饱和潜水作业施工管理和支持船配套研究

陈 帅，刘国增，王靖凯，俞金林，孙 巍

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067；2.交通运输部上海打捞局，上海 201200）

0 引言

随着国家海洋石油战略的制订与实施，海上油气田的开发力度逐渐增大，开发区域开始由近海向远海拓展，原有浅水区的空气潜水作业逐渐转为深水区的饱和潜水作业。饱和潜水支持船（Diving Support Vessel，DSV）融合了项目作业和饱和潜水支持的功能，目前国内很多饱和潜水承包商公司都没有DSV，需与业主提供的DSV配合作业，导致饱和潜水设备必须根据项目作业的需要在不同的DSV 之间转换，饱和潜水系统设备与支持船交汇界面的融合程度直接影响着施工的安全性和效率。

饱和潜水是一种能在大深度条件下长时间作业的潜水方式。按照国际惯例，当作业深度大于120 m、作业时间超过1 h且需手动精确操作时，一般采用饱和潜水方式。随着饱和潜水技术的不断更新和成熟，潜水作业的安全性逐渐提高，同时导致配套系统及设备不断增多，需有稳定供应的平台作为支撑。为具备大深度工程施工、应急打捞及其他应急突发事件的快速处置能力，DSV必不可少。

1 DSV的基本要求

1.1 主要岗位人员要求

饱和潜水作业海上人员组织结构见图1。

图1 饱和潜水作业海上人员组织结构

1.1.1 船长

船长对船舶及船上所有工作人员的安全负最终责任，其能通过潜水监督否决一项潜水作业的开始和终止。

1.1.2 动力定位系统操作员

动力定位系统（Dynamic Position，DP）操作员负责船舶的定位，必须保持船舶的其他相关控制中心正常通报操作条件和环境的变化，如潜水控制室、中央控制室和水下机器人控制室等。

1.1.3 饱和潜水总监

饱和潜水总监是有丰富经验的饱和潜水监督，通常担任海上饱和作业项目经理，确保潜水项目所需的各种条件得到满足。此外，饱和潜水总监还与船长和业主代表沟通潜水作业方面的工作。

1.1.4 饱和潜水监督

当值饱和潜水监督负责潜水作业的开始、操作和终止，以及与潜水和生命保障有关的所有安全工作，包括所有相关设备的状况监测和操作。饱和潜水监督和生命支持监督负责在适当情况下有效、及时地进行潜水和舱室操作。此外，饱和潜水监督还负责就潜水作业过程中发生的变化向业主提供建议。

1.1.5 业主代表

业主代表对业主负责，确保项目按潜水承包商详细说明的潜水程序进行，并与承包商船上的高级代表联系。业主代表可要求但不能命令开始潜水作业，其有权否决潜水作业的开始，也可通过潜水监督命令终止潜水作业。

1.2 DP要求

DSV可通过DP保持一个固定的位置。DP船使用定位参考系统（如差分全球定位系统、张绳器、水声定位参考、微波定位、半径和扇形波束激光定位等）确定船舶的实际位置。至于陀螺仪、姿态传感器和风速仪等其他传感器，用来确定艏向、颠簸、摇摆程度和作用在船上的风力。根据这些数据，通过计算机估算出推进器需输出的力和方向，自动控制推进器保持船舶的位置和艏向。DP操作员通过操作DP系统界面调整船位、艏向和艏向旋转速率（Rate of Turn，ROT）等。当DP 船进行饱和潜水作业时，DP 系统必须保持足够的冗余设置，这样任何对于保持船位来说不可或缺的系统部件失效都不会导致船舶失位。DP 本身存在一定的局限性，没有系统能保持船舶完全静止，只能控制其在预定的允许范围内移动。尽管DP系统是非常可靠的，但仍有失效的可能性。在所有DSV船上，为降低失效的影响并提高安全工作极限，冗余是必须存在的。船上冗余部分包括但不限于推进器及控制单元、电力系统、电力管理系统、配电系统、位置控制系统、位置参考系统和传感器等。DSV要求至少是DP等级2 级。

2 饱和潜水简介

2.1 饱和潜水作业简介

随着海上资源开发和海上作业的发展，需要潜水人员在深水海域进行精细操作，但随着海水深度的增加，若在水下呼吸普通空气，其中的氮气在高压环境下易引发“氮麻醉”，且呼吸阻力随着水压的增大而增大，这时只能呼吸氦气等惰性气体与氧气的混合气体进行更深的潜水作业。这类惰性气体吸入人体之后会融进血液，若不按规程减压，溶解在体内的惰性气体会在潜水员关节或身体组织中形成气泡，造成严重的减压病，甚至危及其生命。当潜水员在某一压力下连续停留24 h之后，其身体组织中溶解的惰性气体量就达到了最大限度，处于吸入与呼出惰性气体量相等的动态平衡状态，这样潜水员就不必每次在水下工作一段时间之后回海面减压，可继续在合适的环境中完成作业任务之后一次性减压，这种潜水方法称为“饱和潜水”。简单来说，饱和潜水就是潜水员能长时间保持体内惰性气体吸入与呼出动平衡的潜水。饱和潜水能提供更强的深水作业能力，国际海事承包商协会（International Marine Contractor Association，IMCA）规定空气潜水的下限为-50 m，混合气潜水的下限为-75 m，而饱和潜水的下限能达到-300 m，甚至更深（见图2）。

图2 不同潜水技术所能达到的作业深度

2.2 饱和潜水系统简介

饱和潜水系统是潜水员进行深水作业的基础，是保证潜水员在高压环境中体液内的惰性气体含量达到饱和，从而维持一种新的平衡的设备和器材的总称。该系统所运用的综合技术密集度非常高，涉及设备繁多，各模块中的设备布置不仅要满足设备自身的要求，同时还应达到系统的总体技术要求。

饱和潜水系统由甲板减压舱、饱和生活舱、过渡舱、高压应急逃生舱（Hyperbaric Rescue Chamber，HRC）、潜水钟、潜水钟吊放系统、生命支持系统、中央控制室、潜水员热水供应、气体供应、气体回收系统、监控系统和供电系统等组成（见图3）。

图3 饱和潜水系统三维示意（双钟24人，内置式）

在饱和潜水作业模式下，1 套饱和潜水系统由9 名作业潜水员分为3 组，布置在高压居住舱群内；每个作业组3 人，由密封的潜水钟投放到作业深度，工作8 h之后返回，换下一组人员接替，3 组人员循环实现24 h不间断作业。每组潜水员在高压饱和状态下最长持续28 d，到期之后会由另一组潜水员从舱外进舱更换，到期潜水员小组在专门的减压舱内减压出舱，保证作业持续。居住舱和潜钟内的气体氦氧比、气压、温度和湿度等条件均由控制单元及生命支持模块提供，会根据作业的水深进行相应的调节。

HRC是舱群中较为特殊的居住舱室，可在紧急情况下迅速与舱群分离，携带加压状态的潜水员入水逃生，其作用等同于船舶救生艇。

3 饱和潜水设备和DSV的交汇界面

3.1 前期准备

1）船舶与饱和潜水承包商提前沟通，提供所需图纸，包括但不限于船舶总布置图、船舶电站容量图、船舶油／水／电／气等公用供应设施清单和甲板油水测量孔布置图等，船方提供图纸需标明水、电、气、油等接口在船上的位置和供应能力，同时注明甲板必须规避的设施和布置。

2）饱和潜水承包商根据船方提供的资料设计饱和潜水设备／设施装船布置图并反馈给船方。船方根据装船图纸及设备尺寸和重量数据计算船舶的稳性，根据加装额外设备的重量、重心高度和位置核算，对船舶的稳性、操纵性和DP性能产生的影响进行程序变更评估。

3）确定HRC投放方式和入水位置等，提前清理其入水侧甲板设施，以便应急加压逃生舱能随时被投放或拖带入水（见图4）。根据《HRC解脱释放程序》确保应急加压逃生舱上方不能有遮挡物阻碍应急时自由上浮且位于吊机吊装范围内，且应在不影响HRC释放的前提下做好甲板开敞区域的防坠工作。

图4 饱和潜水系统在DSV上的典型布置（舷侧入水）

4）在进行饱和系统甲板布置设计的同时，必须计算潜水员的自由脐带长度。潜水员允许放出的最长自由脐带长度应比潜水员到危险源的最短距离短5 m，待命／应急潜水员的自由脐带比作业潜水员的自由脐带长2 m（以便应急时救援作业潜水员），危险源一般为推进器或其他可能对潜水员造成人身伤害的运动部件。潜钟应尽量布置在各危险源的中点，以便获得最长的自由脐带长度，在作业之前根据潜钟的各水深计算距离最近危险源的距离，并绘制出脐带缆控制图。

3.2 饱和潜水系统的水、电、气需求

3.2.1 水源需求

根据设备冗余原理，海水供应需2 路（一用一备），24 h供应。对于常规的移动式饱和系统，其压力与流量需求一般不超过300 L／pm／50 psi。海水用于实现生活舱水空调冷却和湿度调节、高压水枪水源及潜水员自身热水系统供应。水空调和潜水员热水系统对海水供应质量的要求较高，压力和流量需稳定持续，不能有气泡。淡水供应用于实现甲板区域饱和设备清洁、舱内人员日用等，满足普通生活区淡水供应压力和流量要求即可。

3.2.2 电力需求

移动式饱和系统的电力负载一般在300 kW以下，较常见的电压是440 ～480 V，频率为50 ～60 Hz。饱和潜水系统主电源由船舶供应，饱和系统在接到DSV配电板电源之后，为避免错误关闭饱和系统供电（风险极大），饱和系统的供电使用挂牌上锁系统，由饱和潜水系统的机电工程师保留钥匙；同时，为避免DSV出现断电等应急情况和提供电力冗余，饱和潜水承包商会自备应急发电机作为应急电源。

3.2.3 气源需求

饱和潜水系统的回收气驱动使用压缩空气、递物绞车和空潜A架等设备。气源对稳定性的要求较高，且在饱和潜水作业时续24 h需要气源。鉴于此，大多数潜水承包商自备柴油空压机。

3.3 视频通信系统

1）IMCA D014 卷规定：由DSV的DP控制台到潜水控制室的通信至少有2 路，其中一路必须为有线通信。目前DSV一般提供有线清晰对讲、有线程控电话和超高频无线对讲电台等3 种通信方式。

2）IMCA D022 卷规定：饱和潜水现场负责人需有途径了解水下作业人员的生命体征状况。在水下与其他作业部门协同作业时，需接入协同作业方的视频信号。饱和潜水作业人员需建立与DSV办公区的作业通信和视频连接，以便饱和潜水作业总监、业主代表和DP系统操作员实时查看水下作业情况。

3.4 黑、灰水处理及后勤支持

确定饱和舱内黑、灰水的排放接口，黑、灰水先通过饱和舱内的作业压力排放给舱外的收集系统，再通过管道分别排入支持船的黑、灰水收集处理系统，经过DSV处理装置采用电解法、生物降解法等方法处理之后进入清水柜，经过检测满足排放标准的要求之后，根据液位，由排放组件在规定的区域内排放或由有资质的回收机构回收送岸处理。DSV提供舱内潜水员独立的洗衣和烘干设备，以及独立的衣物／装具储存空间。潜水员进入饱和舱加压之后，由专门的生命支持团队对加压舱进行24 h监控。由于饱和舱内外压力差较大，所有饱和潜水员使用的容器器皿都不允许带中空保温层。

4 DSV安全应急

4.1 饱和潜水应急设备

饱和潜水员进入加压状态之后，无法再使用常规的救生艇筏，其逃生设施转为HRC。HRC 逃生系统由HRC本体、生命支持组件（Life Support Package，LSP）、应急拖船和安全岛组成。

HRC是一个可自浮的加压舱体，与饱和舱群连接，里面装有潜水员72 h 生存所需的食品、水和呼吸气体，配备独立的应急呼吸面罩，在舱内气体受到污染时仍可供潜水员呼吸。HRC 外部装有警示牌、雷达反射器、防撞框架、可浮拖带吊装索具和保温材料。应急时，舱内潜水员全部进入HRC，封门与饱和系统舱群分离，而后投放入水，自由漂浮等候拖船拖带。

LSP是一套协助HRC内潜水员完成应急减压的设备组合，包含1 套应急生命支持控制房、1 套水空调和1 套减压／治疗用气体。应急时，拖船携带HRC与LSP汇合，并对接完成最后的减压，拯救潜水员的生命。避免事故时，LSP与饱和系统一同沉没，作业时两者分开放置，LSP的存放地点被称为安全岛。

4.2 DSV应急准备

饱和潜水承包商提前向DSV提供饱和潜水《LSP安全岛应急处理预案》和应急联系清单。加压之后会进行一次全面的应急演习，此时船方需按预案联系应急拖船、平台和安全岛。潜水员进舱加压之后，其逃生设施由船上救生艇和筏转为饱和系统HRC（见图5），所有饱和作业人员的集合地点转为饱和系统现场集合点，另需包含1 名船方甲板司索和1 名吊机手协助HRC 释放，船方需预留能容纳足够人数的逃生设施给以上小组应急使用，并配置至少1.5 倍当班作业人员数量的救生衣布置于饱和作业人员集合点附近，以上应急救生设备和设施应供饱和作业人员专用。

图5 饱和系统应急逃生系统（HRC）

4.3 程序及预案准备

DSV成员应熟悉饱和潜水承包商提供的应急反应预案，并在施工作业之前针对应急预案进行船舶失位等应急演习。DP系统操作员清楚了解饱和系统作业的气象限制要求，严格按DP操作作业程序要求制作作业特定操作指南（Activity Specific Operation Guidelines，ASOG）。在作业之前应进行救钟演习，这是磨合各陌生作业界面的有效手段。模拟饱和主供电失效、主吊钢丝破断和主绞车故障等情况下，使用配重钢丝、吊机和无人遥控潜水器（Remote Operated Vehicles，ROV）等将潜钟收回至甲板上的过程。演练必须覆盖船上所有主要工作界面，同时测试安全岛通信、应急拖船通信和陆地救援资源通信等，以确保所有应急救援随时可用。

5 结语

饱和潜水作业属于深水高风险作业，DSV应能为完成饱和潜水任务提供高质量服务，在人员配置、设备布置和作业能力等方面必须满足相关作业规范的要求。鉴于DSV 提供的支持接口繁杂，涉及的部门较多，对船上的系统、设备和人员等均提出了较高的要求，DSV接口对饱和设备的融合程度和供应能力直接影响着海上施工的质量和效率。这就要求船方在处理饱和潜水设备与DSV的交汇界面时充分与各相关方沟通，明确潜水系统的水、电、气需求，确保视频通信系统顺畅连接，做好黑、灰水处理及后勤保障等周边支持工作，在此基础上，进一步落实DSV安全应急方案，包括饱和潜水应急设备、DSV 应急准备和程序与预案准备等，从理论和实践层面不断进行研究优化。