周國平
(上海船舶研究設(shè)計院,上海 200032)
海洋資源的開發(fā)需要先進的海洋工程技術(shù)和裝備來支持,隨著海洋石油和天然氣開發(fā)工程迅速發(fā)展,為海上工程提供各種服務(wù)的海洋工程輔助船得到了很大的發(fā)展,并逐漸趨向于多樣化、復(fù)雜化和智能化,成為海洋石油和天然氣勘探、開采工程中不可缺少的一個組成部分。十多年來,上海船舶研究設(shè)計院(以下簡稱“我院”)研究開發(fā)設(shè)計了一系列海洋工程特種船舶,海洋工程綜合檢測船是我院為中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)設(shè)計的又一型為海洋工程提供多種服務(wù)、具有多種海底作業(yè)功能的電力推進型多功能綜合檢測船。
本船型于2002年10月16日開始研發(fā)設(shè)計,由大連新船重工有限責(zé)任公司建造,首制船2003年10月24日開工建造, 2005年1月21日進行了傾斜試驗,于2005年1月23日至2月3日,在大連三山島海域進行了實船航行試驗。實船試驗和測試結(jié)果表明:各項技術(shù)性能指標(biāo)均達到和超過原設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)要求,特別是電力推進、動力定位等高新技術(shù),達到國際同型船先進的技術(shù)水平。該船被命名為“海洋石油709”(見圖1),于2005年2月28日交付使用。船舶交付以后即奔赴石油平臺作業(yè)現(xiàn)場,承擔(dān)多種作業(yè)任務(wù),受到國內(nèi)外石油平臺作業(yè)者和船東的好評?,F(xiàn)就本船型的研發(fā)設(shè)計工作,在技術(shù)方面作一簡要介紹。
1.1.1 水下管線建造支持和維護修復(fù)作業(yè)
在海管和電纜的鋪設(shè)中,執(zhí)行柔性管線和電纜的鋪設(shè)、安裝立管、法蘭連接、挖溝和埋設(shè)作業(yè)或支持工作。
海管和電纜作業(yè)主要采用無人遙控潛水器(ROV)或飽和潛水設(shè)備來進行,在淺水區(qū)采用常規(guī)潛水作業(yè)。管道修復(fù)主要采用國際上通行的修理方法和專用卡具。主甲板上,中后部有一個海底管線修復(fù)作業(yè)區(qū)和甲板起重機,用于吊運和存放修復(fù)設(shè)備和管線。
1.1.2 水下工程作業(yè)
利用本船的甲板空間和起重設(shè)備,使用ROV或潛水設(shè)備進行海上平臺、浮式設(shè)施、水下生產(chǎn)系統(tǒng)等的建造支持、水下檢查、維護、修理等作業(yè)。
1.1.3 管線調(diào)查和ROV作業(yè)
本船在船中部的主甲板上設(shè)置了從船底直通主甲板的正方形(5.4 m×5.4 m)的月池,ROV及其支持設(shè)備放置于月池周圍及主甲板上,ROV為調(diào)查工作型和專用工作型,最大作業(yè)深度達到1000 m以上,設(shè)有多套多功能機械手臂和探測、監(jiān)視設(shè)備。通過對ROV的控制和操縱,可對水下管線和海底設(shè)施進行搜尋、探測、測量、觀察、記錄和數(shù)據(jù)處理,并可通過ROV的機械手臂進行水下深水維護和應(yīng)急修理作業(yè)。
1.1.4 潛水作業(yè)
1)300 m飽和潛水
船中部主甲板上的正方形月池,供潛水鐘使用,并預(yù)留有飽和潛水裝置,如:加壓艙、起吊裝置、生命保障系統(tǒng)、氣體回收系統(tǒng)、各類控制臺、緊急逃生艙(艇)、水下探測設(shè)備和操作工具等的作業(yè)面積,使本船可以具有300 m水深的飽和潛水作業(yè)能力。
2)常規(guī)潛水
本船在船中部的主甲板上左、右舷各設(shè)置了2個常規(guī)潛水工作站點,每舷工作站點設(shè)可拆卸式門式吊架,用吊籠的方式收放潛水員。
1.1.5 地質(zhì)鉆孔作業(yè)
本船可安裝大功率鉆機于月池上方,使用動力定位方式作業(yè),進行工程地質(zhì)鉆孔作業(yè),所有裝具將為撬裝式設(shè)備,鉆孔作業(yè)時將其放置在主甲板上作業(yè)區(qū)。
1.1.6 海洋工程環(huán)境調(diào)查
本船要能配合進行多道數(shù)字地震和常規(guī)模擬物探調(diào)查作業(yè)的能力。后甲板具有同時安裝3臺模擬物探絞車和數(shù)字地震炮纜絞車、電纜絞車、空壓機、活動儀器房的甲板空間。
1.1.7 海上工程起重機
在船的右舷設(shè)置1臺海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機,最大的起重能力為50 t,跨距15 m;最大吊距18 m,舷外跨距達15 m;工作水深500 m,配有涌浪補償裝置,并滿足在蒲福風(fēng)級6級風(fēng),1/3有義波高H1/3=2.5 m的海況下作業(yè)要求。補償裝置可使起升鋼絲繩吊點位置始終處于穩(wěn)定狀態(tài),不論被吊物體是在海底、其他船上、波浪工況下,均能提供最佳起吊條件和確保被吊物體的穩(wěn)定。在主甲板下設(shè)置了相應(yīng)的防傾調(diào)載壓載水艙,以適應(yīng)瞬間的調(diào)載要求??捎糜诤5坠芫€修復(fù)和其它水下作業(yè)設(shè)備的起吊工作。主甲板左舷設(shè)置1臺5 t全回轉(zhuǎn)液壓起重機,最大吊距12 m,用以配合大起重機施工工作。船尾還配備可拆卸式150 t液壓門式吊1臺(A字架),環(huán)境條件為:7級風(fēng)和H1/3=3.0 m,以完善海上工程施工作業(yè)。
1.2.1 動力定位系統(tǒng)
本船的動力定位系統(tǒng)通過對推進器的自動控制,使船舶保持在原定位置和航向所限制的位移范圍內(nèi)。配置的二級動力定位系統(tǒng)能適合海流3 kn,H1/3=2.5 m,任意方向的平均風(fēng)速小于7級的要求,定位精度達到作業(yè)區(qū)域水深的3%~6%或5 m~10 m的專業(yè)精度要求。
1.2.2 減搖功能
本船在船上設(shè)置U型減搖水艙,使船舶在H1/3=2.5 m,7級風(fēng)的工況條件下橫搖不超過5°、縱搖不超過 2°。
1.2.3 防傾調(diào)載功能
本船因應(yīng)用50 t海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機的要求,設(shè)置防傾壓載水調(diào)節(jié)水艙,以滿足全回轉(zhuǎn)起重機海上起吊回轉(zhuǎn)作業(yè)時,在4 min~5 min內(nèi)回轉(zhuǎn)180°,船舶瞬間傾側(cè)之調(diào)整,保持平衡無橫傾的特種專業(yè)作業(yè)要求。
1.2.4 船舶操縱和監(jiān)控功能
本船在尾部設(shè)2臺360°全回轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動舵槳裝置。在首部設(shè)2臺管狀式電動機驅(qū)動側(cè)推裝置和1臺升降式全回轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動舵槳裝置。在駕駛室內(nèi)分別設(shè)置前后控制臺,按一人駕駛要求布置。機艙自動化按中國船級社AUT-0的船級標(biāo)志要求設(shè)置。
1.2.5 救助工作艇
船上設(shè)1艘玻璃鋼6人高速救助工作艇,船內(nèi)柴油機驅(qū)動,噴水推進,配救助艇降落裝置1套(含快速釋放裝置)。乘員3人時航速≥25.0 kn,乘員6人時航速≥20.0 kn。
本船是一艘為海洋工程提供多種服務(wù),具有多種海底作業(yè)功能的電力推進型多功能綜合檢測船。主要能從事管線建造支持、維護和修復(fù)作業(yè),水下工程作業(yè),ROV作業(yè)及管線調(diào)查,潛水作業(yè),海洋工程環(huán)境調(diào)查,地質(zhì)鉆孔作業(yè),海上電力供應(yīng)和守護值班?;竞w了500 m水深范圍內(nèi)水下工程作業(yè)的需求。
為適應(yīng)本船所具有的多種作業(yè)功能,本船具有多種不同的特種技術(shù)。起重作業(yè)要求船舶具有較好的抗橫傾性能和較小的橫搖角;鉆井架的安裝要求船舶具有較好的穩(wěn)性和足夠的強度;ROV作業(yè)及管線調(diào)查要求船舶具有較好的操縱性和跟蹤能力;潛水作業(yè)要求船舶具有較好的生命安全保障能力;管線建造支持、維護和修復(fù)作業(yè)、水下工程作業(yè)等要求船舶具有足夠?qū)挸ǖ募装骞ぷ髅婧妥銐虼蟮募装逖b載量等。本船的研發(fā)設(shè)計滿足了具有多種不同特種技術(shù)要求。
本船航行于無限航區(qū),適用于500 m水深以內(nèi),風(fēng)力不大于7級,海流3 kn,對本船型來說作業(yè)環(huán)境條件要求是較高的,與國外同型船相比較,其要求是較高的。特別是在6級風(fēng),H1/3=2.5m的海況下,海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機起吊作業(yè),吊重50t,跨距15 m,工作水深500 m,全回轉(zhuǎn)起重機在4 min~5 min內(nèi)回轉(zhuǎn)180°,船舶保持平衡無橫傾特種專業(yè)作業(yè)要求。
動力定位系統(tǒng)作為本船的作業(yè)安全保障功能之一,通過對船上各推進器的自動控制,產(chǎn)生推力和力矩,克服由風(fēng)、浪、流等外力產(chǎn)生的使船舶偏離原定位置和航向的影響,使船舶在海上保持一定的位置和航向,或按所規(guī)定的航線以一定的速度移動和跟蹤。本船的配置的動力定位系統(tǒng)能適合海流3 kn,H1/3=2.5 m,任意方向的平均風(fēng)速小于7級的要求,定位精度達到作業(yè)區(qū)域水深的3%~6%或5 m~10 m的專業(yè)精度要求,滿足各種特種作業(yè)特殊要求。
船中部的正方形月池,能適合ROV的1000 m深水作業(yè)、300 m飽和潛水供潛水鐘使用、地質(zhì)鉆孔作業(yè)安裝大功率鉆機等。船體結(jié)構(gòu)具有足夠的強度以保證設(shè)備安裝和作業(yè)安全;船舶具有足夠良好的穩(wěn)性以保證26 m高的大功率鉆機安裝和作業(yè)安全,以及1000 t甲板裝載量的穩(wěn)性。
本船型在機艙自動化方面達到AUT-0的要求。船上設(shè)有滿足無人機艙要求的全套遙測監(jiān)視和遙控操作裝置,在機艙集控室和駕駛臺上均設(shè)有可隨時按需要顯示各種參數(shù)的先進設(shè)備。尤其是機艙報警裝置選用先進的數(shù)字化式的微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),該系統(tǒng)是國外造船發(fā)達國家近幾年發(fā)展起來的最新技術(shù)。
本船在尾部設(shè)2臺360°全回轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動舵槳裝置。在首部設(shè)2臺管狀式電動機驅(qū)動側(cè)推裝置和1臺升降式全回轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動舵槳裝置。船舶的操縱性能是其它船舶不可比擬的,僅操舵槳角15°,即可達到其它船舶需操滿舵才能達到操縱性能。特別是在低速航行時,通過駕駛臺單手柄的操作,可方便地實施船舶的直線前進、平行橫移(向左,向右)、原地回轉(zhuǎn)、定點回轉(zhuǎn)、直接倒退、360°全回轉(zhuǎn)及任意方向的自由航行。本船型所具有的這些卓越操縱性能特別適合海洋工程的特種作業(yè)要求。
本船采用3臺主發(fā)電機組,2臺帶導(dǎo)流管電力推進全回轉(zhuǎn)舵槳裝置,在船首設(shè)有2臺管狀式側(cè)推裝置,1臺升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的電力推進系統(tǒng),主發(fā)電機組和推進電機均在穩(wěn)定的常態(tài)下工作,振動和噪聲都特別低,本船型所具有的低噪聲低振動性能特別適合海洋工程環(huán)境調(diào)查特種作業(yè)中所要求的低噪聲低振動。
本船的設(shè)計中廣泛采用了已發(fā)展成熟的先進技術(shù),如:發(fā)電機組、全回轉(zhuǎn)舵槳裝置、管狀式側(cè)推裝置、升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置、自動電站等,這些先進技術(shù)的采用,增強了船舶在惡劣海況中的操縱和定位能力。
本船還配備了體現(xiàn)當(dāng)代先進技術(shù)發(fā)展水平的諸多先進設(shè)備,如:海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機,設(shè)有升沉補償裝置以及衡張力系統(tǒng),補償裝置可使起升鋼絲繩吊點位置始終處于穩(wěn)定狀態(tài),不論被吊物是在海底、其他船上、波浪工況下,均能提供最佳起吊條件和確保被吊物體的穩(wěn)定,衡張力系統(tǒng)可使起升鋼絲繩吊點下的被吊物,在衡定的吊力下勻速運動,確保被吊物體的穩(wěn)定,這些設(shè)備性能充分保證了船舶作業(yè)時的安全可靠。船尾還配備可拆卸式150 t液壓門式吊1臺(A字架),環(huán)境條件為:7級風(fēng),H1/3=3.0 m,進一步完善了海上工程施工在惡劣外部環(huán)境中的作業(yè)能力。
為保證本船型在各種惡劣的外部環(huán)境中去執(zhí)行各種作業(yè)任務(wù),除了要求船舶本身必須具備優(yōu)良的技術(shù)性能外,本船配備了較為完善和先進的、技術(shù)性能優(yōu)良的作業(yè)安全保障系統(tǒng),如:動力定位系統(tǒng);U型減搖水艙,使船舶在H1/3=2.5 m,7級風(fēng)的工況條件下橫搖不超過5°,縱搖不超過2°;設(shè)置防傾壓載水調(diào)節(jié)水艙,以滿足海上起吊作業(yè)時,船舶瞬間傾側(cè)的調(diào)整要求;1艘玻璃鋼高速救助工作艇,噴水推進,乘員3人時航速≥25 kn,乘員6人時航速≥20 kn。這些作業(yè)安全保障系統(tǒng)充分保證了船舶作業(yè)時的安全。
海洋工程綜合檢測船作業(yè)工況極為復(fù)雜,具有多種海洋工程特種作業(yè)功能,因此要求動力裝置機動性好,操縱靈活,低速性好,并能易于配置動力定位等。另外在作業(yè)工況時有大功率的作業(yè)機械如:海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機、A字架絞車、管狀式側(cè)推裝置、升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置等需要由電站供電。對上述要求在電力推進時能方便地給予最大程度的滿足。對電力推進應(yīng)用技術(shù)研究分如下九部分進行分析和論證。
1)電力推進動力裝置;
2)電力系統(tǒng)型式;
3)主推進裝置型式;
4)交流電動機的調(diào)速方式;
5)主推進電動機;
6)電力推進使用電壓對比;
7)電力推進系統(tǒng)主要配置;
8)電力推進系統(tǒng)造價估算;
9)營運經(jīng)濟成本。
本船電力推進動力裝置配置與使用情況:
主電站由3臺2000 kW的中速船用柴油交流發(fā)電機組組成。全速航行或動力定位(起重、鉆井檢測、ROV及管線維修)作業(yè)工況時,3臺機組并聯(lián)運行供給全船用電;另外設(shè)1臺640 kW的中速船用柴油交流輔助發(fā)電機組備用,或作為停泊待命時使用;設(shè)1臺90 kW的應(yīng)急發(fā)電機組。
本船尾部2臺360°全回轉(zhuǎn)帶導(dǎo)管舵槳裝置,分別由2臺2200 kW變頻調(diào)速交流電動機驅(qū)動。推進電動機采用靜態(tài)PWM(脈寬調(diào)制)變頻控制方式。轉(zhuǎn)速從0~100%可以無級調(diào)速,以滿足機動操縱需要。首部設(shè)2臺630 kW電動機驅(qū)動管狀式側(cè)推裝置和1臺1000 kW電動機驅(qū)動升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置。升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的電動機采用變頻調(diào)速方式。3臺主發(fā)電機和1臺輔發(fā)電機可單機使用也可根據(jù)負(fù)載情況和各種工況并聯(lián)使用。
動力定位,是指通過對推進器或螺旋槳的自動控制,使船舶保持在某一指定位置的特殊裝置。動力定位系統(tǒng)通過對推進器的自動控制,使船舶在海上保持一定的位置和航向,利用船本身所配備的動力,通過推進裝置、側(cè)推裝置,產(chǎn)生推力和力矩,克服由風(fēng)、浪、流等外力產(chǎn)生的使船舶偏離原定位置和航向的影響,使船舶保持在原定位置和航向所限制的位移范圍內(nèi)。對動力定位系統(tǒng)的研究分如下十部分進行分析和論證。
1)動力定位的精度;
2)動力定位主要系統(tǒng)的組成;
3)動力定位的分組;
4)對冗余設(shè)計在技術(shù)上的要求;
5)動力定位系統(tǒng)的功能;
6)動力定位控制臺;
7)國外動力定位概況;
8)國內(nèi)生產(chǎn)的動力定位系統(tǒng)概況;
9)動力定位操作簡述;
10)動力定位控位能力圖。
本船動力定位裝置配置與使用情況:
本船配置二級動力定位裝置1套,按中國船級社(CCS)DP-2動力定位船要求設(shè)計,配置具有冗余設(shè)計技術(shù)的自動定位系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)能適合海流3 kn,H1/3=2.5 m,任意方向的平均風(fēng)速小于7級的要求,定位精度達到作業(yè)區(qū)域水深的3%~6%或5 m~10 m的專業(yè)精度,滿足地質(zhì)鉆孔,水下管線敷設(shè)建造和維修,ROV自動跟蹤守護值班等作業(yè)要求。本船動力定位系統(tǒng)具有以下功能:保持指定位置、目標(biāo)定位、自動搜尋最佳船首位置、轉(zhuǎn)向點跟蹤、ROV自動跟蹤、變換回轉(zhuǎn)中心、自動航行、平行移動。
本船動力定位系統(tǒng)由測量用傳感器,計算機系統(tǒng),控制系統(tǒng)以及推進系統(tǒng)等組成。測量用傳感器系統(tǒng),主要是指位置檢測、航向檢測、縱橫搖檢測及外力檢測用傳感器。通過傳感器,檢測出船舶的瞬時位移量。設(shè)2套計算機系統(tǒng),用來接受來自傳感器的電信號,經(jīng)過比較、計算處理之后,向主推進裝置、側(cè)推裝置和操舵裝置發(fā)出一系列控制指令??刂葡到y(tǒng)的基本任務(wù)是:通過測出船舶相對于定位基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)首向的差值,利用控制器發(fā)出推力指令,以減少這一差值,使船舶定位于基準(zhǔn)點。推進系統(tǒng)由尾部2臺360°全回轉(zhuǎn)帶導(dǎo)管舵槳裝置,首部1臺升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置和2臺管狀式側(cè)推裝置組成。功能:接收來自控制系統(tǒng)的信號,由主推進裝置/側(cè)推裝置產(chǎn)生相應(yīng)推力和力矩,克服外力和外力矩的影響,使船舶保持在相對固定的位置,以滿足定點作業(yè)的特殊需要。
本船可作為一艘為海洋工程提供多種服務(wù)的電力推進多功能綜合檢測作業(yè)船,航行于無限航區(qū)。作業(yè)環(huán)境條件:
1)適用于500 m水深以內(nèi);
2)風(fēng)力不大于蒲福風(fēng)級7級;
3)海流 3 kn。
本船是一艘海洋工程綜合檢測船。主要從事管線建造支持、維護和修復(fù)作業(yè);水下工程作業(yè);ROV作業(yè)及管線調(diào)查、潛水作業(yè)、海洋工程環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)鉆孔作業(yè)、海上電力供應(yīng)和守護值班。其主要作業(yè)用途如下:
1)管線建造支持維護和修復(fù)作業(yè);
2)水下工程作業(yè);
3)管線調(diào)查及ROV作業(yè);
4)潛水作業(yè);
5)海洋工程環(huán)境調(diào)查;
6)地質(zhì)鉆孔作業(yè);
7)海上電力供應(yīng)和守護值班。
本船可配合ROV、300 m飽和潛水、60 m常規(guī)潛水作業(yè),并配備有50 t的起重機。能作為海底管線檢查、維護、應(yīng)急修理等水下工程作業(yè)的支持工作母船。
本船可配合海洋工程環(huán)境調(diào)查專用設(shè)備和大功率鉆機實施淺層高分辨率物探、工程地質(zhì)調(diào)查、CPT鉆孔、取芯等,本船將作為其支持母船。
本船應(yīng)預(yù)留各種海上作業(yè)設(shè)備和工作空間以及相應(yīng)的配套管線、電纜接口和固緊設(shè)施。
本船為電力推進船型、全焊接式鋼質(zhì)船體、橫骨架式、具有一層連續(xù)主甲板。主甲板上設(shè)有2層首樓,第二首樓甲板上設(shè)有2層甲板室,主甲板下設(shè)局部平臺甲板和局部雙層底,機艙區(qū)域為雙底雙殼。本船采用3臺主發(fā)電機組,2臺帶導(dǎo)流管電力推進全回轉(zhuǎn)推進裝置,前傾式球首型船首,巡洋艦式船尾,在船首設(shè)有2臺管狀式側(cè)推裝置,1臺升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置。船舶設(shè)有二級動力定位系統(tǒng)。主甲板的中后部設(shè)有ROV作業(yè)區(qū)、海底管線修復(fù)作業(yè)區(qū)、鉆孔作業(yè)區(qū)、潛水作業(yè)區(qū)、調(diào)查作業(yè)區(qū)以及甲板載貨區(qū)。
★ CSA 5/5 Research Ship,Offshore Supply Ship,DP-2,Ice Class B3
★ CSM AUT-0,CMS
我院研究開發(fā)設(shè)計的海洋工程綜合檢測船船型的主要技術(shù)要素見表1。海洋工程綜合檢測船船型的總布置概況見圖2。
表1 海洋工程綜合檢測船主要技術(shù)要素表
隨著人類對能源的需求量日益增加,科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展,海上石油和天然氣開發(fā)工程迅速發(fā)展,勘探開發(fā)從陸地走向海洋,從淺水走向深水是一條必由之路。海上石油開發(fā)是關(guān)系到國民經(jīng)濟發(fā)展的大局,我國海洋石油和天然氣勘探、開采水平與國際水平相比較仍有一定的差距,發(fā)展我國海上石油和天然氣勘探、開采事業(yè),研發(fā)各類高新技術(shù)、高性能水平的海上石油和天然氣勘探、開采工程所需的海洋工程輔助船舶,是發(fā)展和提升我國海上石油開采水平的一項關(guān)鍵性工作。滿足特種作業(yè)要求的海洋工程輔助船已成為當(dāng)前急需開發(fā)研究的項目之一。我院研發(fā)成功的海洋工程綜合檢測船(海洋石油709),填補了我國在這一特種船型上的空白,是我國海洋工程特種船舶的優(yōu)秀船型。
以上是筆者在從事洋工程綜合檢測船(海洋石油709)研發(fā)設(shè)汁工作中的一些學(xué)習(xí)體會和實踐經(jīng)驗,僅供參考,如有不對之處,歡迎批評指正。
[1]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范(2001年)[M].
[2]中國海事局.船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則(1999年)[M].