孤立內波對動力定位船舶作業的影響和應對措施

陳 帥，俞金林，王靖凱，劉國增

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

中國南海是孤立內波十分活躍的海區，在該海區內作業的動力定位船舶易受孤立內波的影響，存在極大的安全隱患。對此，本文介紹南海孤立內波的基本特點及其對動力定位船舶作業的影響，結合多年應對內波流作業的經驗總結出應對措施，供動力定位船舶和項目施工人員參考。

1 南海北部孤立內波基本特征

1.1 孤立內波的含義

孤立內波是發生在層化海洋內部的一種高能量非線性波動，孤立內波產生之后可攜帶巨大的能量，并將其傳播至很遠的地方（見圖1）。孤立內波在層化海洋內部傳播過程中會產生很強的波致剪切流，上層海洋海流和下層海洋海流的垂向速度會在短時間內急劇增大，上層海洋海流的流向基本上與孤立內波的傳播方向保持一致，而下層海洋海流的流向則與孤立內波的傳播方向相反。由于海洋內部的層化不同，波致流在不同水層的強弱不同，波致流的流速在海洋混合層和溫躍層界面處最大。

圖1 孤立內波結構示意

1.2 孤立內波的特征參數

孤立內波傳播過程中，其波形特征會受地形和海洋層結的影響，在不同海域觀測的孤立內波具有完全不同的特征參數。亞洲季風試驗期間定點的溫度和海流觀測結果揭示了南海北部東沙島附近孤立內波的特征，觀測到孤立內波最大振幅約為200m，波致流速可達2m/s，周期為10～27min，孤立內波的波包大致24h 出現一次。在呂宋口產生的孤立內波會沿東西方向向南海和西太平洋傳播，在傳播過程中因具有非線性效應，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。監測海域孤立內波的傳播速度一般為1.6～2.0m/s，對于單個孤立內波而言，其波長為0.5～4.0km，傳播方向為270°～300°。圖2 為通過衛星觀測的南?；×炔▓D像。

1.3 南海北部孤立內波的分布

南海北部是一個孤立內波十分活躍的海區。早在20世紀70年代就從衛星圖像中發現東沙群島附近存在著孤立內波，但直到20世紀90年代相關研究才得到重視。由現場觀測資料和衛星遙感資料可知，南海北部為南海孤立內波的主要生成和傳播區域，每年正壓潮經過呂宋口東西兩側海脊時會產生大量的孤立內波，按270°～300°的方向傳播，在傳播過程中因具有非線性效應，能量耗散較快，最后在陸坡處逐漸衰減。南海陸架、海南島周邊海域和中南半島周邊海域均有孤立內波分布，但受南海北部大陸架分布特點的影響，內波流強度最大、影響時間最長的區域還是南海東北部、呂宋口以西海域。

圖2 通過衛星觀測的南海孤立內波圖像

2 南海孤立內波對動力定位船舶作業的影響

隨著國家深水戰略總體布局的不斷推進，南海海上油氣田的開發力度逐漸增大，各類油氣田相關設施的建設和維護需求逐漸增多。作為油氣田及水下設施建設和維護的重要平臺，動力定位船舶發揮著舉足輕重的作用。

2.1 動力定位船舶作業原理

動力定位船舶的基本原理是：利用船舶的各類傳感器、羅經和位置參考單元，通過卡爾曼濾波器（Kalman Filter）收集船舶的運動狀態、位置變化情況、環境風力的大小和方向，通過動力定位控制器構建船舶數學模型，根據計算結果控制各推進裝置輸出適當的推力和力矩，以抵消環境擾動力，控制船舶水平橫向、縱向和艏向等3 個自由度的運動，從而使其保持目標船位和艏向。動力定位船舶普遍應用于水下設備設施安裝維護回收工程、地質調查勘探工程和打撈工程等各類海上施工作業中。動力定位船舶的海上定位精度和定位能力是其順利完成各項深海作業的保證，同時也是影響其作業質量和安全性的主要因素。

2.2 孤立內波對動力定位船舶作業的影響

基于動力定位工作原理，要想得到良好的定位精度，除了需配備各類高精度的傳感器和位置參考系統以外，還需重點考慮外界作業環境是否穩定。動力定位流是系統計算出的船舶所受風力影響以外的其他外力的合力的方向和大小。由于動力定位系統采用的是“記風不記流”的模式，其對水流的變化的反應存在一定的滯后性。當船舶遭遇孤立內波時，流向和流速會突變，造成船舶失位和艏向發生偏差；同時，動力定位系統為使船舶盡快回到初始船位，會控制各推進裝置增大輸出功率和改變輸出方向，由此帶來的是各配電板上的負荷急劇增大，甚至會使推進裝置或電力系統過載，造成推進裝置停車或黑電。

鑒于以上情況，環境因素變化越小，建立的數學模型越穩定和精確，越能精準控制船舶推進裝置的輸出，使船舶保持穩定的船位和艏向。由此可看出，孤立內波對動力定位船舶作業的影響是不可忽略的。曾經就有動力定位船舶在進行飽和潛水支持作業期間因受強內波流侵襲而嚴重失位，致使一名飽和潛水員的臍帶纜直接被拉斷。

2.3 孤立內波觀測和預警措施

為減小孤立內波對船舶作業安全的影響，提前發現并采取有效的應對措施尤為重要。目前已知的觀測方式主要有目測法、雷達觀測和監控預警浮標等3種。

1) 目測法：在駕駛臺進行無間斷瞭望（白天），從遠處觀察像一條細線，靠近之后可觀察到其表面有明顯的細碎波紋，在海面呈暗色帶狀分布（見圖3）。

圖3 海上孤立內波觀測圖

2) 雷達觀測：在天氣良好時放大X 波段（3cm）雷達的增益，適當減小抑制，可明顯觀測到帶狀回波（見圖4），可探測出孤立內波的移動方向和相對的強度（速度）。

3) 監控預警浮標：考慮到深海作業水域離岸較遠，同時便于進行長期定點觀測，可考慮布設監控預警浮標作為長期的觀測平臺，通過攜帶的聲學多普勒海流計采集各水層海流剖面的水溫數據，所有數據均通過衛星實時傳輸給陸地監控站，經過數據處理得出內波流的強度和傳播方向。

圖4 X波段雷達孤立內波觀測圖

3 孤立內波影響海域作業前的準備工作

根據現場作業情況，盡量調整艏向在內波流主流方向上，確保船舶有足夠的動力應對。保持駕駛臺值班人員對周圍海域進行不間斷的目測和雷達警戒；機艙值班輪機員和電機員隨時準備應對可能出現的推進器和配電板過載問題，及時復位各相關設備，必要時可啟動其他發電機組并使其在線，保證配電板上的電力供應冗余。

在正式作業之前，針對內波流造成船舶失位的情況制訂應急反應預案，并針對該預案進行船舶失位模擬演練，提高各相關作業部門的協同應急反應能力。

4 船舶作業期間遭遇內波流沖擊的應對措施

向相關作業方發出預警，按應急預案和需求下放絞車鋼纜或吊機鋼纜，若水下有遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）或飽和潛水員作業，應立即通知ROV 回臍帶纜控制系統和潛水員回潛鐘待命，確保水下設備和人員安全。

迅速調整艏向，盡可能地使其在內波流主流方向上，避免船舶側面受孤立內波沖擊；立即啟用“QUICK MODE”（快速反應）模式，使動力定位中央處理器能在短時間內建立數學模型，快速響應船舶在水平橫向、縱向和艏搖等3 個自由度的變化，更合理地控制各推進裝置的輸出，在確保安全的情況下，增大動力定位系統設置的角速度和移動速度，盡可能地保持目標船位和艏向。在靠近半潛式平臺或儲油船作業時，應在保證安全的情況盡量與其保持一定的距離，并時刻關注相對位置的變化情況。

5 遭遇內波流沖擊的應對實例

某DP2 級錨系作業工程船配置有2臺7600kW 主機、4臺2880kW 發電機組、2臺艉部可變螺距螺旋槳推進器、2臺艉部側推器、1臺艏部伸縮式全回轉舵槳裝置和2臺艏部側推器，在對某半潛式平臺錨腿鋼纜進行更換時，距離該半潛平臺50m，利用船舶吊機和錨系絞車與其進行錨鏈傳遞，遭遇到了流向為300°、流速為3.3kn 的內波流的強烈沖擊，按應急預案立即開啟動力定位系統“快速反應模式”，同時向各部門發出報警，調整艏向，避免船舶側面受到內波流的沖擊，錨系絞車及吊機操作員及時下放絞車和吊機鋼纜，水下機器人返回臍帶纜控制系統，同時觀察半潛式平臺的偏蕩方向，控制船體與平臺保持橫向安全距離向下流漂移，船舶漂移13.3m，船舶電力控制配電站負荷達到98%，前后側推器負荷達到100%，由于采取的措施得當，未影響項目施工設施、作業工程船和半潛式平臺的安全。

6 結 語

作為動力定位工程船的從業者，應熟悉影響船舶動力定位系統精度的各種因素及正確的應對措施，以確保船舶安全、高效地完成航行和作業任務。南海北部海區油氣田各類設施分布密集，相應的水下作業項目較多，該區域的孤立內波是動力定位工程船作業過程中不可忽視的安全性影響因素。掌握預防和應對孤立內波的措施，是相關從業人員需不斷研究的課題。