饱和潜水技术与装备

陆庆莉 左 赟 王 宏 蒋 蘶

（交通运输部救助打捞局芜湖救捞装备研发中心，芜湖 241000）

在我国，小型饱和潜水系统对水文地质、水资源管理、工程勘察、环境保护、海洋开发以及大坝检修等具有重大意义，是一项重要的技术开发项目，给我国的饱和潜水装备提供了更多的发展方向。

饱和潜水技术是一种新技术，可以提高潜水深度，增加水下工作时间，通过改变水下压力，可以在水下进行多种活动，包括深潜、浮潜、拖曳伞、滑翔伞以及直升机等。它可以减少人员伤亡，提高安全性，也可以节省大量资金，在海洋科学、地质学、生物学、医学以及环境科学等领域应用广泛。近年来，为了满足全球海上紧急抢险、打捞和适应水上可再生能源的开通，以及重型海底盾构公路建设养护等需求，饱和潜水技术得到迅速发展，尤其是已建成的大型海上钻井平台多采用饱和潜水作业。

1 饱和潜水技术与装备系统发展历程

1.1 饱和潜水技术发展历程

随着经济的蓬勃发展，饱和潜水技术及其装备也实现了进一步优化改良，在海洋资源的开采与海域勘测等工作中应用广泛。早在1957年，有专家提出了“饱和潜水”的相关概念。1988年，地中海区域的科研潜水试验能够达到深海534 m，而在1992年再一次成功突破，饱和潜水深度达到701 m。饱和潜水距离不断增加，有助于加强人们对深海海域的认知水平，为深海探测工作提供充足的饱和潜水技术支撑[1]。目前，我国已建成世界上最大的海洋科学观测网，拥有全球最大的深海调查船队，并在深海资源勘探、深海开发利用以及深海生物研究等领域取得了一系列重大成果。我国饱和潜水技术起步于20世纪70年代。1989年，海军医学研究所进行了350 m氦氧模拟饱和潜水实验，创造了当时的亚洲纪录。上海打捞局承担了多次饱和潜水应急救助和抢险任务。当下采用适宜的饱和潜水工程作业深度为450 m，实践中的大部分水下工作集中在水深75～300 m。

1.2 饱和潜水装备发展历程及技术特征

国内的商用饱和潜水装置的发展起始于20世纪70年代中期。在“南海2号”钻井平台建设中，相关部门通过引入国外的饱和潜水装置进行了深度300 m的钻井工作，在海域打捞工作中也引入了不同潜水深度的装置设备，形成了早期的商用饱和潜水装备。到20世纪80年代，我国开始尝试自主研发饱和潜水装备，但是由于技术与资金不足以失败告终。直到2016年上海打捞局芜湖潜水装备厂通过加强与国外技术公司的合作，共同设计并研制了深度可达300 m的饱和潜水装备，并于2019年4月开始投入生产，同年研制出深度为500 m的商用饱和潜水装备。这一壮举推进了商用饱和潜水装备的国产化进程，能够有效满足深水水下作业需求，为陆上装载和船舶装运提供了较为充足的装备支撑。图1为饱和潜水装备。

图1 饱和潜水装备

1.3 饱和潜水系统模块化技术特点

饱和潜水系统模块化是根据装备的功能进行模块化设计，可以根据需要灵活组合形成多种功能。这种系统结构简单，成本低，维护方便，适用范围广，易于推广。它可以根据需要进行不同的组合，从而满足不同的作业要求，具有很强的灵活性和适应性，可以适应各种复杂的海况条件，并且能够在不同的作业环境下保持良好的性能[2]。

2 饱和潜水装备小型化的关键技术

饱和潜水装备系统小型化设计，通常是指能符合最基础的饱和潜水作业需求，具有一定的安全性、适应性和可靠性的潜水装备系统，对于模块化的加压舱、潜水钟及辅助装置有很大帮助。它的特点主要包括小型化、轻量化、可折叠、易安装、易维护、易操作以及使用方便等。小型化潜水装备系统还可根据需要进行扩展，不仅可以提高潜水作业效率，而且可以降低成本，缩短工作时间，有利于开拓饱和潜水市场[3]。

2.1 饱和潜水装备系统的小型化要求

2.1.1 人员要素要求

当前开展饱和潜水作业至少需要3人合作，其中1人操作饱和潜水装备，另2人对深水作业情况进行全面观察与统计。使用人员的人数要求能够在保障深水作业安全性的前提下提高深水作业的有效性，促使潜水员及时判断当前潜水深度和水域情况。因为3人组的潜水作业时间与潜水距离都较短，所以3人即可高效完成饱和潜水作业。然而，对于时间较长的深水作业，如24 h的水下作业或施工操作等，则需要配备4～5名潜水员进入潜水舱开展水下作业。由于此类潜水作业时间较长，潜水员之间需要进行人员更换与配合，以有效保障潜水员的安全性，并提高深水作业的有效性。多人小组的深水工作大多用于开展水下救援，而水下救援工作不仅需要潜水员具备较强的潜水能力与救援技术，还需要及时将救援人员带离水面，救援难度较大。

2.1.2 饱和潜水设备技术要求

设计、建造所有载人压力容器均须符合相关技术规范和标准规定，配置加压舱（执行《甲板减压舱》（GB/T 16560—2011）和《加压舱通用规范》（HJB 170—1997）及其备用系统和自动报警装置，其中备用系统和自动报警装置也应执行中国船级社有关规范[4]。潜水钟入出水系统应具有防水、防尘、防腐蚀功能，并应符合国家有关规定。

2.2 饱和潜水系统小型化的主要配置与模块

饱和潜水系统小型化装备中具有潜水钟和饱和居住舱，其中潜水钟能够容纳2～3名潜水员，居住舱能够容纳4～6名潜水员。潜水员能够在压力饱和状态下实施各项水下作业，有助于实现内部空间使用效率的最大化。饱和潜水系统小型化还包括供水、集中控制及发电供电等模块，具有较为完全的系统配备，能够高效开展各项水下作业。

2.3 饱和潜水系统小型化的技术优点

一个小型化的饱和装备系统可以同时容纳多个不同功能单元，大大提高了系统的灵活性。由于体积较小，它可以很快地集成在比传统的“内置”系统更小的船只中，而且功能十分强大，能够有效满足使用者的需求，还可执行复杂任务，且不影响船舶的整体性能。这种小型化装备系统可以用于海上紧急救援，若没有专业的高压应急设施，4～6人居住舱将装载尽可能多的生命支撑包，以保证人员安全。这种设计可以在紧急情况下为使用者提供额外的生命支持，通过简单的操作实现快速响应，以满足紧急情况下的救援需求。此类小型化饱和装备系统降低了成本，具有较强的经济效益。图2为潜水主要配置图。

图2 潜水主要配置图

2.4 小型饱和潜水系统作业能力与投资成本优势

2.4.1 小型饱和潜水系统作业优势及条件

小型饱和潜水系统的水深限制为300 m，最大潜深为400 m。应用小型化的饱和潜水系统作业是一项重要的技术措施，其中包括采用先进的电子设备，提高工作效率，降低劳动强度，缩短作业时间等。这种系统结构简单，维护方便，操作灵活，安全可靠，适用范围广，价格低廉。但是，因为系统体积小、重量轻，不能承受较大的水压，所以在使用过程中要注意保护系统，防止损坏，同时要注意定期检查系统的运行情况[5]。

大型潜水装备系统一般适用于较大的潜水深度和工程量大的工况，以满足更大的作业需要。小型饱和潜水装备系统可根据需要设计更大的潜水深度，但不宜超过最大潜水深度的50%[6]。小型饱和潜水系统的设计应满足水下工作环境的要求，如海水温度、盐度以及盐度梯度等。小型饱和潜水系统的结构应尽可能简单，便于维护和操作。小型饱和潜水系统的工作参数应尽可能接近实际情况，以保证系统的安全性和可靠性。

2.4.2 小型饱和潜水系统投资成本优势

饱和系统的投资成本非常高，导致饱和潜水系统的报价逐渐上升，且使用者需要额外支付相应的安装费用。饱和系统工作成本主要包括维护设备和运行成本。不管是在投入成本还是海上操作运行成本，饱和装备系统小型化优点均非常明显。这些优点可以通过提高系统可靠性和安全性实现，但由于饱和系统的工作环境较为恶劣，在系统设计和建造过程中需要增强其自身的环境适应性。在一个典型的饱和系统中，系统的输出功率可以达到100 kW，意味着系统的总能耗将超过100 kW·h-1。因此，为了保证系统的经济性，需要在整个系统中分配更多的电能。这就要求系统的能量管理策略必须灵活，以满足不同负载的需求。

3 小型化饱和潜水系统的应用前景

海洋中除了丰富的渔业生物资源、矿产油气资源、海洋空间资源之外，还有以风、热、海流、海浪、潮汐等形式出现的海洋可再生能源，这是继海洋油气资源开发之后的又一新兴领域。随着越来越多的风电机组的建设，海上风电场将寻求离海岸更远的水域，解决海岸线附近有限空间的发展挑战。

我国正着力建设海上风电项目，然而发展海上风电并走向深海区需要突破技术关和成本关。这两大发展难点均与潜水及水下作业有着密切联系。风电场建设需要面对潮间带海域以及中、深水海域复杂的自然环境，使得风电场建设从项目开始到结束都需要潜水作业的配合，如工程前现场清理与整平，设计放置混凝土排垫以保护铺设的电缆等。施工中会由潜水员进行灌浆，实施防冲刷措施和阴极保护等活动。一旦安装完成并投产，还需要定期的水下检查和维护。

盾构向着管径越宽、掘进距离越长、水平越高、地层结构越复杂的方向推进。尤其是在3个世界级海峡隧道（包括琼州海峡、渤海海峡、台海）的施工中，都偏向于在使用超级盾构长距离的大水压环境下进行，解决饱和带压进舱的技术难题，以满足盾构施工的新要求。

4 结语

如何将目前已成熟的海洋饱和潜水技术和装备系统应用于水利水电工程、沿岸绿色风能发电等工程，提高我国海洋资源开发利用水平，保护海洋生态环境，促进经济社会可持续发展，已经成为摆在我国面前的一项重要课题。