深水水下作业工具简易运输装置研究

赵 洁，刘富鹏，杨 宁，王 青

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2. 上海交通大学，上海 200240）

深水水下作业工具简易运输装置研究

赵 洁1，刘富鹏1，杨 宁1，王 青2

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2. 上海交通大学，上海 200240）

为深水工作级水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）设计配套的水下作业工具运输装置能向海底布放和回收ROV无法携带的样品、仪器及其他作业设备，从而为水下设备、水下装置和水下工具在海面与海底之间的升降运输提供手段。该深水水下作业工具简易运输装置主体主要采用框架结构，由输运模块、浮力调节模块和水下示位模块等3大模块组成，通过搭载不同体积的浮力材料和不同质量的负载执行不同深水设备在水下的运输任务。该装置安装有水下定位装置——声学应答器，能与母船和ROV 进行声学通信，通过声学信息告知其位置坐标，便于母船和ROV定位寻找。

ROV作业工具运输；水下工具运输装置；深水ROV

0 引 言

深水海域油气资源丰富，为更好地开发油气资源，世界各国都在大力发展其深水作业技术。水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）是深水作业所需的主要设备之一，其在水下作业时需母船为其将作业工具运输至海底。目前在实际作业过程中，主要通过深水吊机将这些工具下放至海底；若没有配备深水吊机，则需通过将ROV上浮到海面来更换工具。深水吊机价格昂贵，大部分船舶都没有配备，即便配备有深水吊机，考虑到经济效益，业主也更倾向于将其应用到更重要的工作中去。随着ROV工作水深不断增加，通过多次上浮下潜的方式来更换作业工具显然效率低下。对此，美国和日本的部分海洋工程企业着手研究水下运输升降装置并已投入使用，而国内尚未对该技术进行研究。

本文所述的研究正是针对为深水作业ROV配套的水下作业工具简易运输装置的设计，该装置将使没有深水吊机的母船也具备ROV作业支持能力，减少ROV的下潜上浮次数，提高我国的深水作业效率和深海作业能力。

1 总体设计方案

深水水下作业工具简易运输装置（以下简称“水下升降装置”）主要以塔式框架结构为主体，上下主要分为浮体和输运箱2部分，通过搭载不同体积的浮力材料和不同质量的负载执行不同深水设备在水下的运输任务；同时，该装置安装有声学应答器，能与母船和ROV进行声学通信，通过声学信息告知其位置坐标，便于母船和ROV定位寻找。针对1500m重载作业型ROV设计的深水水下作业工具简易运输装置结构示意见图1。

1.1 工作过程

向海底布放、回收物体的主要过程为：

1) 在水面上通过挂载（适当挂载铁块或铅块）的方式将装载布放设备的深水水下作业工具简易运输装置配置成负浮力，即系统浮力小于自身重力；

2) 在水面上通过水面母船的移动进行初步定位之后将该装置投放入水，使其靠自身负浮力自由落到海底；

3) 根据该装置和ROV的超短基线定位信息，控制ROV向已坐底的该装置靠近，由ROV抓取所需作业工具，并将需回收的物体（样品）放入该装置内，通过ROV操作手动释放器或控制声学释放器将压载块释放至海底，释放后该装置具备正浮力，自由漂浮到水面，通过水下声学定位装置由母船定位回收。

1.2 设计指标

在设计方案中，该装置达到的具体设计指标为：最大工作水深1500m；工作温度0~25℃[1]；单程最大输运体积0.7m3；从海面到海底的最大输运能力200kg；从海底到海面的最大提升能力150kg；装置总重≤1 t。

2 水下升降装置组成结构

水下升降装置分为运输模块、浮力调节模块和水下示位模块等3部分。

2.1 运输模块

运输模块主要由连接钢索、运输箱支架和运输箱组成，其主要功能是为需要进行水下布放或回收的工具、设备和样品在海底与海面之间运输提供载体，并为浮力调节模块部件的连接或安放提供支撑。

1) 连接钢索采用直径为6mm的麻芯1670MPa级钢丝绳，每根钢丝绳长1.2m，在安全系数为6.0的情况下最大承重为270kg；共使用4根麻芯钢丝绳，总承重最大为1080kg。

2) 运输箱框架拟选用冷弯等边三角钢焊接制成。该三角钢边长为 20mm，厚度为 1.6mm；底部框架边长为20mm，厚度为4mm。

3) 运输箱箱体采用304型号不锈钢孔板加工，可有效减小深水水下作业工具简易运输装置在运输过程中所受的阻力。

2.2 浮力调节模块

浮力调节模块主要由浮体、负载和负载的释放机构（手动释放器和声学释放器）等组成，其中：浮体由浮力材料块及其安装框架结构共同组成；负载及其释放机构的主要功能是通过搭载或释放负载改变深水水下作业工具简易运输装置在水中受到的净浮力的大小，使得装置下潜或上浮[2]。

1) 浮体材料块选用国内研制的深海耐压浮力材料，密度为 0.53±0.02g/cm3，截面尺寸为300mm×300mm× 150mm，可根据结构强度需求和运输任务来增减其数量。浮力材料块自重约15kg，水中产生的正浮力约120N。

2) 负载在水下运输装置中主要作为配重使用，用于调节水下升降装置整体净浮力的大小，由负载安装支架和多块铸铁块组成。每块铸铁块都按照统一规格（150mm×150mm×50mm）加工。负载释放机构由声学释放器和手动释放机构2部分组成。负载的释放可采用声学释放器释放和手动释放2种方式进行。负载通过绳索悬挂在负载释放机构的下部，穿过负载连接圆环的绳索两端，分别与声学释放器和手动释放机构相连。

2.3 水下示位模块

水下示位模块由声学应答器和无线电信标组成。母船利用配套的水下定位系统，通过水声信号对深水水下作业工具简易运输装置进行示位；无线电信标用于指示回收入母船时所处海面的位置，同时可在声学设备失效的情况下作为备选方案。

声学应答器和无线信标都固定于浮体框架的顶端，减少框架结构对声学信号的阻碍，利于信号的接收。

3 水下升降装置阻力计算和强度校核

当水中运动体与其周围流体之间有相对运动时，会有阻力产生，相对运动速度越大，阻力就越大。由于水下升降装置主要在水下作业，因此流体产生的阻力主要包括摩擦阻力Rf和黏压阻力Rpv。摩擦阻力和黏压阻力随着该装置相对运动速度的变化而不断变化；同时两者占总阻力的比例受水中物体形状的影响[3]。

3.1 摩擦阻力

摩擦阻力是水中物体与水流相切的表面和水流发生摩擦造成的，其计算式为

式(2)中：雷诺数 Re = vLwl/h；Lwl为水线长，m；v为流体速度，m/s；h为水的运动黏性系数，一般取h= 1.56132´ 10-6m2/s。

水下升降装置中产生流体阻力的部分主要是输运箱和浮体，经计算，输运箱摩擦阻力Rf1和浮体摩擦阻力Rf2的计算式分别为

3.2 黏压阻力

由于水下升降装置的外形结构主要采用非流线型设计，在水中运动过程中对黏性流体边界层的分离导致黏压阻力产生。黏压阻力为总阻力的重要组成部分，其计算式为

式(5)中：Cpv为黏压阻力系数；A为物体在垂直于阻力方向上的最大横剖面面积。估算黏压阻力系数Cpv的近似计算式为

式(6)中：Lr为水中运动物体的长度，又称去流段长度；S为与速度方向平行的侧面表面积；Am为物体在垂直于速度方向上的横剖面面积；在此处的黏压阻力计算中，最大横剖面面积A即为垂直于速度方向的横剖面面积Am。

由式(6)可知，Cpv与Am的5/4次方成正比、与S成反比，水下运动物体的长度一定。这里校核深水水下作业工具简易运输装置在下降过程中的最危险情况，即所受阻力最小、下降速度最快的工况。深水水下作业工具简易运输装置采用非流线体结构，迎流面积较大，其所受的阻力主要为黏压阻力，则要校核所受阻力最小的情况，需求解Cpv的极小值。若在最危险工况下的校核结果满足结构强度要求，则该装置在其他作业任务下亦符合设计强度规范。

输运箱的黏压阻力Rpv1，浮体所受黏压阻力Rpv2及水下升降装置所受总阻力R的计算式分别为

3.3 速度计算

水下升降装置在水中上升或下降的过程中，随着速度的增加，阻力会不断增大，最后达到平衡状态。装置保持匀速运动时，有关系式

在得到该装置阻力与速度的关系式后，可根据不同浮力工况分析在不同负载和附体配置情况下装置的运动速度：

1) 当装置配载后负浮力为49N时，可得n=0.771m/s；

2) 当装置配载后负浮力为98N时，可得n=1.091m/s；

3) 当装置配载后负浮力为147N时，可得n=1.336m/s；

4) 当装置配载后负浮力为196N时，可得n=1.543m/s；

5) 当装置配载后负浮力为294N时，可得n=1.889m/s。根据以上不同配载工况，可得到该装置匀速运动过程中速度与其所受阻力的关系曲线（见图2）。

3.4 输运箱着陆冲击强度校核

设输运箱下行满载运输仪器设备 200kg（此为水中质量，在空气中为250~300kg），受负浮力294N下行，在最极端的工况下，装置保持n=1.889m/s的速度下降，直至着陆。着陆过程中受到冲击作用的部分包括输运箱、输运箱支架、负载和声学释放器，其质量为370~420kg。冲击力的计算通过动量定理[4]推导出，即

式(11)中：F为冲击力；m为输运架的质量；n为着陆时的速度；t为装置着陆至速度降为0所需要的时间。

冲击事件与海底底质的状况有关[5]。若着陆地点位于海底沉积物地质的海床，则因地质柔软，着陆时缓冲时间较长，因此取t=0.1s，计算所得的最大冲击应力4.82MPa远小于角钢的许用应力235MPa，其安全系数为48.8；若着陆地点为洋底岩石地质，着落表面基本上可作为刚体分析，则触底的碰撞即为刚性碰撞，岩石地质变形极小，缓冲时间很短，取t=0.01s进行估算，计算所得的最大冲击应力33.87MPa小于角钢的许用应力235MPa，安全系数为6.98。结构安全系数较大，主要考虑到实际海床并非水平结构，装置在着陆时可能出现局部先接触的情况。

4 结 语

本文为ROV设计一种配套的深水水下作业工具简易运输装置，能向海底布放和回收ROV无法携带的样品、仪器或作业设备，为海面与海底之间的升降运输提供了一种可行的手段，能提高我国深海作业的效率和深海作业能力。

[1] DNV. Environmental conditions and environmental loads: DNV-RP-C205[S]. 2014.

[2] HALKYARD J. Design of floating structures[M]. Amsterdam: Elsevier Science, 2006.

[3] ABS. Rules for building and classing underwater vehicles system, and hyperbaric facilities[S].

[4] 余同希. 结构的塑性动力响应(一)[J]. 爆炸与冲击，1990 (1): 87-98.

[5] 张宏伟. 可着陆水下自航行器系统设计与动力学行为研究[D]. 天津：天津大学， 2007.

Research on the Sim p le Transport Device for Deepwater ROV Tools

ZHAO Jie1，LIU Fu-peng1，YANG Ning1，WANG Qing2
（1. Offshore Oil Engineering Company, Tianjin 300461, China; 2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China）

The simple transportation device designed for deepwater Remote Operated Vehicle (ROV) can deploy and recover the samples, instruments, operation equipments and all those ROV cannot carry from/to ocean surface and bottom. Its frame structure consists of the transportation module, the buoyancy adjustment module and the underwater positioning module. The transportation in different water depth is accomplished by carrying buoyancy material of different volumes and loads of different masses. Besides, the device is equipped w ith an underwater positioning device—acoustic transponder, which can communicate with the mother ship and the ROV through acoustic signals, telling them its location to let them follow.

ROV tool transportation; underwater tool transportation device; deepwater ROV

P754

A

2095-4069 (2017) 03-0073-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.015

2016-05-11

国家科技重大专项（2011ZX05027-005；2016ZX05028-007）

赵洁，女，硕士，1983年生。2009年毕业于中国石油大学（北京）岩土工程专业，现主要从事海洋工程专业的设计和研究工作。