浅水作业—DP船舶性能分析

李刚 上海中船海员管理有限公司

1.背景及目的

DP(动态定位)是人类开发海洋的过程中，科技进步的产物。最初，是由浅水走向深水，随着时代的发展，现在又有了一种由深水迈向浅水的趋势。本文以HYSY201为例，阐述浅水作业DP船面临的一些问题，以及注意事项。HYSY201经历的最浅作业水深是30米，世界上的一些海湾，油气资源丰富，但这些作业区域平台较多，海底电缆、管线密布，需要对浅水区域船舶的DP能力进行评估，对潜在风险进行识别，对船舶安全、DP作业安全进行论述。

2.浅水区域—DP船舶的影响

2.1 富余水深

任何时候，船舶必须保证最小的富余水深，各个港口，航道及某些规范，对于富余水深的要求各不相同，从通常航海经验来说，至少要保证0.5m的富余水深。影响富余水深的因素主要有船舶吃水、潮汐、咸淡水差、船舶横纵倾、船体下沉量。

2.2 海洋环境影响因素

2.2.1 潮流的影响

浅水区域，潮流的显著特性就是流速快、平潮时间短暂、流向较复杂。当潮流较强时，船底处受到的压力相对船体周围小，受水流挤压，船体下沉，船舶吃水增加，在DP系统中，用于计算用的船体质量增加，船舶推进器的输出功率相应增加，船舶的冗余性下降。船舶移动，会产生船行波，当潮流较强时，伴随船体产生的那部分拖曳水的质量会增加，这部分质量会被附加到船体质量当中，必须要得到足够重视，对于DP的影响和船体下沉类似。潮流较强时，DP船舶为了保持定位能力，需要提供更多的推力来克服流的力量，船舶的震动加强，冗余度下降。在某些区域，流向的变化非常快，平潮的时间甚至只有几分钟，DP系统往往来不及对流的变化做出快速的反应，换句话说，没有足够的时间来刷新数学模型，这导致船舶的定位能力急剧下降，甚至有丢失位置的可能。

2.2.2 风及涌浪的影响

HYSY201船作业期间，可承受最大风速为16m/s,最大有益波高2.5m,波浪周期6—9s。浅水区域，因距离大陆较近，因地形阻挡，海陆不同摩擦系数影响，风速较深水区域会有所下降，涌浪到沿岸附近，能量降低，受海岸地形影响，大多为小的碎浪。从这两点分析，对于船舶的DP能力是有好处的。但是，从另一方面讲，却增加了船舶承担的风险，即必须考虑船舶横纵倾的变化，对船舶富余水深的影响。以HYSY201船为例，当船舶纵倾0.5°时，船舶吃水增加0.89m，当船舶纵倾1°时，船舶吃水增加1.78m，横倾1°时，船舶吃水增加0.34m,从以上数据可以看出，在船舶纵倾0.5°时，船舶吃水的增加量就该引起高度的重视。

2.2.3 流体影响

某些国家/某些区域浅海大陆架比较复杂，地形起伏不平，如果正好冷流、暖流在此交汇，海水中存在着上升流和下降流，例如墨西哥湾，中国的成山角附近海域，会导致该海域水下流体比较复杂。如果船舶在这样的浅水区域进行DP作业，同时作业水域较浅的话，例如20m,还需要考虑推进器排出流打到海底，反射而回的震荡流对推进器、对船舶的反作用，这部分震荡流，会使船舶推进器附近的流场更加复杂，在某种程度上，可能会降低船舶的DP定位能力。

2.3 地理环境影响因素

2.3.1 区域影响

图1 HAPAP系统精度影响因素

图2 4500吨起重船舶偏移量

不同区域，对于DP船舶的影响不同，我们重点关注的是热带环境的影响。船舶发电机的正常运转，需要海水冷却和淡水冷却，热带海域施工时，海水表层温度较高，导致海水冷却效果降低，发电机会发生高温报警。对于HYSY201船来说，我们装备了K-CHIEF系统，可以实时监测各种参数，及时应对，但如果启停发电机过于频繁的话，本身就是一种风险。因为每次启动发电机，在发电机上线之前，都是需要对配电板上的负荷分配进行分析，调整拟上线的发电机功率达到所需要的额定值，如果在发电机上线的过程中，出现意外，将可能导致船舶因负荷分配不均，直接失位。热带海域，海生物繁殖迅速，如果船舶长期处于DP施工状态，船舶移动速度较低，在船体周围海生物会大量累积，这会增加船舶阻力，需要推进器提供较多推力克服，同时，海生物在海底阀箱附近附着，降低了冷热海水的交换率，从而进一步降低了对于发电机的冷却能力。

2.3.2 地形影响

浅水区域，海底可能存在结构物、管线、电缆、杂物等等，这对于推进器本身就是一种风险。以20m水深为例，船舶在起重状态下，最大吃水为10.5m,全旋转推进器探出船底大概4.2m,得到的富余水深为5.3m,推进器排出流打到海底，海底的杂物飞溅，极有可能会损坏推进器，导致推进器突然停车，DP失位。同时，因为水深较浅，海底被吹起的泥沙，可能通过海水阀箱进入船舶，堵塞主机的滤器，就需要船上经常检查滤网，及时更换。

2.4 船舶参照系统影响因素

2.4.1 HIPAP位置参照系统

HIPAP（高精度水声定位）系统定位精度的影响因素有功率损耗、噪音、反射、传输路径的偏移等，其中占主导因素的是噪音和反射。浅水区域，噪音主要来自于船舶本身、临近的结构物和船舶、ROV、其他的HIPA P使用者。船体震动，推进器排出流打到海底反射而回产生的震荡流，推进器排出流产生的气泡，都会产生噪音，浅水区域HIPAP信标和HIPAP探头都会受到以上噪音源的影响，而导致整体的定位能力的降低。当距离海底较近时，海底产生的各种噪音也不容忽视。同时，发射器发出的声波信号，打到海底的信标上，因为彼此作用距离较短，海底崎岖不平，反射到发射器的声音信号会产生绕射，多路径传输等效果，最终的定位精度会严重下降。因为水深较浅，从发射器到信标的距离较短，导致用来定位时，船舶的可移动距离会较短（图1）。

2.4.2 TAUTWIRE位置参照系统

这是一种相对位置参照系统，工作原理就是通过TAUT WIRE吊机端部的角电位计测量角度，在得知已放出钢丝长度的前提下，得到船舶相对重块的距离、方位。一般来说，TAU T W IRE系统的角度限制可以达到35°，浅水区域施工时，富余水深可能只有几米，这导致了船舶的最大移动距离可能也只有几米。而且，在近平台区域作业时，还要考虑海底情况对TAUTWIRE工作的限制，比如海底地形，海底结构物，管线，电缆等，在存在海底设施的区域内，TAUTWIRE是不能使用的，以避免TAUTWIRE重块砸坏海底设备。

2.4.3 DGPS位置参照系统

这是已知所有参照系统当中定位精度最高的，可以达到0.1m，而且系统的可靠性较高，受到制约的因素较小。影响DGPS精度的主要因素有高大建筑物的遮挡、磁暴、太阳黑子。通常情况下，在临近平台区域作业时，要考虑平台对DPGS信号可能产生的遮蔽作用。在赤道附近作业时，要考虑太阳黑子可能对DGPS信号的影响。其它情况下，该系统是值得依靠的。

2.4.4 RADIUS位置参考系统

这是一种微波测距、测方位的参考系统。一般将反射器放置在固定物上，例如平台或者抛锚的船舶。它的限制元素主要来自于天气、外界环境对于微波的影响。例如天气恶劣时，微波的传输路径会发生变化，反射器周围物体较光滑，可能会使微波散射，多路径传输等。而且，该参照系统对于发射器和反射器距离的要求较高，要想得到较高的定位精度，两者距离应该控制在200m以内。当发射器和反射器相对方位不变时，使用该系统会得到较好的效果，但是当相对方位改变时，就需要不断调整发射器对应于反射器的角度，从实际操作来讲，不是特别方便。

2.4.5 各参照系统的搭配使用

H YS Y201配备的参照系统为HIPAP、TAUTWIRE、DGPS、RADIUS，如上所述，浅水区域，每个参照系统都有限制因素，但是如果能将各参照系统合理搭配使用，还是能够提供精确的定位能力。不同参照系统互为补充，互相冗余，提高了船舶定位能力的可靠性。

3.浅水区域—DP船舶作业

DP船舶的作业，主要类型有铺管、铺缆、起重、挖沟、放置水泥压块、浅水支持、钻井船、FPSO单点系泊、海洋结构物安装，本文主要阐述浅水区域的铺管、起重的特性及施工注意事项。

3.1 DP铺管

浅水区域，DP铺管作业的影响因素主要体现在：管线铺设张力一般较小,管底张力相对较大；托管架下放角度一般较小；船尾到着泥点的距离相对较近；管线受涌浪影响较大，随着管线在托管架上的起伏，会直接影响着泥点处的管线受力情况；浅水区域，一般不会使用ROV监测管线，水下能见度差，给潜水员的水下作业带来困难；船舶沿路由铺设时，横向可偏移距离较小，以刚刚完成的涠洲项目为例，水深30m,船舶横向最大偏离距离为5 m；浅水区域，管线在滚轮上、托管架上、OVERBEND、SAGBEND处可承受的最大张力相对较小；经常会遭遇交叉点，管线在坐实交叉点前，需要对铺设张力及走船距离做出微调；浅水区域，有时候，不需要抛起始锚，而是直接将钢丝固定在桩腿上，类似于铺缆的方式，此时，船舶距离平台较近，增加了船舶与平台所承担的风险；很多时候是近平台区域作为起始端和终止端，要严格控制移船速度，正确设置加速度、减速度，一般不宜过大；浅水区域，对于张紧器的要求更高，最重要的是保持初始移船和停船阶段张力的稳定性；浅水区域，对于向后移船要非常非常慎重，必须在施工总监的许可及指导下，才可进行此项操作；浅水区域，DP铺管所承担的风险成几何倍数增加，主要体现在当船舶出现意外情况时，船舶向后移船，极易折断海管，而在深水铺管时，向后移船，管子所受到的影响相对较小。

3.2 DP起重

浅水区域，DP起重作业，主要关注的还是富余水深的问题，以HYSY201船为例，3500T尾吊，船舶最大吃水可以达到10.6m，如果加上推进器探出船底的4.2m,一共是14.8m，因为大型起重作业，一般会选取比较好的天气窗口，所以此处不考虑横纵倾对船舶吃水的增加量，为了船舶的安全，个人意见，应保证船舶具有充足的富余水深，这就需要公司在进行商务洽谈的时候，要提前了解船舶详细资料，横向纵向考虑，选取合适的施工作业船舶。

浅水区域，船体本身的震动要比在深水中剧烈一些，加上流速较强，流向易变，吊机钩头的位置，下放高度，都会影响DP船舶的定位精度，涠洲项目期间，我们曾经做过简单的测试，以4000T钩头为例，下放高度50m左右时，船舶位置偏差较大，下放高度10m左右时，船舶位置偏差较小。同时，我们模拟了丢失某个推进器对船舶的影响，发现当主推中的某个推进器失去时，船舶位置偏差较大。

无论深水，DP起重作业，常规的都是放置导管架或者生活组块，对于这种大型结构物的吊装，我们需要关注的是起吊阶段和最终解扣阶段，因为吊机扒杆重量的突然变化，会导致船舶重心发生变化，使船舶沿水平方向受到外力作用，位置发生偏移，同时，随着扒杆上重量的变化，船舶的位置也会发生相应移动,从图2很容易看出此种关系。

4.结论

DP船舶是海洋工程领域作业船舶未来发展的主体趋势，我们对于DP船舶在浅水区域施工的特殊性，局限性，也在不断地加深理解，通过对于一些潜在风险的分析，评估，得到恰当的解决措施，同时，也提供了一些理论上和技术上的依据，作为未来对于浅水工程的一种支持。