ROV在深水海底電纜鋪設(shè)中的應(yīng)用研究

劉 陽(yáng)，李軍安

（天津港灣水運(yùn)工程有限公司，天津 401331）

1 引言

近年來(lái)，隨著海洋石油開(kāi)發(fā)不斷向深水區(qū)域發(fā)展，在潛水員不能達(dá)到的深度和不安全的作業(yè)環(huán)境中，ROV（Remotely Operated Vehicle）是最主要的作業(yè)工具之一，其深水作業(yè)能力強(qiáng)的特點(diǎn)使其能夠完成高強(qiáng)度、大負(fù)荷的工作。

2 ROV及其作業(yè)系統(tǒng)介紹

ROV（Remotely Operated Vehicle），遠(yuǎn)程操縱運(yùn)載器，國(guó)內(nèi)通常稱為水下機(jī)器人。自1953年第一臺(tái)ROV下水，ROV從誕生走向產(chǎn)業(yè)化只用了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。在海上石油開(kāi)發(fā)、海洋科學(xué)研究、海底礦藏勘探、海底打撈救生以及軍事應(yīng)用等方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。ROV發(fā)展到今天，數(shù)量和品種已經(jīng)非常多。近幾年來(lái)，已經(jīng)多達(dá)275種，工作水深從幾十米到上萬(wàn)米，重量由幾十千克到幾十噸，而且出現(xiàn)了許多專用型ROV。

ROV的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的復(fù)雜工程，技術(shù)密度高，其研制水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)力量。作為一種由水面控制的高技術(shù)水下作業(yè)系統(tǒng)，ROV能在水下三維空間自由航行，通過(guò)外掛攝像頭、避障聲納或管線跟蹤器觀察，再結(jié)合多功能機(jī)械手或其它水下工具，完成大量的水下作業(yè)任務(wù)。

按控制方式ROV可分為兩種：系纜型和無(wú)纜型。系纜型通過(guò)臍帶電纜獲得動(dòng)力、傳送操作指令和遙測(cè)數(shù)據(jù)；無(wú)纜型由動(dòng)力定位船通過(guò)聲納發(fā)信器發(fā)出遙控指令，對(duì)潛器的工作實(shí)現(xiàn)遙控。

在海洋石油開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，ROV主要應(yīng)用在海洋設(shè)施安裝水下支持、海洋設(shè)施水下檢測(cè)、海管海纜鋪設(shè)現(xiàn)狀調(diào)查、海管海纜鋪設(shè)支持等。

2.1 ROV系統(tǒng)組成

系纜型ROV的技術(shù)最成熟、成品多、門(mén)類齊全，應(yīng)用廣泛。PantherPlus909 ROV就是此類ROV中的一個(gè)比較典型的代表。就整體系統(tǒng)而言包括潛水器、主控集裝箱（Control Room）、維修和工具集裝箱（Workshop）、臍帶和回收鋼纜絞盤(pán)系統(tǒng)（Winch）以及ROV釋放與回收系統(tǒng)（A-Frame或Crane）、液壓動(dòng)力站（HPU）以及用于絞盤(pán)系統(tǒng)和釋放回收系統(tǒng)操控臺(tái)（Control Panel）。

2.2 水下作業(yè)系統(tǒng)

ROV本身作為一種運(yùn)載工具，在進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)必須攜帶水下作業(yè)工具。可以說(shuō)，水下作業(yè)系統(tǒng)是ROV工作系統(tǒng)的核心，沒(méi)有它，水下機(jī)器人充其量只是個(gè)觀察臺(tái)架而已。

水下作業(yè)系統(tǒng)包括多功能機(jī)械手和各種水下作業(yè)工具包。主要有以下一些功能：海下救助和打撈，海底打撈物提升纜的系結(jié)，海中閘門(mén)的關(guān)閉，海中螺栓的拆裝，海中各種柔性纜、鋼纜的切割，水下構(gòu)件或船體表面的清洗，水下鉆孔，管線檢測(cè)等。

2.3 吊放回收系統(tǒng)

ROV通常由支持母船運(yùn)載到作業(yè)地點(diǎn)，然后從母船上將其吊放至水中，而當(dāng)其完成水下作業(yè)（或發(fā)生意外情況），又將其回收到母船上進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。然而，在海面與大氣交界處進(jìn)行吊放回收作業(yè)時(shí)是十分危險(xiǎn)的。海況是一個(gè)主要不利因素，風(fēng)浪、海流的作用以及母船的橫搖、縱搖、升降運(yùn)動(dòng)都會(huì)使ROV產(chǎn)生難以預(yù)料的運(yùn)動(dòng)，極易發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。

3 ROV深海水下作業(yè)實(shí)例

本文以深海電纜鋪設(shè)項(xiàng)目為例，介紹ROV在深海作業(yè)水下作業(yè)過(guò)程，儀器參數(shù)如下：

ROV型號(hào)：ROVTECH公司：PantherPlus909型ROV

海纜鋪設(shè)支持船舶：海洋石油299

海底電纜的型號(hào)和規(guī)格：6130M×Φ87mm復(fù)合電纜，空氣中重量17.5kg/m，水中重11.8kg/m。

3.1 預(yù)先調(diào)查

海纜由東方CEP中心控制平臺(tái)到WHPA平臺(tái)，全程一共5.6 km（如圖1所示）。在電纜鋪設(shè)前首先需要ROV對(duì)海床面和導(dǎo)管架水下情況做好預(yù)調(diào)查。

調(diào)查的范圍主要包括：①檢查兩側(cè)的平臺(tái)電纜護(hù)管鋼絲不被導(dǎo)管架陽(yáng)極等結(jié)構(gòu)物纏繞。②檢查護(hù)管喇叭口方向是否正確以及是否有盲板封堵、平臺(tái)附近電纜抽拉路徑是否有障礙物、電纜鋪設(shè)路徑上有無(wú)影響作業(yè)的漁船等。

3.2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決辦法

預(yù)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)在20水深處電纜護(hù)管鋼絲被導(dǎo)管架上的陽(yáng)極塊纏繞，ROV使用液壓手臂將纏繞住的鋼絲繩從陽(yáng)極塊上繞出。并對(duì)平臺(tái)附近電纜抽拉路徑上的障礙物進(jìn)行清理。檢查喇叭口方向正確，沒(méi)有盲板封堵。

圖1 作業(yè)平臺(tái)示意圖

3.3 ROV的水下作業(yè)支持

ROV完成預(yù)調(diào)查后，海洋石油299就位于CEP中心控制平臺(tái)，距平臺(tái)約30 m，如圖2所示。將牽引鋼絲繩由撇纜繩送到海洋石油299甲板。牽引鋼絲與電纜頭網(wǎng)套用5噸碟型卡環(huán)連接固定。啟動(dòng)絞車(chē)牽引電纜上平臺(tái)。ROV在水下喇叭口通過(guò)廣角微光攝像頭監(jiān)視電纜的松緊程度，根據(jù)ROV水下的觀察情況來(lái)決定電纜收放速度的快慢。

海纜由J型護(hù)管拉上CEP控制平臺(tái)后測(cè)試海纜的通訊線路是否完好，測(cè)試完成后開(kāi)始走船放纜，起始鋪設(shè)方式采用的是步長(zhǎng)方式，即電纜釋放長(zhǎng)度等于走船距離，ROV在水下觀察海纜著地點(diǎn)和海纜的受力情況，手動(dòng)操作張緊器，過(guò)彎段100 m后張緊器轉(zhuǎn)為恒張力鋪設(shè)。設(shè)計(jì)水深70 m，電纜著地點(diǎn)與船舶距離為77 m，電纜拉力1400 kg與船尾夾角為25°ROV在水下觀察電纜著地點(diǎn)的變化，通過(guò)DP定位系統(tǒng)和ROV潛器的信標(biāo)來(lái)確定海纜著地點(diǎn)與鋪纜船的距離。在海底電纜鋪設(shè)過(guò)程中，DP定位人員與張緊器造作員進(jìn)行距離長(zhǎng)度對(duì)比，每100校對(duì)一次，走船速度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)海況情況而定，海底電纜鋪放速度暫定為15～20 m/min。

當(dāng)船舶到達(dá)末端WHPA平臺(tái)拐點(diǎn)時(shí)進(jìn)入結(jié)束端電纜鋪設(shè)，暫停走船，張緊器改為手動(dòng)操作，釋放電纜使著床距離為10～15m （既海纜在海床的著地點(diǎn)與船舶的距離為10～15m），張緊器記數(shù)器設(shè)置為零，鋪設(shè)方式為步長(zhǎng)式（這時(shí)所剩電纜長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于350m）。

圖2 作業(yè)支持示意圖

當(dāng)計(jì)數(shù)器現(xiàn)實(shí)電纜剩余量30～35m時(shí)，暫停走船，切掉甲板上的多余電纜，開(kāi)始制作電纜頭。制作完成后繼續(xù)走船，待電纜頭下塔架后，停船到電纜護(hù)管喇叭口的軸線上，WHPA平臺(tái)將牽引鋼絲由漁船送到海洋石油299甲板上，如圖3所示。與電纜連接后將牽引鋼絲繞過(guò)導(dǎo)向柱送入水中，平臺(tái)使用氣動(dòng)絞車(chē)慢慢收緊牽引鋼絲，張緊器計(jì)數(shù)器設(shè)置為零開(kāi)始收纜、海纜由平臺(tái)絞車(chē)?yán)掀脚_(tái) （299甲板上張緊器的操作員要與平臺(tái)上氣動(dòng)絞車(chē)控制人員保持密切聯(lián)系以保證張緊器與絞車(chē)的同步）。

ROV潛至平臺(tái)喇叭口附近監(jiān)視電纜的松緊程度，將畫(huà)面?zhèn)魉徒o299船駕駛臺(tái)，通過(guò)觀察畫(huà)面來(lái)調(diào)整張緊器和絞車(chē)的收纜速度。

圖3 電纜伸縮示意圖

當(dāng)張緊器計(jì)數(shù)器顯示收回電纜到130m時(shí)，工作暫停，在299后甲板左右電纜上各安裝一個(gè)電纜拖拉網(wǎng)與299甲板上的兩個(gè)氣動(dòng)絞車(chē)相連，兩個(gè)氣動(dòng)絞車(chē)帶力收緊鋼絲繩，張緊器稍微從水中收回電纜，左側(cè)絞車(chē)跟隨收緊，使海纜在甲板上的彎段放松不受力時(shí)，打開(kāi)張緊器履帶輪，將海纜抬出甲板導(dǎo)向柱，兩個(gè)絞車(chē)慢慢釋放電纜?；謴?fù)平臺(tái)電纜牽引工作，當(dāng)電纜彎段到達(dá)船尾時(shí)，甲板上兩個(gè)氣動(dòng)絞車(chē)?yán)^續(xù)放下電纜，平臺(tái)牽引速度保持與甲板兩個(gè)氣動(dòng)絞車(chē)釋放速度同步。ROV下水監(jiān)測(cè)下放電纜過(guò)程。防止張緊器側(cè)的海纜在下放過(guò)程中在海床上堆積成堆 （如果發(fā)現(xiàn)海底電纜有堆積出現(xiàn)，299將移船調(diào)整）。

當(dāng)海纜拉上平臺(tái)的長(zhǎng)度滿足平臺(tái)要求長(zhǎng)度時(shí)，將電纜放到海床，甲板切斷固定端的鋼絲繩，氣動(dòng)絞車(chē)回收鋼絲繩。海底電纜經(jīng)測(cè)試完成后正式投入使用。海纜鋪設(shè)項(xiàng)目結(jié)束。

4 ROV應(yīng)用前景展望

（1）計(jì)算機(jī)技術(shù)在ROV中的應(yīng)用促進(jìn)ROV控制技術(shù)發(fā)生巨大變化，新一代采用更新型技術(shù)的ROV已經(jīng)開(kāi)始呈現(xiàn)在我們的面前。多媒體技術(shù)、臨場(chǎng)感技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將產(chǎn)生新一代全新概念的ROV。

（2）近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。國(guó)際公海組織規(guī)定，對(duì)有能力進(jìn)行深?？碧降膰?guó)家將有優(yōu)先開(kāi)采權(quán)。因此開(kāi)發(fā)深水海洋石油將是我國(guó)面臨的一個(gè)非常迫切而富有挑戰(zhàn)性的工作。然而海洋石油開(kāi)發(fā)的主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因此對(duì)機(jī)器人的要求更高。而目前的ROV臍帶電纜約束了ROV水下載體的活動(dòng)范圍，增加了成本，在復(fù)雜環(huán)境中危害著ROV水下載體的安全。因此，AUV（Autonomous Underwater Vehicle）技術(shù)將成為ROV技術(shù)的延伸和發(fā)展。

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