飽和潛水作業(yè)施工管理和支持船配套研究

陳 帥，劉國增，王靖凱，俞金林，孫 巍

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067；2.交通運輸部上海打撈局，上海 201200）

0 引言

隨著國家海洋石油戰(zhàn)略的制訂與實施，海上油氣田的開發(fā)力度逐漸增大，開發(fā)區(qū)域開始由近海向遠(yuǎn)海拓展，原有淺水區(qū)的空氣潛水作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)為深水區(qū)的飽和潛水作業(yè)。飽和潛水支持船（Diving Support Vessel，DSV）融合了項目作業(yè)和飽和潛水支持的功能，目前國內(nèi)很多飽和潛水承包商公司都沒有DSV，需與業(yè)主提供的DSV配合作業(yè)，導(dǎo)致飽和潛水設(shè)備必須根據(jù)項目作業(yè)的需要在不同的DSV 之間轉(zhuǎn)換，飽和潛水系統(tǒng)設(shè)備與支持船交匯界面的融合程度直接影響著施工的安全性和效率。

飽和潛水是一種能在大深度條件下長時間作業(yè)的潛水方式。按照國際慣例，當(dāng)作業(yè)深度大于120 m、作業(yè)時間超過1 h且需手動精確操作時，一般采用飽和潛水方式。隨著飽和潛水技術(shù)的不斷更新和成熟，潛水作業(yè)的安全性逐漸提高，同時導(dǎo)致配套系統(tǒng)及設(shè)備不斷增多，需有穩(wěn)定供應(yīng)的平臺作為支撐。為具備大深度工程施工、應(yīng)急打撈及其他應(yīng)急突發(fā)事件的快速處置能力，DSV必不可少。

1 DSV的基本要求

1.1 主要崗位人員要求

飽和潛水作業(yè)海上人員組織結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 飽和潛水作業(yè)海上人員組織結(jié)構(gòu)

1.1.1 船長

船長對船舶及船上所有工作人員的安全負(fù)最終責(zé)任，其能通過潛水監(jiān)督否決一項潛水作業(yè)的開始和終止。

1.1.2 動力定位系統(tǒng)操作員

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Position，DP）操作員負(fù)責(zé)船舶的定位，必須保持船舶的其他相關(guān)控制中心正常通報操作條件和環(huán)境的變化，如潛水控制室、中央控制室和水下機器人控制室等。

1.1.3 飽和潛水總監(jiān)

飽和潛水總監(jiān)是有豐富經(jīng)驗的飽和潛水監(jiān)督，通常擔(dān)任海上飽和作業(yè)項目經(jīng)理，確保潛水項目所需的各種條件得到滿足。此外，飽和潛水總監(jiān)還與船長和業(yè)主代表溝通潛水作業(yè)方面的工作。

1.1.4 飽和潛水監(jiān)督

當(dāng)值飽和潛水監(jiān)督負(fù)責(zé)潛水作業(yè)的開始、操作和終止，以及與潛水和生命保障有關(guān)的所有安全工作，包括所有相關(guān)設(shè)備的狀況監(jiān)測和操作。飽和潛水監(jiān)督和生命支持監(jiān)督負(fù)責(zé)在適當(dāng)情況下有效、及時地進(jìn)行潛水和艙室操作。此外，飽和潛水監(jiān)督還負(fù)責(zé)就潛水作業(yè)過程中發(fā)生的變化向業(yè)主提供建議。

1.1.5 業(yè)主代表

業(yè)主代表對業(yè)主負(fù)責(zé)，確保項目按潛水承包商詳細(xì)說明的潛水程序進(jìn)行，并與承包商船上的高級代表聯(lián)系。業(yè)主代表可要求但不能命令開始潛水作業(yè)，其有權(quán)否決潛水作業(yè)的開始，也可通過潛水監(jiān)督命令終止?jié)撍鳂I(yè)。

1.2 DP要求

DSV可通過DP保持一個固定的位置。DP船使用定位參考系統(tǒng)（如差分全球定位系統(tǒng)、張繩器、水聲定位參考、微波定位、半徑和扇形波束激光定位等）確定船舶的實際位置。至于陀螺儀、姿態(tài)傳感器和風(fēng)速儀等其他傳感器，用來確定艏向、顛簸、搖擺程度和作用在船上的風(fēng)力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過計算機估算出推進(jìn)器需輸出的力和方向，自動控制推進(jìn)器保持船舶的位置和艏向。DP操作員通過操作DP系統(tǒng)界面調(diào)整船位、艏向和艏向旋轉(zhuǎn)速率（Rate of Turn，ROT）等。當(dāng)DP 船進(jìn)行飽和潛水作業(yè)時，DP 系統(tǒng)必須保持足夠的冗余設(shè)置，這樣任何對于保持船位來說不可或缺的系統(tǒng)部件失效都不會導(dǎo)致船舶失位。DP 本身存在一定的局限性，沒有系統(tǒng)能保持船舶完全靜止，只能控制其在預(yù)定的允許范圍內(nèi)移動。盡管DP系統(tǒng)是非常可靠的，但仍有失效的可能性。在所有DSV船上，為降低失效的影響并提高安全工作極限，冗余是必須存在的。船上冗余部分包括但不限于推進(jìn)器及控制單元、電力系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)和傳感器等。DSV要求至少是DP等級2 級。

2 飽和潛水簡介

2.1 飽和潛水作業(yè)簡介

隨著海上資源開發(fā)和海上作業(yè)的發(fā)展，需要潛水人員在深水海域進(jìn)行精細(xì)操作，但隨著海水深度的增加，若在水下呼吸普通空氣，其中的氮氣在高壓環(huán)境下易引發(fā)“氮麻醉”，且呼吸阻力隨著水壓的增大而增大，這時只能呼吸氦氣等惰性氣體與氧氣的混合氣體進(jìn)行更深的潛水作業(yè)。這類惰性氣體吸入人體之后會融進(jìn)血液，若不按規(guī)程減壓，溶解在體內(nèi)的惰性氣體會在潛水員關(guān)節(jié)或身體組織中形成氣泡，造成嚴(yán)重的減壓病，甚至危及其生命。當(dāng)潛水員在某一壓力下連續(xù)停留24 h之后，其身體組織中溶解的惰性氣體量就達(dá)到了最大限度，處于吸入與呼出惰性氣體量相等的動態(tài)平衡狀態(tài)，這樣潛水員就不必每次在水下工作一段時間之后回海面減壓，可繼續(xù)在合適的環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)之后一次性減壓，這種潛水方法稱為“飽和潛水”。簡單來說，飽和潛水就是潛水員能長時間保持體內(nèi)惰性氣體吸入與呼出動平衡的潛水。飽和潛水能提供更強的深水作業(yè)能力，國際海事承包商協(xié)會（International Marine Contractor Association，IMCA）規(guī)定空氣潛水的下限為-50 m，混合氣潛水的下限為-75 m，而飽和潛水的下限能達(dá)到-300 m，甚至更深（見圖2）。

圖2 不同潛水技術(shù)所能達(dá)到的作業(yè)深度

2.2 飽和潛水系統(tǒng)簡介

飽和潛水系統(tǒng)是潛水員進(jìn)行深水作業(yè)的基礎(chǔ)，是保證潛水員在高壓環(huán)境中體液內(nèi)的惰性氣體含量達(dá)到飽和，從而維持一種新的平衡的設(shè)備和器材的總稱。該系統(tǒng)所運用的綜合技術(shù)密集度非常高，涉及設(shè)備繁多，各模塊中的設(shè)備布置不僅要滿足設(shè)備自身的要求，同時還應(yīng)達(dá)到系統(tǒng)的總體技術(shù)要求。

飽和潛水系統(tǒng)由甲板減壓艙、飽和生活艙、過渡艙、高壓應(yīng)急逃生艙（Hyperbaric Rescue Chamber，HRC）、潛水鐘、潛水鐘吊放系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、中央控制室、潛水員熱水供應(yīng)、氣體供應(yīng)、氣體回收系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成（見圖3）。

圖3 飽和潛水系統(tǒng)三維示意（雙鐘24人，內(nèi)置式）

在飽和潛水作業(yè)模式下，1 套飽和潛水系統(tǒng)由9 名作業(yè)潛水員分為3 組，布置在高壓居住艙群內(nèi)；每個作業(yè)組3 人，由密封的潛水鐘投放到作業(yè)深度，工作8 h之后返回，換下一組人員接替，3 組人員循環(huán)實現(xiàn)24 h不間斷作業(yè)。每組潛水員在高壓飽和狀態(tài)下最長持續(xù)28 d，到期之后會由另一組潛水員從艙外進(jìn)艙更換，到期潛水員小組在專門的減壓艙內(nèi)減壓出艙，保證作業(yè)持續(xù)。居住艙和潛鐘內(nèi)的氣體氦氧比、氣壓、溫度和濕度等條件均由控制單元及生命支持模塊提供，會根據(jù)作業(yè)的水深進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

HRC是艙群中較為特殊的居住艙室，可在緊急情況下迅速與艙群分離，攜帶加壓狀態(tài)的潛水員入水逃生，其作用等同于船舶救生艇。

3 飽和潛水設(shè)備和DSV的交匯界面

3.1 前期準(zhǔn)備

1）船舶與飽和潛水承包商提前溝通，提供所需圖紙，包括但不限于船舶總布置圖、船舶電站容量圖、船舶油／水／電／氣等公用供應(yīng)設(shè)施清單和甲板油水測量孔布置圖等，船方提供圖紙需標(biāo)明水、電、氣、油等接口在船上的位置和供應(yīng)能力，同時注明甲板必須規(guī)避的設(shè)施和布置。

2）飽和潛水承包商根據(jù)船方提供的資料設(shè)計飽和潛水設(shè)備／設(shè)施裝船布置圖并反饋給船方。船方根據(jù)裝船圖紙及設(shè)備尺寸和重量數(shù)據(jù)計算船舶的穩(wěn)性，根據(jù)加裝額外設(shè)備的重量、重心高度和位置核算，對船舶的穩(wěn)性、操縱性和DP性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行程序變更評估。

3）確定HRC投放方式和入水位置等，提前清理其入水側(cè)甲板設(shè)施，以便應(yīng)急加壓逃生艙能隨時被投放或拖帶入水（見圖4）。根據(jù)《HRC解脫釋放程序》確保應(yīng)急加壓逃生艙上方不能有遮擋物阻礙應(yīng)急時自由上浮且位于吊機吊裝范圍內(nèi)，且應(yīng)在不影響HRC釋放的前提下做好甲板開敞區(qū)域的防墜工作。

圖4 飽和潛水系統(tǒng)在DSV上的典型布置（舷側(cè)入水）

4）在進(jìn)行飽和系統(tǒng)甲板布置設(shè)計的同時，必須計算潛水員的自由臍帶長度。潛水員允許放出的最長自由臍帶長度應(yīng)比潛水員到危險源的最短距離短5 m，待命／應(yīng)急潛水員的自由臍帶比作業(yè)潛水員的自由臍帶長2 m（以便應(yīng)急時救援作業(yè)潛水員），危險源一般為推進(jìn)器或其他可能對潛水員造成人身傷害的運動部件。潛鐘應(yīng)盡量布置在各危險源的中點，以便獲得最長的自由臍帶長度，在作業(yè)之前根據(jù)潛鐘的各水深計算距離最近危險源的距離，并繪制出臍帶纜控制圖。

3.2 飽和潛水系統(tǒng)的水、電、氣需求

3.2.1 水源需求

根據(jù)設(shè)備冗余原理，海水供應(yīng)需2 路（一用一備），24 h供應(yīng)。對于常規(guī)的移動式飽和系統(tǒng)，其壓力與流量需求一般不超過300 L／pm／50 psi。海水用于實現(xiàn)生活艙水空調(diào)冷卻和濕度調(diào)節(jié)、高壓水槍水源及潛水員自身熱水系統(tǒng)供應(yīng)。水空調(diào)和潛水員熱水系統(tǒng)對海水供應(yīng)質(zhì)量的要求較高，壓力和流量需穩(wěn)定持續(xù)，不能有氣泡。淡水供應(yīng)用于實現(xiàn)甲板區(qū)域飽和設(shè)備清潔、艙內(nèi)人員日用等，滿足普通生活區(qū)淡水供應(yīng)壓力和流量要求即可。

3.2.2 電力需求

移動式飽和系統(tǒng)的電力負(fù)載一般在300 kW以下，較常見的電壓是440 ～480 V，頻率為50 ～60 Hz。飽和潛水系統(tǒng)主電源由船舶供應(yīng)，飽和系統(tǒng)在接到DSV配電板電源之后，為避免錯誤關(guān)閉飽和系統(tǒng)供電（風(fēng)險極大），飽和系統(tǒng)的供電使用掛牌上鎖系統(tǒng)，由飽和潛水系統(tǒng)的機電工程師保留鑰匙；同時，為避免DSV出現(xiàn)斷電等應(yīng)急情況和提供電力冗余，飽和潛水承包商會自備應(yīng)急發(fā)電機作為應(yīng)急電源。

3.2.3 氣源需求

飽和潛水系統(tǒng)的回收氣驅(qū)動使用壓縮空氣、遞物絞車和空潛A架等設(shè)備。氣源對穩(wěn)定性的要求較高，且在飽和潛水作業(yè)時續(xù)24 h需要氣源。鑒于此，大多數(shù)潛水承包商自備柴油空壓機。

3.3 視頻通信系統(tǒng)

1）IMCA D014 卷規(guī)定：由DSV的DP控制臺到潛水控制室的通信至少有2 路，其中一路必須為有線通信。目前DSV一般提供有線清晰對講、有線程控電話和超高頻無線對講電臺等3 種通信方式。

2）IMCA D022 卷規(guī)定：飽和潛水現(xiàn)場負(fù)責(zé)人需有途徑了解水下作業(yè)人員的生命體征狀況。在水下與其他作業(yè)部門協(xié)同作業(yè)時，需接入?yún)f(xié)同作業(yè)方的視頻信號。飽和潛水作業(yè)人員需建立與DSV辦公區(qū)的作業(yè)通信和視頻連接，以便飽和潛水作業(yè)總監(jiān)、業(yè)主代表和DP系統(tǒng)操作員實時查看水下作業(yè)情況。

3.4 黑、灰水處理及后勤支持

確定飽和艙內(nèi)黑、灰水的排放接口，黑、灰水先通過飽和艙內(nèi)的作業(yè)壓力排放給艙外的收集系統(tǒng)，再通過管道分別排入支持船的黑、灰水收集處理系統(tǒng)，經(jīng)過DSV處理裝置采用電解法、生物降解法等方法處理之后進(jìn)入清水柜，經(jīng)過檢測滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求之后，根據(jù)液位，由排放組件在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)排放或由有資質(zhì)的回收機構(gòu)回收送岸處理。DSV提供艙內(nèi)潛水員獨立的洗衣和烘干設(shè)備，以及獨立的衣物／裝具儲存空間。潛水員進(jìn)入飽和艙加壓之后，由專門的生命支持團(tuán)隊對加壓艙進(jìn)行24 h監(jiān)控。由于飽和艙內(nèi)外壓力差較大，所有飽和潛水員使用的容器器皿都不允許帶中空保溫層。

4 DSV安全應(yīng)急

4.1 飽和潛水應(yīng)急設(shè)備

飽和潛水員進(jìn)入加壓狀態(tài)之后，無法再使用常規(guī)的救生艇筏，其逃生設(shè)施轉(zhuǎn)為HRC。HRC 逃生系統(tǒng)由HRC本體、生命支持組件（Life Support Package，LSP）、應(yīng)急拖船和安全島組成。

HRC是一個可自浮的加壓艙體，與飽和艙群連接，里面裝有潛水員72 h 生存所需的食品、水和呼吸氣體，配備獨立的應(yīng)急呼吸面罩，在艙內(nèi)氣體受到污染時仍可供潛水員呼吸。HRC 外部裝有警示牌、雷達(dá)反射器、防撞框架、可浮拖帶吊裝索具和保溫材料。應(yīng)急時，艙內(nèi)潛水員全部進(jìn)入HRC，封門與飽和系統(tǒng)艙群分離，而后投放入水，自由漂浮等候拖船拖帶。

LSP是一套協(xié)助HRC內(nèi)潛水員完成應(yīng)急減壓的設(shè)備組合，包含1 套應(yīng)急生命支持控制房、1 套水空調(diào)和1 套減壓／治療用氣體。應(yīng)急時，拖船攜帶HRC與LSP匯合，并對接完成最后的減壓，拯救潛水員的生命。避免事故時，LSP與飽和系統(tǒng)一同沉沒，作業(yè)時兩者分開放置，LSP的存放地點被稱為安全島。

4.2 DSV應(yīng)急準(zhǔn)備

飽和潛水承包商提前向DSV提供飽和潛水《LSP安全島應(yīng)急處理預(yù)案》和應(yīng)急聯(lián)系清單。加壓之后會進(jìn)行一次全面的應(yīng)急演習(xí)，此時船方需按預(yù)案聯(lián)系應(yīng)急拖船、平臺和安全島。潛水員進(jìn)艙加壓之后，其逃生設(shè)施由船上救生艇和筏轉(zhuǎn)為飽和系統(tǒng)HRC（見圖5），所有飽和作業(yè)人員的集合地點轉(zhuǎn)為飽和系統(tǒng)現(xiàn)場集合點，另需包含1 名船方甲板司索和1 名吊機手協(xié)助HRC 釋放，船方需預(yù)留能容納足夠人數(shù)的逃生設(shè)施給以上小組應(yīng)急使用，并配置至少1.5 倍當(dāng)班作業(yè)人員數(shù)量的救生衣布置于飽和作業(yè)人員集合點附近，以上應(yīng)急救生設(shè)備和設(shè)施應(yīng)供飽和作業(yè)人員專用。

圖5 飽和系統(tǒng)應(yīng)急逃生系統(tǒng)（HRC）

4.3 程序及預(yù)案準(zhǔn)備

DSV成員應(yīng)熟悉飽和潛水承包商提供的應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案，并在施工作業(yè)之前針對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行船舶失位等應(yīng)急演習(xí)。DP系統(tǒng)操作員清楚了解飽和系統(tǒng)作業(yè)的氣象限制要求，嚴(yán)格按DP操作作業(yè)程序要求制作作業(yè)特定操作指南（Activity Specific Operation Guidelines，ASOG）。在作業(yè)之前應(yīng)進(jìn)行救鐘演習(xí)，這是磨合各陌生作業(yè)界面的有效手段。模擬飽和主供電失效、主吊鋼絲破斷和主絞車故障等情況下，使用配重鋼絲、吊機和無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicles，ROV）等將潛鐘收回至甲板上的過程。演練必須覆蓋船上所有主要工作界面，同時測試安全島通信、應(yīng)急拖船通信和陸地救援資源通信等，以確保所有應(yīng)急救援隨時可用。

5 結(jié)語

飽和潛水作業(yè)屬于深水高風(fēng)險作業(yè)，DSV應(yīng)能為完成飽和潛水任務(wù)提供高質(zhì)量服務(wù)，在人員配置、設(shè)備布置和作業(yè)能力等方面必須滿足相關(guān)作業(yè)規(guī)范的要求。鑒于DSV 提供的支持接口繁雜，涉及的部門較多，對船上的系統(tǒng)、設(shè)備和人員等均提出了較高的要求，DSV接口對飽和設(shè)備的融合程度和供應(yīng)能力直接影響著海上施工的質(zhì)量和效率。這就要求船方在處理飽和潛水設(shè)備與DSV的交匯界面時充分與各相關(guān)方溝通，明確潛水系統(tǒng)的水、電、氣需求，確保視頻通信系統(tǒng)順暢連接，做好黑、灰水處理及后勤保障等周邊支持工作，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步落實DSV安全應(yīng)急方案，包括飽和潛水應(yīng)急設(shè)備、DSV 應(yīng)急準(zhǔn)備和程序與預(yù)案準(zhǔn)備等，從理論和實踐層面不斷進(jìn)行研究優(yōu)化。