邢偉坡 夏啟兵（北海航海保障中心天津航測(cè)科技中心 天津 300211）

姜大正1段明昕1初旭洋2（1.交通運(yùn)輸部上海打撈局 上海 200090；2.上海海洋石油局 上海 200120）

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國(guó)際海道測(cè)量組織水深表面產(chǎn)品規(guī)范研究

邢偉坡 夏啟兵[1]
（北海航海保障中心天津航測(cè)科技中心 天津 300211）

摘要：水深表面產(chǎn)品規(guī)范是IHO基于S -100 《通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》建立的關(guān)于水深表面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的規(guī)范。本文研究了IHO S-102《水深表面產(chǎn)品規(guī)范》的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)、維護(hù)與編碼，探討了產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)和未來(lái)應(yīng)用。 東海某氣田的一條已完工的12″海管管頭附近的240m管線受漁網(wǎng)拖拉彎曲變形，受損海管需要立即修復(fù),否則影響后續(xù)氣田的投產(chǎn)。交通運(yùn)輸部上海打撈局使用中國(guó)首艘300m飽和潛水支持船“深潛號(hào)”及相關(guān)先進(jìn)設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員于2013年7月-9月圓滿、高效的完成了受損海管的修復(fù)并通過(guò)了業(yè)主的清管試壓檢驗(yàn)等工作。在施工過(guò)程中，工程人員創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)施工方案，采用先進(jìn)的環(huán)形海管切割機(jī)截?cái)嗍軗p的彎曲海管，使進(jìn)口機(jī)械連接器連接新的替代直管。四段62m超長(zhǎng)替代直管的高效吊放和成功安裝刷新了水下安裝的記錄。此次受損海管的及時(shí)修復(fù)，不僅保證了氣田未來(lái)能夠按時(shí)投入運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也積累了豐富的值得推廣的飽和潛水海管維修經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：海道測(cè)量 水深 表面 規(guī)范 深潛號(hào) 東海氣田 海管修復(fù) 飽和潛水

0 引言

隨著船舶向大型化和高速化發(fā)展，船舶安全航行對(duì)高精度的、詳細(xì)的水深數(shù)據(jù)需求越來(lái)越多，尤其在淺水水域。然而傳統(tǒng)的紙海圖、電子海圖由于圖幅限制所表示的水深數(shù)據(jù)有限，并且在系統(tǒng)地融合潮位等時(shí)序數(shù)據(jù)和便于電子海圖系統(tǒng)智能調(diào)整等深線間距方面存在一定的困難。而水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)恰恰能夠彌補(bǔ)紙海圖、電子海圖的這些缺陷。為了滿足船舶安全航行、科學(xué)研究等方面對(duì)水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)的需求，IHO（國(guó)際海道測(cè)量組織）在S-100《通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型》的基礎(chǔ)上制定并于2012年4月正式發(fā)布了S-102《IHO水深表面產(chǎn)品規(guī)范》。

1 內(nèi)容與結(jié)構(gòu)

S-102[1]總體上由版本標(biāo)記、元數(shù)據(jù)、水深估計(jì)覆蓋（Estimated Elevation Coverage）、水深不確定性覆蓋（Uncertainty Coverage）、跟蹤列表、可選覆蓋層、數(shù)字簽名模塊七部分組成。

1.1元數(shù)據(jù)

S-102中大部分元數(shù)據(jù)元素來(lái)自于S-100、ISO 19115《地理信息-元數(shù)據(jù)》和ISO 19115-2《地理信息-元數(shù)據(jù) 第二部分：影像和柵格數(shù)據(jù)擴(kuò)展》，非強(qiáng)制性的其他元數(shù)據(jù)來(lái)源于 ISO 19130 和 ISO 19130-2，特別是與聲吶設(shè)備相關(guān)的元數(shù)據(jù)。

根據(jù)應(yīng)用目的不同，S-102中元數(shù)據(jù)分為四類：發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)、質(zhì)量元數(shù)據(jù)和采集元數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)用于識(shí)別和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)。S-102中，發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)集（Dataset）和數(shù)據(jù)集合（Data Collection）兩個(gè)層級(jí)，即整個(gè)數(shù)據(jù)集和由多個(gè)切片組成的數(shù)據(jù)集都有相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)，并且對(duì)于每一個(gè)切片文件也有相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)用來(lái)描述數(shù)據(jù)集合的結(jié)構(gòu)，包括了網(wǎng)格空間表達(dá)、水平與垂直參考系統(tǒng)、法律和安全限制、切片組成等方面的信息。質(zhì)量元數(shù)據(jù)描述了數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)處理等有關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量的信息。采集元數(shù)據(jù)在S-102中是可選的，數(shù)據(jù)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)可自主選擇添加數(shù)據(jù)采集元數(shù)據(jù)，例如所采用的測(cè)量設(shè)備信息。

1.2覆蓋

覆蓋是水深表面產(chǎn)品的主要組成部分。每一個(gè)水深表面產(chǎn)品中應(yīng)至少包含水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋，每一種覆蓋均是經(jīng)地理校正的格網(wǎng)。水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋是地理相關(guān)的，采用相同的坐標(biāo)參考系，它們都包含起始于最西南角、按行存儲(chǔ)的二維矩陣。

水深估計(jì)覆蓋的格網(wǎng)值是一組有序的水深估計(jì)值，水深單位是m。與紙海圖、電子海圖水深表示不同，水深值在垂直基準(zhǔn)面以上為正、以下為負(fù)，因此水深表面產(chǎn)品中水深值均為負(fù)值。水深不確定性覆蓋的格網(wǎng)值是一組有序的水深不確定性值，用于表示水深覆蓋中水深值精度。水深不確定性值有多種計(jì)算方法，分別為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差、CUBE （Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator，水深不確定性和估計(jì)組合算法）標(biāo)準(zhǔn)差、NOAA（美國(guó)海洋與大氣管理局）標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不確定性 1.0版（綜合了CUBE不確定性算法和其他方法）和歷史數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差等，這有利于將水深表面產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的各個(gè)不同階段和不同目的。

除水深估計(jì)覆蓋和水深不確定性覆蓋外，水深表面產(chǎn)品中還可包含若干可選擇的覆蓋，S-102本身并沒(méi)有對(duì)這些覆蓋做出規(guī)定，這需要在獨(dú)立的S-10X標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這些覆蓋做出具體規(guī)定。

1.3跟蹤列表

跟蹤列表中包含了海道測(cè)量技術(shù)人員修改的任何格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的原始水深值和水深不確定性值。水深表面產(chǎn)品的原始水深數(shù)據(jù)和不確定性值是由計(jì)算機(jī)按照一定的算法自動(dòng)計(jì)算得出，需要海道測(cè)量技術(shù)人員的審查和修改。跟蹤列表提供了追蹤海道測(cè)量技術(shù)人員修改原始數(shù)據(jù)情況的一種手段。

1.4數(shù)字簽名模塊

在傳統(tǒng)的水深處理中，通常采用直接在歸檔文件上物理簽名的方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。但是對(duì)于完全數(shù)字化的產(chǎn)品，不可能在數(shù)據(jù)產(chǎn)品上進(jìn)行物理簽名。此外，對(duì)于諸如水深表面產(chǎn)品等高密度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在傳輸過(guò)程中發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的概率會(huì)明顯增加。因此，S-102根據(jù)公鑰/私鑰理論設(shè)計(jì)了一種數(shù)字簽名模式，為海道測(cè)量技術(shù)人員提供了一種與物理簽名等效的認(rèn)證方式，確保了易于發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的任何修改（如操作錯(cuò)誤或惡意行為）。

數(shù)字簽名模塊的基本實(shí)體是數(shù)字簽名。數(shù)字簽名是簽名機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)字表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)集內(nèi)容利用密鑰計(jì)算得到的多字節(jié)數(shù)字序列。密鑰只屬于簽名機(jī)構(gòu)，簽名機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)密鑰文件的保密。通常每一個(gè)數(shù)字表面產(chǎn)品的數(shù)字簽名是唯一的，很少會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)產(chǎn)品的數(shù)字簽名相同。與密鑰相反，公鑰可以自由分發(fā)，可以使用公鑰確認(rèn)“水深內(nèi)容”是否曾經(jīng)修改過(guò)。

除了數(shù)字簽名，數(shù)字簽名模塊還包含一個(gè)32位整型數(shù)字，用來(lái)指向元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)志（描述數(shù)據(jù)來(lái)源、處理等方面信息）部分描述認(rèn)證原因的實(shí)體。其目的是簽名機(jī)構(gòu)可以靈活地描述數(shù)據(jù)認(rèn)證的原因或認(rèn)證后數(shù)據(jù)預(yù)期用途。

1.5切片模式

切片技術(shù)是一種將較大區(qū)域數(shù)據(jù)分割成更易于管理的較小數(shù)據(jù)塊兒的技術(shù)。S-102采用了切片技術(shù)將覆蓋數(shù)據(jù)切割成一系列切片進(jìn)行組織和管理。產(chǎn)品中每一個(gè)切片都是一個(gè)完整的水深格網(wǎng)，包括水深估計(jì)覆蓋、水深不確定性覆蓋、可選的跟蹤列表和元數(shù)據(jù)。S-102中定義了三種切片模式：一致的多邊形格網(wǎng)、四叉樹和其他。

2 數(shù)據(jù)編碼與維護(hù)

S-100標(biāo)準(zhǔn)[2]的一個(gè)重要思想是“數(shù)據(jù)內(nèi)容”和“數(shù)據(jù)載體”分離。S-102遵循了S-100標(biāo)準(zhǔn)，采用了UML概念模型定義產(chǎn)品內(nèi)容和采用HDF 5（分層數(shù)據(jù)格式第5版）進(jìn)行編碼。HDF是美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心為了滿足各種領(lǐng)域研究需求而研制的一種能高效存儲(chǔ)和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)格式。

與S-101《電子海圖產(chǎn)品規(guī)范》中矢量數(shù)據(jù)按增量更新的方式不同，水深表面產(chǎn)品中的全部數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集內(nèi)的切片及其相關(guān)元數(shù)據(jù)都可以作為一個(gè)單元來(lái)替換。覆蓋數(shù)據(jù)應(yīng)至少在切片級(jí)別下作為一個(gè)單元來(lái)更新。此外，每個(gè)更新的切片數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)集必須有其自己的數(shù)字授權(quán)。

3 生產(chǎn)技術(shù)

S-102標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程和技術(shù)方法做出具體規(guī)定。2011年，加拿大海道測(cè)量局根據(jù)S-102標(biāo)準(zhǔn)草案使用CARIS軟件生產(chǎn)了86幅覆蓋加拿大魁北克市和蒙特利爾港口間圣勞倫斯河的水深表面產(chǎn)品，提出了一套生產(chǎn)S-102產(chǎn)品的技術(shù)流程[3]，見(jiàn)圖1。

（1）分幅和切片模式設(shè)計(jì)。主要是設(shè)計(jì)產(chǎn)品覆蓋范圍和切片模式。加拿大海道測(cè)量局設(shè)計(jì)了3級(jí)分辨率的切片方案，每個(gè)切片由1000X1000個(gè)格網(wǎng)單元組成。第一級(jí)（港口）0.02°X0.02°，第二級(jí)（沿岸）0.1°X0.1°，第三級(jí)（總圖）1°X1°，切片的北方向指向子午線方向。

（2）數(shù)據(jù)搜集和評(píng)價(jià)。為了增強(qiáng)ENC單元中已經(jīng)包含的信息，加拿大海道測(cè)量局搜集了各種數(shù)據(jù)，包括稀疏的水深數(shù)據(jù)點(diǎn)、高分辨的水深格網(wǎng)數(shù)據(jù)、ENC導(dǎo)出的高潮線等，所有這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)以用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)。此外，還利用CARIS S-57 Composer和BASE Editor兩個(gè)軟件模塊創(chuàng)建了輔助層（例如切片方案、覆蓋、分界線等）和將所有數(shù)據(jù)源切割成切片。

（3）點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。主要內(nèi)容包括構(gòu)建TIN模型（不規(guī)則三角網(wǎng)）、插值得到初級(jí)的水深表面產(chǎn)品。

（4）將其他高分辨率水深表面產(chǎn)品和上一步生成的表面產(chǎn)品合并，并利用BASE Editor軟件中基于規(guī)則的沖突檢測(cè)工具處理數(shù)據(jù)沖突部分。

（5）提取和導(dǎo)出水深表面產(chǎn)品數(shù)據(jù)。利用CARIS BASE Editor導(dǎo)出HDF5格式水深表面產(chǎn)品。

通常，根據(jù)水深點(diǎn)數(shù)據(jù)生成格網(wǎng)水深的方法有兩種：直接法和間接法。直接法是直接通過(guò)采樣水深點(diǎn)插值生成格網(wǎng)水深。間接法是首先根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)建立TIN，然后插值得到格網(wǎng)水深。加拿大海道測(cè)量局采用了間接法生成格網(wǎng)水深，但這種方法有可能丟失格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周圍的淺點(diǎn)水深。如果水深表面產(chǎn)品應(yīng)用于船舶航行，還需對(duì)上述流程中水深點(diǎn)數(shù)據(jù)生成格網(wǎng)的算法進(jìn)一步優(yōu)化。

4 應(yīng)用

S-102標(biāo)準(zhǔn)的制定，使海道測(cè)量領(lǐng)域具有了適合本行業(yè)的數(shù)字高程模型（DEM）標(biāo)準(zhǔn)，豐富了海道測(cè)量產(chǎn)品種類，拓展了海道測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。作為一種不同于電子海圖、傳統(tǒng)紙海圖的新產(chǎn)品，S-102產(chǎn)品有諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在船舶航行、水文動(dòng)力模擬、空間數(shù)據(jù)分析等方面獲得廣泛應(yīng)用。

4.1船舶航行

相比電子海圖，水深表面產(chǎn)品用于船舶航行具有以下優(yōu)勢(shì)：水深信息更加豐富、更新更加方便（只需替換需要更新的切片）、能夠快速準(zhǔn)確生成安全等深線、更易于和潮汐等時(shí)序數(shù)據(jù)疊加計(jì)算富余水深等。將水深表面產(chǎn)品作為背景與電子海圖數(shù)據(jù)疊加應(yīng)用于航行是一種可行的、有效的應(yīng)用方式，如圖2。

圖2　S-102產(chǎn)品和電子海圖疊加顯示

航道工程

可利用GIS空間分析技術(shù)基于水深表面產(chǎn)品計(jì)算航道疏浚土石方量、航道邊坡比（航道是否穩(wěn)定的指標(biāo)）等數(shù)據(jù)，作為竣工驗(yàn)收的依據(jù)。

4.2科學(xué)研究

水文動(dòng)力模型、大氣-水文模型等數(shù)值計(jì)算模型都需要格網(wǎng)型海底地形數(shù)據(jù)。S-102產(chǎn)品能夠方便地應(yīng)用于水文動(dòng)力模型、大氣-水文模型中，滿足科學(xué)研究的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，美國(guó)、加拿大等國(guó)家的海道測(cè)量機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始生產(chǎn)并發(fā)布S-102產(chǎn)品，一些ECDIS設(shè)備生產(chǎn)商也正在升級(jí)軟件支持S-102產(chǎn)品的顯示和應(yīng)用。而我國(guó)尚未開展S-102產(chǎn)品的生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)S-102規(guī)范的研究和加快產(chǎn)品的生產(chǎn)。一旦S-102產(chǎn)品得到廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，由于其編繪簡(jiǎn)單、更新便捷，將會(huì)大大縮短新測(cè)水深應(yīng)用于船舶航行的周期，提高船舶航行安全。

參考文獻(xiàn)

[1]IHO.S -102 bathymetric surface product specification，e-dition1.0.0[s].Monaco: International Hydrographic Bureau，2012.

[2]IHO.S-100 通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型[M].中華人民共和國(guó)海事局譯.天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[3]Ed Kuwalek etc.The New IHO S-102 Standard Charting a New Frontier For Bathymetry.The International Hydrographic Review.2011 (2):21-25.

東海某氣田受損海管修復(fù)工程解析.

姜大正1段明昕1初旭洋2
（1.交通運(yùn)輸部上海打撈局 上海 200090；2.上海海洋石油局 上海 200120）

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

東海某氣田群位于東海大陸架，平均水深為94.4m～108.3m。現(xiàn)有CEP、A、B平臺(tái)以及各平臺(tái)之間的海底管線及電纜。其中A平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作水深為102.5m，B平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作水深為91.5m，兩平臺(tái)之間計(jì)劃鋪設(shè)一根12″的長(zhǎng)度為16.2km的水泥配重氣管線。A平臺(tái)至CEP平臺(tái)長(zhǎng)度為22.9km的12″海管已于2006年完成海上鋪設(shè)和試壓等工作。CEP、A及B平臺(tái)氣田群的位置分布如下圖1所示。

圖1　CEP、A平臺(tái)及B平臺(tái)的位置分布

CEP至A平臺(tái)的12″海底管道在2006年完成鋪設(shè)后，由于油田開發(fā)暫緩，該海底管道至今未投入運(yùn)營(yíng)。為進(jìn)一步掌握該海管的埋深狀態(tài)，氣田開發(fā)工程項(xiàng)目組在2013年對(duì)該海管進(jìn)行了物探調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，該管線在距A平臺(tái)中心280m處向東彎曲，彎曲段管線與原設(shè)計(jì)路由大致呈77°角，彎曲段長(zhǎng)約239m，管頭距原設(shè)計(jì)管線路由約為202m。初步判斷該海管可能被拖網(wǎng)漁船拖拽并偏離路由。受損管線彎曲狀態(tài)示意圖如下圖2：

圖2　受損管線彎曲狀態(tài)示意圖

受氣田開發(fā)業(yè)主委托，需要對(duì)受損的海管進(jìn)行修復(fù)，以保證后續(xù)氣田開發(fā)工程項(xiàng)目海上施工的順利實(shí)施。交通運(yùn)輸部上海打撈局使用中國(guó)首艘300m飽和潛水支持船“深潛號(hào)”及相關(guān)施工人員在于2013年7月-9月圓滿、高效的完成了受損海管的修復(fù)并通過(guò)了業(yè)主的清管試壓檢驗(yàn)等工作。施工中，海管環(huán)形切割機(jī)、多種法蘭及進(jìn)口機(jī)械連接器等先進(jìn)工具的使用、四段62m超長(zhǎng)直管的高效吊放和成功安裝刷新了水下安裝的記錄，不僅保證了氣田未來(lái)能夠按時(shí)投入運(yùn)營(yíng)，積累了豐富的飽和潛水維修海管的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也展示了上海打撈局過(guò)硬的技術(shù)力量和高素質(zhì)的海上施工隊(duì)伍。

2 工作范圍

本次受損海管的修復(fù)工程中上海打撈局工作范圍包括：1.提供完成海上施工所需的船舶及作業(yè)設(shè)備、飽和潛水隊(duì)伍及其他施工人員等；

2.受損舊海管的預(yù)調(diào)查及水泥壓塊等障礙物清理；3.機(jī)械連接器安裝點(diǎn)附近海管的切割及打磨；4.機(jī)械連接器及四段62m替代直管的安裝；5.切斷后的受損海管的移位和廢棄，海管頭的切割回收；6.四段直管上水泥壓塊的鋪放及機(jī)械連接器下方沙包的墊放及完工后調(diào)查；

7.修復(fù)海管的清管試壓支持工作。

2.1海管技術(shù)參數(shù)

CEP至A平臺(tái)的已鋪12″單層水泥配重混輸管線，基本規(guī)格如表1：

表1　已有12″單層水泥配重混輸管線參數(shù)

2.2四段替代直管參數(shù)

替代截?cái)嗟?39米舊管線的新的四段替代直管的基本參數(shù)如表2：

表2　四段替代直管參數(shù)

3 施工設(shè)備資源

3.1船舶及主要設(shè)備

交通運(yùn)輸部上海打撈局2012年8月交付使用的300m飽和潛水母船“深潛號(hào)”將作為飽和潛水支持船及主作業(yè)船完成此次工程。“深潛號(hào)”是一艘目前亞洲領(lǐng)先、世界一流的深潛水支持船，其投入使用，標(biāo)志著中國(guó)海上大深度潛水、搶險(xiǎn)救援打撈能力得以顯著提升，也使中國(guó)深水工程作業(yè)能力向世界先進(jìn)水平邁出堅(jiān)實(shí)一步。

“深潛號(hào)”總長(zhǎng)125.7m，型寬25m，型深10.6m，滿載排水量為15 864噸，配有現(xiàn)代化的直升機(jī)起降平臺(tái)，可航行作業(yè)于無(wú)限航區(qū)，動(dòng)力定位2級(jí)，能在復(fù)雜海況下不用錨泊自動(dòng)將船定位在指定區(qū)域，定位精度達(dá)到30cm，有效的支持飽和潛水等海上施工作業(yè)。此外，140噸主動(dòng)式海浪升沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)，進(jìn)一步保障了海上施工的安全和效率。

“深潛號(hào)”上同時(shí)配置了一套目前世界先進(jìn)的300m飽和潛水系統(tǒng)，最大工作深度可達(dá)水下300m，擁有12人居住艙，3人潛水鐘可供3名潛水員同時(shí)進(jìn)行潛水作業(yè)。本套系統(tǒng)獲英國(guó)勞氏證書，完全符合IMCA（國(guó)際海洋工程承包商協(xié)會(huì)）國(guó)際潛水最高標(biāo)準(zhǔn)的要求。它是目前中國(guó)工作深度最深，容納潛水員人數(shù)最多，設(shè)計(jì)理念和配置最為先進(jìn)的一套飽和潛水系統(tǒng)，在世界上屬于先進(jìn)水平。

另外，船上還配置了一臺(tái)水下機(jī)器人（ROV）。此次工程中，ROV將輔助進(jìn)行水下調(diào)查、配合吊機(jī)下放水泥壓塊及沙包等工作。

圖3　“深潛號(hào)”海上作業(yè)

3.2機(jī)械連接器

機(jī)械連接器選用美國(guó)QCS公司生產(chǎn)的GripLock（GLC）型機(jī)械連接器，其主要作用是連接舊海管和新的替代海管。其基本原理是將機(jī)械連接器的一端套在已打磨光潔的舊海管上，抱緊并形成密封，另一端是標(biāo)準(zhǔn)法蘭與新的海管法蘭對(duì)接。其結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4　機(jī)械連接器結(jié)構(gòu)原理圖

此次使用的機(jī)械連接器的主要參數(shù)如下表所示：

同時(shí)，國(guó)際先進(jìn)的分瓣式環(huán)形海管切割坡口機(jī)的使用，保證了海管水下多次切割的效率和管端精度要求；液壓螺栓張緊器系統(tǒng)的使用大大提高了水下法蘭螺栓安裝的質(zhì)量及效率。

圖4　環(huán)形海管切割機(jī)及液壓螺栓拉緊器

4 施工方法及過(guò)程

本次海管修復(fù)工程施工的主體思路是由潛水員在受損海管拐點(diǎn)位置附近切除彎曲受損的海管，在切割后的直管頭末端安裝機(jī)械連接器，再依次安裝4段總長(zhǎng)與被切割海管長(zhǎng)度大致相同的直管來(lái)達(dá)到海管修復(fù)的目的。按照施工順序，主要需要完成受損海管的切割及端部打磨、安裝機(jī)械連接器及新的四節(jié)替代直管、沙包及水泥壓塊的墊放、清管試壓支持等工作。

海管修復(fù)的主要施工如下：

1.“深潛號(hào)”到達(dá)A平臺(tái)預(yù)定位置附近，進(jìn)行DP測(cè)試；

2.潛水員沿受損海管調(diào)查，潛水員手持信標(biāo)配合定位人員進(jìn)行位置記錄，確定海管拐點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；調(diào)查海管原設(shè)計(jì)路由上海床的平整度、水泥壓塊、漁網(wǎng)等障礙物，并配合“深潛號(hào)”吊機(jī)移除原海管路徑附近50m內(nèi)的遺留障礙物；

3.海管受損情況及切割位置確認(rèn)（主要確認(rèn)機(jī)械連接器安裝的位置）；

4.潛水員拆除受損海管頭漁網(wǎng)及法蘭盲板進(jìn)行海管內(nèi)壓力的泄放；

5.各方確認(rèn)海管切割位置及機(jī)械連接器的安裝位置后，潛水員使用高壓水槍、液壓打磨刷和刮刀等工具處理需環(huán)形海管切割機(jī)切割位置附近的水泥層及防腐層；按機(jī)械連接器安裝的要求打磨需插入連接器內(nèi)部的海管表面（此處需特別注意，不可使用液壓鎬、鑿子等沖擊性工具清理海管表面，以防行程凹坑和損傷，影響機(jī)械連接器的密封性能）；

6.吊機(jī)下放環(huán)形海管切割機(jī)，潛水員將切割機(jī)安裝到位；環(huán)形切割機(jī)完成指定位置的切割；

7.潛水員配合吊機(jī)移除切下的彎曲海管至指定的廢棄區(qū)域；

8.QCS機(jī)械連接器廠方代表確認(rèn)海管頭打磨處理符合安裝要求；甲板吊放GLC機(jī)械連接器下水，到達(dá)指定深度后開啟升沉補(bǔ)償模式；潛水員引導(dǎo)機(jī)械連接器安裝到打磨好的管頭上；按照機(jī)械連接器安裝程序，使用液壓拉伸器對(duì)相應(yīng)螺栓進(jìn)行拉伸，使機(jī)械連接器夾緊海管并密封；按要求進(jìn)行試壓并完成保壓試驗(yàn)，最后向連接器內(nèi)加注黃油并完成所有安裝步驟。

圖5　QCS機(jī)械連接器

9.駁船靠“深潛號(hào)”，甲板準(zhǔn)備起吊第一根62m替代直管（安裝吊裝索具、導(dǎo)向牽引繩、綁扎信標(biāo)、法蘭螺栓及水下空氣浮袋等）；潛水員在水下安裝法蘭捕捉器；

10.吊機(jī)起吊并下放第一根直管至指定位置；潛水員引導(dǎo)第一根直管與機(jī)械連接器法蘭靠近，安裝法蘭密封圈后安裝螺栓及螺帽；潛水員在螺栓上安裝液壓拉伸頭及液壓管線，按施工方案完成螺栓拉伸；

11,潛水員回收安裝工具；移船到第一根直管末端，吊放第二根直管下水，潛水員配合吊機(jī)將第二根直管端法蘭與第一根末端法蘭組對(duì)，安裝密封圈、螺栓及螺帽；安裝液壓拉伸器并按程序進(jìn)行螺栓拉伸；拆除回收安裝工具；

圖6　吊裝第一段替代直管

12.重復(fù)以上步驟完成第三、四根63m替代直管的安裝。

13.四段直管完成安裝后；潛水員在機(jī)械連接器下方凹坑中墊放水泥沙包對(duì)連接器及海管進(jìn)行支撐；ROV配合吊機(jī)在替代直管上布放水泥壓塊，保護(hù)海管；

14.最后ROV進(jìn)行施工后調(diào)查。

至此，受損海管的修復(fù)工作已全部完成后，在另一項(xiàng)目中，“深潛號(hào)”又完成了第四段直管與導(dǎo)管架立管之間膨脹彎的安裝，完成了整條海管和平臺(tái)立管的最終對(duì)接，最后對(duì)CEP 至A平臺(tái)的整條管線進(jìn)行清管及試壓工作，完成了試壓壓力的24小時(shí)穩(wěn)定，標(biāo)志著受損海管的修復(fù)取得了圓滿成功，達(dá)到了設(shè)計(jì)及生產(chǎn)要求。

5 工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在東海某氣田受損海管的修復(fù)工程中，上海打撈局急業(yè)主之所急，技術(shù)人員憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)及創(chuàng)造力，提出了可行性的施工方案，大膽使用新的施工方法和設(shè)備提高工作效率，如QCS機(jī)械連接器、環(huán)形海管切割機(jī)、法蘭捕捉器、超長(zhǎng)直管的高效吊放和水下安裝等。按照業(yè)主施工要求，在現(xiàn)場(chǎng)業(yè)主代表的指導(dǎo)及支持下，在施工人員的共同努力下，圓滿完成了受損海管的修復(fù)工作。工程的施工中積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和值得推廣的方法，主要包括：

1.此次受損的12″海管水深約100m，海管的修復(fù)難度較大，施工復(fù)雜，單獨(dú)使用ROV等無(wú)人水下工具很難完成，普通的空氣潛水無(wú)法到達(dá)此深度，因此必須使用作業(yè)深度更大、效率更高及更為先進(jìn)的飽和潛水才能完成。

2.合理施工工具的選擇和施工方案的設(shè)計(jì)是工程順利高效完成的保障。經(jīng)過(guò)多次比較，最終選擇QCS公司的GripLock型機(jī)械連接器，主要因?yàn)槠渚哂袧撍畣T操作相對(duì)簡(jiǎn)便、抱緊力大、密封性好等特點(diǎn)。同時(shí)環(huán)形海管切割機(jī)的使用大大的提高了海管切割的效率，較傳統(tǒng)電氧切割方法不僅提高了效率，切割端面的平整度也非常高。受損的約240m海管的替代直管的選擇也是對(duì)海上施工難度的巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)綜合考慮直管長(zhǎng)度、所使用法蘭總數(shù)量及經(jīng)濟(jì)性、海上施工的難度等因素，技術(shù)人員決定使用4根62m的超常規(guī)直管，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的吊梁和索具方便海上吊裝。同時(shí)在水下安裝過(guò)程中，施工人員結(jié)合安裝導(dǎo)向鋼絲、定位信標(biāo)及吊機(jī)的升沉補(bǔ)償功能，準(zhǔn)確的將直管下放到指定位置并精確對(duì)接法蘭。

3.液壓螺栓拉緊器是一種在法蘭對(duì)接及螺栓拉緊施工中非常高效的系統(tǒng)。此次工程中所使用的拉緊器能夠通過(guò)液壓動(dòng)力同時(shí)對(duì)法蘭上所有螺栓進(jìn)行同步拉緊，這樣保證了所有螺栓的上緊都使用相同的力，也保證了法蘭面的對(duì)接精度。相比于傳統(tǒng)的使用液壓扳手依次順序上緊螺栓的方法，此套系統(tǒng)可靠，高效，值得在今后類似作業(yè)中推廣使用。

以上先進(jìn)的施工工具和施工工藝的使用，大大的提高了作業(yè)效率。此次項(xiàng)目中，一根62m直管從吊放到完成法蘭對(duì)接、安裝，最快在8小時(shí)內(nèi)即可完成，刷新了國(guó)內(nèi)已知的類似管端安裝的記錄。相對(duì)于以往將海管吊放到海底，潛水員利用壓重塊、空氣浮袋、倒鏈等工具逐步調(diào)整法蘭和海管的位置的方法，施工效率有了成倍的提高。

這些寶貴的受損海管維修的經(jīng)驗(yàn)，在以后的類似作業(yè)中值得借鑒和推廣。同時(shí)此次施工中上海打撈局的動(dòng)力定位船“深潛號(hào)”、飽和潛水、深沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用配合也起到了非常大的作用，也為上海打撈局積累了更豐富的海上施工經(jīng)驗(yàn)。

6 展望

隨著我國(guó)海上資源的逐步開發(fā)，尤其是東海、南海海域近年迎來(lái)的大規(guī)模油氣勘探和開采，海上油田的大規(guī)模開發(fā)和建設(shè)已經(jīng)隨之興起。海底管道是海上油氣集輸和生產(chǎn)系統(tǒng)的生命線，一旦出現(xiàn)泄漏，不僅造成油氣集輸和生產(chǎn)中斷，更會(huì)造成對(duì)海洋環(huán)境的污染，如不及時(shí)修復(fù)，后果十分嚴(yán)重。我國(guó)已投產(chǎn)的海上油田海底輸油輸氣管道相應(yīng)總長(zhǎng)度已達(dá)6 000多km，95%以上在水深300m內(nèi)。海底管道相對(duì)陸上管道投資大施工難度高質(zhì)量要求嚴(yán)格，一旦泄漏修復(fù)難度很大。

飽和潛水能夠完成300m內(nèi)水深的各種作業(yè)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大深度、長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，與空氣潛水或氦氧潛水相比，有效潛水時(shí)間增長(zhǎng)可達(dá)10倍以上，可大幅度提高潛水作業(yè)效率，從而減少施工時(shí)間，節(jié)約成本。同時(shí)飽和潛水進(jìn)行海底管道修復(fù)動(dòng)用大型工程船舶少，全過(guò)程僅需配置一艘主要?jiǎng)恿Χㄎ皇┕つ复┕み^(guò)程全部在水下實(shí)現(xiàn)，與使用大型鋪管船等進(jìn)行將海管撈起至水面修復(fù)相比，船舶費(fèi)用減少約三分至二。同時(shí)使用機(jī)械連接器和替代直管修復(fù)損壞海管段，技術(shù)新穎，施工簡(jiǎn)便，質(zhì)量有保證，水下工作僅為連接法蘭，與使用水下干式艙等修復(fù)的海管方式相比，技術(shù)可靠，效率高。

綜上所述，此次海管修復(fù)工程的高效、順利完成，積累了豐富的海管維修經(jīng)驗(yàn)，檢驗(yàn)了新的施工工具和施工方法的可行性，成套施工方法值得在類似海管維修工程中推廣。

作者簡(jiǎn)介：[1]邢偉坡（1983-），男，河北保定人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于北京師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)，主要從事海洋測(cè)繪技術(shù)研究等工作。