管架上、OVERBEND、SAGBEND處可承受的最大張力相對較??；經(jīng)常會遭遇交叉點(diǎn)，管線在坐實(shí)交叉點(diǎn)前，需要對鋪設(shè)張力及走船距離做出微調(diào)；淺水區(qū)域，有時候，不需要拋起始錨，而是直接將鋼絲固定在樁腿上，類似于鋪纜的方式，此時，船舶距離平臺較近，增加了船舶與平臺所承擔(dān)的風(fēng)險；很多時候是近平臺區(qū)域作為起始端和終止端，要嚴(yán)格控制移船速度，正確設(shè)置加速度、減速度，一般不宜過大；淺水區(qū)域，對于張緊器的要求更高，最重要的是保持初始移船和停船階段張力的穩(wěn)定性；淺水區(qū)域，對于向后移船要非常非常慎重，必須在施工總監(jiān)的許可及指導(dǎo)下，才可進(jìn)行此項(xiàng)操作；淺水區(qū)域，DP鋪管所承擔(dān)的風(fēng)險成幾何倍數(shù)增加，主要體現(xiàn)在當(dāng)船舶出現(xiàn)意外情況時，船舶向后移船，極易折斷海管，而在深水鋪管時，向后移船，管子所受到的影響相對較小。

3.2 DP起重

淺水區(qū)域，DP起重作業(yè)，主要關(guān)注的還是富余水深的問題，以HYSY201船為例，3500T尾吊，船舶最大吃水可以達(dá)到10.6m，如果加上推進(jìn)器探出船底的4.2m,一共是14.8m，因?yàn)榇笮推鹬刈鳂I(yè)，一般會選取比較好的天氣窗口，所以此處不考慮橫縱傾對船舶吃水的增加量，為了船舶的安全，個人意見，應(yīng)保證船舶具有充足的富余水深，這就需要公司在進(jìn)行商務(wù)洽談的時候，要提前了解船舶詳細(xì)資料，橫向縱向考慮，選取合適的施工作業(yè)船舶。

淺水區(qū)域，船體本身的震動要比在深水中劇烈一些，加上流速較強(qiáng)，流向易變，吊機(jī)鉤頭的位置，下放高度，都會影響DP船舶的定位精度，潿洲項(xiàng)目期間，我們曾經(jīng)做過簡單的測試，以4000T鉤頭為例，下放高度50m左右時，船舶位置偏差較大，下放高度10m左右時，船舶位置偏差較小。同時，我們模擬了丟失某個推進(jìn)器對船舶的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)主推中的某個推進(jìn)器失去時，船舶位置偏差較大。

無論深水，DP起重作業(yè)，常規(guī)的都是放置導(dǎo)管架或者生活組塊，對于這種大型結(jié)構(gòu)物的吊裝，我們需要關(guān)注的是起吊階段和最終解扣階段，因?yàn)榈鯔C(jī)扒桿重量的突然變化，會導(dǎo)致船舶重心發(fā)生變化，使船舶沿水平方向受到外力作用，位置發(fā)生偏移，同時，隨著扒桿上重量的變化，船舶的位置也會發(fā)生相應(yīng)移動,從圖2很容易看出此種關(guān)系。

4.結(jié)論

DP船舶是海洋工程領(lǐng)域作業(yè)船舶未來發(fā)展的主體趨勢，我們對于DP船舶在淺水區(qū)域施工的特殊性，局限性，也在不斷地加深理解，通過對于一些潛在風(fēng)險的分析，評估，得到恰當(dāng)?shù)慕鉀Q措施，同時，也提供了一些理論上和技術(shù)上的依據(jù)，作為未來對于淺水工程的一種支持。