工程船舶动力定位系统失效原因及风险控制措施分析

摘 要：动力定位（Dynamic Positioning，简称DP）是指船舶或平台通过使用自身的推进器来自动保持固定的位置或艏向的定位方式。动力定位通常用于那些通过常规的锚泊定位无法进行定位作业的场合。对于所有动力定位的船只或平台而言，都存在可能的动力定位失效情形：即动力偏移（Drive-off）和被动漂移（Drift-off）。文章以深水DP钻井设施和深水DP铺管船为例，详细阐述了动力定位系统可能失效并移位的原因，及移位的后果。针对这些分析成果，提出了减小DP移位风险的技术和管理措施。

关键词：动力定位;事故统计;风险分析

中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）02-0071-04

1 介 绍

动力定位（英文：Dynamic Positioning，简称DP）是指船舶或平台通过使用自身的推进器来自动保持固定的位置或艏向的定位方式。动力定位通常用于那些通过常规的锚泊定位无法进行定位作业的场合，例如，深水或超深水区域、水下存在密集的管线或水下开采设施的区域等等。动力定位的船只在海上石油工业中被广泛应用。目前全球有数千艘配备有动力定位装置的船舶或平台。

动力定位钻井平台（也包括动力定位钻井船，下同）适用的水深约300 m起，目前到3 000 m或更深水域。动力定位钻井平台具有诸多优点，如便于移动、可用性高、适合深水、不需要复杂的锚泊布置作业且不对海底生产设施产生大的影响等等。因此，自上世纪80年代以来，动力定位钻井平台在巴西、美国墨西哥湾、北海、西非等海域被广泛应用。动力定位钻井平台在中国海域的作业相对开始较晚，但前景看好。2006年，中海油和哈斯基公司通过租用美国钻井船东Transocean Inc.的动力定位钻井船Discoverer 534，在荔湾3-1-1水深1 481 m的地区进行了深水勘探钻井，发现了可观的天然气可采储量，展示了中国深水海域油气资源的广阔前景。

对于所有动力定位的船只或平台而言，都存在可能的动力定位失效情形。失效模式主要有两种：动力偏移（英文：Drive-off）和被动漂移（英文：Drift-off）。失效后果根据船舶的作业性质而不同，如DP钻井船，则需要及时切断隔水管并关闭防喷器。如果应急切断失效，钻井设备、井口及防喷器将可能被损坏，钻井船将会损失工作时间并遭受很大的经济损失。在最不利的情况，这样的事故还可能引发海底的井喷事故，给作业海域的安全、环境都造成巨大的损害。如果是DP铺管船，可能造成设备或管道损坏，危及作业线工作人员的安全。如果是潜水支持船，潜水员的生命安全将受到威胁。总言之，动力定位失效是深水油气田开发和海上作业有的重大风险。

钻井平台动力定位作业的安全问题一直受到各国政府、石油公司和钻井承包商的重视。在2003年，应当时挪威石油管理当局（Norwegian Petroleum Directorate）的要求和建议，挪威船东协会（Norwegian Shipowners Association）联合挪威科学和技术大学（Norwegian University of Science and Tec-

hnology）、挪威的Statoil和Hydro石油公司、在挪威大陆架有动力定位钻井平台在作业的各大钻井承包商（Smedvig Offsho-

re，Stena Drilling，Saipem）、挪威海事局（Norwegian Maritime Di-

rectorate）、英国健康安全委员会（Health and Safety Executive， UK）、船级社（Det Norske Veritas）以及动力定位系统的供应商（Kongsberg Maritime）、动力定位系统操作员的培训机构（Ship Manoeuvring Simulator Centre），共同出资，开始了对钻井平台动力定位作业安全的专项研究。Scandpower公司是该研究工作的主要负责方。该项研究为期两年，取得了一系列的成果，深受参与方的好评，并已在挪威海域的动力定位钻井平台上得到应用。

为减小动力定位失效的风险，各船级社的设计规范对不同动力定位级别（DP2或DP3）的平台或船舶的系统冗余性都有明确的要求。尽管如此，每年仍有为数不少的动力定位事故发生，某些事故甚至造成了非常严重的后果。本文详细介绍了在过去十年中，对国际海事承包商组织的年度动力定位事故的分析成果。这些数据代表了在英国和挪威北海海域，包括挪威大陆架和英国大陆架作业的动力定位船舶或平台的行业经验。其他海域的经验，比如加拿大海域也部分包括在内。文章以深水DP钻井设施和深水DP铺管船为例，详细阐述了动力定位系统可能失效并移位的原因，及移位的后果。针对这些分析成果，文章提出了减小DP移位风险的技术和管理措施。相信这些结果和建议对在中国海域的深海动力定位作业能提供很好的借鉴和参考。

2 移位事故统计和原因分析

2.1 动力定位钻井/修井设施的移位事故统计

2000～2009年间，根据国际海事承包商组织的年度动力定位事故报告，动力定位钻井/修井设施发生的移位事故共有51起。统计的钻井/修井设施主要是半潜式钻井平台，也包括了部分船型的钻井船。由于部分事故报告无法确定是钻井平台还是钻井船的事故，本分析中没有区别统计这两类设施的事故。这51起事故中，动力偏移事故4起，被动漂移事故47起。上述统计的主要是严重移位的事故，对于那些发生偏移后及时恢复位置，不需要启动紧急切断的事件，没有统计在内。各年发生的动力定位钻井/修井设施移位事故统计如图1所示。

各种直接原因导致的被动漂移事故比例如图2所示。从统计结果来看，包括发电机、高低压配电盘、UPS等在内的发配电故障是钻井/修井设施被动漂移的最大直接原因，大约一半的被动漂移事故是由于电力系统故障导致的全船断电或部分断电事故。除此以外，动力定位控制系统软硬件故障、动力定位操作员的失误和恶劣天气是导致被动漂移事故的主要直接原因。

从4起动力偏移事故的原因来看，两起事故是由于推进器故障导致，另起事故是由于位置参考系统故障导致的。由于统计的10年内只有4起主动漂移事故，样本较少，上述统计并不能充分反映导致钻井/修井设施动力偏移的所有原因以及这些原因对事故的贡献。在对挪威海域动力定位钻井平台事故事件的资料进行详细分析后的结果显示，由于DGPS系统（基于GPS全球定位系统，经过设在陆上的观察站校正后，向动力定位控制系统提供平台的实时位置数据的硬件系统，是动力定位系统的重要组成部分。）失效导致的平台动力偏移是一个需要引起各方关注的失效模式。动力偏移产生的机理是由于两个DGPS系统同时产生错误的位置数据。这样的失效模式引发的平台移位在最近几年中发生多次。

2.2 铺管作业移位事故统计

1998～2007年间动力定位铺管船海上铺管中移位的事故共有43起，如图3所示。其中动力偏移事故21起，被动漂移事故22起。大多数动力定位铺管船是DP2或DP3的船舶。超过一半的事故发生在铺管过程中，其他事故发生在其他作业阶段，比如测试或准备阶段。

各种直接原因导致的被动漂移事故比例如图4所示。从统计结果来看，包括发电机、高低压配电盘、UPS等在内的发配电故障是铺管作业被动漂移的最大直接原因，大约一半的被动漂移事故是由于电力系统故障导致的全船断电或部分断电事故。除此以外，位置参考系统故障、恶劣天气和动力定位控制系统软硬件故障是导致被动漂移事故的主要直接原因。

各种直接原因导致的动力偏移事故比例如图5所示。从统计结果来看，操作员失误、动力定位控制系统软硬件故障、位置参考系统故障和推进器故障是动力偏移事故的主要直接原因。

2.3 讨 论

在收集动力定位事故和统计的过程中，作者注意到国际海事承包商组织的动力定位事件报告是秉承自愿上报的原则，因此，可能存在出现事故而未上报的情况。同时，事故的数量与报告年份活跃的船舶/平台数量和活跃作业时间密切相关，这些信息无法从现有的资料中得到。作者也注意到不同DP等级（DP1，DP2或DP3）的设施动力定位事故的发生率存在差异，原始的事故报告中并没有给出这些设施的DP等级，因此在本次统计中未作区分。比较钻井设施和铺管船的事故统计不难发现，相比钻井设施，动力定位铺管船有数量更多的动力偏移事故。这可能与钻井设施的部分事故没有上报有关，但我们也应当注意到统计中的钻井设施大多数为半潜式平台，而铺管作业的均为船型的铺管船，这也是两类统计对象除作业方式以外的一个重要差异。

基于上述前提，从动力定位钻井/修井设施和铺管船的移位事故年度统计来看，没有信息表明每年的事故数量呈明显上升或明显下降的趋势，现有的事故统计基本反映了过去十年行业内动力定位事故的发生情况，在相关技术没有革命性革新的情况下，可以作为预计未来移位事故发生频率的基础。

2.3.1 导致被动漂移事故的原因

从事故的原因来看，导致被动漂移事故的原因包括。

①电力系统故障。

②恶劣环境和天气条件。

③动力定位控制系统故障。

④位置参考系统故障引起船舶无法定位，无法计算需要输出的推力。

⑤推进器故障导致部分丧失推力。

⑥操作员失误导致部分或全部丧失推力。

其中，最常见的事故原因是电力系统故障导致的全船断电或局部断电，动力定位钻井/修井设施和铺管船的事故数据都表明大约有一半的事故是这类故障引起的。

2.3.2 导致动力偏移事故的原因

①操作员失误，如动力定位操作员错误的输入了目标位置或其他错误的操作。

②动力定位控制系统故障。

③位置参考系统故障导致测量位置与实际位置不同。

④推进器故障，向不正确的方向或/和以不正确的数值输出推力。

需要注意的是，这些直接原因在移位事故中往往不是单独存在的，通常是结合了其他一些次要原因或隐藏的故障导致了移位事故的发生。这些次要原因包括不完善的规程、测试、维护、调试或质保工作不到位等等。

3 移位事故的风险控制措施

一艘在海上进行钻井作业的平台，平台采用动力定位的方式，如图6所示。在正常作业期间，平台定位在黄色警戒线内的绿色区域。在动力定位失效后，钻井平台将偏移其正常定位的区域，到达黄色或红色警戒线。如果平台越过黄色警戒线，钻井作业必须停止，同时司钻开始准备应急切断作业;如果平台越过红色警戒线，则应急切断作业必须被启动，从而及时切断立管和防喷器的连接并关闭井口;如果应急切断失效，钻井设备、井口及防喷器将可能被损坏，平台将会损失工作时间并遭受很大的经济损失。在最不利的情况，这样的事故还可能引发海底的井喷事故，给作业海域的安全、环境都造成巨大的损害。

因此，深海钻井平台动力定位作业的安全，可通过以下三个安全屏障功能（Barrier Function）来保证，如图7所示。

①安全屏障功能1：能防止平台移位的发生。

②安全屏障功能2：在移位发生后，能有效地制止平台的运动。

③安全屏障功能3：在平台严重移位后，能确保井口的完整性。

海上进行铺管作业的动力定位铺管船在正常的铺管作业时，受外部环境制约，为保持既定的航线，船舶的动力定位系统必须能够有效地对来自各个方向的风、浪、流的影响并做出相应的反应，保证作业的顺利进行。除此以外，铺管船的动力定位系统在铺管作业过程中需要保持管线的张力，管线张力值实时传送给动力定位系统，动力定位系统经过处理输出相应的动力，保持管线的张力。如图8所示。

对于铺管作业而言，如果船舶位置发生偏移超出允许范围，由于弃管作业需要数小时准备时间，不能立即完成弃管。因此，与钻井平台相比，动力定位铺管船的安全只能通过以下两个安全屏障功能（Barrier Function）来保证：

安全屏障功能1：能防止铺管船移位的发生。

安全屏障功能2：在移位发生后，能有效地制止铺管船的运动。

在这三类安全屏障中，安全屏障功能1与动力定位平台或船舶的设计、建造、设备、运行和维护有关，需要在动力定位平台全生命周期内保证系统的可靠性，针对移位的主要原因采取有针对性的管理措施。这些措施包括。

①采用冗余的设计以大大提高系统应对故障的能力，降低部分断电和全船断电的可能性，并在运行中保证这些系统的可用性。

②设计中采用多种类型的位置参考系统，同时注意避免这些冗余的位置参考系统及其输入的传感器可能的共因失效。

③关键设备应当选择经实践验证有可靠性保障的产品，同时对设备管理记录、状态监控、定期维护和保养、备件计划应当有完善的管理流程来确保设备运行的可靠性。

④根据良好的海洋工程实践，采取一切合理可行的预警手段，确保能够及时获取天气条件的变化并采取相应的行动。

在平台或船舶移位发生后，必须采取有效措施来制止平台或船舶的运动（安全屏障功能2），以免移位进一步加剧，升级成为严重移位的事件。由于在移位发生后，不存在自动控制系统能够起作用来将运动停止，动力定位系统的操作员是唯一能够实现这个功能的安全屏障。动力定位系统的操作员必须在很短（通常在几分钟内）的时间里，将平台或船舶的运动控制住。否则，将引发更为恶劣后果的事故。这样的情况对动力定位操作员的能力提出了很高的要求。建议采取以下措施以提高操作员成功干预的可能性。

①改进控制室的设计，优化动力定位系统操作员的操作台及信息显示系统。

②改进动力定位控制系统报警的产生、报警信号的接收、理解及处理，和报警的原则的优化。

③优化动力定位系统操作员的作业规程，确保及时识别出偏差、正确处理位置参考系统失效的情形、以及在应急状况下的应急措施。

④加强对动力定位系统操作员的培训，尤其是在动力定位模拟器中针对可能的应急情形的训练。

对于钻井平台而言，在平台严重移位时，必须启动应急切断以确保井口的完整性（安全屏障功能3）。在越过立管和井口装置能承受的极限位置后，如果应急切断此时还未完成，则可能导致严重的设备损坏。在防喷器或井口装置损坏，或立管断裂同时防喷器剪切闸板没有完全闭合的情况下，将出现失去井口完整性的情形，意味着在海底形成一个没有任何防护屏障的空洞。井内的油气（如果有的话）将形成海底井喷，对该水域的安全和环境构成很大威胁。针对第三道安全屏障，建议的措施如下。

①在作业过程中应确保应急切断系统、安全切断系统（SDS）和井口关断系统的完整性和可用性。

②在作业安全管理中应关注动力定位操作员判断情况的能力和在需要时能够及时启动红色警报（司钻收到后启动应急切断系统）的能力。

③动力定位操作员和司钻启动应急切断系统的定期演练。

④在防喷器内存在不可剪切物时（防喷器剪切闸板将无法完全闭合，一旦出现需要应急切断的情况），应采用严格的作业规程来确保动力定位作业的安全。

4 结 语

动力定位失效是深水油气田开发和海上作业有的重大风险，通过收集和整理国际海事承包商组织的动力定位事故，本文总结了动力定位设施发生动力偏移和被动漂移事故的几类主要原因，在动力定位设施实际作业过程中应当有针对性地采取措施提高动力定位设施的运行安全性。在发生移位事故后的应急处理上，应当加强相关操作人员的培训（特别是在应急状况下的培训），改善控制室人机界面，完善作业规程，并提高应急安全系统的可靠性。对于特定海域的油气勘探开发，还需要考虑海域和开发项目的特点，必要时应当开展针对特定项目的风险分析以支持安全技术措施和管理措施的决策和制定。科学合理的开展动力定位设施的风险控制和管理，才能有效地降低动力定位失效的风险，确保海上油气勘探开发的安全。

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