水下生產(chǎn)系統(tǒng)安防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)適用性分析研究

孫政策 萬(wàn)波段 明星 梁園華

水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下安防系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱水下安防系統(tǒng)）主要針對(duì)外部安防“之?dāng)场钡钠茐模芨鶕?jù)預(yù)設(shè)參數(shù)提前感知可疑目標(biāo)，待目標(biāo)進(jìn)入限定范圍后，可激發(fā)自動(dòng)報(bào)警功能，并對(duì)目標(biāo)活動(dòng)進(jìn)行探測(cè)、定位、識(shí)別、取證記錄和警告，必要時(shí)甚至采用防衛(wèi)機(jī)制人工將目標(biāo)驅(qū)離限定水域，并且不影響正常的油氣生產(chǎn)和作業(yè)。深遠(yuǎn)海油氣田的水下安防系統(tǒng)除了能夠提升防衛(wèi)水平，并可以為泄漏事故提供定位，防止發(fā)生生態(tài)污染和可能的次生災(zāi)害。既可保證安全防護(hù)、監(jiān)測(cè)作用距離，又能垂直無(wú)縫覆蓋、精準(zhǔn)定位和識(shí)別的安防系統(tǒng)，亦是油田安防的重要安保措施。

但是深海鉆、采設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)外長(zhǎng)期壟斷，且水下安防系統(tǒng)多為軍工產(chǎn)品，各國(guó)也是相對(duì)保密，導(dǎo)致目前針對(duì)民用水下安防系統(tǒng)尚無(wú)專業(yè)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在研制針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安防系統(tǒng)過(guò)程中，更是困難重重。所以結(jié)合水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的特性，以及安防的目的和目標(biāo)，開(kāi)展水下安防系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)適用性分析，研究梳理水下安防系統(tǒng)、設(shè)備的適用標(biāo)準(zhǔn)，為水下安防系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)、工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試提供規(guī)范技術(shù)指導(dǎo)，具有重要的工程和研究意義。

1 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)、水下安防系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)證指南》（2016），水下生產(chǎn)系統(tǒng)系指從水下井口到生產(chǎn)處理設(shè)施上第一個(gè)登陸關(guān)斷閥止和生產(chǎn)處理設(shè)施外輸關(guān)斷閥至海管登陸關(guān)斷閥之間，所有水下油氣生產(chǎn)、集輸、外輸、分配、分離、增壓、海管連接（管道組件）、水下設(shè)備間跨接（跨接管及水下連接器）、水下注入（注水、注氣、注化學(xué)藥劑等）等水下設(shè)備及其控制系統(tǒng)及設(shè)備、保護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備、以及支撐結(jié)構(gòu)組成的碳?xì)浠衔锷a(chǎn)系統(tǒng)的總稱，海底管道不包括在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的范圍內(nèi)。如有考慮深遠(yuǎn)海增壓設(shè)備，典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要構(gòu)成設(shè)備有：水下井口、水下采油樹(shù)、水下管匯、管道組件、水下連接器、跨接管、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)、水下控制系統(tǒng)及臍帶纜。其中管道組件包括：流程管路的立管基座和外輸立管基座（FRB，ERB）、管道終端管匯（PLEM）、管道終端 （PLET）、水下隔離閥總成（SSIV）、其他結(jié)構(gòu)（T 型和Y 型連接結(jié)構(gòu)、水下連接點(diǎn)）、保護(hù)結(jié)構(gòu)等。典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)油氣工藝構(gòu)成如圖1：

1.2 典型水下安防系統(tǒng)構(gòu)成

水下安防系統(tǒng)防護(hù)的對(duì)象不同，則構(gòu)成不同。如形成水面生產(chǎn)設(shè)備及水下生產(chǎn)系統(tǒng)立體式保護(hù)，一般包括水面監(jiān)測(cè)設(shè)備，如AIS系統(tǒng)、水面視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及水下聲吶和水下電視。但針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安防，典型的設(shè)備主要有安防監(jiān)控系統(tǒng)、探測(cè)和定位蛙人、航行器等的垂直波束電子俯仰聲吶、確認(rèn)和取證用的彩色圖像聲吶和水下電視，以及警告和驅(qū)離用的水下喇叭等。以實(shí)現(xiàn)水面平臺(tái)設(shè)施和水下油氣生產(chǎn)設(shè)備的立體無(wú)縫感知探測(cè)和精確定位。

2 水下安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置要素

2.1 水下安防的主要防護(hù)對(duì)象。

圖1 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)油氣生產(chǎn)工藝設(shè)備構(gòu)成

水下安防系統(tǒng)的目的是為了防止“外敵”。對(duì)于淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠破壞水下生產(chǎn)設(shè)備的因素較多，如船舶的臨時(shí)拋錨、漁網(wǎng)鉤掛（水深小于750米）、鉆井等作業(yè)的墜物等，以及蛙人、自主式水下航行器（UUV）等類(lèi)似設(shè)備。

對(duì)于水深大于750米的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，主要“外敵”有鉆井等作業(yè)的墜物、自主式水下航行器（UUV）等類(lèi)似設(shè)備。

2.2 在役水下生產(chǎn)系統(tǒng)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置要素。

對(duì)于在役水下生產(chǎn)系統(tǒng)，其設(shè)備已經(jīng)安裝完畢，雖然水下設(shè)備如水下采油樹(shù)、帶控制系統(tǒng)的水下管匯、水下管道組件等會(huì)預(yù)留水下控制系統(tǒng)接口（電、信號(hào)、液壓接口），但此接口一般為生產(chǎn)擴(kuò)展或是備用接口，通常情況下，關(guān)鍵設(shè)備的生產(chǎn)備用接口不會(huì)給水下安防系統(tǒng)使用。此時(shí)水下安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置就需要考慮供電、信號(hào)傳統(tǒng)的問(wèn)題。布置起來(lái)就得受制至水下生產(chǎn)系統(tǒng)供電、信號(hào)傳輸位置的約束。

（1）供電、通訊因素考慮

水下生產(chǎn)設(shè)備的供電通常由臍帶纜供電和提供通訊，通常情況下水下分配單元（SDU）、臍帶終日終端總成（UTA）、帶控制系統(tǒng)（SCM）的水下管匯及管匯終端、水下采油樹(shù)上的控制系統(tǒng)（SCM）等設(shè)備上留有預(yù)留接口。

圖2 水下安防系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

對(duì)于深遠(yuǎn)海水下生產(chǎn)系統(tǒng)，由于更換電池的船舶費(fèi)用、作業(yè)費(fèi)用較高，所以水下安防系統(tǒng)盡量采用水下設(shè)備上的預(yù)留接口供電和信號(hào)傳統(tǒng)。安防設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)至少考慮以下幾個(gè)要素：

? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余性；

? 系統(tǒng)的獨(dú)立性，即安防設(shè)備的任何損壞，不應(yīng)影響水下生產(chǎn)設(shè)備的正常工作；

? 兼容性，即安防系統(tǒng)的供電及通訊應(yīng)適合水下設(shè)備的供電和通信。

對(duì)于淺水水下生產(chǎn)系統(tǒng)用的水下安防系統(tǒng)，如維護(hù)成本不高或安防設(shè)備不多且供電和通訊成本不高，可考慮單獨(dú)供電和通訊；如不能，應(yīng)參照深遠(yuǎn)海水下生產(chǎn)系統(tǒng)的水下安防系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

所以，在水下安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了性能要求參考的IEC等標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)考慮水下設(shè)備通用的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO13628-1、ISO13628-4、ISO13628-6、ISO13628-15等水下生產(chǎn)系統(tǒng)一般要求、水下采油樹(shù)、水下控制系統(tǒng)、水下管匯等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）安裝位置

? 安裝位置，除了滿足安防系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求外，還應(yīng)考慮水下生產(chǎn)系統(tǒng)日常巡檢的要求，即不能影響到ROV巡檢水下設(shè)備的通道；

? 安裝位置還應(yīng)考慮到海底流的影響，盡量不放置在沖刷較為嚴(yán)重的區(qū)域。

2.3 新建水下生產(chǎn)系統(tǒng)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置要素。

對(duì)于新建水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安防系統(tǒng)，最好與水下生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。即在水下設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)留出安防設(shè)備的供電、通訊接口，以及最優(yōu)化的安裝位置。可作為水下設(shè)備的一部份進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，包括防腐等。

重點(diǎn)考慮安防系統(tǒng)設(shè)備的供電、通訊、安裝位置、防腐（如采用陰極保護(hù)，是否影響其性能）、維護(hù)（便捷性及不影響水下設(shè)備的監(jiān)測(cè)與維護(hù)）等。對(duì)于安裝位置，如可行，可以安裝在水下設(shè)備上，一起下放。如不可行，則再設(shè)計(jì)單獨(dú)下放的結(jié)構(gòu)及操作工作。

3 標(biāo)準(zhǔn)適用性分析

3.1 安防系統(tǒng)整體

由于目前國(guó)內(nèi)外均無(wú)專門(mén)針對(duì)水下安防系統(tǒng)的專用標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)規(guī)格書(shū)的要求，以IEC 62851-1及GB 50394標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)，即各關(guān)鍵子系統(tǒng)，如聲吶、水下電視、AIS、熱感/光學(xué)成像儀等設(shè)計(jì)均參照相應(yīng)專業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如聲吶設(shè)計(jì)一般參照ISO/TS 19130-2 Geographic information-- Imagery sensor models for geopositioning -- Part 2: SAR,InSAR, lidar and sonar。 同 時(shí)，如果安防系統(tǒng)將應(yīng)用的設(shè)備或設(shè)備適用的標(biāo)準(zhǔn)有特殊要求，則水下安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，亦應(yīng)考慮設(shè)備包括設(shè)備適用標(biāo)準(zhǔn)的要求。如水上設(shè)備應(yīng)考慮鹽霧腐蝕，水下設(shè)備宜參照EN ISO 15156，Petroleum and natural gas industries —Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production —Part 1-3等水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

安防系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路圍繞高可靠性、長(zhǎng)壽命、高探測(cè)精度、高準(zhǔn)確率，制造材料與涂層還應(yīng)注意耐壓防水防腐與防止海洋生物寄生堆積，同時(shí)各子系統(tǒng)應(yīng)具有可單獨(dú)回收維修的功能。安防系統(tǒng)各子系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行可靠的結(jié)合，對(duì)探測(cè)到的危險(xiǎn)事件進(jìn)行警報(bào)，同時(shí)應(yīng)具有故障警報(bào)提示。

3.2 水下聲吶

3.2.1 設(shè)計(jì)

3.2.1.1 一般要求根據(jù)ISO/TS 19130的設(shè)計(jì)原則和思想進(jìn)行工具功能設(shè)計(jì)。用于海洋油田水下安防的聲納設(shè)備，由于安防的特殊性，必須24小時(shí)連續(xù)工作，因此，其連續(xù)工作壽命長(zhǎng)度以及海洋生物防護(hù)都有保障措施。可靠度及探測(cè)識(shí)別精度要滿足海洋環(huán)境的作用、沖擊等可能出現(xiàn)的最?lèi)毫咏M合工況下的強(qiáng)度要求。

聲吶的安裝位置應(yīng)盡量避免處于生產(chǎn)設(shè)備高噪聲干擾處。聲吶的終端處理機(jī)應(yīng)能對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行降噪，得到更為可靠的信息，降低誤警率。

3.2.1.2 可靠性對(duì)設(shè)備的水下聲系統(tǒng)、接線盒、升降回轉(zhuǎn)裝置、絞車(chē)等難以規(guī)定其可靠性的定量指標(biāo)和驗(yàn)收方法時(shí)，應(yīng)在明確任務(wù)剖面和壽命剖面的前提下，可采用故障模式、影響及危害程度分析（FMECA）和故障樹(shù)分析（FTA）等方法，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，落實(shí)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量保證措施，降低致命故障發(fā)生的概率以滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)或合同的可靠性要求。FMECA分析可按GJB 1391，F(xiàn)TA分析按GJB/Z 768A的規(guī)定執(zhí)行。

3.2.1.3 功能水下安防用聲吶，通常可按照技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常應(yīng)具有下列功能：

? 全向警戒和扇面搜索；

? 多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤；

? 噪聲測(cè)向與測(cè)距；

? 回聲測(cè)向與測(cè)距；

? 目標(biāo)類(lèi)型判別；

? 水下通信與識(shí)別；

? 入侵警報(bào)；

? 水雷探測(cè)與識(shí)別；

? 聲場(chǎng)分析與預(yù)報(bào)；

? 測(cè)量目標(biāo)徑向速度；

? 對(duì)聲吶脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)向、測(cè)距和測(cè)頻；

? 聽(tīng)測(cè)目標(biāo)噪聲信號(hào)和聲吶信號(hào)；

? 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析；

? 故障報(bào)警。

3.2.1.4 環(huán)境要求可參照GJB 22A-1999中3.13環(huán)境要求及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以兩者較惡劣的環(huán)境作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2.1.5 接口接口的設(shè)計(jì)，可按照GJB 1446.16 艦船系統(tǒng)界面要求電子信息的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)參照中國(guó)船級(jí)社《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)榇卯a(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、選型充分考慮了鹽霧、海水腐蝕等要求：

? 軸角信息接口、速度信息接口的界面特性可按照 GJB 1446.16、GJB 1446.17的要求；

? 射頻信息接口、音頻信息接口的界面特性可按照GJB 1446.3、GJB 1446.4的要求；

? 串行接口、并行接口的界面特性可按照GJB 1446.7、GJB 1446.8的要求。

3.2.1.6 供電聲吶的水下供電，如采用水下設(shè)備供電，則可參 照ISO 13628-5，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 5:Subsea umbilicals中關(guān)于水下設(shè)備供電的要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

3.2.1.7 材料（1）設(shè)備選用的材料應(yīng)是經(jīng)過(guò)鑒定、認(rèn)證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明可靠的材料； （2）耐腐蝕金屬材料、防霉材料、絕緣材料、封裝材料應(yīng)分別符合GJB 2532第3.5.28.1、3.5.39、3.5.30和3.5.40條的要求；（3）吸聲橡膠材料應(yīng)符合GJB 2308的要求；（4）透明橡膠應(yīng)符合CB 3556的要求；（5）壓電陶瓷材料應(yīng)符合CB 1125的要求。

3.2.1.8 設(shè)計(jì)的特殊要求如各別聲吶系統(tǒng)應(yīng)具有專用的固定裝置以及便于回收的裝置，且應(yīng)具有利于ROV進(jìn)行操作的接口。則設(shè)計(jì)時(shí)，需要參照ISO13628-8，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 8: Remotely Operated Vehicle (ROV) interfaces on subsea production systems進(jìn) 行ROV接口和標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)。

3.2.2 制造

? 制造過(guò)程，為了確保成功，降低失敗風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)按照中國(guó)船級(jí)社《水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)證指南》的原則性要求開(kāi)展FAT、EFAT、SIT等相關(guān)測(cè)試后，再安裝；

? 安裝在水下設(shè)備上的安防系統(tǒng)，制造過(guò)程應(yīng)注意導(dǎo)電連續(xù)性，以滿足防腐性能要求。

3.2.3 測(cè)試

3.2.3.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)內(nèi)容及要求宜參照GJB 22A 第4.7章檢驗(yàn)方法相關(guān)要求進(jìn)行適用試驗(yàn)的設(shè)置及試驗(yàn)程序編制工作：

? 測(cè)試電源及設(shè)備電氣特性；

? 測(cè)試技術(shù)性能；

? 環(huán)境適應(yīng)性；

? 多目標(biāo)鎖定；

? 測(cè)試設(shè)備可靠性；

? 平均維修時(shí)間達(dá)到要求；

? 應(yīng)能發(fā)出故障警報(bào)及入侵警報(bào)。

3.2.3.2 特殊要求安裝在水下設(shè)備上的水下安防設(shè)備除了進(jìn)行上述的性能和功能要求測(cè)試外，還應(yīng)按照中國(guó)船級(jí)社《水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)證指南》的要求進(jìn)行操作功能測(cè)試和防腐有效性測(cè)試（即導(dǎo)電連續(xù)性測(cè)試）。

3.3 水下電視

3.3.1 設(shè)計(jì)

3.3.1.1 總體要求根據(jù)GB 20815 / HJB 432的設(shè)計(jì)原則和思想進(jìn)行設(shè)備功能設(shè)計(jì)。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)和中國(guó)船級(jí)社《水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)證指南》的原則要求要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）除必須保障整個(gè)設(shè)備可靠性、壽命盡量長(zhǎng)之外，故障設(shè)備要易于更換；（2）使用絕緣材料，防止漏電，如漏電須有漏電保護(hù)設(shè)備； （3）水下防水鏡頭或鏡頭保護(hù)部件的玻璃及密封應(yīng)以技術(shù)規(guī)格書(shū)水深水壓增加20%浮動(dòng)進(jìn)行密封防壓設(shè)計(jì)；（4）水下攝像設(shè)備不宜寄生和沉積海生物，應(yīng)具有自清洗功能。

3.3.2 制造

設(shè)備及配套線纜在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)注意水下設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、防水、減震，在外殼涂料方面應(yīng)注意防腐與防生物寄生堆積。

3.3.3 測(cè)試

3.3.3.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)內(nèi)容及要求宜參照HJB 432-2008檢驗(yàn)方法相關(guān)要求進(jìn)行適用試驗(yàn)的設(shè)置及試驗(yàn)程序編制工作：

? 電源及設(shè)備電氣特性；

? 測(cè)試設(shè)備技術(shù)性能；

? 測(cè)試設(shè)備可靠性；

? 測(cè)試設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性；

? 顯示器顯示精度是否達(dá)到規(guī)定值；

? 應(yīng)具備成像自動(dòng)調(diào)節(jié)能力；

? 平均維修時(shí)間達(dá)到要求。

3.3.3.3 特殊要求（1）安裝在水下設(shè)備上水下電視，除進(jìn)行上述相關(guān)性能和功能測(cè)試外，還應(yīng)單獨(dú)或與水下設(shè)備一起進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試；（2）防腐有效性測(cè)試，即導(dǎo)電連續(xù)性測(cè)試。雖然深海鉆、采設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)外長(zhǎng)期壟斷，且水下安防系統(tǒng)多為軍工產(chǎn)品，各國(guó)也是相對(duì)保密，導(dǎo)致目前針對(duì)民用水下安防系統(tǒng)尚無(wú)專業(yè)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。但將水下安防系統(tǒng)分解為各個(gè)設(shè)備，參照公開(kāi)的軍標(biāo)，還是可以摸索出民用水下安防系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的特性，以及安防的目的和目標(biāo)，從設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試分階段分析水下安防系統(tǒng)、關(guān)鍵組件的適用標(biāo)準(zhǔn)，可以有效的為我國(guó)為水下安防系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)、工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試提供規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指導(dǎo)。

本文所涉及項(xiàng)目獲工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目水下安防系統(tǒng)工程化研制支持（工信部聯(lián)裝2014[508]）