海底管道巡檢船的設計和功能研究范文

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摘要:

針對利用非專業(yè)船舶進行海底管道檢測，不僅檢測時間耗費大，效率低，準確度差，而且對潛在隱患的發(fā)現(xiàn)能力有限的問題。設計專業(yè)的海底管道巡檢船，以提高海管安全隱患排查能力和效率，實現(xiàn)隱患的常態(tài)化監(jiān)控和整改，控制海管損壞和泄漏事件的發(fā)生，保障海底管道安全運營。介紹擬建的海底管道巡檢船的設計和功能配置。

關鍵詞:

海底管道;巡檢船;設計;功能

海底油氣管道(以下簡稱“海底管道”或“海管”)是投資高、風險大的海洋工程，對海上油氣田的開發(fā)、生產(chǎn)與產(chǎn)品外輸起著至關重要的作用。但是，由于拖網(wǎng)捕魚、沖刷等原因都會使海底管道受到損傷或發(fā)生泄漏。而管道一旦出現(xiàn)損傷或泄漏，不僅修復費用高，而且會使油田停產(chǎn)，給企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失和環(huán)境破壞。隨著海管敷設距離和運行時間的延長，海底管道安全問題日益顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的管道管理理念、手段、方法及裝備越來越難以適應安全管理要求。因此，需要專業(yè)的海底管道。

1功能定位及使用要求

1)功能定位。主要用于渤海，工作水深60m以內(nèi)的海管普查、海管詳細調(diào)查等路由調(diào)查工作和水下檢測工作。

2)使用要求。航速快、機動性強、耐波性好、測量精度高，正常情況下能夠全天候出航作業(yè)。

2設計方案及功能配置

2．1船型方案選擇

由于全球范圍內(nèi)專業(yè)的管線測量船舶的數(shù)量較少，可供參考的船型不是很多。但其功能和小型測量船或科考船相當，所以參考類似的測量船或科考船。針對本船功能定位及使用要求，并參考國外2型現(xiàn)有先進的測量船和海工支持船(見圖1、2)，提出2個建造方案。在船型上均采用鋼質(zhì)、局部雙層底、連續(xù)甲板、全電焊結(jié)構(gòu)，均配備專用的艉部A架，折臂吊機、專業(yè)絞車、電力推進的船型，但2方案在主尺度上有所不同，在船長、排水量基本相當?shù)那疤嵯?，在船寬和吃水上有一定差異，所?方案的穩(wěn)性和耐波性上有一定差異。1)船長L。經(jīng)過搜集的船型資料的分析，長寬比L/B為4．5～5．0，寬型深比為B/D為2．0～2．5，較小的長寬比可以有效控制造價，在同樣的排水量要求下，加船寬引起的空船重量增加約為加船長的1/5。但一味地減小船長增加船寬又會使船舶航行阻力大大增加。根據(jù)其功能需求及海區(qū)的波浪特性，適應性其滿載排水量應不小于2000t，在L/B為4．5～5．0情況下，初步估算對應船長約為60m，且最高航速不小于13kn。在排水量一定時，增加船長，必定要求B、T同時減小，因而L/B增大，所以船型變得較瘦長。對剩余阻力產(chǎn)生的影響反映在2個方面:①船型瘦長，經(jīng)使粘壓阻力下降;②船寬B、吃水T減小，將使興波阻力下降［1］。選取適當?shù)拇L，可以有效降低弗勞德數(shù)，降低船舶航行阻力，本船弗勞德數(shù)控制在0．30～0．33。綜合考慮，本船方案1:垂線間長Lbp約58．8m，水線長Lw160．9m;方案2:垂線間長Lbp約58．8m，水線長Lw160．9m。2)船寬B。要求本船在中等海況下具有較強的作業(yè)能力，適應全天候的作業(yè)要求，對于穩(wěn)性要求較高。因此應滿足排水量的要求，同時還需滿足主發(fā)電機組的布置要求和折臂吊起重作業(yè)的穩(wěn)性要求，經(jīng)綜合考慮，本船船寬方案1取13．0m;方案2取11．8m。3)型深D。本船型深的選取從機艙設備布置所需的凈空高度和測量艙室的布置2方面考慮。增加型深可以改善機艙設備的布置條件，且有利于輪機人員對設備進行操作和維護。對于船舶的總強度、剛度均有利。2方案均設置雙甲板，可大大增加干舷，及艙室布置空間。缺點為空船重量較大，增加一定初投資。綜合考慮，方案1型深初定8．0m，方案2取8．5m。初步分析計算確定主尺度見表1。方案1的船寬較寬，吃水較小，其穩(wěn)性較好，能在更高海況下完成作業(yè)，能更好的滿足其惡略天氣下的應急溢油調(diào)查工作，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。方案2的船寬較小，吃水較大，橫搖周期相對較長，耐波性較好，船員舒適度有一定改善，但穩(wěn)性較差，在高海況應急作業(yè)穩(wěn)性儲備較小。經(jīng)綜合對比分析，推薦方案1為優(yōu)選方案。

2．2推進方式選擇

根據(jù)本船船型及作業(yè)要求和特點，可選擇的推進方式有柴油機直接驅(qū)動的可變螺距槳、全電力驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)推進、全電力驅(qū)動的吊艙式推進等3種［2］。1)柴油機直接驅(qū)動的可變螺距槳。是在定距槳基礎上發(fā)展起來的一種推進方式。該方式吸收了定距槳經(jīng)濟節(jié)能、運營管理方便等方面的優(yōu)點，通過改變螺距的方式，使柴油機、槳在各種工況下與船體阻力性能匹配更合理，船員操船更為方便，初投資增幅亦不是很明顯。該系統(tǒng)廣泛應用于工程船舶，具有技術成熟、使用可靠和維修方便等優(yōu)點。缺點是控制系統(tǒng)相對復雜，對船員使用、維護水平要求較高，并且，由于飄泊作業(yè)時船舶需保持原地懸停狀態(tài)，主推進系統(tǒng)所需的推力很小，主柴油機的負荷非常低，經(jīng)常在20%甚至更低的負荷下運行，根據(jù)柴油機燃燒特性，在此狀態(tài)下燃油的消耗與輸出功率比非常高，經(jīng)濟性差。2)全電力驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)推進。是近10年發(fā)展起來并被廣泛應用的一種推進形式。它是由柴油發(fā)電機組及配電設備組成的電力系統(tǒng)供電，通過電機驅(qū)動一個單元式推進器的方式。該推進方式的核心是電力系統(tǒng)與推進器。設計理念主要是考慮船舶使用過程中用大的電負載較多，且不同時使用，通過電站功率管理系統(tǒng)的匹配，減少船舶的裝機容量，并且在運營過程中柴油機的啟停實現(xiàn)自動化。針對本船測量工作時航速工況較多，管路巡檢時航速為0～6kn，經(jīng)濟調(diào)遣航行時航速不小于12kn且要兼顧DP工況，全船電站負荷剛好錯峰，能夠充分顯現(xiàn)電力推進的優(yōu)點。主要優(yōu)點是裝機功率小、船機槳性能匹配性好、船舶操縱性好、運營經(jīng)濟節(jié)能;缺點是系統(tǒng)相對復雜，對建造廠的要求相對較高。3)全電力驅(qū)動的吊艙式推進。由全回轉(zhuǎn)推進的形式發(fā)展而來，目前國際、國內(nèi)均有一定的應用。系統(tǒng)配置及優(yōu)缺點延續(xù)了全回轉(zhuǎn)推進器的特點，只是將推進電機組合進推進器單元，使系統(tǒng)成套性更完整、接口更少、推進器效率更高。缺點是初投資很高，一般吊艙式推進器的價格是全回轉(zhuǎn)推進器的2～3倍，并且系統(tǒng)安裝調(diào)試的要求非常高，維修保養(yǎng)費用和后續(xù)備件的費用比其他幾種形式更高。當然，電力推進系統(tǒng)與常規(guī)柴油機帶軸槳的推進方式相比，也存在以下缺點:1)系統(tǒng)較復雜，初始投資較大。一般電力推進系統(tǒng)主要由動力裝置(主柴油發(fā)電機組)、配電裝置(配電板及功率管理系統(tǒng))、驅(qū)動裝置(變壓器、變頻器及推進電機)、推進裝置(全回轉(zhuǎn)舵槳或吊艙式推進器)、控制系統(tǒng)等組成，各主要裝置通過動力電纜和控制電纜連接，系統(tǒng)較常規(guī)柴油機帶軸槳的推進方式相比，系統(tǒng)復雜程度高出很多。根據(jù)有關資料統(tǒng)計表明，一般采用電力推進系統(tǒng)的船舶，動力系統(tǒng)裝置的費用與非電力推進的船舶增加15%～25%，而動力裝置費用約占全船總費用的30%左右，即采用電力推進的船舶，總體造價約高出4．5%～7．5%。由于電力推進系統(tǒng)的節(jié)能效果，7年左右節(jié)省的燃油可與增加的初投資持平。2)電力設備的大量使用，全船諧波控制要求高。船舶電網(wǎng)中的諧波主要來源于3個方面:①電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波;②配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波;③用電設備產(chǎn)生的諧波［3］。本船由于采用全電力推進系統(tǒng)的船舶，全船大量采用大功率的電力設備，容易對電網(wǎng)中的一些小型用電設備，如廚房設備、通信導航設備等帶來沖擊。因此，與常規(guī)柴油機帶軸槳的推進方式相比，全電力推進系統(tǒng)對諧波控制要求更高，但目前已有多種成熟有效的諧波抑制手段，可將電站總的諧波成份控制在規(guī)范要求的5%以內(nèi)。另外對全回轉(zhuǎn)可變螺距推進與電力推進的比較，2者初始投資相差不大，但電推的優(yōu)勢是能適應更多的工況，在不同工況下可以獲得更高的推進效率，其節(jié)能效果顯著。經(jīng)綜合比較分析，最終推薦采用全電力驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)推進方式。

2．3主要功能配置

2．3．1主要機電設備及電站容量選擇

根據(jù)巡檢船的工作特性，其實際工作工況可分為如下幾種:調(diào)遣航行(12kn)、全速航行、進出港、ROV作業(yè)、管道巡檢(6kn)、停泊、應急。根據(jù)以上不同工況下對功率的需求，確定發(fā)電機組功率。巡檢船全船負載分為以下幾類。1)為滿足航行及DP2作業(yè)工況要求，在艉部設置2臺全回轉(zhuǎn)推進器，每臺推進電機的功率約1100kW，艏部設置2臺管隧式推進器，推進電機約700kW。2)巡檢船配置檢查型ROV，ROV工作的負荷包括ROV本體動力，ROV絞車及ROV艙內(nèi)控制及其他輔助系統(tǒng)，由于不同型號的ROV消耗功率差別較大，目前所需功率暫按某參考型船配置選取。3)巡檢船用于吊放聲學、檢查設備的專有甲板機械包括A字架，旋轉(zhuǎn)折臂吊等。這些設備間斷工作，對電站的負荷估算影響不大。4)巡檢船還配置有眾多聲學儀器設備。5)其他常規(guī)供電負載包括機艙輔機、空調(diào)通風、廚房、照明、通信導航等。根據(jù)以上分析巡檢船的負荷種類和使用工況，依據(jù)電力負荷計算確定發(fā)電機臺數(shù)和容量，考慮的原則包括:1)電站總功率滿足各運行工況下的最大負荷需要。2)調(diào)遣航行應有備用機組，其容量應等于電站中最大一臺機組的容量。3)當一臺發(fā)電機停止工作時，其余的發(fā)電機組應有足備的儲備容量，以使當最大電動機起動時所導致的系統(tǒng)的電壓的大幅度降落，不會使任何電機失速或使其他設備失效。4)考慮一定的功率儲備，各發(fā)電機的最高負荷率取85%左右。5)主發(fā)電機組臺數(shù)大于2臺，保證電站負荷的靈活調(diào)整，提高運行經(jīng)濟性。6)為保證有良好的并聯(lián)運行特性及各機組互為備用，盡量選用同型號且容量相同的機組。本船入CCS船級社，取ElectricalPropulsionSystem船級符號。CCS《鋼制海船入籍規(guī)范》(2014年)中，對公共電站要求如下［4］。1)電站的控制系統(tǒng)應保證在推進和日用負載之間安全地分配電力，如有必要，可以卸掉非重要負載和(或)降低推進功率。2)在1臺發(fā)電機組不工作時，剩余的機組應能像所有重要設備和船舶常用設備供電，同時應維持有效推進，即保證在船舶航速不小于7kn或設計航速的一半，2者中取大者。根據(jù)以上原則及表1負荷估算結(jié)果，初步考慮采用4臺800kW的主發(fā)電機。4臺主發(fā)電機組并聯(lián)運行，可滿足本船最大運行工況的負荷需求;調(diào)遣航行下3臺主發(fā)電機組并聯(lián)運行即可滿足其負荷需求，有1臺機組備用;滿足運行的經(jīng)濟性。由于本船停泊、應急工況負荷較低，考慮運行的經(jīng)濟性，設置1臺獨立的功率較小的停泊/應急發(fā)電機組。故本船2方案的主電站均由4臺800kW的主發(fā)電機、1臺280kW停泊/應急發(fā)電機組組成。

2．3．2電力系統(tǒng)電壓等級的選擇

在綜合電力推進系統(tǒng)中，隨著推進裝置功率的加入和其他用電設備的大量增加，電網(wǎng)的功率也大大增加。考慮到開關斷流容量限制和電纜的合理用量，適度提高系統(tǒng)的電壓等級是必然趨勢。目前船用交流電網(wǎng)多為400，690V(低壓)或3300，6600，11000V(中壓)等級。采用IEC電壓等級來選擇船舶電力系統(tǒng)的通常方法是［5］:1)如果發(fā)電機總裝機容量超過20MW，推薦選擇11kV的中壓電力系統(tǒng)。2)如果發(fā)電機總裝機容量在4～20MW之間，推薦選擇6．6kV的中壓電力系統(tǒng)。3)如果發(fā)電機總裝機容量低于4MW，推薦選擇690V的低壓電力系統(tǒng)。4)對于低壓配電系統(tǒng)，一般采用400/230V電壓等級。以海底管道巡檢船為例，由于本船發(fā)電機總裝機容量小于4MW(實際約3200kW)，故推進電機電壓選用690V，其他船用設備電壓選用400V。

2．3．3專業(yè)測量設備及主要功能

本船是一艘現(xiàn)代化海底管線路由調(diào)查船，根據(jù)管線調(diào)查測量中不同的目的，將管線調(diào)查測量分成3個工作階段，同時由于涉及的管線狀況(掩埋、裸露)和工作區(qū)域(淺水、深水)不同，各階段的內(nèi)容有所不同。I階段:管線普查，利用傳統(tǒng)的船載管線儀以S形測線按照作業(yè)書要求的最小間距橫跨管線的預定路線，根據(jù)管線儀的數(shù)據(jù)確定管線的準確經(jīng)過點;對于深水區(qū)域的海底裸露管線，則以側(cè)掃聲吶(搭配磁力儀)沿著管線的一側(cè)飛行，獲取管線的詳細線路。II階段:管線詳細調(diào)查，在獲得管線的線路后，操作高分辨船載淺地層剖面儀和多波束測深儀獲取管線的精細線路和管線的環(huán)境狀態(tài)，同時使用船載ADCP采集沿著管線路由的流速、流向信息。管線檢查:操作ROV對裸露管線進行詳細的、影像級別的狀態(tài)檢查，如有泄露警報，利用ROV搭載的油氣監(jiān)測傳感器進行泄露點定位。主要測量功能如下。

1)使用安裝在船體下升降鰭上的多波束，沿管線測量地貌及發(fā)現(xiàn)障礙物。

2)使用安裝在船體上升降鰭上的ADCP，可對海底各層做流速剖面。

3)使用安裝在船體上升降鰭上的淺地層剖面儀，可用于被埋管線調(diào)查，可以給出管線位置，并且可以給出管線埋深。

4)側(cè)掃聲納系統(tǒng)通過船體艉部A架拖曳探測，配合絞車使用，主要用于觀測裸露的管線是否有掏蝕、架空現(xiàn)象。

5)船上裝有USBL系統(tǒng)，配合搭載聲學測漏系統(tǒng)和油氣測漏探測系統(tǒng)的ROV，沿管線路由進行檢測對比分析。

6)船上配備海底管線檢測維修信息管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)集成在全船網(wǎng)絡系統(tǒng)中，通過終端電腦上安裝的管理軟件，對采集的海管實時數(shù)據(jù)與海管歷史數(shù)據(jù)進行比對。同時也可以通過英特網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)回岸基的海底管線管理系統(tǒng)。

7)配合維修船作業(yè)。在維修船定位前，利用多波束、ADCP、地質(zhì)淺剖對維修船需要定位的區(qū)域進行水深、地質(zhì)地貌、水流及水溫進行測量，確保維修船能夠安全定位。

8)溢油探測功能。使用溢油雷達大范圍掃側(cè)，當發(fā)現(xiàn)漏油區(qū)域后，根據(jù)ADCP測得的流速流向信息結(jié)合氣象信息，找到漏油的源頭。

3結(jié)論

海底石油天然氣管道作為海上油氣田的生命線，無疑是海上溢油事件的主要風險源，像跨海大橋的興建，深港碼頭向海內(nèi)的不斷延伸，挖沙、鉆探、打樁、拋錨、拖錨、養(yǎng)殖等海上作業(yè)或其他活動，都是潛在的危及海管安全的因素。因此，如何在海洋石油勘探開發(fā)進程中肩負起保護環(huán)境的重任，降低勘探開采作業(yè)風險，保障海管運營安全，從而有效控制溢油事故發(fā)生，已成為石油勘探開發(fā)越來越關注的問題。

參考文獻：

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［2］葉國泉，沈林濤．吊艙式電力推進裝置的應用［J］．上海造船，2007(1):19-21．

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［4］鋼制海船入級規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2014．

［5］湯天昊，韓朝珍．船舶電力推進系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2015．

作者:張國立 曲兆源 單位:中海油能源發(fā)展采油服務公司深水環(huán)保船項目組