李 誠 張建勇 曲 杰 楊 光（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452）

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海底管道巡檢船研發(fā)設(shè)計(jì)

李 誠 張建勇 曲 杰 楊 光
（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452）

［摘 要］簡要介紹自主研發(fā)設(shè)計(jì)的“海底管道巡檢船”船型的主要技術(shù)性能和技術(shù)特點(diǎn)。該船定位為國內(nèi)首艘海底管道巡檢船，搭載專業(yè)聲學(xué)探測裝置，抗風(fēng)浪性能良好，能夠持久巡線并應(yīng)急響應(yīng)，其各項(xiàng)功能均針對渤海海域海底管道運(yùn)維需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠保障海底管道安全運(yùn)營，排除隱患以避免或最大限度降低管道泄漏造成的損失。

［關(guān)鍵詞］船舶設(shè)計(jì)；海底管道；運(yùn)維巡檢；路由勘察

張建勇（1979-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

曲 杰（1976-），男，工程師，研究方向：海底管道設(shè)計(jì)安裝檢測維修。

楊 光（1983-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

引 言

海底管道是高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施。中國海油自1985年在渤海埕北油田鋪設(shè)第1條海管以來，許多海底管道逐步進(jìn)入中后期服役階段。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約，以及設(shè)計(jì)施工水平、材料缺陷和多年運(yùn)行腐蝕損耗等原因，部分管道存在一定程度的損傷和風(fēng)險(xiǎn)。海底管道穿越海床，服役環(huán)境復(fù)雜，位置隱蔽，一旦出現(xiàn)損傷或泄漏，就會導(dǎo)致油田停產(chǎn)，產(chǎn)生巨額經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難。為避免這種局面，切實(shí)提高針對海底管道安全隱患的排查和治理能力，中國海油研發(fā)設(shè)計(jì)了國內(nèi)首艘“海底管道巡檢船”。

1 船舶的設(shè)計(jì)要求

1.1 船舶用途

本船為鋼質(zhì)、全焊接、長首樓，具有一層連續(xù)甲板，雙底、單殼（機(jī)艙為雙殼），采用電力推進(jìn)并擁有具備DP2級動力定位能力的鋼質(zhì)海管巡檢專用船舶（效果圖見圖1）。主要定位于渤海水深60 m以內(nèi)，主要作業(yè)用途：

（1）海管普查；

（2）海管詳細(xì)調(diào)查；

（3）海管水下檢測。

圖1　全船三維效果圖

本船的主要設(shè)備：

（1）尾部設(shè)2套1 100 kW的全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器；

（2）首部設(shè)2套700 kW可調(diào)螺距側(cè)向推進(jìn)器；

（3）主發(fā)電機(jī)配4臺1 000 kW高速船用柴油機(jī)；

（4）應(yīng)急發(fā)電機(jī)配1臺280 kW高速船用柴油機(jī)；

（5）主要測量設(shè)備，包括多波束測深傳感器、多普勒聲學(xué)海流剖面儀ADCP、側(cè)掃聲吶、USBL水下定位、溢油監(jiān)測雷達(dá)、磁力儀、ROV、淺地層剖面儀（管道儀）、姿態(tài)傳感器；

（6）配套絞車，包括1臺布置于主甲板尾部的磁力儀絞車、1臺布置于尾部右舷的側(cè)掃聲納絞車和1臺布置于主甲板一側(cè)用于A架的起升收放作業(yè)的A架主配套絞車；

（7）尾部A型架主吊點(diǎn)15 t；

（8）液壓折臂吊10 t·9 m；

（9）聲學(xué)設(shè)備載體升降鰭；

（10）尾部預(yù)留的4個(gè)集裝箱實(shí)驗(yàn)室位置作為測量擴(kuò)展功能；

（11）海底管道檢測、維修信息管理系統(tǒng)。

1.2 船舶航區(qū)及作業(yè)環(huán)境條件

航 區(qū) 近海航區(qū)

最高環(huán)境溫度 45℃

最低環(huán)境溫度 -18℃

機(jī)艙溫度 55℃

最高海水溫度 32℃

最低海水溫度 -4℃

工作水深 6～60 m

1.3 船 級

★ CSAD Research Ship， Ice Class B， Greater Coastal Service；

★ CSMD MCC+BRC， DP-2， Electrical Propulsion System。

2 船舶總體設(shè)計(jì)

2.1 主要尺度和性能參數(shù)

總 長 65.2 m

垂線間長 56.8 m

型 寬 14.0 m

型 深 7.6 m

設(shè)計(jì)吃水 4.4 m

最大吃水 4.8 m

載重量 1 200 t

航 速 ≥13 kn

自 持 力 15 d

船 員 18 P

檢測人員 12 P

2.2 總體布置

本船的總布置見下頁圖2。

本船為橫骨架式，具有一層連續(xù)主甲板。主甲板上設(shè)A甲板、B甲板、駕駛甲板及駕駛頂甲板，主甲板下設(shè)局部平臺甲板，機(jī)艙區(qū)域?yàn)殡p底雙殼。

主甲板以下由5道水密橫艙壁將主船體分隔成6個(gè)水密艙段。

圖2　船舶總布置圖

甲板載貨區(qū)和作業(yè)區(qū)位于A甲板后的主甲板上，設(shè)負(fù)荷為15 t的A架及拖曳配套絞車，可配合不同拖體進(jìn)行拖曳調(diào)查檢測。主甲板右舷配備1臺折臂吊（10 t·9 m）。

主甲板上設(shè)應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)室、空調(diào)機(jī)室、CO2間、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)辦公室、醫(yī)務(wù)室、洗衣間以及船員艙室/測量人員住艙等。

A甲板上自首至尾布置有首儲物艙、錨鏈艙、廚房、糧庫、蔬菜/魚肉庫、船員住艙、餐廳、油漆間等。尾部設(shè)1艘救助艇，兩舷設(shè)有氣脹式救生筏。

B甲板前部設(shè)錨系泊設(shè)備，B甲板上設(shè)高級船員艙室等。

本船機(jī)艙按有人值班機(jī)艙要求配置設(shè)備，設(shè)集控室。主推進(jìn)系統(tǒng)可在駕駛室內(nèi)遙控。

駕駛室頂甲板上設(shè)置蓄電池室。

2.3 船體結(jié)構(gòu)

本船為全焊結(jié)構(gòu)無梁拱鋼質(zhì)船，設(shè)置長首樓。A甲板通過舷側(cè)連接到尾部的上甲板為強(qiáng)力甲板，該交叉過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)布置連續(xù)、流暢。

主船體骨架包括底部、舷側(cè)及甲板均采用橫骨架式。船中設(shè)中縱桁，機(jī)艙區(qū)域的主機(jī)座縱桁代替旁桁材。

2.4 舾裝設(shè)備

2.4.1 航行錨設(shè)備

本船左右舷各設(shè)單側(cè)式電動起錨系泊組合機(jī)1臺、滾輪閘刀掣鏈器、錨鏈筒、錨穴、錨鏈艙各1個(gè)，每個(gè)錨鏈艙配置1個(gè)錨鏈管和棄錨器，再配3只斯貝克錨，每只重1 920 kg（其中1只為備用錨）。錨鏈總長440 m（16 kn），34 mm。

2.4.2 系泊設(shè)備

2.4.3 起重設(shè)備

電動液壓雜物吊，工作負(fù)荷為2 t，最大工作半徑為5 m，安裝在首樓甲板首部，用于起吊船舶食品、物料、工作用品等。

折臂吊安裝在主甲板尾部：安全工作負(fù)荷為10 t時(shí)，最大工作半徑為9 m；安全工作負(fù)荷為6 t時(shí)，最大工作半徑為13 m。

2.4.4 特種設(shè)備

本船尾部設(shè)置15 t負(fù)載A架，主要用于輔助下水收放作業(yè)。A架備有獨(dú)立的液壓泵站用于A架變幅操作。A架可在4級海況下使用。

本船撬裝一套ROV系統(tǒng)，用于ROV水下泄油點(diǎn)定位，ROV上搭載有油氣泄露傳感器。作業(yè)方式和管線調(diào)查時(shí)相類似，使ROV懸浮在管線上方，探測直至出現(xiàn)最大值報(bào)警，通過安裝在ROV上的相機(jī)和聲納進(jìn)一步觀測確認(rèn)，直至最終確認(rèn)漏油點(diǎn)。

2.5 主要機(jī)電設(shè)備

2.5.1 電 站

本船設(shè)4臺主柴油發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組功率約1 000 kW、電壓400 V、頻率50 Hz；再另設(shè)1臺功率為280 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。

2.5.2 動力定位系統(tǒng)

本船配備DP2級動力定位控制系統(tǒng)，可支持聯(lián)合操縱桿模式、組合聯(lián)合操縱桿/自動模式、自動首向模式、自動定位模式、自動舵模式、自動航跡模式、目標(biāo)跟蹤模式等工作模式。

3 功能論證和技術(shù)特點(diǎn)

3.1 作業(yè)能力

本船在60 m水深內(nèi)具備以下作業(yè)能力：

（1）海管普查：定期對管道路由環(huán)境、管道埋深、管道沖刷、管道懸跨等進(jìn)行綜合調(diào)查；

（2）海管詳細(xì)調(diào)查：對管道的路由變化、外部損傷、第三方破壞等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查；

（3）水下檢測：采用潛水員或ROV，對管道懸跨情況、外保護(hù)層、管道外壁及其損傷情況的確認(rèn)和檢測、對海管油氣泄漏點(diǎn)和泄漏狀況進(jìn)行探測。

3.2 升降鰭板

本船中前部設(shè)有升降鰭，升降鰭主要由提升裝置和鎖緊裝置兩大組件及鰭板結(jié)構(gòu)組成。提升裝置有絞車、定滑輪組、動滑輪組、鋼絲繩、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。鰭板結(jié)構(gòu)采用水密流線型外形，橫截面為對稱翼型。主要用于海底管道的檢測和三維成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，檢測聲學(xué)設(shè)備安裝在升降鰭內(nèi)，為減小船底水流和空泡的影響，最大可伸出船底以下約2.5 m。在鰭板收回船體內(nèi)情況下，可在船舶不進(jìn)塢的情況下，對聲學(xué)設(shè)備進(jìn)行檢測、維修，提高檢測維修便利性。

3.3 主尺度論證

3.3.1 船 長

經(jīng)分析，本船長寬比L/B約為4.5～5，B/d約為2～2.5，較小的長寬比可以有效控制造價(jià)，在同樣的排水量要求下，增加船寬引起的空船質(zhì)量增加約為增加船長的1/5。但一味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(yīng)性其滿載排水量應(yīng)不小于2 000 t，在L/B約為4.5～5情況下，初步估算對應(yīng)船長應(yīng)約為60 m且最高航速不小于13 kn。選取適當(dāng)?shù)拇L，可有效降低傅汝德數(shù)，降低船舶航行阻力，本船傅汝德數(shù)控制在0.3～0.33為宜。綜合考慮，本船兩柱間長約56.8 m，水線長60.9 m。

3.3.2 船 寬

船寬主要對于船舶穩(wěn)性至關(guān)重要，本船為海底管道的調(diào)查多功能工作船，要求在中等海況下具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，適應(yīng)全天候的作業(yè)要求，對于穩(wěn)性要求較高。因此應(yīng)滿足排水量的要求，同時(shí)還需滿足主發(fā)電機(jī)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，船寬定為14.0 m。

3.3.3 型 深

型深選取既要滿足規(guī)范對干舷的有關(guān)要求，又必須具有足夠內(nèi)部空間滿足布置要求，對于船的總強(qiáng)度、剛度都有直接影響。本船型深選取從機(jī)艙設(shè)備布置所需的凈空高度和測量艙室的布置兩方面綜合考慮。增加型深可以改善機(jī)艙設(shè)備的布置條件，且有利于輪機(jī)人員對設(shè)備進(jìn)行操作和維護(hù)。對于船舶的總強(qiáng)度、剛度均有利。

3.3.4 線 型

本船線型設(shè)計(jì)力求與船型特征及主要設(shè)備的設(shè)置等互相匹配。本船浮態(tài)的要求使浮心位置在舯后，且可以獲得較好的阻力性能。首、尾線型及附體皆進(jìn)行特殊處理，以更好地保證本船的性能。確保兩舷可調(diào)槳水流順暢，避免因?yàn)樗鞑粫骋鸬拇w尾部振動。

3.4 主參數(shù)對比研究

由于國內(nèi)目前尚無專業(yè)的海底管道巡檢船，因此本文選擇幾艘尺度和功能相近的工程船，將主要參數(shù)進(jìn)行對比，見表1。

現(xiàn)有的近海測量船主要排水量為600～2 000 t。排水量越小，船舶尺度也越小，船舶耐波性也越差。在相同海況下，作業(yè)精度差甚至無法作業(yè)，且在相同航速下，傅汝德數(shù)較高，航行阻力較大，推進(jìn)功率也不經(jīng)濟(jì)。在長寬比一定的情況下，排水量增大，其耐波性和快速性會有一定好轉(zhuǎn)，但其造價(jià)相對較高。根據(jù)本船的用途與環(huán)境條件，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，一般認(rèn)為60 m級測量船的排水量約為2 000 t即可滿足使用要求。在以上船型中，“MV Endeavour”ROV作業(yè)支持船具有較高的參考價(jià)值。根據(jù)該船型參數(shù)，結(jié)合本船的實(shí)際功能和性能需求，確定船型方案。

4 結(jié) 論

本船定位為國內(nèi)首艘海底管道巡檢船，填補(bǔ)了我國海管運(yùn)維領(lǐng)域無專業(yè)船舶的空白，且具備完成海管巡檢作業(yè)的全部能力，包括路由調(diào)查、管道外檢、懸跨治理等；另外，專業(yè)的船舶設(shè)計(jì)也提高了作業(yè)質(zhì)量和安全性。其主要優(yōu)勢如下：

（1）配備DP2級動力定位系統(tǒng)，船體定位能力強(qiáng)，可保證船舶在4級海況執(zhí)行定位和定點(diǎn)之間的低速定向航行。

（2）搭載專業(yè)聲納探測裝置和應(yīng)急搶修設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)海管普查、海管詳細(xì)調(diào)查、海管水下檢測等功能。

（3）抗風(fēng)浪性能良好。船寬相對較寬，穩(wěn)性儲備大，能在相對惡劣的海況完成作業(yè)。

（4）自持力良好，可持久巡航并應(yīng)急響應(yīng)。

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Research and design of subsea pipeline inspection ship

LI Cheng ZHANG Jian-yong QU Jie YANG Guang
(CNOOC Energy Technology & Equipment Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Abstract:This paper introduces the technical performance and characteristics of a subsea pipeline inspection ship which is researched and developed independently. It is the first subsea pipeline inspection ship in China which is equipped with professional acoustics detection devices. The ship is characterized by good weather worthiness, persistent patrol line and emergency response. It is designed according to the operation and maintenance demands for the subsea pipelines in Bohai area, which can guarantee the safety operation of the subsea pipelines and eliminate the hidden dangers to avoid the losses due to pipeline leakage.

Keywords:ship design; subsea pipeline; operation and maintenance inspection; route survey

［作者簡介］李 誠（1989-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［收稿日期］2015-09-07；［修回日期］2015-09-25

［中圖分類號］U674.38

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0016-05