趙 潔，劉富鵬，楊 寧，王 青

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2. 上海交通大學(xué)，上海 200240）

深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置研究

趙 潔1，劉富鵬1，楊 寧1，王 青2

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2. 上海交通大學(xué)，上海 200240）

為深水工作級(jí)水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）設(shè)計(jì)配套的水下作業(yè)工具運(yùn)輸裝置能向海底布放和回收ROV無(wú)法攜帶的樣品、儀器及其他作業(yè)設(shè)備，從而為水下設(shè)備、水下裝置和水下工具在海面與海底之間的升降運(yùn)輸提供手段。該深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置主體主要采用框架結(jié)構(gòu)，由輸運(yùn)模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊和水下示位模塊等3大模塊組成，通過(guò)搭載不同體積的浮力材料和不同質(zhì)量的負(fù)載執(zhí)行不同深水設(shè)備在水下的運(yùn)輸任務(wù)。該裝置安裝有水下定位裝置——聲學(xué)應(yīng)答器，能與母船和ROV 進(jìn)行聲學(xué)通信，通過(guò)聲學(xué)信息告知其位置坐標(biāo)，便于母船和ROV定位尋找。

ROV作業(yè)工具運(yùn)輸；水下工具運(yùn)輸裝置；深水ROV

0 引 言

深水海域油氣資源豐富，為更好地開(kāi)發(fā)油氣資源，世界各國(guó)都在大力發(fā)展其深水作業(yè)技術(shù)。水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）是深水作業(yè)所需的主要設(shè)備之一，其在水下作業(yè)時(shí)需母船為其將作業(yè)工具運(yùn)輸至海底。目前在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，主要通過(guò)深水吊機(jī)將這些工具下放至海底；若沒(méi)有配備深水吊機(jī)，則需通過(guò)將ROV上浮到海面來(lái)更換工具。深水吊機(jī)價(jià)格昂貴，大部分船舶都沒(méi)有配備，即便配備有深水吊機(jī)，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，業(yè)主也更傾向于將其應(yīng)用到更重要的工作中去。隨著ROV工作水深不斷增加，通過(guò)多次上浮下潛的方式來(lái)更換作業(yè)工具顯然效率低下。對(duì)此，美國(guó)和日本的部分海洋工程企業(yè)著手研究水下運(yùn)輸升降裝置并已投入使用，而國(guó)內(nèi)尚未對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。

本文所述的研究正是針對(duì)為深水作業(yè)ROV配套的水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置的設(shè)計(jì)，該裝置將使沒(méi)有深水吊機(jī)的母船也具備ROV作業(yè)支持能力，減少ROV的下潛上浮次數(shù)，提高我國(guó)的深水作業(yè)效率和深海作業(yè)能力。

1 總體設(shè)計(jì)方案

深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“水下升降裝置”）主要以塔式框架結(jié)構(gòu)為主體，上下主要分為浮體和輸運(yùn)箱2部分，通過(guò)搭載不同體積的浮力材料和不同質(zhì)量的負(fù)載執(zhí)行不同深水設(shè)備在水下的運(yùn)輸任務(wù)；同時(shí)，該裝置安裝有聲學(xué)應(yīng)答器，能與母船和ROV進(jìn)行聲學(xué)通信，通過(guò)聲學(xué)信息告知其位置坐標(biāo)，便于母船和ROV定位尋找。針對(duì)1500m重載作業(yè)型ROV設(shè)計(jì)的深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

1.1 工作過(guò)程

向海底布放、回收物體的主要過(guò)程為：

1) 在水面上通過(guò)掛載（適當(dāng)掛載鐵塊或鉛塊）的方式將裝載布放設(shè)備的深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置配置成負(fù)浮力，即系統(tǒng)浮力小于自身重力；

2) 在水面上通過(guò)水面母船的移動(dòng)進(jìn)行初步定位之后將該裝置投放入水，使其靠自身負(fù)浮力自由落到海底；

3) 根據(jù)該裝置和ROV的超短基線定位信息，控制ROV向已坐底的該裝置靠近，由ROV抓取所需作業(yè)工具，并將需回收的物體（樣品）放入該裝置內(nèi)，通過(guò)ROV操作手動(dòng)釋放器或控制聲學(xué)釋放器將壓載塊釋放至海底，釋放后該裝置具備正浮力，自由漂浮到水面，通過(guò)水下聲學(xué)定位裝置由母船定位回收。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

在設(shè)計(jì)方案中，該裝置達(dá)到的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)為：最大工作水深1500m；工作溫度0~25℃[1]；單程最大輸運(yùn)體積0.7m3；從海面到海底的最大輸運(yùn)能力200kg；從海底到海面的最大提升能力150kg；裝置總重≤1 t。

2 水下升降裝置組成結(jié)構(gòu)

水下升降裝置分為運(yùn)輸模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊和水下示位模塊等3部分。

2.1 運(yùn)輸模塊

運(yùn)輸模塊主要由連接鋼索、運(yùn)輸箱支架和運(yùn)輸箱組成，其主要功能是為需要進(jìn)行水下布放或回收的工具、設(shè)備和樣品在海底與海面之間運(yùn)輸提供載體，并為浮力調(diào)節(jié)模塊部件的連接或安放提供支撐。

1) 連接鋼索采用直徑為6mm的麻芯1670MPa級(jí)鋼絲繩，每根鋼絲繩長(zhǎng)1.2m，在安全系數(shù)為6.0的情況下最大承重為270kg；共使用4根麻芯鋼絲繩，總承重最大為1080kg。

2) 運(yùn)輸箱框架擬選用冷彎等邊三角鋼焊接制成。該三角鋼邊長(zhǎng)為 20mm，厚度為 1.6mm；底部框架邊長(zhǎng)為20mm，厚度為4mm。

3) 運(yùn)輸箱箱體采用304型號(hào)不銹鋼孔板加工，可有效減小深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置在運(yùn)輸過(guò)程中所受的阻力。

2.2 浮力調(diào)節(jié)模塊

浮力調(diào)節(jié)模塊主要由浮體、負(fù)載和負(fù)載的釋放機(jī)構(gòu)（手動(dòng)釋放器和聲學(xué)釋放器）等組成，其中：浮體由浮力材料塊及其安裝框架結(jié)構(gòu)共同組成；負(fù)載及其釋放機(jī)構(gòu)的主要功能是通過(guò)搭載或釋放負(fù)載改變深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置在水中受到的凈浮力的大小，使得裝置下潛或上浮[2]。

1) 浮體材料塊選用國(guó)內(nèi)研制的深海耐壓浮力材料，密度為 0.53±0.02g/cm3，截面尺寸為300mm×300mm× 150mm，可根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求和運(yùn)輸任務(wù)來(lái)增減其數(shù)量。浮力材料塊自重約15kg，水中產(chǎn)生的正浮力約120N。

2) 負(fù)載在水下運(yùn)輸裝置中主要作為配重使用，用于調(diào)節(jié)水下升降裝置整體凈浮力的大小，由負(fù)載安裝支架和多塊鑄鐵塊組成。每塊鑄鐵塊都按照統(tǒng)一規(guī)格（150mm×150mm×50mm）加工。負(fù)載釋放機(jī)構(gòu)由聲學(xué)釋放器和手動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)2部分組成。負(fù)載的釋放可采用聲學(xué)釋放器釋放和手動(dòng)釋放2種方式進(jìn)行。負(fù)載通過(guò)繩索懸掛在負(fù)載釋放機(jī)構(gòu)的下部，穿過(guò)負(fù)載連接圓環(huán)的繩索兩端，分別與聲學(xué)釋放器和手動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)相連。

2.3 水下示位模塊

水下示位模塊由聲學(xué)應(yīng)答器和無(wú)線電信標(biāo)組成。母船利用配套的水下定位系統(tǒng)，通過(guò)水聲信號(hào)對(duì)深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置進(jìn)行示位；無(wú)線電信標(biāo)用于指示回收入母船時(shí)所處海面的位置，同時(shí)可在聲學(xué)設(shè)備失效的情況下作為備選方案。

聲學(xué)應(yīng)答器和無(wú)線信標(biāo)都固定于浮體框架的頂端，減少框架結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)信號(hào)的阻礙，利于信號(hào)的接收。

3 水下升降裝置阻力計(jì)算和強(qiáng)度校核

當(dāng)水中運(yùn)動(dòng)體與其周?chē)黧w之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有阻力產(chǎn)生，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，阻力就越大。由于水下升降裝置主要在水下作業(yè)，因此流體產(chǎn)生的阻力主要包括摩擦阻力Rf和黏壓阻力Rpv。摩擦阻力和黏壓阻力隨著該裝置相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的變化而不斷變化；同時(shí)兩者占總阻力的比例受水中物體形狀的影響[3]。

3.1 摩擦阻力

摩擦阻力是水中物體與水流相切的表面和水流發(fā)生摩擦造成的，其計(jì)算式為

式(2)中：雷諾數(shù) Re = vLwl/h；Lwl為水線長(zhǎng)，m；v為流體速度，m/s；h為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，一般取h= 1.56132′ 10-6m2/s。

水下升降裝置中產(chǎn)生流體阻力的部分主要是輸運(yùn)箱和浮體，經(jīng)計(jì)算，輸運(yùn)箱摩擦阻力Rf1和浮體摩擦阻力Rf2的計(jì)算式分別為

3.2 黏壓阻力

由于水下升降裝置的外形結(jié)構(gòu)主要采用非流線型設(shè)計(jì)，在水中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)黏性流體邊界層的分離導(dǎo)致黏壓阻力產(chǎn)生。黏壓阻力為總阻力的重要組成部分，其計(jì)算式為

式(5)中：Cpv為黏壓阻力系數(shù)；A為物體在垂直于阻力方向上的最大橫剖面面積。估算黏壓阻力系數(shù)Cpv的近似計(jì)算式為

式(6)中：Lr為水中運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度，又稱(chēng)去流段長(zhǎng)度；S為與速度方向平行的側(cè)面表面積；Am為物體在垂直于速度方向上的橫剖面面積；在此處的黏壓阻力計(jì)算中，最大橫剖面面積A即為垂直于速度方向的橫剖面面積Am。

由式(6)可知，Cpv與Am的5/4次方成正比、與S成反比，水下運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度一定。這里校核深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置在下降過(guò)程中的最危險(xiǎn)情況，即所受阻力最小、下降速度最快的工況。深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置采用非流線體結(jié)構(gòu)，迎流面積較大，其所受的阻力主要為黏壓阻力，則要校核所受阻力最小的情況，需求解Cpv的極小值。若在最危險(xiǎn)工況下的校核結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，則該裝置在其他作業(yè)任務(wù)下亦符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)范。

輸運(yùn)箱的黏壓阻力Rpv1，浮體所受黏壓阻力Rpv2及水下升降裝置所受總阻力R的計(jì)算式分別為

3.3 速度計(jì)算

水下升降裝置在水中上升或下降的過(guò)程中，隨著速度的增加，阻力會(huì)不斷增大，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。裝置保持勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，有關(guān)系式

在得到該裝置阻力與速度的關(guān)系式后，可根據(jù)不同浮力工況分析在不同負(fù)載和附體配置情況下裝置的運(yùn)動(dòng)速度：

1) 當(dāng)裝置配載后負(fù)浮力為49N時(shí)，可得n=0.771m/s；

2) 當(dāng)裝置配載后負(fù)浮力為98N時(shí)，可得n=1.091m/s；

3) 當(dāng)裝置配載后負(fù)浮力為147N時(shí)，可得n=1.336m/s；

4) 當(dāng)裝置配載后負(fù)浮力為196N時(shí)，可得n=1.543m/s；

5) 當(dāng)裝置配載后負(fù)浮力為294N時(shí)，可得n=1.889m/s。根據(jù)以上不同配載工況，可得到該裝置勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度與其所受阻力的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）。

3.4 輸運(yùn)箱著陸沖擊強(qiáng)度校核

設(shè)輸運(yùn)箱下行滿載運(yùn)輸儀器設(shè)備 200kg（此為水中質(zhì)量，在空氣中為250~300kg），受負(fù)浮力294N下行，在最極端的工況下，裝置保持n=1.889m/s的速度下降，直至著陸。著陸過(guò)程中受到?jīng)_擊作用的部分包括輸運(yùn)箱、輸運(yùn)箱支架、負(fù)載和聲學(xué)釋放器，其質(zhì)量為370~420kg。沖擊力的計(jì)算通過(guò)動(dòng)量定理[4]推導(dǎo)出，即

式(11)中：F為沖擊力；m為輸運(yùn)架的質(zhì)量；n為著陸時(shí)的速度；t為裝置著陸至速度降為0所需要的時(shí)間。

沖擊事件與海底底質(zhì)的狀況有關(guān)[5]。若著陸地點(diǎn)位于海底沉積物地質(zhì)的海床，則因地質(zhì)柔軟，著陸時(shí)緩沖時(shí)間較長(zhǎng)，因此取t=0.1s，計(jì)算所得的最大沖擊應(yīng)力4.82MPa遠(yuǎn)小于角鋼的許用應(yīng)力235MPa，其安全系數(shù)為48.8；若著陸地點(diǎn)為洋底巖石地質(zhì)，著落表面基本上可作為剛體分析，則觸底的碰撞即為剛性碰撞，巖石地質(zhì)變形極小，緩沖時(shí)間很短，取t=0.01s進(jìn)行估算，計(jì)算所得的最大沖擊應(yīng)力33.87MPa小于角鋼的許用應(yīng)力235MPa，安全系數(shù)為6.98。結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大，主要考慮到實(shí)際海床并非水平結(jié)構(gòu)，裝置在著陸時(shí)可能出現(xiàn)局部先接觸的情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文為ROV設(shè)計(jì)一種配套的深水水下作業(yè)工具簡(jiǎn)易運(yùn)輸裝置，能向海底布放和回收ROV無(wú)法攜帶的樣品、儀器或作業(yè)設(shè)備，為海面與海底之間的升降運(yùn)輸提供了一種可行的手段，能提高我國(guó)深海作業(yè)的效率和深海作業(yè)能力。

[1] DNV. Environmental conditions and environmental loads: DNV-RP-C205[S]. 2014.

[2] HALKYARD J. Design of floating structures[M]. Amsterdam: Elsevier Science, 2006.

[3] ABS. Rules for building and classing underwater vehicles system, and hyperbaric facilities[S].

[4] 余同希. 結(jié)構(gòu)的塑性動(dòng)力響應(yīng)(一)[J]. 爆炸與沖擊，1990 (1): 87-98.

[5] 張宏偉. 可著陸水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)行為研究[D]. 天津：天津大學(xué)， 2007.

Research on the Sim p le Transport Device for Deepwater ROV Tools

ZHAO Jie1，LIU Fu-peng1，YANG Ning1，WANG Qing2
（1. Offshore Oil Engineering Company, Tianjin 300461, China; 2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China）

The simple transportation device designed for deepwater Remote Operated Vehicle (ROV) can deploy and recover the samples, instruments, operation equipments and all those ROV cannot carry from/to ocean surface and bottom. Its frame structure consists of the transportation module, the buoyancy adjustment module and the underwater positioning module. The transportation in different water depth is accomplished by carrying buoyancy material of different volumes and loads of different masses. Besides, the device is equipped w ith an underwater positioning device—acoustic transponder, which can communicate with the mother ship and the ROV through acoustic signals, telling them its location to let them follow.

ROV tool transportation; underwater tool transportation device; deepwater ROV

P754

A

2095-4069 (2017) 03-0073-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.015

2016-05-11

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05027-005；2016ZX05028-007）

趙潔，女，碩士，1983年生。2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）巖土工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋工程專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)和研究工作。