水下機器人在深水海底電纜維修中的應用

王丹

摘 要:隨著海洋石油開發(fā)向深水區(qū)域的發(fā)展,對于包括海底電纜、海底油氣輸送管線、水下井口等在內的水下設施的維修工作日益增多。本文通過實例,介紹了水下機器人作為一種實用的水下作業(yè)工具,能夠在深水海底電纜維修項目中代替飽和潛水作業(yè),并具有突出的經濟性,其在海洋石油工程項目中的作用將越發(fā)重要。

關鍵詞:水下機器人海洋工程深水海底電纜維修

中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(b)-0020-02

海洋石油固定式采鉆平臺(或油輪)間的動力、通訊傳輸通常都是由鋪設在海底的復合電纜來實現(xiàn)的。近年來,隨著海洋石油開發(fā)不斷向深海發(fā)展,海底電纜的鋪設深度也逐步增加。目前,南海各油田的海底電纜鋪設深度平均為100m左右,正在開發(fā)的深水項目將達到180m水深。但是,這也給海底電纜的故障維修帶來了新的困難與挑戰(zhàn)。

海底電纜的故障維修通常包括水下調查、故障點定位、打撈、切割、續(xù)接、下放等過程,其中打撈是個非常重要的環(huán)節(jié)。在渤海海域,由于水深只有30m左右,打撈環(huán)節(jié)是由潛水員參與完成的。但是,在南海超過100m的水深進行維修作業(yè),潛水員使用空氣潛水方式根本無法到達,只有采用成本非常高昂的飽和潛水資源才能到達工作位置,而一旦工作水深超過120m,飽和潛水作業(yè)本身也存在很大的風險,致使維修作業(yè)無法實施。而水下機器人(ROV)是一種工作于水下的極限作業(yè)系統(tǒng),常規(guī)的作業(yè)型ROV都可以在1000m的水深進行工作。本文介紹了使用水下機器人代替飽和潛水作業(yè),在深水海底電纜維修項目中的應用。

1水下機器人作業(yè)系統(tǒng)簡介

水下機器人(ROV,Remotely Operated Vehicle,遠程操縱運載器)是當前海洋探索研究最主要的工具之一,通常由操作員在水面作業(yè)支持船上控制。它能在水下三維空間自由航行,通過外掛攝像頭、避障聲納或管線跟蹤器觀察,再結合多功能機械手或其它水下工具,能夠完成一定的水下作業(yè)任務。就整體系統(tǒng)而言,水下機器人是由水下潛器(有的還帶有中繼器件TMS)、臍帶纜、收放系統(tǒng)(包括A吊,絞車等)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成的。它的分類按觀察和作業(yè)能力劃分可分為4類:第一類為純觀察型,只能完成水下純粹的觀察作業(yè),不能攜帶任何水下作業(yè)工具和作業(yè)設備;第二類為帶有負載能力的觀察型,能夠帶有簡單的設備完成水下觀察作業(yè);第三類為作業(yè)型,通常情況下帶有機械手,能夠完成水下較為復雜的工作;第四類為爬行類,主要指挖溝機和挖溝犁等。

2深水海底電纜維修實例

本文以深水海底電纜維修項目為例,介紹水下機器人的作業(yè)過程,設備參數(shù)如下。

ROV型號:Quatum 13,150HP,作業(yè)型工程支持船:海洋石油709海底電纜規(guī)格:ZS-YJQF41+OFC1-26/35-3×240+3×12B1

2.1 故障點調查

故障海底電纜位于惠州25-3平臺與惠州32-2平臺之間,為三相35kV高壓電和3組12芯光纖復合電纜,全長8.9km,鋪設水深約105m,由于同時出現(xiàn)了電纜絕緣降低和光纖通信中斷的故障而暫停使用。通過OTDR(光時域反射儀)測得光纖故障點位于距離惠州25-3平臺約2.0km處。通過水下機器人近距離調查測得距離惠州25-3平臺1.2km～1.6km處的海底電纜被向南拖拽偏離了初始鋪設路由,最大偏移點的位移達150m(見圖1),且該點處的海纜打扭,呈“8”字型。

2.2 維修方案和維修前準備

根據(jù)ROV水下調查結果,并考慮維修材料的交貨日期,以及施工季節(jié)天氣變化的不確定性,作業(yè)者指定的維修方案分為兩個階段。第一階段使用交貨期較早的一個海纜接頭盒嘗試進行維修;第二階段是在第一階段維修失敗的情況下,使用交貨期較晚的備用海底電纜和兩個海纜接頭盒完成維修工作。如果第一階段修復成功,第二階段就不必進行。針對該方案,作業(yè)者在工程支持船海洋石油709上安裝了ROV系統(tǒng)和為125t絞車提供動力的發(fā)電機,以及2臺16t輔助液壓絞車,并改造了船尾尾弧板。一切準備就緒后,工程船出海開始維修工作。

2.3 故障海底電纜打撈

工程船到達現(xiàn)場后,首先完成的動態(tài)定位系統(tǒng)測試,并將油田的相關設施輸入到定位系統(tǒng)中。工程船移船至海纜故障段上方,下放ROV,開始進行預調查工作。調查結果顯示海纜路由與前次故障點調查結果基本相同。調查工作結束,開始海纜打撈工作。

打撈工作主要由船尾A吊絞車和125T大絞車完成。首先由ROV攜帶一條特制吊帶(ERPS,endless round poly sling,見圖2)入水,飛行至海底電纜故障點(打扭處),用ROV左機械臂液壓機械手抓住ERPS末端的輔助桿,從海底電纜的下方海泥中穿過,再用ROV右機械臂液壓鉗從海纜另一側的海泥中夾出輔助桿,并繼續(xù)拉拽直至ERPS完全處于海纜的正下方。然后用ROV右機械臂液壓鉗夾住輔助桿,從上方越過海纜,再穿入ERPS一端的環(huán)扣,并與左機械臂配合將ERPS在海纜上安裝結實。接下來,由船尾A吊絞車下放ROV鉤至此特制吊帶處,ROV將ROV鉤掛在此吊帶上,然后船尾A吊絞車回收鋼絲繩,提升打撈海纜。同時,施工船需配合緩慢移船,ROV也需配合跟蹤著泥點。海纜提升的全過程,都要盡可能使兩側海纜張力相同,并控制好移船和回收海纜的速度,以保證對海纜的保護。海纜被提拉出水后,A吊向內擺入,甲板人員將125T大絞車鋼絲繩連接至此海纜,轉移載荷至大絞車,大絞車將海纜拖拉上甲板。甲板人員在海纜上安裝拖拉網套,連接至地錨,并將海纜載荷傳遞給地錨,將大絞車鋼絲繩摘除。打撈工作結束。

ROV跟蹤著泥點,是為了根據(jù)ROV和著泥點之間的距離,計算著泥點與船尾間的距離,進一步得出海纜所承受的張力和最小彎曲半徑,由此來控制移船和回收海纜的速度,從而保證海纜回收的安全性。但是ROV跟蹤海纜著泥點是非常困難的工作,由于船舶在上下晃動,著泥點處也在海底上下晃動,將海底的泥沙攪起,導致海底能見度差。如果回收海纜用的絞車有張力顯示,則可以不需要ROV進行跟蹤,從而加快回收速度。本次ROV跟蹤著泥點,還有保證兩側海纜同步回收的作用。

2.4 故障點切除與續(xù)接

海纜固定工作完成后,甲板人員為海纜接續(xù)工作搭設風雨棚,之后由海底電纜廠家技術人員切除了打扭點附近共9米的海纜,并對兩端海纜進行三相絕緣測試與光纖衰減測試,在確認二者都處于良好可工作狀態(tài)后,開始海纜的續(xù)接工作。續(xù)接工作全程由廠家技術人員實施,主要包括“支架固定—剝開電纜—焊接導體—恢復內屏蔽層—恢復交聯(lián)聚乙烯絕緣層—恢復外屏蔽層—焊接鉛套—恢復PE層—安裝光纜接頭盒—光纜夾具安裝—光纖分纖—光纖熔接—安裝光單元接頭盒—固定纜芯與光單元—安裝鋼絲固定夾具—安裝外殼”等步驟,整個續(xù)接過程不停工,總耗時近45h。在續(xù)接工作進行的同時,甲板人員監(jiān)視海纜狀態(tài),防止海纜從網套上滑脫。ROV工作人員檢修設備。

2.5 修復后測試與下放

當電纜接頭制作完畢后,在平臺上對整條海底電纜進行測試,包括5kV三相對地和相間絕緣測試和78kV直流耐壓測試,測試結果合格。隨后,開始進行海纜下放準備工作。在海纜上安裝兩條鏈條作為提拉點,將下放撐桿兩端的兩條索具使用ROV鉤連接至兩條鏈條,這樣便于ROV進行摘鉤工作。中間使用繩子提拉住接頭盒,ROV可以割斷繩子從而回收撐桿。然后,甲板人員使用125T大絞車和船尾A吊絞車配合將海纜和接頭盒下放入水。海纜下放的同時向前移船,同時ROV在水下進行觀察,以保證下放的順利進行。下放時,應盡量使著泥點距離船尾遠一些,以避免海纜下放中打扭狀況的發(fā)生。海纜被安全的下放至海底后,ROV攜帶割繩刀下潛到接頭盒處,割斷撐桿與接頭盒間的繩子。然后,ROV再將撐桿上的ROV鉤從海纜提拉鎖鏈上摘除。最后,船尾A吊絞車回收撐桿上甲板。海纜維修項目結束。

3水下機器人應用的經濟性分析

以上述海底電纜維修項目為例,水下機器人與工程船在海上施工的日租金約為人民幣75萬元,而飽和潛水資源配合相同的工程船的海上施工日租金約為人民幣120萬元。雖然飽和潛水作業(yè)具有海上施工高效快捷的優(yōu)點,但是在整個海纜維修項目中,飽和潛水也僅能在打撈階段節(jié)省大約12h的施工時間。相對于長達數(shù)天的工期和不確定的各種待機時間,以及飽和潛水資源動輒十幾天的動復原時間,水下機器人的經濟性優(yōu)勢十分明顯(見表1)。

4結語

通過以上對水下機器人應用的實例介紹,可以看出,在深水海底電纜維修項目中,水下機器人已可以完全取代潛水員的作用,并且在作業(yè)深度和維修成本等方面,有著無可比擬的優(yōu)勢。隨著我國海洋石油向深水發(fā)展戰(zhàn)略的實施,以及水下機器人技術自身的發(fā)展,ROV將在以后的海洋工程中發(fā)揮越來越大的作用。