自升式鉆井平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?bào)奕纾S赟

（上海中集海洋工程研發(fā)中心，上海 201206）

0 引言

熟悉海事局航行通告的人一定知道，在沿海港口航道圖或者海圖上通知標(biāo)注設(shè)置平臺(tái)的重要參數(shù)，除了平臺(tái)的位置坐標(biāo)、安全區(qū)范圍以外，必須還有燈光聲號(hào)的信息。

自升式石油鉆井平臺(tái)具有良好的移動(dòng)性和穩(wěn)定性，可以由拖船拖帶遷航至指定作業(yè)水域。當(dāng)其插樁完畢且其主體沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行作業(yè)時(shí)，它就具備了海上固定平臺(tái)的特性，必須按照相應(yīng)的規(guī)范設(shè)計(jì)并安裝一套可以為過往船只、飛機(jī)提供聲光信息的導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 自升式石油鉆井平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 組成

海上自升式石油鉆井平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括障礙燈、導(dǎo)航燈（也可稱為助航燈）、霧笛、控制盤、電池組和光控開關(guān)組成。

1.2 作用

海上石油鉆井平臺(tái)是建造在大海之中的鋼結(jié)構(gòu)物體。設(shè)置導(dǎo)航系統(tǒng)的目的是用可視和音響信號(hào)系統(tǒng)保證平臺(tái)的安全，避免來往航行及作業(yè)船舶的碰撞，防止直升飛機(jī)降落時(shí)的碰撞。

1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工作是根據(jù)規(guī)范的要求，對(duì)海上平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)航燈和霧笛安裝位置的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型設(shè)計(jì)。

1.4 設(shè)計(jì)規(guī)范

平臺(tái)的建造規(guī)格書會(huì)約定平臺(tái)的船級(jí)、規(guī)范、規(guī)則和證書。對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要依據(jù)的規(guī)范有：相關(guān)船級(jí)社規(guī)范、國(guó)際海事組織可移動(dòng)海上鉆井船建造和裝備法規(guī)（IMO Code for Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units）；英國(guó)民用航空手冊(cè)CAP437。延伸可參考的規(guī)范有國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)關(guān)于海上構(gòu)筑物上設(shè)置標(biāo)志的建議（IALA Aids to Navigation Manual - IALA NAVGUIDE）及其推薦案O-139（The Marking of Man-Made Offshore Structures）、國(guó)際民航組織規(guī)范（ICAO Convention, Annex 14）等。在我國(guó)管轄海域內(nèi)建設(shè)、使用的平臺(tái)，還應(yīng)滿足海上固定（移動(dòng)）平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范和海上固定平臺(tái)安全規(guī)則的要求。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 障礙燈

障礙燈一般安裝在海上平臺(tái)建筑物、火炬塔和起重設(shè)備的頂部，防止直升飛機(jī)在下降的過程中碰撞平臺(tái)上的上述物體。

海上固定平臺(tái)安全規(guī)則中關(guān)于助航標(biāo)志與信號(hào)的要求：

1）平臺(tái)水平和垂直的端點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)紅色障礙燈，其設(shè)置應(yīng)符合航空條件的要求；

2）障礙燈的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用防水型燈具，其燈頭應(yīng)具有防止燈泡自行松脫的結(jié)構(gòu)。

IMO MODU CODE第13章中關(guān)于直升機(jī)設(shè)施的要求：

1）在合適的位置安裝最小視光強(qiáng)度為10cd的全方向紅色警告燈，為直升機(jī)駕駛員提供視覺信息，提醒對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生威脅、接近和高于直升機(jī)著陸區(qū)域以及鄰近限制障礙扇形邊界的物體。此類照明必須符合：（1）高于直升機(jī)著陸區(qū)域15m的物體，必須每隔10m安裝一個(gè)相同亮度的紅色燈直至直升機(jī)甲板（如燈具被其他物體遮擋除外）。（2）火炬塔之類的結(jié)構(gòu)體可以選擇用投光燈替代紅燈。此類燈具應(yīng)可以照亮整個(gè)結(jié)構(gòu)體，且不影響飛行員夜視。（3）自升式平臺(tái)上最靠近直升機(jī)甲板的樁腿可選擇投光燈替代紅燈。此類燈具應(yīng)不影響飛行員夜視。（4）可選擇利用ICAO推薦的技術(shù)來突顯出臨近直升機(jī)甲板的障礙物。

2）平臺(tái)的最高點(diǎn)必須安裝一盞視光強(qiáng)度為25cd～200cd的全方向紅色警告燈。對(duì)于自升式平臺(tái)，應(yīng)安裝在每條樁腿的最高點(diǎn)，若此舉不具有可行性（比如火炬塔），則此燈具可安裝在最靠近最高點(diǎn)的地方。

CAP437第四章中對(duì)于障礙燈的要求與IMO MODU CODE描述的基本一致，對(duì)燈的亮度、可視角度等方面描述得更加規(guī)范。并且明確了供電要求為其電源由應(yīng)急照明配電板提供，任何電源故障必須立即通知直升機(jī)駕駛員，交流電源中斷以后，由UPS繼續(xù)供電。

2.2 導(dǎo)航燈

導(dǎo)航燈是一種發(fā)光裝置，由監(jiān)控盤控制發(fā)出間斷的白光。在夜間，對(duì)船只起到警示作用。海上固定平臺(tái)安全規(guī)則要求如下：

1）平臺(tái)上應(yīng)安裝一盞或多盞在夜間顯白色的導(dǎo)航燈（同步發(fā)光）。燈的結(jié)構(gòu)和安裝位置應(yīng)保證航行從任何方向駛近平臺(tái)的船舶至少看見一個(gè)燈光。

2）導(dǎo)航燈的最小視光強(qiáng)度為1,400cd，射出光束的垂直分布應(yīng)保證自平臺(tái)近旁至燈光的最大射程都能看見。

3）導(dǎo)航燈的閃光特性為莫爾斯信號(hào)“U”（??—），最大周期15s，其莫爾斯信號(hào)“U”應(yīng)符合表1要求。

表1 導(dǎo)航燈的莫爾斯信號(hào)

4）導(dǎo)航燈應(yīng)安裝在平臺(tái)的四周，設(shè)置高度應(yīng)在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m。

5）應(yīng)有閃光燈泡的自動(dòng)更換裝置及故障報(bào)警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第三章視覺助航標(biāo)志中對(duì)助航燈具的可視距離、光力射程、額定光力射程、色度測(cè)量、閃光特性等等做了更加詳細(xì)的闡述。平臺(tái)規(guī)格書中一般對(duì)導(dǎo)航燈的要求以“10海里”代替光強(qiáng)值，通過查詢額定光力射程換算表可知，在黑夜假定大氣投射率T=0.74，臨界照度為0.2microlux的情況下，10海里的光力射程對(duì)應(yīng)的正是1400cd。

2.3 霧笛

霧笛是一種發(fā)聲裝置，由監(jiān)控盤控制，發(fā)出間斷的聲響。有霧的天氣條件下，導(dǎo)航燈不起作用時(shí)，對(duì)船只起警示作用。海上固定平臺(tái)安全規(guī)則要求：

1）平臺(tái)上應(yīng)設(shè)置主霧笛和備用霧笛，其結(jié)構(gòu)及所在位置應(yīng)使從任何方向駛近平臺(tái)的船舶都可以聽見。當(dāng)主霧笛完全失效或部分失效致使任何方向的一般聽程小于0.5海里時(shí)，備用霧笛應(yīng)能立即投入工作。主霧笛應(yīng)采用自動(dòng)霧笛（或遙控起動(dòng)），而備用霧笛則可采用自動(dòng)霧笛或手動(dòng)霧笛。

2）主霧笛在任何方向的一般聽程，至少應(yīng)有2海里。備用霧笛在任何方向的一般聽程，至少應(yīng)有0.5海里。

3）主霧笛及備用霧笛的音響節(jié)奏特征為莫爾斯信號(hào)“U”（??—），最大周期為30s，其莫爾斯信號(hào)“U”應(yīng)符合表2要求。

表2 主霧笛及備用霧笛的莫爾斯信號(hào)

4）音響信號(hào)安裝高度應(yīng)在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m處。

5）所有霧笛的控制設(shè)備，均應(yīng)滿足手動(dòng)停止鳴放霧號(hào)和手控鳴號(hào)以及故障報(bào)警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第四章闡述了聲響信號(hào)需考慮的因素、聲響信號(hào)的范圍等。并且提到了在一些國(guó)家已經(jīng)廢除了使用聲響信號(hào)，比如芬蘭、冰島、澳大利亞和挪威。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 配置

根據(jù)規(guī)范和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般對(duì)自升式石油鉆井平臺(tái)上的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置如下：

1）起重機(jī)上安裝兩個(gè)障礙燈，一個(gè)安裝在起重機(jī)吊臂的頂端，另一個(gè)安裝在起重機(jī)底座的頂部。

2）火炬塔的頂部安裝一盞障礙燈。若火炬塔長(zhǎng)年燃燒，則這盞燈可以不設(shè)置。

3）生活樓的頂部安裝一盞障礙燈。若生活樓的頂部低于起重機(jī)底座，則這盞燈可以不設(shè)置。

4）井架頂部安裝一盞障礙燈，二層臺(tái)方形的四個(gè)頂點(diǎn)各安裝一盞障礙燈。

5）樁腿的頂部設(shè)置太陽(yáng)能障礙燈一盞。自帶太陽(yáng)能充電器和蓄電池。由于自升式平臺(tái)的樁腿拖航和工作時(shí)會(huì)根據(jù)需要升降，敷設(shè)電纜較困難，多采用太陽(yáng)能方式供電。

6）導(dǎo)航燈四盞，發(fā)光強(qiáng)度1,400cd。根據(jù)平臺(tái)形狀設(shè)計(jì)，保證航行從任何方向駛近平臺(tái)的船舶至少看見一個(gè)燈光。

7）主霧笛一套，2海里聽程，帶遙控開關(guān)。

8）機(jī)械備用霧笛一套，0.5海里聽程。

9）控制盤一個(gè)，對(duì)導(dǎo)航燈（也可稱為助航燈）和霧笛的工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并可按莫爾斯信號(hào)使各燈同步。

10）充電器一套。

11）太陽(yáng)開關(guān)一個(gè)，控制導(dǎo)航燈在白天關(guān)斷，夜晚接通。

12）蓄電池組一套。

13）霧探測(cè)器一套（可選）。

其典型電氣單線圖如圖1所示。

3.2 防爆

安裝在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的導(dǎo)航燈、聲號(hào)、電池等以及控制裝置必須是防爆型的，并符合所在處所防爆等級(jí)的要求。

DNV鉆井平臺(tái)建造規(guī)范中要求導(dǎo)航系統(tǒng)在棄平臺(tái)后仍要繼續(xù)工作（IMO MODE CODE、CCS、ABS規(guī)范中則對(duì)此沒有明確要求）。依此要求設(shè)計(jì)的平臺(tái)在應(yīng)急系統(tǒng)切斷系統(tǒng)時(shí)，最高等級(jí)的棄平臺(tái)操作（APS0）中將不切斷導(dǎo)航系統(tǒng)的UPS電源，所以安裝在開敞區(qū)的設(shè)備（如導(dǎo)航燈、霧笛等）應(yīng)為適宜2類危險(xiǎn)區(qū)使用的防爆電氣設(shè)備。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)電氣單線圖

3.3 電源

導(dǎo)航系統(tǒng)的交流電源由應(yīng)急照明配電盤提供。在正常情況下，主電網(wǎng)通過各種變壓器和聯(lián)絡(luò)開關(guān)向?qū)Ш较到y(tǒng)的導(dǎo)航燈、障礙燈和霧笛提供電源。主電源發(fā)生故障時(shí)，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的作用，電源能自動(dòng)地投切到應(yīng)急電源。如果平臺(tái)的交流電源（包括應(yīng)急電源）中斷，導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航燈、霧笛和障礙燈等標(biāo)識(shí)平臺(tái)的信號(hào)燈由導(dǎo)航系統(tǒng)配置的蓄電池提供電源。蓄電池的后備時(shí)間根據(jù)各船級(jí)社及上述各種規(guī)范規(guī)定，須滿足對(duì)為標(biāo)示平臺(tái)的任何信號(hào)燈和聲響信號(hào)供電4天（96h）的要求。

在某些工程中，考慮到導(dǎo)航系統(tǒng)的蓄電池組距離起重機(jī)或者井架的障礙燈比較遠(yuǎn)，它們的障礙燈可以使用其自身電源和自帶蓄電池組供電，其技術(shù)要求和持續(xù)供電的時(shí)間必須滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)“十二五”計(jì)劃的出臺(tái)，海洋工程裝備的設(shè)計(jì)和制造已成為熱門行業(yè)，吸引了不少的船廠和設(shè)計(jì)院參與其中。導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考范圍不僅受船級(jí)社規(guī)范限制，還涉及較多相關(guān)行業(yè)規(guī)范。本文初步探討了如何設(shè)計(jì)自升式海上石油鉆井平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng)，僅供相關(guān)技術(shù)人員借鑒。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S].2000.

[2]中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].2005.

[3]AISM-IALA.IALA Aids to Navigation Manual[Z].2006.

[4]IMO.CODE FOR THE CONSTRUCTION AND EQUIPMENT OF MOBILE OFFSHOREDRILLING UNITS[S].2009.

[5]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.