自升式钻井平台导航系统设计

2012-06-20张筠如黄赟

船舶标准化工程师 2012年1期

张筠如，黄赟

（上海中集海洋工程研发中心，上海 201206）

0 引言

熟悉海事局航行通告的人一定知道，在沿海港口航道图或者海图上通知标注设置平台的重要参数，除了平台的位置坐标、安全区范围以外，必须还有灯光声号的信息。

自升式石油钻井平台具有良好的移动性和稳定性，可以由拖船拖带迁航至指定作业水域。当其插桩完毕且其主体沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业时，它就具备了海上固定平台的特性，必须按照相应的规范设计并安装一套可以为过往船只、飞机提供声光信息的导航系统。

1 自升式石油钻井平台导航系统简介

1.1 组成

海上自升式石油钻井平台的导航系统一般包括障碍灯、导航灯（也可称为助航灯）、雾笛、控制盘、电池组和光控开关组成。

1.2 作用

海上石油钻井平台是建造在大海之中的钢结构物体。设置导航系统的目的是用可视和音响信号系统保证平台的安全，避免来往航行及作业船舶的碰撞，防止直升飞机降落时的碰撞。

1.3 设计内容

导航系统设计的主要工作是根据规范的要求，对海上平台的导航系统进行系统设计，对导航灯和雾笛安装位置的设计和设备选型设计。

1.4 设计规范

平台的建造规格书会约定平台的船级、规范、规则和证书。对于导航系统的设计，主要依据的规范有：相关船级社规范、国际海事组织可移动海上钻井船建造和装备法规（IMO Code for Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units）；英国民用航空手册CAP437。延伸可参考的规范有国际航标协会关于海上构筑物上设置标志的建议（IALA Aids to Navigation Manual - IALA NAVGUIDE）及其推荐案O-139（The Marking of Man-Made Offshore Structures）、国际民航组织规范（ICAO Convention, Annex 14）等。在我国管辖海域内建设、使用的平台，还应满足海上固定（移动）平台入级与建造规范和海上固定平台安全规则的要求。

2 设计要求

2.1 障碍灯

障碍灯一般安装在海上平台建筑物、火炬塔和起重设备的顶部，防止直升飞机在下降的过程中碰撞平台上的上述物体。

海上固定平台安全规则中关于助航标志与信号的要求：

1）平台水平和垂直的端点应装设红色障碍灯，其设置应符合航空条件的要求；

2）障碍灯的结构应采用防水型灯具，其灯头应具有防止灯泡自行松脱的结构。

IMO MODU CODE第13章中关于直升机设施的要求：

1）在合适的位置安装最小视光强度为10cd的全方向红色警告灯，为直升机驾驶员提供视觉信息，提醒对直升机产生威胁、接近和高于直升机着陆区域以及邻近限制障碍扇形边界的物体。此类照明必须符合：（1）高于直升机着陆区域15m的物体，必须每隔10m安装一个相同亮度的红色灯直至直升机甲板（如灯具被其他物体遮挡除外）。（2）火炬塔之类的结构体可以选择用投光灯替代红灯。此类灯具应可以照亮整个结构体，且不影响飞行员夜视。（3）自升式平台上最靠近直升机甲板的桩腿可选择投光灯替代红灯。此类灯具应不影响飞行员夜视。（4）可选择利用ICAO推荐的技术来突显出临近直升机甲板的障碍物。

2）平台的最高点必须安装一盏视光强度为25cd～200cd的全方向红色警告灯。对于自升式平台，应安装在每条桩腿的最高点，若此举不具有可行性（比如火炬塔），则此灯具可安装在最靠近最高点的地方。

CAP437第四章中对于障碍灯的要求与IMO MODU CODE描述的基本一致，对灯的亮度、可视角度等方面描述得更加规范。并且明确了供电要求为其电源由应急照明配电板提供，任何电源故障必须立即通知直升机驾驶员，交流电源中断以后，由UPS继续供电。

2.2 导航灯

导航灯是一种发光装置，由监控盘控制发出间断的白光。在夜间，对船只起到警示作用。海上固定平台安全规则要求如下：

1）平台上应安装一盏或多盏在夜间显白色的导航灯（同步发光）。灯的结构和安装位置应保证航行从任何方向驶近平台的船舶至少看见一个灯光。

2）导航灯的最小视光强度为1,400cd，射出光束的垂直分布应保证自平台近旁至灯光的最大射程都能看见。

3）导航灯的闪光特性为莫尔斯信号“U”（••—），最大周期15s，其莫尔斯信号“U”应符合表1要求。

表1 导航灯的莫尔斯信号

4）导航灯应安装在平台的四周，设置高度应在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m。

5）应有闪光灯泡的自动更换装置及故障报警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第三章视觉助航标志中对助航灯具的可视距离、光力射程、额定光力射程、色度测量、闪光特性等等做了更加详细的阐述。平台规格书中一般对导航灯的要求以“10海里”代替光强值，通过查询额定光力射程换算表可知，在黑夜假定大气投射率T=0.74，临界照度为0.2microlux的情况下，10海里的光力射程对应的正是1400cd。

2.3 雾笛

雾笛是一种发声装置，由监控盘控制，发出间断的声响。有雾的天气条件下，导航灯不起作用时，对船只起警示作用。海上固定平台安全规则要求：

1）平台上应设置主雾笛和备用雾笛，其结构及所在位置应使从任何方向驶近平台的船舶都可以听见。当主雾笛完全失效或部分失效致使任何方向的一般听程小于0.5海里时，备用雾笛应能立即投入工作。主雾笛应采用自动雾笛（或遥控起动），而备用雾笛则可采用自动雾笛或手动雾笛。

2）主雾笛在任何方向的一般听程，至少应有2海里。备用雾笛在任何方向的一般听程，至少应有0.5海里。

3）主雾笛及备用雾笛的音响节奏特征为莫尔斯信号“U”（••—），最大周期为30s，其莫尔斯信号“U”应符合表2要求。

表2 主雾笛及备用雾笛的莫尔斯信号

4）音响信号安装高度应在平均大潮高潮面以上，不低于6m，不高于30m处。

5）所有雾笛的控制设备，均应满足手动停止鸣放雾号和手控鸣号以及故障报警的要求。

IALA NAVGUIDE在其第四章阐述了声响信号需考虑的因素、声响信号的范围等。并且提到了在一些国家已经废除了使用声响信号，比如芬兰、冰岛、澳大利亚和挪威。

3 系统设计

3.1 配置

根据规范和有关标准的要求，一般对自升式石油钻井平台上的导航系统设置如下：

1）起重机上安装两个障碍灯，一个安装在起重机吊臂的顶端，另一个安装在起重机底座的顶部。

2）火炬塔的顶部安装一盏障碍灯。若火炬塔长年燃烧，则这盏灯可以不设置。

3）生活楼的顶部安装一盏障碍灯。若生活楼的顶部低于起重机底座，则这盏灯可以不设置。

4）井架顶部安装一盏障碍灯，二层台方形的四个顶点各安装一盏障碍灯。

5）桩腿的顶部设置太阳能障碍灯一盏。自带太阳能充电器和蓄电池。由于自升式平台的桩腿拖航和工作时会根据需要升降，敷设电缆较困难，多采用太阳能方式供电。

6）导航灯四盏，发光强度1,400cd。根据平台形状设计，保证航行从任何方向驶近平台的船舶至少看见一个灯光。

7）主雾笛一套，2海里听程，带遥控开关。

8）机械备用雾笛一套，0.5海里听程。

9）控制盘一个，对导航灯（也可称为助航灯）和雾笛的工作进行监测。并可按莫尔斯信号使各灯同步。

10）充电器一套。

11）太阳开关一个，控制导航灯在白天关断，夜晚接通。

12）蓄电池组一套。

13）雾探测器一套（可选）。

其典型电气单线图如图1所示。

3.2 防爆

安装在危险区内的导航灯、声号、电池等以及控制装置必须是防爆型的，并符合所在处所防爆等级的要求。

DNV钻井平台建造规范中要求导航系统在弃平台后仍要继续工作（IMO MODE CODE、CCS、ABS规范中则对此没有明确要求）。依此要求设计的平台在应急系统切断系统时，最高等级的弃平台操作（APS0）中将不切断导航系统的UPS电源，所以安装在开敞区的设备（如导航灯、雾笛等）应为适宜2类危险区使用的防爆电气设备。

图1 自升式钻井平台导航系统电气单线图

3.3 电源

导航系统的交流电源由应急照明配电盘提供。在正常情况下，主电网通过各种变压器和联络开关向导航系统的导航灯、障碍灯和雾笛提供电源。主电源发生故障时，通过联络开关的作用，电源能自动地投切到应急电源。如果平台的交流电源（包括应急电源）中断，导航系统的导航灯、雾笛和障碍灯等标识平台的信号灯由导航系统配置的蓄电池提供电源。蓄电池的后备时间根据各船级社及上述各种规范规定，须满足对为标示平台的任何信号灯和声响信号供电4天（96h）的要求。

在某些工程中，考虑到导航系统的蓄电池组距离起重机或者井架的障碍灯比较远，它们的障碍灯可以使用其自身电源和自带蓄电池组供电，其技术要求和持续供电的时间必须满足规范的要求。