基于安全因素的開式潛水鐘設計與研究

李 曦

（中國船級社 蕪湖分社，安徽蕪湖 241000）

基于安全因素的開式潛水鐘設計與研究

李 曦

（中國船級社 蕪湖分社，安徽蕪湖 241000）

文章描述了某型開式潛水鐘系統在設計與使用時，對人員和設備的安全因素進行了多層次的考慮，設計了多重保護，并結合中國船級社（CCS）《潛水系統和潛水器入級與建造規范》對回收潛水鐘時獨立的應急系統相關規定，重點描述了應急自浮系統解決方案。對同類型開式潛水鐘設計與研究具有現實指導意義，并對日后CCS規范的修改有一定的參考價值。

安全；潛水鐘；應急自浮系統

0 引言

現代船舶工業中，潛水器作為性能特別的一類海洋產品，隨著中國日益走向海洋，以至深藍，正起著越來越重要的作用，日益受到更多的關注。特別是中國蛟龍號深潛器，所取得的成就引起全世界關注。一方面，潛水器運載科學家和工程技術人員進入深海，在海山、洋脊、盆地和熱液噴口等復雜海底進行機動、懸停，有效執行海洋地質、海洋地球物理、海洋地球化學、海洋地球環境和海洋生物等科學考察。另一方面，可以開展深海探礦、海底高精度地形測量、可疑物探測與捕獲、深海生物考察等功能。

1 概述

目前主要有5大潛水方式，即自攜式潛水、管供式潛水、開式鐘潛水、邦司潛水和飽和潛水。除了自攜式潛水和管供式潛水外，其余3種潛水方式都要用到潛水鐘[1]，因此潛水鐘成為人們從事水下活動的重要裝備。

潛水鐘是一種鐘形壓力容器，配備在需要進行潛水作業的船上，可以運送人員往返于水下與甲板之間。開式潛水鐘是指底部開口，鐘內上部可形成氣墊的潛水鐘，又稱濕式潛水鐘，是潛水鐘系列中的一種。開式潛水鐘主要用于中淺深度的的空氣潛水，一般與輕潛水裝具配套使用，適用于潛水，是國際上較為流行的潛水運載工具之一。由于開式潛水鐘系統具有獨特的優勢，在英美等發達國家得到廣泛使用，并且已進入標準化生產與潛水作業。

雖然開式潛水鐘系統具有獨特的優勢，方便，耐用，但同時，由于人員、設備皆需要潛入較深的海水中，承受深海中復雜的環境影響，對人員、設備進行著嚴苛的考驗，稍有不慎，將出現人員、設備失蹤、丟失的可怕結果，造成嚴重的后果。故各國在設計潛水設備時都十分重視設備和人員的保護。本文從某型開式潛水鐘系統的設計，結合中國船級社《潛水系統和潛水器建造與入級規范(2013)》，探討其安全設施的考量與設計。圖1為潛水鐘。

2 規范要求

中國船級社《潛水系統和潛水器建造與入級規范(2013)》[1]第13章浮性與穩性第二節，摘錄如下：

“13.2.1.1潛水鐘和系纜潛水器應在正常操作或航行的所有狀態下以及應急狀態時均應有足夠的穩性。”

“13.2.1.2回收潛水鐘和系纜潛水器至少應有1套正常系統和2套獨立的應急系統。其中1套應急系統可用正常系統吊索[2]，導索，或臍帶，但其驅動源應與正常系統所用的分開。另一套應急系統應與吊索，導索，或臍帶無關。”

“13.2.1.3與吊索，導索，或臍帶無關應急系統可采用本身自浮方式或應急解拋壓載方式。依靠自浮應急上浮的潛水鐘和系纜潛水器，在與吊索，臍帶和吊放系統解脫后，應有足夠的正浮力。”

3 SWZ1.3K120/2B.0型開式潛水鐘系統設計說明

3.1 設計依據

設計依據包括如下標準：1）CCS《潛水系統和潛水器入級與建造規范(2013)》；2）CCS《船舶與海上設施起重設備規范(2007)》；3）CCS《鋼制海船入級規范(2015)》；4）CCS《材料與焊接規范(2015)》；5）《機械設計手冊(1983)》第二版，下冊（化學工業出版社）；6）NB/T 47003.1-2009《鋼制焊接常壓容器》。

3.2 設計條件

1）鐘體工作環境為潛水工作母船的甲板上和水下，空氣常規潛水作業最大深度60 m（海水）以淺，混合氣潛水作業最大深度120 m（海水）以淺；潛水員出鐘距離潛水鐘25 m遠以內；

2）空氣中溫度?10℃～55℃，水下溫度3℃～32℃，相對濕度100%，空氣含鹽量1 mg/m3；

3）工作時最大縱傾±2o、橫傾±5o、縱搖±2.5o、橫搖±8o；放置時最大縱傾±2.5o、橫傾±8o、縱搖±5o、橫搖±12o；

4）鐘內乘員2人；

5）作業環境水下流速≤0.8 m/s；海況≤3級，蒲氏4級風力；

6）開式潛水鐘運行速度≤20 m/min。

3.3 特別設計說明

1）開式潛水鐘吊放裝置（見圖2）用來吊放和回收潛水鐘，由門架及雙變幅油缸、鐘絞車及索具，導向壓重絞車及索具、導向壓重，臍帶絞車及臍帶，液壓控制系統、泵站及控制電氣等組成；其設計符合CCS《潛水系統和潛水器入級規范(2013)》第14章和附錄B以及CCS《船舶與海上設施起重設備規范(2001)》的要求。

2）按CCS《潛水系統和潛水器入級規范》中13.2.1.2的要求，本設計中鐘絞車及索具為正常的開式鐘回收系統；導向壓重絞車、索具及導向壓重為一套應急的開式鐘回收系統；拋棄可棄壓載后開式鐘上浮，為另一套應急的開式鐘回收系統。

液壓控制系統、泵站動力源及控制電氣設計為兩套，一用一備；主用系統作為正常的開式鐘回收系統的驅動源時，備用系統則作為應急的開式鐘回收系統的驅動源。

4 潛水鐘設計

潛水鐘是SWZ1.3K120/2B型開式潛水鐘系統的關鍵部件，主要承擔潛水員在水下作業的中繼站和下潛、上升及水下減壓的運載工具的作用。它由帶橢圓形封頭的鐘罩、鐘架體（包括護管架和鐘底座）、鐘壓重塊等組成。工作時，由開式潛水鐘的吊放裝置主絞車鋼纜吊住頂部，并沿著預先放入水中的導向鋼索，穿梭于水面和水下。

4.1 鐘罩

位于鐘的上部，在鐘架體的包容下并與鐘護管架焊接；由向下反扣的標準橢圓形封頭和一段立式圓筒組成，作用是形成鐘內氣墊。這個氣墊保證鐘內潛水員的肩部以上、鐘內供氣、照明、通訊、監測系統器件等處于一個干式環境。

鐘罩主體材料為Q345R；鐘罩內直徑為Ф1 300 mm；鐘罩高度為575 mm。

鐘罩的頂部設有供氣、測深、熱水和電纜的貫穿件。還設計有三個掛鉤，可拖拉鐘外失去知覺的潛水員入鐘。

鐘罩側壁設有透明觀察窗2只，觀察窗玻璃材料為2#航空有機玻璃。

鐘罩在水下時，內部氣壓與外部水壓平衡，即強度和剛度由焊接工藝性和內掛件重量經驗估計，并盡可能減輕鐘的重量，同時滿足 JB/T4735-1997《鋼制焊接常壓容器》標準中最小厚度≥3 mm的規定，本設計取厚度為6 mm。

鐘罩本體需保證氣密，設計和檢驗要求參照JB/T4735-1997《鋼制焊接常壓容器》標準。

4.2 鐘架體

最大高度為2 308 mm；最大外徑為Ф1 800 mm；鐘底直徑為Ф1 600 mm。

鐘外由Ф76無縫鋼管（材質不銹鋼）焊成對鐘罩的防撞框架，并與鋼板（材質Q235B）焊制的鐘底座可靠焊接；防撞框架各管內相通并保持水不進入，以防止管內部腐蝕。

鐘罩頂部設有主吊耳，并按《潛水系統和潛水器入級規范》中15.2.3.2的規定設計成可附加的吊放系固點，依靠一條吊索和主臍帶與水面母船聯系在一起。同時鐘外側有4只導向滑套，使鐘體穿固于導向索內。

鐘架體底部有踏板，兩側按《潛水系統和潛水器入級規范》中15.2.3.9的規定有座位和安全帶，可容納兩名潛水員踏上坐下，座位底下為可棄壓載（鐘壓重塊）箱。

開式潛水鐘陸上總重量為1 750 kg，鐘架體要有足夠的強度，設計考慮在鐘架體和鐘罩組焊后，鐘架體底板上放置重物，做1.5×(1 750+240)=2 985 kg的靜載吊重試驗。

4.3 潛水鐘可棄壓載

開式潛水鐘不含可棄壓載，在水中的浮力為向上8.14 kg，即鐘在水中是向上浮的。

設計考慮要在水中應有約220 kg的向下浮力，以保持鐘體穩定下潛，故配了228.6 kg的可棄壓載，分置鐘架體的座位下。

可棄壓載由鉛澆注而成的圓棒，在兩側潛水員座位下均布各9根，每根12.7 kg。特別緊急情況下，潛水員在水下可拋掉壓載，實現自浮出水。

4.4 潛水鐘應急自浮

特別緊急情況下（主絞車和導向壓重絞車的鋼纜全斷或在水下意外阻滯，主臍帶也斷），此時潛水員打開兩組鐘應急氣瓶閥，放出所有長度的潛水員臍帶，潛水員移至鐘外并打開座墊板拋棄壓重棒，當鐘開始上浮時，潛水員離開潛水鐘，讓潛水鐘拖帶著潛水員緩慢上升，當感覺拉力停止時，潛水員沿臍帶減壓至水面，在救急人員幫助下迅速進入甲板減壓艙。

5 SWZ1.3K120/2B.0型開式潛水鐘本體設計計算

5.1 計算條件

1）鐘體工作環境為潛水工作母船的甲板上和水下，空氣常規潛水作業最大深度60 m（海水）以淺，混合氣潛水作業最大深度120 m（海水）以淺；潛水員出鐘距離潛水鐘25 m遠以內；

2）空氣中溫度?10℃～55℃，水下溫度3℃～32℃，相對濕度100%，空氣含鹽量1 mg/m3；

3）工作時最大縱傾±2o、橫傾±5o、縱搖±2.5o、橫搖±8o；放置時最大縱傾±2.5o、橫傾±8o、縱搖±5o、橫搖±12o；

4）鐘內乘員2人；

5）作業環境水下流速≤0.8 m/s；海況≤3級，蒲氏4級風力；

6）開式潛水鐘運行速度≤20 m/min。

5.2 設計計算

1）不含可棄壓載和潛水員臍帶時，鐘的陸上重量=鐘體+鐘內附件；不含可棄壓載和潛水員臍帶時，鐘的陸上重量=1 441.4 kg。

2）不含可棄壓載時，鐘在水下重量 =1 441.4?(1 396×1.026+17.24) =?8.14 kg，無配載水下為向上浮力。其中，17.24為潛水員臍帶在海水中的浮力差。

3）鐘配載壓重的確定

參考JT/T205-2008《通風式潛水裝具》標準，當人體和裝具水下程中性（重力=浮力）時配重（前后壓鉛）30 kg，可抗≤2 m/s水流并自由下潛；現作業環境水下流速≤0.8 m/s，推算TF型通風式重潛水裝具30/4 kg即可，但鐘受阻面積較大約是TF型通風式重潛水裝具的10倍，即為10×30/2/0.8=187.5 kg。

考慮鐘固定在導向索上，導向索的傾斜使導向索與導向套的摩擦，設計考慮在水中配的可棄壓載需克服浮力?8.14 kg，且向下浮力至少187.5 kg，以保持鐘體的穩性和自由下潛的向下浮力為195.64 kg，設計取228.6 kg。

4）最終陸上總重量和最終水下總重量

考慮配可棄壓載時，最終陸上總重量（鐘總質量）= 1 750 kg，取1 750 kg。

考慮配可棄壓載時，鐘在水下總重量= 228.4 kg?(228.4/11.37)×1.026 kg=207.8 kg，大于195.64 kg。

5）鐘的水下穩性

（1）考慮配載壓重時

按CCS《潛水系統和潛水器入級規范(2013)》13.1.4條補充計算：

GB=ωNd/Wtgθ=75×1×500/1 432.3×tg25°=56.15式中，ω為乘員人均體重，取75kg；N為乘員總人數的10%，2人取1；d為乘員在鐘內可走動的最大距離，取500 mm；W為水下排水量，由設計圖紙為1 432.3 kg；θ為人員能保持坐位的最大傾角，取25°。

a）重心

現以環圍管中心線將鐘體分為上、下兩部分進行陸上重量計算：

上部鐘體重量=鐘罩重量+上部縱向圍管重量+焊接環+側連板+環向圍管重量的一半+鐘內管系+鐘內電器+其他=401.515 kg；重心取在上部幾何中心。

而鐘體全重為1 750 kg，于是下部鐘體重量為1 750 kg?401.515 kg=1 348.485 kg；重心取在下部幾何中心。

b）上下兩部分綜合重心計算

下部干重是上部干重的1 348.485/401.515=3.358倍，原兩部分重心距離1 154 mm。設原下部重心到兩部分綜合重心距離為h，則h+3.358h=1 154，h=264.8 mm；

上下兩部分綜合重心位置如圖3所示。

c）浮心

現以環圍管中心線將鐘體分為上、下兩部分進行水下浮力計算：

上部浮力主要為鐘罩浮力+上部管架浮力=936.952 kg，鐘內管系和鐘內電器因不在水中無浮力；浮心取在上部幾何中心。

而鐘體總浮力為1 396 kg，于是下部鐘體浮力為1 396 kg?936.952 kg=459.048 kg；浮心取在下部幾何中心。

d）上下兩部分綜合浮心計算

上部浮力是下部浮力的 936.952/459.048=2.04倍，原兩部分浮心距離1 154 mm。

設原下部浮心到兩部分綜合浮心距離為H’，則H’+H’/2.04=1 154，H’=774.39 mm。

上下兩部分綜合浮心位置如圖4所示。

H’?h=774.39?264.8=1 509.59 mm＞56.15 mm，故可保持穩性。

（2）不考慮配載壓重時

按CCS《潛水系統和潛水器入級規范(2013)》 13.1.4條補充計算：

GB=ωNd/Wtgθ=75×1×500/1 375.89×tg25°=58.45式中，ω為乘員人均體重，取75 kg；N為乘員總人數的10%，2人取1；d為乘員在鐘內可走動的最大距離，取500 mm；W為水下排水量，由設計圖紙得1 396?228.6/11.37=1 375.89 kg；θ為人員能保持坐位的最大傾角，取25°。

a）重心

現以環圍管中心線將鐘體分為上、下兩部分進行陸上重量計算：

上部鐘體重量=鐘罩重量+上部縱向圍管重量+焊接環+側連板+環向圍管重量的一半+鐘內管系+鐘內電器+其他=401.515 kg；重心取在上部幾何中心。

而不含配載時鐘體全重為：1 750?228.6 =1461.4 kg，于是下部鐘體重量為：11 461.4?401.515=1 059.885 kg；重心取在下部幾何中心。

b）上下兩部分綜合重心計算

下部干重是上部干重的1 059.885/401.515=2.64倍，原兩部分重心距離1 154 mm。

設原下部重心到兩部分綜合重心距離為h，則h+2.64h=1 154，h=317.03 mm。

上下兩部分綜合重心位置如圖5所示。

c）浮心

現以環圍管中心線將鐘體分為上、下兩部分進行水下浮力計算。

上部浮力主要為鐘罩浮力+上部管架浮力為936.952 kg，鐘內管系和鐘內電器因不在水中無浮力；浮心取在上部幾何中心。

而不含配載時鐘體總浮力為：

1 396?228.6/11.37=1 375.89 kg，于是下部鐘體浮力為1 375.89?936.952=438.938 kg；浮心取在下部幾何中心。

d）上下兩部分綜合浮心計算

上部浮力是下部浮力的 936.952/438.938=2.13倍，原兩部分浮心距離1 154 mm。

設原下部浮心到兩部分綜合浮心距離為H’，則H’+H’/2.13=1 154，H’=785.31 mm。

上下兩部分綜合浮心位置如圖6所示。

H’?h=785.31?317.03=468.28 mm＞59.29 mm，故可保持穩性。

（3）增加水下穩性措施

考慮鐘在水下受水流影響，鐘每側采用雙導向扣環，穿于導向索上，故即便主鋼纜呈松弛狀態，也不可能出現鐘體翻轉。

6 現場試驗結果

根據CCS批準的試驗大綱，最終試驗結果完全滿足設計要求，潛水鐘浮性與穩性良好，模擬的緊急上浮試驗獲得圓滿成功，設計取得預期結果。

7 結論

中國船級社《潛水系統和潛水器入級與建造規范(2013)》規定回收潛水和系纜潛水器至少有2套獨立的應急上浮系統。但對應急上浮系統沒有規定具體的要求。實際上，當潛水器在海中作業時，遇到復雜的海況和設備故障時，最可靠的措施就是不需要任何外力，靠自身浮力，在保持穩性的情況下，緊急上浮，實現自救，保證設備和人員的安全。本文介紹了開式潛水鐘本體的設計，重點對其穩性和浮性進行了科學的計算，對同類型產品的設計以及CCS規范的修改完善具有一定的參考價值。

[1]中國船級社.潛水系統和潛水器入級與建造規范[S].2013.

[2]中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范[S].2007.

[3]中國船級社.鋼制海船入級規范[S].2015.

[4]中國船級社.材料與焊接規范[S].2015.

[5]機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊(第二版)[M].北京: 化學工業出版社, 1983.

Design and Research of Open-type Diving Bell Based on Safety Factors

LI Xi
(Wuhu Branch of China Classification Society, Anhui Wuhu 241000, China)

The article describes a type of open diving bell system in the design and use, the safety of personnel and equipment factors are considered by multi levels and the multiple protections are designed.Combined with the relevant rules of the independent emergency system in recovering the diving bell of China Classification Society (CCS) “Classification and Building Rules of Diving System and Diving Equipment”, the description focusing on the emergent self-floating system solution is done.It has practical guiding significance for the design and research of the same type open-type diving bell, and has some reference value for future modification of CCS rules.

security; diving bell; emergent self-floating system

U674.941

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.013

李曦（1968—），男，工程師，研究方向：國際/國內/內河航行船舶檢驗，海工和船用產品檢驗。