基于合成纤维缆的科考船地质绞车海上试验方法

葛杨元，杨 宇，张洪欣，叶浩然，潘瑞祥，李文华

（1. 南通力威机械有限公司，江苏南通 226500；2. 上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 自然资源部北海局，山东青岛 266061；4. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁大连 116026）

0 引言

全海深地质绞车是配备于科考类船舶的高技术型船舶技术设备与科考调查设备[1]，适用于进行全海深条件下的海洋环境探测、生物地质取样工作，是科考船上实现重要船载探测仪器布防与回收的关键设备[2]，为海洋调查研究工作提供强有力的保障[3]。合成纤维缆绳由于其自身高强度、低质量、小密度的特点，逐步成为大容量高强度海工设备的缆绳首选[4]。本文以国产使用合成纤维缆的全海深地质绞车系统海上试验为参考，提出适用于国产地质绞车海上试验的方法[5]，该海上试验为验收试验，目的是检验验证国产全海深地质绞车达到性能要求及考核指标各项工作。

1 海试准备工作

1.1 海试仪器准备工作

本次海试参试仪器设备为1套全海深地质绞车系统（见图1），由1台牵引绞车、1台储缆绞车、1套直角排缆器、1套缆绳松弛补偿器、滑轮组、1根13 000 m合成纤维缆和控制系统等组成，设备技术指标见表1。前期已经完成了陆地联调实验，达到了海上试验要求。

图1 进行海上试验的全海深地质绞车系统

表1 国产全海深地质绞车系统技术指标

辅助海试验证仪器包含1套全海深多波束系统，用于提供作业详细深度数据，设备已经完成标定和校准，确保数据准确可靠；1套箱式取样器、1套柱状取样器和1套生物拖网取样器，用于海试验证作业，状态正常可用。辅助海试验证仪器见表2。

表 2 辅助海试验证设备

1.2 海试人员准备情况

地质绞车海试航次的人员组成应当包含现场专家组、现场作业组，由航次领队统一管理和协调现场作业，确保海试验证任务顺利完成。整个航次人员总计至应约24人，人员配置情况如下：

1）现场专家组负责对现场作业效果进行评价，设置组长1人，组员4人，共5人。组长负责合规性监督，组员分战位进行各单项监督。

2）现场作业组负责作业过程的现场实施操作，设置指挥2人，操作人员2人，舱内观察人员2人，A架操作人员2人，甲板拆卸、止荡人员8人，共16人。组长负责协调组员完成数据准备、设备准备、设备布放与回收、绞车操作，安全员进行甲板作业过程监管，现场指挥，组员完成相应工作。

3）技术服务组负责处理和解决现场作业过程中出现的设备技术故障，共4人。

1.3 海试船舶准备情况

船到达预定的海域，使用多波束测深系统对取样区域海底地貌进行扫测；根据海水流向和风向，确定船体可调控姿态（方向）；箱式取样和柱式取样的作业区域，选择深度达7 500 m以上较为平缓的软质底质；生物拖网取样，根据预选海试区域，向北向西陡峭、向东向南逐步变浅至6 000 m左右的海底地貌情况，结合海水流向和风向，在船体姿态调控稳定的状态下，船由东南向西北方向航行，做深拖试验，目的是由浅向深拖曳，避免生物拖网触底。

2 海上试验内容和流程

2.1 作业程序

1）常规地质取样试验

常规地质取样试验为箱式取样和柱状式地质取样。通过绞车控制系统计数器显示数值与多波束测深系统数值进行比对，确保取样作业顺利完成。常规地质取样试验主要流程见图2。

图2 常规地质取样试验主要流程

2）拖曳式生物取样试验

绞车系统挂载生物拖网系统后，进行拖曳式生物拖网作业，验证绞车系统的性能稳定性和设备可靠性。主要流程见图3。

图3 深水拖网试验主要流程

2.2 箱式与柱式取样作业操作步骤

1）布放

（1）绞车系统上电，操作、控制系统正常。

（2）缆绳端固定配重块，达到合适配重情况。

（3）缆绳端用25 t卸扣与柱式取样器连接。

（4）操作绞车系统和A架协同动作，取样器吊离甲板至船舷外。

（5）操作绞车系统布放柱式取样器，其布放速度由慢速向高速运行（0～90 m/min）。

（6）箱式或柱式取样器布放过程中，对放缆长度进行监测，对比多波束探测采样器下潜深度，距离海床200 m左右时，下调布放速度，以55 m/min左右的速度下放取样器，至取样器触底或插入海床。

2）回收

（1）操作绞车系统，牵引低速运行提起或拔出取样器。

（2）绞车收缆长度监测与多波束探测到取样器提起后，回收速度由低速向高速运行（0～90 m/min）。

（3）当绞车系统收缆长度反馈剩下距离500 m左右时，操作手柄降速收缆。

（4）操作绞车系统和A架协同动作，柱式取样器吊放至船艉甲板上。

（5）观察取样器沉积物并取出。

2.3 生物拖网取样作业操作步骤

1）布放

（1）绞车系统上电，操作、控制系统正常。

（2）缆绳端固定配重块，达到合适配重情况；观察生物拖网下沉效果并视情况进行配重调整。

（3）缆绳端用25 t卸扣与生物拖网连接。

（4）操作绞车系统和A架协同动作，生物拖网吊离甲板至船舷外。

（5）以水深6 000 m的平缓地带为作业起点，船为悬停状态，操作绞车系统布放生物拖网，其布放速度由慢速向高速运行（0～60 m/min），至布放深度3 000 m；此时，船舶以对地1 kn～2 kn的速度开始航行拖曳，绞车系统以速度50 m/min放缆，当绞车系统显示放缆长度为11 000 m时，绞车停止放缆；船舶继续以对地2 kn～4 kn速度航行30 min，观察绞车牵引力，保持缆绳与海平面呈相应的夹角，确保生物拖网悬浮在水中不触底。

2）回收

（1）操作绞车系统，回收生物拖网。

（2）缆长小于水深之后，船舶为悬停状态，回收速度由慢速向高速运行（0～90 m/min）。

（3）当绞车收缆长度显示剩余500 m左右时，操作手柄降速收缆。

（4）操作绞车系统和A架协同动作，生物拖网取样器吊放至船艉甲板上。

（5）检查生物拖网。

3 海上试验应急流程及预案

3.1 海上试验应急流程

为保障航次的顺利实施，对所有人员上船后需进行安全培训。为了预防紧急情况，特制定了应急程序，见图4。

图4 应急程序流程图

3.2 海上试验应急预案

1）绞车系统全程布放、回收过程中出现故障，应立即停机检查，判别故障原因、制定维修方案、确定修理时间。短时内有元器件备件且可快速更换的，随时观察缆绳漂浮情况，避免缆绳卷入螺旋桨；短时内无法修理或无更换备件，应立即截断缆绳，取消作业。

2）绞车高速长时间运行，减速箱、泵站、稀油站出现高温报警，减速运行或短暂停机。

3）取样器挂底无法回收，船体配合调整位置，操作绞车系统重复拖拽。

4）船体出现故障，需较长时间修理，特别是布放作业时应立即停止，快速回收取样器。

5）缆绳缠绕螺旋桨上，截断缆绳，取消作业。

4 海上试验比测数据及实测数据处理方法

4.1 比测仪器及其状态，比测方法和比测程序

1）比测设备为多波束测深系统，以完成设备校准与调试。

2）比测方法为读取多波束水深测量数据，绞车自带计数器进行放缆长度监测，通过对比多波束测深数据了解实测采样器下潜深度。

3）比测程序按照浅水、深水试验程序进行。比测程序流程图见图5。

图5 比测程序流程图

4.2 试验数据和比测数据的处理办法

多波束水深测量数据处理是常规处理流程。本航次的目的主要是对万米地质绞车的实际性能进行海试验证，因此获取的数据包括海试验证过程中所有的过程记录文件，实验过程中关键节点的绞车参数以及用于放缆长度和深度比对的多波束数据等。所获数据进行横向对比，寻找特别现象和位置，进行针对性检查，确保绞车作业正常。试验期间检查和记录下列项目：

1）绞车运转平稳，无异常振动和响声。

2）绞车机械各部分连接牢靠，紧固件无松动。

3）结构件无裂纹和永久变形。

4）减速器、液压站、稀油站及液压管线不得有漏油、渗油现象。

5）检查减速器、液压系统、稀油站的油位。

6）电气设备安全可靠性。

7）记录电机的电压、电流、转速。

8）记录减速箱、电机、液压站、稀油站及支撑座的温度。

9）检查电机盘式制动器动作灵活、安全可靠。

10）检查储缆绞车带式制动器动作灵活可靠及滑移量。

11）排绳装置运行应正常、无开阻。

12）操作台仪表显示正常、界面设定准确，操作手柄灵活、位置可锁住。

13）记录缆绳张力，测力准确、可靠。

14）记录缆绳收放速度、长度，测速、测长准确、可靠。

15）牵引滚轮、滑轮组无跳绳现象。

16）储缆绞车恒张力设定稳定、准确。

17）系统控制程序稳定、准确。

18）缆松弛补偿器动作响应快。

19）检查滤油器清洁度。

20）检查储缆绞车带式制动器摩擦带接触及磨损情况。

5 结论

本文叙述的地质绞车海上试验流程可应用于

目前国产使用合成纤维缆地质绞车可靠性验证试验，为大容量地质绞车系统的改进和完善提供依据。此外，对于其他使用合成纤维缆绳的国产相似科考类绞车，可以使用本文所提供方案进行验证国产化设施的先进性，以达到增强市场竞争力的目的。同时为其他类型的绞车等甲板机械的海上试验提供重要参考。