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摘要:

針對(duì)利用非專業(yè)船舶進(jìn)行海底管道檢測(cè)，不僅檢測(cè)時(shí)間耗費(fèi)大，效率低，準(zhǔn)確度差，而且對(duì)潛在隱患的發(fā)現(xiàn)能力有限的問題。設(shè)計(jì)專業(yè)的海底管道巡檢船，以提高海管安全隱患排查能力和效率，實(shí)現(xiàn)隱患的常態(tài)化監(jiān)控和整改，控制海管損壞和泄漏事件的發(fā)生，保障海底管道安全運(yùn)營。介紹擬建的海底管道巡檢船的設(shè)計(jì)和功能配置。

關(guān)鍵詞:

海底管道;巡檢船;設(shè)計(jì);功能

海底油氣管道(以下簡稱“海底管道”或“海管”)是投資高、風(fēng)險(xiǎn)大的海洋工程，對(duì)海上油氣田的開發(fā)、生產(chǎn)與產(chǎn)品外輸起著至關(guān)重要的作用。但是，由于拖網(wǎng)捕魚、沖刷等原因都會(huì)使海底管道受到損傷或發(fā)生泄漏。而管道一旦出現(xiàn)損傷或泄漏，不僅修復(fù)費(fèi)用高，而且會(huì)使油田停產(chǎn)，給企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。隨著海管敷設(shè)距離和運(yùn)行時(shí)間的延長，海底管道安全問題日益顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的管道管理理念、手段、方法及裝備越來越難以適應(yīng)安全管理要求。因此，需要專業(yè)的海底管道。

1功能定位及使用要求

1)功能定位。主要用于渤海，工作水深60m以內(nèi)的海管普查、海管詳細(xì)調(diào)查等路由調(diào)查工作和水下檢測(cè)工作。

2)使用要求。航速快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、耐波性好、測(cè)量精度高，正常情況下能夠全天候出航作業(yè)。

2設(shè)計(jì)方案及功能配置

2．1船型方案選擇

由于全球范圍內(nèi)專業(yè)的管線測(cè)量船舶的數(shù)量較少，可供參考的船型不是很多。但其功能和小型測(cè)量船或科考船相當(dāng)，所以參考類似的測(cè)量船或科考船。針對(duì)本船功能定位及使用要求，并參考國外2型現(xiàn)有先進(jìn)的測(cè)量船和海工支持船(見圖1、2)，提出2個(gè)建造方案。在船型上均采用鋼質(zhì)、局部雙層底、連續(xù)甲板、全電焊結(jié)構(gòu)，均配備專用的艉部A架，折臂吊機(jī)、專業(yè)絞車、電力推進(jìn)的船型，但2方案在主尺度上有所不同，在船長、排水量基本相當(dāng)?shù)那疤嵯拢诖瑢捄统运嫌幸欢ú町悾?方案的穩(wěn)性和耐波性上有一定差異。1)船長L。經(jīng)過搜集的船型資料的分析，長寬比L/B為4．5～5．0，寬型深比為B/D為2．0～2．5，較小的長寬比可以有效控制造價(jià)，在同樣的排水量要求下，加船寬引起的空船重量增加約為加船長的1/5。但一味地減小船長增加船寬又會(huì)使船舶航行阻力大大增加。根據(jù)其功能需求及海區(qū)的波浪特性，適應(yīng)性其滿載排水量應(yīng)不小于2000t，在L/B為4．5～5．0情況下，初步估算對(duì)應(yīng)船長約為60m，且最高航速不小于13kn。在排水量一定時(shí)，增加船長，必定要求B、T同時(shí)減小，因而L/B增大，所以船型變得較瘦長。對(duì)剩余阻力產(chǎn)生的影響反映在2個(gè)方面:①船型瘦長，經(jīng)使粘壓阻力下降;②船寬B、吃水T減小，將使興波阻力下降［1］。選取適當(dāng)?shù)拇L，可以有效降低弗勞德數(shù)，降低船舶航行阻力，本船弗勞德數(shù)控制在0．30～0．33。綜合考慮，本船方案1:垂線間長Lbp約58．8m，水線長Lw160．9m;方案2:垂線間長Lbp約58．8m，水線長Lw160．9m。2)船寬B。要求本船在中等海況下具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，適應(yīng)全天候的作業(yè)要求，對(duì)于穩(wěn)性要求較高。因此應(yīng)滿足排水量的要求，同時(shí)還需滿足主發(fā)電機(jī)組的布置要求和折臂吊起重作業(yè)的穩(wěn)性要求，經(jīng)綜合考慮，本船船寬方案1取13．0m;方案2取11．8m。3)型深D。本船型深的選取從機(jī)艙設(shè)備布置所需的凈空高度和測(cè)量艙室的布置2方面考慮。增加型深可以改善機(jī)艙設(shè)備的布置條件，且有利于輪機(jī)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和維護(hù)。對(duì)于船舶的總強(qiáng)度、剛度均有利。2方案均設(shè)置雙甲板，可大大增加干舷，及艙室布置空間。缺點(diǎn)為空船重量較大，增加一定初投資。綜合考慮，方案1型深初定8．0m，方案2取8．5m。初步分析計(jì)算確定主尺度見表1。方案1的船寬較寬，吃水較小，其穩(wěn)性較好，能在更高海況下完成作業(yè)，能更好的滿足其惡略天氣下的應(yīng)急溢油調(diào)查工作，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。方案2的船寬較小，吃水較大，橫搖周期相對(duì)較長，耐波性較好，船員舒適度有一定改善，但穩(wěn)性較差，在高海況應(yīng)急作業(yè)穩(wěn)性儲(chǔ)備較小。經(jīng)綜合對(duì)比分析，推薦方案1為優(yōu)選方案。

2．2推進(jìn)方式選擇

根據(jù)本船船型及作業(yè)要求和特點(diǎn)，可選擇的推進(jìn)方式有柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的可變螺距槳、全電力驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)、全電力驅(qū)動(dòng)的吊艙式推進(jìn)等3種［2］。1)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的可變螺距槳。是在定距槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種推進(jìn)方式。該方式吸收了定距槳經(jīng)濟(jì)節(jié)能、運(yùn)營管理方便等方面的優(yōu)點(diǎn)，通過改變螺距的方式，使柴油機(jī)、槳在各種工況下與船體阻力性能匹配更合理，船員操船更為方便，初投資增幅亦不是很明顯。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程船舶，具有技術(shù)成熟、使用可靠和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)船員使用、維護(hù)水平要求較高，并且，由于飄泊作業(yè)時(shí)船舶需保持原地懸停狀態(tài)，主推進(jìn)系統(tǒng)所需的推力很小，主柴油機(jī)的負(fù)荷非常低，經(jīng)常在20%甚至更低的負(fù)荷下運(yùn)行，根據(jù)柴油機(jī)燃燒特性，在此狀態(tài)下燃油的消耗與輸出功率比非常高，經(jīng)濟(jì)性差。2)全電力驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)。是近10年發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用的一種推進(jìn)形式。它是由柴油發(fā)電機(jī)組及配電設(shè)備組成的電力系統(tǒng)供電，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)單元式推進(jìn)器的方式。該推進(jìn)方式的核心是電力系統(tǒng)與推進(jìn)器。設(shè)計(jì)理念主要是考慮船舶使用過程中用大的電負(fù)載較多，且不同時(shí)使用，通過電站功率管理系統(tǒng)的匹配，減少船舶的裝機(jī)容量，并且在運(yùn)營過程中柴油機(jī)的啟停實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。針對(duì)本船測(cè)量工作時(shí)航速工況較多，管路巡檢時(shí)航速為0～6kn，經(jīng)濟(jì)調(diào)遣航行時(shí)航速不小于12kn且要兼顧DP工況，全船電站負(fù)荷剛好錯(cuò)峰，能夠充分顯現(xiàn)電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)是裝機(jī)功率小、船機(jī)槳性能匹配性好、船舶操縱性好、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)節(jié)能;缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)建造廠的要求相對(duì)較高。3)全電力驅(qū)動(dòng)的吊艙式推進(jìn)。由全回轉(zhuǎn)推進(jìn)的形式發(fā)展而來，目前國際、國內(nèi)均有一定的應(yīng)用。系統(tǒng)配置及優(yōu)缺點(diǎn)延續(xù)了全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的特點(diǎn)，只是將推進(jìn)電機(jī)組合進(jìn)推進(jìn)器單元，使系統(tǒng)成套性更完整、接口更少、推進(jìn)器效率更高。缺點(diǎn)是初投資很高，一般吊艙式推進(jìn)器的價(jià)格是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的2～3倍，并且系統(tǒng)安裝調(diào)試的要求非常高，維修保養(yǎng)費(fèi)用和后續(xù)備件的費(fèi)用比其他幾種形式更高。當(dāng)然，電力推進(jìn)系統(tǒng)與常規(guī)柴油機(jī)帶軸槳的推進(jìn)方式相比，也存在以下缺點(diǎn):1)系統(tǒng)較復(fù)雜，初始投資較大。一般電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力裝置(主柴油發(fā)電機(jī)組)、配電裝置(配電板及功率管理系統(tǒng))、驅(qū)動(dòng)裝置(變壓器、變頻器及推進(jìn)電機(jī))、推進(jìn)裝置(全回轉(zhuǎn)舵槳或吊艙式推進(jìn)器)、控制系統(tǒng)等組成，各主要裝置通過動(dòng)力電纜和控制電纜連接，系統(tǒng)較常規(guī)柴油機(jī)帶軸槳的推進(jìn)方式相比，系統(tǒng)復(fù)雜程度高出很多。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明，一般采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，動(dòng)力系統(tǒng)裝置的費(fèi)用與非電力推進(jìn)的船舶增加15%～25%，而動(dòng)力裝置費(fèi)用約占全船總費(fèi)用的30%左右，即采用電力推進(jìn)的船舶，總體造價(jià)約高出4．5%～7．5%。由于電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果，7年左右節(jié)省的燃油可與增加的初投資持平。2)電力設(shè)備的大量使用，全船諧波控制要求高。船舶電網(wǎng)中的諧波主要來源于3個(gè)方面:①電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波;②配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波;③用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波［3］。本船由于采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，全船大量采用大功率的電力設(shè)備，容易對(duì)電網(wǎng)中的一些小型用電設(shè)備，如廚房設(shè)備、通信導(dǎo)航設(shè)備等帶來沖擊。因此，與常規(guī)柴油機(jī)帶軸槳的推進(jìn)方式相比，全電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)諧波控制要求更高，但目前已有多種成熟有效的諧波抑制手段，可將電站總的諧波成份控制在規(guī)范要求的5%以內(nèi)。另外對(duì)全回轉(zhuǎn)可變螺距推進(jìn)與電力推進(jìn)的比較，2者初始投資相差不大，但電推的優(yōu)勢(shì)是能適應(yīng)更多的工況，在不同工況下可以獲得更高的推進(jìn)效率，其節(jié)能效果顯著。經(jīng)綜合比較分析，最終推薦采用全電力驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)方式。

2．3主要功能配置

2．3．1主要機(jī)電設(shè)備及電站容量選擇

根據(jù)巡檢船的工作特性，其實(shí)際工作工況可分為如下幾種:調(diào)遣航行(12kn)、全速航行、進(jìn)出港、ROV作業(yè)、管道巡檢(6kn)、停泊、應(yīng)急。根據(jù)以上不同工況下對(duì)功率的需求，確定發(fā)電機(jī)組功率。巡檢船全船負(fù)載分為以下幾類。1)為滿足航行及DP2作業(yè)工況要求，在艉部設(shè)置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，每臺(tái)推進(jìn)電機(jī)的功率約1100kW，艏部設(shè)置2臺(tái)管隧式推進(jìn)器，推進(jìn)電機(jī)約700kW。2)巡檢船配置檢查型ROV，ROV工作的負(fù)荷包括ROV本體動(dòng)力，ROV絞車及ROV艙內(nèi)控制及其他輔助系統(tǒng)，由于不同型號(hào)的ROV消耗功率差別較大，目前所需功率暫按某參考型船配置選取。3)巡檢船用于吊放聲學(xué)、檢查設(shè)備的專有甲板機(jī)械包括A字架，旋轉(zhuǎn)折臂吊等。這些設(shè)備間斷工作，對(duì)電站的負(fù)荷估算影響不大。4)巡檢船還配置有眾多聲學(xué)儀器設(shè)備。5)其他常規(guī)供電負(fù)載包括機(jī)艙輔機(jī)、空調(diào)通風(fēng)、廚房、照明、通信導(dǎo)航等。根據(jù)以上分析巡檢船的負(fù)荷種類和使用工況，依據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算確定發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)和容量，考慮的原則包括:1)電站總功率滿足各運(yùn)行工況下的最大負(fù)荷需要。2)調(diào)遣航行應(yīng)有備用機(jī)組，其容量應(yīng)等于電站中最大一臺(tái)機(jī)組的容量。3)當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，其余的發(fā)電機(jī)組應(yīng)有足備的儲(chǔ)備容量，以使當(dāng)最大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)所導(dǎo)致的系統(tǒng)的電壓的大幅度降落，不會(huì)使任何電機(jī)失速或使其他設(shè)備失效。4)考慮一定的功率儲(chǔ)備，各發(fā)電機(jī)的最高負(fù)荷率取85%左右。5)主發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)大于2臺(tái)，保證電站負(fù)荷的靈活調(diào)整，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。6)為保證有良好的并聯(lián)運(yùn)行特性及各機(jī)組互為備用，盡量選用同型號(hào)且容量相同的機(jī)組。本船入CCS船級(jí)社，取ElectricalPropulsionSystem船級(jí)符號(hào)。CCS《鋼制海船入籍規(guī)范》(2014年)中，對(duì)公共電站要求如下［4］。1)電站的控制系統(tǒng)應(yīng)保證在推進(jìn)和日用負(fù)載之間安全地分配電力，如有必要，可以卸掉非重要負(fù)載和(或)降低推進(jìn)功率。2)在1臺(tái)發(fā)電機(jī)組不工作時(shí)，剩余的機(jī)組應(yīng)能像所有重要設(shè)備和船舶常用設(shè)備供電，同時(shí)應(yīng)維持有效推進(jìn)，即保證在船舶航速不小于7kn或設(shè)計(jì)航速的一半，2者中取大者。根據(jù)以上原則及表1負(fù)荷估算結(jié)果，初步考慮采用4臺(tái)800kW的主發(fā)電機(jī)。4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，可滿足本船最大運(yùn)行工況的負(fù)荷需求;調(diào)遣航行下3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行即可滿足其負(fù)荷需求，有1臺(tái)機(jī)組備用;滿足運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。由于本船停泊、應(yīng)急工況負(fù)荷較低，考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置1臺(tái)獨(dú)立的功率較小的停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。故本船2方案的主電站均由4臺(tái)800kW的主發(fā)電機(jī)、1臺(tái)280kW停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組組成。

2．3．2電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的選擇

在綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，隨著推進(jìn)裝置功率的加入和其他用電設(shè)備的大量增加，電網(wǎng)的功率也大大增加。考慮到開關(guān)斷流容量限制和電纜的合理用量，適度提高系統(tǒng)的電壓等級(jí)是必然趨勢(shì)。目前船用交流電網(wǎng)多為400，690V(低壓)或3300，6600，11000V(中壓)等級(jí)。采用IEC電壓等級(jí)來選擇船舶電力系統(tǒng)的通常方法是［5］:1)如果發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量超過20MW，推薦選擇11kV的中壓電力系統(tǒng)。2)如果發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量在4～20MW之間，推薦選擇6．6kV的中壓電力系統(tǒng)。3)如果發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量低于4MW，推薦選擇690V的低壓電力系統(tǒng)。4)對(duì)于低壓配電系統(tǒng)，一般采用400/230V電壓等級(jí)。以海底管道巡檢船為例，由于本船發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量小于4MW(實(shí)際約3200kW)，故推進(jìn)電機(jī)電壓選用690V，其他船用設(shè)備電壓選用400V。

2．3．3專業(yè)測(cè)量設(shè)備及主要功能

本船是一艘現(xiàn)代化海底管線路由調(diào)查船，根據(jù)管線調(diào)查測(cè)量中不同的目的，將管線調(diào)查測(cè)量分成3個(gè)工作階段，同時(shí)由于涉及的管線狀況(掩埋、裸露)和工作區(qū)域(淺水、深水)不同，各階段的內(nèi)容有所不同。I階段:管線普查，利用傳統(tǒng)的船載管線儀以S形測(cè)線按照作業(yè)書要求的最小間距橫跨管線的預(yù)定路線，根據(jù)管線儀的數(shù)據(jù)確定管線的準(zhǔn)確經(jīng)過點(diǎn);對(duì)于深水區(qū)域的海底裸露管線，則以側(cè)掃聲吶(搭配磁力儀)沿著管線的一側(cè)飛行，獲取管線的詳細(xì)線路。II階段:管線詳細(xì)調(diào)查，在獲得管線的線路后，操作高分辨船載淺地層剖面儀和多波束測(cè)深儀獲取管線的精細(xì)線路和管線的環(huán)境狀態(tài)，同時(shí)使用船載ADCP采集沿著管線路由的流速、流向信息。管線檢查:操作ROV對(duì)裸露管線進(jìn)行詳細(xì)的、影像級(jí)別的狀態(tài)檢查，如有泄露警報(bào)，利用ROV搭載的油氣監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行泄露點(diǎn)定位。主要測(cè)量功能如下。

1)使用安裝在船體下升降鰭上的多波束，沿管線測(cè)量地貌及發(fā)現(xiàn)障礙物。

2)使用安裝在船體上升降鰭上的ADCP，可對(duì)海底各層做流速剖面。

3)使用安裝在船體上升降鰭上的淺地層剖面儀，可用于被埋管線調(diào)查，可以給出管線位置，并且可以給出管線埋深。

4)側(cè)掃聲納系統(tǒng)通過船體艉部A架拖曳探測(cè)，配合絞車使用，主要用于觀測(cè)裸露的管線是否有掏蝕、架空現(xiàn)象。

5)船上裝有USBL系統(tǒng)，配合搭載聲學(xué)測(cè)漏系統(tǒng)和油氣測(cè)漏探測(cè)系統(tǒng)的ROV，沿管線路由進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比分析。

6)船上配備海底管線檢測(cè)維修信息管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)集成在全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過終端電腦上安裝的管理軟件，對(duì)采集的海管實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與海管歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)也可以通過英特網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)回岸基的海底管線管理系統(tǒng)。

7)配合維修船作業(yè)。在維修船定位前，利用多波束、ADCP、地質(zhì)淺剖對(duì)維修船需要定位的區(qū)域進(jìn)行水深、地質(zhì)地貌、水流及水溫進(jìn)行測(cè)量，確保維修船能夠安全定位。

8)溢油探測(cè)功能。使用溢油雷達(dá)大范圍掃側(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)漏油區(qū)域后，根據(jù)ADCP測(cè)得的流速流向信息結(jié)合氣象信息，找到漏油的源頭。

3結(jié)論

海底石油天然氣管道作為海上油氣田的生命線，無疑是海上溢油事件的主要風(fēng)險(xiǎn)源，像跨海大橋的興建，深港碼頭向海內(nèi)的不斷延伸，挖沙、鉆探、打樁、拋錨、拖錨、養(yǎng)殖等海上作業(yè)或其他活動(dòng)，都是潛在的危及海管安全的因素。因此，如何在海洋石油勘探開發(fā)進(jìn)程中肩負(fù)起保護(hù)環(huán)境的重任，降低勘探開采作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障海管運(yùn)營安全，從而有效控制溢油事故發(fā)生，已成為石油勘探開發(fā)越來越關(guān)注的問題。

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作者:張國立 曲兆源 單位:中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司深水環(huán)保船項(xiàng)目組