動力定位系統電纜路徑設計過程控制方法

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(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

隨著全球海洋經濟的快速發展，對具有動力定位能力的船舶和海工裝備的需求越來越大，3級動力定位(class 3 dynamic positioning, DP3)作為自動化程度和可靠性最高等級的動力定位系統，已經成為半潛式鉆井平臺、鉆井船、重吊船、鋪管船等大型特種船舶和海工裝備的主流配置。根據國際海事組織和各船級社要求，DP3船舶在任何動態或靜態元件發生單點故障，包括某個艙室發生火災或浸沒事故時仍具有保持定位的能力[1]。為了滿足上述要求，DP3船舶動力定位系統的發電機、配電盤、控制器等動態元件需冗余配置，并劃分冗余組別，同時靜態元件——電纜也需要按照相應冗余組別分開敷設，不同組別之間至少采用一層A60級防火分隔，而且最終設計成果需要通過動力定位系統的故障模式及影響分析[2]。由于動力定位系統電纜數量多、類型多樣、路徑復雜，如何確保不同冗余組別的電纜有效分隔，是船舶設計的重點和難點。雖然目前國內船廠已經建造了一些DP3船舶和海工裝備，但是對動力定位系統電纜路徑設計過程控制方法并沒有開展系統性研究。DP3船舶設計過程中通常僅依靠設計人員自身約束和定期抽查的方式來確保動力定位系統電纜路徑設計正確，然而實際效果并不是很好，在故障模式及影響分析和驗證階段經常會發現電纜沒有正確分隔的設計錯誤，從而導致現場修改。文中根據多型DP3實船設計經驗，探討、分析動力定位系統電纜路徑的設計標準、電纜分類、設計流程、設計方法等要點，并歸納總結出一種通用的動力定位系統電纜路徑設計過程控制方法，以保證電纜路徑設計正確，避免現場修改，對提高設計質量、降低修改損耗起到積極作用。

1 規范規則

動力定位是通過推進器推力能夠自動地保持船舶位置(固定位置或預設航跡)的技術，動力定位系統則是指動力定位船舶所需要裝備的全部設備，包括電力系統、推進器系統和動力定位控制系統。根據系統自動化程度和設備冗余度，國際海事組織將動力定位系統分為1～3三個等級，某些船級社在此基礎上又增加0級，具體定義如下。

1)0級。船舶裝備了一套集中手動船位控制系統和自動艏向控制系統，可在規定的環境條件下，保持船舶的位置和艏向。

2)1級。安裝有動力定位系統的船舶，可在規定的環境條件下，自動保持船舶的位置和艏向，同時還應設有獨立的聯合操縱桿系統。

3)2級。安裝有動力定位系統的船舶，在出現單個故障(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向。

4)3級。安裝有動力定位系統的船舶，在出現單個故障(包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失)后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向[3]。

對于3級動力定位系統，所有部件包括電纜布線和管路應冗余設置，并進行A60級防火隔離[4]，此項要求是DP3船舶動力定位系統電纜路徑的設計依據，也是故障模式及影響分析的重點。而對于0級、1級和2級動力定位系統則沒有此項要求，因此這三個級別動力定位系統的電纜路徑設計方法與普通船舶和海工裝備相同[5]。

2 電纜分類

動力定位系統包括若干個子系統，每個子系統的架構、組成和功能各不相同，為了正確分隔電纜，實現動力定位系統的完全冗余，需對動力定位系統的電纜類別進行分類，以便于開展有針對性的路徑設計和過程控制。根據系統功能和設備冗余配置情況，DP3船舶動力定位系統電纜應分為DP動力電纜、DP網絡電纜和DP控制電纜三個類別，具體定義如下。

1)DP動力電纜。從發電機經配電盤終到推進器，以及發電機柴油機輔助輪機設備和通風設備的電源電纜及相關控制電纜，通常分為2～4個冗余組別。該類別電纜為推進器傳輸電力和控制信號，實現推進器運行。

2)DP網絡電纜。動力定位控制系統的主干以太網電纜，通常與自動化系統共享網絡，分為A和B兩個冗余回路/組別。該類別電纜3)為DP控制器與工作站和現場控制基站之間傳輸命令和反饋信號[6]。

DP控制電纜。動力定位控制系統除了主干以太網電纜外的控制電纜和串行通信電纜，分為主動力定位控制系統和備用動力定位控制系統兩個冗余組別。該類別電纜為DP控制器與傳感器和位置參考系統之間傳輸船舶位置和狀態反饋信號[7]。

每個類別的動力定位系統電纜都具有各自的冗余組別，同類別的不同冗余組別的電纜需采用A60級防火分隔，不同類別的電纜之間則沒有分隔要求，電纜路徑設計和過程控制都將以此為基礎開展。

3 詳細設計

詳細設計是船舶和海工裝備在船廠的第一個設計階段，詳細設計應規劃設計動力定位系統電纜主要路徑，供船東和船級社審核，并指導下個階段的生產設計工作。為了使生產設計人員準確理解動力定位系統電纜分類并正確設計相關電纜托架，詳細設計需要通過設計《動力定位系統主干電纜路徑布置圖》和增加詳細設計圖紙中動力定位系統電纜標示兩種方法為生產設計提供清晰、準確的設計輸入。

3.1 動力定位系統主干電纜路徑布置圖

《動力定位系統主干電纜路徑布置圖》是針對貫穿一層或一層以上甲板，以及穿過A60級防火艙壁和水密艙壁的多根成束敷設的動力定位系統電纜，用于表示連續貫通全船各層甲板水平面和垂直面的主干電纜路徑的圖樣。DP動力電纜、DP網絡電纜和DP控制電纜的主干電纜路徑布置可以合并到一份圖樣中，也可以單獨出圖。布置圖中每個組別的DP動力電纜、DP網絡電纜和DP控制電纜分別使用一種唯一的顏色或線型來表示主干電纜路徑，同一個類別內不同冗余組別的動力定位系統電纜應采用A60級防火隔離和水密分隔，為此與動力定位系統電纜有關的主要設備以及防火分隔和水密分隔界線也需要在布置圖中清晰注明，以使得生產設計人員可以準確掌握主干電纜的走向和不同組別電纜之間的分隔界面。在DP電纜經過的全部甲板電纜貫通件節點處需注明電纜的起始設備和終端設備，而且最好在電纜路徑布置圖中體現出DP設備的準確布置，這將有助于生產設計人員和審圖人員正確理解DP電纜路徑的設計目的和用途。

某半潛式鉆井平臺上船體雙層底區域的DP動力電纜的主干電纜路徑布置圖見圖1，從該圖中可以得知DP動力電纜分為4個冗余組別，每個組別之間均采用A60級艙壁進行隔離，每個組別的電纜都定義了唯一的路徑。

3.2 增加動力定位系統電纜標示

《動力定位系統主干電纜路徑布置圖》僅規定了主干電纜的路徑，為了識別每根電纜的具體類別，則需要在動力定位系統圖中每根電纜線號下面增加電纜標示。布置圖和電纜標示一起組成了完整的設計輸入，生產設計人員據此可以設計出每一根動力定位系統電纜的詳細路徑。各類別動力定位系統電纜標示見表1，增加電纜標示后的電氣系統圖見圖2。

電纜類別標示DP動力電纜DP分組1/2/3/4DP網絡電纜DP網絡A/BDP控制電纜主DP/備用DP

4 生產設計

生產設計人員根據詳細設計輸入開展電纜托架建模、設繪電纜托盤表和綜合線路布置圖等設計工作，由于動力定位系統電纜數量多、路徑復雜，很多電纜都是全船主干電纜，會經過很多個艙室，涉及多個生產設計人員，如何保證不同冗余組別的動力定位系統電纜路徑正確分隔，是生產設計階段的難點。為此需要對生產設計進行過程控制，發現設計錯誤后及時改正。

4.1 矩陣表格監控

采用矩陣表格監控前，需要定義每個冗余組別動力定位系統電纜的顏色，每個組別的顏色各不相同，以便于識別區分。為了方便下一階段的電纜托架模型校核，這些顏色選自船舶三維設計軟件Tribon M3的顏色庫，顏色定義示例見表2。設計人員也可以根據自身設計習慣選擇顏色，但不要選擇船體結構、管線、風管常用的模型顏色，以避免混淆。

表2 動力定位系統電纜顏色定義

矩陣表格第一列為各組別動力定位系統電纜名稱，第一行為動力定位系統電纜經過的所有艙室名稱或編號。生產設計人員在矩陣表格中使用上文定義的顏色，按照實際建模設計情況標記出各自設計范圍內動力定位系統電纜實際路徑。根據規范規則要求，DP3船舶的不同組別的動力定位系統電纜不應經過同一個艙室，為此矩陣表格中每個艙室列內對于同一類別動力定位系統電纜只應該出現一種顏色，如果出現兩種或以上顏色，則說明某個組別的電纜路徑設計錯誤，需要查明原因，及時改正。該矩陣表格應隨著設計進度定期更新、檢查，并由專人牽頭匯總分析，以實現對動力定位系統電纜路徑的過程控制。

4.2 電纜托架模型校核

矩陣表格監控的方法雖然細致全面，但是略顯繁瑣，為了簡便檢查動力定位系統電纜是否有效分隔，電纜路徑是否正確，可以采用電纜托架模型校核的方法。該方法需要設計人員按照上文定義的顏色在三維設計軟件中為敷設了動力定位系統電纜的電纜托架建模。生產設計人員如果在設計過程中發現不同顏色的同一類別動力定位系統電纜托架出現在同一個艙室，或者電纜托架位于沒有A60級防火分隔的相鄰艙室，則說明動力定位系統電纜路徑設計出現錯誤，需要查明原因，及時改正。某半潛式鉆井平臺動力定位系統電纜托架模型見圖3。

4.3 設計評審

通過矩陣表格監控和電纜托架模型校核兩種方法，已經可以實現對動力定位系統電纜路徑設計正確性的有效控制。但實際上，DP3船舶的動力定位系統分隔并不是僅針對電纜，為了保證整個動力定位系統的可靠性，DP動力電纜與發電機相關的管線和風管也需要按照動力定位冗余組別劃分進行分隔[8]。如圖4舉例所示，DP分組2的動力電纜與DP分組3的發電機滑油管線出現交叉，如果交叉點發生火災，這種共因故障則會導致DP分組2和DP分組3內的設備同時失效，影響船舶的定位能力[9]。為此需要通過電氣、輪機、通風等動力定位系統相關專業開展三維模型綜合設計評審，以驗證各冗余組別內的電纜托架、管線、風道是否正確分隔，從而確保電纜路徑設計正確。

4.4 生產設計圖紙設繪

經過上述控制方法，可以基本保證動力定位系統電纜路徑設計的正確性，如何將這些設計信息清晰有效地傳遞給施工部門，有兩點需要注意。①動力定位系統電纜應該單獨編制一本電纜托盤表，每根電纜需設計足夠電纜節點，確保電纜路徑唯一，而且應注明每根電纜在動力定位系統中的類別和組別；②按照表2定義的顏色，在電氣舾裝件圖紙中標記經過動力定位系統電纜的貫通件顏色，如果一個貫通件經過了多個類別的電纜，則同時標記多個顏色。施工部門將按圖紙采用粉刷油漆、粘貼標牌等方法標記出船舶上電纜貫通件顏色，這將便于施工部門準確敷設電纜，以及船東和船級社的現場檢驗。

綜上所述，生產設計才是動力定位系統電纜路徑設計過程控制的重點階段，這種設計控制需要經過矩陣表格監控、電纜托架模型校核、設計評審等一系列環節，從而形成一個完整的設計過程控制方法。動力定位系統電纜設計和控制的流程見圖5。

5 結論

正確的設計圖紙是船舶和海工項目建造的基礎，對于DP3船舶和海工裝備此類大型、復雜的工程項目，如何保證動力定位系統電纜路徑設計的正確性，一直都是各設計公司和船廠追求的目標。根據實船項目設計經驗，按照設計流程對動力定位系統電纜路徑設計方法及其過程控制方法進行了探討、分析，并創新性地歸納出通用設計方法。這些方法可以廣泛應用到各種DP3船舶和海工裝備的設計過程中，對提高動力定位系統電低修改損耗具有積極意義。當前，“智能設計”是船舶及海工項目設計工作的發展方向，如何實現自動、智能地控制動力定位系統電纜路徑設計，仍需要進一步深入研究。