淺水作業—DP船舶性能分析

李剛 上海中船海員管理有限公司

1.背景及目的

DP(動態定位)是人類開發海洋的過程中，科技進步的產物。最初，是由淺水走向深水，隨著時代的發展，現在又有了一種由深水邁向淺水的趨勢。本文以HYSY201為例，闡述淺水作業DP船面臨的一些問題，以及注意事項。HYSY201經歷的最淺作業水深是30米，世界上的一些海灣，油氣資源豐富，但這些作業區域平臺較多，海底電纜、管線密布，需要對淺水區域船舶的DP能力進行評估，對潛在風險進行識別，對船舶安全、DP作業安全進行論述。

2.淺水區域—DP船舶的影響

2.1 富余水深

任何時候，船舶必須保證最小的富余水深，各個港口，航道及某些規范，對于富余水深的要求各不相同，從通常航海經驗來說，至少要保證0.5m的富余水深。影響富余水深的因素主要有船舶吃水、潮汐、咸淡水差、船舶橫縱傾、船體下沉量。

2.2 海洋環境影響因素

2.2.1 潮流的影響

淺水區域，潮流的顯著特性就是流速快、平潮時間短暫、流向較復雜。當潮流較強時，船底處受到的壓力相對船體周圍小，受水流擠壓，船體下沉，船舶吃水增加，在DP系統中，用于計算用的船體質量增加，船舶推進器的輸出功率相應增加，船舶的冗余性下降。船舶移動，會產生船行波，當潮流較強時，伴隨船體產生的那部分拖曳水的質量會增加，這部分質量會被附加到船體質量當中，必須要得到足夠重視，對于DP的影響和船體下沉類似。潮流較強時，DP船舶為了保持定位能力，需要提供更多的推力來克服流的力量，船舶的震動加強，冗余度下降。在某些區域，流向的變化非常快，平潮的時間甚至只有幾分鐘，DP系統往往來不及對流的變化做出快速的反應，換句話說，沒有足夠的時間來刷新數學模型，這導致船舶的定位能力急劇下降，甚至有丟失位置的可能。

2.2.2 風及涌浪的影響

HYSY201船作業期間，可承受最大風速為16m/s,最大有益波高2.5m,波浪周期6—9s。淺水區域，因距離大陸較近，因地形阻擋，海陸不同摩擦系數影響，風速較深水區域會有所下降，涌浪到沿岸附近，能量降低，受海岸地形影響，大多為小的碎浪。從這兩點分析，對于船舶的DP能力是有好處的。但是，從另一方面講，卻增加了船舶承擔的風險，即必須考慮船舶橫縱傾的變化，對船舶富余水深的影響。以HYSY201船為例，當船舶縱傾0.5°時，船舶吃水增加0.89m，當船舶縱傾1°時，船舶吃水增加1.78m，橫傾1°時，船舶吃水增加0.34m,從以上數據可以看出，在船舶縱傾0.5°時，船舶吃水的增加量就該引起高度的重視。

2.2.3 流體影響

某些國家/某些區域淺海大陸架比較復雜，地形起伏不平，如果正好冷流、暖流在此交匯，海水中存在著上升流和下降流，例如墨西哥灣，中國的成山角附近海域，會導致該海域水下流體比較復雜。如果船舶在這樣的淺水區域進行DP作業，同時作業水域較淺的話，例如20m,還需要考慮推進器排出流打到海底，反射而回的震蕩流對推進器、對船舶的反作用，這部分震蕩流，會使船舶推進器附近的流場更加復雜，在某種程度上，可能會降低船舶的DP定位能力。

2.3 地理環境影響因素

2.3.1 區域影響

圖1 HAPAP系統精度影響因素

圖2 4500噸起重船舶偏移量

不同區域，對于DP船舶的影響不同，我們重點關注的是熱帶環境的影響。船舶發電機的正常運轉，需要海水冷卻和淡水冷卻，熱帶海域施工時，海水表層溫度較高，導致海水冷卻效果降低，發電機會發生高溫報警。對于HYSY201船來說，我們裝備了K-CHIEF系統，可以實時監測各種參數，及時應對，但如果啟停發電機過于頻繁的話，本身就是一種風險。因為每次啟動發電機，在發電機上線之前，都是需要對配電板上的負荷分配進行分析，調整擬上線的發電機功率達到所需要的額定值，如果在發電機上線的過程中，出現意外，將可能導致船舶因負荷分配不均，直接失位。熱帶海域，海生物繁殖迅速，如果船舶長期處于DP施工狀態，船舶移動速度較低，在船體周圍海生物會大量累積，這會增加船舶阻力，需要推進器提供較多推力克服，同時，海生物在海底閥箱附近附著，降低了冷熱海水的交換率，從而進一步降低了對于發電機的冷卻能力。

2.3.2 地形影響

淺水區域，海底可能存在結構物、管線、電纜、雜物等等，這對于推進器本身就是一種風險。以20m水深為例，船舶在起重狀態下，最大吃水為10.5m,全旋轉推進器探出船底大概4.2m,得到的富余水深為5.3m,推進器排出流打到海底，海底的雜物飛濺，極有可能會損壞推進器，導致推進器突然停車，DP失位。同時，因為水深較淺，海底被吹起的泥沙，可能通過海水閥箱進入船舶，堵塞主機的濾器，就需要船上經常檢查濾網，及時更換。

2.4 船舶參照系統影響因素

2.4.1 HIPAP位置參照系統

HIPAP（高精度水聲定位）系統定位精度的影響因素有功率損耗、噪音、反射、傳輸路徑的偏移等，其中占主導因素的是噪音和反射。淺水區域，噪音主要來自于船舶本身、臨近的結構物和船舶、ROV、其他的HIPA P使用者。船體震動，推進器排出流打到海底反射而回產生的震蕩流，推進器排出流產生的氣泡，都會產生噪音，淺水區域HIPAP信標和HIPAP探頭都會受到以上噪音源的影響，而導致整體的定位能力的降低。當距離海底較近時，海底產生的各種噪音也不容忽視。同時，發射器發出的聲波信號，打到海底的信標上，因為彼此作用距離較短，海底崎嶇不平，反射到發射器的聲音信號會產生繞射，多路徑傳輸等效果，最終的定位精度會嚴重下降。因為水深較淺，從發射器到信標的距離較短，導致用來定位時，船舶的可移動距離會較短（圖1）。

2.4.2 TAUTWIRE位置參照系統

這是一種相對位置參照系統，工作原理就是通過TAUT WIRE吊機端部的角電位計測量角度，在得知已放出鋼絲長度的前提下，得到船舶相對重塊的距離、方位。一般來說，TAU T W IRE系統的角度限制可以達到35°，淺水區域施工時，富余水深可能只有幾米，這導致了船舶的最大移動距離可能也只有幾米。而且，在近平臺區域作業時，還要考慮海底情況對TAUTWIRE工作的限制，比如海底地形，海底結構物，管線，電纜等，在存在海底設施的區域內，TAUTWIRE是不能使用的，以避免TAUTWIRE重塊砸壞海底設備。

2.4.3 DGPS位置參照系統

這是已知所有參照系統當中定位精度最高的，可以達到0.1m，而且系統的可靠性較高，受到制約的因素較小。影響DGPS精度的主要因素有高大建筑物的遮擋、磁暴、太陽黑子。通常情況下，在臨近平臺區域作業時，要考慮平臺對DPGS信號可能產生的遮蔽作用。在赤道附近作業時，要考慮太陽黑子可能對DGPS信號的影響。其它情況下，該系統是值得依靠的。

2.4.4 RADIUS位置參考系統

這是一種微波測距、測方位的參考系統。一般將反射器放置在固定物上，例如平臺或者拋錨的船舶。它的限制元素主要來自于天氣、外界環境對于微波的影響。例如天氣惡劣時，微波的傳輸路徑會發生變化，反射器周圍物體較光滑，可能會使微波散射，多路徑傳輸等。而且，該參照系統對于發射器和反射器距離的要求較高，要想得到較高的定位精度，兩者距離應該控制在200m以內。當發射器和反射器相對方位不變時，使用該系統會得到較好的效果，但是當相對方位改變時，就需要不斷調整發射器對應于反射器的角度，從實際操作來講，不是特別方便。

2.4.5 各參照系統的搭配使用

H YS Y201配備的參照系統為HIPAP、TAUTWIRE、DGPS、RADIUS，如上所述，淺水區域，每個參照系統都有限制因素，但是如果能將各參照系統合理搭配使用，還是能夠提供精確的定位能力。不同參照系統互為補充，互相冗余，提高了船舶定位能力的可靠性。

3.淺水區域—DP船舶作業

DP船舶的作業，主要類型有鋪管、鋪纜、起重、挖溝、放置水泥壓塊、淺水支持、鉆井船、FPSO單點系泊、海洋結構物安裝，本文主要闡述淺水區域的鋪管、起重的特性及施工注意事項。

3.1 DP鋪管

淺水區域，DP鋪管作業的影響因素主要體現在：管線鋪設張力一般較小,管底張力相對較大；托管架下放角度一般較小；船尾到著泥點的距離相對較近；管線受涌浪影響較大，隨著管線在托管架上的起伏，會直接影響著泥點處的管線受力情況；淺水區域，一般不會使用ROV監測管線，水下能見度差，給潛水員的水下作業帶來困難；船舶沿路由鋪設時，橫向可偏移距離較小，以剛剛完成的潿洲項目為例，水深30m,船舶橫向最大偏離距離為5 m；淺水區域，管線在滾輪上、托管架上、OVERBEND、SAGBEND處可承受的最大張力相對較小；經常會遭遇交叉點，管線在坐實交叉點前，需要對鋪設張力及走船距離做出微調；淺水區域，有時候，不需要拋起始錨，而是直接將鋼絲固定在樁腿上，類似于鋪纜的方式，此時，船舶距離平臺較近，增加了船舶與平臺所承擔的風險；很多時候是近平臺區域作為起始端和終止端，要嚴格控制移船速度，正確設置加速度、減速度，一般不宜過大；淺水區域，對于張緊器的要求更高，最重要的是保持初始移船和停船階段張力的穩定性；淺水區域，對于向后移船要非常非常慎重，必須在施工總監的許可及指導下，才可進行此項操作；淺水區域，DP鋪管所承擔的風險成幾何倍數增加，主要體現在當船舶出現意外情況時，船舶向后移船，極易折斷海管，而在深水鋪管時，向后移船，管子所受到的影響相對較小。

3.2 DP起重

淺水區域，DP起重作業，主要關注的還是富余水深的問題，以HYSY201船為例，3500T尾吊，船舶最大吃水可以達到10.6m，如果加上推進器探出船底的4.2m,一共是14.8m，因為大型起重作業，一般會選取比較好的天氣窗口，所以此處不考慮橫縱傾對船舶吃水的增加量，為了船舶的安全，個人意見，應保證船舶具有充足的富余水深，這就需要公司在進行商務洽談的時候，要提前了解船舶詳細資料，橫向縱向考慮，選取合適的施工作業船舶。

淺水區域，船體本身的震動要比在深水中劇烈一些，加上流速較強，流向易變，吊機鉤頭的位置，下放高度，都會影響DP船舶的定位精度，潿洲項目期間，我們曾經做過簡單的測試，以4000T鉤頭為例，下放高度50m左右時，船舶位置偏差較大，下放高度10m左右時，船舶位置偏差較小。同時，我們模擬了丟失某個推進器對船舶的影響，發現當主推中的某個推進器失去時，船舶位置偏差較大。

無論深水，DP起重作業，常規的都是放置導管架或者生活組塊，對于這種大型結構物的吊裝，我們需要關注的是起吊階段和最終解扣階段，因為吊機扒桿重量的突然變化，會導致船舶重心發生變化，使船舶沿水平方向受到外力作用，位置發生偏移，同時，隨著扒桿上重量的變化，船舶的位置也會發生相應移動,從圖2很容易看出此種關系。

4.結論

DP船舶是海洋工程領域作業船舶未來發展的主體趨勢，我們對于DP船舶在淺水區域施工的特殊性，局限性，也在不斷地加深理解，通過對于一些潛在風險的分析，評估，得到恰當的解決措施，同時，也提供了一些理論上和技術上的依據，作為未來對于淺水工程的一種支持。