饱和潜水自航式高压逃生艇设计

吕文亚，陈新权，杨 启,3，韩 杰，赵建国

（1. 上海交通大学a.海洋工程国家重点实验室；b. 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240；3. 上海交大海洋水下工程科学研究院有限公司，上海 200231；4. 青岛北海船舶重工有限责任公司，山东 青岛 266520）

0 引 言

饱和潜水技术是通过外部加压的方式使潜水员体内的组织和体液中的某种气体成分达到饱和状态，从而在不增加减压时间的情况下延长潜水员在水下特定深度停留的时间。理论上看，在采用饱和潜水方式时，潜水员在饱和深度下不受作业时间的限制。饱和潜水技术最早由美国生理学家Bond提出，我国的研究始于1975年[1]。饱和潜水主要可分为空气饱和潜水、氮氧饱和潜水、氦氧饱和潜水和氢氧饱和潜水等4种，其中：氦氧饱和潜水应用最广泛；氢氧饱和潜水仍处在试验阶段。

由于饱和潜水人员在作业时会处于高压环境中，其减压过程会耗费较长的时间，因此饱和潜水人员的撤离方式十分特殊。在撤离时，需在撤离载具中建立一个与饱和深度相对应的高压环境。目前采用的撤离方式主要有4种，即：利用直升机吊运高压医疗舱进行撤离；利用潜水钟转移潜水员；采用专用高压逃生舱进行撤离；利用具有自航能力的高压逃生艇（Self-Propelled Hyperbaric Lifeboat, SPHL）进行撤离[2]。自航式高压逃生艇因具有功能完善、内部容积大和艇体防火等特点，且具有自扶正特征和自航能力，越来越受海事承包商的青睐，逐渐成为饱和潜水标配的高压撤离设备。

国外对高压逃生艇的使用较早，有记载的第一艘高压逃生艇是 1977年在北海钻采平台“菲利普斯号（Phillips）”上投入使用的逃生艇[3]。然而，国内外有关高压逃生艇研究的公开资料十分少，MORGAN[2]和陈智等[4-5]对高压逃生艇的设计进行了部分研究。目前，国外有 Royal IHC（Netherlands）、Oceanwide（Netherlands）、Vanguard（Singapore）和 JFD（Singapore）等4家企业生产高压逃生艇。这些企业生产的产品技术参数相近，对应的最大工作深度在 300～500m，具备单次完整转移整支潜水队伍（12人、18人和24人）的能力，最大航速大于6kn，自持力超过72h。图1为Royal IHC的高压逃生艇。本文研究的300m级自航式饱和潜水高压逃生艇是国内第一艘自主设计建造的高压逃生艇。

图1 Royal IHC的高压逃生艇

1 艇体设计

饱和潜水自航式高压逃生艇指的是艇体内安装有饱和潜水高压撤离单元、由高压单元外的船员操控的自航式逃生艇[6]。高压逃生艇一般采用全封闭式艇体设计，艇中部设置有高压撤离舱，用来转移潜水人员。

1.1 主尺度

本文的研究对象是一艘300m级自航式饱和潜水高压逃生艇，具有一次性转移整组12人潜水团队的能力，最大航速6kn，自持力72h。在设计时高压逃生艇参考青岛北海船厂已有的全封闭式艇体的设计和国外相似逃生艇的参数，最终确定的高压逃生艇主尺度见表1，艇体模型见图2。

表1 高压逃生艇主尺度

图2 高压逃生艇艇体模型

1.2 动力和推进配置

为实现6kn航速，高压逃生艇设置有1台柴油发动机和1台小尺寸导管螺旋桨。

高压逃生艇发动机的最大持续功率为 35.3kW，设置在驾驶室下方的一个水密箱体中。发动机上设置有外置飞轮，可采用电启动与手动、弹簧和液压等方式相结合的多种启动方式，其中电启动配备2套独立的电池组。发动机排气管道上设置有止逆阀，防止舷外水进入发动机。LSA规则（International Code for Life-Saving Appliances）要求发动机能在不使用艇外空气的情况下维持至少10min的正常运转。对此，在高压逃生艇内设置发动机临时供氧用气瓶。

高压逃生艇采用1台小尺寸导管螺旋桨作为推进器。导管桨设置在外龙骨后部。采用导管既可提高螺旋桨的推进效率，又能为螺旋桨提供一定的保护，防止水中的杂物损坏螺旋桨，同时还能防止螺旋桨损坏海底电缆等重要物资。导管桨可转动一定的角度，因此艇上不再单

独设置舵设备。图3为发动机和螺旋桨布置图。

图3 发动机和螺旋桨布置图

1.3 高压撤离舱

高压逃生艇内部安装有1台300m级饱和潜水高压撤离舱。作为高压逃生艇最重要的部件，高压舱采用的是上海打捞局芜湖潜水装备厂生产的12人高压撤离舱和附属的环境控制设备。

高压撤离舱采用侧接设计，即转移通道设置在艇体侧面，潜水人员撤离时通过艇体侧面进入高压逃生艇。侧接设计导致无法在撤离舱内部两侧布置相同数量的座位，最终采用的是5+7布置方案。此外，侧接设计还造成高压撤离舱的重心偏向通道一侧，在设计艇

体时，需合理布置环控系统设备，以平衡撤离舱重心的偏移。但是，相比底接设计，侧接设计可保证艇底外龙骨连续，从艏部一直延伸到螺旋桨前端，有利于增强艇体的结构强度；同时，侧接设计更有利于潜水人员的转移，更方便高压逃生艇在潜水母船上的平面布置。

撤离舱的递物窗口布置在对接通道一侧，采用双阀门设计，具有缓冲小舱，主要用于从压力舱外部给潜水员传递清洁饮用水、食物、医药及其他必需品，也用于从舱内向舱外传递生活垃圾。DNV-GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd）的 DNVGL-OS-E402规范[6]和 MCA（International Maritime Contractors Association）的MGN 83(M)规范（Marine Guidance Note 83(M)）要求高压逃生艇上的船员时刻监控高压舱内部的情况[7]。对此，在高压逃生艇的高压舱后部通道门处安装监控设备。考虑到高压舱质量较大，在高压逃生艇艇底上设置加固的高压舱底座，同时采用2根钢吊带将高压舱整体吊装在艇体上壳中部的吊艇结构上。当高压逃生艇浮在水面上时，高压舱整体结构的重量主要由底座承担；在吊放和回收高压逃生艇时，高压舱的重量直接由吊艇钢丝绳承担。表2为高压撤离舱设计参数。

表2 高压撤离舱设计参数

1.4 环控系统

高压撤离舱的环境控制设备和饱和潜水高压逃生艇的生活舱环境控制设备是基于同一原理设计的，可用来模拟相当于300m水深的高压环境。饱和潜水高压逃生艇的舱室环境控制设备主要调节舱内的压力、气体成分和温湿度等3类环境参数[8]。高压逃生艇舱室环境控制设备的构件主要包括监测舱内环境的传感器和调节舱内环境的设备。环境调节设备主要有：用于吸收CO2的钠石灰吸收罐和硅胶吸收罐；用于驱动换气的鼓风机；用于冷凝水蒸气的预冷器和冷凝器；用于吸收舱内空气中杂质的活性炭吸收罐；用于加热空气的加热器等。环控系统采用锂电池组供电，可维持至少72h的高压环境。

环境控制设备可在撤离舱内营造稳定的高压环境，理论上可在潜水人员撤离时直接进行潜水人员的减压工作，但考虑到高压撤离舱内的空间狭小，潜水人员无法得到充足的休息，且其心理状态可能不稳定，一般不建议直接利用高压逃生艇进行减压工作[9]。

1.5 收放装置

传统的重力倒臂式收放装置在工作时（特别是在降放负荷较大的逃生艇时）冲击过大。高压逃生艇采用重力降放、电动绞车提升和液压缸倒出与收回相结合的方式实现降放和回收。高压逃生艇吊艇系统的设计十分重要。国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）的A.692(17)决议[10]要求高压逃生艇具备单点起吊能力，同时要求起吊装置可由艇外人员在水中连接。DNV-RP-E403规范[11]要求在艇体外壳设置备用吊点。MGN 83(M)规范[7]要求释放撤离单元的吊艇索能在撤离单元浮于水面之后快速脱离撤离单元。高压逃生艇上有2套独立的吊艇钩：一套是常规救生艇上常配置的分别位于艏艉的吊艇钩结构，与艇底结构相连；一套是位于艇体上壳中部的吊艇钩，通过钢吊带与高压舱相连，该吊艇钩可实现单点起吊。图4为艇体上吊艇钩布置示意。

图4 艇体上吊艇钩布置示意

1.6 防火与灭火

逃生艇在实际使用过程中经常面临穿越火海的情况，因此必须具有良好的耐火性能。中国船级社（China Classification Society, CCS）的L-06规范[12]要求救生艇的艇体和刚性顶盖及艇机罩壳均采用阻燃材料。LSA规则要求具有耐火能力的逃生艇至少能在油火包围中坚持 8min，且要安装喷水灭火系统。该逃生艇的壳体材料均采用优质的船用玻璃钢，并加入了一定的高强度碳纤维材料，可满足艇体防火要求。艇体外设有一套喷水系统，可从艇底吸入海水，从安装在下壳护舷下方和上壳两侧的4根喷水管中喷出海水。逃生艇的最高处安装有2个冲洗口。高压逃生艇内部有多处设置火灾探测器，用来监测全艇的安全状况。

2 性能分析

逃生艇对稳性的要求很高，包括完整稳性和浸水稳性。完整稳性指的是艇体水线以下未发生破损时的稳性；浸水稳性指的是艇体水线以下出现破损，且破漏通海，海水已进入艇内部时的稳性。在撤离时，逃生艇上人员的心理状态一般是不稳定的，此时艇体在波浪中运动导致的人员晕船反应会使艇内人员的处境更加艰难。

2.1 完整稳性

高压逃生艇额定承载人数为15人，包括12名潜水员和3名船员。图5为高压逃生艇在设计配载下的静稳性和动稳性曲线。

LSA规则要求当50%定额人员从一侧转移到另一侧时，逃生艇具有正的稳性高。高压逃生艇人员移动之后，艇体的横倾角为2.9°，此时的横稳性高为0.792m，满足要求。

高压逃生艇采用全封闭式艇体设计，其自扶正能力对于安全撤离而言是十分重要的。由静稳性和动稳性曲线可知，高压逃生艇无论处于何种横倾状态，都可自行回复到正浮状态。BAI等[13]提出一种用于计算自扶正时间的理论方法，并将采用该方法得到的结果与试验数据相对比，验证该方法的合理性和可行性。该方法忽略水的黏性对自扶正过程的影响，建立船体横摇方程为

图5 高压逃生艇在设计配载下的静稳性和动稳性曲线

式(1)中：I'xx为总惯性矩；φ为横倾角；M(φ)为回复力矩。在大倾角时，回复力臂可表示为

式(2)中：D为排水量；l(φ)为回复力臂。将式(2)代入式(1)可得到

式(3)和式(4)中：ld0为横摇角度φm对应的动稳性臂；ld为任意横倾角φ对应的动稳性臂。由式(3)和式(4)可得

因此，φm从180°回复到0°所用的时间为

根据动稳性臂数据，可计算得到高压逃生艇的自扶正时间为3.79s。

对于与高压逃生艇具有相似尺度、相似外形的非高压用途的全封闭式救生艇而言，其吃水和重心高度都远小于高压逃生艇。以一艘壳体尺寸和外形都与高压逃生艇相近的常规全封闭式逃生艇为研究对象，其吃水为0.673m，重心高度为1.27m，采用上述方法求得其自扶正时间为3.39s。

采用上述方法计算高压逃生艇和与其尺度、外形相近的常规全封闭式救生艇在不同重心高度下的自扶正时间，结果见表3。由表3可知：对于尺度和外形相近的全封闭式救生艇而言，吃水对艇体自扶正时间的影响非常小；相比之下，重心高度的影响十分显著，随着重心高度的增加，自扶正时间不断增长，且增长速率越来越快。

表3 高压逃生艇与常规救生艇自扶正时间对比

2.2 浸水稳性

对于浸水稳性，LSA规则要求逃生艇在艇体破损但浮力材料未掉落的情况下具有正的稳心高，且艇内浸水高度不得超过乘员座板沿椅背向上 500mm。采用增加重量法计算浸水高度。设艇外吃水为T，艇内进水高度为h，进水量为W，进水的重心高为Zg′。在计算若干假设进水高度对应的艇外吃水值的基础上，通过插值可得到逃生艇最终平衡状态下的进水量。将计算结果绘成曲线，艇外吃水T与艇内进水高度h的交点即为逃生艇最终进水之后的平衡状态，计算结果见表4和图6。

表4 浸水稳性计算数据

当高压逃生艇最终达到平衡状态之后，吃水为1.109m，艇内沿乘员椅背向上500mm高度为1.485m，平衡之后的进水高度小于LSA规则要求的数值。进水之后的稳心高为0.766m，也满足大于零的要求。

图6 进水后艇体内外水线与进水重心高度曲线

2.3 晕船分析

在撤离时，逃生艇艇体在波浪中运动会导致艇内人员产生晕船的反应，通常用晕船率（Motion Sickness Incidence, MSI）来评估人员发生晕船反应的概率水平。MSI指的是在经历2h船体运动之后，船上晕船人数占总人数的比例[14]。

MCCAULEY等[15]和熊虎等[16]提出一种预测MSI的公式，即

式(7)中：MSI为晕船率；φ为高斯分布概率密度的累积值。φ的表达式为

式(8)中：z为标准正态变量。

Na和Nt′为与船体在波浪中升沉运动的垂向加速度、频率和时间历程相关的物理量。Na和Nt′的估算公式为式(9)和式(10)中：a为垂直加速度的有义值，g；t为测试对象遭受的时间历程，min；f为船体升沉运动频率，Hz。

高压逃生艇设计最高航速为6kn，最高海况为四级。在高压逃生艇上选取4个人员位置，对不同海况、不同航速情况下的晕船率进行计算。选取的位置见表5。描述人员位置的坐标系的原点位于艉垂线基线处，x轴向船首为正；y轴向左舷为正；z轴向上为正。对在不同海况、6kn航速情况下选取的4个位置处的MSI进行分析，图7为二级海况下的MSI计算结果。通过对4个位置处的MSI进行比较，可发现位置1处的MSI总是最大的，位置4处的MSI最小，即驾驶室内船员呕吐概率总是最高的。对不同海况、不同航速情况下位置1处的MSI进行分析，可得在相同航速下，海况等级越高，波浪条件越恶劣，同一位置处的MSI越高。在逃生艇迎浪条件下，航速越高，MSI越高，顺浪条件下正好相反；在计算的海况范围内，当航速和海况确定时，MSI基本上会随着浪向角的增大而增大，MSI最大值大多出现在150°～180°浪向角范围内。关于遭遇频率对MSI的影响，DELA CRUZ等[14]认为在其他条件相同时，MSI在遭遇频率为1rad/s时最大；随着遭遇频率远离1rad/s，MSI会迅速下降。表6和表7为MSI部分计算结果。

表5 艇上人员位置

图7 6 kn航速、二级海况下不同位置处的MSI

表6 二级海况和四级海况下位置1处不同航速对应的MSI

表7 2kn航速和6kn航速下位置1处不同海况对应的MSI

一般的客船需将MSI控制在10%水平，而对于高压逃生艇，其艇体特征导致其在高海况下较难维持良好的舒适性；但是，在面对高海况时，通过降低航速，高压逃生艇可有效控制MSI。在四级海况下，若将高压逃生艇的航速降至2kn左右，其MSI就可控制在40%以下，其舒适性将得到较大程度的改善。

3 结 语

饱和潜水用自航式高压逃生艇是高压撤离方式的发展趋势，对促进饱和潜水系统的发展具有重要意义。在设计高压逃生艇过程中，参考了常规全封闭式救生艇的设计，既拥有常规救生艇的很多特征，又在某些方面与常规救生艇有所不同。由于高压撤离系统的加入，高压逃生艇艇体吃水和重心高度相比常规全封闭式救生艇有大幅度提高。高压逃生艇的完整稳性和浸水稳性满足规范的要求，但重心高度的提高导致高压救生艇自扶正时间（即从倒浮状态回到正浮状态的时间）要比常规救生艇长。在高海况下，高压救生艇可通过降低航速来缓解较高的MSI，从而提高内部乘员的舒适性。