饱和潜水系统在海洋工程中的应用

2014-07-27舒仕勇

创新科技 2014年2期

关键词：潜水员法兰潜水

舒仕勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

饱和潜水系统在海洋工程中的应用

舒仕勇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

较为详细地介绍了世界上目前应用的饱和潜水系统的工作原理和组成、优点及典型某系统技术参数和特点及关键技术，结合国内外目前现状，简述了饱和潜水系统在海洋工程中的应用，预测了饱和潜水系统在国内的应用前景。

饱和潜水；海洋工程

饱和潜水是1957年由美国生理学家Bond提出，之后英、美、法等西方国家开始进行大量饱和潜水研究，实验室深度达到701m，饱和潜水在国外海洋石油工程和深海其他工程中，尤其是在欧洲北海油田的开发中得到充分应用。我国的海洋石油开采中的饱和潜水工作主要还是由海外公司承担。中海油“十一五”规划中提出向深水发展战略，将发展自己的饱和潜水设备和组建自己的作业队伍，实现饱和潜水作业能力，实现向深水发展的战略目标。

饱和潜水系统是一项综合性的复杂工程，技术密集度高，是公认的高科技、高附加值产品。世界上主要设计制造厂商如DIVEX公司、HydraMarine公司、Aqua-Air工业有限公司、LEXMAREngineeringPte公司、Submarine公司及N.U.T公司。国内饱和潜水设计科研能力基本达到了较高的水平，国内主要研制单位如中船重工七一九所、沈阳自动化研究所、上海交通大学水下工程研究所，产品如中科院研制的蛟龙号，但都没有形成制造能力，没有转化为生产力，总体来说，国内商业饱和潜水能力比较落后[1][2]。

1 饱和潜水系统

1.1 饱和潜水系统运作原理及组成

所谓“饱和潜水”是指潜水员在高气压下长时间暴露，使其体内各组织体液中的惰性气体达到完全饱和的程度，在此基础上，只要环境压力不再改变，不论暴露时间如何延长，其减压时间是相等的，因而可大大提高潜水作业效率。比如在300米深度停留作业12小时，最后可以用完全相同的减压时间一次性安全的减压出水。所以潜水员每次水下作业不受时间限制，这样可以完成大量的水下作业任务，提高潜水作业效率。

饱和潜水系统一般安装在潜水作业母船上，用于实际的海上饱和潜水作业。潜水员在进行饱和潜水作业时，必须生活在饱和居住舱内，使机体在相当于海底压力的环境下达到完全饱和。在此基础上，当需要进行潜水作业时，可借助于潜水钟把潜水员从居住舱、过渡舱内运送至海底潜水作业地点。潜水作业完成后，仍通过潜水钟将潜水员接回居住舱内休息。潜水工作母船上必须能提供潜水设备所需的各种能源等，以确保潜水设备、生命支持系统和辅助设备的正常运行。下图1所示为饱和潜水系统总体布置图，饱和潜水系统主要由甲板加压舱（DDC）、高压救生舱（HRC）、潜水钟（SDC）、潜水钟处理系统（SDCHandlingsystem）、潜水装具、高压救生舱释放系统、氦气回收净化系统、生命支持系统、饱和潜水控制箱、机械设备集装箱、HRC生命支持系统集装箱、工具集装箱等部件组成。

1.2 与常规潜水的主要区别和优点

图1 总体布置三维效果图

空气常规潜水技术下潜深度为60米内浅，氦氧常规潜水技术有效作业深度一直在120米左右，且作业时间短，后期用于减压上升的时间长，潜水作业效益很低，随着潜水深度的增加和作业时间的延长，这些问题更为突出，极大地阻碍了潜水技术的发展，饱和潜水主要以增加潜水深度和延长水下作业时间为目的而产生的，主要大大提高潜水作业效率，有较高的水下工作时间对减压时间的比值。

1.2.1 在高压下长期生活工作停留后，最好仅需一次饱和减压，减少了减压的次数，既消除了多次减压造成的麻烦，还可减少发生减压病的机会，相对比较安全。

1.2.2 可在一定的深度-时程（或深度）范围内作向下巡回潜水，且无需减压地回到饱和潜水，延伸了饱和潜水作业的深度。

1.2.3 可突破人直接进入大深度水下环境的唯一手段。

1.2.4 是较浅深度、固定作业点和长时间作业的重要方法。

2 典型某饱和潜水的主要参数和特点

2.1 主要结构形式

本饱和潜水系统为集成化可移动式，安装于面积合适的工程船舶甲板面，可和ROV、挖沟机、铺管设备等同步作业，主要用于300米以浅饱和潜水作业，也可用于混合气、空气邦司潜水作业和320米以浅的水下常压观察。整套系统组成如下：潜水钟（SDC）1套；4人双舱式加压舱（DDC）1套；4人双舱式加压舱（DDC）1套；设备室集装箱1套；（5）控制室集装箱1套；吊放装置1套；10人高压逃生舱1套；潜水钟导向压载1套；甲板供气系统1套；配置的主要系统：舱加、减压系统；环境控制系统；气体分析系统；供氧系统；舱呼吸系统；卫生系统；海水加热系统；液压系统；潜水钟加、减压系统；潜水钟呼吸供气系统；潜水钟应急供气系统；电视监控、通讯及声光信号报警系统；供配电系统；配气、储气、系统另行配置[4][5]。

2.2 主要性能指标

甲板居住舱：主舱为4人双舱式居住舱，辅舱定员4人（带潜水钟对接通道）；4人双舱式居住舱，定员4人；潜水钟：定员3人；高压逃生舱定员10人；饱和潜水作业最大深度300m；常压观察潜水最大深度320m；加压舱最大压力下持续时间≮30昼夜；潜水钟应急状态下的自持力≮6小时；系统可根据任务规模任意组合，既可单独使用主舱，亦可与辅舱合并使用，系统最大作业人数可达10人。可实现海况≤道格拉斯3级，有效波高≤2.0米，水温-2℃～+32℃，海流≤0.5m/s（1节）左右下作业；满足IMCA及IMO（国际海事组织）的相关要求。

2.3 系统布置

整套系统分为主舱（4人双舱式居住舱）、辅舱（4人双舱式居住舱）、设备室集装箱、控制室集装箱、吊放装置和10人高压逃生舱等结构与甲板供气系统连接成一个整体，全部安装于工程船甲板面（不包括储气系统）。潜水钟通过舷侧吊放入海。两套居住舱垂直船中轴线并行排列；设备室和高压逃生舱紧靠主舱；吊放装置布置在主舱顶部；控制室集装箱布置在辅舱顶部；设备室集装箱顶部兼作潜水钟脐带存放箱。潜水钟底部可主舱之过渡舱顶部对接。逃生舱和辅舱分别于两侧与主舱之过渡舱对接。详细布置图见图2、图3。

2.4 本套饱和系统的主要关键技术

图3 总体布置侧视图

2.4.1 形成了全套饱和潜水系统设备操作使用及维护保养技术：饱和潜水系统是由复杂的电、仪、压力管路及压力容器等组成的一个有机整体。系统能否始终保持正常运转，直接关系到饱和潜水居住舱内或潜水钟内潜水员的生命安全。因此，不但对各种设备的性能有很高的要求，而且对其操作及维护保养技术的要求更高，可以说是牵一发而动全局。

2.4.2 饱和潜水作业技术形成了企业操作规范和管理手册：饱和潜水设备、技术是海工新的发展领域。如饱和潜水作业前的准备、对设备和潜水装具的要求、饱和程序、巡回潜水程序及最终减压程序等技术，编制成了饱和潜水作业技术标准。

2.4.3 形成一套饱和潜水作业应急处理技术：对诸如出潜潜水员遇险、潜水员或潜水钟通讯中断、潜水钟供气中断、潜水钟供电中断、潜水钟热水供给中断、潜水钟失压、潜水钟和甲板居住舱不能对接、潜水钟导索缠绕或断裂、潜水钟脐带断裂、潜水钟提升索断裂、潜水钟吊放系统故障、甲板居住舱失压、甲板居住舱火灾、甲板居住舱生命支持系统失常、动力定位船失位、加压过程中出现鼻窦及鼓膜受压疼痛、饱和居住舱内二氧化碳过多、饱和居住舱内氧气过多、巡潜过程中出现溺水或外伤、人员中途进舱、高压神经综合征或加压性关节痛、减压过程中出现异常医学问题、饱和减压无法进行及减压病等应急情况，形成了一整套的完整的应急处理办法。

2.4.4 逐步探索饱和潜水作业医学保障技术：该技术从潜水员的基本条件要求、日常保障和训练、物质准备和要求、潜水时的医学保障要求、出舱后的医学监护及异常情况处理等给予了严格的要求和界定，需要长时间的观察和验证，目前还处在探索阶段。

2.4.5 海洋石油工程专业水下安装作业技术：在饱和潜水技术应用研究方面，根据目前海洋石油水下安装工程的具体特点，编制了符合工程实际应用的单点系泊系统安装、水下法兰对接、深水软管更换、深水电缆铺设等一整套饱和潜水水下作业程序和技术。

3 饱和潜水技术在海洋工程中的应用

3.1 应用于安装立管卡子安装与护管安装

目前，饱和潜水普遍应用于平台上的立管和护管安装，主要通过饱和潜水、母船和平台卷扬机协调作业完成，主要流程如下：潜水员从饱和潜水出来后，先清理桩腿上的海生物，后饱和潜水母船通过船舶履带吊放下立管卡子，潜水员将立管卡子的大管卡和桩腿合拢，调整卡子方位，将卡子固定住并卡紧，放下立管入水，饱和潜水将立管拖拉到立管卡子内，引导平台卷扬机提拉下面立管和上面立管法兰对接，对接完成后，穿入螺栓，按照垫圈，紧固法兰，完成安装，同样的情况可安装护管。

3.2 应用于海管膨胀弯对接安装

饱和潜水技术已普遍应用于海管膨胀弯对接安装，中海油平湖二期八角亭工程项目等多个项目得到了应用。主要流程如下：通过饱和潜水中的潜水员引导母船履带吊机拖拉膨胀弯与立管法兰对接，法兰对接到位后，穿入螺栓，按照垫圈，对法兰进行紧固，后潜水员协助进行清管试压工作。从而实现了对接安装。

3.3 应用于FPSO海上安装

主要指安装FPSO单点系泊系统、FPSO单点系泊系统弃置及海底管线穿越FPSO锚系作业等。主要流程如下：在连接柔性立管过程中，潜水钟中的潜水员主要拖拉柔性立管顿头与基盘管汇法兰对接，法兰到位后，穿入螺栓，安装垫圈，对法兰进行液压紧固，从而实现管汇对接。

3.4 应用于海底管线、电缆铺设

在海底管线和电缆铺设中，饱和潜水能通过潜水员实现电缆和管线锚固、合拢、辅助焊接，主要工艺流程如下：潜水员引导母船履带吊机将电缆或管线拖拉到海底基盘导向槽内部，合拢槽上的卡子，将电缆或管线锚定并固定，潜水员将平台电缆或管线护管内的牵引绳连接到电缆或管线端头上，平台上人员通过牵引绳抽拉将电缆或管线拖拉上平台，然后饱和潜水潜水员将电缆或管线在护管处锚固定。

3.5 应用于海管除蜡

在海管铺设过程中，普遍采用打蜡来进行密封，这就经常导致海管被蜡块堵塞而使得输油不通畅，通常解决方法就是由饱和潜水潜水员从海管上的直管段法兰处向海管内注入除蜡剂。期间主要工作流程如下：潜水员拆除海管上的直管段，在海管端部安装特制盲法兰，将母船上放下的软管连接到特制盲法兰上，由母船甲板上通过软管向海管内注入除蜡剂，除蜡结束后，潜水员恢复安装直管段。

图4 总体布置平面图

3.6 应用于海管悬跨段治理

由于海洋地质环境的复杂性，在海底，经常出现高低不平的地质情况，从而海管穿过这种环境时就造成了悬跨，可由潜水员先清理海管周围的海生物，对于沙丘顶部管道着泥段处的泥沙，可持高压水枪冲刷或用铁锹等工具清除，这样就使得悬跨段慢慢沉降，达到缩短和消除悬跨的目的。如果海管搭在坚硬的岩石坡顶造成悬跨，可由潜水员在岩石周围悬跨段上填充沙袋或者泥沙，消除悬跨状况，避免出现岩石和海管直接接触后变形。

3.7 其他应用

具有巡回潜水功能的饱和潜水系统提供了深水海洋工程支持，可为深水导管架安装、挖沟作业、导管架和单点水下检测评估、深水水下井口和管汇安装等工程提供协助支持，另外还可为未来深水废弃平台拆除提供服务。

3.8 具体工程项目应用

从世界各大油田的潜水作业情况来看：欧洲北海、墨西哥湾以及远东等近海油气潜水服务公司均装备有饱和潜水系统，其饱和潜水作业能力从100米至300米以上不等。国内工程中，南海东部、西部及东海海域的导管架安装、海管铺设及水下检测维修工程项目等大多数工程都借助饱和技术作业，主要项目有八角亭海管法兰对接项目、西江23-1项目、文昌二期海上安装项目、西江和文昌单点海上安装项目、乐东22-1/15-1项目、惠州25-3/1项目及番禺30-1项目。