水下机器人在深水海底电缆维修中的应用

王丹

摘 要:随着海洋石油开发向深水区域的发展,对于包括海底电缆、海底油气输送管线、水下井口等在内的水下设施的维修工作日益增多。本文通过实例,介绍了水下机器人作为一种实用的水下作业工具,能够在深水海底电缆维修项目中代替饱和潜水作业,并具有突出的经济性,其在海洋石油工程项目中的作用将越发重要。

关键词:水下机器人海洋工程深水海底电缆维修

中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(b)-0020-02

海洋石油固定式采钻平台(或油轮)间的动力、通讯传输通常都是由铺设在海底的复合电缆来实现的。近年来,随着海洋石油开发不断向深海发展,海底电缆的铺设深度也逐步增加。目前,南海各油田的海底电缆铺设深度平均为100m左右,正在开发的深水项目将达到180m水深。但是,这也给海底电缆的故障维修带来了新的困难与挑战。

海底电缆的故障维修通常包括水下调查、故障点定位、打捞、切割、续接、下放等过程,其中打捞是个非常重要的环节。在渤海海域,由于水深只有30m左右,打捞环节是由潜水员参与完成的。但是,在南海超过100m的水深进行维修作业,潜水员使用空气潜水方式根本无法到达,只有采用成本非常高昂的饱和潜水资源才能到达工作位置,而一旦工作水深超过120m,饱和潜水作业本身也存在很大的风险,致使维修作业无法实施。而水下机器人(ROV)是一种工作于水下的极限作业系统,常规的作业型ROV都可以在1000m的水深进行工作。本文介绍了使用水下机器人代替饱和潜水作业,在深水海底电缆维修项目中的应用。

1水下机器人作业系统简介

水下机器人(ROV,Remotely Operated Vehicle,远程操纵运载器)是当前海洋探索研究最主要的工具之一,通常由操作员在水面作业支持船上控制。它能在水下三维空间自由航行,通过外挂摄像头、避障声纳或管线跟踪器观察,再结合多功能机械手或其它水下工具,能够完成一定的水下作业任务。就整体系统而言,水下机器人是由水下潜器(有的还带有中继器件TMS)、脐带缆、收放系统(包括A吊,绞车等)、控制系统和动力系统组成的。它的分类按观察和作业能力划分可分为4类:第一类为纯观察型,只能完成水下纯粹的观察作业,不能携带任何水下作业工具和作业设备;第二类为带有负载能力的观察型,能够带有简单的设备完成水下观察作业;第三类为作业型,通常情况下带有机械手,能够完成水下较为复杂的工作;第四类为爬行类,主要指挖沟机和挖沟犁等。

2深水海底电缆维修实例

本文以深水海底电缆维修项目为例,介绍水下机器人的作业过程,设备参数如下。

ROV型号:Quatum 13,150HP,作业型工程支持船:海洋石油709海底电缆规格:ZS-YJQF41+OFC1-26/35-3×240+3×12B1

2.1 故障点调查

故障海底电缆位于惠州25-3平台与惠州32-2平台之间,为三相35kV高压电和3组12芯光纤复合电缆,全长8.9km,铺设水深约105m,由于同时出现了电缆绝缘降低和光纤通信中断的故障而暂停使用。通过OTDR(光时域反射仪)测得光纤故障点位于距离惠州25-3平台约2.0km处。通过水下机器人近距离调查测得距离惠州25-3平台1.2km～1.6km处的海底电缆被向南拖拽偏离了初始铺设路由,最大偏移点的位移达150m(见图1),且该点处的海缆打扭,呈“8”字型。

2.2 维修方案和维修前准备

根据ROV水下调查结果,并考虑维修材料的交货日期,以及施工季节天气变化的不确定性,作业者指定的维修方案分为两个阶段。第一阶段使用交货期较早的一个海缆接头盒尝试进行维修;第二阶段是在第一阶段维修失败的情况下,使用交货期较晚的备用海底电缆和两个海缆接头盒完成维修工作。如果第一阶段修复成功,第二阶段就不必进行。针对该方案,作业者在工程支持船海洋石油709上安装了ROV系统和为125t绞车提供动力的发电机,以及2台16t辅助液压绞车,并改造了船尾尾弧板。一切准备就绪后,工程船出海开始维修工作。

2.3 故障海底电缆打捞

工程船到达现场后,首先完成的动态定位系统测试,并将油田的相关设施输入到定位系统中。工程船移船至海缆故障段上方,下放ROV,开始进行预调查工作。调查结果显示海缆路由与前次故障点调查结果基本相同。调查工作结束,开始海缆打捞工作。

打捞工作主要由船尾A吊绞车和125T大绞车完成。首先由ROV携带一条特制吊带(ERPS,endless round poly sling,见图2)入水,飞行至海底电缆故障点(打扭处),用ROV左机械臂液压机械手抓住ERPS末端的辅助杆,从海底电缆的下方海泥中穿过,再用ROV右机械臂液压钳从海缆另一侧的海泥中夹出辅助杆,并继续拉拽直至ERPS完全处于海缆的正下方。然后用ROV右机械臂液压钳夹住辅助杆,从上方越过海缆,再穿入ERPS一端的环扣,并与左机械臂配合将ERPS在海缆上安装结实。接下来,由船尾A吊绞车下放ROV钩至此特制吊带处,ROV将ROV钩挂在此吊带上,然后船尾A吊绞车回收钢丝绳,提升打捞海缆。同时,施工船需配合缓慢移船,ROV也需配合跟踪着泥点。海缆提升的全过程,都要尽可能使两侧海缆张力相同,并控制好移船和回收海缆的速度,以保证对海缆的保护。海缆被提拉出水后,A吊向内摆入,甲板人员将125T大绞车钢丝绳连接至此海缆,转移载荷至大绞车,大绞车将海缆拖拉上甲板。甲板人员在海缆上安装拖拉网套,连接至地锚,并将海缆载荷传递给地锚,将大绞车钢丝绳摘除。打捞工作结束。

ROV跟踪着泥点,是为了根据ROV和着泥点之间的距离,计算着泥点与船尾间的距离,进一步得出海缆所承受的张力和最小弯曲半径,由此来控制移船和回收海缆的速度,从而保证海缆回收的安全性。但是ROV跟踪海缆着泥点是非常困难的工作,由于船舶在上下晃动,着泥点处也在海底上下晃动,将海底的泥沙搅起,导致海底能见度差。如果回收海缆用的绞车有张力显示,则可以不需要ROV进行跟踪,从而加快回收速度。本次ROV跟踪着泥点,还有保证两侧海缆同步回收的作用。

2.4 故障点切除与续接

海缆固定工作完成后,甲板人员为海缆接续工作搭设风雨棚,之后由海底电缆厂家技术人员切除了打扭点附近共9米的海缆,并对两端海缆进行三相绝缘测试与光纤衰减测试,在确认二者都处于良好可工作状态后,开始海缆的续接工作。续接工作全程由厂家技术人员实施,主要包括“支架固定—剥开电缆—焊接导体—恢复内屏蔽层—恢复交联聚乙烯绝缘层—恢复外屏蔽层—焊接铅套—恢复PE层—安装光缆接头盒—光缆夹具安装—光纤分纤—光纤熔接—安装光单元接头盒—固定缆芯与光单元—安装钢丝固定夹具—安装外壳”等步骤,整个续接过程不停工,总耗时近45h。在续接工作进行的同时,甲板人员监视海缆状态,防止海缆从网套上滑脱。ROV工作人员检修设备。

2.5 修复后测试与下放

当电缆接头制作完毕后,在平台上对整条海底电缆进行测试,包括5kV三相对地和相间绝缘测试和78kV直流耐压测试,测试结果合格。随后,开始进行海缆下放准备工作。在海缆上安装两条链条作为提拉点,将下放撑杆两端的两条索具使用ROV钩连接至两条链条,这样便于ROV进行摘钩工作。中间使用绳子提拉住接头盒,ROV可以割断绳子从而回收撑杆。然后,甲板人员使用125T大绞车和船尾A吊绞车配合将海缆和接头盒下放入水。海缆下放的同时向前移船,同时ROV在水下进行观察,以保证下放的顺利进行。下放时,应尽量使着泥点距离船尾远一些,以避免海缆下放中打扭状况的发生。海缆被安全的下放至海底后,ROV携带割绳刀下潜到接头盒处,割断撑杆与接头盒间的绳子。然后,ROV再将撑杆上的ROV钩从海缆提拉锁链上摘除。最后,船尾A吊绞车回收撑杆上甲板。海缆维修项目结束。

3水下机器人应用的经济性分析

以上述海底电缆维修项目为例,水下机器人与工程船在海上施工的日租金约为人民币75万元,而饱和潜水资源配合相同的工程船的海上施工日租金约为人民币120万元。虽然饱和潜水作业具有海上施工高效快捷的优点,但是在整个海缆维修项目中,饱和潜水也仅能在打捞阶段节省大约12h的施工时间。相对于长达数天的工期和不确定的各种待机时间,以及饱和潜水资源动辄十几天的动复原时间,水下机器人的经济性优势十分明显(见表1)。

4结语

通过以上对水下机器人应用的实例介绍,可以看出,在深水海底电缆维修项目中,水下机器人已可以完全取代潜水员的作用,并且在作业深度和维修成本等方面,有着无可比拟的优势。随着我国海洋石油向深水发展战略的实施,以及水下机器人技术自身的发展,ROV将在以后的海洋工程中发挥越来越大的作用。