水下生產系統安防系統標準適用性分析研究

孫政策 萬波段 明星 梁園華

水下生產系統水下安防系統（以下簡稱水下安防系統）主要針對外部安防“之敵”的破壞，能根據預設參數提前感知可疑目標，待目標進入限定范圍后，可激發自動報警功能，并對目標活動進行探測、定位、識別、取證記錄和警告，必要時甚至采用防衛機制人工將目標驅離限定水域，并且不影響正常的油氣生產和作業。深遠海油氣田的水下安防系統除了能夠提升防衛水平，并可以為泄漏事故提供定位，防止發生生態污染和可能的次生災害。既可保證安全防護、監測作用距離，又能垂直無縫覆蓋、精準定位和識別的安防系統，亦是油田安防的重要安保措施。

但是深海鉆、采設備和標準被國外長期壟斷，且水下安防系統多為軍工產品，各國也是相對保密，導致目前針對民用水下安防系統尚無專業的規范和標準。我國在研制針對水下生產系統的安防系統過程中，更是困難重重。所以結合水下生產系統設備的特性，以及安防的目的和目標，開展水下安防系統標準適用性分析，研究梳理水下安防系統、設備的適用標準，為水下安防系統的研究和開發、工程樣機的設計、制造、測試提供規范技術指導，具有重要的工程和研究意義。

1 典型水下生產系統、水下安防系統構成

1.1 典型水下生產系統構成

根據中國船級社《水下生產系統發證指南》（2016），水下生產系統系指從水下井口到生產處理設施上第一個登陸關斷閥止和生產處理設施外輸關斷閥至海管登陸關斷閥之間，所有水下油氣生產、集輸、外輸、分配、分離、增壓、海管連接（管道組件）、水下設備間跨接（跨接管及水下連接器）、水下注入（注水、注氣、注化學藥劑等）等水下設備及其控制系統及設備、保護系統及設備、以及支撐結構組成的碳氫化合物生產系統的總稱，海底管道不包括在水下生產系統的范圍內。如有考慮深遠海增壓設備，典型水下生產系統主要構成設備有：水下井口、水下采油樹、水下管匯、管道組件、水下連接器、跨接管、基礎與結構、水下控制系統及臍帶纜。其中管道組件包括：流程管路的立管基座和外輸立管基座（FRB，ERB）、管道終端管匯（PLEM）、管道終端 （PLET）、水下隔離閥總成（SSIV）、其他結構（T 型和Y 型連接結構、水下連接點）、保護結構等。典型水下生產系統油氣工藝構成如圖1：

1.2 典型水下安防系統構成

水下安防系統防護的對象不同，則構成不同。如形成水面生產設備及水下生產系統立體式保護，一般包括水面監測設備，如AIS系統、水面視頻監測設備，以及水下聲吶和水下電視。但針對水下生產系統的安防，典型的設備主要有安防監控系統、探測和定位蛙人、航行器等的垂直波束電子俯仰聲吶、確認和取證用的彩色圖像聲吶和水下電視，以及警告和驅離用的水下喇叭等。以實現水面平臺設施和水下油氣生產設備的立體無縫感知探測和精確定位。

2 水下安防系統設計與配置要素

2.1 水下安防的主要防護對象。

圖1 典型水下生產系統油氣生產工藝設備構成

水下安防系統的目的是為了防止“外敵”。對于淺水水下生產系統，能夠破壞水下生產設備的因素較多，如船舶的臨時拋錨、漁網鉤掛（水深小于750米）、鉆井等作業的墜物等，以及蛙人、自主式水下航行器（UUV）等類似設備。

對于水深大于750米的水下生產系統，主要“外敵”有鉆井等作業的墜物、自主式水下航行器（UUV）等類似設備。

2.2 在役水下生產系統安防系統設計與配置要素。

對于在役水下生產系統，其設備已經安裝完畢，雖然水下設備如水下采油樹、帶控制系統的水下管匯、水下管道組件等會預留水下控制系統接口（電、信號、液壓接口），但此接口一般為生產擴展或是備用接口，通常情況下，關鍵設備的生產備用接口不會給水下安防系統使用。此時水下安防系統的設計和配置就需要考慮供電、信號傳統的問題。布置起來就得受制至水下生產系統供電、信號傳輸位置的約束。

（1）供電、通訊因素考慮

水下生產設備的供電通常由臍帶纜供電和提供通訊，通常情況下水下分配單元（SDU）、臍帶終日終端總成（UTA）、帶控制系統（SCM）的水下管匯及管匯終端、水下采油樹上的控制系統（SCM）等設備上留有預留接口。

圖2 水下安防系統構成示意圖

對于深遠海水下生產系統，由于更換電池的船舶費用、作業費用較高，所以水下安防系統盡量采用水下設備上的預留接口供電和信號傳統。安防設備的設計應至少考慮以下幾個要素：

? 系統設計的冗余性；

? 系統的獨立性，即安防設備的任何損壞，不應影響水下生產設備的正常工作；

? 兼容性，即安防系統的供電及通訊應適合水下設備的供電和通信。

對于淺水水下生產系統用的水下安防系統，如維護成本不高或安防設備不多且供電和通訊成本不高，可考慮單獨供電和通訊；如不能，應參照深遠海水下生產系統的水下安防系統進行設計。

所以，在水下安防系統的設計時，除了性能要求參考的IEC等標準外，還應考慮水下設備通用的標準，如ISO13628-1、ISO13628-4、ISO13628-6、ISO13628-15等水下生產系統一般要求、水下采油樹、水下控制系統、水下管匯等相關標準的要求。

（2）安裝位置

? 安裝位置，除了滿足安防系統的監測要求外，還應考慮水下生產系統日常巡檢的要求，即不能影響到ROV巡檢水下設備的通道；

? 安裝位置還應考慮到海底流的影響，盡量不放置在沖刷較為嚴重的區域。

2.3 新建水下生產系統安防系統設計與配置要素。

對于新建水下生產系統的安防系統，最好與水下生產系統統籌設計。即在水下設備設計時就預留出安防設備的供電、通訊接口，以及最優化的安裝位置。可作為水下設備的一部份進行統籌設計，包括防腐等。

重點考慮安防系統設備的供電、通訊、安裝位置、防腐（如采用陰極保護，是否影響其性能）、維護（便捷性及不影響水下設備的監測與維護）等。對于安裝位置，如可行，可以安裝在水下設備上，一起下放。如不可行，則再設計單獨下放的結構及操作工作。

3 標準適用性分析

3.1 安防系統整體

由于目前國內外均無專門針對水下安防系統的專用標準，可根據規格書的要求，以IEC 62851-1及GB 50394標準為系統主體設計，即各關鍵子系統，如聲吶、水下電視、AIS、熱感/光學成像儀等設計均參照相應專業的技術標準，如聲吶設計一般參照ISO/TS 19130-2 Geographic information-- Imagery sensor models for geopositioning -- Part 2: SAR,InSAR, lidar and sonar。 同 時，如果安防系統將應用的設備或設備適用的標準有特殊要求，則水下安防系統設計時，亦應考慮設備包括設備適用標準的要求。如水上設備應考慮鹽霧腐蝕，水下設備宜參照EN ISO 15156，Petroleum and natural gas industries —Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production —Part 1-3等水下生產系統相關標準進行防腐設計。

安防系統設備的設計思路圍繞高可靠性、長壽命、高探測精度、高準確率，制造材料與涂層還應注意耐壓防水防腐與防止海洋生物寄生堆積，同時各子系統應具有可單獨回收維修的功能。安防系統各子系統應能進行可靠的結合，對探測到的危險事件進行警報，同時應具有故障警報提示。

3.2 水下聲吶

3.2.1 設計

3.2.1.1 一般要求根據ISO/TS 19130的設計原則和思想進行工具功能設計。用于海洋油田水下安防的聲納設備，由于安防的特殊性，必須24小時連續工作，因此，其連續工作壽命長度以及海洋生物防護都有保障措施。可靠度及探測識別精度要滿足海洋環境的作用、沖擊等可能出現的最惡劣組合工況下的強度要求。

聲吶的安裝位置應盡量避免處于生產設備高噪聲干擾處。聲吶的終端處理機應能對采集的信號進行降噪，得到更為可靠的信息，降低誤警率。

3.2.1.2 可靠性對設備的水下聲系統、接線盒、升降回轉裝置、絞車等難以規定其可靠性的定量指標和驗收方法時，應在明確任務剖面和壽命剖面的前提下，可采用故障模式、影響及危害程度分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）等方法，發現薄弱環節，落實工程設計和生產質量保證措施，降低致命故障發生的概率以滿足技術規格書或合同的可靠性要求。FMECA分析可按GJB 1391，FTA分析按GJB/Z 768A的規定執行。

3.2.1.3 功能水下安防用聲吶，通常可按照技術規格書的要求進行設計，通常應具有下列功能：

? 全向警戒和扇面搜索；

? 多目標自動跟蹤；

? 噪聲測向與測距；

? 回聲測向與測距；

? 目標類型判別；

? 水下通信與識別；

? 入侵警報；

? 水雷探測與識別；

? 聲場分析與預報；

? 測量目標徑向速度；

? 對聲吶脈沖信號進行測向、測距和測頻；

? 聽測目標噪聲信號和聲吶信號；

? 目標運動分析；

? 故障報警。

3.2.1.4 環境要求可參照GJB 22A-1999中3.13環境要求及水下生產系統的設計環境條件進行設計，以兩者較惡劣的環境作為設計參數。

3.2.1.5 接口接口的設計，可按照GJB 1446.16 艦船系統界面要求電子信息的部分進行設計，同時參照中國船級社《電氣電子產品型式認可試驗指南》進行設計。因為船用產品的設計、選材、選型充分考慮了鹽霧、海水腐蝕等要求：

? 軸角信息接口、速度信息接口的界面特性可按照 GJB 1446.16、GJB 1446.17的要求；

? 射頻信息接口、音頻信息接口的界面特性可按照GJB 1446.3、GJB 1446.4的要求；

? 串行接口、并行接口的界面特性可按照GJB 1446.7、GJB 1446.8的要求。

3.2.1.6 供電聲吶的水下供電，如采用水下設備供電，則可參 照ISO 13628-5，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 5:Subsea umbilicals中關于水下設備供電的要求進行相關設計。

3.2.1.7 材料（1）設備選用的材料應是經過鑒定、認證，并經實際應用證明可靠的材料； （2）耐腐蝕金屬材料、防霉材料、絕緣材料、封裝材料應分別符合GJB 2532第3.5.28.1、3.5.39、3.5.30和3.5.40條的要求；（3）吸聲橡膠材料應符合GJB 2308的要求；（4）透明橡膠應符合CB 3556的要求；（5）壓電陶瓷材料應符合CB 1125的要求。

3.2.1.8 設計的特殊要求如各別聲吶系統應具有專用的固定裝置以及便于回收的裝置，且應具有利于ROV進行操作的接口。則設計時，需要參照ISO13628-8，Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems—Part 8: Remotely Operated Vehicle (ROV) interfaces on subsea production systems進 行ROV接口和標識的設計。

3.2.2 制造

? 制造過程，為了確保成功，降低失敗風險，應按照中國船級社《水下生產系統發證指南》的原則性要求開展FAT、EFAT、SIT等相關測試后，再安裝；

? 安裝在水下設備上的安防系統，制造過程應注意導電連續性，以滿足防腐性能要求。

3.2.3 測試

3.2.3.1 測試標準試驗內容及要求宜參照GJB 22A 第4.7章檢驗方法相關要求進行適用試驗的設置及試驗程序編制工作：

? 測試電源及設備電氣特性；

? 測試技術性能；

? 環境適應性；

? 多目標鎖定；

? 測試設備可靠性；

? 平均維修時間達到要求；

? 應能發出故障警報及入侵警報。

3.2.3.2 特殊要求安裝在水下設備上的水下安防設備除了進行上述的性能和功能要求測試外，還應按照中國船級社《水下生產系統發證指南》的要求進行操作功能測試和防腐有效性測試（即導電連續性測試）。

3.3 水下電視

3.3.1 設計

3.3.1.1 總體要求根據GB 20815 / HJB 432的設計原則和思想進行設備功能設計。根據技術規格書和中國船級社《水下生產系統發證指南》的原則要求要求進行設計。（1）除必須保障整個設備可靠性、壽命盡量長之外，故障設備要易于更換；（2）使用絕緣材料，防止漏電，如漏電須有漏電保護設備； （3）水下防水鏡頭或鏡頭保護部件的玻璃及密封應以技術規格書水深水壓增加20%浮動進行密封防壓設計；（4）水下攝像設備不宜寄生和沉積海生物，應具有自清洗功能。

3.3.2 制造

設備及配套線纜在結構方面應注意水下設備的結構強度、防水、減震，在外殼涂料方面應注意防腐與防生物寄生堆積。

3.3.3 測試

3.3.3.1 測試標準試驗內容及要求宜參照HJB 432-2008檢驗方法相關要求進行適用試驗的設置及試驗程序編制工作：

? 電源及設備電氣特性；

? 測試設備技術性能；

? 測試設備可靠性；

? 測試設備環境適應性；

? 顯示器顯示精度是否達到規定值；

? 應具備成像自動調節能力；

? 平均維修時間達到要求。

3.3.3.3 特殊要求（1）安裝在水下設備上水下電視，除進行上述相關性能和功能測試外，還應單獨或與水下設備一起進行振動測試；（2）防腐有效性測試，即導電連續性測試。雖然深海鉆、采設備和標準被國外長期壟斷，且水下安防系統多為軍工產品，各國也是相對保密，導致目前針對民用水下安防系統尚無專業的規范和標準。但將水下安防系統分解為各個設備，參照公開的軍標，還是可以摸索出民用水下安防系統的基本設計標準。結合水下生產系統設備的特性，以及安防的目的和目標，從設計、制造、測試分階段分析水下安防系統、關鍵組件的適用標準，可以有效的為我國為水下安防系統的研究和開發、工程樣機的設計、制造、測試提供規范標準技術指導。

本文所涉及項目獲工信部高技術船舶科研項目水下安防系統工程化研制支持（工信部聯裝2014[508]）