光電復(fù)合纜供電的深海2米巖芯鉆機(jī)的研制

朱偉亞，萬步炎，黃筱軍，鄧代強(qiáng)

（1．湖南科技大學(xué) 海洋礦產(chǎn)資源探采裝備技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201；2．長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012）

海洋是人類未來的能源、資源寶庫。在當(dāng)今世界列強(qiáng)急于劃分國際海底勢力范圍、搶占國際海洋權(quán)益的大形勢下，我國目前正處在對富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等大洋礦產(chǎn)資源進(jìn)行勘探圈礦的階段，急需可靠有效的深海鉆探取芯設(shè)備。

國內(nèi)于2000年開始研制輕型深海海底淺地層巖芯鉆機(jī)，2003年第一臺樣機(jī)研制成功。該機(jī)目前已連續(xù)多年在“大洋一號”科考船上應(yīng)用，進(jìn)行大洋富鈷結(jié)殼資源調(diào)查，已在太平洋1 000～4 000m深海海底鉆取300多個(gè)巖芯，成為目前世界上同類產(chǎn)品在深海海底實(shí)鉆取芯次數(shù)最多的設(shè)備。但該型深海鉆機(jī)由蓄電池組供電，存在鉆進(jìn)深度小、可靠性較差、使用效率較低、使用成本較高、不能進(jìn)行較深巖層鉆探取芯等不足，難以滿足我國目前高密度大洋勘探工作的實(shí)際需要。

本課題組在中國大洋協(xié)會(huì)的資助下，研制了國內(nèi)首臺采用鎧裝光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)。本型鉆機(jī)鉆深加大到2m，利用光電復(fù)合纜供電和通訊，采用全套自主研發(fā)的光電復(fù)合纜高壓大功率供電和高速數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)技術(shù)，包括甲板高壓變電與測控系統(tǒng)、深海浸油平衡型機(jī)載高壓變配電及繼電控制系統(tǒng)、深海電機(jī)無功功率就地補(bǔ)償技術(shù)、水面水下高速光纖數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控系統(tǒng)等［2－6］。

深海2米巖芯取樣鉆機(jī)在DY115－21航次海試中成功從2400多米的洋底取得巖芯樣品［2－6］。該型鉆機(jī)的成功研制極大地改善了我國的海底資源勘探現(xiàn)狀，為完成當(dāng)前我國大洋資源勘探圈礦任務(wù)提供有效的作業(yè)手段和技術(shù)保障。

1 鉆機(jī)的基本功能與結(jié)構(gòu)

整套鉆機(jī)系統(tǒng)從空間位置上分為三個(gè)部分：下放至海底進(jìn)行鉆探取芯作業(yè)的海底鉆機(jī)本體、固定安裝在船尾絞車間的甲板強(qiáng)電供配電子系統(tǒng)、以及位于船上操作控制室的甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制子系統(tǒng)。鉆機(jī)本體與甲板強(qiáng)電供配電子系統(tǒng)及甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制子系統(tǒng)之間通過萬米光纖動(dòng)力復(fù)合纜連接。甲板強(qiáng)電供配電子系統(tǒng)為鉆機(jī)本體提供受到安全保護(hù)的高壓三相動(dòng)力電，并通過電纜絞車滑環(huán)和電纜輸送至鉆機(jī)本體，鉆機(jī)本體和甲板強(qiáng)電供配電子系統(tǒng)均受甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制子系統(tǒng)的統(tǒng)一檢測控制。

如按專業(yè)技術(shù)分類，則可分為機(jī)械、高壓強(qiáng)電供變電和電子監(jiān)控等三個(gè)子系統(tǒng)。以下主要按專業(yè)技術(shù)分類分別進(jìn)行描述。

1．1 機(jī)械子系統(tǒng)

機(jī)械子系統(tǒng)構(gòu)成海底鉆機(jī)本體的主要成分，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)在水下鉆探取芯的各項(xiàng)基本功能。它包含以下四個(gè)部分：

1．1．1 機(jī)架及支腿系統(tǒng)

機(jī)架為高強(qiáng)度鋼框架結(jié)構(gòu)，由上框架、下框架和底盤組成。機(jī)架的作用是放置鉆機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件，并為之提供防碰撞保護(hù)［7］。各部件在底盤上的安裝位置按重心平衡及人機(jī)工程原則合理排布（見圖1）。

液壓伸縮式支腿系統(tǒng)由油馬達(dá)、絲桿、保護(hù)套和伸縮部件組成。四條支腿分別固定安裝于鉆機(jī)方形底盤的四個(gè)頂點(diǎn)，對鉆機(jī)起到穩(wěn)定支撐、加固的作用，防止鉆機(jī)側(cè)向滑移和傾翻。

1．1．2 鉆進(jìn)系統(tǒng)與事故棄鉆機(jī)構(gòu)

鉆進(jìn)系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、取芯鉆具、鉆孔沖洗與鉆頭冷卻子系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是在鉆取巖芯時(shí)為鉆具提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力；推進(jìn)機(jī)構(gòu)是為鉆具提供鉆進(jìn)壓力和拔取巖芯。

圖1 鉆機(jī)本體立體概念設(shè)計(jì)圖Fig．1 Design graphics of core drill

鉆進(jìn)系統(tǒng)由導(dǎo)軌支架、油缸驅(qū)動(dòng)鋼絲繩倍程推進(jìn)機(jī)構(gòu)、帶拋棄鉆桿功能的鉆進(jìn)動(dòng)力頭、鉆具、扶桿器、進(jìn)尺傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、鉆孔沖洗機(jī)構(gòu)等組成。其中鉆具由人造金剛石鉆頭、鉆桿（包括內(nèi)管和外管）、取芯裝置（卡簧）、連接接頭等組成；鉆孔沖洗與鉆頭冷卻系統(tǒng)包括由液壓馬達(dá)帶動(dòng)的沖洗水泵、水管、連接接頭等，主要提供鉆孔排渣和冷卻鉆頭作用。

鉆具拋棄機(jī)構(gòu)和鉆進(jìn)動(dòng)力頭集成一體。該機(jī)構(gòu)可以在水壓或液壓作用下動(dòng)作，將孔內(nèi)鉆具從鉆進(jìn)動(dòng)力頭脫開，從而能夠安全回收鉆機(jī)［7］。

1．1．3 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

由充油交流電機(jī)及油泵組件、液壓控制閥箱、液壓執(zhí)行元件（油馬達(dá)、油缸等）、多個(gè)深水壓力補(bǔ)償器等組成。液壓動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)將送至水下的高壓電能轉(zhuǎn)換為液壓油的液壓能量，同時(shí)經(jīng)液壓閥的分配驅(qū)動(dòng)各液壓執(zhí)行元件做功，完成鉆機(jī)的各項(xiàng)機(jī)械動(dòng)作。

液壓系統(tǒng)電機(jī)油泵組件和油箱集成為一體，形成電機(jī)泵油箱總成（即一體化液壓泵站）。該液壓泵站與液壓閥箱通過管道連接以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一壓力補(bǔ)償。全部液壓控制閥則放置于該液壓閥箱內(nèi)，液壓控制閥大部分采用疊加閥型，閥與閥之間的油路連接大部分通過閥板內(nèi)的油通道。將液壓閥箱做成橫置長方形，長方形閥箱側(cè)面的一側(cè)為蓋板，另一側(cè)用于閥板的安裝固定，全部外接油管都從這一側(cè)面引出。這樣可以盡量減少閥箱體積和油重，方便系統(tǒng)排氣和加油，同時(shí)提高液壓系統(tǒng)的安裝維修性、密封性和調(diào)節(jié)的方便性，降低系統(tǒng)的重心。

液壓油泵采用恒功率控制的變量泵，馬達(dá)為定量馬達(dá)，當(dāng)回轉(zhuǎn)扭矩增加時(shí)，系統(tǒng)壓力增大，主油泵排量將自動(dòng)減小，鉆頭轉(zhuǎn)速降低，回轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出扭矩自動(dòng)增加。實(shí)際上鉆頭轉(zhuǎn)速可在500～1200rpm范圍內(nèi)無級變化，回轉(zhuǎn)扭矩也可在很大范圍內(nèi)隨巖石硬度和給進(jìn)力的變化而自動(dòng)變化，由此提高鉆機(jī)對巖性的適應(yīng)能力。

液壓控制回路設(shè)計(jì)沿用大洋鉆機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)相對大洋鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些修改。液壓油泵吸油口加裝濾油器，鉆進(jìn)壓力控制為電控比例調(diào)節(jié)減壓閥鉆壓控制，更有利于復(fù)雜微地型的開孔和脆弱結(jié)殼巖芯的保護(hù)，提高鉆進(jìn)效率。

1．2 高壓強(qiáng)電供變電子系統(tǒng)

高壓強(qiáng)電供變電子系統(tǒng)由甲板高壓強(qiáng)電供變電裝置、光纖通訊動(dòng)力復(fù)合臍帶纜及其承重吊頭、水下高壓強(qiáng)電供變電部件等三部分組成，具有高壓交流輸電功能、高低壓變送功能、漏電和缺相保護(hù)功能、過流保護(hù)功能、遙信遙控功能等。

1．2．1 甲板高壓強(qiáng)電供變電裝置

甲板高壓供配電設(shè)備安裝在“大洋一號”船絞車間內(nèi)，包括甲板配電柜和升壓變壓器、絞車高壓滑環(huán)等，負(fù)責(zé)為水下鉆機(jī)本體供電。具備過載、過壓、欠壓、過流、漏電等用電保護(hù)功能。配電柜中安有一臺多功能三相電源監(jiān)控設(shè)備，能實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)三相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等多個(gè)參數(shù)。配電柜與位于操作控制室的操作控制系統(tǒng)之間通過一根50m長的RS485通訊線路和6根控制線連接，可將柜內(nèi)所有參數(shù)送到操作計(jì)算機(jī)上顯示，同時(shí)接受操作計(jì)算機(jī)送來的指令。在配電柜前面板上也有數(shù)顯表顯示所有參數(shù)并可就地進(jìn)行操作控制，見圖2。

1．2．2 光纖通訊動(dòng)力復(fù)合臍帶纜及其承重頭

光纖動(dòng)力復(fù)合臍帶纜即“大洋一號”現(xiàn)用光纜，用于從水面船下放和回收鉆機(jī)并在水面船與鉆機(jī)之間傳遞視頻信號、測控?cái)?shù)據(jù)信號和動(dòng)力。該光纖纜原配承重吊頭為聲學(xué)拖體專用，不能滿足本系統(tǒng)的要求，新研制了一套專用承重頭及附件裝置。新研制的承重頭與國外用于深海鉆機(jī)的光纖纜承重頭相似，可以承受超過纜破斷力的拉力，與鉆機(jī)間通過萬向接頭連接。

1．2．3 水下高壓強(qiáng)電供變電部件

包括水下光電分離轉(zhuǎn)接盒、帶壓力平衡的水下高壓變配電箱、高壓接觸器和水下無功功率就地補(bǔ)償裝置等，負(fù)責(zé)向水下高壓電機(jī)供電并控制電機(jī)啟停、向水下控制系統(tǒng)提供低壓電、為水下電機(jī)提供無功功率就地補(bǔ)償。

圖2 甲板操作控制臺Fig．2 Deck operation console

1．3 電子監(jiān)控子系統(tǒng)

電子監(jiān)控子系統(tǒng)硬件包括機(jī)載控制與傳感器系統(tǒng)、甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制系統(tǒng)兩部分。軟件則分為甲板操作控制計(jì)算機(jī)軟件和水下測控計(jì)算機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作控制，以及手動(dòng)操作、半自動(dòng)操作、自動(dòng)操作等多種作業(yè)模式。整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1．3．1 機(jī)載控制與傳感器系統(tǒng)

機(jī)載控制系統(tǒng)包括安裝在水下壓力倉內(nèi)的控制與通訊用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、交流／直流抗干擾電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與繼電控制電路、視頻服務(wù)器、通訊模塊與光纖調(diào)制解調(diào)器等。傳感器系統(tǒng)包括鉆機(jī)姿態(tài)與鉆進(jìn)參數(shù)測量傳感器、控制系統(tǒng)執(zhí)行元件、各油缸行程控制開關(guān)、觸底開關(guān)；兩臺水下電視攝像機(jī)及配套攝像燈、離底高度計(jì)等；還包括各水密信號電纜與接插件。

1．3．2 甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制系統(tǒng)

甲板通訊與計(jì)算機(jī)操作控制系統(tǒng)位于“大洋一號”船深拖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。它包括水面控制計(jì)算機(jī)、視像監(jiān)視器、光纖通訊設(shè)備、強(qiáng)電操作盒等，負(fù)責(zé)將水下設(shè)備傳感器通過光纖通訊系統(tǒng)傳上來的鉆機(jī)實(shí)時(shí)工作參數(shù)、水面高壓供配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作參數(shù)等顯示于操作臺上，并將操作人員操作指令傳達(dá)至水下控制計(jì)算機(jī)和甲板供配電系統(tǒng)，同時(shí)將兩臺水下攝像頭上傳的尋址與鉆進(jìn)監(jiān)控圖像在顯示器上分別顯示，見圖3。

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

圖3 操作界面Fig．3 Operator interface

光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：質(zhì)量（空氣／水中）為2．15t／1．7t；供電方式為甲板供電（通過光纖纜供電）；供電電壓3 300 VAC三相；外型尺寸1．8m×1．8m（底）×2．8m（高）；作業(yè)海況為可在四級海況下使用；最大作業(yè)水深4 000m；最大作業(yè)坡度20°；海底微地形凹凸不平度不大于300mm；巖石普氏硬度：硬巖（最大普氏系數(shù)8）；最大鉆孔深度：2m；最大巖芯直徑：50 mm；水下連續(xù)鉆探作業(yè)時(shí)間：鉆深2m鉆進(jìn)時(shí)間小于1h；系統(tǒng)功耗：25kW；主電機(jī)控制方式：甲板遙控；監(jiān)測方式：甲板視像監(jiān)視。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

相對于以前研發(fā)的電池組供電的巖芯取樣鉆機(jī)，光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面。

3．1 鎧裝光電復(fù)合纜高壓大功率供電技術(shù)

本次研發(fā)的鉆機(jī)系統(tǒng)由于工作時(shí)間長、功率大，只能由科考船通過光纖復(fù)合電力電纜供電。為了減少光電復(fù)合纜長距離（10km）輸電過程中的沿程損耗，須采用高壓傳輸。而在科考船上利用長距離光電復(fù)合纜進(jìn)行大功率高壓（三相3 300VAC）輸變電，以前國內(nèi)還沒有成熟的技術(shù)［7］。

本鉆機(jī)系統(tǒng)采用整套自主研發(fā)的光電復(fù)合纜高壓大功率供電技術(shù)，包括鎧裝光電復(fù)合纜承重頭及分線轉(zhuǎn)接技術(shù)、甲板高壓變電與測控技術(shù)、光電復(fù)合纜絞車高壓電滑環(huán)、深海浸油平衡型機(jī)載高壓變配電和繼電控制技術(shù)、深海電機(jī)無功功率就地補(bǔ)償技術(shù)等［5－6］。其中深海電機(jī)無功功率就地補(bǔ)償技術(shù)能減少纜的線路損耗和發(fā)熱、降低水下電壓波動(dòng)，大幅提高光電復(fù)合纜的實(shí)際供電能力［2－6］。

3．2 高速數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)技術(shù)

光電復(fù)合纜同時(shí)進(jìn)行高壓供電和高速數(shù)字通訊（通訊速率要求≥1．0Mb／s）［7］。本鉆機(jī)控制系統(tǒng)采用高速數(shù)字通訊技術(shù)和多攝像頭尋址與操作監(jiān)控技術(shù)，利用光纖纜進(jìn)行多視頻及測控信號遠(yuǎn)程（10 km）無中繼傳輸，可同時(shí)傳送多路水下監(jiān)控圖像，圖像穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸和遙測遙控準(zhǔn)確可靠，該技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

3．3 復(fù)雜地層取芯鉆進(jìn)及孔內(nèi)事故處理技術(shù)

在深海底鉆進(jìn)時(shí)，可能會(huì)遇到各種復(fù)雜地層，甚至?xí)l(fā)生卡鉆事故。鉆機(jī)本體和鉆頭鉆具必須具有很強(qiáng)的地層適應(yīng)能力，還要有可靠的技術(shù)措施處理可能出現(xiàn)的卡鉆事故［7］。保護(hù)方案和拋棄機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思路首先要保證安全簡單可靠；其次要盡可能減少損失［8］。必須確保鉆機(jī)本體能夠安全返回。本系統(tǒng)在鉆機(jī)發(fā)生孔內(nèi)卡鉆事故時(shí)，設(shè)置了液壓拋棄鉆具和水壓拋棄鉆具雙重保護(hù)措施。全面考慮了強(qiáng)電不正常、通訊正常；通訊不正常、強(qiáng)電正常；通訊和強(qiáng)電都不正常三種情況下的保護(hù)方案。

3．4 高壓環(huán)境機(jī)器工作可靠性

鉆機(jī)工作于深海高壓下，液壓元件可能出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，必須選用進(jìn)口專用液壓元件或可靠的國產(chǎn)元件，同時(shí)必須考慮高背壓環(huán)境下液壓系統(tǒng)的效率問題和高壓環(huán)境下浸油平衡式繼電控制問題［8］。

3．5 整機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及機(jī)高機(jī)重控制

受“大洋一號”船A形架允許通過的高度限制，整機(jī)高度不能大于3．5m，否則鉆機(jī)將不能直立通過A形架吊放。同時(shí)由于調(diào)查船甲板設(shè)備能力相對較弱，調(diào)查設(shè)備的質(zhì)量最好不超過4t，故必須巧妙進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)。鉆機(jī)采用正方形底盤加向上收縮的方錐形外框架和形狀，便于大部件在鉆機(jī)內(nèi)部空間的擺布，使鉆機(jī)具有較低的重心，同時(shí)內(nèi)部部件得到外框架的全面保護(hù)，防撞性能好、便于下放回收、外形較為美觀。

4 主要工作參數(shù)的確定

4．1 鉆進(jìn)壓力確定

對于金剛石鉆進(jìn)，加在鉆頭上的給進(jìn)壓力P根據(jù)式（1）計(jì)算。

式中：p為單位面積鉆頭唇面所需壓力，對7～8級巖石，取p＝5～6MPa。

A為鉆頭唇面面積，對于66mm鉆頭，A＝9．7×10－4m2。

代入計(jì)算得P＝4 850～5 820N。

4．2 鉆頭轉(zhuǎn)速確定

轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆進(jìn)效率的重要因素。鉆頭轉(zhuǎn)速根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中：V—鉆具切削線速度，對于金剛石鉆頭，一般取V＝1．5～3．0m／s；D—鉆頭直徑，D＝0．066m。

代入計(jì)算得n應(yīng)為434～868rpm。

4．3 鉆進(jìn)扭矩

只計(jì)算鉆頭切削巖石的阻力矩，根據(jù)式（3）計(jì)算。

式中：σ壓—巖石極限抗壓強(qiáng)度，7～8級巖石為35～150MPa；A—巖石切削面積，計(jì)算A＝（1．2～2．4）×10－6m2；m—鉆頭上切削具的數(shù)目，標(biāo)準(zhǔn)鉆頭取m＝6；RZ—鉆頭半徑，m，RZ＝0．033m。

代入計(jì)算得MZ＝8．32～71．28N·m。

4．4 拔取巖芯力計(jì)算確定

拔取巖芯必須滿足拔取巖芯力大于巖芯拉斷力。巖芯拉斷力可根據(jù)式（4）計(jì)算。

式中：d—巖芯直徑，d＝0．05m；σ拉—巖石極限抗拉強(qiáng)度，對于7～8級巖石，為3～10MPa。

代入計(jì)算得巖芯拔斷力為Qb＝5 890～19 635N。

5 鉆機(jī)工作原理與步驟

5．1 下水作業(yè)前的準(zhǔn)備工作

5．1．1 選定鉆探區(qū)域

海試前對所選海底區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的多波束和淺剖掃描，繪制微地形圖和沉積物剖面圖，選擇符合地質(zhì)要求條件的區(qū)域。

5．1．2 鉆機(jī)安裝檢查

鉆機(jī)下水作業(yè)之前，完成連接光纖動(dòng)力復(fù)合纜承重頭與鉆機(jī)、安裝固定轉(zhuǎn)接盒、連接光纖及高壓接插件、裝載鉆桿鉆具、調(diào)整補(bǔ)償器等工作，進(jìn)行液壓油路、強(qiáng)電供電與控制通訊線路等的常規(guī)檢查。

5．1．3 甲板通電試驗(yàn)

通電前重點(diǎn)檢查光纖纜的三相對地絕緣電阻及鉆機(jī)各強(qiáng)電部件對機(jī)身的絕緣電阻。上電后檢查各項(xiàng)參數(shù)，包括甲板電壓、電流、水下電壓等。

5．2 鉆機(jī)下水——尋址、定點(diǎn)、著底

下水作業(yè)開始前，先啟動(dòng)勘探母船動(dòng)力定位系統(tǒng)，再利用船上的電纜絞車將鉆機(jī)吊放下海。在鉆機(jī)下放過程中，間斷進(jìn)行絕緣性能檢查。

鉆機(jī)離底100m時(shí)，開啟機(jī)載離底高度計(jì)測量離底高度，至離底3～5m（下降至尋址電視畫面清晰為止）時(shí)停止下放，通過絞車收、放纜和動(dòng)力定位實(shí)行鉆機(jī)離底高度控制和緩慢平移，通過鉆機(jī)尋址攝像尋找合適的鉆探地點(diǎn)，隨后下放鉆機(jī)使其著底，并觀察機(jī)身傾角（角度不得超過20°）。如不滿足條件則提起鉆機(jī)重新尋址［9］。

5．3 鉆機(jī)調(diào)平

鉆機(jī)著底后繼續(xù)放纜15m左右，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，通過主液壓伸縮支腿和輔助液壓支腿調(diào)整鉆機(jī)機(jī)身傾角至合適角度并加固對鉆機(jī)的支撐，完成上述鉆前輔助動(dòng)作后即可開始取芯鉆進(jìn)。

5．4 鉆孔取芯

在甲板操作臺對鉆進(jìn)過程進(jìn)行手動(dòng)控制，通過傳感器信號顯示和兩路水下攝像畫面對鉆機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。先輕壓開孔鉆進(jìn)，開孔完成后加大鉆壓，通過鉆壓控制調(diào)節(jié)鉆進(jìn)速度。鉆進(jìn)結(jié)束后，給進(jìn)油缸帶動(dòng)鉆具上升，鉆具卡簧拔斷巖芯，液壓支腿復(fù)位，通過臍帶纜提起鉆機(jī)［9］。

5．5 卸取巖芯、樣品描述及入庫

鉆機(jī)回收至科考船甲板后，卸下鉆具取出巖芯并按地質(zhì)要求進(jìn)行樣品描述，隨后封存入庫，一個(gè)站位作業(yè)即告結(jié)束［8－9］。

5．6 設(shè)備清洗及維護(hù)

鉆機(jī)下海作業(yè)返回后，用淡水對整機(jī)和鉆具進(jìn)行沖洗，隨后將鉆具放入專用油槽中浸泡防銹。供水系統(tǒng)通過抽吸淡水進(jìn)行循環(huán)沖洗［8］。

一個(gè)航段作業(yè)任務(wù)完成后，需將鉆機(jī)部分關(guān)鍵部件涂抹油脂。水泵供水系統(tǒng)抽吸液壓油循環(huán)。最后將鉆機(jī)用篷布罩住。

5．7 卡鉆問題處理

鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，由于復(fù)雜地質(zhì)條件或其它的原因而產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象，應(yīng)暫停鉆進(jìn)，再判斷決定。或按如下步驟和措施進(jìn)行操作：

步驟1：用“解堵轉(zhuǎn)”功能對卡鉆現(xiàn)象進(jìn)行解除。

步驟2：當(dāng)“解堵轉(zhuǎn)”功能無效時(shí)，可以用全壓拔斷巖芯功能。

步驟3：巖芯無法拔斷時(shí)，用液壓拋棄功能拋棄鉆桿鉆具。

步驟4：液壓系統(tǒng)失效時(shí)，應(yīng)用水壓拋棄功能拋棄鉆桿鉆具。

以上應(yīng)急步驟和措施響應(yīng)級別從低到高依次進(jìn)行，卡鉆情況無法正常解除時(shí)，拋棄鉆具成功后，即可安全回收鉆機(jī)。

6 樣機(jī)的海上試驗(yàn)

2009年9月29日，根據(jù)航段首席安排，在太平洋結(jié)殼區(qū)至厄瓜多爾航線上的某無名海山進(jìn)行了實(shí)鉆試驗(yàn)，如圖4所示。試驗(yàn)前用多波束對海山地形進(jìn)行了掃描。實(shí)鉆試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，試驗(yàn)樣品見圖5。

圖4 海上試驗(yàn)圖Fig．4 Picture of sea trail

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備樣機(jī)在試驗(yàn)過程中正常實(shí)現(xiàn)了全部設(shè)計(jì)功能，從深海鉆取的巖芯質(zhì)量合格有效，遠(yuǎn)程測控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，各項(xiàng)傳感器反映的系統(tǒng)工作參數(shù)處于設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，人機(jī)對話操作界面直觀簡便，完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

圖5 DHDSY02站位樣品Fig．5 Sample of station DHDSY02

7 結(jié)論

我國首臺采用光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)在南海海底鉆得合格巖芯樣品，標(biāo)志著我國大洋取樣調(diào)查裝備技術(shù)水平取得了質(zhì)的突破［2－6］。它的成功研制，將為我國的國際海底資源勘查和礦區(qū)圈定提供更加先進(jìn)的技術(shù)保障，不僅對我國開發(fā)和利用國際海底資源，而且對確立我國在國際海洋領(lǐng)域的地位具有重要的戰(zhàn)略意義［8］。

表1 海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Sea trail data

本次研發(fā)的新一代深海巖芯鉆機(jī)在國內(nèi)首次利用光電復(fù)合纜進(jìn)行三相交流高壓電大功率長距離輸送，同時(shí)采用全套自主研發(fā)的光電復(fù)合纜供電和高速數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。采用光電復(fù)合纜供電是國際先進(jìn)海洋裝備必備的技術(shù)手段之一。該型鉆機(jī)的研制成功為今后我國同類科考設(shè)備應(yīng)用光電復(fù)合纜供電奠定了基礎(chǔ)［5－6］。

［1］ 萬步炎，黃筱軍．深海淺地層巖芯取樣鉆機(jī)的研制［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（增刊）：49－51．

［2］ 秋 蓉．我國首臺采用鎧裝光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)取樣成功［N］．中國海洋報(bào)，2009－10－23．

［3］ 蔣 軍，梁毅忠．長沙礦山研究院新一代深海巖芯鉆機(jī)取樣成功［N］．中國有色金屬報(bào)，2009－11－14．

［4］ 首臺鎧裝光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)取樣成功［J］．采礦技術(shù)，2010（1）：97．

［5］ 我國新型深海巖芯鉆機(jī)取樣成功［J］．有色設(shè)備，2009（6）：54．

［6］ 首臺采用鎧裝光電復(fù)合纜供電的深海巖芯鉆機(jī)取樣成功［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（6）：78．

［7］ 何智敏．海底熱液區(qū)取芯鉆探鉆桿潤滑減阻試驗(yàn)研究 ［D］．長沙：中南大學(xué)，2010．

［8］ 趙宏強(qiáng)，何清華，陳欠根，等．7000m深海鈷結(jié)殼取芯器研究［J］．中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，3（4）：425－430．

［9］ 朱偉亞，何智敏，萬步炎，等．海底地質(zhì)勘探多次取芯鉆機(jī)試驗(yàn)研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（4）：33－36．

［10］ 萬步炎，章 光，黃筱軍，等．深海電機(jī)無功功率就地補(bǔ)償技術(shù)研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（2）：66－69．

［11］ 施圣賢．深海鈷結(jié)殼取芯鉆頭鉆進(jìn)工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究［D］．長沙：中南大學(xué)，2005．