海底掩埋纜探掛裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宋 強(qiáng) ,許 可 ,姚明超 ,王 瑞 ,羅 升

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214082;2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫,214082)

0 引言

隨著全球通信、深海海底探測和深海能源開發(fā)等需求的不斷擴(kuò)大,深海海纜的使用越來越廣泛,特別是在水下信息搜尋、水下觀測網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域,深海海纜的使用及鋪設(shè)量巨大。海纜通常采用水下挖溝機(jī)進(jìn)行鋪設(shè),考慮到淺海漁船較多,為避免漁船的錨刮斷海纜,淺海中海纜的鋪設(shè)深度較深,范圍在1～2 m 左右;深海中海纜的鋪設(shè)深度較淺,往往在0～0.5 m 左右。深海海纜服役壽命到期更換或意外發(fā)生中斷需維修,首先需要在海底發(fā)現(xiàn)掩埋纜位置,然后操控作業(yè)工具開展下一步作業(yè)。目前常用的技術(shù)手段是水面維修母船在海底拖掛一根張力錨,直至拖掛到海纜,并將其掛斷,然后打撈上岸。該種張力錨拖掛海纜的方式屬于盲掛,效率較低,極易將海底的其他海纜拖掛損壞,造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此有必要針對(duì)海底掩埋纜的探掛開展深入研究,提高掩埋纜的更換和維修效率。

針對(duì)海底掩埋纜,國內(nèi)目前的研究主要集中在線纜鋪設(shè)方面: 林如[1]設(shè)計(jì)了一臺(tái)海底管道射流式挖溝機(jī)用于海底管道鋪設(shè),并針對(duì)噴嘴進(jìn)行了數(shù)值仿真;戴源等[2]通過理論分析、數(shù)值仿真及試驗(yàn)等對(duì)不同地質(zhì)情況下的噴射臂向前噴射和相向噴射的噴嘴選型和布置進(jìn)行分析,形成噴嘴選型建議,用于海底開溝;李文濤等[3]介紹國外用于海底電纜和油氣管線埋設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備——挖溝機(jī)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢,比對(duì)各類挖溝機(jī)的主要性能如埋深、埋設(shè)速度和挖溝方式,介紹國外當(dāng)今挖溝機(jī)設(shè)計(jì)的最新技術(shù)及最新進(jìn)展;王子維[4]根據(jù)海底射流式開溝機(jī)噴沖臂的基本工作原理,通過對(duì)多對(duì)噴嘴泥沙沖刷進(jìn)行數(shù)值仿真,確定合理的噴沖臂射流噴嘴數(shù)量及噴嘴直徑,并開展模型試驗(yàn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流沖刷進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5-7],但對(duì)如何維修海底掩埋纜的研究甚少。在水下掩埋纜維修技術(shù)方面,國內(nèi)用某試驗(yàn)艇開展了海纜布放回收、水下剪切和探測陣節(jié)點(diǎn)起吊布放等作業(yè)的演示驗(yàn)證[8-10]。

海底纜線大都屬于長周期工作設(shè)備,在鋪設(shè)時(shí)或采用埋設(shè),或采用海底表層敷設(shè)。在長周期的工作過程中,受洋流的影響海底纜線表面常被沉積物所掩蓋。為便于在目標(biāo)精細(xì)識(shí)別后對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)維修,需要針對(duì)掩埋纜進(jìn)行掩埋物或覆蓋物的近距離清理,為后續(xù)掩埋纜掛探、高效剪切和打撈回收后的維修提供基礎(chǔ)操作環(huán)境條件。目前國內(nèi)針對(duì)掛探標(biāo)記掩埋纜的技術(shù)手段尚無報(bào)道,文中提出海底掩埋纜的識(shí)別和維修作業(yè)流程,重點(diǎn)針對(duì)掩埋纜探掛階段,設(shè)計(jì)了一種海底掩埋纜探掛裝置,并開展試驗(yàn)研究。通過集成位移傳感器和壓力傳感器采集反饋信號(hào),基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口圖,用于指導(dǎo)判斷探掛裝置對(duì)海底掩埋纜掛鉤標(biāo)記是否成功。

1 作業(yè)流程

水下載人平臺(tái)固定于水面布放母船甲板上,水面母船航行至作業(yè)目標(biāo)海域,通過甲板架將水下載人平臺(tái)起吊至水面,水下載人平臺(tái)攜帶作業(yè)級(jí)無人遙控潛水器(remotely operated vehicle,ROV)及被動(dòng)式吊車,其中作業(yè)級(jí)ROV 底部模塊化安裝清理探掛作業(yè)工具。水下載人平臺(tái)航行至掩埋纜的上方大致水域,釋放作業(yè)級(jí)ROV,在已初步探明的水底,作業(yè)級(jí)ROV 將清理探掛作業(yè)工具插入沉積物中,并展開Z 字形軌跡航行探掛,直至清理探掛作業(yè)工具的張力反饋值顯示已掛住掩埋纜,啟動(dòng)標(biāo)記浮球掛鉤自動(dòng)解脫,之后水下載人平臺(tái)上的被動(dòng)式吊車放纜,下放起吊鉤,作業(yè)級(jí)ROV 通過多功能機(jī)械手將標(biāo)記浮球掛接在被動(dòng)式吊車的起吊鉤上,吊車收纜,從而完成掩埋纜的打撈回收。若打撈回收掩埋纜張力值過大,無法完成起吊任務(wù),可以通過作業(yè)級(jí)ROV 多功能機(jī)械手操控剪切工具完成高效剪切,而后再啟動(dòng)打撈回收任務(wù),最后進(jìn)行檢修和修復(fù)。

2 探掛裝置設(shè)計(jì)

2.1 探掛裝置本體設(shè)計(jì)

針對(duì)掩埋纜探掛問題設(shè)計(jì)了一種探掛裝置,其三維模型如圖1 所示,圖中各部件依次為: ①張力傳感器、②支架、③擺動(dòng)油缸、④位移傳感器、⑤擺臂、⑥脫鉤油缸、⑦浮球容器以及⑧掛鉤。因探掛裝置擺臂機(jī)構(gòu)和脫鉤機(jī)構(gòu)體積質(zhì)量限制,經(jīng)過對(duì)比電動(dòng)推桿和液壓油缸方案,電動(dòng)推桿存在體積大、可靠性不高等不足,并且擺臂在觸碰線纜時(shí)需要被動(dòng)抬起,由于液壓油缸更易實(shí)現(xiàn)該功能,故采用液壓油缸方案。探掛裝置整體質(zhì)量約80 kg,設(shè)計(jì)水深300 m,擺動(dòng)油缸行程150 mm,工作壓力5 MPa,脫鉤油缸行程80 mm,工作壓力4 MPa。擺動(dòng)油缸通過控制擺臂可實(shí)現(xiàn)0～45°范圍內(nèi)的擺動(dòng),從而適用不同深度的線纜;位移傳感器主要用于檢測擺動(dòng)油缸的位移;脫鉤油缸主要控制掛鉤的解脫;張力傳感器主要用于檢測擺臂擺動(dòng)過程中所受的力;掛鉤與浮球通過繩子連接,當(dāng)掛鉤解脫時(shí)可帶動(dòng)浮球一起完成解脫。

圖1 探掛裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of detection and hanging device

2.2 力學(xué)模型

針對(duì)探掛裝置進(jìn)行受力分析。擺臂主要受到前進(jìn)的拉力F1,油缸的作用力F2,線纜對(duì)其的作用力F3,掛鉤的重力G(擺臂重量較輕,可忽略),OB代表擺臂初始位置,OB1代表擺臂45°位置,AM代表擺動(dòng)油缸初始位置,AM1代表擺動(dòng)油缸45°位置,OM代表曲柄初始位置,OM1代表曲柄45°位置,其力學(xué)分析模型如圖2 所示。

圖2 探掛裝置力學(xué)分析模型Fig.2 Mechanical analysis model of detection and hanging device

針對(duì)探掛裝置整體:G=260 N,OB1=935 mm,OM1=100 mm,∠BOB1=45°,∠F2M1F21=20°。

水平方向所列方程

針對(duì)擺臂裝置,力矩方程為

擺動(dòng)油缸活塞有效面積As為0.002 m2,則擺動(dòng)油缸溢流閥壓力

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架三維模型如圖3 所示。探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架主要由①支架、②線纜固定架、③線纜、④滑臺(tái)、⑤探掛裝置、⑥鋼絲繩、⑦鐵桶,液壓閥組、液壓源和數(shù)據(jù)采集器(見圖4 實(shí)物圖)等組成。線纜固定架可通過調(diào)節(jié)線纜兩端的抱箍高度來模擬線纜不同埋深且可夾持不同直徑的線纜,通過配置不同比例的粘土和水泥來設(shè)置土的硬度,鐵桶內(nèi)部可施加鉛沙來實(shí)現(xiàn)不同的重量達(dá)到所需的拉力,滑臺(tái)可在鐵桶的牽引下沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)探掛裝置運(yùn)動(dòng),液壓閥組用于控制擺動(dòng)油缸和脫鉤油缸的動(dòng)作,數(shù)據(jù)采集器用于采集位移傳感器、擺動(dòng)油缸壓力和張力傳感器的數(shù)值。實(shí)物樣機(jī)如圖4 所示。

圖3 探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架三維模型Fig.3 Three-dimensional model of test bench of detection and hanging device

圖4 探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物樣機(jī)Fig.4 The prototype of detection and hanging device test bench

3.2 探掛裝置液壓系統(tǒng)

探掛裝置試驗(yàn)臺(tái)架液壓系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。圖中: PT×1 為擺動(dòng)油缸無桿腔壓力傳感器;PT×2 為擺動(dòng)油缸有桿腔壓力傳感器;PT×3 為脫鉤油缸有桿腔壓力傳感器;V1 為擺動(dòng)油缸油路液壓鎖;V2 為脫鉤油缸油路液壓鎖;V3 為擺動(dòng)油缸油路節(jié)流閥;Y1 為擺動(dòng)油缸油路電磁換向閥左位;Y2 為擺動(dòng)油缸油路電磁換向閥右位;Y3 為脫鉤油缸油路電磁換向閥左位;Y4 為脫鉤油缸油路電磁換向閥右位;P 為液壓系統(tǒng)進(jìn)口;T 為液壓系統(tǒng)出口。工作時(shí)由操控人員手動(dòng)操作換向閥動(dòng)作到左位狀態(tài),擺動(dòng)油缸開始動(dòng)作,探掛裝置的擺臂下降45°;探掛裝置開始前進(jìn),當(dāng)擺臂接觸到掩埋纜時(shí),探掛擺動(dòng)油缸的A 口壓力升高,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取探掛擺動(dòng)油缸的A 口壓力傳感器的信號(hào)值,經(jīng)過公式換算顯示力的大小。擺臂在掩埋纜的作用下產(chǎn)生被動(dòng)抬起的力開始克服擺臂自身的重力,當(dāng)液壓油壓力超過溢流閥的設(shè)定值時(shí),溢流閥溢流,在掩埋纜的作用下擺動(dòng)油缸的活塞桿回收,擺臂開始上移,探掛裝置繼續(xù)前進(jìn),直至掛鉤掛到掩埋纜;當(dāng)掛鉤掛到纜以后,探掛裝置繼續(xù)前進(jìn),控制系統(tǒng)讀取的脫鉤油缸B 口的壓力傳感器信號(hào)的值會(huì)變大,操作人員判斷后,手動(dòng)操作換向閥動(dòng)作到左位狀態(tài),完成脫鉤動(dòng)作;脫鉤后,手動(dòng)操作換向閥動(dòng)作到右位狀態(tài),探掛擺動(dòng)油缸縮回,擺臂上移。在整個(gè)過程中,控制系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力傳感器1 信號(hào)(擺動(dòng)油缸A 口)、壓力傳感器2 信號(hào)(擺動(dòng)油缸B 口)以及位移傳感器信號(hào)(擺動(dòng)油缸)。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic system

3.3 誤差對(duì)比

針對(duì)掩埋纜深度200、300、400 和500 mm,分別進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,所得對(duì)比曲線圖如圖6 所示。

圖6 理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of theoretical calculation and test results

由圖6 可知,隨著拉力的增大,理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證之間的誤差呈逐漸減小趨勢,其中掩埋纜深度300 mm、拉力1 000 N 下理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證誤差最小,故后續(xù)以該工況進(jìn)行試驗(yàn)分析。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)具備重復(fù)性,保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性,設(shè)定溢流閥溢流壓力為3 MPa,給定無桿腔壓力為2.2 MPa,進(jìn)行2 次重復(fù)試驗(yàn),作業(yè)窗口圖如圖7 所示。由圖7 可知,2 次試驗(yàn)結(jié)果中位移傳感器位移、油缸壓力傳感器以及張力傳感器顯示的示數(shù)基本重合,故該試驗(yàn)重復(fù)性較高。

圖7 相同試驗(yàn)工況2 次試驗(yàn)對(duì)比圖Fig.7 Comparison between two tests under the same test condition

3.4 試驗(yàn)分析

為了對(duì)比不同溢流閥壓力下的海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口圖,分別設(shè)定擺動(dòng)油缸溢流閥壓力為1.6 和3 MPa。針對(duì)溢流閥壓力1.6 MP 給定初始擺動(dòng)油缸無桿腔壓力1.2 MPa,針對(duì)溢流閥壓力3 MPa 給定初始無桿腔壓力為2.2 MPa,通過對(duì)數(shù)據(jù)采集器提取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口圖如圖8 和圖9 所示。

圖8 溢流閥壓力為1.6 MPa 時(shí)信息作業(yè)窗口圖Fig.8 Operation window when relief valve pressure is 1.6 MPa

圖9 溢流閥壓力3 MPa 時(shí)作業(yè)窗口圖Fig.9 Operation window when relief valve pressure is 3 MPa

由圖8～圖9 可知,海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口主要有4 個(gè)階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動(dòng)抬起階段、④掛鉤掛住纜階段。

擺臂未碰到纜階段: 位移傳感器、油缸壓力傳感器、張力傳感器數(shù)值基本不變,保持在初始值。

擺臂碰到纜階段: 在14 s(溢流閥壓力1.6 MPa)、9 s(溢流閥壓力3 MPa)時(shí)張力傳感器示數(shù)突然增大,表明擺臂剛觸碰到纜,在14～20 s(溢流閥壓力1.6 MPa)、9～19 s(溢流閥壓力3 MPa)時(shí)間,張力傳感器和油缸壓力傳感器數(shù)值一直增大,而位移傳感器數(shù)值不變,因?yàn)榇穗A段擺臂碰到纜時(shí)還未達(dá)到溢流閥溢流壓力,擺臂油缸不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作,故不會(huì)產(chǎn)生位移變化。該階段溢流閥壓力為1.6 MPa的響應(yīng)時(shí)間僅6 s,溢流閥壓力為3 MPa 的響應(yīng)時(shí)間為10 s,表明溢流閥壓力越小,擺臂受到外力作用更容易被抬起。

擺臂被動(dòng)抬起階段: 在20～46 s(溢流閥壓力1.6 MPa)、19～43 s(溢流閥壓力3 MPa)時(shí),位移傳感器數(shù)值開始下降,表明擺臂被動(dòng)抬起,油缸壓力傳感器和張力傳感器數(shù)值基本不變,表明達(dá)到擺臂油缸溢流閥壓力。

掛鉤掛住纜階段: 在46 s(溢流閥壓力1.6 MPa)、43 s(溢流閥壓力3 MPa)時(shí)油缸壓力傳感器和張力傳感器數(shù)值突然變小(因掛鉤結(jié)構(gòu)形式為向內(nèi)凹結(jié)構(gòu)),表明此時(shí)纜正好掛到掛鉤內(nèi)部,在此后的時(shí)間里,位移傳感器數(shù)值保持不變。

水下環(huán)境作業(yè)時(shí)因不可避免地?cái)噭?dòng)海底泥土,海水會(huì)變得渾濁,無法通過水下攝像機(jī)來判定掛纜是否成功,此時(shí)只能通過傳感器的數(shù)值變化來判定掛鉤掛纜是否成功,為了對(duì)比掛纜成功和失敗2 種工況下作業(yè)窗口,通過將掛鉤調(diào)轉(zhuǎn)180°來模擬掛纜失敗的工況。設(shè)定掩埋纜深度為300 mm、拉力載荷為1 000 N,設(shè)定溢流閥初始?jí)毫? MPa,給定無桿腔壓力為2.2 MPa,分別得出掛纜成功作業(yè)窗口圖和掛纜失敗作業(yè)窗口圖,如圖10 和圖11所示。

圖10 掛鉤成功作業(yè)窗口圖Fig.10 Successful job window of hook

圖11 掛鉤失敗作業(yè)窗口圖Fig.11 Failed job window of hook

由圖10 和圖11 可知,掛鉤成功主要包括5 個(gè)階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動(dòng)抬起階段、④纜掛入鉤中和⑤脫鉤成功階段。掛鉤失敗主要包括4 個(gè)階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動(dòng)抬起階段和④纜越過掛鉤階段。其中前3 個(gè)階段變化規(guī)律基本一致,不同的是掛纜成功從纜掛入鉤中到脫鉤成功階段,位移傳感器示數(shù)會(huì)從保持不變突然變小,油缸壓力傳感器示數(shù)先變小后增大最后保持不變,張力傳感器示數(shù)先變小后增大再變小;而掛纜失敗階段位移傳感器示數(shù)是先增大后保持不變,油缸壓力傳感器示數(shù)變小后保持不變,張力傳感器示數(shù)變小后保持不變。由此可通過位移傳感器、油缸壓力傳感器和張力傳感器三者最后階段的不同變化規(guī)律來判定是否掛鉤成功。

4 結(jié)束語

文中提出了一種海底掩埋纜探掛裝置的設(shè)計(jì)方案,針對(duì)海底掩埋纜的維修問題提出作業(yè)級(jí)ROV 水下作業(yè)流程,并重點(diǎn)針對(duì)掩埋纜探掛階段進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)研究。首先設(shè)計(jì)一套掩埋纜探掛裝置及適用于探掛裝置的試驗(yàn)臺(tái)架,通過試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性和試驗(yàn)的可重復(fù)性,并開展一系列試驗(yàn)研究,得出不同工況下海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口圖,從而判定掩埋纜與探掛裝置不同階段的作用情況。為了保證作業(yè)窗口的準(zhǔn)確性開展模擬掛纜成功與失敗的對(duì)比,得出2 種情況下探掛裝置作業(yè)窗口圖的不同。相關(guān)研究成果可為水下掩埋纜的維修及裝備工程化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。