飽和潛水作業(yè)施工管理和支持船配套研究

陳 帥，劉國增，王靖凱，俞金林，孫 巍

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067；2.交通運輸部上海打撈局，上海 201200）

0 引言

隨著國家海洋石油戰(zhàn)略的制訂與實施，海上油氣田的開發(fā)力度逐漸增大，開發(fā)區(qū)域開始由近海向遠海拓展，原有淺水區(qū)的空氣潛水作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)為深水區(qū)的飽和潛水作業(yè)。飽和潛水支持船（Diving Support Vessel，DSV）融合了項目作業(yè)和飽和潛水支持的功能，目前國內(nèi)很多飽和潛水承包商公司都沒有DSV，需與業(yè)主提供的DSV配合作業(yè)，導致飽和潛水設備必須根據(jù)項目作業(yè)的需要在不同的DSV 之間轉(zhuǎn)換，飽和潛水系統(tǒng)設備與支持船交匯界面的融合程度直接影響著施工的安全性和效率。

飽和潛水是一種能在大深度條件下長時間作業(yè)的潛水方式。按照國際慣例，當作業(yè)深度大于120 m、作業(yè)時間超過1 h且需手動精確操作時，一般采用飽和潛水方式。隨著飽和潛水技術(shù)的不斷更新和成熟，潛水作業(yè)的安全性逐漸提高，同時導致配套系統(tǒng)及設備不斷增多，需有穩(wěn)定供應的平臺作為支撐。為具備大深度工程施工、應急打撈及其他應急突發(fā)事件的快速處置能力，DSV必不可少。

1 DSV的基本要求

1.1 主要崗位人員要求

飽和潛水作業(yè)海上人員組織結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 飽和潛水作業(yè)海上人員組織結(jié)構(gòu)

1.1.1 船長

船長對船舶及船上所有工作人員的安全負最終責任，其能通過潛水監(jiān)督否決一項潛水作業(yè)的開始和終止。

1.1.2 動力定位系統(tǒng)操作員

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Position，DP）操作員負責船舶的定位，必須保持船舶的其他相關(guān)控制中心正常通報操作條件和環(huán)境的變化，如潛水控制室、中央控制室和水下機器人控制室等。

1.1.3 飽和潛水總監(jiān)

飽和潛水總監(jiān)是有豐富經(jīng)驗的飽和潛水監(jiān)督，通常擔任海上飽和作業(yè)項目經(jīng)理，確保潛水項目所需的各種條件得到滿足。此外，飽和潛水總監(jiān)還與船長和業(yè)主代表溝通潛水作業(yè)方面的工作。

1.1.4 飽和潛水監(jiān)督

當值飽和潛水監(jiān)督負責潛水作業(yè)的開始、操作和終止，以及與潛水和生命保障有關(guān)的所有安全工作，包括所有相關(guān)設備的狀況監(jiān)測和操作。飽和潛水監(jiān)督和生命支持監(jiān)督負責在適當情況下有效、及時地進行潛水和艙室操作。此外，飽和潛水監(jiān)督還負責就潛水作業(yè)過程中發(fā)生的變化向業(yè)主提供建議。

1.1.5 業(yè)主代表

業(yè)主代表對業(yè)主負責，確保項目按潛水承包商詳細說明的潛水程序進行，并與承包商船上的高級代表聯(lián)系。業(yè)主代表可要求但不能命令開始潛水作業(yè)，其有權(quán)否決潛水作業(yè)的開始，也可通過潛水監(jiān)督命令終止?jié)撍鳂I(yè)。

1.2 DP要求

DSV可通過DP保持一個固定的位置。DP船使用定位參考系統(tǒng)（如差分全球定位系統(tǒng)、張繩器、水聲定位參考、微波定位、半徑和扇形波束激光定位等）確定船舶的實際位置。至于陀螺儀、姿態(tài)傳感器和風速儀等其他傳感器，用來確定艏向、顛簸、搖擺程度和作用在船上的風力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過計算機估算出推進器需輸出的力和方向，自動控制推進器保持船舶的位置和艏向。DP操作員通過操作DP系統(tǒng)界面調(diào)整船位、艏向和艏向旋轉(zhuǎn)速率（Rate of Turn，ROT）等。當DP 船進行飽和潛水作業(yè)時，DP 系統(tǒng)必須保持足夠的冗余設置，這樣任何對于保持船位來說不可或缺的系統(tǒng)部件失效都不會導致船舶失位。DP 本身存在一定的局限性，沒有系統(tǒng)能保持船舶完全靜止，只能控制其在預定的允許范圍內(nèi)移動。盡管DP系統(tǒng)是非?？煽康?，但仍有失效的可能性。在所有DSV船上，為降低失效的影響并提高安全工作極限，冗余是必須存在的。船上冗余部分包括但不限于推進器及控制單元、電力系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器等。DSV要求至少是DP等級2 級。

2 飽和潛水簡介

2.1 飽和潛水作業(yè)簡介

隨著海上資源開發(fā)和海上作業(yè)的發(fā)展，需要潛水人員在深水海域進行精細操作，但隨著海水深度的增加，若在水下呼吸普通空氣，其中的氮氣在高壓環(huán)境下易引發(fā)“氮麻醉”，且呼吸阻力隨著水壓的增大而增大，這時只能呼吸氦氣等惰性氣體與氧氣的混合氣體進行更深的潛水作業(yè)。這類惰性氣體吸入人體之后會融進血液，若不按規(guī)程減壓，溶解在體內(nèi)的惰性氣體會在潛水員關(guān)節(jié)或身體組織中形成氣泡，造成嚴重的減壓病，甚至危及其生命。當潛水員在某一壓力下連續(xù)停留24 h之后，其身體組織中溶解的惰性氣體量就達到了最大限度，處于吸入與呼出惰性氣體量相等的動態(tài)平衡狀態(tài)，這樣潛水員就不必每次在水下工作一段時間之后回海面減壓，可繼續(xù)在合適的環(huán)境中完成作業(yè)任務之后一次性減壓，這種潛水方法稱為“飽和潛水”。簡單來說，飽和潛水就是潛水員能長時間保持體內(nèi)惰性氣體吸入與呼出動平衡的潛水。飽和潛水能提供更強的深水作業(yè)能力，國際海事承包商協(xié)會（International Marine Contractor Association，IMCA）規(guī)定空氣潛水的下限為-50 m，混合氣潛水的下限為-75 m，而飽和潛水的下限能達到-300 m，甚至更深（見圖2）。

圖2 不同潛水技術(shù)所能達到的作業(yè)深度

2.2 飽和潛水系統(tǒng)簡介

飽和潛水系統(tǒng)是潛水員進行深水作業(yè)的基礎，是保證潛水員在高壓環(huán)境中體液內(nèi)的惰性氣體含量達到飽和，從而維持一種新的平衡的設備和器材的總稱。該系統(tǒng)所運用的綜合技術(shù)密集度非常高，涉及設備繁多，各模塊中的設備布置不僅要滿足設備自身的要求，同時還應達到系統(tǒng)的總體技術(shù)要求。

飽和潛水系統(tǒng)由甲板減壓艙、飽和生活艙、過渡艙、高壓應急逃生艙（Hyperbaric Rescue Chamber，HRC）、潛水鐘、潛水鐘吊放系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、中央控制室、潛水員熱水供應、氣體供應、氣體回收系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成（見圖3）。

圖3 飽和潛水系統(tǒng)三維示意（雙鐘24人，內(nèi)置式）

在飽和潛水作業(yè)模式下，1 套飽和潛水系統(tǒng)由9 名作業(yè)潛水員分為3 組，布置在高壓居住艙群內(nèi)；每個作業(yè)組3 人，由密封的潛水鐘投放到作業(yè)深度，工作8 h之后返回，換下一組人員接替，3 組人員循環(huán)實現(xiàn)24 h不間斷作業(yè)。每組潛水員在高壓飽和狀態(tài)下最長持續(xù)28 d，到期之后會由另一組潛水員從艙外進艙更換，到期潛水員小組在專門的減壓艙內(nèi)減壓出艙，保證作業(yè)持續(xù)。居住艙和潛鐘內(nèi)的氣體氦氧比、氣壓、溫度和濕度等條件均由控制單元及生命支持模塊提供，會根據(jù)作業(yè)的水深進行相應的調(diào)節(jié)。

HRC是艙群中較為特殊的居住艙室，可在緊急情況下迅速與艙群分離，攜帶加壓狀態(tài)的潛水員入水逃生，其作用等同于船舶救生艇。

3 飽和潛水設備和DSV的交匯界面

3.1 前期準備

1）船舶與飽和潛水承包商提前溝通，提供所需圖紙，包括但不限于船舶總布置圖、船舶電站容量圖、船舶油／水／電／氣等公用供應設施清單和甲板油水測量孔布置圖等，船方提供圖紙需標明水、電、氣、油等接口在船上的位置和供應能力，同時注明甲板必須規(guī)避的設施和布置。

2）飽和潛水承包商根據(jù)船方提供的資料設計飽和潛水設備／設施裝船布置圖并反饋給船方。船方根據(jù)裝船圖紙及設備尺寸和重量數(shù)據(jù)計算船舶的穩(wěn)性，根據(jù)加裝額外設備的重量、重心高度和位置核算，對船舶的穩(wěn)性、操縱性和DP性能產(chǎn)生的影響進行程序變更評估。

3）確定HRC投放方式和入水位置等，提前清理其入水側(cè)甲板設施，以便應急加壓逃生艙能隨時被投放或拖帶入水（見圖4）。根據(jù)《HRC解脫釋放程序》確保應急加壓逃生艙上方不能有遮擋物阻礙應急時自由上浮且位于吊機吊裝范圍內(nèi)，且應在不影響HRC釋放的前提下做好甲板開敞區(qū)域的防墜工作。

圖4 飽和潛水系統(tǒng)在DSV上的典型布置（舷側(cè)入水）

4）在進行飽和系統(tǒng)甲板布置設計的同時，必須計算潛水員的自由臍帶長度。潛水員允許放出的最長自由臍帶長度應比潛水員到危險源的最短距離短5 m，待命／應急潛水員的自由臍帶比作業(yè)潛水員的自由臍帶長2 m（以便應急時救援作業(yè)潛水員），危險源一般為推進器或其他可能對潛水員造成人身傷害的運動部件。潛鐘應盡量布置在各危險源的中點，以便獲得最長的自由臍帶長度，在作業(yè)之前根據(jù)潛鐘的各水深計算距離最近危險源的距離，并繪制出臍帶纜控制圖。

3.2 飽和潛水系統(tǒng)的水、電、氣需求

3.2.1 水源需求

根據(jù)設備冗余原理，海水供應需2 路（一用一備），24 h供應。對于常規(guī)的移動式飽和系統(tǒng)，其壓力與流量需求一般不超過300 L／pm／50 psi。海水用于實現(xiàn)生活艙水空調(diào)冷卻和濕度調(diào)節(jié)、高壓水槍水源及潛水員自身熱水系統(tǒng)供應。水空調(diào)和潛水員熱水系統(tǒng)對海水供應質(zhì)量的要求較高，壓力和流量需穩(wěn)定持續(xù)，不能有氣泡。淡水供應用于實現(xiàn)甲板區(qū)域飽和設備清潔、艙內(nèi)人員日用等，滿足普通生活區(qū)淡水供應壓力和流量要求即可。

3.2.2 電力需求

移動式飽和系統(tǒng)的電力負載一般在300 kW以下，較常見的電壓是440 ～480 V，頻率為50 ～60 Hz。飽和潛水系統(tǒng)主電源由船舶供應，飽和系統(tǒng)在接到DSV配電板電源之后，為避免錯誤關(guān)閉飽和系統(tǒng)供電（風險極大），飽和系統(tǒng)的供電使用掛牌上鎖系統(tǒng)，由飽和潛水系統(tǒng)的機電工程師保留鑰匙；同時，為避免DSV出現(xiàn)斷電等應急情況和提供電力冗余，飽和潛水承包商會自備應急發(fā)電機作為應急電源。

3.2.3 氣源需求

飽和潛水系統(tǒng)的回收氣驅(qū)動使用壓縮空氣、遞物絞車和空潛A架等設備。氣源對穩(wěn)定性的要求較高，且在飽和潛水作業(yè)時續(xù)24 h需要氣源。鑒于此，大多數(shù)潛水承包商自備柴油空壓機。

3.3 視頻通信系統(tǒng)

1）IMCA D014 卷規(guī)定：由DSV的DP控制臺到潛水控制室的通信至少有2 路，其中一路必須為有線通信。目前DSV一般提供有線清晰對講、有線程控電話和超高頻無線對講電臺等3 種通信方式。

2）IMCA D022 卷規(guī)定：飽和潛水現(xiàn)場負責人需有途徑了解水下作業(yè)人員的生命體征狀況。在水下與其他作業(yè)部門協(xié)同作業(yè)時，需接入?yún)f(xié)同作業(yè)方的視頻信號。飽和潛水作業(yè)人員需建立與DSV辦公區(qū)的作業(yè)通信和視頻連接，以便飽和潛水作業(yè)總監(jiān)、業(yè)主代表和DP系統(tǒng)操作員實時查看水下作業(yè)情況。

3.4 黑、灰水處理及后勤支持

確定飽和艙內(nèi)黑、灰水的排放接口，黑、灰水先通過飽和艙內(nèi)的作業(yè)壓力排放給艙外的收集系統(tǒng)，再通過管道分別排入支持船的黑、灰水收集處理系統(tǒng)，經(jīng)過DSV處理裝置采用電解法、生物降解法等方法處理之后進入清水柜，經(jīng)過檢測滿足排放標準的要求之后，根據(jù)液位，由排放組件在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)排放或由有資質(zhì)的回收機構(gòu)回收送岸處理。DSV提供艙內(nèi)潛水員獨立的洗衣和烘干設備，以及獨立的衣物／裝具儲存空間。潛水員進入飽和艙加壓之后，由專門的生命支持團隊對加壓艙進行24 h監(jiān)控。由于飽和艙內(nèi)外壓力差較大，所有飽和潛水員使用的容器器皿都不允許帶中空保溫層。

4 DSV安全應急

4.1 飽和潛水應急設備

飽和潛水員進入加壓狀態(tài)之后，無法再使用常規(guī)的救生艇筏，其逃生設施轉(zhuǎn)為HRC。HRC 逃生系統(tǒng)由HRC本體、生命支持組件（Life Support Package，LSP）、應急拖船和安全島組成。

HRC是一個可自浮的加壓艙體，與飽和艙群連接，里面裝有潛水員72 h 生存所需的食品、水和呼吸氣體，配備獨立的應急呼吸面罩，在艙內(nèi)氣體受到污染時仍可供潛水員呼吸。HRC 外部裝有警示牌、雷達反射器、防撞框架、可浮拖帶吊裝索具和保溫材料。應急時，艙內(nèi)潛水員全部進入HRC，封門與飽和系統(tǒng)艙群分離，而后投放入水，自由漂浮等候拖船拖帶。

LSP是一套協(xié)助HRC內(nèi)潛水員完成應急減壓的設備組合，包含1 套應急生命支持控制房、1 套水空調(diào)和1 套減壓／治療用氣體。應急時，拖船攜帶HRC與LSP匯合，并對接完成最后的減壓，拯救潛水員的生命。避免事故時，LSP與飽和系統(tǒng)一同沉沒，作業(yè)時兩者分開放置，LSP的存放地點被稱為安全島。

4.2 DSV應急準備

飽和潛水承包商提前向DSV提供飽和潛水《LSP安全島應急處理預案》和應急聯(lián)系清單。加壓之后會進行一次全面的應急演習，此時船方需按預案聯(lián)系應急拖船、平臺和安全島。潛水員進艙加壓之后，其逃生設施由船上救生艇和筏轉(zhuǎn)為飽和系統(tǒng)HRC（見圖5），所有飽和作業(yè)人員的集合地點轉(zhuǎn)為飽和系統(tǒng)現(xiàn)場集合點，另需包含1 名船方甲板司索和1 名吊機手協(xié)助HRC 釋放，船方需預留能容納足夠人數(shù)的逃生設施給以上小組應急使用，并配置至少1.5 倍當班作業(yè)人員數(shù)量的救生衣布置于飽和作業(yè)人員集合點附近，以上應急救生設備和設施應供飽和作業(yè)人員專用。

圖5 飽和系統(tǒng)應急逃生系統(tǒng)（HRC）

4.3 程序及預案準備

DSV成員應熟悉飽和潛水承包商提供的應急反應預案，并在施工作業(yè)之前針對應急預案進行船舶失位等應急演習。DP系統(tǒng)操作員清楚了解飽和系統(tǒng)作業(yè)的氣象限制要求，嚴格按DP操作作業(yè)程序要求制作作業(yè)特定操作指南（Activity Specific Operation Guidelines，ASOG）。在作業(yè)之前應進行救鐘演習，這是磨合各陌生作業(yè)界面的有效手段。模擬飽和主供電失效、主吊鋼絲破斷和主絞車故障等情況下，使用配重鋼絲、吊機和無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicles，ROV）等將潛鐘收回至甲板上的過程。演練必須覆蓋船上所有主要工作界面，同時測試安全島通信、應急拖船通信和陸地救援資源通信等，以確保所有應急救援隨時可用。

5 結(jié)語

飽和潛水作業(yè)屬于深水高風險作業(yè)，DSV應能為完成飽和潛水任務提供高質(zhì)量服務，在人員配置、設備布置和作業(yè)能力等方面必須滿足相關(guān)作業(yè)規(guī)范的要求。鑒于DSV 提供的支持接口繁雜，涉及的部門較多，對船上的系統(tǒng)、設備和人員等均提出了較高的要求，DSV接口對飽和設備的融合程度和供應能力直接影響著海上施工的質(zhì)量和效率。這就要求船方在處理飽和潛水設備與DSV的交匯界面時充分與各相關(guān)方溝通，明確潛水系統(tǒng)的水、電、氣需求，確保視頻通信系統(tǒng)順暢連接，做好黑、灰水處理及后勤保障等周邊支持工作，在此基礎上，進一步落實DSV安全應急方案，包括飽和潛水應急設備、DSV 應急準備和程序與預案準備等，從理論和實踐層面不斷進行研究優(yōu)化。