自升式鉆井平臺導航系統設計

張筠如，黃赟

（上海中集海洋工程研發中心，上海 201206）

0 引言

熟悉海事局航行通告的人一定知道，在沿海港口航道圖或者海圖上通知標注設置平臺的重要參數，除了平臺的位置坐標、安全區范圍以外，必須還有燈光聲號的信息。

自升式石油鉆井平臺具有良好的移動性和穩定性，可以由拖船拖帶遷航至指定作業水域。當其插樁完畢且其主體沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預定高度進行作業時，它就具備了海上固定平臺的特性，必須按照相應的規范設計并安裝一套可以為過往船只、飛機提供聲光信息的導航系統。

1 自升式石油鉆井平臺導航系統簡介

1.1 組成

海上自升式石油鉆井平臺的導航系統一般包括障礙燈、導航燈（也可稱為助航燈）、霧笛、控制盤、電池組和光控開關組成。

1.2 作用

海上石油鉆井平臺是建造在大海之中的鋼結構物體。設置導航系統的目的是用可視和音響信號系統保證平臺的安全，避免來往航行及作業船舶的碰撞，防止直升飛機降落時的碰撞。

1.3 設計內容

導航系統設計的主要工作是根據規范的要求，對海上平臺的導航系統進行系統設計，對導航燈和霧笛安裝位置的設計和設備選型設計。

1.4 設計規范

平臺的建造規格書會約定平臺的船級、規范、規則和證書。對于導航系統的設計，主要依據的規范有：相關船級社規范、國際海事組織可移動海上鉆井船建造和裝備法規（IMO Code for Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units）；英國民用航空手冊CAP437。延伸可參考的規范有國際航標協會關于海上構筑物上設置標志的建議（IALA Aids to Navigation Manual - IALA NAVGUIDE）及其推薦案O-139（The Marking of Man-Made Offshore Structures）、國際民航組織規范（ICAO Convention, Annex 14）等。在我國管轄海域內建設、使用的平臺，還應滿足海上固定（移動）平臺入級與建造規范和海上固定平臺安全規則的要求。

2 設計要求

2.1 障礙燈

障礙燈一般安裝在海上平臺建筑物、火炬塔和起重設備的頂部，防止直升飛機在下降的過程中碰撞平臺上的上述物體。

海上固定平臺安全規則中關于助航標志與信號的要求：

1）平臺水平和垂直的端點應裝設紅色障礙燈，其設置應符合航空條件的要求；

2）障礙燈的結構應采用防水型燈具，其燈頭應具有防止燈泡自行松脫的結構。

IMO MODU CODE第13章中關于直升機設施的要求：

1）在合適的位置安裝最小視光強度為10cd的全方向紅色警告燈，為直升機駕駛員提供視覺信息，提醒對直升機產生威脅、接近和高于直升機著陸區域以及鄰近限制障礙扇形邊界的物體。此類照明必須符合：（1）高于直升機著陸區域15m的物體，必須每隔10m安裝一個相同亮度的紅色燈直至直升機甲板（如燈具被其他物體遮擋除外）。（2）火炬塔之類的結構體可以選擇用投光燈替代紅燈。此類燈具應可以照亮整個結構體，且不影響飛行員夜視。（3）自升式平臺上最靠近直升機甲板的樁腿可選擇投光燈替代紅燈。此類燈具應不影響飛行員夜視。（4）可選擇利用ICAO推薦的技術來突顯出臨近直升機甲板的障礙物。

2）平臺的最高點必須安裝一盞視光強度為25cd～200cd的全方向紅色警告燈。對于自升式平臺，應安裝在每條樁腿的最高點，若此舉不具有可行性（比如火炬塔），則此燈具可安裝在最靠近最高點的地方。

CAP437第四章中對于障礙燈的要求與IMO MODU CODE描述的基本一致，對燈的亮度、可視角度等方面描述得更加規范。并且明確了供電要求為其電源由應急照明配電板提供，任何電源故障必須立即通知直升機駕駛員，交流電源中斷以后，由UPS繼續供電。

2.2 導航燈

導航燈是一種發光裝置，由監控盤控制發出間斷的白光。在夜間，對船只起到警示作用。海上固定平臺安全規則要求如下：

1）平臺上應安裝一盞或多盞在夜間顯白色的導航燈（同步發光）。燈的結構和安裝位置應保證航行從任何方向駛近平臺的船舶至少看見一個燈光。

2）導航燈的最小視光強度為1,400cd，射出光束的垂直分布應保證自平臺近旁至燈光的最大射程都能看見。

3）導航燈的閃光特性為莫爾斯信號“U”（??—），最大周期15s，其莫爾斯信號“U”應符合表1要求。

表1 導航燈的莫爾斯信號

4）導航燈應安裝在平臺的四周，設置高度應在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m。

5）應有閃光燈泡的自動更換裝置及故障報警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第三章視覺助航標志中對助航燈具的可視距離、光力射程、額定光力射程、色度測量、閃光特性等等做了更加詳細的闡述。平臺規格書中一般對導航燈的要求以“10海里”代替光強值，通過查詢額定光力射程換算表可知，在黑夜假定大氣投射率T=0.74，臨界照度為0.2microlux的情況下，10海里的光力射程對應的正是1400cd。

2.3 霧笛

霧笛是一種發聲裝置，由監控盤控制，發出間斷的聲響。有霧的天氣條件下，導航燈不起作用時，對船只起警示作用。海上固定平臺安全規則要求：

1）平臺上應設置主霧笛和備用霧笛，其結構及所在位置應使從任何方向駛近平臺的船舶都可以聽見。當主霧笛完全失效或部分失效致使任何方向的一般聽程小于0.5海里時，備用霧笛應能立即投入工作。主霧笛應采用自動霧笛（或遙控起動），而備用霧笛則可采用自動霧笛或手動霧笛。

2）主霧笛在任何方向的一般聽程，至少應有2海里。備用霧笛在任何方向的一般聽程，至少應有0.5海里。

3）主霧笛及備用霧笛的音響節奏特征為莫爾斯信號“U”（??—），最大周期為30s，其莫爾斯信號“U”應符合表2要求。

表2 主霧笛及備用霧笛的莫爾斯信號

4）音響信號安裝高度應在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m處。

5）所有霧笛的控制設備，均應滿足手動停止鳴放霧號和手控鳴號以及故障報警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第四章闡述了聲響信號需考慮的因素、聲響信號的范圍等。并且提到了在一些國家已經廢除了使用聲響信號，比如芬蘭、冰島、澳大利亞和挪威。

3 系統設計

3.1 配置

根據規范和有關標準的要求，一般對自升式石油鉆井平臺上的導航系統設置如下：

1）起重機上安裝兩個障礙燈，一個安裝在起重機吊臂的頂端，另一個安裝在起重機底座的頂部。

2）火炬塔的頂部安裝一盞障礙燈。若火炬塔長年燃燒，則這盞燈可以不設置。

3）生活樓的頂部安裝一盞障礙燈。若生活樓的頂部低于起重機底座，則這盞燈可以不設置。

4）井架頂部安裝一盞障礙燈，二層臺方形的四個頂點各安裝一盞障礙燈。

5）樁腿的頂部設置太陽能障礙燈一盞。自帶太陽能充電器和蓄電池。由于自升式平臺的樁腿拖航和工作時會根據需要升降，敷設電纜較困難，多采用太陽能方式供電。

6）導航燈四盞，發光強度1,400cd。根據平臺形狀設計，保證航行從任何方向駛近平臺的船舶至少看見一個燈光。

7）主霧笛一套，2海里聽程，帶遙控開關。

8）機械備用霧笛一套，0.5海里聽程。

9）控制盤一個，對導航燈（也可稱為助航燈）和霧笛的工作進行監測。并可按莫爾斯信號使各燈同步。

10）充電器一套。

11）太陽開關一個，控制導航燈在白天關斷，夜晚接通。

12）蓄電池組一套。

13）霧探測器一套（可選）。

其典型電氣單線圖如圖1所示。

3.2 防爆

安裝在危險區內的導航燈、聲號、電池等以及控制裝置必須是防爆型的，并符合所在處所防爆等級的要求。

DNV鉆井平臺建造規范中要求導航系統在棄平臺后仍要繼續工作（IMO MODE CODE、CCS、ABS規范中則對此沒有明確要求）。依此要求設計的平臺在應急系統切斷系統時，最高等級的棄平臺操作（APS0）中將不切斷導航系統的UPS電源，所以安裝在開敞區的設備（如導航燈、霧笛等）應為適宜2類危險區使用的防爆電氣設備。

圖1 自升式鉆井平臺導航系統電氣單線圖

3.3 電源

導航系統的交流電源由應急照明配電盤提供。在正常情況下，主電網通過各種變壓器和聯絡開關向導航系統的導航燈、障礙燈和霧笛提供電源。主電源發生故障時，通過聯絡開關的作用，電源能自動地投切到應急電源。如果平臺的交流電源（包括應急電源）中斷，導航系統的導航燈、霧笛和障礙燈等標識平臺的信號燈由導航系統配置的蓄電池提供電源。蓄電池的后備時間根據各船級社及上述各種規范規定，須滿足對為標示平臺的任何信號燈和聲響信號供電4天（96h）的要求。

在某些工程中，考慮到導航系統的蓄電池組距離起重機或者井架的障礙燈比較遠，它們的障礙燈可以使用其自身電源和自帶蓄電池組供電，其技術要求和持續供電的時間必須滿足規范的要求。

4 結語

隨著我國“十二五”計劃的出臺，海洋工程裝備的設計和制造已成為熱門行業，吸引了不少的船廠和設計院參與其中。導航系統的設計參考范圍不僅受船級社規范限制，還涉及較多相關行業規范。本文初步探討了如何設計自升式海上石油鉆井平臺的導航系統，僅供相關技術人員借鑒。

[1]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.海上固定平臺安全規則[S].2000.

[2]中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S].2005.

[3]AISM-IALA.IALA Aids to Navigation Manual[Z].2006.

[4]IMO.CODE FOR THE CONSTRUCTION AND EQUIPMENT OF MOBILE OFFSHOREDRILLING UNITS[S].2009.

[5]《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M].北京:石油工業出版社,2007.