ROV在深水海底電纜鋪設中的應用研究

劉 陽，李軍安

（天津港灣水運工程有限公司，天津 401331）

1 引言

近年來，隨著海洋石油開發不斷向深水區域發展，在潛水員不能達到的深度和不安全的作業環境中，ROV（Remotely Operated Vehicle）是最主要的作業工具之一，其深水作業能力強的特點使其能夠完成高強度、大負荷的工作。

2 ROV及其作業系統介紹

ROV（Remotely Operated Vehicle），遠程操縱運載器，國內通常稱為水下機器人。自1953年第一臺ROV下水，ROV從誕生走向產業化只用了半個世紀的時間。在海上石油開發、海洋科學研究、海底礦藏勘探、海底打撈救生以及軍事應用等方面正發揮著越來越重要的作用。ROV發展到今天，數量和品種已經非常多。近幾年來，已經多達275種，工作水深從幾十米到上萬米，重量由幾十千克到幾十噸，而且出現了許多專用型ROV。

ROV的設計是一項綜合性的復雜工程，技術密度高，其研制水平體現了一個國家的綜合技術力量。作為一種由水面控制的高技術水下作業系統，ROV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，完成大量的水下作業任務。

按控制方式ROV可分為兩種：系纜型和無纜型。系纜型通過臍帶電纜獲得動力、傳送操作指令和遙測數據；無纜型由動力定位船通過聲納發信器發出遙控指令，對潛器的工作實現遙控。

在海洋石油開發領域，ROV主要應用在海洋設施安裝水下支持、海洋設施水下檢測、海管海纜鋪設現狀調查、海管海纜鋪設支持等。

2.1 ROV系統組成

系纜型ROV的技術最成熟、成品多、門類齊全，應用廣泛。PantherPlus909 ROV就是此類ROV中的一個比較典型的代表。就整體系統而言包括潛水器、主控集裝箱（Control Room）、維修和工具集裝箱（Workshop）、臍帶和回收鋼纜絞盤系統（Winch）以及ROV釋放與回收系統（A-Frame或Crane）、液壓動力站（HPU）以及用于絞盤系統和釋放回收系統操控臺（Control Panel）。

2.2 水下作業系統

ROV本身作為一種運載工具，在進行水下作業時必須攜帶水下作業工具。可以說，水下作業系統是ROV工作系統的核心，沒有它，水下機器人充其量只是個觀察臺架而已。

水下作業系統包括多功能機械手和各種水下作業工具包。主要有以下一些功能：海下救助和打撈，海底打撈物提升纜的系結，海中閘門的關閉，海中螺栓的拆裝，海中各種柔性纜、鋼纜的切割，水下構件或船體表面的清洗，水下鉆孔，管線檢測等。

2.3 吊放回收系統

ROV通常由支持母船運載到作業地點，然后從母船上將其吊放至水中，而當其完成水下作業（或發生意外情況），又將其回收到母船上進行維護和保養。然而，在海面與大氣交界處進行吊放回收作業時是十分危險的。海況是一個主要不利因素，風浪、海流的作用以及母船的橫搖、縱搖、升降運動都會使ROV產生難以預料的運動，極易發生碰撞的危險。

3 ROV深海水下作業實例

本文以深海電纜鋪設項目為例，介紹ROV在深海作業水下作業過程，儀器參數如下：

ROV型號：ROVTECH公司：PantherPlus909型ROV

海纜鋪設支持船舶：海洋石油299

海底電纜的型號和規格：6130M×Φ87mm復合電纜，空氣中重量17.5kg/m，水中重11.8kg/m。

3.1 預先調查

海纜由東方CEP中心控制平臺到WHPA平臺，全程一共5.6 km（如圖1所示）。在電纜鋪設前首先需要ROV對海床面和導管架水下情況做好預調查。

調查的范圍主要包括：①檢查兩側的平臺電纜護管鋼絲不被導管架陽極等結構物纏繞。②檢查護管喇叭口方向是否正確以及是否有盲板封堵、平臺附近電纜抽拉路徑是否有障礙物、電纜鋪設路徑上有無影響作業的漁船等。

3.2 發現問題和解決辦法

預調查時發現在20水深處電纜護管鋼絲被導管架上的陽極塊纏繞，ROV使用液壓手臂將纏繞住的鋼絲繩從陽極塊上繞出。并對平臺附近電纜抽拉路徑上的障礙物進行清理。檢查喇叭口方向正確，沒有盲板封堵。

圖1 作業平臺示意圖

3.3 ROV的水下作業支持

ROV完成預調查后，海洋石油299就位于CEP中心控制平臺，距平臺約30 m，如圖2所示。將牽引鋼絲繩由撇纜繩送到海洋石油299甲板。牽引鋼絲與電纜頭網套用5噸碟型卡環連接固定。啟動絞車牽引電纜上平臺。ROV在水下喇叭口通過廣角微光攝像頭監視電纜的松緊程度，根據ROV水下的觀察情況來決定電纜收放速度的快慢。

海纜由J型護管拉上CEP控制平臺后測試海纜的通訊線路是否完好，測試完成后開始走船放纜，起始鋪設方式采用的是步長方式，即電纜釋放長度等于走船距離，ROV在水下觀察海纜著地點和海纜的受力情況，手動操作張緊器，過彎段100 m后張緊器轉為恒張力鋪設。設計水深70 m，電纜著地點與船舶距離為77 m，電纜拉力1400 kg與船尾夾角為25°ROV在水下觀察電纜著地點的變化，通過DP定位系統和ROV潛器的信標來確定海纜著地點與鋪纜船的距離。在海底電纜鋪設過程中，DP定位人員與張緊器造作員進行距離長度對比，每100校對一次，走船速度根據現場海況情況而定，海底電纜鋪放速度暫定為15～20 m/min。

當船舶到達末端WHPA平臺拐點時進入結束端電纜鋪設，暫停走船，張緊器改為手動操作，釋放電纜使著床距離為10～15m （既海纜在海床的著地點與船舶的距離為10～15m），張緊器記數器設置為零，鋪設方式為步長式（這時所剩電纜長度應當大于350m）。

圖2 作業支持示意圖

當計數器現實電纜剩余量30～35m時，暫停走船，切掉甲板上的多余電纜，開始制作電纜頭。制作完成后繼續走船，待電纜頭下塔架后，停船到電纜護管喇叭口的軸線上，WHPA平臺將牽引鋼絲由漁船送到海洋石油299甲板上，如圖3所示。與電纜連接后將牽引鋼絲繞過導向柱送入水中，平臺使用氣動絞車慢慢收緊牽引鋼絲，張緊器計數器設置為零開始收纜、海纜由平臺絞車拉上平臺 （299甲板上張緊器的操作員要與平臺上氣動絞車控制人員保持密切聯系以保證張緊器與絞車的同步）。

ROV潛至平臺喇叭口附近監視電纜的松緊程度，將畫面傳送給299船駕駛臺，通過觀察畫面來調整張緊器和絞車的收纜速度。

圖3 電纜伸縮示意圖

當張緊器計數器顯示收回電纜到130m時，工作暫停，在299后甲板左右電纜上各安裝一個電纜拖拉網與299甲板上的兩個氣動絞車相連，兩個氣動絞車帶力收緊鋼絲繩，張緊器稍微從水中收回電纜，左側絞車跟隨收緊，使海纜在甲板上的彎段放松不受力時，打開張緊器履帶輪，將海纜抬出甲板導向柱，兩個絞車慢慢釋放電纜。恢復平臺電纜牽引工作，當電纜彎段到達船尾時，甲板上兩個氣動絞車繼續放下電纜，平臺牽引速度保持與甲板兩個氣動絞車釋放速度同步。ROV下水監測下放電纜過程。防止張緊器側的海纜在下放過程中在海床上堆積成堆 （如果發現海底電纜有堆積出現，299將移船調整）。

當海纜拉上平臺的長度滿足平臺要求長度時，將電纜放到海床，甲板切斷固定端的鋼絲繩，氣動絞車回收鋼絲繩。海底電纜經測試完成后正式投入使用。海纜鋪設項目結束。

4 ROV應用前景展望

（1）計算機技術在ROV中的應用促進ROV控制技術發生巨大變化，新一代采用更新型技術的ROV已經開始呈現在我們的面前。多媒體技術、臨場感技術及虛擬現實技術將產生新一代全新概念的ROV。

（2）近年來，人類的活動領域不斷擴大。國際公海組織規定，對有能力進行深海勘探的國家將有優先開采權。因此開發深水海洋石油將是我國面臨的一個非常迫切而富有挑戰性的工作。然而海洋石油開發的主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因此對機器人的要求更高。而目前的ROV臍帶電纜約束了ROV水下載體的活動范圍，增加了成本，在復雜環境中危害著ROV水下載體的安全。因此，AUV（Autonomous Underwater Vehicle）技術將成為ROV技術的延伸和發展。

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