飽和潛水系統冗余設計分析

張威 徐鋒

摘? 要：隨著人類社會的不斷發展，對資源的需求日益凸顯，尤其是對石油資源的需求，資源已成為進一步發展的重要制約因素。眾所周知，海洋中蘊藏著大量的石油資源。當前，越來越多的國家都在進行海上石油勘探及開采活動，全球海上石油的年生產總量已突破40億噸。我國作為一個海洋大國，近年來也不斷加大海洋開發投入，在我國近海和南海布置了很多海上工程裝備，加大海洋石油資源的開發力度，以降低能源的外部依賴程度。海洋石油的開采離不開水下作業，飽和潛水作業在海洋工程中有舉足輕重的作用。飽和潛水支持船可以通過安裝在母船上的生命支持系統和收放系統，將潛水作業人員下放至深達500米的海面下，進行水下作業。文章旨在通過對飽和潛水系統的冗余設計分析，為將來飽和潛水支持船的設計提供借鑒和參考意見，以最大程度地保證潛水員生命安全和提升水下作業效率。

關鍵詞：飽和潛水系統;冗余設計;研究分析

中圖分類號：U674 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0081-03

Abstract： With the continuous development of human society， the demand for resources is becoming increasingly prominent， especially for petroleum resources， which have become an important constraint to further development. As is known to all， the ocean contains a large number of oil resources. Nowadays， more and more countries are carrying out offshore oil exploration and exploitation activities， and the global offshore oil production has exceeded 4 billion tons per year. As a large maritime power， China has been increasing its investment in marine development in recent years， laying out a lot of offshore engineering equipment in china's offshore and South China Seas， and increasing the development of offshore oil resources in order to reduce the degree of external dependence on energy. The exploitation of offshore oil can not be separated from underwater operation， saturated diving operation plays an important role in marine engineering. Saturated dive support vessels can carry out underwater operations by placing dive operators under the sea at depths of up to 500 meters through life support and LARS systems. The purpose of this paper is to provide reference for the design of future diving support vessels by analyzing the redundancy design of saturated diving systems， so as to maximize the safety of divers and improve the efficiency of underwater operations.

Keywords： saturated diving system; redundancy design; research and analysis

飽和潛水技術是目前世界上公認的可以進行安全的深海承壓潛水技術，我國從上世紀80年代就引進了飽和潛水設備，用于海上石油開采。但是，由于技術和機會的缺乏，未能發展成熟，世界上大部分的飽和潛水作業仍由海外潛水公司壟斷。目前國際市場上有90多艘飽和潛水支持船，其中約70%的船舶船齡超過20年，也就是說現有的飽和潛水支持船大多設備陳舊，設計落后，面臨更新換代。近年來，國內船廠也開始有飽和潛水支持船的建造業績。結合全球飽和潛水支持船的市場現狀，我國在飽和潛水支持船的設計建造方面迎來重大契機，我國可充分利用本次契機和已經積累的經驗，在飽和潛水支持船的設計領域完成彎道超車。

1 飽和潛水系統概述

所謂“飽和潛水”，是指潛水員在高氣壓環境下長時間暴露，使其體內各組織中的氣體達到完全飽和，潛水員的機體將完全適應該高壓環境，只要潛水員所處的環境壓力不變，不論暴露時間多長，其減壓時間是相等的。例如：如果需要潛水員下潛到某一特定深度的海底進行作業，潛水員需要在設定為同一壓力等級的減壓艙內生活一段時間，以完全適合預定水深的壓力環境。待潛水員完全適應該環境后，潛水員可以長時間停留在該水深進行作業，也可以在在海洋環境惡劣或者長時間工作后返回減壓艙進行休整，多次往返于工作水深和母船，而不需要反復進行增壓和減壓的過程，只需要在完成所有預定工作后一次性安全的減壓出水。因此，潛水員每次水下作業不受時間和環境的限制，可以完成大量的水下作業任務，提高潛水作業效率。

飽和潛水系統一般由減壓艙（潛水員居住艙）、過渡艙、潛水鐘、潛水鐘釋放和回收系統、臍帶纜和臍帶纜絞車、氣體儲存和分配系統、氣體回收系統、生命支持系統、控制系統、通訊系統、監控系統、逃生系統等組成。同時，作為潛水作業母船，也需要具備一定的支持能力，如足夠且合理的空間布置、DP動力定位能力等。

2 冗余設計概述

飽和潛水支持船最重要的作用就是將潛水員安全的下放至海底預定深度進行作業，并安全的將潛水員回收至作業母船上。潛水員的生命安全是第一位的，只有能確保潛水員的安全，才能保證海底作業的順利進行。

潛水系統由眾多子系統組成，構成非常復雜，同時又與母船間存在著非常緊密的聯系。任一部件出現故障或者任意一個隱藏的風險點都可能導致潛水系統的失效，對潛水員的生命安全造成威脅。冗余設計，就是通過對某些關鍵設備或部件進行重復配置，當系統出現故障時，冗余的設備或部件自動切換介入工作，承擔已損壞設備或部件的功能，保證整個系統不間斷運行。

3 冗余設計在飽和潛水系統設計中的應用

本文以一套24人雙鐘飽和潛水系統的設計為例，對潛水系統的一些重要子系統的冗余配置進行分析。

3.1 潛水系統設備配置

將整套潛水系統設備分成兩組，定義為冗余組A和冗余組B，兩組互為冗余備份。冗余組A和冗余組B之間通過兩個中轉艙之間的常閉接口連接，可在必要時打開中轉艙之間的接口，實現冗余組A和冗余組B的連接，進行減壓艙內潛水員的轉移。

詳細布置如圖1所示，深色是冗余組A，淺色是冗余組B。每個冗余組由潛水鐘、減壓艙、過渡艙、中轉艙、潛水員逃生通道和潛水高壓救生艇組成。兩個冗余組內的設備分開布置，在物理上處于隔離狀態。一個冗余組內的潛水員只生活在單側的減壓艙內，并只通過該冗余組的潛水鐘進行水下作業。每個冗余組有各自獨立的潛水鐘釋放和回收系統以及控制系統，兩個冗余組可以做到互不干涉，又能緊密協作，在進行水下作業時，兩個冗余組可以交替釋放潛水員，進行不間斷作業，提高工作效率。

3.2 電力供應和分配系統

潛水作業支持母船的發電機系統向兩套中壓配電板供電，兩套中壓配電板間通過母聯斷路器連接。1號中壓配電板和2號中壓配電板分別布置在不同的房間內，并由不同的發電機組供電。

潛水系統設2個主配電板，分開布置在左右兩個配電板間，2個潛水主配電板之間通過母聯斷路器連接。1號潛水主配電板通過1號中壓配電板和變壓器供電，2號潛水主配電板通過2號中壓配電板和變壓器供電。2個潛水配電板間分別單獨配置變壓器。兩套配電板至潛水系統的電纜路徑物理分隔開，并在關鍵區域設置防火分隔，以實現一側事故不會導致兩套供電系統同時失效。

在潛水應急發電機間，另設一組應急潛水配電板。應急潛水配電板分為兩屏，1屏為440V AC，另一屏為230V AC。440V應急潛水配電板可以從1號潛水主配電板、2號潛水主配電板或潛水應急發電機供電。230V應急潛水配電板從440V應急潛水配電板供電。

配電系統布置如圖2所示。

3.3 潛水鐘釋放和回收系統

共配置兩套潛水鐘釋放和回收系統，每套系統由潛水鐘主絞車、導向鋼絲繩絞車、臍帶纜絞車、潛水鐘小車、控制系統和波浪補償系統等組成。兩套系統分別用于釋放和回收左右舷的潛水鐘。通過合適的排班，兩側潛水鐘可進行24小時不間斷水下作業?？梢猿浞掷煤Ｉ仙钥v即逝的作業窗口期，提高工作效率，實現經濟利益最大化。

正常操作情況下，潛水鐘通過主絞車進行釋放和回收。導向鋼絲繩絞車僅用于導向配重塊的釋放和回收。當主絞車出現故障，或主鋼絲繩出現故障，可以使用導向鋼絲繩絞車同時回收導向配重塊和潛水鐘。也可以通過釋放另一舷的潛水鐘到工作區域，水下潛水員通過進入另一舷的潛水鐘實現回收。

此外，越來越多的潛水作業支持母船上會裝備大型深水海工吊，在主甲板預留潛水鐘與中轉艙的接口，還可以通過吊機將潛水鐘應急回收至作業母船，并通過預留接口，將潛水員轉移至具有同等高壓環境的中轉艙，以實現潛水員的應急救援。

綜上，各冗余組的潛水鐘可以通過該冗余組的主絞車、導向絞車和母船上的海工吊機進行救援回收。潛水員可以隨各冗余組潛水鐘一起回收，或必要時在水下進入另一冗余組的潛水鐘，通過另一冗余組的回收系統進行救援回收。

3.4 減壓艙環境控制系統

減壓艙環境控制系統由環境控制單元、冷卻單元、加熱單元、控制系統以及各自的管路系統組成，每個減壓艙、過渡艙和中轉艙都配備獨立的環境控制單元。每個環境控制單元由一個風機、兩個滌氣機、一個冷卻器和一個加熱器組成。每個環境控制單元的設計容量可以同時供兩個減壓艙使用，在某一減壓艙的專屬環境控制單元出現故障或進行定期檢修保養時，可以使用相鄰減壓艙的環境控制單元，也就是說，每一個環境控制單元都可以與其他環境控制單元互為冗余，在任一或多個環境控制單元出現故障時，也不會導致減壓艙需要停止工作。

整個減壓艙環境控制系統也按照電源供應進行分組，在任一環境控制系統失電時，都可以通過控制系統直接將失電側的減壓艙環境控制切換到另一舷側的環境控制系統。

3.5 減壓艙飽和控制系統

在潛水氣體儲存區域和減壓艙區域中間設置一獨立的飽和潛水自動化控制室，該房間內布置一套飽和潛水自動化控制臺，可通過PLC對減壓艙內的壓力、氣體配比等進行遙控，監控減壓艙內的環境情況，同時可與減壓艙內的潛水員進行視頻和語音通話。潛水自動化控制臺由230V潛水配電板（從440V潛水主配電板經變壓器轉換）和230V潛水應急配電板供電。潛水控制臺內部設有獨立的UPS不間斷電源，可以在潛水主配電板和潛水應急配電板都失電時，繼續為潛水控制臺提供足夠的電源。

另外，在每個減壓艙旁布置就地控制箱，可以在自動控制系統出現故障時進行應急操作。

4 結束語

綜上所述，通過從潛水系統布置、電力供應、下放和回收系統、控制系統等方面對飽和潛水系統進行冗余設計和分析，不僅可以提高潛水員的生命安全保障，而且延長了水下潛水作業時間，提高潛水作業效率。對于提高飽和潛水技術在深海水下作業的安全性和經濟性將有重要的意義，為向更深的海洋進行科學研究和海洋資源開發提供保障。以上是筆者根據所參與的兩艘飽和潛水支持船的設計經驗上做的歸納總結，希望能對類似船形的設計提供一些借鑒和參考，不足之處，歡迎指正交流。

參考文獻：

[1]周國平，李學，施禮軍.深潛水工作母船設計研究[J].船舶工程，2011（5）：1-5.

[2]劉貞飛，嚴國華，等.飽和潛水在海洋工程中的應用[J].中國水運，2012（03）：38-39.

[3]張浩立，鄧智勇，羅友高.潛水器布放回放系統發展現狀[J].艦船科學技術，2012，34（04）：3-6+46.