基于合成纖維纜的科考船地質(zhì)絞車海上試驗方法

葛楊元，楊 宇，張洪欣，葉浩然，潘瑞祥，李文華

（1. 南通力威機械有限公司，江蘇南通 226500；2. 上海彩虹魚海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 自然資源部北海局，山東青島 266061；4. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧大連 116026）

0 引言

全海深地質(zhì)絞車是配備于科考類船舶的高技術(shù)型船舶技術(shù)設(shè)備與科考調(diào)查設(shè)備[1]，適用于進行全海深條件下的海洋環(huán)境探測、生物地質(zhì)取樣工作，是科考船上實現(xiàn)重要船載探測儀器布防與回收的關(guān)鍵設(shè)備[2]，為海洋調(diào)查研究工作提供強有力的保障[3]。合成纖維纜繩由于其自身高強度、低質(zhì)量、小密度的特點，逐步成為大容量高強度海工設(shè)備的纜繩首選[4]。本文以國產(chǎn)使用合成纖維纜的全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)海上試驗為參考，提出適用于國產(chǎn)地質(zhì)絞車海上試驗的方法[5]，該海上試驗為驗收試驗，目的是檢驗驗證國產(chǎn)全海深地質(zhì)絞車達到性能要求及考核指標各項工作。

1 海試準備工作

1.1 海試儀器準備工作

本次海試參試儀器設(shè)備為1套全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)（見圖1），由1臺牽引絞車、1臺儲纜絞車、1套直角排纜器、1套纜繩松弛補償器、滑輪組、1根13 000 m合成纖維纜和控制系統(tǒng)等組成，設(shè)備技術(shù)指標見表1。前期已經(jīng)完成了陸地聯(lián)調(diào)實驗，達到了海上試驗要求。

圖1 進行海上試驗的全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)

表1 國產(chǎn)全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)技術(shù)指標

輔助海試驗證儀器包含1套全海深多波束系統(tǒng)，用于提供作業(yè)詳細深度數(shù)據(jù)，設(shè)備已經(jīng)完成標定和校準，確保數(shù)據(jù)準確可靠；1套箱式取樣器、1套柱狀取樣器和1套生物拖網(wǎng)取樣器，用于海試驗證作業(yè)，狀態(tài)正常可用。輔助海試驗證儀器見表2。

表 2 輔助海試驗證設(shè)備

1.2 海試人員準備情況

地質(zhì)絞車海試航次的人員組成應當包含現(xiàn)場專家組、現(xiàn)場作業(yè)組，由航次領(lǐng)隊統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)現(xiàn)場作業(yè)，確保海試驗證任務(wù)順利完成。整個航次人員總計至應約24人，人員配置情況如下：

1）現(xiàn)場專家組負責對現(xiàn)場作業(yè)效果進行評價，設(shè)置組長1人，組員4人，共5人。組長負責合規(guī)性監(jiān)督，組員分戰(zhàn)位進行各單項監(jiān)督。

2）現(xiàn)場作業(yè)組負責作業(yè)過程的現(xiàn)場實施操作，設(shè)置指揮2人，操作人員2人，艙內(nèi)觀察人員2人，A架操作人員2人，甲板拆卸、止蕩人員8人，共16人。組長負責協(xié)調(diào)組員完成數(shù)據(jù)準備、設(shè)備準備、設(shè)備布放與回收、絞車操作，安全員進行甲板作業(yè)過程監(jiān)管，現(xiàn)場指揮，組員完成相應工作。

3）技術(shù)服務(wù)組負責處理和解決現(xiàn)場作業(yè)過程中出現(xiàn)的設(shè)備技術(shù)故障，共4人。

1.3 海試船舶準備情況

船到達預定的海域，使用多波束測深系統(tǒng)對取樣區(qū)域海底地貌進行掃測；根據(jù)海水流向和風向，確定船體可調(diào)控姿態(tài)（方向）；箱式取樣和柱式取樣的作業(yè)區(qū)域，選擇深度達7 500 m以上較為平緩的軟質(zhì)底質(zhì)；生物拖網(wǎng)取樣，根據(jù)預選海試區(qū)域，向北向西陡峭、向東向南逐步變淺至6 000 m左右的海底地貌情況，結(jié)合海水流向和風向，在船體姿態(tài)調(diào)控穩(wěn)定的狀態(tài)下，船由東南向西北方向航行，做深拖試驗，目的是由淺向深拖曳，避免生物拖網(wǎng)觸底。

2 海上試驗內(nèi)容和流程

2.1 作業(yè)程序

1）常規(guī)地質(zhì)取樣試驗

常規(guī)地質(zhì)取樣試驗為箱式取樣和柱狀式地質(zhì)取樣。通過絞車控制系統(tǒng)計數(shù)器顯示數(shù)值與多波束測深系統(tǒng)數(shù)值進行比對，確保取樣作業(yè)順利完成。常規(guī)地質(zhì)取樣試驗主要流程見圖2。

圖2 常規(guī)地質(zhì)取樣試驗主要流程

2）拖曳式生物取樣試驗

絞車系統(tǒng)掛載生物拖網(wǎng)系統(tǒng)后，進行拖曳式生物拖網(wǎng)作業(yè)，驗證絞車系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性和設(shè)備可靠性。主要流程見圖3。

圖3 深水拖網(wǎng)試驗主要流程

2.2 箱式與柱式取樣作業(yè)操作步驟

1）布放

（1）絞車系統(tǒng)上電，操作、控制系統(tǒng)正常。

（2）纜繩端固定配重塊，達到合適配重情況。

（3）纜繩端用25 t卸扣與柱式取樣器連接。

（4）操作絞車系統(tǒng)和A架協(xié)同動作，取樣器吊離甲板至船舷外。

（5）操作絞車系統(tǒng)布放柱式取樣器，其布放速度由慢速向高速運行（0～90 m/min）。

（6）箱式或柱式取樣器布放過程中，對放纜長度進行監(jiān)測，對比多波束探測采樣器下潛深度，距離海床200 m左右時，下調(diào)布放速度，以55 m/min左右的速度下放取樣器，至取樣器觸底或插入海床。

2）回收

（1）操作絞車系統(tǒng)，牽引低速運行提起或拔出取樣器。

（2）絞車收纜長度監(jiān)測與多波束探測到取樣器提起后，回收速度由低速向高速運行（0～90 m/min）。

（3）當絞車系統(tǒng)收纜長度反饋剩下距離500 m左右時，操作手柄降速收纜。

（4）操作絞車系統(tǒng)和A架協(xié)同動作，柱式取樣器吊放至船艉甲板上。

（5）觀察取樣器沉積物并取出。

2.3 生物拖網(wǎng)取樣作業(yè)操作步驟

1）布放

（1）絞車系統(tǒng)上電，操作、控制系統(tǒng)正常。

（2）纜繩端固定配重塊，達到合適配重情況；觀察生物拖網(wǎng)下沉效果并視情況進行配重調(diào)整。

（3）纜繩端用25 t卸扣與生物拖網(wǎng)連接。

（4）操作絞車系統(tǒng)和A架協(xié)同動作，生物拖網(wǎng)吊離甲板至船舷外。

（5）以水深6 000 m的平緩地帶為作業(yè)起點，船為懸停狀態(tài)，操作絞車系統(tǒng)布放生物拖網(wǎng)，其布放速度由慢速向高速運行（0～60 m/min），至布放深度3 000 m；此時，船舶以對地1 kn～2 kn的速度開始航行拖曳，絞車系統(tǒng)以速度50 m/min放纜，當絞車系統(tǒng)顯示放纜長度為11 000 m時，絞車停止放纜；船舶繼續(xù)以對地2 kn～4 kn速度航行30 min，觀察絞車牽引力，保持纜繩與海平面呈相應的夾角，確保生物拖網(wǎng)懸浮在水中不觸底。

2）回收

（1）操作絞車系統(tǒng)，回收生物拖網(wǎng)。

（2）纜長小于水深之后，船舶為懸停狀態(tài)，回收速度由慢速向高速運行（0～90 m/min）。

（3）當絞車收纜長度顯示剩余500 m左右時，操作手柄降速收纜。

（4）操作絞車系統(tǒng)和A架協(xié)同動作，生物拖網(wǎng)取樣器吊放至船艉甲板上。

（5）檢查生物拖網(wǎng)。

3 海上試驗應急流程及預案

3.1 海上試驗應急流程

為保障航次的順利實施，對所有人員上船后需進行安全培訓。為了預防緊急情況，特制定了應急程序，見圖4。

圖4 應急程序流程圖

3.2 海上試驗應急預案

1）絞車系統(tǒng)全程布放、回收過程中出現(xiàn)故障，應立即停機檢查，判別故障原因、制定維修方案、確定修理時間。短時內(nèi)有元器件備件且可快速更換的，隨時觀察纜繩漂浮情況，避免纜繩卷入螺旋槳；短時內(nèi)無法修理或無更換備件，應立即截斷纜繩，取消作業(yè)。

2）絞車高速長時間運行，減速箱、泵站、稀油站出現(xiàn)高溫報警，減速運行或短暫停機。

3）取樣器掛底無法回收，船體配合調(diào)整位置，操作絞車系統(tǒng)重復拖拽。

4）船體出現(xiàn)故障，需較長時間修理，特別是布放作業(yè)時應立即停止，快速回收取樣器。

5）纜繩纏繞螺旋槳上，截斷纜繩，取消作業(yè)。

4 海上試驗比測數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)處理方法

4.1 比測儀器及其狀態(tài)，比測方法和比測程序

1）比測設(shè)備為多波束測深系統(tǒng)，以完成設(shè)備校準與調(diào)試。

2）比測方法為讀取多波束水深測量數(shù)據(jù)，絞車自帶計數(shù)器進行放纜長度監(jiān)測，通過對比多波束測深數(shù)據(jù)了解實測采樣器下潛深度。

3）比測程序按照淺水、深水試驗程序進行。比測程序流程圖見圖5。

圖5 比測程序流程圖

4.2 試驗數(shù)據(jù)和比測數(shù)據(jù)的處理辦法

多波束水深測量數(shù)據(jù)處理是常規(guī)處理流程。本航次的目的主要是對萬米地質(zhì)絞車的實際性能進行海試驗證，因此獲取的數(shù)據(jù)包括海試驗證過程中所有的過程記錄文件，實驗過程中關(guān)鍵節(jié)點的絞車參數(shù)以及用于放纜長度和深度比對的多波束數(shù)據(jù)等。所獲數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ?，尋找特別現(xiàn)象和位置，進行針對性檢查，確保絞車作業(yè)正常。試驗期間檢查和記錄下列項目：

1）絞車運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常振動和響聲。

2）絞車機械各部分連接牢靠，緊固件無松動。

3）結(jié)構(gòu)件無裂紋和永久變形。

4）減速器、液壓站、稀油站及液壓管線不得有漏油、滲油現(xiàn)象。

5）檢查減速器、液壓系統(tǒng)、稀油站的油位。

6）電氣設(shè)備安全可靠性。

7）記錄電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)速。

8）記錄減速箱、電機、液壓站、稀油站及支撐座的溫度。

9）檢查電機盤式制動器動作靈活、安全可靠。

10）檢查儲纜絞車帶式制動器動作靈活可靠及滑移量。

11）排繩裝置運行應正常、無開阻。

12）操作臺儀表顯示正常、界面設(shè)定準確，操作手柄靈活、位置可鎖住。

13）記錄纜繩張力，測力準確、可靠。

14）記錄纜繩收放速度、長度，測速、測長準確、可靠。

15）牽引滾輪、滑輪組無跳繩現(xiàn)象。

16）儲纜絞車恒張力設(shè)定穩(wěn)定、準確。

17）系統(tǒng)控制程序穩(wěn)定、準確。

18）纜松弛補償器動作響應快。

19）檢查濾油器清潔度。

20）檢查儲纜絞車帶式制動器摩擦帶接觸及磨損情況。

5 結(jié)論

本文敘述的地質(zhì)絞車海上試驗流程可應用于

目前國產(chǎn)使用合成纖維纜地質(zhì)絞車可靠性驗證試驗，為大容量地質(zhì)絞車系統(tǒng)的改進和完善提供依據(jù)。此外，對于其他使用合成纖維纜繩的國產(chǎn)相似科考類絞車，可以使用本文所提供方案進行驗證國產(chǎn)化設(shè)施的先進性，以達到增強市場競爭力的目的。同時為其他類型的絞車等甲板機械的海上試驗提供重要參考。