海底掩埋纜探掛裝置設計與試驗

宋 強 ,許 可 ,姚明超 ,王 瑞 ,羅 升

(1.中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇 無錫,214082;2.深海技術科學太湖實驗室,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、水下觀測網建設領域,深海海纜的使用及鋪設量巨大。海纜通常采用水下挖溝機進行鋪設,考慮到淺海漁船較多,為避免漁船的錨刮斷海纜,淺海中海纜的鋪設深度較深,范圍在1～2 m 左右;深海中海纜的鋪設深度較淺,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,造成不可挽回的經濟損失。因此有必要針對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。

針對海底掩埋纜,國內目前的研究主要集中在線纜鋪設方面: 林如[1]設計了一臺海底管道射流式挖溝機用于海底管道鋪設,并針對噴嘴進行了數值仿真;戴源等[2]通過理論分析、數值仿真及試驗等對不同地質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的關鍵設備——挖溝機設計的相關理論和關鍵技術優(yōu)勢,比對各類挖溝機的主要性能如埋深、埋設速度和挖溝方式,介紹國外當今挖溝機設計的最新技術及最新進展;王子維[4]根據海底射流式開溝機噴沖臂的基本工作原理,通過對多對噴嘴泥沙沖刷進行數值仿真,確定合理的噴沖臂射流噴嘴數量及噴嘴直徑,并開展模型試驗。國內外學者對射流沖刷進行了系統(tǒng)研究[5-7],但對如何維修海底掩埋纜的研究甚少。在水下掩埋纜維修技術方面,國內用某試驗艇開展了海纜布放回收、水下剪切和探測陣節(jié)點起吊布放等作業(yè)的演示驗證[8-10]。

海底纜線大都屬于長周期工作設備,在鋪設時或采用埋設,或采用海底表層敷設。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。為便于在目標精細識別后對其進行精準維修,需要針對掩埋纜進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操作環(huán)境條件。目前國內針對掛探標記掩埋纜的技術手段尚無報道,文中提出海底掩埋纜的識別和維修作業(yè)流程,重點針對掩埋纜探掛階段,設計了一種海底掩埋纜探掛裝置,并開展試驗研究。通過集成位移傳感器和壓力傳感器采集反饋信號,基于試驗數據形成海底掩埋纜探掛信息作業(yè)窗口圖,用于指導判斷探掛裝置對海底掩埋纜掛鉤標記是否成功。

1 作業(yè)流程

水下載人平臺固定于水面布放母船甲板上,水面母船航行至作業(yè)目標海域,通過甲板架將水下載人平臺起吊至水面,水下載人平臺攜帶作業(yè)級無人遙控潛水器(remotely operated vehicle,ROV)及被動式吊車,其中作業(yè)級ROV 底部模塊化安裝清理探掛作業(yè)工具。水下載人平臺航行至掩埋纜的上方大致水域,釋放作業(yè)級ROV,在已初步探明的水底,作業(yè)級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,啟動標記浮球掛鉤自動解脫,之后水下載人平臺上的被動式吊車放纜,下放起吊鉤,作業(yè)級ROV 通過多功能機械手將標記浮球掛接在被動式吊車的起吊鉤上,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,可以通過作業(yè)級ROV 多功能機械手操控剪切工具完成高效剪切,而后再啟動打撈回收任務,最后進行檢修和修復。

2 探掛裝置設計

2.1 探掛裝置本體設計

針對掩埋纜探掛問題設計了一種探掛裝置,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。因探掛裝置擺臂機構和脫鉤機構體積質量限制,經過對比電動推桿和液壓油缸方案,電動推桿存在體積大、可靠性不高等不足,并且擺臂在觸碰線纜時需要被動抬起,由于液壓油缸更易實現該功能,故采用液壓油缸方案。探掛裝置整體質量約80 kg,設計水深300 m,擺動油缸行程150 mm,工作壓力5 MPa,脫鉤油缸行程80 mm,工作壓力4 MPa。擺動油缸通過控制擺臂可實現0～45°范圍內的擺動,從而適用不同深度的線纜;位移傳感器主要用于檢測擺動油缸的位移;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過程中所受的力;掛鉤與浮球通過繩子連接,當掛鉤解脫時可帶動浮球一起完成解脫。

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

2.2 力學模型

針對探掛裝置進行受力分析。擺臂主要受到前進的拉力F1,油缸的作用力F2,線纜對其的作用力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代表擺動油缸初始位置,AM1代表擺動油缸45°位置,OM代表曲柄初始位置,OM1代表曲柄45°位置,其力學分析模型如圖2 所示。

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

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

水平方向所列方程

針對擺臂裝置,力矩方程為

擺動油缸活塞有效面積As為0.002 m2,則擺動油缸溢流閥壓力

3 試驗結果與分析

3.1 探掛裝置試驗臺架設計

探掛裝置試驗臺架三維模型如圖3 所示。探掛裝置試驗臺架主要由①支架、②線纜固定架、③線纜、④滑臺、⑤探掛裝置、⑥鋼絲繩、⑦鐵桶,液壓閥組、液壓源和數據采集器(見圖4 實物圖)等組成。線纜固定架可通過調節(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置土的硬度,鐵桶內部可施加鉛沙來實現不同的重量達到所需的拉力,滑臺可在鐵桶的牽引下沿導軌作直線運動從而帶動探掛裝置運動,液壓閥組用于控制擺動油缸和脫鉤油缸的動作,數據采集器用于采集位移傳感器、擺動油缸壓力和張力傳感器的數值。實物樣機如圖4 所示。

圖3 探掛裝置試驗臺架三維模型Fig.3 Three-dimensional model of test bench of detection and hanging device

圖4 探掛裝置試驗臺架實物樣機Fig.4 The prototype of detection and hanging device test bench

3.2 探掛裝置液壓系統(tǒng)

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

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

3.3 誤差對比

針對掩埋纜深度200、300、400 和500 mm,分別進行理論計算和試驗驗證,所得對比曲線圖如圖6 所示。

圖6 理論計算和試驗結果對比圖Fig.6 Comparison of theoretical calculation and test results

由圖6 可知,隨著拉力的增大,理論計算和試驗驗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 下理論計算和試驗驗證誤差最小,故后續(xù)以該工況進行試驗分析。

為了驗證試驗具備重復性,保證試驗結果的正確性,設定溢流閥溢流壓力為3 MPa,給定無桿腔壓力為2.2 MPa,進行2 次重復試驗,作業(yè)窗口圖如圖7 所示。由圖7 可知,2 次試驗結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基本重合,故該試驗重復性較高。

圖7 相同試驗工況2 次試驗對比圖Fig.7 Comparison between two tests under the same test condition

3.4 試驗分析

為了對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,分別設定擺動油缸溢流閥壓力為1.6 和3 MPa。針對溢流閥壓力1.6 MP 給定初始擺動油缸無桿腔壓力1.2 MPa,針對溢流閥壓力3 MPa 給定初始無桿腔壓力為2.2 MPa,通過對數據采集器提取的試驗數據進行分析,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 個階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動抬起階段、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)時張力傳感器示數突然增大,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)時間,張力傳感器和油缸壓力傳感器數值一直增大,而位移傳感器數值不變,因為此階段擺臂碰到纜時還未達到溢流閥溢流壓力,擺臂油缸不會產生動作,故不會產生位移變化。該階段溢流閥壓力為1.6 MPa的響應時間僅6 s,溢流閥壓力為3 MPa 的響應時間為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,位移傳感器數值開始下降,表明擺臂被動抬起,油缸壓力傳感器和張力傳感器數值基本不變,表明達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)時油缸壓力傳感器和張力傳感器數值突然變小(因掛鉤結構形式為向內凹結構),表明此時纜正好掛到掛鉤內部,在此后的時間里,位移傳感器數值保持不變。

水下環(huán)境作業(yè)時因不可避免地攪動海底泥土,海水會變得渾濁,無法通過水下攝像機來判定掛纜是否成功,此時只能通過傳感器的數值變化來判定掛鉤掛纜是否成功,為了對比掛纜成功和失敗2 種工況下作業(yè)窗口,通過將掛鉤調轉180°來模擬掛纜失敗的工況。設定掩埋纜深度為300 mm、拉力載荷為1 000 N,設定溢流閥初始壓力為3 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 個階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動抬起階段、④纜掛入鉤中和⑤脫鉤成功階段。掛鉤失敗主要包括4 個階段: ①擺臂未碰到纜階段、②擺臂碰到纜階段、③擺臂被動抬起階段和④纜越過掛鉤階段。其中前3 個階段變化規(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,位移傳感器示數會從保持不變突然變小,油缸壓力傳感器示數先變小后增大最后保持不變,張力傳感器示數先變小后增大再變小;而掛纜失敗階段位移傳感器示數是先增大后保持不變,油缸壓力傳感器示數變小后保持不變,張力傳感器示數變小后保持不變。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 結束語

文中提出了一種海底掩埋纜探掛裝置的設計方案,針對海底掩埋纜的維修問題提出作業(yè)級ROV 水下作業(yè)流程,并重點針對掩埋纜探掛階段進行理論計算和試驗研究。首先設計一套掩埋纜探掛裝置及適用于探掛裝置的試驗臺架,通過試驗驗證其合理性和試驗的可重復性,并開展一系列試驗研究,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)窗口的準確性開展模擬掛纜成功與失敗的對比,得出2 種情況下探掛裝置作業(yè)窗口圖的不同。相關研究成果可為水下掩埋纜的維修及裝備工程化應用積累經驗。