自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

徐如彥, 沈 寧, 倪佐濤, 李 強(qiáng), 李家剛, 黃必桂, 雷方輝, 張振波,朱友生, 吳海京, 陳志平, 陳 強(qiáng)

(1.中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中海石油(中國)有限公司研究總院, 北京 100027; 3.中海油服物探事業(yè)部工程勘察中心, 天津 300451)

潛標(biāo)測(cè)量技術(shù)是近幾十年由一些海洋發(fā)達(dá)國家開始使用并發(fā)展起來的。

長期以來, 國內(nèi)外學(xué)者, 針對(duì)海洋環(huán)境調(diào)查技術(shù)問題, 不斷地進(jìn)行改進(jìn)與探索, 特別在潛標(biāo)測(cè)量技術(shù)方面有了不斷發(fā)展與改進(jìn), 隨著觀測(cè)儀器設(shè)備性能、體積、浮體材料的不斷改進(jìn), 使得海洋環(huán)境觀測(cè)技術(shù)手段有了很大提高。潛標(biāo)系統(tǒng)是海洋環(huán)境測(cè)量的最重要技術(shù)手段之一, 在惡劣的海洋環(huán)境條件下, 無需人工值守, 對(duì)海洋水文要素進(jìn)行長期、連續(xù)、同步、自動(dòng)的測(cè)量, 是遠(yuǎn)離海岸測(cè)量的重要設(shè)備,具有其他調(diào)查方法無法代替的作用, 其重要性越來越受到世界各海洋國家的重視[1-2]。

現(xiàn)對(duì)潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施分述如下。

1 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)

自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)裝置由三部分組成 ,即座底式結(jié)構(gòu)框架、筒體保護(hù)裝置、浮體組件構(gòu)造裝置。

1.1 座底式結(jié)構(gòu)框架

座底式結(jié)構(gòu)框架由框架和配重組成, 構(gòu)成錨定,自升式連體潛標(biāo)放在錨定內(nèi)座落在海床上。通過釋放裝置脫鉤, 脫鉤后連體潛標(biāo)可自行升浮到海面,可獲取可靠的海洋水下環(huán)境剖面流資料, 并具有隱蔽性好不易被破壞的優(yōu)點(diǎn)。

該結(jié)構(gòu)框架可根據(jù)需要選用各種不同材料制作,本研究選用不銹鋼材料。框架內(nèi)部空間根據(jù)裝載的儀器設(shè)備浮體體積而定, 組合的浮體設(shè)計(jì)在框架內(nèi),可容納整套連體測(cè)量儀器設(shè)備。鋼結(jié)構(gòu)底部或底部的周圍側(cè)面, 根據(jù)需要加配重塊, 將預(yù)制好的水泥條塊或其他材料的條形重塊, 固定在框架的底部或底部周圍。質(zhì)量也可視需要而配重[3-6]。

鋼結(jié)構(gòu)框架可設(shè)計(jì)為圓臺(tái)式和四面體棱臺(tái)式兩種形狀, 本鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)為四面體棱臺(tái)式, 其上部周長為280 cm, 高度為65 cm(因釋放器高度為65 cm),底部周長為520 cm。

配重約100, 200, 300 kg, 直至1 t不等。該鋼結(jié)構(gòu)框架為搭載美國產(chǎn)150K ADCP剖面海流計(jì)而設(shè)計(jì)。

該鋼結(jié)構(gòu)框架的連體潛標(biāo)還可以搭載美國產(chǎn)75KADCP或38KADCP多譜勒剖面海流計(jì), 只需多加一塊或幾塊預(yù)做好的浮體構(gòu)件組塊和配重即可。75KADCP或38KADCP海流計(jì)與150K ADCP海流計(jì)儀器設(shè)備相比高出30 cm?？梢蕴幱谕搀w保護(hù)裝置的控制范圍內(nèi)[7]。

1.2 筒體保護(hù)裝置

為了提高潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)精度、保障儀器設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)安全, 根據(jù)連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),保證測(cè)量系統(tǒng)釋放裝置順利升浮, 避免受結(jié)構(gòu)框架內(nèi)壁阻力及釋放器吊鉤掛在鋼結(jié)構(gòu)上面, 為了防止?jié)摌?biāo)系統(tǒng)受底流、臺(tái)風(fēng)流、內(nèi)波流等外力因素的影響以及因海區(qū)海床底質(zhì)軟泥導(dǎo)致浮體進(jìn)入軟泥而不能順利升浮等問題, 設(shè)計(jì)了筒體保護(hù)裝置。為防止連體潛標(biāo)沉入海底軟泥, 下端端口視底質(zhì)條件結(jié)構(gòu)而定。當(dāng)海底底質(zhì)為軟泥(硬底質(zhì)）時(shí), 筒體保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為封閉式(開放式)的, 用不銹鋼或塑料板制作成圓柱體、方形體。上端端口是敞開式的。根據(jù)自升式連體潛標(biāo)外徑大小預(yù)做一個(gè)大于浮體潛標(biāo)外徑的不銹鋼圓柱體或方形體, 以保證儀器設(shè)備正常工作及順利釋放浮出水面。

1.3 浮體組件構(gòu)造裝置

1.3.1 浮體組件構(gòu)造

連體潛標(biāo)是由玻璃微珠浮力材料與儀器設(shè)備集成組合而成。根據(jù)儀器設(shè)備大小、質(zhì)量, 每個(gè)浮體預(yù)制成每塊浮體浮力重為20, 30, 40 kg直至200 kg等的圓柱體或方形柱狀體, 使用時(shí)視儀器設(shè)備重量所需要的浮力而選用不同重量的浮體進(jìn)行組合[8], 浮體用螺栓組合成一體。把儀器固定在預(yù)先做好的浮力潛標(biāo)體的預(yù)留孔內(nèi)。這種浮力材料與儀器設(shè)備預(yù)置到一體構(gòu)成連體結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)與以前報(bào)道過的所有潛標(biāo)裝置不同的是: 本設(shè)計(jì)是把所有的儀器設(shè)備和釋放器合成在浮體的同一平行面的浮體內(nèi), 構(gòu)成了目前一種體積最小的潛標(biāo)測(cè)量單元。浮體組件構(gòu)造見圖1。

圖1 浮體組件構(gòu)造圖Fig.1 Structual system of the floating component object

1.3.2 浮體浮力計(jì)算

為保證自升式連體潛標(biāo)有足夠的升浮力, 保證儀器設(shè)備順利升浮, 因此, 需要對(duì)連體潛標(biāo)進(jìn)行浮力計(jì)算[9]。

對(duì)儀器設(shè)備凈浮力進(jìn)行計(jì)算, 給出連體潛標(biāo)系統(tǒng)的凈浮力。

r1＝350 mm,r2＝115 mm,r3＝65 mm,r4＝7.5 mm,H＝440 mm。

H表示浮體高度。

V表示浮體體積, 單位為kg/m3;P表示潛標(biāo)質(zhì)量,單位為 kg;ρ1表示浮體密度,ρ2表示海水密度,ρ1＝500 kg/m3,ρ2＝1 025 kg/m3;F1表示潛標(biāo)浮力, 單位為kg;F0表示浮體的凈浮力,P1表示儀器質(zhì)量,Fa為浮體減去儀器質(zhì)量的潛標(biāo)系統(tǒng)凈浮力。

由公式(1)至(5)計(jì)算得出, 預(yù)留孔為單釋放器時(shí)潛標(biāo)的凈浮力為76 kg; 單孔潛標(biāo)系統(tǒng)凈浮力Fa為31 kg。

2 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)原理

將儀器設(shè)備、釋放器加配預(yù)置到預(yù)先做好的預(yù)留孔連載浮體內(nèi), 潛標(biāo)孔根據(jù)儀器的形狀、大小而合成。將浮體材料、測(cè)量儀器、釋放器合成為同一平面、同一體, 構(gòu)成了單位體積最小的測(cè)量單元結(jié)構(gòu)即為連體潛標(biāo)。然后將連體潛標(biāo)裝入鋼結(jié)構(gòu)框架的筒體保護(hù)裝置內(nèi)。將連體潛標(biāo)的釋放器與鋼結(jié)構(gòu)框架底部相連, 甲板單元給出釋放器指令, 釋放器脫鉤后連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)靠自身產(chǎn)生浮力很快升浮到海面即為自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)見圖2。

2.2 自升式潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的受力及升浮時(shí)間計(jì)算

潛標(biāo)在上浮過程中, 會(huì)受到重力、浮力、水流作用力[10-11]。浮力大于重力, 即凈浮力大于 0, 則潛標(biāo)上浮; 浮力小于重力, 即凈浮力小于 0, 則潛標(biāo)下沉。在潛標(biāo)上浮初期, 在凈浮力作用下潛標(biāo)加速上浮,為防止?jié)摌?biāo)向上運(yùn)動(dòng), 在潛標(biāo)上必須有一個(gè)力與流體質(zhì)點(diǎn)所施的力大小相等, 方向相反, 這個(gè)力就是上升阻力。隨著速度的增加, 其上升阻力也增加, 最后與凈浮力大小相等, 方向相反, 作用在浮體上的力達(dá)到平衡, 這時(shí), 潛標(biāo)以恒定的速度上升, 直到水面[12]。

圖2 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Constructed profile of the double submerged buoy

潛標(biāo)升浮時(shí)間計(jì)算如下:

潛標(biāo)外形為半球體和圓柱體組合而成, 在上升過程中, 潛標(biāo)姿態(tài)保持不變, 可認(rèn)為迎流面為近似半球體, 迎流投影面積為球體截面積A=πr2,r為潛標(biāo)半徑。

根據(jù)現(xiàn)有潛標(biāo)尺寸及表面材質(zhì), 得知該潛標(biāo)的阻力系數(shù)C=0.4。上升阻力大小為

ν0表示上升速度(m/s);R表示上升阻力(kPa)。

為計(jì)算潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)上升時(shí)間, 需要進(jìn)行計(jì)算潛標(biāo)的極限速度。當(dāng)潛標(biāo)以恒定速度上升時(shí), 作用力平衡為:

B表示浮球浮力。

潛標(biāo)上升極限速度為:

根據(jù)本試驗(yàn), 我們可以計(jì)算出浮球上升的極限速度為0.67 m/s, 即浮球穩(wěn)定上升速度為0.67 m/s。

根據(jù)上述條件, 可以計(jì)算出潛標(biāo)上升時(shí)間,

t表示潛標(biāo)上升時(shí)間;h表示水深。

由上述公式計(jì)算出表1的結(jié)果。

表1 潛標(biāo)不同布放深度的升浮時(shí)間Tab.1 The timing of release of submersible buoy at different depths

3 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的投放與回收

3.1 投放

分別在海洋石油 709船和南海503船上進(jìn)行自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn), 采用船懸自由落體式投放。

先把整個(gè)連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)吊掛在船舷外, 然后讓連體潛標(biāo)自由落體沉入海底。潛標(biāo)搭載了釋放器、美國產(chǎn)150K ADCP、日本產(chǎn)ELC單點(diǎn)海流計(jì)、水位計(jì)、水溫儀等。也可加配其他測(cè)量儀器?，F(xiàn)場(chǎng)投放自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)見圖3。

圖3 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)投放照片F(xiàn)ig.3 Picture of the emplacement of the self-elevating double submerged buoy

3.2 回收

在南海水深410 m處進(jìn)行了近1 a的測(cè)量試驗(yàn),已多次回收成功, 并獲取了大量的實(shí)測(cè)剖面海流資料, 水位資料, 溫度、鹽度資料。試驗(yàn)結(jié)果良好。

平流回收時(shí), 自升式潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)回收升浮時(shí)間約為10 min。深海漲、落潮時(shí), 回收升浮時(shí)間約為12 min。由此看出深海漲、落潮對(duì)上升時(shí)間和平移距離影響很小, 平移距離為200 m左右。自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)回收見圖4。

圖4 自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)浮出水面的照片F(xiàn)ig.4 Picture of the recovery of the self-elevating double submerged buoy after recieved the releasing order

4 小結(jié)

自升式連體潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng), 于2012年完成了初步設(shè)計(jì), 經(jīng)過多次改進(jìn)、完善與試驗(yàn), 已成功地把儀器設(shè)備、釋放器與浮體材料, 合成了單位體積最小的潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。

該項(xiàng)設(shè)計(jì)有望成為代表未來進(jìn)行連體潛標(biāo)剖面流觀測(cè)技術(shù)的新模式。

本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是把各種儀器設(shè)備與釋放器搭載組合成同一平行面的潛標(biāo)。其浮體材料及儀器合成一體的連體潛標(biāo)的體積小, 其高度僅為45 cm。這種形式的集成設(shè)計(jì)的潛標(biāo)測(cè)量平臺(tái), 是目前國內(nèi)外集成度最高、體積最小的潛標(biāo)測(cè)量平臺(tái)。大大減少了儀器設(shè)備、潛標(biāo)、重塊等常用的繩索和錨鏈的連接環(huán)節(jié)。

采用了座底式筒體保護(hù)裝置, 使其連體潛標(biāo)在框架內(nèi)順利升浮, 完全避免了測(cè)量系統(tǒng)受海洋中各種外力作用, 防止浮體因海底軟泥條件而陷入海床下, 提高了測(cè)量質(zhì)量?？捎行У販y(cè)量水深 1 200 m內(nèi)的剖面海流及海底水位、水溫、鹽度等海洋環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)對(duì)潛標(biāo)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)方法的改進(jìn), 是一種卓有成效的革新, 有望成為未來潛標(biāo)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展與方向。

[1]趙忠生, 袁志偉, 黃磊, 等.深海潛標(biāo)ADCP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[J].海洋科學(xué), 2012, 36(8): 94-97.

[2]王婷.國外海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)展[J].聲學(xué)技術(shù), 2011,30(3): 324-326.

[3]蘭志剛, 龔德俊, 劉育豐, 等.一種簡易的潛標(biāo)輔助尋標(biāo)定位系統(tǒng)[J].海洋科學(xué), 2006, 30(12): 1-4.

[4]倪佐濤, 姜靜波, 徐永平, 等.一種用于石油平臺(tái)的有纜潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布放方法[J].海洋科學(xué), 2012,36(12): 81-83.

[5]蘭志剛.平臺(tái)基有纜潛標(biāo)實(shí)時(shí)內(nèi)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].海洋科學(xué), 2012, 36(12): 76-80.

[6]劉素花, 李思忍, 徐永平.基于單片機(jī)和模糊控制的潛標(biāo)自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)[J].海洋科學(xué), 2010, 34(10):57-61.

[7]王士榜, 孫壽昌.測(cè)流潛標(biāo)系統(tǒng)中儀器架的改進(jìn)[J].海洋科學(xué), 1985, 9(5): 50.

[8]楊坤漢, 王明午.繃緊型單點(diǎn)錨定潛標(biāo)系統(tǒng)布放回收操作方法[J].海洋技術(shù), 1989, 8(1): 52-53.

[9]王明午.海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的靜力分析和姿態(tài)計(jì)算[J].海洋技術(shù), 2001, 20(4): 42-43.

[10]郭飛, 盛巖峰, 何紅輝, 等.淺海環(huán)境觀測(cè)專用潛標(biāo)和潛標(biāo)錨泊系統(tǒng)的研究[J].海洋技術(shù), 2000, 19(2):7-12.

[11]朱剛, 杜月中.波浪作用下潛標(biāo)拖纜動(dòng)力學(xué)分析[J].海洋工程, 2007, 25(4): 15-20.

[12]李飛權(quán), 張先明, 張鵬, 等.海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].海洋技術(shù), 2004, 23(1): 19-21.