海底管道巡检船的设计和功能配置

张国立，曲兆源

(中海油能源发展采油服务公司 深水环保船项目组，天津 300451)



海底管道巡检船的设计和功能配置

张国立，曲兆源

(中海油能源发展采油服务公司 深水环保船项目组，天津 300451)

针对利用非专业船舶进行海底管道检测，不仅检测时间耗费大，效率低，准确度差，而且对潜在隐患的发现能力有限的问题。设计专业的海底管道巡检船，以提高海管安全隐患排查能力和效率，实现隐患的常态化监控和整改，控制海管损坏和泄漏事件的发生，保障海底管道安全运营。介绍拟建的海底管道巡检船的设计和功能配置。

海底管道；巡检船；设计；功能

海底油气管道(以下简称“海底管道”或“海管”)是投资高、风险大的海洋工程，对海上油气田的开发、生产与产品外输起着至关重要的作用。但是，由于拖网捕鱼、冲刷等原因都会使海底管道受到损伤或发生泄漏。而管道一旦出现损伤或泄漏，不仅修复费用高，而且会使油田停产，给企业和国家带来巨大的经济损失和环境破坏。随着海管敷设距离和运行时间的延长，海底管道安全问题日益显现，传统的管道管理理念、手段、方法及装备越来越难以适应安全管理要求。因此，需要专业的海底管道。

1 功能定位及使用要求

1)功能定位。主要用于渤海,工作水深60 m以内的海管普查、海管详细调查等路由调查工作和水下检测工作。

2)使用要求。航速快、机动性强、耐波性好、测量精度高，正常情况下能够全天候出航作业。

2 设计方案及功能配置

2.1 船型方案选择

由于全球范围内专业的管线测量船舶的数量较少，可供参考的船型不是很多。但其功能和小型测量船或科考船相当，所以参考类似的测量船或科考船。

针对本船功能定位及使用要求，并参考国外2型现有先进的测量船和海工支持船(见图1、2)，提出2个建造方案。

图1 美国测量船

图2 “MV ENDEAVOUR”ROV作业支持船

在船型上均采用钢质、局部双层底、连续甲板、全电焊结构，均配备专用的艉部A架，折臂吊机、专业绞车、电力推进的船型，但2方案在主尺度上有所不同，在船长、排水量基本相当的前提下，在船宽和吃水上有一定差异,所以2方案的稳性和耐波性上有一定差异。

1)船长L。经过搜集的船型资料的分析，长宽比L/B为4.5～5.0，宽型深比为B/D为2.0～2.5,较小的长宽比可以有效控制造价，在同样的排水量要求下，加船宽引起的空船重量增加约为加船长的1/5。但一味地减小船长增加船宽又会使船舶航行阻力大大增加。根据其功能需求及海区的波浪特性，适应性其满载排水量应不小于2 000 t，在L/B为4.5～5.0情况下，初步估算对应船长约为60 m，且最高航速不小于13 kn。在排水量一定时，增加船长，必定要求B、T同时减小，因而L/B增大，所以船型变得较瘦长。对剩余阻力产生的影响反映在2个方面：①船型瘦长，经使粘压阻力下降；②船宽B、吃水T减小，将使兴波阻力下降[1]。选取适当的船长，可以有效降低弗劳德数，降低船舶航行阻力，本船弗劳德数控制在0.30～0.33。综合考虑，本船方案1：垂线间长Lbp约58.8 m，水线长Lw160.9 m；方案2：垂线间长Lbp约58.8 m，水线长Lw160.9 m。

2)船宽B。要求本船在中等海况下具有较强的作业能力，适应全天候的作业要求，对于稳性要求较高。因此应满足排水量的要求，同时还需满足主发电机组的布置要求和折臂吊起重作业的稳性要求，经综合考虑，本船船宽方案1取13.0 m；方案2取11.8 m。

3)型深D。本船型深的选取从机舱设备布置所需的净空高度和测量舱室的布置2方面考虑。增加型深可以改善机舱设备的布置条件，且有利于轮机人员对设备进行操作和维护。对于船舶的总强度、刚度均有利。2方案均设置双甲板，可大大增加干舷，及舱室布置空间。缺点为空船重量较大，增加一定初投资。综合考虑，方案1型深初定8.0 m，方案2取8.5 m。

初步分析计算确定主尺度见表1。

表1 主尺度方案对比

方案1的船宽较宽，吃水较小，其稳性较好，能在更高海况下完成作业，能更好的满足其恶略天气下的应急溢油调查工作，取得较好的经济效益和社会效益。方案2的船宽较小，吃水较大，横摇周期相对较长，耐波性较好，船员舒适度有一定改善，但稳性较差，在高海况应急作业稳性储备较小。经综合对比分析，推荐方案1为优选方案。

2.2 推进方式选择

根据本船船型及作业要求和特点，可选择的推进方式有柴油机直接驱动的可变螺距桨、全电力驱动的全回转推进、全电力驱动的吊舱式推进等3种[2]。

1)柴油机直接驱动的可变螺距桨。是在定距桨基础上发展起来的一种推进方式。该方式吸收了定距桨经济节能、运营管理方便等方面的优点，通过改变螺距的方式，使柴油机、桨在各种工况下与船体阻力性能匹配更合理，船员操船更为方便，初投资增幅亦不是很明显。该系统广泛应用于工程船舶，具有技术成熟、使用可靠和维修方便等优点。缺点是控制系统相对复杂，对船员使用、维护水平要求较高，并且，由于飘泊作业时船舶需保持原地悬停状态，主推进系统所需的推力很小，主柴油机的负荷非常低，经常在20%甚至更低的负荷下运行，根据柴油机燃烧特性，在此状态下燃油的消耗与输出功率比非常高，经济性差。

2)全电力驱动的全回转推进。是近10年发展起来并被广泛应用的一种推进形式。它是由柴油发电机组及配电设备组成的电力系统供电，通过电机驱动一个单元式推进器的方式。该推进方式的核心是电力系统与推进器。设计理念主要是考虑船舶使用过程中用大的电负载较多，且不同时使用，通过电站功率管理系统的匹配，减少船舶的装机容量，并且在运营过程中柴油机的启停实现自动化。针对本船测量工作时航速工况较多，管路巡检时航速为0～6 kn，经济调遣航行时航速不小于12 kn且要兼顾DP工况，全船电站负荷刚好错峰，能够充分显现电力推进的优点。主要优点是装机功率小、船机桨性能匹配性好、船舶操纵性好、运营经济节能；缺点是系统相对复杂，对建造厂的要求相对较高。

3)全电力驱动的吊舱式推进。由全回转推进的形式发展而来，目前国际、国内均有一定的应用。系统配置及优缺点延续了全回转推进器的特点，只是将推进电机组合进推进器单元，使系统成套性更完整、接口更少、推进器效率更高。缺点是初投资很高，一般吊舱式推进器的价格是全回转推进器的2～3倍，并且系统安装调试的要求非常高，维修保养费用和后续备件的费用比其他几种形式更高。

当然，电力推进系统与常规柴油机带轴桨的推进方式相比，也存在以下缺点：

1)系统较复杂，初始投资较大。一般电力推进系统主要由动力装置(主柴油发电机组)、配电装置(配电板及功率管理系统)、驱动装置(变压器、变频器及推进电机)、推进装置(全回转舵桨或吊舱式推进器)、控制系统等组成，各主要装置通过动力电缆和控制电缆连接，系统较常规柴油机带轴桨的推进方式相比，系统复杂程度高出很多。

根据有关资料统计表明，一般采用电力推进系统的船舶，动力系统装置的费用与非电力推进的船舶增加15%～25%，而动力装置费用约占全船总费用的30%左右，即采用电力推进的船舶，总体造价约高出4.5%～7.5%。由于电力推进系统的节能效果，7年左右节省的燃油可与增加的初投资持平。

2)电力设备的大量使用，全船谐波控制要求高。船舶电网中的谐波主要来源于3个方面：①电源质量不高产生的谐波；②配电系统中产生的谐波；③用电设备产生的谐波[3]。本船由于采用全电力推进系统的船舶，全船大量采用大功率的电力设备，容易对电网中的一些小型用电设备，如厨房设备、通信导航设备等带来冲击。因此，与常规柴油机带轴桨的推进方式相比，全电力推进系统对谐波控制要求更高，但目前已有多种成熟有效的谐波抑制手段，可将电站总的谐波成份控制在规范要求的5%以内。

另外对全回转可变螺距推进与电力推进的比较，2者初始投资相差不大，但电推的优势是能适应更多的工况，在不同工况下可以获得更高的推进效率，其节能效果显著。

经综合比较分析，最终推荐采用全电力驱动的全回转推进方式。

2.3 主要功能配置

2.3.1 主要机电设备及电站容量选择

根据巡检船的工作特性，其实际工作工况可分为如下几种：调遣航行(12 kn)、全速航行、进出港、ROV作业、管道巡检(6 kn)、停泊、应急。根据以上不同工况下对功率的需求，确定发电机组功率。

巡检船全船负载分为以下几类。

1)为满足航行及DP2作业工况要求，在艉部设置2台全回转推进器，每台推进电机的功率约1 100 kW，艏部设置2台管隧式推进器，推进电机约700 kW。

2)巡检船配置检查型ROV，ROV工作的负荷包括ROV本体动力，ROV绞车及ROV舱内控制及其他辅助系统，由于不同型号的ROV消耗功率差别较大，目前所需功率暂按某参考型船配置选取。

3)巡检船用于吊放声学、检查设备的专有甲板机械包括A字架，旋转折臂吊等。这些设备间断工作，对电站的负荷估算影响不大。

4)巡检船还配置有众多声学仪器设备。

5)其他常规供电负载包括机舱辅机、空调通风、厨房、照明、通信导航等。

根据以上分析巡检船的负荷种类和使用工况，依据电力负荷计算确定发电机台数和容量，考虑的原则包括：

1)电站总功率满足各运行工况下的最大负荷需要。

2)调遣航行应有备用机组，其容量应等于电站中最大一台机组的容量。

3)当一台发电机停止工作时，其余的发电机组应有足备的储备容量，以使当最大电动机起动时所导致的系统的电压的大幅度降落，不会使任何电机失速或使其他设备失效。

4)考虑一定的功率储备，各发电机的最高负荷率取85%左右。

5)主发电机组台数大于2台，保证电站负荷的灵活调整，提高运行经济性。

6)为保证有良好的并联运行特性及各机组互为备用，尽量选用同型号且容量相同的机组。

本船入CCS船级社，取Electrical Propulsion System船级符号。CCS《钢制海船入籍规范》(2014年)中，对公共电站要求如下[4]。

1)电站的控制系统应保证在推进和日用负载之间安全地分配电力，如有必要，可以卸掉非重要负载和(或)降低推进功率。

2)在1台发电机组不工作时，剩余的机组应能像所有重要设备和船舶常用设备供电，同时应维持有效推进，即保证在船舶航速不小于7 kn或设计航速的一半，2者中取大者。

根据以上原则及表1负荷估算结果，初步考虑采用4台800 kW的主发电机。4台主发电机组并联运行，可满足本船最大运行工况的负荷需求；调遣航行下3台主发电机组并联运行即可满足其负荷需求，有1台机组备用；满足运行的经济性。

表1 海底管道巡检船电力负荷估算书

由于本船停泊、应急工况负荷较低，考虑运行的经济性，设置1台独立的功率较小的停泊/应急发电机组。

故本船2方案的主电站均由4台800 kW的主发电机、1台280 kW停泊/应急发电机组组成。

2.3.2 电力系统电压等级的选择

在综合电力推进系统中，随着推进装置功率的加入和其他用电设备的大量增加，电网的功率也大大增加。考虑到开关断流容量限制和电缆的合理用量，适度提高系统的电压等级是必然趋势。目前船用交流电网多为400，690 V(低压)或3 300，6 600，11 000 V(中压)等级。采用IEC电压等级来选择船舶电力系统的通常方法是[5]：

1)如果发电机总装机容量超过20 MW，推荐选择11 kV的中压电力系统。

2)如果发电机总装机容量在4～20 MW之间，推荐选择6.6 kV的中压电力系统。

3)如果发电机总装机容量低于4 MW，推荐选择690 V的低压电力系统。

4)对于低压配电系统，一般采用400/230 V电压等级。

以海底管道巡检船为例，由于本船发电机总装机容量小于4 MW(实际约3 200 kW)，故推进电机电压选用690V，其他船用设备电压选用400 V。

2.3.3 专业测量设备及主要功能

本船是一艘现代化海底管线路由调查船，根据管线调查测量中不同的目的，将管线调查测量分成3个工作阶段，同时由于涉及的管线状况(掩埋、裸露)和工作区域(浅水、深水)不同，各阶段的内容有所不同。

I阶段：管线普查，利用传统的船载管线仪以S形测线按照作业书要求的最小间距横跨管线的预定路线，根据管线仪的数据确定管线的准确经过点；对于深水区域的海底裸露管线，则以侧扫声呐(搭配磁力仪)沿着管线的一侧飞行，获取管线的详细线路。

II阶段：管线详细调查，在获得管线的线路后，操作高分辨船载浅地层剖面仪和多波束测深仪获取管线的精细线路和管线的环境状态，同时使用船载ADCP采集沿着管线路由的流速、流向信息。

管线检查：操作ROV对裸露管线进行详细的、影像级别的状态检查，如有泄露警报，利用ROV搭载的油气监测传感器进行泄露点定位。

主要测量功能如下。

1)使用安装在船体下升降鳍上的多波束，沿管线测量地貌及发现障碍物。

2)使用安装在船体上升降鳍上的ADCP,可对海底各层做流速剖面。

3)使用安装在船体上升降鳍上的浅地层剖面仪,可用于被埋管线调查，可以给出管线位置，并且可以给出管线埋深。

4)侧扫声纳系统通过船体艉部A架拖曳探测，配合绞车使用，主要用于观测裸露的管线是否有掏蚀、架空现象。

5)船上装有USBL系统，配合搭载声学测漏系统和油气测漏探测系统的ROV，沿管线路由进行检测对比分析。

6)船上配备海底管线检测维修信息管理系统，本系统集成在全船网络系统中，通过终端电脑上安装的管理软件，对采集的海管实时数据与海管历史数据进行比对。同时也可以通过英特网将数据发回岸基的海底管线管理系统。

7)配合维修船作业。在维修船定位前，利用多波束、ADCP、地质浅剖对维修船需要定位的区域进行水深、地质地貌、水流及水温进行测量，确保维修船能够安全定位。

8)溢油探测功能。使用溢油雷达大范围扫侧，当发现漏油区域后，根据ADCP测得的流速流向信息结合气象信息，找到漏油的源头。

3 结论

海底石油天然气管道作为海上油气田的生命线，无疑是海上溢油事件的主要风险源，像跨海大桥的兴建，深港码头向海内的不断延伸，挖沙、钻探、打桩、抛锚、拖锚、养殖等海上作业或其他活动，都是潜在的危及海管安全的因素。因此，如何在海洋石油勘探开发进程中肩负起保护环境的重任，降低勘探开采作业风险，保障海管运营安全，从而有效控制溢油事故发生，已成为石油勘探开发越来越关注的问题。

[1] 盛振邦，刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社，2003.

[2] 叶国泉，沈林涛.吊舱式电力推进装置的应用[J].上海造船，2007(1)：19-21.

[3] 罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波[J]. 船舶工程，2007(1)：69-72.

[4] 钢制海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[5] 汤天昊，韩朝珍.船舶电力推进系统[M].北京：机械工业出版社，2015.

Design and Function Configuration of the Submarine Pipeline Inspection Vessel

ZHANG Guo-li, QU Zhao-yuan

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300457, China)

At present, the use of non professional marine pipeline detection results in consuming much detect time with low efficiency, poor accuracy, and limited capacity of finding the potential risks. A professional submarine pipeline inspection vessel is needed to improve the ability and efficiency of the investigation of the hidden dangers of the sea, to implement the normalization of monitoring and rectification, to control effectively the occurrence of damage and leakage of the sea and to ensure the safe operation of the submarine pipeline. The design and function configuration of the submarine pipeline inspection vessel were introduced.

submarine pipeline; inspection vessel; design; function

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.030

2016-07-10

张国立(1970—)，男，大学，电气工程师

U662

A

1671-7953(2016)05-0118-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:船舶监造

E-mail:zhanggl8@cnooc.com.cn